Cette thèse étudie la problématique d'un atterrissage sur un astéroïde. Le lander est un paquet scientifique dépourvu de plateforme de navigation. Il est placé dans une région dont la dynamique est favorable à l'atterrissage. Une étude de l'interaction entre le lander et la surface permet de comprendre quels critères physiques du lander affectent son atterrissage. / This dissertation investigates landings on an asteroid. The lander is a scientific package devoid of any navigation platform. It is released in a region dynamically favorable to landing. The study of the interaction between the lander and the surface shows the possible trade-offs on the lander physical properties that may affect its landing.

En 2006, Il a été observé que l'astéroïde (234)~Barbara possède une valeur anormalement élevée d’angle d’inversion polarimétrie. Par la suite, d'autres astéroïdes possédant la même caractéristique que Barbara ont été découverts et nommés ``Barbarians'' en référence à (234) Barbara. L'étude de ces astéroïdes constitue le sujet principal de cette thèse ayant pour but de mieux comprendre la raison de cet angle d'inversion plus élevé que la normale. La première hypothèse formulée afin d’expliquer cette anomalie polarimétrique suppose que les astéroïdes Barbarians possèdent une forme fortement irrégulière induisant une réponse polarimétrique particulière. La deuxième hypothèse stipule que les astéroïdes Barbarians possèdent une abondance anormalement élevée d'inclusions riches en aluminium et en calcium. Au cours de cette thèse, nous avons obtenu de nombreuses nouvelles données aussi bien en photométrie, spectroscopie que polarimétrie. Ces nouvelles observations d’astéroïdes ont permis de tester différentes hypothèses formulées précédemment afin d'expliquer l'anomalie polarimétrique observée. Nos observations ont permis d'éliminer une hypothèse faisant appel à une topologie particulière des astéroïdes Barbarians, mais nous avons confirmé et renforcé une autre hypothèse faisant intervenir une composition particulière de ces astéroïdes. Si cette dernière hypothèse était confirmée, cela en ferait des astéroïdes primitifs s'étant formés lors des premières étapes du Système Solaire. Leur étude permettrait donc d'en apprendre plus sur les mécanismes de formation des astéroïdes et la composition de la nébuleuse ayant donné naissance au Système Solaire. Comprendre les astéroïdes Barbarians sert à mieux comprendre les premières étapes de formation du Système Solaire et aussi celles des planètes. / A few years ago, asteroid polarimetry allowed to discover a class of asteroids exhibiting peculiar phase polarization curves, collectively called "Barbarians" from the prototype of this class, the asteroid (234) Barbara. All such objects belong to the L visible plus near infrared based taxonomic class. The anomalous polarization has been tentatively interpreted in terms of high-albedo, spinel-rich Calcium-Aluminum inclusions (CAI) that could be abundant on the surfaces of some of these asteroids, according to their spectral reflectance properties and to analogies with CO3/CV3 meteorites. Such CAIs are among the oldest mineral assemblages ever found in the Solar System. Barbarians' surfaces could therefore be rich in this very ancient material and bring information on the early phases of planetary formation. During this thesis, a systematic campaign for photometric, polarimetric and spectroscopic characterization has been conducted. These observation campaigns allowed improving our general knowledge about these peculiar asteroids and highlighting the link between polarization and polarimetric properties. Our observation also allowed discarding the hypotheses involving peculiar shape for these asteroids. However, as it was suggested, a link between the presence of CAI and the polarimetric response was found. Our observations show that the relative abundance of CAI is correlated with the polarimetric inversion angle. This is the first time that a direct link between polarimetric and spectroscopic properties is found.

Les missions d'exploration planétaire utilisent des véhicules spatiaux pour acquérir les données scientifiques qui font avancer notre connaissance du système solaire. Depuis les années 90, ces missions ciblent non seulement les planètes, mais aussi les corps célestes de plus petite taille comme les astéroïdes. Ces astres représentent un défi particulier du point de vue des systèmes de navigation, car leur environnement dynamique est complexe. Une sonde spatiale doit réagir rapidement face aux perturbations gravitationnelles en présence, sans quoi sa sécurité pourrait être compromise. Les délais de communication avec la Terre pouvant souvent atteindre plusieurs dizaines de minutes, il est nécessaire de développer des logiciels permettant une plus grande autonomie d'opération pour ce type de mission. Ce mémoire présente un système de navigation autonome qui détermine la position et la vitesse d'un satellite en orbite autour d'un astéroïde. Il s'agit d'un filtre de Kalman étendu adaptatif à trois degrés de liberté. Le système proposé se base sur l'imagerie optique pour détecter des"points de repères" qui ont été préalablement cartographiés. Il peut s'agir de cratères, de rochers ou de n'importe quel trait physique discernable à la caméra. Les travaux de recherche réalisés se concentrent sur les techniques d'estimation d'état propres à la navigation autonome. Ainsi, on suppose l'existence d'un logiciel approprié qui réalise les fonctions de traitement d'image. La principale contribution de recherche consiste en l'inclusion, à chaque cycle d'estimation, d'une mesure de distance afin d'améliorer les performances de navigation. Un estimateur d'état de type adaptatif est nécessaire pour le traitement de ces mesures, car leur précision varie dans le temps en raison de l'erreur de pointage. Les contributions secondaires de recherche sont liées à l'analyse de l'observabilité du système ainsi qu'à une analyse de sensibilité pour six paramètres principaux de conception. Les résultats de simulation montrent que l'ajout d'une mesure de distance par cycle de mise à jour entraîne une amélioration significative des performances de navigation. Ce procédé réduit l'erreur d'estimation ainsi que les périodes de non-observabilité en plus de contrer la dilution de précision des mesures. Les analyses de sensibilité confirment quant à elles la contribution des mesures de distance à la diminution globale de l'erreur d'estimation et ce pour une large gamme de paramètres de conception. Elles indiquent également que l'erreur de cartographie est un paramètre critique pour les performances du système de navigation développé.

La présente thèse décrit l'application de la sismologie aux astéroïdes à travers deux objectifs principaux : évaluer le comportement d'un astéroïde suite à une excitation sismique et proposer des hypothèses justifiant le déficit en petits cratères observé sur l'astéroïde 433 Eros. Cet astéroïde, imagé par la sonde NEAR durant l'année 2000-2001, montre une surface constituée de régolite (roche inconsolidée, broyée par les impacts) et déficitaire en petits cratères de taille inférieure à 200 m environ. Le premier objectif a consisté, après une étude préliminaire sur les modes propres (e.g., Lognonné et Clévédé, 2002) de petits modèles d'astéroïdes sphériques, à simuler les vibrations de modèles 2-D et 3-D de l'astéroïde Eros soumis à une source sismique grâce à la méthode des éléments spectraux. Cette méthode consiste à approximer la solution de l'équation d'onde sur un maillage de l'objet étudié (e.g., Komatitsch et Tromp, 1999). Les simulations de propagation d'onde effectuées sur les divers modèles de l'astéroïde Eros suggèrent un rôle important de la couche de régolite en tant que guide d'onde à l'origine d'une amplification des signaux sismiques en surface. De même, pour une étude des signaux enregistrés en surface de l'astéroïde, la présence d'une couche de régolite semble occulter l'effet d'une structure interne (tel un réseau de fractures). Le second objectif de la thèse consiste à expliquer le déficit en petits cratères observé sur l'astéroïde 433 Eros. La simulation du rebouchage des cratères par recouvrement des débris d'impacts permet d'expliquer une partie du déficit en petits cratères mais pas tout (Blitz et al., 2009). Nous avons donc simulé le rebouchage des cratères par les glissements de terrains sur les bords des cratères déclenchés par les vibrations résultant des impacts (Richardson et al., 2005) à partir de simulations de propagation d'onde effectuées dans un modèle 3-D de l'astéroïde Eros. L'action simultanée de ces deux moyens d'érosion permet de simuler une population de cratères semblable à celle observée sur Eros pour un temps d'exposition aux impacteurs de la Ceinture Principale d'Astéroïde d'environ 600 Ma.

Cette thèse étudie la problématique d'un atterrissage sur un astéroïde. Le lander est un paquet scientifique dépourvu de plateforme de navigation. Il est placé dans une région dont la dynamique est favorable à l'atterrissage. Une étude de l'interaction entre le lander et la surface permet de comprendre quels critères physiques du lander affectent son atterrissage.

Cette thèse, composée de deux parties, porte sur l’étude d’instabilités au sein d’un milieugranulaire.La première partie de cette thèse est consacrée à l’instabilité de tôle ondulée, c’est-àdirel’apparition d’un motif de rides sur une piste soumise au passage répété de véhicules.Nos travaux expérimentaux ainsi que des simulations numériques de dynamique moléculairenous ont permis de progresser dans la compréhension de ce phénomène. Pour uneroue rigide tirée à vitesse constante, nous avons étudié quantitativement l’impact de lacohésion du milieu granulaire sur les caractéristiques de l’instabilité : vitesse critique, longueurd’onde et taux de croissance. Nous avons enfin entrepris des études préliminairessur un fluide à seuil simple : un microgel de carbopol.Dans la seconde partie, nous étudions la ségrégation granulaire au sein des astéroïdeslâches. Plusieurs indices montrent qu’un grand nombre d’entre eux sont des empilementsde grains, sans cohésion interne et liés par la gravité. Leur répartition n’est pas homogène,avec des zones lisses recouvertes de fines poussières et d’autres où s’accumulent les grosblocs. Nous avons simulé numériquement un empilement granulaire et nous l’avons soumisà des secousses répétées : nous avons réussi à reproduire la ségrégation. Nous avonsétudié l’influence des paramètres physiques et numériques sur le niveau de ségrégation etla dynamique du phénomène. Nous nous sommes aussi intéressés aux phénomènes physiquespouvant causer la ségrégation : convection granulaire, tamisage cinétique, pressionde déplétion, etc. Enfin, nous avons mis en évidence une instabilité azimutale qui peutexpliquer les observations faites pendant les missions spatiales. / This thesis, consisting of two parts, is focusing on instabilities into a granular assembly.The first part deals with washboard road instability, which is the growth of a ripplepattern on a track subjected to repeated passages of vehicles. Our experimental work aswell as soft spheres numerical simulations provide us a better understanding of this phenomenon.In the case of a rigid wheel dragged at constant velocity, we quantitatively studiedthe impact of the cohesion into the granular media on the main features of the instability :critical velocity, wavelength and growth rates. Finally, we have begun preliminary studieson a yield stress fluid, namely a carbopol microgel.The second part is devoted to the granular segregation in asteroids. Several keys showthat a significant part of them are rubble-piles, without internal cohesion and held togetherby their weak self-gravity. The distribution of grains is heterogeneous : while some regionsconsist in fine sand or powder, large boulders seem to accumulate in other parts. Wenumerically simulated a granular pile and subjected it to repeated quakes : we managedto reproduce segregation. We studied the influence of physical and numerical parameterson the segregation level and the dynamics of the phenomenon. We also investigate variouscauses of the segregation : granular convection, kinetic sieving, depletion pressure, etc.Finally, we highlighted an azimuthal segregation which can explain observations duringspatial missions.