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La relativité générale (RG) et le modèle standard des particules permettent de comprendre les quatre interactions fondamentales de la nature. La formulation d'une théorie quantique de la gravitation permettrait d'unifier ces deux tenants de la physique moderne. D'après les grandes théories d'unification, une telle union est possible moyennant la brisure de certaines symétries fondamentales apparaissant à la fois en RG et dans le modèle standard telle la symétrie de Lorentz. Les violations de la symétrie de Lorentz peuvent être paramétrées dans tous les domaines de la Physique par une théorie effective du champ appelée extension du modèle standard (SME). Une violation au principe d'invariance locale de Lorentz dans le secteur gravitationnel serait supposée engendrer des perturbations dans la dynamique orbitale des corps présents dans le système solaire, notamment la Lune. Ainsi, à partir des données extrêmement précises de télémétrie laser, l'orbite lunaire peut être minutieusement analysée afin de débusquer d'éventuelles anomalies dans son mouvement. Dans cette optique, ELPN (Ephéméride Lunaire Parisienne Numérique), une nouvelle éphéméride lunaire intégrée dans le cadre du formalisme SME a été développée durant la thèse. ELPN fournit les solutions au problème lunaire sous la forme de séries temporelles datées en temps dynamique barycentrique (TDB). Parmi les solutions numériquement intégrées, mentionnons la position et la vitesse du vecteur barycentrique Terre-Lune, les angles de librations lunaires, la différence entre le temps terrestre et le TDB, ainsi que l'ensemble des dérivées partielles intégrées depuis l'équation aux variations. Les prédictions de l'éphéméride ont été utilisées afin de réduire les observations lunar laser ranging (LLR). Dans le cadre de la RG, la dispersion des résidus s'est avérée en accord avec les dispersions calculées à partir des éphémérides INPOP13b et DE430. Dans le cadre du SME minimal, l'analyse des données LLR a permis de contraindre toutes violations à l'invariance locale de Lorentz. Une grande attention a été portée à l'analyse des incertitudes afin de fournir des contraintes réalistes. Ainsi, dans un premier temps, les combinaisons linéaires de coefficients SME ont été isolées puis ajustées aux observations. Puis, dans un second temps, les incertitudes réalistes ont été déterminées par une méthode de ré-échantillonnage. L'analyse des données de télémétrie laser Lune n'a pas permis de révéler de violations au principe d'invariance locale de Lorentz agissant au niveau de l'orbite lunaire. Les prédictions de la RG ont donc été validées avec des précisions absolues allant de 10-9 à 10-12. / General Relativity (GR) and the standard model of particle physics provide a comprehensive description of the four interactions of nature. A quantum gravity theory is expected to merge these two pillars of modern physics. From unification theories, such a combination would lead to a breaking of fundamental symmetry appearing in both GR and the standard model of particle physics as the Lorentz symmetry. Lorentz symmetry violations in all fields of physics can be parametrized by an effective field theory framework called the standard-model extension (SME). Local Lorentz Invariance violations in the gravitational sector should impact the orbital motion of bodies inside the solar system, such as the Moon. Thus, the accurate lunar laser ranging (LLR) data can be analyzed in order to study precisely the lunar motion to look for irregularities. For this purpose, ELPN (Ephéméride Lunaire Parisienne Numérique), a new lunar ephemeris has been integrated in the SME framework. This new numerical solution of the lunar motion provides time series dated in temps dynamique barycentrique (TDB). Among that series, we mention the barycentric position and velocity of the Earth-Moon vector, the lunar libration angles, the time scale difference between the terrestrial time and TDB and partial derivatives integrated from variational equations. ELPN predictions have been used to analyzed LLR observations. In the GR framework, the residuals standard deviations has turned out to be the same order of magnitude compare to those of INPOP13b and DE430 ephemerides. In the framework of the minimal SME, LLR data analysis provided constraints on local Lorentz invariance violations. Spetial attention was paid to analyze uncertainties to provide the most realistic constraints. Therefore, in a first place, linear combinations of SME coefficients have been derived and fitted to LLR observations. In a second time, realistic uncertainties have been determined with a resampling method. LLR data analysis did not reveal local Lorentz invariance violations arising on the lunar orbit. Therefore, GR predictions are recovered with absolute precisions of the order of 10-9 to 10-12.

Il est établi que la Lune a eu par le passé un champ généré par une dynamo interne. Cependant, les mécanismes à l’origine et permettant le maintien de la dynamo sont encore mal connus. La durée de ce champ magnétique est encore débattue. Mon travail de thèse a consisté tout d’abord à une caractérisation magnétique (aimantation naturelle et susceptibilité magnétique) d’une grande partie de la collection Apollo avec l’étude de 161 roches. J'ai utilisé le rapport aimantation naturelle sur susceptibilité comme indicateur grossier de la paléointensité. Ces résultats, cohérents avec les deux grandes époques du champ magnétique lunaire (époque de fort champ avant ~3.5 Ga et champ faible ensuite), ont permis de sélectionner des échantillons pour des analyses paléomagnétiques détaillées en laboratoire qui ont constitué la suite de mon travail. J’ai ainsi étudié l’aimantation naturelle de 25 échantillons Apollo et 2 météorites lunaires. Différentes techniques ont permis d’obtenir 8 valeurs de paléointensités (1-47 µT) et 7 limites supérieures de paléointensité (< 30 µT). Ces données, couplées aux âges radiométriques (existants et nouvellement acquis), retracent l’évolution du champ de surface lunaire au cours du temps. Les résultats corroborent l’existence d’une période de champ fort (4-3.5 Ga) et prolongent cette période jusqu’à environ 3 Ga. Les paléointensités > 1 µT que nous obtenons jusqu’à 0.1 Ga indiquent un arrêt très tardif de la dynamo. De plus, de faibles paléointensités sont obtenues dans l’époque de champ fort, suggérant une valeur de champ moyen plus faible que proposé dans la littérature. Cette étude permet de mieux contraindre l'évolution de ce champ lunaire. / It is admitted that the Moon used to have a magnetic field, generated by an internal dynamo. However, the mechanisms responsible for the dynamo and its preservation are still poorly known today. The lifetime of the magnetic field is also debated. My thesis was focused first on the magnetic characterization (natural magnetization and magnetic susceptibility) of a large part of the Apollo collection, with the study of 161 Apollo rocks. I used the ratio of the natural magnetization to the magnetic susceptibility to obtain an approximate indicator of paleointensity. Results of this ratio were coherent with the two major epochs determined in the lunar magnetic field (high field epoch before ~3.5 Ga and a weak field epoch after) and allowed me to select samples for detailed paleomagnetic analyses in another part of my thesis. Then, I studied in laboratory the natural magnetization of 25 Apollo samples and 2 lunar meteorites. Different methods were used to obtain 8 paleointensities values (between 1 and 47 µT) and 7 upper limits of paleointensity (< 30 µT).These data were coupled with radiometric ages to trace the evolution of the lunar surface field over time. These results corroborate the existence of a strong field epoch (4-3.5 Ga) and extend this epoch until ~3 Ga. Paleointensities of values > 1 µT obtained until 0.1 Ga indicates a very late interruption of the dynamo. Weak paleointensities were obtained in the high field epoch, suggesting a value of average field lower than previously proposed in literature. This study allows to better constrain the temporal evolution of the lunar magnetic field.

In August, 2014 three experiments were conducted using infrared systems deployed at White Mountain Research center, CA. The data was acquired for the whole month of August. Teams of 3-4 students from Cal Poly San Luis Obispo and UC Santa Barbara were stationed at the research center for 2-3 days to operate the equipment. The three experiments were:(1) creating spatial-temporal time series of lunar surface temperatures;(2) identifying atmospheric meteor trails;(3) search for meteor impacts on the Moon surface. Out of the three this thesis focusses on experiment 1 and the results from this experiment could also help with the other experiments. We propose to use a thermal infrared camera mounted on a telescope to acquire time-series observations of lunar surface temperatures to get a novel insight into the thermal evolution of the Moon over a complete lunar cycle. Half a lunar cycle would account from morning to night and lasts for approximately 14.75 days. Seeing how the pixel value changes from morning to night the pixel and temperature trends can be observed throughout the day. Apart from that one can get the two temperature peaks that could maybe help to get an estimate for the Thermal inertia of the surface in the presence of Moon regolith. The temperature trends and the thermal inertia could potentially provide some insight for methods that seek to determine the properties of asteroids from ground based observations.

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As part of the first agreement between the French (CNES) and the Chinese (CNSA) space agencies in terms of space exploration, the DORN instrument will fly on board the Chinese Chang'E 6 mission in 2024. It aims to measure the amount of Radon escaping from the lunar soil to better understand what governs the concentration of this noble gas which contributes to the endogenous origin of the lunar exosphere. This instrument is an alpha-particle spectrometer able to detect the radioactive decay of two Radon isotopes and their progeny. These emissions act as a tracing signal for the processes happening in the lunar sub-surface. During the Assembly, Integration &amp; Testing phase of the Flight Model of the instrument, different scientific concerns must be addressed to characterise the behaviour of the instrument before it is commissioned to China for its final tests and integration into the lander before the mission. This means that all the measuring process, since the alpha-particle deposits its energy into the detector until it is counted as an event in a spectral data product, has to be meticulously analysed and assessed to verify if it is compliant with the instrument's scientific requirements. Under this context, several data analysis tools have been developed to retrieve the behaviour characteristics of the instrument. Firstly, due to the changing conditions that a space mission to the lunar environment undergoes, it is needed to perform an in-flight calibration at every measurement. To this regard, a program able to obtain the calibration parameters at several temperatures within its operative range along with the spectral resolution of each detector has been developed and used during the Thermal Vacuum tests held at CNES. Secondly, the numerical pipeline, responsible for processing and storing onboard data, must undergo stress testing and be exposed to conditions resembling the lunar environment. As a result, the software's capabilities enabling the instrument to derive particle energy and eliminate undesired detections have undergone thorough testing. These tools have been used to verify the compliance of the instrument with its respective scientific requirements as well as to validate its current software version. They not only have played an important role in finalising the development of the instrument in France but will be of great use during the tests done in China and during the space operations on the Moon. / Dans le cadre du premier accord entre les agences spatiales française (CNES) et chinoise (CNSA) en matière d'exploration spatiale, l'instrument DORN volera à bord de la mission chinoise Chang'E 6 en 2024. Il vise à mesurer la quantité de Radon s'échappant du sol lunaire afin de mieux comprendre ce qui gouverne la concentration de ce gaz noble qui contribue à l'origine endogène de l'exosphère lunaire. Cet instrument est un spectromètre à particules alpha capable de détecter la désintégration radioactive de deux isotopes du radon et de ses descendants. Ces émissions agissent comme un signal de traçage des processus qui se déroulent dans la sub-surface lunaire. Au cours de la phase d'assemblage, d'intégration et d'essai du modèle de vol de l'instrument, différentes questions scientifiques doivent être abordées pour caractériser le comportement de l'instrument avant qu'il ne soit envoyé en Chine pour les essais finaux et l'intégration dans l'atterrisseur avant la mission. Cela signifie que l'ensemble du processus de mesure, depuis le dépôt de l'énergie de la particule alpha dans le détecteur jusqu'à son comptage en tant qu'événement dans un produit de données spectrales, doit être méticuleusement analysé et évalué pour vérifier s'il est conforme aux exigences scientifiques de l'instrument. Dans ce contexte, plusieurs outils d'analyse de données ont été développés pour retrouver les caractéristiques de comportement de l'instrument. Tout d'abord, en raison des conditions changeantes d'une mission spatiale dans l'environnement lunaire, il est nécessaire d'effectuer un étalonnage en vol à chaque mesure. À cet égard, un programme capable d'obtenir les paramètres d'étalonnage à plusieurs températures dans sa gamme opérationnelle ainsi que la résolution spectrale de chaque détecteur a été utilisé pendant les tests de vide thermique qui se sont déroulés au CNES. Deuxièmement, le pipeline numérique, chargé du traitement et du stockage des données à bord, doit subir des tests de contrainte et être exposé à des conditions ressemblant à l'environnement lunaire. En conséquence, les capacités logicielles permettant à l'instrument de déduire l'énergie des particules et d'éliminer les détections indésirables ont fait l'objet de tests approfondis. Ces outils ont été utilisés pour vérifier la conformité de l'instrument avec ses exigences scientifiques respectives et pour valider la version actuelle de son logiciel. Ils ont non seulement joué un rôle important dans la finalisation du développement de l'instrument en France, mais seront également très utiles lors des tests effectués en Chine et lors des opérations spatiales sur la Lune.

<p>Meteorites fallen from the sky and surface particles of the moon gathered by lunar space missions, have distinct microstructure and properties that can provide unique insights on the origins and processes for the evolution of our solar system. These extraterrestrial materials contain highly complex microstructures due to the formation and structure evolution events spanning long periods of time. The comprehensive characterization on these samples, to extract multi-scale structural information, is especially crucial to support formation theories, understand material utilization possibility, and preparation for potential hazard mitigation. In addition to the microstructure, an understanding of the mechanical properties of these materials is also vital. Hence, an in-depth investigation on how microstructural phase distribution and their respective mechanical properties connect to macroscopic deformation behavior is required.</p> <p>In this study, a correlative microscopy-based methodology was used to study several celestial samples; meteorite Aba Panu (L3), meteorite Tamdakht (H5), and a lunar dust grain from mature sample 10084 returned by the Apollo 11 mission. X-ray microcomputed tomography (XCT) was utilized to acquire inherent 3D structural details from samples non-destructively. Scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS) was used to further resolve finer structural features and compositional information to complete the correlative described above.</p> <p>Both ex situ and in situ compression experiments, in the XCT, were performed on machined cylindrical samples of Aba Panu meteorite. Structure development including crack initiation, propagation, and failure states were analyzed and correlated to the macroscopic stress-strain behavior. Direct 3D correlation on ex situ and in situ images of crack growth were used to obtain a comprehensive mechanistic understanding of crack development and deformation. Finally, nanoindentation was used to complement the 3D microstructural study, by acquiring mechanical properties of individual constituent phases.</p> <p><br></p>

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<p> The abort mission refers to the mission where the landing vehicle needs to terminate the landing mission when an anomaly happens and be safely guided to the desired orbit. Missions involving crew on board demands for a robust and efficient abort strategy. This thesis focuses on solving the time-optimal abort guidance (TOAG) problem in real-time via the feature-based learning method. First, according to the optimal control theory, the features are identified to represent the optimal solutions of TOAG using a few parameters. After that, a sufficiently large dataset of time-optimal abort trajectories is generated offline by solving the TOAG problems with different initial conditions. Then the features are extracted for all generated cases. To find the implicit relationships between the initial conditions and identified features, neural networks are constructed to map the relationships based on the generated dataset. A successfully trained neural network can generate solution in real time for a reasonable initial condition. Finally, experimental flight tests are conducted to demonstrate the onboard computation capability and effectiveness of the proposed method. </p>