Des lasers pour améliorer la résistance des satellites

Comment éprouver la résistance des satellites face à des impacts se produisant à plusieurs kilomètres par seconde sans avoir recours à des projectiles mis en vitesse par des canons de laboratoire complexes et coûteux ? Une équipe du CEA - DAM, en collaboration avec le laboratoire parisien Pimm, a montré qu’un tir laser peut reproduire fidèlement en laboratoire les effets d’un impact hypervéloce [1]. Cette approche originale ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude et la qualification des matériaux exposés aux débris spatiaux, comme de ceux développés pour les programmes du CEA - DAM.

Avec le développement des activités spatiales, la quantité de débris en orbite autour de la Terre ne cesse d’augmenter. Bien qu’ils soient souvent plus petits qu’un grain de sable, ces fragments représentent une menace sérieuse : lancés à plusieurs kilomètres par seconde, ils peuvent endommager gravement les satellites qu’ils percutent. Ces collisions violentes, appelées impacts hypervéloces, sont difficiles à reproduire en laboratoire. Certes, des canons de laboratoire classiques, comme certains lanceurs à gaz ou à poudre du CEA - DAM, peuvent reproduire une telle collision ; cependant, ils sont complexes à mettre en œuvre, les campagnes de tir sont longues et coûteuses. C’est pourquoi, dans le passé, des chercheurs américains ont proposé une approche originale pour contourner cette difficulté : remplacer le lancer d’un projectile par un tir laser. Les travaux que nous avons menés conjointement avec le laboratoire Pimm ont abouti à une méthode robuste qui assure l’équivalence entre ces deux configurations expérimentales.

Lorsqu’un projectile frappe une cible, il imprime une pression extrêmement élevée à la surface du matériau. Une onde de choc se propage alors dans la matière, pouvant conduire à son endommagement et à la formation d’un cratère. De manière analogue, lorsqu’un laser de haute énergie est focalisé sur une cible, il est absorbé dans les tout premiers micromètres de matière qui se vaporisent instantanément, créant un plasma, état de la matière constitué d’un mélange d’ions et d’électrons. Ce plasma se détend violemment, exerce une pression sur la surface de la cible et crée une onde de choc dans le matériau, conduisant à la formation d’un cratère (figure 1).

La taille et la forme d’un cratère ne dépendent pas du moyen expérimental à l’origine de la pression, mais du champ de pression exercé à la surface du matériau. Ainsi, l’analogie entre impact hypervéloce et tir laser est rendue possible : en ajustant les paramètres du laser – énergie délivrée, durée de l’impulsion et diamètre du faisceau –, nous façonnons le champ de pression appliqué de manière à le rendre équivalent à celui généré par l’impact d’un projectile.

Pour illustrer cette méthode, un tir laser a été réalisé avec le générateur de choc laser transportable (GCLT) du centre DAM Île-de-France. Une énergie de 40 J a été délivrée sur une cible en graphite, avec une durée d’impulsion de 100 ns et un diamètre de faisceau de 250 μm. Nous avons déterminé le champ de pression induit par ce tir laser par simulation numérique à l’aide des codes Esther et Hésione, développés au CEA - DAM. Nous avons aussi utilisé le code Hésione pour simuler des impacts de projectiles en aluminium, de tailles et de vitesses variées, afin de constituer une base de données numériques de champs de pression. Par interpolation au sein de cette base, le projectile équivalent au tir laser a été identifié : il s’agit de celui qui génère un champ de pression similaire. Dans le cas du tir laser réalisé avec notre générateur, le projectile équivalent est une bille d’aluminium d’environ 250 μm de diamètre, frappant la cible à une vitesse proche de 4,6 km/s.

Ce résultat a d’abord été validé numériquement en simulant l’impact de la bille et en comparant les dimensions du cratère obtenu à celles du cratère produit par le tir laser. L’accord est excellent, comme le montre la figure 2. Une validation expérimentale a également été rendue possible grâce à une collaboration avec un laboratoire de la Jaxa, l’agence spatiale japonaise. L’équipe de la Jaxa est parvenue à lancer des billes en aluminium de seulement 380 μm de diamètre à des vitesses d’environ 2,9 et 5,3 km/s sur des cibles en graphite. Le tir laser réalisé avec notre générateur s’accorde parfaitement avec ces deux tirs de lanceur. Ce résultat valide définitivement l’analogie proposée.

Ces travaux permettront de tester plus facilement la résistance aux impacts des matériaux utilisés dans le domaine spatial en tirant parti des nombreux avantages des installations laser : précision sur le point d’impact, cadence de tir élevée et, surtout, accès à des régimes de vitesse d’impact et de taille de projectile inaccessibles aux lanceurs conventionnels. La même méthode montre que l’effet d’impact à plus de 60 km/s pourrait être reproduit à l’aide du Laser Mégajoule !