Étude et modélisation d'impacts hautes et basses vitesses sur des matériaux et structures de satellites

Study and numerical modeling of high and low velocity impact on materials and structures for space applications

• Auteur / Autrice : Vincent Jaulin
• Direction : Michel Arrigoni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 26/02/2021
• Etablissement(s) : Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme - Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL
• Partenaire(s) de recherche : Centre de recherche : Centre d'études scientifiques et techniques d'Aquitaine (Le Barp, France)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Sangleboeuf
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Arrigoni, Steven Kerampran, Jean-Marc Chevalier, Christian Durin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alessandra Benuzzi-Mounaix, Éric Deletombe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Contraintes (mécanique)

Constructions, Théorie des

Simulation par ordinateur

Modèles mathématiques

Matériaux -- Essais dynamiques

Composites

Résistance aux collisions

Aluminium -- Alliages

Boucliers

Impact

Débris spatiaux

Satellites artificiels

Mots clés libres

Impact hypervéloce

Simulation numérique

Composite

Whipple Shield

Lanceur

Satellites

Débris spatiaux

Choc induit par dépôt d'énergie

Hypervelocity impact

Numerical simulation

Composite material

Whipple Shield

Launcher

Satellite

Space debris

Shock induced by energy deposition

Résumé

La protection des satellites face à la menace d’impacts hypervéloces des débris spatiaux requiert le développement de structures de protection qui soient légères, résistantes et qui supportent l’environnement spatial. Pour relever ce défi, notre attention s’est tournée vers l’emploi de matériaux innovants au sein des structures multi-boucliers, communément appelées Whipple Shield. Ces structures exploitent la fragmentation et l’expansion progressive du projectile lors de l’impact sur des boucliers successifs. Dans ces travaux de thèse, l’attention est portée sur la compréhension des phénomènes mis en jeu lors de tels impacts et sur leur modélisation dans les simulations numériques associées. Dans un premier temps, chaque matériau d’étude a fait l’objet d’une caractérisation au travers des essais d’impacts, de choc laser et de choc induit par faisceau d’électrons. Une modélisation numérique est proposée en se basant sur des données de la littérature et divers essais dynamiques, avant d’être confrontée aux résultats d’essais. Les simulations sous les codes HESIONE et LS-DYNA des impacts par lanceur fournissent des résultats probants en termes de forme et de vitesse de nuage de débris induits, en comparaison des essais associés. Elles ont également permis de restituer les tailles des débris présents dans le nuage. Ces simulations viennent étoffer notre connaissance du comportement des matériaux sous choc. À partir des résultats d’essais et de simulations, une analyse est ensuite menée afin d’identifier les points forts et les points faibles de chaque matériau, afin d’obtenir des données qualitatives et quantitatives, nécessaires à l’élaboration d’un éventuel dossier de choix. Une optimisation de structure est enfin proposée pour assurer, avec une masse la plus faible possible, la résistance du bouclier face à une large gamme de débris et de vitesses d’impacts.

The protection of satellite against the threat of space debris hypervelocity impacts requires the development of protective structures, which have to be strong, lightweight and suited to the space environment. In order to meet this challenge, attention was turned to the integration of innovative material inside multi-shock shields, usually called Whipple Shield. These structures benefit from the progressive fragmentation and expansion of the projectile during its impact on successive shields. In this work, attention was focused on the comprehension of the phenomena involved during such impacts as well as their numerical modelling. First of all, all the materials under study were characterized through multiple experiments such as high velocity impacts, laser induced shocks and electrons beam induced shock. Based on literature data and dynamics tests, a numerical modelling of the materials was developed and confronted with experiments results. Impacts simulations with the codes HESIONE and LS-DYNA provided relevant results in terms of shapes and velocities of the debris clouds induced by the impacts, when compared with experimental results. They also brought satisfying results concerning sizes of the debris inside the clouds. These simulations strengthen our knowledges about the materials behavior under dynamic loading. Based on numerical and experimental results, an analysis was conducted in order to identify pros and cons of each material and furnish quantitative and qualitative information, useful for a protective structure concept phase. An optimization of a structure was finally proposed, which furnished a potential lightweight structure for protection against a wide range of projectiles and impacts velocities.