Impacts en hypervélocité

Impacts en hypervélocité 

Définition de l’hypervélocité 

Il n’y a pas de vitesse clairement définie pour établir l’hypervélocité. Certains ouvrages décrivent d’hypervélocité comme une vitesse supérieure à 3 km/s (10 800 km/h) (Huang et al., 2013; Technology, 1991; Tennyson et Lamontagne, 2000). Certaines autres études décrivent l’hypervélocité comme étant une vitesse à laquelle la résistance de la cible est négligeable comparé aux contraintes induites par le projectile lors de l’impact (Technology, 1991).

Montage pour les essais HVI 

Deux différents types d’expériences sont possibles afin de simuler un HVI. Les expériences peuvent être faites passivement dans l’espace ou bien activement au sol. Une étude passive consiste à lancer une expérience ou un système dans l’espace durant une longue période de temps puis ensuite de redescendre le tout sur terre pour l’analyse. La NASA a lancé un projet du genre, le Long Duration Exposure Facility (LDEF), entre 1984 et 1990 (Oneal et Lightner, 1992). Le projet avait entre autres pour but de caractériser l’environnement MMOD en LEO.

Dans le cas d’une étude sur les HVI, une étude passive est parfaitement représentative des conditions MMOD en LEO, cependant, les résultats d’une telle étude ne sont pas garantis, de plus ils sont très longs et extrêmement coûteux, ce pourquoi une étude au sol est préférable. L’étude d’impacts HVI au sol demande l’utilisation d’un canon spécial capable de projeter des projectiles à des vitesses de plusieurs kilomètres par seconde. Seulement quelques centres de recherche à travers le monde possèdent des équipements capables d’atteindre des vitesses supérieures à 7 km/s. Un canon à gaz léger à deux étages (Light Gas Gun ou LGG) est utilisé pour simuler de tels impacts . Un LGG consiste généralement en un réservoir à haute pression (High Pressure Tank), un tube de pressurisation (pump tube) ainsi que d’un tube de lancement (launch tube).

Les essais d’impact avec un LGG, bien que moins chers qu’une mission dans l’espace, sont également très dispendieux car les trois disques de rupture (Burst Disks), le piston et la plaque d’arrêt (Stripper Plate) doivent être changés à chaque essai. De plus, le tube de lancement et le tube de pressurisation doivent être changés après quelques tirs seulement. La taille d’un LGG peut également atteindre plusieurs centaines de mètres de longueur tout dépendamment la taille des projectiles utilisés.

Dommages à l’entrée du projectile

Différentes études ont été effectuées afin d’étudier les dommages causés par un HVI sur des structures en composite. Les premières études HVI ont été publiées au milieu des années 1980 et portaient sur les impacts sur des cibles simples faites de fibre de carbone ou d’aluminium. Les premières études avaient pour but de trouver une corrélation entre l’énergie cinétique du projectile et le diamètre du cratère sur la cible. Yew et Kendrick (Yew et Kendrick, 1987) ont d’abord fait des essais HVI sur une variété d’empilements de plaques faites de fibre de carbone avec matrice époxy (CF/ÉPOXY) au Johnson Space Center (JSC) aux États-Unis. Plus tard, d’autres impacts ont été faits au JSC sur des plaques faites de CF/ÉPOXY à haut et à faible module d’élasticité (Christiansen, 1990).

En plus de l’endommagement visible à l’entrée du projectile, une délamination des plis dans la zone autour du cratère est aussi présente. Des analyses par C-scan sur les essais d’impact ont montré que la zone affectée autour du cratère d’entrée était environ 20% plus grande que la zone visible (Christiansen, 1990; Lamontage et al., 1999; Shortliffe et Tennyson, 1997; Tennyson et Lamontagne, 2000).

Dommages à la sortie du projectile 

En plus des essais sur des cibles simples, d’autres essais ont été faits sur des cibles doubles. Les essais d’impacts doubles avaient pour but de caractériser le nuage de débris secondaire résultant de l’impact sur la face incidente de la cible. Les essais faits avec une cible double consistaient d’une première cible faite de fibre de carbone, puis d’une seconde cible appelée plaque témoin (Witness Plate) faite d’aluminium ou de fibre de carbone. Lors d’un impact double, le projectile frappe d’abord la face incidente de la cible, puis se désintègre pour former un nuage de débris secondaire possédant une vitesse similaire à la vitesse d’impact initiale. (Shortliffe et Tennyson, 1997).

Les essais d’impact doubles faits par Shortliffe et Tennyson utilisaient une plaque témoin (Witness Plate) placée 33 cm derrière la plaque incidente. Une analyse détaillée du nuage de débris secondaire montre un angle moyen de cône de débris principal α de 23° ainsi qu’une zone endommagée sur la plaque témoin de 120 mm de diamètre (Shortliffe et Tennyson, 1997). Les projectiles utilisés lors cette étude étaient des billes d’aluminium de 2 mm de diamètre allant à des vitesses entre 6 et 7 km/s. L’endommagement sur la face arrière est symétrique par rapport au vecteur initial de vitesse du projectile .