Pour les missions spatiales, protéger les engins des innombrables débris qui encombrent l’orbite terrestre est un enjeu de sécurité critique. Alors que l’expérimentation sur Terre est impossible compte tenu des vitesses auxquelles les collisions peuvent avoir lieu, la simulation permet de reproduire précisément les dynamiques d’hypervélocité qui caractérisent ces collisions – et améliore considérablement les travaux menés sur ces questions par la NASA.

Aaron Dubrow

Après 50 ans d’exploration spatiale, le vide sidéral ne l’est plus tout à fait. D’après la NASA, des milliers de débris résultant de missions diverses encombrent l’orbite de notre Terre – aluminium, acier, nylon et même du sodium liquide issu de satellites russes – dont plus de 21 000 auraient la taille d’une balle de baseball (soit quelque 10 centimètres) et 500 000 celle d’une balle de golf (environ 3 centimètres). Ce qui, bien sûr, n’est pas sans danger pour les engins spatiaux.

Certes, l’espace est relativement grand, mais un débris entrant en collision avec un engin spatial est susceptible de provoquer un impact énorme, du fait de sa vitesse (5 à 15 km par seconde, soit dix fois plus vite qu’une balle de fusil au maximum de sa vélocité). “L’impact d’un de ces débris peut clairement endommager la protection thermique d’un engin spatial“, explique Eric Fahrenthold, professeur de génie mécanique de l’Université du Texas (Austin). Après des années à étudier la dynamique des impacts, à la fois expérimentalement et par simulation numérique, il est formel : “Même si l’impact n’intervient pas sur le bouclier thermique principal, il peut causer des dégâts à l’engin spatial. La recherche s’emploie donc à évaluer comment la taille et la profondeur des cratères formés lors des impacts menacent la capacité de survie de l’engin lors de sa rentrée dans l’atmosphère.”

Pour évaluer les dégâts potentiels d’un impact en orbite et pour aider la NASA à concevoir des boucliers capables de résister à des débris en mouvements très rapides, Fahrenthold et son équipe ont développé un algorithme capable de simuler des collisions sur le kevlar, le métal et la fibre de verre qui protègent généralement les engins spatiaux. Cette technique permet aux chercheurs d’analyser des phénomènes physiques qui ne peuvent pas être reproduits en laboratoire, soit parce qu’ils sont trop petits, soit parce qu’ils sont trop grands ou trop dangereux, soit, comme dans le cas qui nous occupe, parce qu’ils sont trop rapides pour être répliqués ici-bas avec la technologie existante.

Les centaines de simulations lancées sur les calculateurs Ranger, Lonestar ou Stampede du Texas Advanced Computing Center ont permis à Fahrenthold et à ses étudiants d’aider la NASA à développer des “courbes de limites balistiques” servant à déterminer à partir de quelle taille et/ou de quelle vitesse un débris est susceptible de perforer le bouclier d’un engin spatial ; des données, on s’en doute, largement exploitées par les bureaux d’études des futurs engins spatiaux. Présentés au rassemblement de l’American Institute for Aeronautics and Astronautics (AIAA), en avril 2013, les résultats de ces simulations viennent également d’être publiés dans Smart Materials and Structures et l’International Journal for Numerical Methods in Engineering. L’étude présentée lors de la conférence AIAA montrait clairement comment les différentes variables (vitesse, angle d’impact, taille du débris) influent sur la profondeur des cratères dans les tuiles de protection thermiques. L’autre aspect intéressant de ces simulations, c’est que leur résultat est corroboré par des expériences “réelles”. De fait, les simulations de Fahrenthold ont été reproduites par la NASA, grâce à des fusils à gaz capables de projeter des “débris” de plusieurs centimètres à des vitesses pouvant atteindre 10 km/s – une vélocité suffisante pour reproduire la dynamiques des impacts en orbite. Mieux, une fois ces données validées, il a été possible d’exploiter la méthode pour étudier d’autres types d’impacts, notamment ceux non – ou difficilement – reproductibles en laboratoire. Fahrenthold et son équipe ont ainsi développé un système de modélisation hybride qui analyse à la fois la fragmentation des projectiles et leur tendance à la dispersion ainsi que leurs effets thermiques et mécaniques sur la cible. “Nous validons notre méthode à des vitesses expérimentales, puis nous faisons des simulations à des vitesses supérieures pour vérifier nos hypothèses à de telles vitesses. Certaines choses peuvent être réalisées par l’expérimentation, d’autres par la simulation. Lorsque les deux correspondent, c’est un vrai plus pour les concepteurs“, explique Fahrenthold.