Avec un de ses étudiants, Moss Shimek, Fahrenthold a également élargi cette méthode hybride pour analyser l’impact des projectiles sur les vêtements pare-balles dans le cadre d’une étude réalisée pour le compte de l’Office of Naval Research américain. La technique a bien fonctionné pour des applications totalement différentes et à des vitesses beaucoup moins élevées, en partie parce que les matériaux utilisés pour la protection anti-débris en orbite, tels que le kevlar, sont également utilisés dans les vêtements pare-balles. Selon Fahrenthold, la méthode permet d’aborder la simulation d’impacts sur les tissus d’une façon totalement différente de celle qu’on utilise depuis plus de 20 ans, basée sur des éléments finis conventionnels.

Dans son approche, les paramètres utilisés (résistance du matériau, flexibilité, propriétés thermiques…) sont fournis par les expérimentateurs. Les calculateurs dupliquent ensuite la physique de l’impact des projectiles et de la brisure des fils, et enregistrent l’interaction entre les différentes couches de tissus du système de protection – certains fragments étant arrêtés par les mailles du tissu, d’autres passant au travers et perforant la protection. “L’utilisation d’une méthode hybride fonctionne bien avec les tissus, expliquent-ils. Lorsqu’une couche de protection est frappée à très grande vitesse, les propriétés thermiques de l’impact sont aussi importantes que les propriétés mécaniques ; exactement comme dans le cas d’un bouclier spatial.”

Les travaux de Moss Shimek sont par ailleurs venus ajouter un élément nouveau et d’importance critique : la représentation des différents tissages utilisés dans la fabrication des boucliers en kevlar ou en polyéthylène à très haut poids moléculaire (autre matériau de protection très performant), qu’il s’agisse de tissages satin, toile ou sergé. Chaque type de tissage possédant ses avantages et ses inconvénients, les spécialistes pensent qu’en mixant les couches, il est possible d’améliorer significativement la protection corporelle. Fahrenthold et Shimek (actuellement attaché de recherche au Los Alamos National Laboratory), ont donc étudié les performances des différents types de tissage en utilisant la méthode hybride d’expérimentation / simulation. Ils ont ainsi démontré (dans AIAA Journal) que “si les vêtements de protection utilisent habituellement le tissage sergé, d’autres tissages plus souples sont souvent plus adaptés, particulièrement pour la protection des extrémités du corps“.

Farhenthold et Shimek ont utilisé la même technique de simulation pour la NASA, dans le but de modéliser une série d’expériences sur des matériaux constitués de couches de kevlar – avec des résultats correspondant aux expériences en laboratoires à 15 % près. “Les protections corporelles du futur pourront parfaitement être constituées de couches de kevlar tissées de façons différentes. Un type de tissage peut s’avérer plus efficace pour les petits fragments, par exemple, alors que d’autres seront plus adaptés à de gros fragments. Nos résultats suggèrent que la simulation peut nous aider à développer un bouclier capable d’utiliser au mieux ces différentiels de performance.”

Que peut-on apprendre de la simulation sur les différents effets d’un impact selon les couches d’un bouclier tissé ? Les protections corporelles peuvent-elles être améliorées en utilisant différents types de tissages selon le type de matériau utilisé et sa position dans la superposition des couches ? La simulation peut-elle aider les concepteurs de boucliers à développer des systèmes capables de mieux protéger les engins spatiaux confrontés à un foisonnement de débris orbitaux ? Si les problèmes d’ingénierie soulevés par ces questions sont sans fin, des réponses de plus en plus nombreuses peuvent être apportées par la simulation, qui rend possible l’expérimentation et la reproduction des résultats lorsque les conditions physiques ne permettent pas de tester en réel. “Nous essayons d’apporter des améliorations majeures à nos algorithmes et de les valider par l’expérience”, explique Fahrenthold. “Avec en ligne de mire la possibilité de développer de meilleurs outils pour les ingénieurs et d’aider la recherche dans des domaines où l’expérimentation est difficile, ou très onéreuse.”