Simulation laser d'impacts de particules de très grande vitesse

HAL Id: jpa-00232179

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00232179

Submitted on 1 Jan 1983

HAL is a multi-disciplinary open access

archive for the deposit and dissemination of

sci-entific research documents, whether they are

pub-lished or not. The documents may come from

teaching and research institutions in France or

abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est

destinée au dépôt et à la diffusion de documents

scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,

émanant des établissements d’enseignement et de

recherche français ou étrangers, des laboratoires

publics ou privés.

Simulation laser d’impacts de particules de très grande

vitesse

J.-P. Bibring, F. Cottet, M. Hallouin, Y. Langevin, J.-P. Romain

To cite this version:

Simulation laser

_d’impacts

de

_particules

de très

_grande

vitesse

J.-P.

_Bibring,

F. Cottet

_(*),

M. Hallouin

_(*),

Y.

_Langevin

et J.-P. Romain

_(*)

Laboratoire _{René-Bernas,} 91406 Orsay, France

(*) E.N.S.M.A., 86034 Poitiers et GRECO _I.L.M., Ecole _{Polytechnique,} 91128 Palaiseau, France

(Re~u le 10 decembre 1982, uccepte le _{17 junvier 1983)}

Résumé. 2014 Le laser au _néodyme du GRECO I.L.M. délivrant des

_impulsions

de l’ordre de 100 J en

quelques

ns, nous a

_permis

de simuler des

_impacts

de micrométéorites silicatées de

_quelques

dixièmes

de _03BCg, de vitesse

_comprise

entre 5 et 45

_km/s,

sur une cible d’aluminium. Les cratères

_produits

dans la cible sont

_{hémisphériques,}

et le _rapport

_Km,

de la masse

_éjectée

sur la masse de la

_particule

incidente

simulée, varie avec la vitesse

_d’impact

_Vp

selon la loi

_Km

= 1,17

_V1,52p.

Abstract. 2014 Silicated micrometeorites

(mass :

1/10

03BCg)

impacting

aluminium target are simulated with a

_{neodyme pulsed}

_laser,

_producing

a maximum laser

_pulse

_{energy of 100 in} a few ns. The simulat-ed micrometeorites velocities are in the range of 5 _km/s-45

_km/s;

the mass loss _ratio,

_Km,

is related

to

_{particle velocity}

_Vp

_{by Km}

= 1.17

V1.52p.

Classification

Physics Abstracts 52.40H - 62.50

1. Introduction. - Les vehicules

spatiaux

subissent des

_impacts

de micrometeorites dont

la vitesse

_peut

atteindre 80

_km/s

et dont la masse se trouve essentiellement dans le domaine

10- 5

a

10 - 10

g

[ 1, 2].

C’est en

_particulier

le cas des futures sondes

_qui

vont realiser un survol a moins de

20 000 km de la comete de

_Halley,

lors de son

prochain

_passage au

perihelie

en 1986.

_Qu’il

s’agisse

de se

_proteger

contre ces

_impacts

ou de les utiliser _pour en deduire certaines

_proprietes

des

_grains

_cometaires,

des simulations en laboratoire sont necessaires. Les

_dispositifs

experi-mentaux actuels ne

_permettent

_pas d’atteindre des vitesses aussi

_grandes.

Les

_grains

de

quel-ques micrometres sont acceleres au

_plus

a une

_vingtaine

de

_km/s.

L’utilisation d’un laser

_pulse

de haute

_puissance

_{pour simuler les}

_impacts

de

_{grains, proposee}

_par Pirri

_[3]

et Nebolsine

_[4],

pourrait

permettre

d’explorer

le domaine des vitesses

_superieures

a 30

_km/s.

Nous avons

effec-tue des tirs laser sur des cibles

_{d’aluminium,}

a 1’aide du laser a

neodyme

de haute

_energie

du

GRECO I.L.M. a

_Palaiseau,

afin de simuler

_l’impact

d’une micrometeorite silicatee sur un

blin-dage

d’aluminium. Le domaine

_d’energie

accessible et la focalisation de ce laser nous ont

_permis

d’atteindre des vitesses simulées de 5 a 45

_km/s

_pour des

_particules

d’une masse de l’ordre du dixieme de Ilg.

2. Modete de simulation _{par laser}

_pulsé

d’un

_impact

de

_particule

de

_grande

vitesse. - Un

impact

laser,

tout comme un

_impact

de

_particule

de

_grande

_vitesse,

délivre a la surface de la cible une

L-190 JOURNAL DE _{PHYSIQUE -} LETTRES

grande quantite

de mouvement et une

_grande

_{quantite d’energie}

en un _temps extremement court.

Une onde de choc de

_grande

_amplitude

_(entre

_quelques

centaines de kb et

_plusieurs

_Mb)

se propage alors dans la cible et

_s’y

amortit

_{progressivement.}

Selon la

_pression

maximale atteinte

localement,

le materiau se

_volatilise,

fond ou se

_fracture,

ce

_qui

_{provoque la formation d’un cratere}

autour du

_{point d’impact.}

Le

_principe

de la simulation consiste a definir les

_{caracteristiques}

d’une

_impulsion

laser

_{(durée t}

de

_{I’impulsion}

a

_mi-hauteur,

_energie

totale

_E,

diametre D de la tache

_focale)

induisant dans la cible une onde de choc similaire a celle

produite

_par un

_projectile

de diametre

_Dp,

de

_longueur

_Lp

(dans

le cas d’un

_{projectile cylindrique),}

de masse

_Mp

et de vitesse

_Vp

donnees. Si les deux _processus creent des

_champs

d’ecoulement et de

_{pression identiques,}

les deformations resultantes de la

cible,

et en

particulier

les dimensions du

cratere,

seront elles aussi

_{identiques [5].}

Les trois condi-tions a satisfaire sont les suivantes :

1)

la

_pression

initiale P induite par

I’impulsion

laser doit etre

_egale

a celle

_engendree

_par

I’impact

du

_projectile,

2)

le diametre D de la tache focale doit etre

egal

au diametre

_Dp

du

_projectile,

3)

la durée t de

_{l’impulsion}

_{doit etre telle que la}

_quantite

de mouvement transferee _par

_l’impact

laser a la cible soit

_egale

a la

_quantite

de mouvement du

_{projectile :}

ou _po est la densite initiale du

_projectile.

Pour une vitesse

_Vp

_donnee,

la

_pression

de choc P induite a la surface de la cible se deduit

des courbes de

_Hugoniot

des materiaux constitutifs de la cible et du

_projectile.

Dans le cas ou ces materiaux sont

_identiques,

le choc etant

_suppose

monodimensionnel

_plan,

la

_pression

P s’obtient

_{a partir}

de la relation :

ofi a et b sont les coefficients de la relation lineaire entre vitesse de choc u et _{vitesse materielle u. :}

Dans le cas de

1’aluminium,

cette linearite

_{persiste jusqu’a}

des

_pressions

tres elevees

_[6],

les coefficients a et b

_ayant

_{pour valeur}

_5,386

km . s-’

et

_1,339

_{respectivement.}

Nous considererons que

1’impact

d’une micrometeorite silicatee sur une cible d’aluminium

_peut

etre assimile a celui d’un

_projectile

d’aluminium,

les densités etant

_comparables,

et les courbes de

_Hugoniot

etant voisines a haute

_pression.

Dans le cas des tirs laser que nous avons

effectués,

une

epaisseur

de matiere de l’ordre du ~m

est transformee en un

_plasma

dense. La

_{plus grande partie}

de

1’energie

laser est transformee en

energie thermique

du

_plasma.

Celui-ci entre en

_expansion

a

_grande

_vitesse,

et soumet la cible a une

_pression

P

_{approximativement}

constante

_pendant

la duree de

_{1’impulsion,}

et liee au flux

incident du

laser,

I. Cette

_pression

_peut

etre deduite par une relation

theorique P(I), qui

donne

de bons resultats pour les flux

compris

entre

1012

et

1015

_W/cm2

_{[7] :}

P etant

_exprime

en

_Mb,

et I en

W/cm2,

et a

representant

le taux

_{d’absorption, qui depend}

lui-meme de /

_{[8] :}

il varie de - 80

%

pour I =

10~ W . cm- 2

a -

50 % pour

I =

10~ W . cm- 2.

Cette relation constitue vraisemblablement une limite

_superieure,

car elle ne tient _pas

_compte

des

effets

bidimensionnels,

importants

dans le cas

d’impulsions « longues » (quelques

ns)

et tres foca-lisees

₍

_{100 gm).}

par un tir laser de

_{duree t,}

_d’energie

totale E,

et dont la tache focale a un diametre D sont évaluées de la maniere suivante :

- le diametre

Dp

du

_projectile

est assimile a

D,

-

pour determiner la vitesse

_Vp,

nous calculons tout d’abord la

_pression

P a 1’aide de la relation

_(4),

le flux I etant

_egal

a

_{4~/(rctD ~),}

On

_peut

alors deduire

_Vp

a

_partir

de la relation

_(2),

-

Lp

s’obtient alors aisement a

_partir

de la relation

_(1).

Lp

etant

_exprimee

en micrometres.

La

_figure

1 donne le flux incident I et la duree de

_{l’impulsion}

laser t en fonction de la vitesse

_{V p}

de la

_particule

que l’on desire

simuler,

celle-ci ayant un diametre

_Dp

de 90 Jlm et une

_longueur

_Lp

de 90 _~m ou de 45 _pm.

Fig. 1. - Flux incident I et duree t a mi-hauteur de

l’impulsion

laser en fonction de la vitesse

_Vp

de la par-ticule simulee, celle-ci _ayant un diametre de 90 nm et une

_longueur

de 90 um ou 45 um.

[Laser

requirements for

_{hypervelocity impact}

simulation with a _{90 J.1m laser} beam

_diameter.]

3. Résultats

experimentaux.

- Le laser utilise

est le laser I.L.M. de Fecole

_{polytechnique.}

11

s’agit

d’un laser au

_neodyme

_capable

de delivrer des

_impulsions

de

plus

de 100 J a une

_longueur

d’onde de

_1,06

_~m. Le diametre de la tache focale est determine en

_interposant

une série de filtres

de densite

_optique

croissante,

ce

_qui

_{permet d’etablir} la

_repartition

de

_{1’energie deposee}

dans le

plan

focal. La

_precision

sur la mesure de D est de 10

_%.

Ce diametre était de 90 _{Jlm pour} une

serie de tirs

_d’energie

60 J

_pendant

2,5

ns, alors

_{qu’il atteignait}

110 ~m pour une serie de tirs

d’energie

15 J

_pendant

4 ns. Nous avons donc

_adopte

ces deux valeurs de

_D,

_{qui correspondent}

a la focalisation

maximale,

pour les tirs a « haute » et « basse »

_{energie respectivement.}

Nous

avons

_egalement

effectué

_quelques

tirs

_{défocalisés,}

le diametre de la tache focale etant alors de

L-192 JOURNAL DE _{PHYSIQUE -} LETTRES

Tableau I. Resultats

_{experimentaux}

sur une cible

_epaisse

en aluminium.

[Experimental

results on thick aluminium

_target.]

Fig. 2. -

Microphotographies

de cratères formés par des

impacts

laser

_d’energie

croissante dans une feuille d’aluminium de 1 mm

_{d’epaisseur.}

Les cibles etaient constituees d’une feuille d’aluminium d’une

epaisseur

de 1 mm.

Pour

_{chaque impact}

laser,

nous avons mesure _par

_{microscopie optique}

le diametre

_Dc

et la

profondeur Pc

du cratere

forme,

ce

qui

nous a

permis

d’evaluer la masse

_{Mc expulsee}

du cratere. Pour

_chaque

tir,

nous avons determine les

_{caracteristiques}

_{Dp, Lp,}

et donc la masse

_Mp

du

pro-jectile

simule

_(suppose

de densite

_2,7)

ainsi _que sa vitesse

_Vp.

L’ensemble des donnees obtenues est

_presente

sur le tableau I. On constate tout d’abord _que

les cratères formes sont

_{quasi hémisphériques,}

dans tout le domaine

_{d’encrgie explore.}

Cette forme

correspond

bien a celle

_prevue

si l’onde de choc formee se

_dissipe

dans un milieu

_homogène.

En second

lieu,

ces cratères

_presentent

le

_plus

souvent des collerettes

_qui

_peuvent atteindre

plu-sieurs dizaines de _~m de haut

_{(voir Fig. 2).}

La

_profondeur

des crateres a été mesuree a

partir

du niveau de reference constitue _par la face avant de la cible a 1’exterieur de cette collerette.

Si l’on admet la validite du _{modele que} nous avons

_utilise,

ces tirs nous ont ainsi

_permis

de simuler des

_impacts

de

_particules

d’une taille de ~ 100 _~m,

_jusqu’a

des vitesses de 45

_km/s.

Ces

caracteristiques

sont très

_superieures

aux

possibilites

des meilleurs canons a

_particules

actuels,

et d’un ordre de

_{grandeur proche}

des vitesses

_d’impact

sur les

engins spatiaux ( jusqu’a

80

km/s

dans le cas de la sonde

VEGA).

4. Discussion. - On admet en

_{general qu’il}

_y a invariance d’echelle dans le _processus de

formation d’un cratere dans un materiau

_homogène,

c’est-a-dire

_qu’un

projectile

de meme

vitesse,

et de dimensions doubles d’un autre

_{projectile, produira}

un cratere dont les dimensions sont elles aussi doublees. Nous avons donc calcule le

_rapport

_{Km =}

_M~/Mp,

_qui

ne devrait

_dependre

_que

de la vitesse

_d’impact

_Vp.

La variation de

_Km

avec la vitesse simulee

_{Vp est}

representee

sur la

figure

3. Une

_{approximation}

lineaire dans les coordonnees

_(log

_(Km),

_log

_(Vp))

_permet d’obtenir la relation :

On remarque que

rexposant

de la vitesse est inferieur a _{2 pour} ces tres

_grandes

vitesses : la masse

_ejectee

croit donc _{moins vite que}

_{1’energie cinetique.}

L’extrapolation

a une vitesse

_d’impact

de 80

_km/s

donne les resultats suivants : une masse

_Mp

de

_projectile

devrait

_éjecter

une masse 910 fois

_{plus grande ;}

_pour une micrometeorite d’une taille de 100 _~m, cela

_{correspondrait}

a un cratere

_{hemispherique}

d’une

_profondeur

de 610 _~m.

Fig. 3. - Variation de

Km,

rapport de la masse

éjectée

du cratere a la masse du

_projectile

_simule, en fonction

de la vitesse

_d’impact

simulee.

L-194 JOURNAL DE _{PHYSIQUE -} LETTRES

La

_{correspondance}

entre les crateres _que nous avons observes et les

_{caracteristiques}

des micro-meteorites

_qui

_pourraient

en former de semblables doit a

present

etre confirmee. En

effet,

elle

repose sur un modele

_{simple, qui}

ne rend _pas totalement _compte de la

_complexite

des processus

lies a l’interaction

laser-matiere,

et aux

impacts

a tres

grande

vitesse.

L’etape

suivante va ainsi

consister a calibrer les resultats

correspondant

au domaine des faibles vitesses

₍₁₀

a 20

_km/s),

accessible avec les canons a

_poussiere

existants,

tel celui du Max Planck Institiit a

_Heidelberg.

On

_pourrait

alors

_preciser

le coefficient constant de la relation

₍₆₎

_qui

relie la masse

_ejectee

a la vitesse de la

_particule

incidente.

Remerciements. - Nous tenons à remercier E. Fabre et toute

_l’équipe

du laser du GRECO I.L.M.

_qui

ont rendu ces

experiences possibles,

ainsi que R. Pellat pour ses _{encouragements} et

ses conseils.

Bibliographie

[1]

EICHELBERGER, P. J., GEHRING, J. W., Am. Rocket Soc. 32 ₍₁₉₆₂₎ 1583.

[2]

BURTON, W. _M., XXIV COSPAR _Symposium N° 6 _Impact Processes

_{of solid}

Bodies, Ottawa

_(1982).

[3]

PIRRI, A. _N.,

_Phys.

Fluids 20 ₍₁₉₇₇₎ 221.

[4]

NEBOLSINE, P. _E., AIAA 14th _Aerospace Sciences _Meeting,

_Washington,

D.C. _(1976).

[5]

RINEY, T. _D., in

_{High Velocity}

_{Impact Phenomena,} R. Kinslow éditeur _{(Academic Press,} New _York)

1970, p. 157.

[6]

MITCHELL, A. C. and _WELLIS, W. _J., J.

_{Appl. Phys.}

52 _(1981).

[7]

FABBRO, R., Thèse de l’Université Paris XI _(1982).