Étude expérimentale des distributions de débris du graphite sous irradiations laser et impacts hypervéloces

Experimental study of graphite debris distributions under laser irradiation and hypervelocity impacts

• Auteur / Autrice : Baptiste Reynier
• Direction : Michel Arrigoni, David Hébert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 11/12/2025
• Etablissement(s) : Palaiseau, École nationale supérieure de techniques avancées
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et le numérique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL
• Jury : Président / Présidente : Pascal Forquin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Berthe, Didier Loison, Yann Michel, Lorenzo Taddei, Jérôme Mespoulet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alessandra Benuzzi-Mounaix, Philippe Viot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Graphite

Impact

Débris spatiaux

Mots clés libres

Impacts hypervéloces

Laser

Graphite

Débris spatiaux

Défense planétaire

Hypervelocity impacts

Lasers

Graphite

Space debris

Planetary defence

Résumé

La survivabilité des satellites est menacée par le risque de collision avec des débris spatiaux et des micro-météoroïdes (MMOD), pouvant impacter les structures à des vitesses supérieures à 7 km/s. Lors de tels impacts hypervéloces (IHV), un nuage de débris est généré et vient à son tour menacer la structure suivante. De plus, la défense planétaire est au coeur de la survie de l'espèce humaine face aux risques d'impacts entre la Terre et un corps céleste. Comprendre les mécanismes de cratérisation de cibles rocheuses, fragiles et poreuses similaires à des astéroïdes devient alors crucial afin de planifier au mieux de futures missions de défense planétaire. Deux matériaux cibles ont été étudiés : l'aluminium 6061-T6 comme matériau de référence, très couramment utilisé dans les boucliers ou structures spatiales, et le graphite poreux EDM3, matériau fragile principalement composé de carbone. Dans cette étude, nous proposons d'étendre le domaine de validité de l'analogie entre IHV et choc laser à des vitesses supérieures à 14 km/s. Ces impacts, ne pouvant être reproduits par les lanceurs, sont représentatifs d'impacts de MMOD. Une attention particulière est portée sur la validité de cette analogie sur l'éjection de matière en comparant les caractéristiques des nuages de débris ainsi que leurs distributions. Différentes campagnes expérimentales ont été menées sur les installations laser BELENOS et GCLT ainsi que sur le lanceur bi-étage MICA. L'utilisation croisée de différents diagnostics de mesures a permis d'établir une distribution angle-masse-vitesse des éjecta, ainsi que de quantifier leur contribution au transfert de quantité de mouvement, information importante pour le domaine de la défense planétaire.

The survivability of satellites is threatened by the risk of collision with space debris and micrometeoroids (MMOD), which can impact structures at speeds exceedings 7 km/s. During such hypervelocity impacts (HVI), a cloud of debris is generated, which in turn threatens the next structure. Furthermore, planetary defence is central to the survival of the human species in the face of the risk of impacts between Earth and a celestial body. Understanding the mechanisms of cratering on rocky, fragile and porous targets similar to asteroids is therefore crucial in order to plan future planetary defence missions as effectively as possible. Two target materials were studied : aluminium 6061-T6 as a reference material, commonly used in shields or space structures, and porous graphite EDM3, a fragile material mainly composed of carbon. In this study, we propose extending the validity of the analogy between IHV and laser shock to velocities greater than 14 km/s. These impacts, which cannot be reproduced by launch vehicles, are representative of MMOD impacts.Particular attention is paid to the validity of the analogy for material ejection by comparing the characteristics of debris clouds and their distributions. Various experimental campaigns were conducted on the BELENOS and GCLT laser facilities and on the MICA two-stage launcher. The cross-use of different measurement diagnostics made it possible to establish an angle-mass-velocity distribution of the ejecta and to quantify their contribution to momentum transfer, which is important information for the field of planetary defence.