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Essais et simulation numérique, cas pratique : étude de la vulnérabilité des réservoirs de satellites

By 10 juillet 2017 No Comments

La menace d’un impact sur un satellite est devenue suffisamment grande pour être étudiée, notamment pour leurs éléments vitaux. C’est dans le cadre d’un vaste programme dirigé par le CNES que THIOT INGENIERIE a mené une étude visant à évaluer la vulnérabilité des réservoirs de satellites en cas d’impact avec un débris spatial. L’objectif final est de contribuer à l’élaboration d’une méthode pour aborder ce problème dans le cas d’un nouveau réservoir sous pression devant être utilisé dans l’espace.

En effet, l’impact d’un projectile de plusieurs millimètres de diamètre perforant un réservoir peut conduire à son explosion ou à une fuite catastrophique de carburant. Une des questions qui se pose au gestionnaire d’une mission spatiale est de savoir quel est le niveau de pression acceptable du réservoir au regard d’une agression par un débris spatial d’une masse et d’une vitesse déterminées.

La simulation numérique a permis par extrapolation d’évaluer le comportement d’un réservoir face aux vitesses réelles d’agression, à partir d’expériences en laboratoire. La méthode que THIOT INGENIERIE a utilisée repose donc sur une synergie entre l’expérience et le calcul pour aboutir à une évaluation des dommages en fonction de la masse et de la vitesse du débris, et de la pression du réservoir.

essais impacts reservoirs satelliteObjectifs de l’étude

Pour mener cette étude, nos experts ont effectué des essais sur des réservoirs composés d’une structure en aluminium précontrainte par un composite bobiné carbone/époxy.

Afin d’évaluer le rôle du gaz sous pression contenu dans le réservoir en cas d’impact, trois tests ont été réalisés et simulés, à savoir sur :

  • 1 réservoir sans pression interne (pression atmosphérique)
  • 1 réservoir avec une pression de 200 bar
  • 1 réservoir avec une pression de 300 bar

L’objectif premier de ces tests était de déterminer les limites d’éclatement des réservoirs en fonction de la pression interne et d’acquérir un maximum de données sur les phénomènes mis en jeux au cours de l’impact (pénétration et fragmentation du projectile, propagation des ondes de choc, modes d’éclatement, …).

Essais expérimentaux

Les essais ont été réalisés au sein de notre laboratoire de physique des chocs, au moyen de l’un de nos lanceurs à gaz double étage, pour atteindre des vitesses très élevées. Les tirs étaient dotés d’une instrumentation de pointe (rayons X, interféromètre, VH, jauges de déformation) afin d’observer les phénomènes physiques et récolter suffisamment de données pour alimenter les simulations.

Les mesures de déplacement et de déformation fournissent des données sur plusieurs points de la structure durant l’impact. En parallèle, les mesures RX permettent de réaliser des clichés en cours d’impact, et notamment de la fragmentation du projectile à l’intérieur du réservoir ainsi que de la propagation des ondes de choc dans le gaz sous pression.

Pour chacun des essais, le projectile était une bille d’aluminium de 8 mm de diamètre, projetée à la vitesse de 4400 m/s.

  • Réservoir à 1 bar de pression interne : on constate que le composite a été altéré autour du trou d’impact, et que la face interne opposée en aluminium présente de nombreux impacts de débris, qui sont le reflet du nuage de fragments généré par l’impact. Le cliché de la radiographie X montre la forme de pétale du liner aluminium au point d’impact et le nuage de fragment qui est développé à l’intérieur du réservoir. On distingue également la forme particulière du rétrojet de matière, dirigé vers l’extérieur du réservoir.
  • Réservoir à 200 bar de pression interne : un large fragment du réservoir s’est détaché et les fibres de carbone autour sont très endommagées. Aucun impact de débris n’est constaté sur la face interne opposée. L’onde visible par RX à l’avant de la formation du nuage de débris est interprétée comme l’onde de choc transmise dans le gaz sous pression. La vitesse du nuage de débris diminue après l’impact.
  • Réservoir à 300 bar de pression interne : le réservoir est sectionné en deux parties, et le composite très endommagé. La face interne opposée en aluminium ne présente aucun impact. La vitesse du nuage de débris diminue davantage par rapport à l’essai précédent. Les lèvres, provoquées par le trou d’impact, ont une direction opposée à l’axe de tir.

Au travers de ces tests instrumentés, on constate que la vitesse du nuage de débris provoqué par l’impact est réduite lorsque le réservoir contient du gaz sous pression. Lorsque le gaz est présent, une onde de choc se développe à l’avant du nuage de débris après l’impact. Le nuage de fragment est freiné par les forces aérodynamiques des gaz sous pression et n’atteint pas la face opposée du réservoir.

Complexité et apports des calculs numériques

Les simulations numériques ont permis d’exploiter les résultats obtenus au cours des essais pour affiner la compréhension des phénomènes observés et extrapoler les résultats à des situations réelles, comme dans le cas de cette étude où la vitesse d’un débris spatial peut atteindre 20 km/s – une vitesse impossible à reproduire expérimentalement en laboratoire. En effet, la complémentarité entre les essais expérimentaux et les simulations réside dans le fait que les mesures réalisées en quelques points singuliers peuvent être corrélées pour ensuite obtenir le comportement en tout point par simulation.
Parvenir à simuler le comportement du réservoir est ici complexe. Cette étude combine en effet plusieurs problèmes avec de fortes interférences entre elles :

  • Matériaux complexes : multiples couches d’aluminium et de matériaux composites
  • Précontrainte exercée par les couches de composites
  • Modélisation de la rupture de ces matériaux soumis à des impacts hypervitesse
  • Simulation de fragmentation
  • Prise en compte de la pression du gaz à l’intérieur du réservoir
  • Simulation de l’onde de choc dans le gaz
  • Interactions entre projectile/réservoir, projectile/gaz et réservoir/gaz

Pour atteindre ce but, les simulations combinent trois formulations disponibles dans LS-DYNA : Lagrangien, SPH, ALE, avec un couplage entre chacune d’entre elles, ce qui est inédit pour ce type de simulation.
Une initialisation en statique est nécessaire afin de prendre en compte les précontraintes initiales dans les matériaux avant d’effectuer la simulation en dynamique.
Les interactions entre les différentes formulations et différents solveurs mis en jeu au cours de cette étude ont nécessité de travailler avec des versions béta du code de calcul, car ces possibilités nouvelles d’interactions multi-physique n’en sont encore qu’au stade de développement.
Le travail de corrélation expérience/calcul a conduit à une meilleure compréhension l’enchainement des différents phénomènes au cours de l’impact. L’étude a notamment permis de comprendre que l’éclatement de la structure en aluminium du réservoir à 300 bar est dû à la perte de précontrainte exercée par les couches de fibres carbone, qui provoque l’ouverture du réservoir sous l’effet de la pression.

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