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 μg, 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 V 1,52p

Bibring, J.-P.

Cottet, F.

Hallouin, M.

Langevin, Y.

Romain, J.-P.

Silicated micrometeorites (mass : 1/10 μg) impacting aluminium target are simulated with a neodyme pulsed laser, producing a maximum laser pulse energy of 100 in a few ns. The simulated 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 V1.52 p.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 μg, 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 V 1,52p

J.-P. Bibring

F. Cottet

M. Hallouin

Y. Langevin

J.-P. Romain

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Simulation laser d'impacts de particules de très grande vitesse

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Simulation laser d’impacts de particules de tre`s grandevitesseJ.-P. Bibring, F. Cottet, M. Hallouin, Y. Langevin, J.-P. RomainTo cite this version:J.-P. Bibring, F. Cottet, M. Hallouin, Y. Langevin, J.-P. Romain. Simulation laser d’impactsde particules de tre`s grande vitesse. Journal de Physique Lettres, 1983, 44 (5), pp.189-194.<10.1051/jphyslet:01983004405018900>. <jpa-00232179>HAL Id: jpa-00232179https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00232179Submitted on 1 Jan 1983HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestine´e au de´poˆt et a` la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publie´s ou non,e´manant des e´tablissements d’enseignement et derecherche franc¸ais ou e´trangers, des laboratoirespublics ou prive´s.L-189Simulation laser d’impacts de particules de très grande vitesseJ.-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 enquelques ns, nous a permis de simuler des impacts de micrométéorites silicatées de quelques dixièmesde 03BCg, de vitesse comprise entre 5 et 45 km/s, sur une cible d’aluminium. Les cratères produits dans lacible sont hémisphériques, et le rapport Km, de la masse éjectée sur la masse de la particule incidentesimulée, 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 simulatedwith 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 relatedto particle velocity Vp by Km = 1.17 V1.52p.J. Physique - LETTRES 44 (1983) L-189 - L-194 ler MARS 1983,ClassificationPhysics Abstracts52.40H - 62.501. Introduction. - Les vehicules spatiaux subissent des impacts de micrometeorites dontla vitesse peut atteindre 80 km/s et dont la masse se trouve essentiellement dans le domaine 10- 5a 10 - 10 g [ 1, 2]. C’est en particulier le cas des futures sondes qui vont realiser un survol a moins de20 000 km de la comete de Halley, lors de son prochain passage au perihelie en 1986. Qu’ils’agisse de se proteger contre ces impacts ou de les utiliser pour en deduire certaines proprietesdes 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 pulsede 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 duGRECO 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 permisd’atteindre des vitesses simulées de 5 a 45 km/s pour des particules d’une masse de l’ordre dudixieme de Ilg.2. Modete de simulation par laser pulsé d’un impact de particule de grande vitesse. - Un impactlaser, tout comme un impact de particule de grande vitesse, délivre a la surface de la cible uneArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyslet:01983004405018900L-190 JOURNAL DE PHYSIQUE - LETTRESgrande 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) sepropage alors dans la cible et s’y amortit progressivement. Selon la pression maximale atteintelocalement, le materiau se volatilise, fond ou se fracture, ce qui provoque la formation d’un cratereautour du point d’impact.Le principe de la simulation consiste a definir les caracteristiques d’une impulsion laser (durée tde I’impulsion a mi-hauteur, energie totale E, diametre D de la tache focale) induisant dans lacible 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 processuscreent des champs d’ecoulement et de pression identiques, les deformations resultantes de lacible, 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 parI’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’impactlaser 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 deduitdes courbes de Hugoniot des materiaux constitutifs de la cible et du projectile. Dans le cas ouces materiaux sont identiques, le choc etant suppose monodimensionnel plan, la pression Ps’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], lescoefficients a et b ayant pour valeur 5,386 km . s-’ et 1,339 respectivement. Nous considereronsque 1’impact d’une micrometeorite silicatee sur une cible d’aluminium peut etre assimile a celuid’un projectile d’aluminium, les densités etant comparables, et les courbes de Hugoniot etantvoisines a haute pression.Dans le cas des tirs laser que nous avons effectués, une epaisseur de matiere de l’ordre du ~mest transformee en un plasma dense. La plus grande partie de 1’energie laser est transformee enenergie thermique du plasma. Celui-ci entre en expansion a grande vitesse, et soumet la ciblea une pression P approximativement constante pendant la duree de 1’impulsion, et liee au fluxincident du laser, I. Cette pression peut etre deduite par une relation theorique P(I), qui donnede 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 deseffets bidimensionnels, importants dans le cas d’impulsions « longues » (quelques ns) et tres foca-lisees (  100 gm).Sur la base de ce modele, les caracteristiques (Dp, Lp, V p) du projectile dont l’impact est simuleL-191SIMULATION LASER D’IMPACTS DE PARTICULESpar un tir laser de duree t, d’energie totale E, et dont la tache focale a un diametre D sont évaluéesde 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 larelation (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 pde la particule que l’on desire simuler, celle-ci ayant un diametre Dp de 90 Jlm et une longueur Lpde 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. 11s’agit d’un laser au neodyme capable de delivrer des impulsions de plus de 100 J a une longueurd’onde de 1,06 ~m. Le diametre de la tache focale est determine en interposant une série de filtresde densite optique croissante, ce qui permet d’etablir la repartition de 1’energie deposee dans leplan focal. La precision sur la mesure de D est de 10 %. Ce diametre était de 90 Jlm pour uneserie de tirs d’energie 60 J pendant 2,5 ns, alors qu’il atteignait 110 ~m pour une serie de tirsd’energie 15 J pendant 4 ns. Nous avons donc adopte ces deux valeurs de D, qui correspondenta la focalisation maximale, pour les tirs a « haute » et « basse » energie respectivement. Nousavons egalement effectué quelques tirs défocalisés, le diametre de la tache focale etant alors de175 ~m.L-192 JOURNAL DE PHYSIQUE - LETTRESTableau 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 feuilled’aluminium de 1 mm d’epaisseur.[Microphotography of craters produced by increasing power laser on an aluminium target (thickness1 mm).]L-193SIMULATION LASER D’IMPACTS DE PARTICULESLes 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 laprofondeur 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 queles cratères formes sont quasi hémisphériques, dans tout le domaine d’encrgie explore. Cette formecorrespond 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 duniveau 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 desimuler des impacts de particules d’une taille de ~ 100 ~m, jusqu’a des vitesses de 45 km/s. Cescaracteristiques 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/sdans le cas de la sonde VEGA).4. Discussion. - On admet en general qu’il y a invariance d’echelle dans le processus deformation 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 ellesaussi doublees. Nous avons donc calcule le rapport Km = M~/Mp, qui ne devrait dependre quede la vitesse d’impact Vp. La variation de Km avec la vitesse simulee Vp est representee sur lafigure 3. Une approximation lineaire dans les coordonnees (log (Km), log (Vp)) permet d’obtenirla relation :On remarque que rexposant de la vitesse est inferieur a 2 pour ces tres grandes vitesses : lamasse 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 Mpde projectile devrait éjecter une masse 910 fois plus grande ; pour une micrometeorite d’une taillede 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 fonctionde la vitesse d’impact simulee.[Mass loss ratio, Km, vs. simulated impact particle velocity.]L-194 JOURNAL DE PHYSIQUE - LETTRESLa 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, ellerepose sur un modele simple, qui ne rend pas totalement compte de la complexite des processuslies a l’interaction laser-matiere, et aux impacts a tres grande vitesse. L’etape suivante va ainsiconsister 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 lavitesse de la particule incidente.Remerciements. - Nous tenons à remercier E. Fabre et toute l’équipe du laser du GRECOI.L.M. qui ont rendu ces experiences possibles, ainsi que R. Pellat pour ses encouragements etses 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).[8] GARBAN-LABAUME, C., FABRE, E., MAX, C. E., FABBRO, R., AMIRANOFF, F., VIRMONT, J., WEINFELD, M.and MICHARD, A., Phys. Rev. Lett. 48 (1982) 1018.

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