Évaluation de l'effet structurel de l'impact d'un micrométéorite ou d'un débris orbital sur le bras canadien 2

Les structures spatiales sont de plus en plus à risque de subir des impacts en hypervélocité, soit à plus de 3km/s, dû à l'augmentation marquée du nombre de débris spatiaux au cours des deux dernières décennies. Ces débris sont principalement d'anciennes pièces de satellites ou de lanceurs éjectées lors du déploiement d'une structure. Des collisions entre deux débris, générant plusieurs nouveaux petits débris, sont donc également de plus en plus probables. Différents organismes surveillent les débris spatiaux et la position de la majorité des gros débris (plus de 10cm de diamètre) est connue. Toutefois, il est impossible de suivre les petits débris et plusieurs études ont montré qu'ils peuvent tout de même causer des dégâts considérables aux structures. Il est de plus en plus commun d'ajouter une certaine forme de protection contre les collisions aux nouvelles structures spatiales. Par contre, la majorité des structures actuellement en orbite, comme le Bras canadien 2, n'ont aucune protection contre les impacts. Les dommages causés par des impacts en hypervélocité sur différents matériaux spatiaux comme l'aluminium, les panneaux sandwich et les laminés ont déjà été caractérisés par différents groupes de recherche depuis la fin des années 1980, mais aucune étude portant sur l'évaluation expérimentale des propriétés mécaniques d'une structure après un impact, applicable au cas du Bras Canadien 2, n'a été publiée. Il est seulement possible de trouver dans la littérature des études portant sur les propriétés mécaniques de différents types de laminés après un impact à beaucoup plus basse vitesse d'ordre de grandeur énergétique généralement 1000 fois inférieur. Le Bras canadien 2, ou Space Station Remote Manipulator System (SSRMS), est installé sur la Station Spatiale Internationale (ISS) depuis 2001. Il avait une durée de vie initialement prévue à 10 ans, mais comme il est toujours très utile pour différentes opérations de maintenance et lors de l'approche finale des capsules de ravitaillement, il est maintenant souhaitable de le maintenir opérationnel jusqu'à la fin prévue de l'ISS soit en 2020 ou possiblement en 2028. Il est donc nécessaire de bien connaître les effets de l'impact d'un débris orbital sur la structure du bras pour que l'Agence spatiale canadienne (ASC) soit en mesure de redéfinir adéquatement les chargements pouvant être appliqués sur le bras si des dommages d'impact devaient être observés sur la couverture thermique couvrant sa structure.

Abstract

Space structures are more and more likely to be impacted at hypervelocities, velocities greater than 3km/s, as the number of orbital debris has rapidly grown in the last two decades. These debris are mostly composed of pieces jettisoned from a launcher or a satellite during the deployment of a structure, dead spacecrafts and fragmentation debris. Collision between two debris, generating many smaller new debris, are more likely to happen. Large space debris (diameter over 10cm) are tracked by different space organizations and their position at all time is known. It is however impossible to track the smaller debris while several studies have already demonstrated that they can also cause significant damage to structures. It is now more and more common to add a kind of protection against collisions to the space structures, but the great majority of space structures currently in orbit, as the Canadarm2, are not protected against hypervelocity impacts. Damage caused by such impacts to different space materials such as aluminum, sandwich panels and laminates has already been characterized during different studies since the end of the 1980s while no study, dedicated to the experimental evaluation of the mechanical properties of a space structure after an impact, relevant to the case of the Canadarm2, has been published. It is only possible to find, in the literature, studies determining the residual mechanical properties after an impact at much lower velocities; the energy of impact is generally three orders of magnitude smaller. The Canadarm2, or Space Station Remote Manipulator System (SSRMS), is installed on the International Space Station (ISS) since 2001. It had an initial 10-year lifespan, but it is still very useful today for maintenance operations and to capture and release incoming space capsules. It is thus desirable to maintain the Canadarm2 in operation at least until the end of the ISS funding in 2020 and possibly in 2028. Understanding the effects of an orbital debris impact on the Canadarm2 structure is now primordial in order to adequately redefine the load levels that can be applied on the arm as a function of the observable damage on the thermal blankets. The main objectives of this study are: first, to obtain a correlation between the visible damage on the booms and the corresponding internal damage of the structure, second to study the cracks caused by the impact growth under different cyclic loads, and finally to provide considerations on the load levels to be applied on the robotic arm as a function of the observable damage.