WO2017211840A1 - Procédé et système pour modifier la quantité de mouvement de solides dans l'espace - Google Patents

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WO2017211840A1
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intensity laser
pulses
laser pulse
low intensity
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Gérard MOUROU
Jean-Christophe Chanteloup
Robin Marjoribanks
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Ecole Polytechnique
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Ecole Polytechnique
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/52—Protection, safety or emergency devices; Survival aids
    • B64G1/56—Protection against meteoroids or space debris
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/66—Arrangements or adaptations of apparatus or instruments, not otherwise provided for
    • B64G1/68—Arrangements or adaptations of apparatus or instruments, not otherwise provided for of meteoroid or space debris detectors

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for modifying the amount of motion of solids in space, including debris in space.
  • the majority of spacecraft including the ISS station, can tolerate debris of less than 1 cm thanks to suitable shielding. It is possible to reduce the risks associated with objects more than 10 cm by anticollision maneuvers provided that they have already identified these debris and have followed its trajectory.
  • US patent application 2006/0256318 A1 discloses a system and method for generating thrust on a remote body using two laser beams. This request relates in particular to a missile defense system.
  • the patent application FR 2656587 A1 discloses a method and a device for modifying the trajectory of space debris by means of volatilization radiation.
  • a solution is presented in the article by T. Ebisuzaki, et al., "Demonstration designs for the remediation of space debris from the International Space Station", Acta Astronautica 112 (2015) 102-113, 13 March 2015.
  • a solution essentially involves detecting, monitoring and laser-controlled small debris. Detection of a debris is done passively by means of a super wide field camera. The debris is then actively monitored by a telescope with a narrow field of view. The amount of movement of the debris is then modified by laser ablation. Indeed, the concentration of a high intensity laser beam on a small surface of the debris causes the ejection of material in the form of ablation plasma, provided that the intensity of the laser is greater than the ablation threshold.
  • a space debris 10 has a velocity v such that it is in orbit around the Earth 12, this space debris 10 having a size of less than 10 cm.
  • a laser pulse 14 is directed towards this debris, the intensity of said laser pulse 14 sufficient to create an ejecta 16 of the debris 10, causing a variation of speed Av opposed to the speed of the debris 10.
  • the amount of movement of the debris is thus modified, causing a deceleration of the debris which results in a change of orbit and a return to the Earth's atmosphere 18 where it can be destroyed.
  • the debris 10 is thus directed towards the surface of the Earth 12.
  • this method makes it possible, in a variant, to accelerate a space debris so as to widen its orbit.
  • the object of the invention is to improve the method and system presented in this article.
  • the invention aims more particularly to optimize, for a given laser pulse energy, the mass of the ejecta from the debris.
  • the system is capable of producing bursts with a duration of 15 ns minimum containing about 50 pulses with a total energy of 215 ⁇ at a frequency of recurrence of 1 kHz bursts.
  • the individual pulses are compressed to a smaller scale than the PS. This system is able to exploit the removal of ablation-cooled laser material.
  • the present invention relates to a method for modifying the momentum of a solid in space, more particularly a debris, comprising the following steps:
  • the method according to the invention has one or more characteristics below, alone or in combination:
  • the fluence of said high intensity laser pulse is greater than 10 times the fluence of said low intensity laser pulses, preferably at 100 times the fluence of said low intensity laser pulses;
  • the duration of said high intensity laser pulse is less than or equal to 10 ⁇ s, preferably less than or equal to 1 ⁇ s;
  • step a) the solid is irradiated with at least two high intensity laser pulses
  • each low-intensity laser pulse has a duration less than or equal to
  • two successive pulses of said low-intensity laser pulse train are separated by a time interval longer than 100 ps and / or shorter than 10 ns, preferably 1 ns, which low-intensity laser pulse train lasts preferably less than 100 ns, and more preferably less than 10 ns;
  • the ratio of the fluence of the low intensity laser pulses to the fluence of the high intensity laser pulse is greater than 1/100, preferably greater than 1/10 and / or less than 1, preferably less than 1/2 ;
  • the method further comprises a step i) of detecting a solid to be irradiated, which step i) occurs before step a);
  • the method further comprises a step ii) of monitoring a solid to be irradiated, which step ii) occurs before step a) and after step i), if appropriate;
  • said at least one high intensity laser pulse and / or said low intensity laser pulse train are emitted from the space.
  • the invention relates to a system for modifying the momentum of a solid in space, more particularly a debris, comprising a laser system, more particularly an ICAN laser system, which can be used to transmit at least one high intensity laser pulse to cause ionization of a portion of the solid to a plasma state and then a low intensity laser pulse train to cause heating of said solid portion and ejection of an ejecta from said solid.
  • a laser system more particularly an ICAN laser system
  • the system according to the invention has one or more characteristics below, alone or in combination:
  • the system further comprises detection means for detecting said solid
  • the system further comprises a tracking means for tracking said solid.
  • the system can thus be adapted to implement the method as described above in any of its variants.
  • the invention also relates to a satellite or a spacecraft comprising a system as described above in all its variants.
  • FIG. 1 shows in schematic form the effect of laser ablation of material from a debris in space
  • FIG. 2 is a flow chart of a method for modifying the momentum of a solid in space
  • FIG. 3 illustrates the pulses emitted by a laser system implementing the method illustrated in FIG. 2;
  • FIG. 4 schematically illustrates a satellite comprising a system that can be used to implement the method illustrated in FIG. 2.
  • Fig. 2 illustrates a method of modifying the momentum of a solid in space, more particularly debris.
  • changing the momentum of a solid in space can deflect the solid, including directing it into the atmosphere 18.
  • the solid can alternatively be accelerated.
  • the method comprises a first step 22 of detecting a solid 10 to be irradiated.
  • This step can be passive. Passive detection of a solid can be done by detecting reflected sunlight in the twilit part of the orbit, where the Earth is experiencing a local night and the means of detection used as well as the solid are illuminated by the Sun. This reflected solar light detection can be limited to a wavelength range, e.g. in the ultraviolet domain, so as to avoid any contamination by urban lights on Earth.
  • a super wide field of view telescope can serve as a means of detection at this stage. As an example, the telescope can have a field of view of ⁇ 30 °. The telescope with a wide field of view may also have a resolution of 0.08 ° and / or a temporal resolution of 2.5 ⁇ .
  • the method then comprises a second step 24 of tracking the solid to be irradiated. It is proposed to implement this step using a combined pulsed laser and a telescope with a field of view consistent with the accuracy of determination of the detection of the solid, corresponding approximately to the resolution angular telescope detection.
  • a laser pulse train is therefore transmitted to the solid where the beam angle is expanded by the telescope to the accuracy of the position determination.
  • the image limited by the diffraction and the arrival time of the signal make it possible to determine the three-dimensional position of the solid (two angles of position and the distance).
  • the process continues with a step 26 of irradiating the solid with at least one high intensity laser pulse 52 (see Fig. 3) to cause ionization of a portion of the solid to a plasma state.
  • intensity or Fluence Fi of this high intensity laser pulse 52 is greater than a threshold intensity or fluence Fo necessary for the ionization of a part of the solid 10.
  • the fluence of the high intensity laser pulse 52 is greater than 1 J for a pulse of 100 fs.
  • the high intensity laser pulse 52 is of very short duration.
  • the duration of the high intensity laser pulse 52 is less than or equal to 10 ⁇ s, preferably less than or equal to 1 ⁇ s. The amount of energy required to ionize a portion of the solid is therefore limited.
  • the solid 10 can however, at this stage, be irradiated by more than one high intensity laser pulse 52, in particular by at least two high intensity laser pulses 52.
  • the method 20 then continues with a step 28 of irradiating the portion of the solid 10 in the plasma state by a train 54 of low intensity laser pulses 56 to cause heating of the portion of the solid 10.
  • the time interval T1 separating the high intensity laser pulse 52 from the first low intensity laser pulse 56 of the train 54 is preferably less than 10 ns, more preferably less than 1 ns, so that the solid portion is still in the plasma state when irradiated by said first low intensity pulse 56.
  • the train 54 of low intensity laser pulses 56 preferably has a duration between 100 ps and 100 ns .
  • the fluence F 2 of said low intensity laser pulses may be less than 10 J / cm 2 and / or greater than 1 J / cm 2 .
  • the fluence F 2 need not necessarily be as high as the fluence Fi of the high intensity laser pulse 52 since these low intensity pulses 56 have the role of heating the material of the solid 10 and not of ionizing it. Ionization is provided by the high intensity laser pulse 52 only. The energy of these low intensity laser pulses 56 can then be absorbed by the material of the solid in the plasma state. After its absorption, the energy of the laser pulses is broken down into several components within the material of the solid 10. Part of the energy takes the form of latent energy of fusion or vaporization or ionization. Each of these pulses however leaves behind a small amount of heat in the solid whose accumulation causes the softening of the solid and improves the ductility or melting. The heat from previous pulses that accumulated in the solid eventually causes ablation of softened or melted material, adding previously heated but not ejected material to the next ejecta.
  • a pulse train therefore promotes the propagation of low intensity thermal energy in the material in order to release mass, separate it from the solid piece in the form of disintegrated solid particles or liquid droplets, these two forms causing an amount of movement of the ejecta for a modest energy cost, increasing the efficiency and momentum / laser energy transfer ratio with respect to continuous wave illumination of the solid by a long laser pulse.
  • the ablated material - be it particles, liquid droplets, vapor or plasma - is likely to disturb the final absorption of laser energy into the small part of the solid. It is therefore preferable to use short pulses separated by a time interval during which the ejecta can deviate from the solid and undergo further irradiation.
  • each low-intensity laser pulse 56 can have a duration less than or equal to 100 ps and / or a time interval T 2 longer than 100 ps can separate two successive pulses 56 of the train 54 of low-intensity laser pulses 56
  • the time interval T 2 between two successive low intensity laser pulses 56 may also be shorter than 100 ns, preferably 1 ns, in order to avoid the cooling of the solid between two successive low intensity laser pulses 56. .
  • the number of low intensity laser pulses 56 of the train 54 may range from 1 to 100.
  • Step 28 of the method finally leads to the ejection of an ejecta from the debris 10. It should be noted at this point that the ejection of material from the solid may already occur in the course of time. step 26.
  • the at least one high intensity laser pulse 52 and / or the low intensity laser pulse train 54 are emitted into space in order to avoid the absorption of laser energy by the laser. 'atmosphere. That said, alternatively, these pulses 52, 56 or at least some of them can be transmitted from the Earth 12.
  • the plasma persists for the short time between the pulses so that there is no need to restart the dielectric breakdown between the pulses - hence a gain in efficiency since the low intensity laser pulses continue to experience linear absorption in plasma that persists from one impulse to another.
  • the low intensity laser pulses can be set to optimize the heat remaining in the solid, thereby increasing the magnitude of melting and mass release at a lower temperature but with a greater momentum.
  • the low intensity laser pulse train creates little ablation plume.
  • the system 100 essentially comprises a laser system 104, more particularly a laser system based on a phase-controlled optical fiber network called ICAN. Since each fiber in this phase-controlled network can be subject to individual control, this laser system 104 offers a very wide range of possibilities, in particular an adjustable adjustment of the diameter of the point of impact, the duration of the pulses and their size. Crucially, it also offers the ability to produce multiple interval pulses and adjustable energy.
  • a laser system of this type is described, for example, in the document by G. Mourou, D. Hulin and A.
  • This ICAN laser system can be configured to emit at least one high intensity laser pulse to cause ionization and create free electrons that will render the absorbent solid then a low intensity laser pulse train for causing said portion of the solid to heat up and ejecting an ejecta from said debris.
  • the system 100 further comprises a detecting means 102 for detecting said solid 10.
  • said detecting means 102 may comprise, for example, a telescope with a wide field of view which detects the reflected sunlight in the part Twilight of the orbit where the Earth is experiencing a local night and the telescope and the solid are illuminated by the Sun.
  • a super wide field of view telescope can be used.
  • the telescope can have a field of view of ⁇ 30 °.
  • the telescope with a wide field of view may also have a resolution of 0.08 ° and / or a temporal resolution of 2.5 ⁇ .
  • the detecting means 102 may further include a bandpass filter for limiting the detection of sunlight at a wavelength range, e.g. in the ultraviolet domain, so as to avoid any contamination by urban lights on Earth.
  • the system 100 may further include a tracking means 106 for tracking said solid 10.
  • This tracking means may include a combined pulsed laser and a telescope having a field of view consistent with the accuracy of determining the tracking means.
  • detection 102 of the solid corresponding approximately to the angular resolution of the detection telescope.
  • a train of laser pulses is sent to the solid, the beam angle being expanded by the telescope to the accuracy of the position determination.
  • the image limited by the diffraction and the arrival time of the signal make it possible to determine the three-dimensional position of the solid (two angles of position and the distance).
  • the system 100 can be installed aboard a satellite 110 or a spacecraft.
  • the invention is not limited to the examples mentioned above, given solely by way of illustration.

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Abstract

L'invention porte sur un procédé de modification de la quantité de mouvement d'un solide (10) dans l'espace, plus particulièrement d'un débris (10), comprenant les étapes d'irradiation dudit solide (10) par au moins une impulsion laser de haute intensité pour provoquer l'ionisation d'une partie du solide (10) jusqu'à un état de plasma; et d'irradiation de ladite partie du solide (10) à l'état de plasma par un train d'impulsions laser de faible intensité pour provoquer réchauffement de ladite partie du solide (10) et l'éjection d'un éjecta (16) à partir dudit solide (10). L'invention porte en outre sur un système utilisable pour mettre en œuvre le procédé.

Description

PROCÉDÉ ET SYSTÈME POUR MODIFIER LA QUANTITÉ DE MOUVEMENT
DE SOLIDES DANS L'ESPACE
La présente invention porte sur un procédé et un système pour modifier la quantité de mouvement de solides dans l'espace, et notamment de débris dans l'espace.
En plus de cinquante ans de vols spatiaux, plus de 30 000 1 de satellites et de fusées ont été envoyées dans l'espace. On estime qu'il subsiste près de 3 000 1 de débris spatiaux non opérationnels en orbite terrestre basse (de l'anglais « Low Earth Orbit » ou LEO) et ce sous diverses formes allant de fragments à des corps de fusées hors d'usage et des satellites de plusieurs tonnes parfaitement intacts. Des collisions avec ces débris peuvent mettre en jeu une vitesse d'impact de l'ordre de 10 km/s et occasionner ainsi des dégâts graves voire catastrophiques sur des satellites opérationnels tels que la Station Spatiale Internationale (de l'anglais « International Space Station » ou ISS).
La majorité des engins spatiaux, y compris la station ISS, peuvent tolérer des débris de moins de 1 cm grâce à un blindage adapté. Il est possible de réduire les risques liés aux objets de plus de 10 cm par des manœuvres anticollision à condition toutefois d'avoir déjà identifié ces débris et d'en avoir suivi la trajectoire.
Or la grande majorité des débris, notamment ceux dont la taille est inférieure à 10 cm, n'est pas connue ou répertoriée, si bien que ces projectiles hypervéloces posent un risque de plus en plus grand pour les engins spatiaux en nombre toujours croissant. Les débris de petite taille de l'ordre du cm constituent donc la principale menace d'impact avec les charges utiles opérationnelles et abandonnées.
La petite taille de ces projectiles et leur vitesse relative élevée font qu'il existe peu de solutions viables permettant de les éliminer avant qu'ils n'entrent en collision avec de plus gros satellites ou engins spatiaux.
La demande de brevet US 2006/0256318 Al divulgue un système et un procédé permettant de générer une poussée sur un corps distant à l'aide de deux faisceaux laser. Cette demande concerne en particulier un système de défense anti-missile.
La demande de brevet FR 2656587 Al divulgue un procédé et un dispositif qui visent à modifier la trajectoire de débris spatiaux à l'aide d'un rayonnement de volatilisation.
Une solution est présentée dans l'article de T. Ebisuzaki, et coll., "Démonstration designs for the remediation of space débris from the International Space Station", Acta Astronautica 112 (2015) 102-113, 13 Mars 2015. D'après cet article, une solution passe essentiellement par la détection, le suivi et la maîtrise par impulsions laser des débris de petite taille. La détection d'un débris s'effectue de manière passive au moyen d'une caméra à champ de vision super large. Le débris est ensuite suivi de manière active par un télescope à champ de vision étroit. La quantité de mouvement du débris est ensuite modifiée par ablation laser. En effet, la concentration d'un faisceau laser de forte intensité sur une petite surface du débris provoque l'éjection de matière sous forme de plasma d'ablation, à condition que l'intensité du laser soit supérieure au seuil d'ablation. Pour un dépôt d'énergie donné, l'impact de réaction obtenu est largement supérieur à celui de la pression de rayonnement du faisceau laser dans la mesure où la vitesse de la matière ablatée est largement inférieure à la vitesse de la lumière. Ce phénomène est illustré sur la figure 1. Un débris spatial 10 possède une vitesse v telle qu'il est en orbite autour de la Terre 12, ce débris spatial 10 présentant une taille inférieure à 10 cm. Une impulsion laser 14 est dirigée vers ce débris, l'intensité de ladite impulsion laser 14 suffisant à créer un éjecta 16 du débris 10, occasionnant une variation de vitesse Av opposée à la vitesse du débris 10. La quantité de mouvement du débris s'en trouve donc modifiée, provoquant une décélération du débris qui se traduit par un changement d'orbite et une rentrée dans l'atmosphère terrestre 18 où il pourra être détruit. En variante, le débris 10 se trouve ainsi dirigé vers la surface de la Terre 12.
On peut noter ici que ce procédé permet, en variante, d'accélérer un débris spatial de façon à en élargir l'orbite.
L'invention a pour but d'améliorer le procédé et le système présentés dans cet article. L'invention vise plus particulièrement à optimiser, pour une énergie d'impulsion laser donnée, la masse de l'éjecta issu du débris.
Par ailleurs, l'article "3.5-GHz intra-burst répétition rate ultrafast Yb-doped fïber laser", de C. KERSE, et coll., Optics Communications (2015), http://dx.doi.Org/10.1016/j.optcom.2015.12.064, présente un système amplificateur laser Yb tout- fibre avec une fréquence de récurrence intra-salve de 3,5 GHz. Le système est susceptible de produire des salves d'une durée de 15 ns minimum contenant environ 50 impulsions avec une énergie totale de 215 μΐ à une fréquence de récurrence des salves de 1 kHz. Les impulsions individuelles sont comprimées à une échelle inférieure à la picoseconde. Ce système est capable d'exploiter l'élimination de matière au laser à refroidissement par ablation.
Selon un premier objet, la présente invention concerne un procédé de modification de la quantité de mouvement d'un solide dans l'espace, plus particulièrement d'un débris, comprenant les étapes suivantes :
a) Irradiation dudit solide par au moins une impulsion laser de haute intensité pour provoquer l'ionisation d'une partie du solide jusqu'à un état de plasma ; et
b) Irradiation de ladite partie du solide à l'état de plasma par un train d'impulsions laser de faible intensité pour provoquer réchauffement de ladite partie du solide et l'éjection d'un éjecta à partir dudit solide.
L'invention vise par conséquent à maximiser la masse de l'éjecta avec une faible vitesse. En effet, comme la quantité de mouvement p = m.v, où m est la masse de l'éjecta et v sa vitesse, pour une quantité donnée d'énergie laser, la variation de quantité de mouvement maximale est produite par un éjecta de plus grande masse et de plus faible vitesse plutôt que par un éjecta de plus faible masse et de plus grande vitesse.
Selon des modes de réalisation préférés, le procédé selon l'invention présente une ou plusieurs caractéristiques ci-dessous, seules ou combinées :
- la fluence de ladite impulsion laser de haute intensité est supérieure à 10 fois la fluence desdites impulsions laser de faible intensité, de préférence à 100 fois la fluence desdites impulsions laser de faible intensité ;
- la durée de ladite impulsion laser de haute intensité est inférieure ou égale à 10 ps, de préférence inférieure ou égale à 1 ps ;
- à l'étape a), le solide est irradié par au moins deux impulsions laser de haute intensité ;
- chaque impulsion laser de faible intensité a une durée inférieure ou égale à
1 ns, de préférence inférieure ou égale à 100 ps ;
- deux impulsions successives dudit train d'impulsions laser de faible intensité sont séparées d'un intervalle de temps plus long que 100 ps et/ou plus court que 10 ns, de préférence 1 ns, lequel train d'impulsions laser de faible intensité dure de préférence moins de 100 ns, et de préférence encore moins de 10 ns ; - le rapport de la fluence des impulsions laser de faible intensité sur la fluence de l'impulsion laser haute intensité est supérieur à 1/100, de préférence supérieur à 1/10 et/ou inférieur à 1, de préférence inférieur à 1/2 ;
- le procédé comprend en outre une étape i) de détection d'un solide à irradier, laquelle étape i) se produit avant l'étape a) ;
- le procédé comprend en outre une étape ii) de suivi d'un solide à irradier, laquelle étape ii) se produit avant l'étape a) et après l'étape i), le cas échéant ; et
- ladite au moins une impulsion laser de haute intensité et/ou ledit train d'impulsions laser de faible intensité sont émis depuis l'espace.
Selon un autre aspect, l'invention porte sur un système de modification de la quantité de mouvement d'un solide dans l'espace, plus particulièrement d'un débris, comprenant un système laser, plus particulièrement un système laser ICAN, utilisable pour émettre au moins une impulsion laser de haute intensité pour provoquer l'ionisation d'une partie du solide jusqu'à un état de plasma puis un train d'impulsions laser de faible intensité pour provoquer réchauffement de ladite partie du solide et l'éjection d'un éjecta à partir dudit solide.
Selon des modes de réalisation préférés, le système selon l'invention présente une ou plusieurs caractéristiques ci-dessous, seules ou combinées :
- le système comprend en outre un moyen de détection destiné à détecter ledit solide ; et
- le système comprend en outre un moyen de suivi destiné à assurer le suivi dudit solide.
Le système pourra ainsi être adapté à mettre en œuvre le procédé tel que décrit plus haut dans l'une quelconque de ses variantes.
L'invention porte également sur un satellite ou un engin spatial comprenant un système tel que décrit plus haut dans l'ensemble de ses variantes.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement au vu de la description détaillée qui suit, en référence aux dessins annexés parmi lesquels :
- la figure 1 présente sous forme schématique l'effet d'une ablation laser de matériau à partir d'un débris dans l'espace ;
- la figure 2 est un ordinogramme d'un procédé de modification de la quantité de mouvement d'un solide dans l'espace ; - la figure 3 illustre les impulsions émises par un système laser mettant en œuvre le procédé illustré par la figure 2 ; et
- la figure 4 illustre sous forme schématique un satellite comprenant un système utilisable pour mettre en œuvre le procédé illustré par la figure 2.
Dans la suite, les éléments identiques ou ayant la même fonction que ceux de l'art antérieur sont désignés par les mêmes références. Ces éléments ne seront pas décrits plus en détail par souci de concision de la description.
La fig. 2 illustre un procédé 20 de modification de la quantité de mouvement d'un solide dans l'espace, plus particulièrement d'un débris. Comme exposé plus haut, la modification de la quantité de mouvement d'un solide dans l'espace peut faire dévier le solide, notamment le diriger dans l'atmosphère 18. Le solide peut, en variante, être accéléré.
Le procédé 20 comprend une première étape 22 consistant à détecter un solide 10 à irradier. Cette étape peut être passive. La détection passive d'un solide peut se faire par détection de lumière solaire réfléchie dans la partie crépusculaire de l'orbite, là où la Terre connaît une nuit locale et le moyen de détection utilisé ainsi que le solide sont éclairés par le Soleil. Cette détection de lumière solaire réfléchie peut être limitée à un domaine de longueurs d'onde, par ex. au domaine de l'ultraviolet, de façon à éviter toute contamination par les lumières urbaines sur Terre. Un télescope de détection à champ de vision super large peut servir de moyen de détection à cette étape. En guise d'exemple, le télescope peut avoir un champ de vision de ± 30 °. Le télescope à large champ de vision peut également avoir une résolution de 0,08° et/ou une résolution temporelle de 2,5 μβ.
Le procédé 20 comprend ensuite une deuxième étape 24 consistant à assurer le suivi du solide 10 à irradier. Il est proposé de mettre en œuvre cette étape à l'aide d'un laser puisé combiné et d'un télescope doté d'un champ de vision conforme à la précision de détermination de la détection du solide, correspondant à peu près à la résolution angulaire du télescope de détection. Un train d'impulsions laser est par conséquent transmis au solide où l'angle de faisceau est dilaté par le télescope à hauteur de la précision de la détermination de la position. L'image limitée par la diffraction et le temps d'arrivée du signal permettent de déterminer la position tridimensionnelle du solide (deux angles de position et la distance).
Le procédé 20 se poursuit par une étape 26 consistant à irradier le solide avec au moins une impulsion laser de haute intensité 52 (cf. fig. 3) pour provoquer l'ionisation d'une partie du solide jusqu'à un état de plasma. Comme indiqué sur la fig. 3, l'intensité ou la fluence Fi de cette impulsion laser de haute intensité 52 est supérieure à une intensité ou fluence de seuil Fo nécessaire à l'ionisation d'une partie du solide 10. Par exemple, la fluence de l'impulsion laser de haute intensité 52 est supérieure à 1 J pour une impulsion de 100 fs. L'impulsion laser de haute intensité 52 est de très courte durée. Par exemple, la durée de l'impulsion laser de haute intensité 52 est inférieure ou égale à 10 ps, de préférence inférieure ou égale à 1 ps. La quantité d'énergie nécessaire à l'ionisation d'une partie du solide 10 est par conséquent limitée.
On peut noter à ce stade que, si une seule impulsion laser de haute intensité 52 est illustrée sur la fïg. 3, le solide 10 peut toutefois, à cette étape, être irradié par plus d'une impulsion laser de haute intensité 52, notamment par au moins deux impulsions laser de haute intensité 52.
Il s'avère particulièrement économique de procéder d'abord à l'ionisation d'une partie du solide par une impulsion très courte dans le but de créer des électrons libres (pour rendre ainsi le milieu absorbant), démarche moins énergivore. L'objet visant à modifier les orbites de solides, par ex. de débris spatiaux, dépend en effet d'un transfert efficace de la quantité de mouvement - la force impulsive imprimée aux petites parties du solide par des impulsions laser. L'efficacité de ce transfert de la quantité de mouvement, ainsi que le rendement énergétique et donc le coût du procédé de désorbitation correspondant, dépendent de l'absorption de l'énergie de l'impulsion par le solide. Un inconvénient est que certaines matières pourront effectivement réfléchir la lumière sans absorber d'énergie ou en n'en absorbant qu'une petite partie. Si une matière est parfaitement réfléchissante, le transfert maximal de la quantité de mouvement est le double de celui du photon dans la mesure où un photon rétroréfléchi possède une quantité de mouvement égale et opposée à celle du photon incident. Un rendement bien supérieur peut être obtenu en cas d'absorption de l'énergie lumineuse. Le fait que des matières différentes pourront présenter des coefficients d'absorption linéaire différents peut compliquer l'élimination des débris du fait de leur variabilité et de leur diversité. Il en résulte une prévisibilité réduite. Il est préférable d'être capable de prévoir le comportement d'un morceau de débris issu d'un tir laser sans connaître pour autant les propriétés de la matière d'un morceau de débris indéterminé. C'est la raison pour laquelle il est avantageux de toujours procéder à l'ionisation de la matière du débris de manière à tirer parti du fait qu'une fois ionisées jusqu'à un état de plasma, toutes les matières adoptent un comportement très similaire en termes d'absorption. Il est, de fait, avantageux de proposer une solution du type "taille unique" à la réduction et à l'élimination des débris.
Le procédé 20 se poursuit ensuite par une étape 28 consistant à irradier la partie du solide 10 à l'état de plasma par un train 54 d'impulsions laser de faible intensité 56 pour provoquer réchauffement de la partie du solide 10.
L'intervalle de temps Ti séparant l'impulsion laser de haute intensité 52 de la première impulsion laser de faible intensité 56 du train 54 est de préférence inférieur à 10 ns, de préférence encore inférieur à 1 ns, de sorte que la partie du solide est toujours à l'état de plasma lorsqu'elle est irradiée par ladite première impulsion de faible intensité 56. Pour la même raison, le train 54 d'impulsions laser de faible intensité 56 a de préférence une durée comprise entre 100 ps et 100 ns.
La fluence F2 desdites impulsions laser de faible intensité peut être inférieure à 10 J/cm2 et/ou supérieure à 1 J/cm2. En guise d'exemple, le rapport η de la fluence F2 des impulsions laser de faible intensité 56 sur la fluence Fi de l'impulsion laser haute intensité 52, η = 2/γ , peut être supérieur à 1/100, de préférence supérieur à 1/10 et/ou inférieur à
1 , de préférence inférieur à 1/2.
La fluence F2 ne doit pas forcément être aussi élevée que la fluence Fi de l'impulsion laser de haute intensité 52 puisque ces impulsions de faible intensité 56 ont pour rôle d'échauffer la matière du solide 10 et non de l'ioniser. L'ionisation est assurée par l'impulsion laser de haute intensité 52 uniquement. L'énergie de ces impulsions laser de faible intensité 56 peut être ensuite absorbée par la matière du solide à l'état de plasma. Après son absorption, l'énergie des impulsions laser se décompose en plusieurs composantes au sein de la matière du solide 10. Une partie de l'énergie prend la forme d'énergie latente de fusion ou de vaporisation ou d'ionisation. Chacune de ces impulsions laisse toutefois derrière elle une faible quantité de chaleur dans le solide dont l'accumulation provoque le ramollissement du solide et en améliore la ductilité ou la fusion. La chaleur issue d'impulsions précédentes qui s'est accumulée dans le solide finit par provoquer l'ablation de matière ramollie ou fondue, ajoutant de la matière précédemment échauffée mais non éjectée au prochain éjecta.
Un train d'impulsions favorise donc la propagation d'énergie thermique de faible intensité dans la matière dans le but de libérer de la masse, de la séparer du morceau de solide sous forme de particules solides désintégrées ou de gouttelettes liquides, ces deux formes occasionnant une quantité de mouvement de l'éjecta pour un coût énergétique modeste, en augmentant l'efficacité et le rapport transfert de quantité de mouvement/énergie laser par rapport à une illumination à onde continue du solide par une impulsion laser de longue durée.
Par ailleurs, la matière ablatée - qu'il s'agisse de particules, de gouttelettes liquides, de vapeur ou de plasma - risque fort de perturber l'absorption finale d'énergie laser dans la petite partie de solide. Il est par conséquent préférable d'avoir recours à de courtes impulsions séparées d'un intervalle de temps au cours duquel l'éjecta pourra s'écarter du solide et subir une irradiation plus poussée. Ainsi, chaque impulsion laser de faible intensité 56 peut présenter une durée inférieure ou égale à 100 ps et/ou un intervalle de temps T2 plus long que 100 ps peut séparer deux impulsions successives 56 du train 54 d'impulsions laser de faible intensité 56. L'intervalle de temps T2 entre deux impulsions laser de faible intensité 56 successives peut aussi être plus court que 100 ns, de préférence 1 ns, dans le but d'éviter le refroidissement du solide entre deux impulsions laser de faible intensité 56 successives.
Le nombre d'impulsions laser de faible intensité 56 du train 54 peut s'inscrire entre 1 et 100.
L'étape 28 du procédé 20 conduit enfin à l'éjection 30 d'un éjecta à partir du débris 10. Il convient de noter à ce stade que l'éjection de matière à partir du solide peut déjà se produire au cours de l'étape 26.
De préférence, l'au moins une impulsion laser de haute intensité 52 et/ou le train 54 d'impulsions laser de faible intensité 56 sont émis dans l'espace dans le but d'éviter l'absorption de l'énergie laser par l'atmosphère. Cela dit, en variante, ces impulsions 52, 56 ou tout au moins certaines d'entre elles peuvent être émises depuis la Terre 12.
Le procédé décrit plus haut est particulièrement avantageux par rapport aux procédés connus :
i) l'absorption est réalisée en milieu plasma, et est donc « standardisée » et prévisible ;
ii) le plasma persiste pendant le court instant séparant les impulsions de sorte qu'il n'est pas nécessaire de relancer le claquage diélectrique entre les impulsions - d'où un gain d'efficacité puisque les impulsions laser de faible intensité continuent de connaître une absorption linéaire dans le plasma qui persiste d'une impulsion à l'autre. Ceci implique qu'il est possible d'utiliser des impulsions laser de plus faible intensité, ce qui réduit la température du plasma à la faveur de volumes chauffés plus importants et favorise ainsi le transfert de la quantité de mouvement pour une énergie donnée des impulsions laser. Les impulsions laser de faible intensité peuvent être établies de manière à optimiser la chaleur subsistant dans le solide, en augmentant ainsi l'ampleur de la fusion et de la libération de masse à température plus basse mais avec une quantité de mouvement plus élevée.
iii)le train d'impulsions laser de faible intensité crée peu de panache d'ablation.
Cela est dû en partie au fait que les impulsions laser de faible intensité ultrarapides chauffent une couche très mince de matière, en produisant ainsi un gradient de température élevé et donc un fort gradient de pression et un taux plus élevé d'ablation. Cela se traduit aussi par une diminution du temps de pénétration de l'onde de raréfaction d'ablation au travers de la couche mince chauffée. C'est cet effet, autrement dit le découplage hydrodynamique de matière chaude, qui limite en fait l'ampleur de la diffusion de la chaleur vers l'intérieur puisque, à défaut, la chaleur continuerait de se diffuser vers l'intérieur lorsque l'impulsion laser prend fin, quelle que soit la durée de cette impulsion. L'énergie des impulsions et la fréquence de récurrence contribuent ensemble à limiter le panache plasma, en minimisant ainsi ses effets d'écran.
Le procédé évoqué plus haut peut être mis en œuvre à l'aide d'un système 100 servant à modifier la quantité de mouvement d'un solide dans l'espace tel qu'illustré sous forme schématique sur la fig. 4. Comme le montre cette figure, le système 100 comprend essentiellement un système laser 104, plus particulièrement un système laser basé sur un réseau de fibres optiques piloté en phase appelé ICAN. Comme chaque fibre dans ce réseau piloté en phase peut faire l'objet d'une commande individuelle, ce système laser 104 offre un très large éventail de possibilités, notamment un réglage à loisir du diamètre du point d'impact, de la durée des impulsions et de leur taille. Crucialement, il offre également la possibilité de produire des impulsions multiples d'intervalle et d'énergie réglables. Un système laser de ce type est décrit, par ex., dans le document de G. Mourou, D. Hulin et A. Galvanauskas, "The road to High Peak Power and High Average Power Laser: Cohérent Amplification Network (CAN)", AIP Conférence Proceedings, Third International Conférence on Superstrong Fields in Plasmas, vol. 827, Dimitri Batani et Maurizio Lontano, 152-163 (2006). Ce système laser ICAN peut être configuré pour émettre au moins une impulsion laser de haute intensité pour provoquer l'ionisation et créer des électrons libres qui rendront le solide absorbant puis un train d'impulsions laser de faible intensité pour provoquer réchauffement de ladite partie du solide et l'éjection d'un éjecta à partir dudit débris.
Le système 100 comprend en outre un moyen de détection 102 destiné à détecter ledit solide 10. Comme évoqué plus haut, ledit moyen de détection 102 peut comprendre, par exemple, un télescope à large champ de vision qui détecte la lumière solaire réfléchie dans la partie crépusculaire de l'orbite là où la Terre connaît une nuit locale et le télescope ainsi que le solide sont éclairés par le Soleil. Un télescope de détection à champ de vision super large peut être utilisé. En guise d'exemple, le télescope peut avoir un champ de vision de ± 30 °. Le télescope à large champ de vision peut également avoir une résolution de 0,08° et/ou une résolution temporelle de 2,5 μβ. Le moyen de détection 102 peut comprendre en outre un filtre passe-bande servant à limiter la détection de la lumière solaire à un domaine de longueurs d'onde, par ex. au domaine de l'ultraviolet, de façon à éviter toute contamination par les lumières urbaines sur Terre.
Le système 100 peut comprendre en outre un moyen de suivi 106 destiné à assurer le suivi dudit solide 10. Ce moyen de suivi peut comprendre un laser puisé combiné et un télescope doté d'un champ de vision conforme à la précision de détermination du moyen de détection 102 du solide, correspondant à peu près à la résolution angulaire du télescope de détection. Pour assurer le suivi d'un solide, un train d'impulsions laser est envoyé vers le solide, l'angle de faisceau étant dilaté par le télescope à hauteur de la précision de la détermination de la position. L'image limitée par la diffraction et le temps d'arrivée du signal permettent de déterminer la position tridimensionnelle du solide (deux angles de position et la distance).
Le système 100 peut être installé à bord d'un satellite 110 ou d'un engin spatial. L'invention ne se limite pas aux exemples évoqués plus haut, donnés uniquement à titre d'illustration.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de modification de la quantité de mouvement d'un solide (10) dans l'espace, plus particulièrement d'un débris (10), comprenant les étapes suivantes :
a) Irradiation (26) dudit solide (10) par au moins une impulsion laser de haute intensité (52) pour provoquer l'ionisation d'une partie du solide (10) jusqu'à un état de plasma ; et
b) Irradiation (28) de ladite partie du solide (10) à l'état de plasma par un train (54) d'impulsions laser de faible intensité (56) pour provoquer réchauffement de ladite partie du solide (10) et l'éjection (30) d'un éjecta (16) à partir dudit solide (10).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la fluence (Fi) de ladite impulsion laser de haute intensité (52) est supérieure à 10 fois la fluence (F2) desdites impulsions laser de faible intensité (56), de préférence à 100 fois la fluence (F2) desdites impulsions laser de faible intensité (56).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la durée de ladite impulsion laser de haute intensité (52) est inférieure ou égale à 10 ps, de préférence inférieure ou égale à 1 ps.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, à l'étape a), le solide (10) est irradié par au moins deux impulsions laser de haute intensité (52).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque impulsion laser de faible intensité (56) a une durée inférieure ou égale à 1 ns et/ou supérieure ou égale à 10 ps.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel deux impulsions (56) successives dudit train (54) d'impulsions laser de faible intensité (56) sont séparées d'un intervalle de temps (T2) plus long que 100 ps et/ou plus court que 10 ns, de préférence 1 ns, lequel train (54) d'impulsions laser de faible intensité (56) dure de préférence moins de 100 ns, de préférence encore moins de 10 ns.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le rapport (η) de la fluence (F2) des impulsions laser de faible intensité (56) sur la fluence (Fi) de l'impulsion laser haute intensité (52) est supérieur à 1/100, de préférence inférieur à 1/2.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre une étape i) de détection (22) d'un solide (10) à irradier, laquelle étape i) se produit avant l'étape a).
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant en outre une étape ii) de suivi (24) d'un solide (10) à irradier, laquelle étape ii) se produit avant l'étape a) et après l'étape i), le cas échéant.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel ladite au moins une impulsion laser de haute intensité (52) et/ou ledit train (54) d'impulsions laser de faible intensité (56) sont émis depuis l'espace.
11. Système de modification de la quantité de mouvement d'un solide (10) dans l'espace, plus particulièrement d'un débris (10), comprenant un système laser (104), plus particulièrement un système laser ICAN (10), utilisable pour émettre au moins une impulsion laser de haute intensité (52) pour provoquer l'ionisation d'une partie du solide (10) jusqu'à un état de plasma puis un train (54) d'impulsions laser de faible intensité (56) pour provoquer réchauffement de ladite partie du solide (10) et l'éjection d'un éjecta (16) à partir dudit solide (10).
12. Système selon la revendication 11, comprenant en outre un moyen de détection (102) destiné à détecter ledit solide (10).
13. Système selon la revendication 11 ou 12, comprenant en outre un moyen de suivi (104) destiné à assurer le suivi dudit solide (10).
14. Satellite (110) ou engin spatial comprenant un système selon l'une des revendications 11 à 13.
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