Soutenance mémoire
L’arme laser anti-structure
Préambule
Parmi les derniers systèmes de défense envisagés afin de perturber l’équilibre en vol d’un aéronef, l’arme laser représente une réelle opportunité de mise en œuvre à moyen terme. Les lasers (acronyme de l’anglais Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ont été historiquement développés au cours des années 1950 [1] et sont aujourd’hui omniprésents dans notre vie quotidienne, dans le monde industriel (pour des travaux de soudure, de découpe, de perçage et de gravure) ainsi que dans un grand nombre de technologies de pointe (comme par exemple la médecine chirurgicale, les télécommunications, ou encore la télémétrie). Cette diversité d’utilisation au sein du domaine civil s’accompagne d’un fort intérêt des armées pour cette technologie, qui permettrait d’aider de manières diverses le combattant dans un contexte opérationnel. L’intérêt de la technologie laser, également souvent décrite par les termes « concentré de lumière » ou « arme à énergie dirigée » réside dans une capacité rare : la possibilité de piloter, de canaliser l’énergie sous forme électromagnétique. Ce contrôle de l’énergie en sortie de source laser est rendu possible dans trois « dimensions » principales [2] :
– la dimension temporelle, avec des régimes allant de l’émission continue jusqu’à l’émission impulsionnelle très courte (de l’ordre de la picoseconde, voire moins pour les lasers modelocked les plus évolués) ;
– la dimension spatiale, puisque le rayonnement laser offre une directivité sans pareil et une cohérence quasi infinie en milieu atmosphérique ;
– la dimension spectrale, car une émission laser standard est généralement caractérisée par une longueur d’onde bien spécifique selon la terminologie utilisée.
Cette possibilité permettant de réguler librement un flux de lumière donne accès à de multiples applications sur un champ de bataille. Historiquement et car les ressources énergétiques offertes par la technologie ne permettaient pas initialement d’envisager le laser comme une arme de destruction à grande échelle, ce dernier fut tout d’abord, et est toujours, utilisé comme un moyen de mesure ou d’offensive (arme de brouillage, par exemple). Cet emploi spécifique porte le nom de contre-mesure optronique (CMO) et vise à atteindre des composants à la sensibilité optique élevée (détecteurs, fenêtre d’observation, etc.) afin de contrarier les moyens d’observation ennemis, et ce même avec des armes laser dites de moyenne énergie [3]. Plutôt que d’endommager quelconque structure, l’arme laser de moyenne énergie s’attaque donc aux optiques frontales ou aux capteurs en aval afin de rendre le système inutilisable. Une autre utilisation de la technologie laser a été imaginée très peu de temps après grâce au développement rapide de sources laser offrant des puissances d’irradiation de plus en plus élevées : l’arme laser anti-structure. Les armes laser offrent de nouvelles perspectives de protection que les armes conventionnelles ne peuvent égaler à l’heure actuelle, aussi bien en termes d’efficacité que de rentabilité financière. Parmi ces avantages, on peut citer [4] :
– une capacité accrue à maîtriser l’énergie : directivité spatiale, cohérence temporelle, concentration de l’énergie en un zone définie, etc. ;
– une vitesse de propagation extrêmement rapide : l’onde laser se propage à la vitesse de la lumière (c ≈ 3∙10⁸ m·s-1 dans le vide) là où un projectile classique met plusieurs secondes à atteindre sa cible ;
– une portée quasi infinie : seuls des « obstacles optiques » opaques (bâtiments, reliefs, etc.) voire semi transparents, telles l’atmosphère (à certaines longueurs d’ondes) ou des perturbations météorologiques (brouillard, sable, etc.), sont en mesure de perturber un faisceau laser par absorption, diffraction ou diffusion du rayonnement ;
– une durée de vie étendue : les lasers industriels actuels fonctionnent en continu pendant plus de 20000 heures ;
– des contraintes mécaniques réduites : pas ou peu d’effet de recul, pas d’effet de gravité ;
– une utilisation aisée : aucune contrainte liée à l’approvisionnement et au stockage de munitions, seul de l’énergie électrique est nécessaire pour alimenter l’arme ;
– un coût sommaire : les frais par nombre de tirs sont très faibles comparés à un missile standard.
On peut cependant énumérer quelques inconvénients : des dimensions importantes entraînant un poids élevé, une sensibilité aux vibrations, aux turbulences atmosphériques et aux conditions environnementales (lors d’une utilisation en milieu humide ou poussiéreux [3]), un rendement à la prise encore faible et enfin une complexité d’implantation élevée, que ce soit d’un point de vue technologique (une qualité de faisceau importante est requise), financier (installation initiale onéreuse) ou humain (opérabilité encore délicate sur un champ de bataille).
Historique de l’arme laser
L’Homme rêve depuis l’Antiquité de pouvoir utiliser un flux lumineux intense pour anéantir des cibles, comme le prouvent les illustrations où Archimède imagine un système de défense concentrant la lumière du soleil sur des bateaux romains afin de protéger sa cité de Syracuse. L’apparition du laser en pleine « guerre des étoiles » ramena cette idée un peu folle au goût du jour, et les États-Unis, par l’intermédiaire du scientifique très controversé E. Teller, ainsi que l’Union Soviétique décidèrent de reprendre le flambeau. Au cours des années 1980, la technologie laser atteint des niveaux de rendement électro-optique suffisants et permet ainsi de développer les premiers démonstrateurs d’armes laser anti-structure. Il s’agit à l’époque de systèmes laser reposant sur des milieux optiques de pompage à l’état gazeux pour lesquels l’apport en énergie se fait en partie par réaction chimique, d’où leur appellation commune sous le nom de lasers chimiques. Cette technologie fut donc logiquement utilisée par l’État américain au cours du programme Airborne Laser Laboratory (ALL) pour la conception de son premier démonstrateur laser connu, à savoir un laser CO2 installé à bord d’un Boeing KC-A135A. Cet appareillage précurseur, délivrant une puissance moyenne de 480 kW à une longueur d’onde de 10,6 µm [2], attestera au cours des années suivantes de la possibilité de détruire plusieurs cibles aériennes à distance (missiles, drones, etc.) par l’intermédiaire d’un laser de très haute puissance [5]. Ce programme d’arme laser embarquée a été interrompu en 1984 mais fut le point de départ de l’utilisation d’armes laser haute énergie à des fins militaires. D’autres programmes plus ou moins ambitieux ont suivis, non seulement aux États-Unis avec des programmes d’armes laser au sol, aéroportées ou antisatellites, mais aussi au sein des différentes grandes puissances mondiales, comme l’Allemagne, la France, Israël et bien sûr le bloc soviétique, qui malgré son avantage évident en termes d’avancement technologique sur ces autres nations resta très discret concernant ses projets militaires, et dont les travaux restent donc malheureusement très obscurs.
Durant les années 1990, le développement d’armes laser anti-structure est plus ou moins mis de côté par la plupart des puissances citées ci-dessus. Ce choix politique s’explique en partie à cause des différentes restrictions budgétaires, mais aussi car ces premiers démonstrateurs montrent rapidement des limites significatives en termes d’efficacité opérationnelle – les perturbations atmosphériques se montrant rapidement problématiques pour la portée de tir des prototypes – et de mise en œuvre, les lasers chimiques étant très sensibles aux conditions environnementales bien souvent délicates sur un champ de bataille.
Prototypes actuels de canons laser
Il existe aujourd’hui une dizaine de démonstrateurs laser répertoriés, principalement développés aux États-Unis par les différents acteurs nationaux (l’Armée de Terre, l’Armée de l’Air et la Marine) ou industriels (Textron, Northrop Grumman, Lockheed Martin). Les principaux prototypes existants sont actuellement capables d’émettre une irradiation continue dans le proche infrarouge de quelques dizaines de kilowatts pendant plusieurs secondes [3].
Les systèmes les plus avancés sont généralement constitués de plusieurs sous-systèmes aux fonctions bien différentes . Au cœur de ceux-ci se trouve en premier lieu la ou les unités de puissance, composées de systèmes de pompage et d’un milieu de résonnance optique et qui délivrent, lorsque les faisceaux sont combinés, l’énergie sous la forme d’une onde laser. Cette combinaison peut être réalise de manière cohérente, c’est-à-dire au sein même de l’unité de puissance, ou incohérente avec la superposition des faisceaux sur cible – cette dernière technologie restant cependant limitée en termes de portée de tir. L’unité de puissance est fatalement accompagnée d’un système de refroidissement (généralement par eau) permettant de dissiper les pertes de chaleur et d’optimiser le rendement de la source, tout en assurant le bon fonctionnement des composants optiques sur le long terme. Un système de correction par optique adaptative peut également être présent afin de contrôler, d’optimiser et de focaliser le faisceau laser sur la cible en fonction des conditions de propagation atmosphérique. Enfin, associé au système laser se trouve ordinairement un système de visée dynamique permettant de piloter l’ensemble et de suivre de manière efficace les cibles potentielles.
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Table des matières
1 Introduction générale
2 Contexte et état de l’art
2.1 L’arme laser anti-structure
2.1.1 Préambule
2.1.2 Historique de l’arme laser
2.1.3 Prototypes actuels de canons laser
2.2 La menace drone
2.2.1 Généralités
2.2.2 Caractérisation de la cible
2.2.3 Matériaux composites de structure aéronautique
2.3 Propriétés des matériaux composites à haute température
2.3.1 Comportement au feu
2.3.2 Comportement sous irradiation laser
2.3.3 Comparaison et perspectives
2.4 Conclusion
3 Observations préliminaires
3.1 Présentation des matériaux
3.1.1 Fibres de carbone / époxy
3.1.2 Fibres de verre / époxy
3.1.3 Fibres de verre / vinylester
3.2 Tests d’irradiations initiaux
3.2.1 Polymère à renforts carbone
3.2.2 Polymère à renforts verre
3.2.3 Comparaison à caractère empirique
3.3 Aspects théoriques et moyens de caractérisation
3.3.1 Couplage optique et spectrométrie
3.3.2 Changements de phase et influence sur les propriétés physiques
3.4 Conclusion
4 Examen du couplage optique
4.1 Introduction
4.2 État de l’art
4.3 Étude de la matrice seule
4.3.1 Choix des résines et objectifs
4.3.2 Modélisation optique du comportement purement absorbant
4.3.3 Analyses spectrométriques
4.3.4 Identification des propriétés optiques
4.3.5 Simulation du comportement optique
4.4 Étude des stratifiés
4.4.1 Avant-propos
4.4.2 Lois optiques de comportement absorbant-diffusant
4.4.3 Mesures spectrométriques
4.4.4 Évaluation des propriétés optiques équivalentes
4.4.5 Modélisation du comportement optique
4.5 Conclusion
5 Conclusion générale
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