La page de Jérome (Rhône-Alpes)

Mon petit journal de bord. Voici une courte présentation de mes travaux sur les fusées amateurs. J'ai commencé mon premier projet en juillet 2016, bien que j'en rêvai depuis le collège (2003 et oui ça commence à faire). C'est une vidéo sur Youtube qui m'a fait découvrir les moteurs de fusée au sucre. 

C'est donc sans connaissances que je me suis lancé dans l'aventure. Un an et demi plus tard, à force de curiosité et de persévérance voici une présentation par ordre chronologique de réalisation.

Sommaire

1. IGNITE, le système de mise à feu
2. Les moteurs CHOKNO
3. La fusée ZEPHYR
4. La table de lancement
5. EDV, la boite noire de la fusée
6. ZEPHYR EC
7. Thruster, la performance des moteurs?
8. Le système SLNG
9. Amorce BPI
10. A venir

IGNITE, le système de mise à feu

Le principe de base de ce système et d'utiliser une allumette pour faire démarrer le moteur. La tête de l'allumette est parcouru par un fil de cuivre qui devient incandescent lorsque que l'on appui sur le bouton de mise à feu. 

 

    

Le premier interrupteur permet de contrôler que le circuit électrique est continu (du courant circule bien dans l'amorce). Si le circuit est continu la LED verte s'allume. L'interrupteur ARM permet d'armer le bouton de mise à feu (bouton rouge), une fois basculé, la LED rouge s'allume. Il ne reste plus qu'a appuyer sur la mise a feu.

NB : La mise a feu n'est possible que si les deux interrupteurs principaux sont actionnés.

Premier essai d'allumage de propergol

Les moteurs CHOKNO 

Les moteurs CHOKNO, tiennent leur nom de la formule chimique du propergol utilisé (C₁₂H₂₂O₁₁ + KNO₃). Autrement dit, un mélange  de deux ergols, le sucre et le nitrate de potassium avec un ratio standard de 35% / 65%. Ce sont des moteurs à poudre compressé, c'est à dire que les différentes couches le constituant sont compressés dans un tube à l'aide d'un manchon. Le tu be utilisé pour ces moteurs est une tube de PVC HTA de 25mm de diamètre dont les parois font 1.9mm d'épaisseur. 

Plan des moteurs CHOKNO

Légende des matériaux :

• gris = bentonite
• rouge = propergol
• vert = poudre retardateur

Dissection d'un moteur après mise à feu

En plus des ergols, 1% d'oxyde de fer III est ajouté (Fe2O3). Il est utilisé comme catalyseur pour booster la puissance des moteurs.

Avantages des moteurs CHOKNO :

• Composant facile à trouver
• Nécessite peu d'outillage
• Fiable
• Peu coûteux

Inconvénients :

• Pénible a produire (env. 200 coups de marteau par moteurs)
• Long à produire (une fois le process bien rodé c'est dur de faire moins de 25 minutes par moteur)
• Performance limité (la tuyère n'a pas de section divergente, mélange des ergols pas optimal)

Le projet Thruster (cf. plus bas) a permis de catégoriser ces moteurs en :

• E17-5   
• impulsion totale : 21.9 N.s 
• impulsion spécifique : 76.4 s  
• Poussée max. :  4.8Kg

La fusée ZEPHYR

La fusée ZEPHYR est assez simple dans sa construction. Elle possède 4 ailerons en polycarbonate, fixé sur le corps (tube de golf) à l'aide d'un pistolet à colle. Le compartiment du parachute est constitué d'un tube de bétadine. La coiffe quand à elle, est réalisé à partir d'une flûte de champagne. Une pièce spéciale, nommée le pince moteur, a été fabriqué à partir de différents éléments de plomberie. Son rôle est de relier le moteur à la fusée.

Elle possède deux guides pour installer la fusée sur le guide de la rampe de lancement. 

Un moteur possédant uniquement la poudre de retardement et la charge d'éjection du parachute a été fait pour tester l’éjection du parachute avant le premier vol.

Test éjection du parachute

Pour protéger le parachute des gaz brûlant de la charge explosive, j'ajoute 5 couches de papier anti-feu. Ce papier est réalisé en trempant de l’essuie-tout dans une eau saturé en bicarbonate de sodium. Quand ce papier est chauffé par des flammes, le bicarbonate dégage du CO2 qui empêche l'apparition du feu. 

Ci-dessous quelques images du vol N°4 :

La fusée ZEPHYR aura fait 9 vols avant d'être remplacé par la ZEPHYR EC.
 
La table de lancement

La table de lancement est constitué d'une base en medium noir sur laquelle repose la fusée. Le moteur de la fusée descend dans la base (cf. image ci-dessous). La base est ouverte sur 2 côtés pour permettre l'insertion de l'amorce d'allumage du moteur, mais également, pour évacuer les gaz produit par le moteur. La rampe de lancement est une tige d'acier, le long de laquelle sont enfilés les 2 guides de la fusée.

Cette table de lancement a l'avantage d'être peu coûteuse et facilement transportable. Cependant, la tige d'acier n'est pas assez rigide et trop courte. Ce qui entraîne un problème important de girouettage (fusée qui prend de l'angle lors du décollage) quand il y a du vent. Ce phénomène est du au fait que la fusée manque de vitesse quand elle quitte la rampe de lancement. Du coup, l'air qui circule le long des ailerons n'est pas assez rapide pour contrer les effets du vent. Ce qui fait pivoter la fusée.

Fusée qui vol quasiment à l'horizontal à cause du girouettage

EDV, la boite noire de la fusée

L'enregistreur de vol (EDV), est un projet né d'une question très simple. A quelle altitude vol ma fusée? Mes premières recherches m’ont conduit vers des solutions du commerce assez onéreuses. Ne connaissant rien en électronique, je me voyais mal chercher des composants et imprimer des circuits électroniques.

Mon attention c'est alors porté vers le monde merveilleux des Arduino. Pas besoin d'être fort en électronique, on achète des modules que l'on assemble sur une sorte de "carte mère". C'est assez facile d'accès quand on prend un peu de temps pour apprendre et essayer. Voici les composants de l'EDV :

• Feather M0 Adalogger (carte mère sur laquelle on connecte les autres composants)
• Altimètre MPL3115A2
• Centrale inertielle 9-DOF - BNO055 (accéléromètre et gyroscope sur les 3 axes)

La carte Feather possède un port micro SD pour permettre l'enregistrement des données suivantes : altitude, accélération et rotation sur les 3 axes. L'accéléromètre déclenche automatiquement l'enregistrement des données au décollage. L'enregistrement s’arrête automatiquement  dès que la fusée reste immobile plus de 30s. Le tout est alimenté par une batterie LiPo de 350mAh (plus de 10h d'autonomie).

Prototype de l'EDV

Une fois le prototype mis au point il ne reste plus qu'à faire le circuit électrique à l'aide d'une carte de prototypage. La version final a été compacté au maximum pour être intégré facilement dans la fusée. Ci-dessous, la version finale de l'EDV;

ZEPHYR EC

Une fois l'EDV fini, il ne restait plus qu'à trouver un moyen de l'insérer dans la fusée. La fusée ZEPHYR EC est une ZEPHYR à laquelle a été ajouté un compartiment supplémentaire pour embarquer un charge utile. Cette fusée est par conséquent plus grande de 11cm. Ci-dessous à gauche la ZEPHYR EC et à droite la ZEPHYR.

ZEPHYR EC (nouveau module en rouge, ajouté au dessus du compartiment du parachute)

Les photos ci-dessous montrent l'intégration de l'EDV dans le nouveau compartiment : 

Quelques vols avec la ZEPHYR EC :

Et côté données?  Chaque vols enregistre en moyenne 140 000 données au format csv qui sont ensuite traité via un tableur. L'altitude maximal atteinte par la fusée est de 122m. Elle subit une accélération de 3g ce qui donne un 0 à 100 km/h en 1 seconde.

Altitude, accélération et inclinaison de la fusée en fonction du temps(seconde)

Accélération en fonction du temps(seconde)

L'EDV a permis de quantifier de manières précise les performances de la ZEPHYR EC. Il a également permis d'étudier d'autre phénomène tel que : le girouettage et le roulis de la fusée (rotation autour de son axe longitudinal).

Thruster, la performance des moteurs?

Le succès de l'EDV qui a permis de monter en compétence sur les technologies de type Arduino a permis d'élargir le champ des possible. Un nouveau projet et donc né. Il s'agit de Thruster, un système capable de mesurer les performances des moteurs fusée. Le but est d'arrivé à classifier un moteur. Voir la page :

https://en.wikipedia.org/wiki/Model_rocket_motor_classification

Pour cela, j'ai choisi d'utiliser une cellule de force qui est branché sur un Arduino équipé d'une carte SD pour l'enregistrement des données.

Thruster

Flamme en sortie de moteur durant un test

Le moteur à tester est insérer dans le tube noir. Ensuite il suffit d'allumer Thruster et de le calibrer avec une masse de référence, puis de mettre à feu le moteur. Le graphique ci-dessous montre la poussé d'un moteur CHOKNO enregistré grâce à Thruster. Ce qui a permis de catégoriser ces moteurs en E17-5. Ils ont une poussé max de 4,8kg avec une impulsion totale de 21,9N.s et une impulsion spécifique de 76,4s.

Poussé en fonction du temps(secondes)

Le système SLNG

Le SNLG ou système de lancement nouvelle génération est une idée un peu folle qui m'est apparu un soir en rentrant du ski. En partant des connaissances acquises lors des projet EDV et Thruster, l'idée était de créer une fusée autonome capable :

• de procéder elle même à sa mise en route 
• d'allumer son moteur
• d'envoyer des données télémétriques (état de ces systèmes, position GPS, ...)

A l'époque je me suis arrêté à un simple schéma, le projet apparaissant comme titanesque, je l'ai remiser dans un coin de mon cerveau. Deux mois plus tard l'idée a ressurgit. J'ai commencé a me renseigner sur les composants capables de faire de la transmission sans fil, du positionnement GPS et des écrans d'affichage.

L'étude préliminaire a montré qu'il faut :

• faire un nouveau système de mise à feu, pilotable sans fil (IGNITE V2)
• réaliser un boîtier de contrôle à distance (RCU) pour afficher les données de la fusée
• un ordinateur de bord (EFC) qui sera le cerveau de la fusée suffisamment compacte pour être embarqué dans une ZEPHYR EC

La chronologie de vol envisagé avec le SLNG est la suivante :

1. La fusée est prête sur le pas de tir. L'EFC (ordinateur de bord de la fusée) est en marche.
2. Sur le RCU, on envoi un ordre à la fusée pour lui signaler que tout est prêt pour le lancement.
3. A la réception de cette information, la fusée va démarrer ces systèmes :
1. Mise en route des communications électronique.
2. Armement du système de mise à feu (IGNITE V2).
3. Démarrage du système de récupération (allumage puce GPS et récupération de sa position.
4. L'état de chaque système est affiché sur le RCU
5. Si un système critique (communication ou IGNITE V2) ne répond pas la fusée interromps le lancement. Si le GPS ne répond pas, la fusée demande via le RCU si elle peut poursuivre ou non le lancement.
6. Si tout les systèmes sont OK, la fusée déclenche un compte à rebours qui est retransmis sur le RCU
7. T0 la fusée allume son moteur
8. En vol, la fusée transmet ces coordonnées GPS, sont altitude et le nombre de satellite en acquisition.

NB : tant que la fusée n'est pas partie, le lancement peut-être annulé a tout moment depuis le RCU.

Le premier élément réalisé est  le RCU. C'est le boîtier qui permet d’interagir avec la fusée (affichage de la télémétrie de vol, état des systèmes, annulation du lancement).

Prototypage du RCU

La plus grosse difficulté sur le RCU a été le fonctionnement du module radio (Feather Mo LoRa). Mais rien d'insurmontable il faut pas se désespéré trop vite. Après plusieurs heures de travail : soudures, programmation, découpe de boîtier, tests, correction de bug, ... voicice que ça donne :

Le RCU est alimenté par USB (boite blanche sur la photo). Dans les faits, son développement c'est fait en parallèle de l'EFC. Il fallait bien, à un moment, tester la communication entre les composant pour valider le fonctionnement globale, avant de faire un produit définitif.

Etat des systèmes

Télémétrie de vol

Ci-dessous une photo de l'EFC terminé. Il est constitué d'une carte Feather Mo LoRa sur laquelle est empilé un module GPS. L'antenne (fil orange) est faite pour que la carte puisse fonctionner en 868MHz, comme tout les équipements du SLNG. Elle utilise la même batterie que l'EDV.

EFC

Pour le moment, l'EFC peut transmettre uniquement les données provenant du module GPS (position, altitude et vitesse), ce qui est peut par rapport à l'EDV. Ce module ne peut pas non plus enregistrer des données sur une carte SD pour une analyse à posteriori. 

Un projet à venir consiste à fusionner l'EDV et l'EFC pour obtenir plus de données à l'issue de chaque vol.

Le dernier élément, IGNITE V2, a été un long sujet de réflexion. Au départ, le but était d'intégrer le système de mise à feu dans la fusée. Beaucoup de problèmes se sont alors posés. D'abord, l'EFC, cerveau de la fusée se situe dans la partie supérieure. Cette partie se détache du corps lorsque le parachute est éjecté. Il fallait donc trouver un système de connexion électrique entre ces deux parties. 

Le second problème, c'est le poids. L'ajout d'un module pour embarquer de l'électronique, plus l'EFC on rajouter pas mal de poids à la fusée. Embraquer le système de mise à feux aurait ajouter en plus le poids d'un relais et d'une batterie.

A force de réflexion, il a été décidé de sortir IGNITE V2 de la fusée et qu'il soit contrôlé via une liaison sans fil par l'EFC. De cette manière c'est bien la fusée qui allume son moteur et aucun changement supplémentaire n'est nécessaire sur le ZEPHYR EC.

Intérieur de IGNITE V2

Au niveau de la conception, le boîtier est alimenté par une batterie LiPo qui se trouve à l'intérieur. Un interrupteur externe permet de mettre le système sous tension. Une carte électronique avec liaison sans fil permet de piloter un relais. Un connecteur DC a été ajouté sur le boîtier pour connecter un câble de mise à feu au relais.

Le câble de mise à feu est constitué de deux pinces crocodile afin de connecter l'amorce d'allumage du moteur. Il possède un autre connecteur, sur lequel est branché une batterie puissante (en 9V ou 12V au choix) qui délivre le courant nécessaire à l'allumage de l'amorce. Aujourd'hui cette batterie est une LiPo 2100mAh de 3 cellules de 30C, bien plus puissant que les 2 plies de 9V. Elle est capable de fournir un courant de 63A (30C x 2,1Ah).

IGNITE V2 possède trois LED :

• verte : indique que le circuit est continu (comme sur IGNITE)
• orange : indique que le système est armé
• rouge : indique que le relais a commuté (c'est l'indicateur de mise à feu)

RCU, IGNITE V2 et le câble de mise à feu

Retour d'expérience sur SLNG

Lors des tests, je suis arrivé à déclencher un lancement à 1Km de distance. Ce qui est un gain énorme en terme de sécurité. Avec l'EFC (notamment le module GPS), impossible de perdre la fusée. IGNITE V2 et devenu vraiment modulable car il laisse plus de possibilité en terme d'alimentation de puissance. IGNITE V2 à complètement remplacer IGNITE. A tel point que j'ai développer un mode spécial sur le RCU pour piloter directement IGNITE V2, pour des essai de moteur par exemple.  Et enfin, ce projet à posé les premières briques d'une fusée autonome. Cela ouvre la porte à de nouvelle aventure :

• fusée qui se pilote toute seule grâce aux données de l'EDV 
• éjection automatique du parachute suivant la trajectoire de vol ou en cas d'explosion du moteur sur le pas de tir, ... 
• et bien d'autres ...

Nouvelle rampe de lancement, NRL
Afin de régler les problèmes rencontré avec la table de lancement, à savoir :

• rampe non rigide
• rampe trop courte induisant des problèmes de girouettage

J'ai donc réaliser une nouvelle rampe à faible coût en utilisant un rail de rideau. L'utilisation d'un rail a nécessité la modification du système de liaison entre la fusée et la rampe:

Nouveau système d'attache

Depuis la mise en service de cette rampe, aucun problème de girouettage à été constaté. La rampe étant plus longue, la fusée la quitte avec une vitesse suffisante pour que ces ailerons soient efficace pour contrer le couple induit par la force du vent.

Amorce BPI

En regardant de plus près l'allumage des moteurs avec les amorces à allumette utilisé jusqu'à présent, on remarque plusieurs choses :

• le temps de production d'une amorce est long (10min pour 5-6 amorces)
• il y a un délais de quelques secondes entre l'appui sur le bouton de mise à feux et le décollage de la fusée.
• le amorces restent fragiles

En me documentant, je suis tombé sur une page très intéressante du site de Richard Nakka. Il a réalisé une série d'expériences en faisant varier la puissance de ces amorces. Ce qui en est ressorti dans mon cas, c'est que la puissance d'allumage des amorces à allumette est trop faible, ce qui provoque un gaspillage de carburant (et donc de performance). Pour que la fusée décolle il faut que la pression dans la chambre de combustion soit importante. Avec mes amorces, la tête de l'allumette embrase le propergol qui est à proximité de la tête. Le feu se propage ensuite tout le long du moteur. Ensuite, quand tout le moteur est allumé, il faut attendre que la pression soit suffisamment importante pour permettre le décollage. Tout le carburant utilisé durant ces phases ne sert donc pas à propulser la fusée.

Les nouvelles amorces doivent donc :

• être capable d'allumer tout le moteur instantanément
• faire monté en pression la chambre de combustion sans utiliser de carburant
• être peu coûteuse et simple à produire

Amorce BPI

Ces nouvelles amorces sont réalisés à partir d'une douille de 22LR. Un calibre de munition dont les douilles rentre parfaitement dans les tuyère de moteur CHOKNO. Deux trous de 2mm de diamètre sont percés au fond de la douille afin de faire passer un fil résistif à l'intérieur. Le fond est ensuite fermé à l'aide d'un pistolet à colle. La dernière étape consiste à mettre de la poudre noire dans la douille.

Essai d'une amorces BPI

Les amorces BPI produisent une grandes quantité de gaz brûlant. En se répandant, ces gaz allument instantanément le moteur. Leur expansion brutale fait également monté quasi instantanément pression. A tel point que les 30 premiers centimètres de vol sont du à la pression créé par l'amorce dans la chambre de combustion. L'analyse des vidéos de lancements montre que la fusée ne redescend pas après cette monté de 30cm, ce qui signifie que le moteur fonctionne de manière nominale dès sa mise en route.

Amorce BPI après allumage

Malheureusement, ces amorces sont trop efficaces. Elles ont provoqués 2 CATO
(Catastrophe At Take-Off, catastrophe au décollage). Cette brutale monté en pression lors de la mise à feu à provoqué 2 fois, une rupture de partie supérieur du moteur. Pour palier ce problème, les moteurs CHOKNO doivent être renforcés à l'aide d'une d'époxy (au dessus du bouchon supérieur).

A venir ...

• Unification de l'EDV et de l'EFC en un seul module.
• Développement des moteurs METEOR. Moteur utilisant du sorbitol comme carburant et ayant une tuyère de Laval.
• Réalisation d'un système d’éjection de parachute séparé du moteur.
• Nouvelle fusée mettant en œuvre les deux points supérieurs
• Réalisation d'un système de mise à feu pour cluster de moteur
• Fusée a cluster de moteurs et multi-étage