Construction d'une fusée à eau et d'une rampe

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Sommaire

Auteurs

Ce document a été écrit par un collectif bénévole de Planète Sciences

Objectifs de ce document

L’objectif d’un tel document est de vous aider à faire les premiers pas dans le monde insoupçonné de la fusée amateur et plus particulièrement dans le monde de la fusée à eau (parfois appelée "fusée H2O"). Si les autres types de fusées vous sont brièvement présentées en fin de document, c’est pour vous montrer les nombreuses autres possibilités de pratique après la fusée à eau !

Et si vous vous êtes vraiment amusés à faire voler ces fusées et que les défis techniques vous intéresse, n’hésitez pas à contacter le secteur Espace de Planète Sciences, nous pouvons sûrement faire quelque chose pour vous !

Présentation générale

Lancement fusée à eau.jpg

Contrairement à ses consœurs (voir #Les fusées amateurs en France en fin de document), la masse embarquée par une fusée à eau reste modeste. La fusée à eau est cependant souvent utilisée pour son côté ludique et pratique pour la mise en place de la dé marche expérimentale.

Le public est généralement le même que celui de la micro-fusée (8-12 ans). C’est une autre manière ; moins contraignante puisque sans propulseur à poudre de faire ses premiers vols et de comprendre les éléments qui l’influencent.

Les performances sont plutôt faibles (une fusée à eau montant à 30 m est déjà une belle réussite !) mais , de ce fait, il est possible de la lancer sur un demi terrain de foot sans aucun danger à la retombée !

Vous pourrez, avec l’expérience, fignoler vos engins mais il ne faut guère plus de deux heures pour assembler les différents éléments et rendre opérationnel le véhicule.

Paradoxalement, si la fusée à eau est la plus simple à mettre en oeuvre, sa pratique reste encore mal connue. On ne sait pas si elle est beaucoup pratiquée en France.

Aucun rassemblement ou concours digne de ce nom n’est organisé sur le territoire français à l’instar des japonais qui, chaque année, rassemblent de nombreux passionnés pour s’affronter lors de joutes ludiques et humides...

Techniques de construction

Le matériel nécessaire

Tout le matériel de base nécessaire à la construction d’une fusée à eau est simple à se procurer.

Enfin, pour conclure cette liste, vous aurez besoin d’une valve de vélo et d’un bouchon de liège pour faire un système simple de mise sous pression.

Les matériaux nécessaires

L’élément vraiment indispensable pour concevoir une fusée à eau est son réservoir principal : une bouteille en PET (PolyEthylène Tetraphtalate) ! Ne croyez pas que la complexité du nom engendre une grande difficulté d’approvisionnement : en effet, la majeure partie des bouteilles de boissons gazeuses de 1,5 L conviennent parfaitement pour construire un véhicule hydropneumatique.

Après quelques essais de vol de bouteilles dont la trajectoire ne vous aura pas convenu, vous conviendrez de la nécessité d’ajouter des ailerons et pourquoi pas une ogive qui rendront la trajectoire plus "stable". Les matériaux couramment utilisés pour réaliser des ailerons sont le balsa (bois léger exotique utilisé en modélisme) ou le carton fort. Pour l’ogive, le haut d’une seconde bouteille conviendra.

Assemblage des différents éléments

Collage des ailerons

De nombreuses possibilités s’offriront à vous pour fixer des ailerons sur le corps de la fusée : vous pourrez, par exemple, les découper à la forme du haut (côté bouchon) de la bouteille, coller et renforcer au scotch.

Ailerons en carton

Si vous êtes pressé et que vous utilisez un pisto-colle, déposez plutôt la colle chaude sur l’aileron que sur la bouteille que vous aurez remplie d’eau au préalable et attendez un peu avant d’appliquer : cela évitera de faire fondre, de déformer et de fragiliser votre réservoir principal.

Une autre technique consiste à utiliser du carton fort et de prévoir des pattes pour la fixation. Pour se prémunir d’une dégradation trop rapide des ailerons due à l’eau, une solution consiste à recouvrir les ailerons de "Rustol" (antirouille) et la tranche du carton de silicone. Si le temps vous manque, vous pouvez aussi recouvrir toute la surface des ailerons de scotch.

Découpe du corps de fusée

La solution la plus confortable, car ne nécessitant pas de découpages trop pénibles, utilise deux bouteilles pour une même fusée.

La partie centrale sert de jupe pour l’arrière de la fusée et permet une fixation simple des ailerons.

La partie avant servira d’ogive et amortira le choc à l’atterrissage au cas, fort improbable, où le parachute ne s’ouvrirait pas (à la condition qu’il ait été embarqué au préalable ! ).

Dispositif élémentaire pour le gonflage

Bouchon de chimie
Bouchon en liège

Il est nécessaire maintenant de trouver un système permettant une mise sous pression. Un bouchon s’ajustant, en force, au diamètre de la bouteille et une valve (type chambre à air de vélo) que l’on insèrera dans le bouchon, de manière étanche constitueront le système le plus élémentaire.

Pour le bouchon, le liège peut convenir, mais l’idéal est de se procurer des bouchons tronconiques en caoutchouc utilisés en chimie ; certains sont déjà percés longitudinalement.

Mise en place simple pour un lancement

Paille et tige

Le système le plus simple consiste en la mise en place d’une tige métallique dans le sol. Une paille, coupée et collée (au scotch par exemple) le long du corps permet à la fusée de rester en position proche de la verticale avant le moment fatidique et de guider la fusée pendant l’accélération jusqu’à rendre les ailerons efficaces.

Il ne vous reste plus qu’à pomper jusqu’à ce que la pression à l’intérieur de la bouteille devienne suffisante pour faire partir le bouchon : la pression est telle que le bouchon est éjecté avec la masse d’eau contenue dans la bouteille. Le manomètre de la pompe vous permettra de vous rendre compte de la pression dans la bouteille : on atteint sans difficulté l'équivalent de 5 fois la pression atmosphérique (approximativement 5 bars) !

Il est conseillé de prendre quelques précautions si vous tentez de passer les 5 bars de pression : en effet, l’éclatement d’une bouteille peut se révéler dangereux. Schéma bouchon fusée à eau.gif Schéma pression fusée à eau.gif


Principes régissant la fusée à eau

Comme son nom ne l’indique pas, le mode de propulsion de la fusée est due à l’air contenue au départ dans le réservoir. Le principe utilise les propriétés de l’air qui sont sa compressibilité et son élasticité.

L’énergie, que l’on va transférer de nos biceps, alors souvent tétanisés et exsangues après un gonflage, vers l’air contenue dans la bouteille, va servir à éjecter la masse de l’eau contenue dans la bouteille (ainsi que sa propre masse d’ailleurs).

Schéma action réaction.gif

Nous retrouvons donc bien le même principe que pour Ariane : c’est l’éjection d’un fluide qui fait avancer le véhicule. Ce même principe d’action-réaction ne diffère d’Ariane, que dans la manière d’emmagasiner l’énergie.

Force de poussée=Vitesse d'éjection X Débit massique

De manière littérale, la force de poussée que va subir la fusée est liée directement au produit du débit massique (masse de gaz éjecté par seconde) par la vitesse d’éjection du fluide :

Notre fusée, que l’on peut donc qualifier d’hydropneumatique, peut donc fonctionner dans le vide !

Rampes de lancements

La rampe Shadock

Mise en rampe fusée à eau 0.jpg

Quand vous serez fatigués d’être mouillés et surpris par des décollages intempestifs ou que vous n’arriverez plus à trouver un disciple gonflant pour mener à bien toutes vos expérimentations sur ce vecteur surprenant, vous serez amenés à construire une rampe.

Ce n’est pas dans les pratiques habituelles de Planète Sciences de diffuser un plan tout fait pour une reproduction possible en série. Cependant, des schémas avaient le mérite d’exister et cette rampe fabriquée il y a de cela quelques années, est encore utilisée de nos jours, ce qui prouve sa résistance. Si vous êtes donc pressés, utilisez ces schémas, mais n’hésitez pas, lorsque vous aurez plus de temps à réfléchir à d’autres systèmes ou à apporter des améliorations.

Voici les schémas nécessaires à la construction de la rampe Shadock. Tous ces plans sont issus d’une note écrite par M. André Le Coroller.

Schéma bouchon fusée à eau 1.gif

Pièce maitresse de l’ensemble, le bouchon assurera l’étanchéité avec la bouteille. Un matériaux intéressant à utiliser est la butée de porte : il sera vraisemblablement nécessaire de modifier un peu sa forme en le tournant à l’aide d’une perceuse par exemple. Que vous ayez choisi le PVC ou le métal pour construire une clé de maintien, il est indispensable qu’elle soit rigide et résistante.

De même, la ficelle attachée à cette clé devra être solide pour ne pas céder lors du premier lancement : une tresse de Nylon, résistant à l’eau, est recommandée.

L’embase en bois est prévue pour permettre une inclinaison de la fusée.Une cale de réglage en bois (quart de rond) équipée de deux chevilles en bois pourra être déplacée sur des trous préalablement percés afin d’augmenter ou de diminuer l’angle d’inclinaison. De plus, il peut être judicieux de prévoir des trous aux quatre coins de la plaque principale afin d’y planter 4 sardines pour sceller la rampe au sol

plan de montage 1
plan de montage 2
plan de montage 3
plan de montage 4

Pour conclure, cette rampe n’est pas forcément très simple à réaliser mais elle a l ‘avantage d’être très résistante.

La rampe de jardin

Gonflage fusée à eau.gif
Rampe "jardin"
Rampe "jardin"

Les japonais ont une grande maîtrise de ce type de fusées et organisent, chaque année dans leur pays, un grand concours rassemblant de nombreuses personnes venant de tout le territoire.

Le système utilisé qu’ils utilisent pour permettre la mise sous pression et surtout déclencher la " mise à feu " est un raccord de tuyau d’arrosage. Une partie de ce raccord se visse au goulot de la bouteille (des embouts ont été faits spécifiquement pour cet usage par une entreprise) et, une fois cet embout vissé, il s’enclipse sur la base reliée au tuyau.

C’est sur ce principe que nous vous proposons de construire une rampe de lancements de type "jardin".

Voici quelques indications qui vous permettront de concevoir votre propre rampe de type "jardin".

Le bouchon

Bouchon vissé et siliconé
Bouchon vissé et siliconé

L’embout est la pièce maitresse et une attention toute particulière doit être apportée pour sa construction.

L’objectif est d’assembler un bouchon classique de bouteille avec un adaptateur de jardin. Plusieurs essais seront nécessaire pour trouver le bouchon et l’adaptateur qui conviennent. Sur la photo de droite, vous pouvez constater que la technique a consisté, ici, à percer une rondelle métallique pour maintenir solidement l’embout de jardin au bouchon. Avant de visser, n’hésitez pas à barbouiller de silicone.


Le socle

Peu importe la matière que vous choisirez pour ce socle : sur les deux premières photos, vous pouvez constater que le concepteur a utiliser du PVC qui a l’avantage de résister à l’eau. Le socle qui assure la stabilité de l’ensemble est en bois peint.

L’objectif est maintenant de fixer un raccord rapide de tuyau d’arrosage de jardin et de faire l’étanchéité tout au long du système : silicone, colle et colliers seront nécessaires

D’autres types de rampes

Bien sûr, il existe autant de type de rampe que de passionnés de fusées à eau. A vous d’inventer votre propre système ou de trouver sur Internet celui qui vous convient le mieux

Toutes les propositions seront les bienvenues pour une prochaine édition de cette note : n’hésitez pas à nous faire parvenir vos plans et votre expérience en la matière.

Quelques éléments de réponses

La stabilité

Pour tout ce qui concerne la stabilité de vos fusées, vous êtes invités à relire le cahier technique Planète Sciences sur la mécanique du vol des fusées. La majeure partie des questions que vous vous poserez trouveront réponses dans cette note écrite initialement pour des micro, mini et fusées expérimentales (les différences essentielles avec les fusées à eau sont le diamètre du corps et le déplacement important du centre de gravité au début du vol).

La pression

On comprend très vite que les performances sont liées à la pression et que plus on "gonflera" la fusée , plus elle ira eau !

La limitation viendra de votre dispositif : avec une pompe classique, il est difficile de monter au dessus de 5 bars (5 fois la pression atmosphérique !) et je vous déconseille de tenter de passer au dessus de cette pression pour des raisons de sécurité : un éclatement serait dangereux !

Pour information, les bouteilles de sodas sont garanties pour supporter des pressions allant jusqu’à 10 bars.

Pour des raisons de commodité, il peut être envisagé d’utiliser un compresseur, mais la faciliter avec laquelle on peut atteindre de trop grandes pressions avec cet outil, doit faire préférer la pompe lorsque l’on fait des fusées avec des jeunes.

La quantité d’eau

C’est généralement la question la plus posée et la réponse n’est pas immédiate. Le meilleur moyen de trouver la quantité d’eau optimum est de faire des essais ! Si vous n’êtes pas convaincu, que vous souhaitez approfondir ce point et vous approcher de manière mathématique du résultat, lisez l’ouvrage très complet sur le sujet de M. soulard (voir bibliographie en annexe).

Le diamètre de la tuyère

Le fait de modifier le diamètre de la tuyère peut-il permettre d’augmenter les performances ?Là encore, à vous de trouver la réponse.

En tous les cas, une réduction du diamètre de la tuyère permettra de rendre visible la phase de propulsion. En effet, avec un diamètre classique (goulot d’une bouteille de soda) l’eau est évacuée en environ 3/10ème de seconde ce qui empêche quiconque de voir le phénomène à l’œil nu.

La difficulté à surmonter sera le collage de l’élément que vous aurez trouvé pour réduire le diamètre : il devra résister à une énorme pression !

La masse embarquée et évacuée

Lorsque le véhicule sera parfait et qu’il vous conviendra, vous serez alors tenté de changer de carburant. Si l’eau est commode à utiliser pour notre fusée, vous imaginez sans peine que beaucoup d’autres possibilités s’offrent à vous. Il suffit que ce soit un peu massif et fluide.

Ainsi, tout liquide convient et des cendres (froides) ont, par exemple, été testées. A vous d’imaginer quel pourrait être le " carburant " embarqué et de faire des tests comparatifs.

Aller plus loin

Récupération

Fusée à eau et parachute 1.jpg

Lorsque vous maitriserez le vol, vous vous intéresserez sans doute à la récupération. Vous serez alors confrontés aux mêmes questions et aux mêmes problèmes techniques que les jeunes qui réalisent des mini-fusées.

Fusée à eau et parachute 2.jpg

Une méthode simple consiste à poser simplement le parachute, percé au milieu, sur la coiffe en espérant que le parachute se déploiera à culmination lorsque la fusée se retournera.

La méthode ci-dessus a pourtant les désavantages d’être très aléatoire quant au moment de l’ouverture du parachute et de perturber la trajectoire.

Fusée à eau et parachute 3.jpg

Une méthode plus sérieuse consiste à ranger le parachute sous la coiffe découpée sur une autre bouteille. Plusieurs essais seront évidemment nécessaires avant de parvenir à l’installation parfaite : il faut coincer juste ce qu’il faut la coiffe pour que l’ouverture du parachute se fasse au moment opportun. Lester la coiffe ne sera peut-être pas inutile.

L’électronique au secours de la fusée à eau

Nous ne développerons ce paragraphe car nous laissons libre cours à votre imagination pour inventer des systèmes électroniques ou mécaniques qui pourront déclencher à culmination l’ouverture du parachute.

Nous vous invitons à vous rapprocher de clubs qui pratiquent la mini-fusée et qui ont dans leurs archives de nombreux moyens pour obtenir l’ouverture du ralentisseur au bon moment.

Une fusée à deux régimes de propulsion

Lorsque l’on s’intéresse à la propulsion des fusées, on constate que les courbes de poussées des moteurs sont souvent similaires et que le début du vol nécessite toujours une forte poussée afin que le véhicule acquiert très vite de la vitesse pour s’affranchir de l’influence des paramètres extérieurs comme, par exemple, le vent météo.

Le montage présenté vous permettra justement d’obtenir une forte poussée au début du vol et ensuite d’avoir une poussée plus faible (mais qui durera plus longtemps que si vous aviez un seul diamètre d'ouverture).

Schéma fusée à eau deux réservoirs 0.gif Schéma fusée à eau deux réservoirs 1.gif

Pendant une même durée, il passe plus d’eau (donc plus de masse) par la tuyère 2 que par la tuyère 1 : la force de propulsion engendrée par l’éjection de la masse d’eau au travers de la tuyère 2 est donc plus importante que par le tuyère 1.

Si initialement, le réservoir 1 et le réservoir 2 contenaient la même quantité d’eau, on imagine facilement que le réservoir 2 sera vidé avant le 1 .

Sur la fin de propulsion, la force engendrée est due à l’éjection d’eau par la tuyère 1 : cette force est donc moins importante qu’au début du vol.

Fusées multi-réservoirs

Ariane 5 à eau

Après la maitrise de la stabilité du vol, vous aurez sans doute envie de développer un lanceur plus puissant : la solution ? L’embarquement de plusieurs réservoirs vous tentera alors sans doutes.

Le problème se résumera alors à la mise en route simultanée des " moteurs ".

La photo montre un lanceur avec trois réservoirs : un système électronique séparait les boosters à culmination et ouvrait ainsi les parachutes.

Fusées multi-étages

Les retours d’expériences en ce domaine sont, hélas, très peu nombreux. La raison est assez simple : mettre au point ce type de système devient plutôt compliqué et le système de séparation requiert le plus grand soin.

Aussi, nous ne présenterons pas de système pour faire des fusées multi-étages et l’intégrerons dans une future édition de la note. N’hésitez pas à nous faire part de vos expériences.

Les fusées amateurs en France : Le partenariat CNES - Planète Sciences

Trophée fusée à eau, Millau 2000

Le lancement de fusée utilisant un propulseur à poudre est règlementé en France.

Dès sa création, le Centre National d'Études Spatiales (CNES) a été chargé par le Ministère de l’Intérieur de mettre à la disposition des clubs spatiaux de jeunes des propulseurs présentant toutes les garanties de sécurité. Le CNES a alors confié à l’Association Nationale Sciences Techniques Jeunesse (ANSTJ) la coordination de ces clubs. L’ANSTJ répond aux demandes et assure le suivi d'une activité qui s'est largement développée depuis.

L'objectif de l'ANSTJ est de favoriser la pratique des sciences et des techniques pour le plus grand nombre de jeunes en prônant l'utilisation de la démarche expérimentale en équipe. Avec le soutien technique et financier du CNES, elle fédère aujourd'hui environ 100 Clubs de jeunes en France, intervient dans plus de 140 établissements scolaires chaque année. Ainsi, plus de 50.000 jeunes bénéficient de nos activités tous les ans.

Différents vecteurs existent, correspondant à toutes les tranches d'âge et à toutes les sensibilités : micro-fusées, mini-fusées, fusées expérimentales, ballons expérimentaux , parallèlement à ces activités structurées, la fusée à eau peut être pratiquée de manière complètement autonome.

Pour mieux comprendre la fusée à eau et adapter chaque fusée à la tranche d’âge qui lui convient, il semble nécessaire de connaitre tous les types de fusées existants en France. En voici, ci-dessous, une présentation succincte.

Les activités aérospatiales de jeunes

La micro fusée

La micro-fusée est simple par les matériaux qui sont nécessaires à sa construction : balsa, tube de carton, sac en plastique et ficelle. Elle pèse quelques dizaines de grammes et peut monter jusqu’à 80 m d’altitude.

Pouvant être construite et lancée en une demi journée, sa relative simplicité de mise en œuvre permet d’initier les jeunes dès de huit ans à la démarche expérimentale.

Après une formation de 25 heures, les animateurs obtiennent un agrément leur conférant la possibilité d’encadrer cette activité avec des jeunes. Les animateurs bénéficient de la couverture d’assurance du CNES lors de tous leurs lancements.

La mini-fusée

La mini-fusée est une fusée qui permet de découvrir les principes de base de la conception et de la réalisation de systèmes embarqués pour des adolescents à partir de 12 ans.

L'expérience principale est le système de récupération. Son déclenchement doit s'effectuer de façon automatique, au bout d'un temps déterminé avant le lancement par un calcul de trajectoire.

Une mini-fusée est fabriquée à partir de différents matériaux (bois, métal, plastique...) et comprend des systèmes électriques ou électroniques, voire pyrotechniques. Sa masse est limitée à 2,5 kg.

La construction doit respecter un cahier des charges spécifique permettant de garantir la sécurité du lancement.

Les mini-fusées sont propulsées par des moteurs Koudou ou Wapiti fournis par le CNES et mis en œuvre par des personnes spécifiquement formées. Elles peuvent atteindre 600 mètres d'altitude.

Les fusées expérimentales

Comme son nom l'indique, la fusée expérimentale ("fusex" pour les habitués) est un vecteur embarquant une ou plusieurs expériences scientifiques ou technologiques. Les domaines d'études sont très variés, allant de l'analyse des conditions de vol (vitesse, vibrations, phases de vol, ...) à celle de l'environnement extérieur (température, pression, photos...).

D’une masse comprise entre 6 et 13 kg, les fusées expérimentales atteignent des altitudes variant entre 800 et 1800 mètres.

Proposée à partir de 15 ans lors de séjours de vacances, la fusée expérimentale touche des jeunes de 15 à 25 ans regroupés majoritairement dans des Clubs d'établissements d'enseignement supérieur.

La conception et la construction d'une fusée expérimentale durent généralement un ou deux ans. Elles requièrent de nombreuses compétences (mécanique, électronique, aérodynamique, informatique...) et nécessitent une répartition réfléchie des tâches (en fonction des compétences), au sein d'une équipe.

Chaque année, un grand rassemblement de jeunes passionnés d’espace est organisé sur un terrain militaire (pour des raisons évidentes d’espace). C’est le Festival européen de l’espace. Plus de 300 jeunes venus de France et d’Europe viennent lancer leur fusée expérimentale mais aussi des projets de mini-fusée ou de ballons expérimentaux .

Démarche expérimentale

La démarche expérimentale est un moyen important pour que le jeune accède à l’autonomie, à la réflexion et développe l’esprit d’initiative

La fusée à eau est un vrai champ d’expérimentation sans les contraintes d’un propulseur à poudre.

La démarche expérimentale se décline par le passage en différentes étapes dans le but de répondre à une question ou de proposer une solution à un problème. Un moyen mnémotechnique est souvent utilisé pour se souvenir des différentes étapes, parfois avec quelques variantes. C’est ce qu’on appelle la méthode OHERIC.

Observations - Hypothèse - Expérimentation - Résultats - Interprétation - Conclusions

Le rôle de l’animateur est donc de guider les jeunes pour que toutes les étapes soient passées en revue (de manière la plus naturelle possible évidemment : il n’est pas question de dire à chaque instant " attention, on arrive au H de OHERIC !). De plus, il n’est pas toujours nécessaire de passer par toutes les étapes car elles sont parfois inutiles.

De nombreux paramètres peuvent donc être testés : quantité d’eau, pression dans la bouteille, diamètre de la tuyère, position des ailerons, nombres d’ailerons, position du centre de gravité, rugosité du réservoir

A vous de jouer et surtout d’expérimenter

Bibliographie

Ouvrages

Quelques sites Internet sur les fusées à eau

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