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La fusée Malychka au décollage en Angleterre

Spécification

Contexte

Le but de cette campagne est pour Planète Sciences et le CNES d'obtenir la certification niveau 2 de Tripoli. Pour obtenir cette certification, le lanceur (pyrotechnicien) doit mettre en œuvre une minifusée (certification de niveau 1). Il doit ensuite passer un test écrit (QCM) concernant la sécurité et la réglementation de la mise en œuvre des moteurs. Pour obtenir le niveau 2, le pyrotechnicien doit lancer une fusée expérimentale, qui doit réaliser un vol nominal.
D'un autre côté, nos procédures de validation d'un terrain de lancement pour un propulseur demande le lancement d'une fusée balistique (le mulet).
Finalement, nous avons besoin d'affiner nos procédures de mise en œuvre des propulseurs CESARONI Pro54-5G. Les points à éclaircir comprennent notamment les opérations de neutralisation de la charge de dépotage et la décision du moment et de la localisation de la mise en pression du moteur (passage de l'état inerte à l'état actif).
Pour répondre à ce besoin, une équipe réalisera deux fusées expérimentales embarquant une instrumentation électronique permettant de caractériser les performances du moteur. De plus, pour l'obtention du niveau 1, la minifusée Carla subira une remise en état.
La campagne technique de lancement de ces fusées aura lieu au mois de mars ou d'avril 2007.

Besoin

Pour Tripoli

Les deux fusées seront basées sur le même modèle (même mécanique, même électronique). Les deux critères déterminants dans l'obtention de la certification étant d'effectuer un vol stable et nominal, une attention toute particulière sera portée à la détermination de la stabilité et de la fiabilité du séquenceur et du système de récupération. Un point connexe à la vérifiabilité du succès du vol est le besoin de récupérer la fusée après le vol.

Pour Planète Sciences

Planète Sciences souhaite instrumenter les fusées lancées dans deux buts distincts. Le premier est d'obtenir une caractérisation expérimentale du moteur (trajectographie de la fusée). Le deuxième est de faire une démonstration de notre démarche expérimentale à l'association Tripoli par l'intermédiaire de laquelle nous obtenons nos moteurs CESARONI.

Cahier des charges

Pour répondre au besoin, nous concevrons et réaliserons une fusée d'une masse d'environ 8 kg, afin d'avoir un altitude maximale et une portée balistique relativement importante.
L'instrumentation embarquée devra pouvoir permettre d'établir la trajectoire de la fusée, au moins dans l'axe de poussée du moteur. Dans le but de pouvoir récupérer ces informations lors du vol balistique, les données devront être transmises par télémesure.
Un système particulier devra être mis en place pour garantir la récupération de la fusée sur le terrain difficile qu'est la Courtine.

Contreintes opérationnelles

Les fusées doivent pouvoir être lancées sur la rampe Obélix

Expériences

Afin de caractériser au mieux le moteur CESARONI Pro54-5G lors de ses deux vols durant la campagne technique, les deux fusées seront instrumentées. Pour augmenter les chances d'obtenir des résultats pour le vol balistique ("mulet"), les résultats seront envoyés par télémesure en plus d'être enregistrés à bord.
Les expériences prévues sont une trajectographie en trois dimentions (6 degrés de liberté) et une mesure de la température du propulseur en deux points.

Conception

Mécanique

Corps

La mécanique du corps reprendra l'architecture mécanique des fusex Albina et Malychka, parce qu'elles ont déjà volé et montré que cette architecture est saine. De plus, nous possédons déjà un certain nombre des pièces mécaniques qui lui sont nécessaires, ce qui nous fera gagner du temps sur notre planning relativement serré.
La fusée sera d'un diamètre de 100 mm (compatible avec le propulseur Chamois), pour une longueur de XX mm.

Séparation

Le système de séparation sera latéral. La porte du parachute utilisera le système mis au point et éprouvé par le CLES-FACIL (il a notamment été utilisé sur le projet aXelle en 2003).

Le moteur utilisé dans le système devra être commandé par l'électronique la plus fiable possible.

Electronique

Dimensions et masse

Le poids de l'électronique est estimé à 300 g en plus du poids de 4 piles 4,5V et d'un émetteur KIWI Millenium. Les dimensions sont celles d'une carte au format Europe : 100x160 mm².

Récupération

Afin d'augmenter nos chances de retrouver les fusées, nous les équiperons de balises à oiseaux.
Le séquenceur sera très simple, dans le but d'assurer sa fiabilité et sera basé sur un circuit RC et un amplificateur opérationnel monté en comparateur.

Établissement des priorités

Afin de limiter les risques de non-respect du planning, la mise au point de l'électronique se fera dans l'ordre suivant, afin de donner une priorité plus forte aux éléments les plus importants et/ou rapides à mettre au point :

Récupération
Trajectographie 1-D
Télémesures
Rotation par photocapteur
Altitude
Vitesse longitudinale (tube de Pitot)
Trajectographie 3-D

Intégration

La centrale inertielle se trouvera dans un cube. Pour pouvoir repecter les priorités définies ci-dessus, une quatrième accéléromètre sera placé sur la carte de traitement. Suivant le nombre d'accéléromètres que nous pourrons approvisionner, l'accéléromètre de la carte de traitement sera implanté ou non.

Réalisation

Organisation du projet

Membres du projet

Anthony Garrier - Conception et réalisation électronique.
Jérôme Hamm - Chef de projet, conception et réalisation électronique.

Experts réviseurs

Emmanuel Jolly - Expertise électronique et suivi du budget.
Nicolas Chaléroux - Expertise électronique et mécanique.
Léo Côme - Expertise électronique et mécanique.
Grégory Vienot - Expertise stabilité et sauvegarde.

Électronique

Le choix de la chaîne électronique sera le suivant

Capteurs de pression :
différentiel, de 0 à N bars. La vitesse sera calculée grâce à un capteur différentiel. La vitesse maximale déterminée par la simulation numérique est de 230 m/s, nous prendrons un peu de marge (260 m/s) ce qui correspond à une pression de 414 hPa (6 PSI).
L'altitude sera déterminée par un capteur de pression absolue. La pression au sol est estimée à 1033 hPa (15 PSI). L'altitude maximale atteignable sera de 2000 m, où la pression sera d'environ 790 hPa, nous prendrons 760 hPa (11 PSI) pour plus de sécurité.
Accéléromètres :
d'après les simulations numériques, l'accélération maximale de la fusée sera inférieure à 16g. Le capteur choisi possède deux axes et opère dans une gamme de +/- 18g. Les deux accéléromètres seront placés de façon à mesurer l'accélération longitudinale avec les deux composants.
Gyromètres :
les gyromètres sont placés suivant trois axes orthogonaux, leur gamme de mesure est de +/- 300 °/s.
Capteurs de température :
la gamme de mesure s'élève jusqu'à 125°C. N'ayant trouvé aucun renseignement sur la température que pouvait atteindre l'extérieur du moteur, le choix s'est porté sur un composant standard et bien connu.
Séquenceur :
ce système sera à base d'un amplificateur opérationnel monté en comparateur qui surveillera la charge d'un circuit RC. Il commandera l'ouverture de la porte parachute et fournira les phases de vol (décollage, ouverture de la porte) au calculateur central.
Modulateur :
afin de ne pas avoir à générer une tension d'alimentation de 10V, le XR2206 ne sera pas utilisé pour réaliser la modulation, mais un autre VCO, alimenté sous 5V.

Composants

Compteur pour le séquenceur :
TL084, amplificateur opérationnel, bien connu à Planète Sciences. Disponible chez Radiospares.
Capteur de pression absolu :
Freescale MPX4115A (200-1150 hPa). Disponible chez Radiospares.
Capteur de pression relatif :
Freescale MPX5050DP (500 hPa – 7,25 PSI). Disponible chez Radiospares.
Accéléromètres :
Pour la carte mère, un ADXL250 (2 axes, +/- 50g). Utilisation d'échantillons.
Pour le cube inertiel, des ADXL321 (2 axes, +/- 18 g). Disponibles chez Digikey.
Gyromètres :
Analog Devices ADXRS300. Disponible chez Radiospares.
Modulateur :
XR2207, VCO (signal carré ou triangulaire) spécialisé pour réaliser de la FSK. Peut-être difficile à approvisionner.
Capteur de température :
TMP100, communication par bus I²C.
Calculateur :
PIC18F4550 : c'est un modèle de microcontrôleur relativement récent produit par Microchip. Disponible chez Radiospares.
Filtre anti-repliement :
UAF42 produit par Texas Instruments
Convertisseur analogique numérique :
TLC3548 produit par Analog Devices

Intégration

Les deux capteurs de température seront à placer sur le propulseur. Ils sont reliés au reste de l'électronique par quatre fils (communication par protocole I²C).
Le tube de Pitot devra être placé au sommet de l'ogive, pour avoir un écoulement peu perturbé.

Un connecteur SUBD-9 points mâles assurent l’interface électrique. Les signaux disponibles sur ce connecteur sont les suivants :

Interface électrique du cube de navigation inertielle
Désignation	Broche	Fonction	Caractéristique
+9V	1	Alimentation positive de la centrale	9V / 100mA
-9V	2	Alimentation négative de la centrale	-9V/50mA
0V	3	Masse des alimentations	Indépendante GND
	4
	5
	6
SDA	7	Signal de Donnée I²C	I²C 5V
SCL	8	Signal d’horloge I²C	I²C 5V
TXD_TM	9	Signal de télémesure Série	TTL 5V