Fusée à eau

Une fusée à eau ou fusée hydropneumatique est un engin volant constitué d'une bouteille en PET propulsée par réaction, en utilisant de l'eau et de l'air sous pression.



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  • L'élément vraiment indispensable pour concevoir une fusée à eau est son réservoir... de la bouteille (on contrôle le lancement, lorsque la fusée va partir, ... (source : animation.dodo.over-blog)

Une fusée à eau ou fusée hydropneumatique est un engin volant constitué d'une bouteille en PET propulsée par réaction, en utilisant de l'eau et de l'air sous pression. Ces engins peuvent dépasser la vitesse de 200 km/h et les 100 mètres d'altitude[1]. Leur lancement nécessite l'utilisation d'une base de lancement (ou pas de tir) fabriqué à cet effet. Pour ses vertus pédagogiques et son côté spectaculaire, la construction de fusées à eau est une activité fréquemment pratiquée dans les écoles.

Principe

La propulsion d'une fusée à eau est basée sur le principe bien connu d'action-réaction : quand une certaine masse (la masse d'eau, ici) est éjectée violemment d'un conteneur, il se crée une force de réaction dans le sens opposé. C'est par ce même principe que les fusées telles qu'Ariane sont propulsées, sauf qu'à la place d'une masse d'eau, ces engins éjectent une masse de gaz enflammés.

Dans les fusées à eau, la masse à éjecter est par conséquent de l'eau, fluide idéalement neutre et dépourvu d'énergie. Le moyen pour éjecter cette eau n'est pas une réaction chimique mais la mise sous pression de l'air dans le conteneur. Ce conteneur est une simple bouteille en PET. Pour des raisons de sécurité, il est important que cette bouteille soit en PET, pour résister à la forte pression interne.

Plus la pression de l'air dans la fusée est élevée, plus l'eau sera éjectée rapidement, et par conséquent plus la force de réaction sera grande, même si elle dure moins longtemps.

Dans la pratique, la phase de propulsion d'une fusée à eau est généralement particulièrement courte (de l'ordre du dixième de seconde pour une fusée type de 1, 5 L). Cependant, après cette phase propulsive, la fusée à eau continue son ascension grâce à l'énergie cinétique acquise, et ceci malgré la pesanteur et la résistance de l'air.

Le protocole de lancement d'une fusée type est le suivant : La fusée remplie de 30 % à 40 % d'eau est positionnée sur son pas de tir. L'air de la bouteille est dans ce cas mis sous pression (à 5 000 hPa en milieu scolaire, soit 5 bars ou 5 Atmosphères en unités anciennes, et jusqu'à 8 000 hPa), le plus souvent avec une pompe à pneumatique manuelle. Une fois la pression correcte atteinte, la fusée est libérée et débute son vol.


Lancement de fusée à eau H+30ms. H+90ms. H+150ms.

Décollage d'une fusée à eau.

Mesures de sécurité

Les fusées à eau sont des engins concentrant une énergie importante, capables d'occasionner des blessures graves si des mesures de sécurité simples ne sont pas respectées.

Il est donc recommandé qu'aucune personne ne se trouve à moins de 10 mètres du pas de tir au cours de la mise sous pression et le décollage d'une fusée[2], [3].

Fusée minimale

Une simple bouteille en PET forme en elle-même une fusée à eau servant à mettre en lumière l'existence d'une particulièrement grande force propulsive. Cependant cette simple bouteille se montrera aérodynamiquement instable : elle se mettra à tournoyer, de telle sorte qu'elle ne gagnera pas énormément d'altitude.

Pour la rendre stable, il faut ajouter des ailerons à la fusée. Une fusée de 1, 5 litres pourvue d'ailerons peut facilement dépasser les 60 mètres d'altitude.

Le réservoir

Le réservoir de la fusée à eau est le volume interne de l'ou les bouteille (s).

Il est envisageable d'augmenter le volume du réservoir de la fusée en assemblant entre eux plusieurs éléments de bouteilles entre elles. Cela nécessite un collage interdisant les fuites et les éventrements sous la forte pression de lancement. La colle polyuréthane, utilisée généralement pour ce genre de collage, apporte une bonne étanchéité, une bonne résistance à la pression, mais aussi l'élasticité indispensable pour résister à la violence de certains retours au sol.

Certaines fusées à eau peaufinées comportent plusieurs étages qui se déclenchent chacun à leur tour au moyen de mécanismes divers.

Les ailerons

Les ailerons ont énormément d'influence sur les performances de la fusée. Ils permettent une stabilisation de la trajectoire.

Ils doivent être bien dimensionnés, localisés en dessous du centre de gravité et solidement fixés au corps de la fusée. Des ailerons trop grands entraineront un problème de stabilité et des ailerons trop petits ne stabiliseront pas suffisament la fusée.


Ailerons faits à partir d'un disque compact

La charge utile

La charge utile est la totalité des choses que la fusée embarque et qui ne servent pas directement à son fonctionnement. Il peut s'agir d'une petite caméra ou d'un appareil photographique, d'instruments de capture de données (accélération, vitesse, altitude, ... ) ou de tout autre chose.

Le dispositif de récupération

Quand une fusée à eau est suffisamment évoluée, le fuséiste veut récupérer sans dommage la fusée et/ou le matériel embarqué. Pour cela on utilise un dispositif de récupération qui a pour rôle de ralentir la vitesse de chute de la fusée. Plus la vitesse de chute est faible, moins le choc sera violent.

Le dispositif le plus utilisé est le parachute quoiqu'il existe d'autres techniques assez innovantes. Il est fréquemment conçu à partir d'une toile de nylon ou d'un sac-poubelle. Des ficelles relient le parachute à la fusée.

Le plus délicat consiste à créer un système de déclenchement du parachute fiable. Le parachute doit être enfermé dans la fusée au cours de la phase ascensionnelle du vol et se déployer au cours de la chute.

Il existe différentes méthodes répandues de simplicité et de fiabilité variable :

  • la méthode dite «sylapus», acronyme de «SYstème de LArgage de Parachute Ultra Simple», elle utilise l'inertie lors du retournement de la fusée à son apogée pour que la coiffe se sépare du corps de la fusée, libérant ainsi le parachute. Cette méthode est simple à réaliser. Elle comporte l'inconvénient de n'être efficace que pour les tirs verticaux.
  • avec un retardateur mécanique «tomy timer» (mécanisme dans des petits jouets).
  • avec un volet plaqué contre la fusée qui s'ouvrira lors de la perte de vitesse de la fusée (par la traction d'un élastique), libérant ainsi le parachute.
  • dispositif radio-commandé
  • ...

Le vol d'une fusée à eau

Les étapes du vol d'une fusée à eau simple (un seul étage) sont les suivantes :

  • Propulsion à l'aide du tube de lancement (s'il y en a un)
  • Propulsion par éjection de l'eau
  • Propulsion par éjection de l'air
  • Ascension non propulsée (décélération due à la gravité et la traînée)
  • Atteinte de l'apogée (altitude maximale, vitesse verticale nulle)
  • Chute jusqu'au sol (freinée ou non par un parachute)

La propulsion ne représente qu'une particulièrement courte partie du vol[4].

Base de lancement

La base de lancement, ou pas de tir, est indispensable pour envoyer des fusées. Elle permet de la mise sous pression ainsi qu'à la mise dans la trajectoire au décollage. Il y a deux grandes familles de bases de lancements : ceux dit «plein goulot» et ceux avec «raccord de tuyau de jardin». Chacun de ces dispositifs a son lot d'avantages et d'inconvénients.

Base «raccord de jardin»

La méthode la plus courante pour fabriquer un pas de tir de type «raccord de tuyau de jardin» consiste à fixer solidement sur un support stable un raccord femelle de tuyau d'arrosage, de type raccord rapide à libération par simple traction, ou mieux, par rotation. La partie mâle est adaptée au goulot de la bouteille de manière étanche. Le plus facile est de percer le bouchon pour y insérer le raccord mâle réduit par limage. Un tuyau de quelques mètres est fixé au raccord femelle, et fermé à son extrémité par une valve de vélo qui sert à brancher la pompe et de conserver la pression. La libération de la fusée se fait par traction d'une ficelle adaptée au raccord.

On peut fabriquer une base de lancement bien plus fiable et puissante avec des coudes de gouttière (pour faire le support), un mécanisme d'emboîtage de tuyau de jardin (pour maintenir la bouteille en place durant la mise sous pression), et un frein de vélo (pour déclencher le tir).

Exemple d'un pas de tir «raccord de jardin» et d'un embout mâle sur une fusée

Ce type de base de lancement a un inconvénient : si pour une raison quelconque, on perd la fusée, on perd aussi la partie mâle.

Base «plein goulot»

Sur ce type de lanceur, le goulot de la bouteille sert directement de tuyère. Cela offre une poussée plus forte, mais également plus courte que les dispositifs «raccord de jardin», grâce à son plus grand diamètre.

Sur ce type de base de lancement, il est envisageable et fréquemment souhaitable, de créer un dispositif de retenue qui maintient la fusée sur le pas de tir au cours de la mise sous pression et jusqu'à ce que l'utilisateur actionne le mécanisme de libération de la fusée. Cela permet d'atteindre des pressions élevées (supérieures à 4 ou 5 bars) et donne une maîtrise du moment de décollage.

Pas de tir à colliers avec un tube de lancement

Tube de lancement

Un tube de lancement, aussi nommé «launch tube» (de l'anglais), est un tube rajouté sur la base de lancement, qui se trouve au dessus du goulot quand la fusée est située. Ainsi le tube pénètre dans la fusée.

Ce dispositif offre essentiellement deux avantages importants :

  • Guidage de la fusée en début de trajectoire.
  • Propulsion de la fusée au décollage en évitant d'éjecter trop d'eau.

Le diamètre et la longueur du tube conditionnent son efficacité. Plus grandes seront les dimensions, plus efficace le tube sera.

Liens externes

Bibliographie

Notes et références

  1. Le record du monde d'altitude au 14 Juin 2007 est de 630.33 mètres. Voir sur WRN. com (en)
  2. «Restez toujours à plus de 5 m ou alors 10 m d'une fusée à eau et en arrière de l'axe de lancement ou franchement sur le côté de la trajectoire prévue (au moins 10m).» Voir la page «Sécurité» sur le site Techno-Challenge
  3. Voir aussi le dossier sécurité sur le site de planete-sciences. org
  4. Pour visualiser quantitativement le vol d'une fusée à eau, rendez-vous sur le simulateur de Dean Wheeler (en)

Recherche sur Amazone (livres) :



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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 14/03/2009.
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