G.E.A.

Projet « Quark », Version « Méson »

Un Méson est une particule élémentaire composée de deux quarks, le Pion et le Muon.

1. INTRODUCTION

Ce document a pour but de décrire le projet Quark-Méson. Cette fusée est, comme à son habitude, le résultat d’un travail de groupe de l’ensemble des membres du GEA. Il y est défini les objectifs du projet, l’architecture de la fusée, le système de récupération ainsi qu’un descriptif de l’ensemble des expériences embarquée dans cette fusée.

2. OBJECTIFS

Ce projet ambitieux est une suite logique des efforts réalisés par le GEA ces dernières années dans la relance de ses activités tant au niveau propulsion, que mécanique et qu’au niveau expériences embarquées.
Cette fusée constituera en quelque sorte une vitrine pour le Groupe d’Etudes Aérospatiales afin de promouvoir son activité et perpétuer son existence.
Enfin, Quark-Meson est le résultat d’un collaboration avec le centre de formation Technofutur (Gosselies) qui a assuré la réalisation complète de la mécanique. La fusée présentée ici se veut ainsi être la preuve d’une collaboration fructueuse avec une entreprise locale. Une copie conforme de quark-Meson sera d’ailleurs exposée dans le hall d’exposition de Technofutur afin de mettre en avant la qualité de leurs pièces produites.

3. ARCHITECTURE

Le projet Quark-Méson est constitué de quatre éléments principaux, à savoir, un propulseur, une structure mécanique, un dispositif de récupération et des expériences électroniques.
Le propulseur dénommé FARO, par tradition portant le nom d’une bière, est un moteur fusée à propergol solide composite. Il a été conçu segmenté afin de pouvoir être dérivé en versions de différentes puissances. Le segment élémentaire développe une performance d’environ 250 Ns.
Pour propulser Quark-Méson, deux segments élémentaires seront utilisés ce qui justifie le nom que porte le projet !
La structure mécanique elle aussi est basée sur des éléments standards, on y distingue néanmoins deux sections différentes qui sont d’une part le système de récupération par parachute et d’autre part l’expérience qui consiste à filmer tout le vol au moyen d’une caméra. Le diamètre de cette structure mécanique est de 60mm.
Le dispositif de récupération est constitué d’une section du corps de la fusée comportant une porte latérale qui est éjectée au moyen d’un dispositif pyrotechnique lui-même commandé par une minuterie dénommée DCA dans notre jargon. A culmination, un parachute de freinage est libéré assurant un retour en toute sécurité au sol. Ce dispositif est fiabilisé au maximum afin d’accroître la sécurité.
Les expériences quant à elles sont diverses et nombreuses. On y trouve la caméra vidéo qui transmettra en direct au sol le vol de la fusée, un GPS qui assure sa localisation absolue lors du vol mais surtout une fois au sol pour sa récupération, une centrale inertielle trois axes qui assure la détermination de l’attitude et de la position relative de la fusée par rapport au point de lancement, un compas magnétique et plusieurs capteurs de pression viennent compléter les informations issues de la centrale inertielle afin de cartographier précisément le vol. Pour la transmission des données non vidéo, un deuxième émetteur assure la transmission en direct au sol.
Outre ces éléments qui constituent la fusée, au sol on trouve, les récepteurs de la vidéo et des données expérimentales ainsi qu’un système d’archivage et de traitement localisé au poste de commande.
Enfin, lors de la phase de préparation au lancement et jusqu’au décollage, un cordon ombilical assure la garantie du fonctionnement correct du matériel embarqué.
Bien que non visible, de nombreux mini-ordinateurs composent les expériences et par conséquent incluent des softwares indispensables à leur fonctionnement. Il en va de même pour l’ordinateur de traitement des données du poste de commande.

Architecture Mécanique

L’architecture mécanique se veut modulaire et son organisation pour ce projet est surtout dictée par l’expérience Caméra. Pour ce faire, une section ouverte a été conçue. Afin d’obtenir une image correcte pendant tout le vol y compris sous parachute, la case récupération a été située le plus haut possible dans la fusée assurant ainsi un maximum de verticalité lors de la descende. C’est ainsi que de bas en haut on trouve (figure 1) ; * Le moteur FARO à deux segments équipé de ses ailerons, * La case Caméra présentant une section à l’air libre et équipée d’une ogive, * Une première case électronique équipée de l’émetteur vidéo, les accumulateurs d’alimentation électrique des expériences et de ses petites antennes en moustache, * Une deuxième case électronique intégrant la centrale inertielle, le compas magnétique, l’altimètre et l’émetteur de données aussi avec ses antennes en moustache, * La case parachute équipée d’une porte latérale expulsée par une minuterie au moyen d’un dispositif pyrotechnique, * La case comportant et de la minuterie, * L’ogive dans laquelle sera logée l’antenne GPS. Alors que la fusée est majoritairement réalisée en aluminium assurant la tenue mécanique malgré une faible masse totale, l’ogive supérieure qui intègre l’antenne GPS est constituée d’une fine paroi de PVC de 2 mm assurant un minimum d’atténuations aux informations provenant des satellites.

 

Afin de valider et s’assurer du bon comportement aérodynamique de cette fusée atypique d’un point de vue forme, une série de mesures ont été réalisées sur une maquette de type mini fusée construite à l’échelle 2/3 nommée X-303(figure 2). Les résultats ainsi obtenus sur cette maquette ont induit des modifications de forme au modèle final de Quark-Meson vis-à-vis de la figure 1, notamment la montée des ailerons au deuxième tube du moteur et leur agrandissement.

Au cours de ces essais, l’évaluation de la traînée de la maquette fut analysée afin d’être utilisée pour la détermination de l’altitude de la fusée Quark-Méson.
Cette évaluation du Cx est basée sur l’instrumentation de la maquette avec un accéléromètre et un capteur de pression. Une série de test est rendue possible grâce à un système de récupération sous parachute avec éjection de l’ogive.

Figure 2: Photographies de la fusée X-303

 

Architecture Electronique d’expérience

L’ensemble des éléments électroniques qui constituent l’expérience est intégré dans des « sections électroniques » comme représentées sur la figure 3. Ces sections sont composées d’une embase sur laquelle un « rack » standard intègre les cartes électroniques aux formats définis. Dans l’embase peuvent être intégrés des éléments qui ont un lien avec l’extérieur de la fusée comme les antennes ou simplement des témoins visuels. Un tube enferme tout ce système lors du vol. Ce tube a également la fonction de soutenir la partie supérieure de la fusée, il est donc porteur, c’est pourquoi, lorsque des liaisons vers l’extérieur sont nécessaires, elles sont réalisées dans l’embase qui est conçue plus robuste.

Figure 3: Structure d'une section électronique

 

4. PROPULSEUR

Fig.4 Schéma du moteur Double-BATES

Le propulseur (ou moteur) FARO double segment a été étudié sur mesure pour Quark-Meson : les performances en terme de poussée en et de temps de combustion ont été optimisées afin de garantir une vitesse suffisante en sortie de rampe et de limiter le freinage due aux frottements à l’air. La reproductibilité est assurée par la mise à feu du moteur dans des conditions optimales de pression par le cisaillement de deux goupilles en aluminium (figure 5). Ce dispositif original mis au point par le GEA permet de fixer l’allumeur sur la tuyère du moteur à la dernière minute une fois la fusée placée en rampe et le tir autorisé. La figure 6 présente le brin de poudre (propergol) placé dans sa chambre de combustion.

Figure 5: Allumeur accompagné de ses deux goupilles après fonctionnement

Figure 6: Brin de propergol

 

La mise au point de la composition chimique de la poudre ainsi que du design de la chambre de combustion du propulseur a demandé plus de 40 tests statiques sur banc de test avec mesure de la poussée et de la pression de combustion (figure 7).

Figure 7: Tir d'essai statique

Les courbes de test pour la dernière version sont reprises sur la figure 8.
Il est important de noter deux caractéristiques intéressantes du propulseur d’un point de vue sécuritaire :
- une pression de fonctionnement basse (30 bar)
- une faible sensibilité de la vitesse de combustion aux oscillations de pression.

Figure 8: Courbes de poussée et de pression du propulser de Quark-Meson

Une série de test de qualification de la version de vol ont été imposés afin mettre celui-ci à l’épreuve pour garantir un vol correcte de la fusée et une détermination précise des performances de la fusée (Table 1).

Table 1: Données chiffrées du propulseur FARO

1. Masse de poudre : 513 g
2. Temps de combustion : 1,8 s
3. Poussée moyenne : 495 N
4. Impulsion totale : 890 N.s
5. Impulsion spécifique : 177 s
6. Vitesse caractéristique : 1163 m.s-1
7. Diamètre col de tuyère : 12 mm

5. PREDICTION DE TRAJECTOIRE

La trajectoire théorique de la fusée peut être calculée une fois l’ensemble des inconnues déterminées (table 2). C’est ainsi que le point d’impacte de la fusée dépend notamment de l’ange de la rampe de lancement, la géométrie de la fusée, la poussée moyenne ainsi que la vitesse de descente sous parachute.

Table 2: Paramètres

1. Angle de tir : 85 °
2. Masse initiale totale : 4000 g
3. Masse de propergol : 513 g
4. Temps de combustion : 1,8 s
5. Poussée moyenne : 495 N
6. Diamètre de la fusée : 60 mm
7. Coefficient de traînée : 0,65

Les courbes d’évolution de l’altitude et de la vitesse au cours du vol pour un angle de tir égale à 85° sont présentées sur la figure 9.

Figure 9: Evolution estimée de la vitesse et de l'altitude de Quark-Meson au cours du temps de vol

 

Les résultats du vol et les photos seront ajoutées ici après le vol (prévu fin 2007-début 2008).