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Principe des moteurs composites

Jusqu'ici, le GEA a développé des moteurs basés sur le mélange de Zinc et Soufre. Ce mélange est toutefois peu performant et a un temps de combustion extrêmement rapide. Cela résultait en un choc terrible pour la fusée au moment du décollage (quasi un coup de pied aux fesses -euh- ailerons).
Le GEA a récemment décidé de développer un moteur solide de type composite pour propulser nos fusées à de nouvelles hauteurs et ce avec plus de douceur afin de permettre débarquer une électronique plus délicate. Notre objectif immédiat est de construire un moteur qui pourrait emmener une fusée avec une charge utile de 1 kilo (en plus du poids du moteur et de la structure) à 1 kilomètre d'altitude. Pour cela, nous avons besoin d'environ 300 grammes de poudre composite. Pour maintenir la tradition commencée avec le moteur Kriek (voir la section Zinc-Soufre), nous avons décidé de nommer ce moteur FARO. A titre d'information, le Faro est un type de bière brassée dans la région de Bruxelles. Pour en savoir plus, visitez le site de la brasserie Lindemans (source de notre inspiration) et de la brasserie Cantillon .

 

Les propergols composites (lire d'abord la section Principe: moteur-fusée")

Le propergol solide utilisé dans un moteur fusée est dit composite quand le composé oxydant est dispersé sous forme de fins cristaux dans une matrice d'un liant (le comburant).
L'oxydant peut être du nitrate de potassium, du perchlorate de potassium ou du perchlorate d'ammonium. C'est le perchlorate d'ammonium (abrégé PA) qui est le plus souvent utilisé car il présente de bonne caractéristiques de stabilité chimique, de sécurité et de performances.Par exemple, le PA est utilisé dans les boosters de la navette spatiale et dans ceux d'Ariane. C'est le perchlorate d'ammonium que nous utilisons dans notre moteur FARO.
Le liant peut être très varié de la résine plastique au sucre fondu. Il s'agit généralement d'une résine plastique qui est liquide quand elle est mélangée à l'oxydant et qui est ensuite polymérisée afin de former un bloc solide qui sera placé dans la chambre de combustion du moteur. Dans les moteurs les plus avancés (booster de la navette, d'Ariane), il s'agit d'un polyurethane particulier (le HTPB=hydroxyterminated polybutadiene) qui reste relativement souple et est très résistant aux différences de température. Dans le cas de FARO, nous avons initialement décidé d'utiliser de la résine polyester comme on peut en acheter dans un magasin de hobby (Vosschemie). Le polyester est une résine très commune et donc facile à se procurer. Malheureusement elle est très rigide et nos moteurs FARO avaient tendance à ne pas fonctionner de manière reproductible. Nous avons donc récemment décidé de changer de type de résine et d'utiliser du polyurethane commun également disponible en magasin. C'est ce mélange que nous sommes en train d'optimiser. En effet, il n'existe pas de "kit" pour faire son propre moteur et le polyurethane que nous utilisons n'est pas un mélange professionnel spécial pour fusée mais est utilisé généralement pour faire des moules. Du polyurethane mélangé à du PA a toutefois été dans les années 60, notamment dans les missiles Polaris lancé à partir de sous-marins. C'est donc un mélange qui donne de bon résultat même si la chimie des polymères a progressé depuis. A nous de faire fonctionner ce mélange dans de bonne conditions de sécurité.
En plus de l'oxydant et du comburant, une série d'additifs (p. ex. de la fine poudre d'aluminium) sont ajoutés afin d'améliorer les performances, les qualités mécaniques et la mise en oeuvre.

Les propergols composites sont très stables, ils n'ont pas tendance à exploser spontanément, et sont relativement sur. Il faut toutefois respecter une série de règles basées sur l'expérience et le principe de précaution. Il ne faut donc jamais" chipoter" dans son coin. Le GEA offre donc la possibilité de développer un moteur de manière relativement sûre (plus dans la section "Sécurité").

 

Le pain de poudre (plus dans la section "Design et Fabrication")

Le mélange composite est généralement fait dans un malaxeur légèrement chauffé et sous vide (afin d'éviter la formation de bulles). Il est ensuite coulé dans un cylindre dans lequel il polymérise. Après la polymérisation, le bloc est démoulé et les surfaces qui ne doivent pas brûler sont recouvertes d'une couche d'inhibiteur de combustion (coating). Le bloc est ensuite inséré dans le moteur fusée qui peut comporter plusieurs blocs. Vu que les mélanges composites brûlent relativement lentement (au plus quelques centimètres par seconde), il faut une assez grande surface de combustion pour fournir une poussée suffisante pour faire décoller la fusée. La solution la plus fréquente consiste à utiliser un bloc cylindrique avec une cheminée centrale sur toute sa longueur. Le bloc br˚le donc du centre vers flétrie. Si la cheminée centrale est simplement cylindrique, son diamètre augmenterait durant la combustion et donc la poussée fournie serait de plus en plus grande. Généralement il est souhaité que le moteur fournissent une poussée constante durant son fonctionnement. Pour cela, la solution professionnelle consiste à avoir une cheminée central en forme d'étoile. La solution choisie par le GEA pour le moteur FARO est plus simple. Elle consiste a faire un bloc de propergol qui br˚le par le centre (grâceà une cheminée cylindrique) et en même temps par les deux extrémités. En respectant de bonnes proportions de longueur du bloc et diamètre de la cheminée, on obtient une poussée constante vu que l'augmentation du diamètre de la cheminée durant la combustion est compensé par le raccourcissement du bloc dû à la combustion par les extrémités. Ce type de bloc est appelé BATES. Le moteur Faro est composé d'un bloc BATES.

 

Le moteur (plus dans la section "Design et Fabrication")

Le propergol soigneusement inséré (et souvent collé) dans la chambre de combustion, un cylindre fermé à une extrémité et auquel est attaché la tuyère à l'autre extrémité. Les matériaux de la chambre de combustion peuvent aller de la résine plastique et fibre de carbone à l'acier. La tuyère peut être en céramique, graphite ou divers métal's. Dans notre cas, nous avons construit le moteur en acier inoxydable. La tuyère est principalement en inox avec un col en graphite vu que cela résiste mieux à la très haute température des gaz. Nous n'avons pas construit"léger", notre moteur est très lourd mais il s'agit d'un moteur de mise au point, il n'est pas destiné à voler dans une fusée mais au contraire à être très solide pour résister aux malfonctions. Pour cela il faut d'abord arriver à des bonnes performances dans les essais de poussée au sol. Quand nous arriverons à de bonnes performances reproductibles( au minimum trois fois de suite), alors nous serons sur assez de notre propergols pour réaliser un moteur de vol beaucoup plus léger.

 

L'allumage

Un propergol composite peut généralement s'enflammer à la chaleur d'une allumette après quelques secondes mais ni l'allumette ni la mèche de poudre ne sont des manières correctes. L'allumage d'un propergol composite requiert un système électrique qui enflammera une poudre spéciale qui à son tour allumera le pain de poudre. L'allumage doit être simultané sur toute la surface de combustion et une pression minimum doit être atteinte dans la chambre de combustion pour que la combustion se maintienne et que la fusée puisse décoller. Pour le moteur FARO, nous attachons notre système d'inflammation à la tuyère et commandons l'allumage de notre poste de commande situé à plus de 50 mètres de distance. Notre système d'allumage est basé sur un moteur de micro-fusée attaché à la tuyère et qui "crache" ses flammes vers l'intérieur de FARO. Ce micromoteur est enflammé grâceà un allumeur composé principalement d'un fil chauffant. Une fois que FARO est en route, les gaz éjectent le système d'allumage (ceci est bien visible sur les films dans la section "résultats").

 

Les tests statiques (plus dans les sections "Tests" et "Résultats" )

Bien sur quand on développe un nouveau moteur, il faut le tester à de nombreuses reprises pour essayer différentes compositions et s'assurer de la fiabilité du moteur. Ces tests ont toujours lieu au sol avec le moteur placé sur un banc de mesure de poussée. Les professionnels mesurent de très nombreux paramètres durant les essais. Le GEA a fabriqué un système électronique de mesure qui permet de mesurer précisément la poussée fournie par le moteur durant son fonctionnement et de calculer son rendement. Le principe est que le moteur pousse sur une barre métallique durant son fonctionnement. Cette barre se déforme très légèrement et nous mesurons et enregistrons dans un PC cette déformation. La déformation est proportionnelleà la force exercée par le moteur ce qui nous permet d'obtenir une courbe de poussée, de calculer l'impulsion totale du moteur et l'impulsion spécifique du propergol. Grâceà ces données, nous pouvons alors prédire la vitesse et altitude de la fusée propulsée par un moteur de ce type.

 

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