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Design et fabrication du moteur FARO

Texte devant être mis à jour

Design

Après une série d'essais, de nombreuses discussions et d'intenses réflexions, nous avons décidé de développer un nouveau moteur.

Ce moteur doit répondre aux critères que nous nous sommes fixés:
- il doit être performant: c-à-d une impulsion spécifique aux alentours de 200s
- il doit permettre d'envoyer une charge utile d'environ 1 kilo à 1 kilomètre d'altitude
- il doit être innovant pour le niveau amateur (pas question de copier/acheter quelque chose d'existant).

Pour cela, nous avons décider de réaliser un moteur:
- basé sur un mélange de perchlorate d'ammonium et de polyester
- ayant une poussée constante durant la combustion

Pourquoi un mélange de perchlorate d'ammonium + Polyester ?
Le perchlorate d'ammonium est un oxydant très puissant et surtout très stable, présentant peu de risques, c'est ce qui est utilisé dans les moteurs de type booster des fusées civiles (booster de la navette spatiale, d'Ariane 5). C'est donc un excellent oxydant pour les amateurs.

Le Polyester est utilisé comme comburant (fuel). Il donne une bonne poussée mais est assez vis ceuxà l'état liquide et relativement cassant quand il est polymérisé. Cest pour cette raison qu'il n'est pas utilisé dans les fusées professionnelle qui utilisent des résines plus caoutchouteuses. Nous pensons que le polyester est utilisable par les amateurs pour deux raisons, 1) il a été utilisé dans les années 60 avant l'arrivée des nouvelles résines et 2) nos moteurs sont de petite taille et donc subissent moins de contraintes structurelles. Finalement, le polyester a l'avantage d'être facilement accessible pour des amateurs et pas cher.

Ce mélange est donc puissant assez pour nos fusées et suffisamment original que pour stimuler nos capacités d'invention et de mise au point. Il est aussi très stable à la chaleur, l'électricité statique, etc. De plus la mise en oeuvre ne comprend aucune phase dangereuse tel que le chauffage, le compactage.

Pourquoi une une poussée constante ?
Notre moteur doit pousser une fusée suffisamment fort que pour la faire décoller rapidement (plus vite que la navette ou Ariane) afin de lui donner rapidement une grande stabilité (indispensable vu que nos fusées ne sont pas guidées) mais sans pour autant donner un coup de pied au derrière de notre fusée qui embarque généralement une électronique assez fragile.

Pour avoir une poussée constante, nous avons décidé que la combustion du pain de poudre aura lieu simultanément par une cheminée centrale et par les deux extrémités. Ce type de combustion est appelé BATES.

 

Design du moteur et de la tuyère:

Nous avons choisi de travailler en deux phases. La première consiste à tester différentes mélanges de poudre et différents modèles de tuyère. Pour cela, nous devons faire de nombreux essai au sol en mesurant le poussée et le temps de combustion. Il nous faut donc un moteur solide, facile à monter et démonter et pas trop cher (vu les risques d'échec). Nous avons choisi de le faire en acier inoxydable. La tuyère est en inox aussi mais elle a un col en graphite. Le graphite permet de résister à la très haute température des gaz qui sont expulsés.
Dans une deuxième phase (nous n'y sommes pas encore - bientôt), nous ferons un moteur de vol qui doit être léger. Avant de passer à cette deuxième phase, nous avons décidé que nous devions avoir trois tests de moteur consécutifs et parfaitement réussis. Cela nous permettrait de qualifier notre moteur, c-à-d de démontrer que nous sommes capable de bien maîtriser toutes les étapes de réalisations d'un moteur fusée.

 


Ici
vous trouverez le plan du moteur

Le moteur est composé de la pièce de fond, de la chambre de combustion qui contient le pain de propergol et de la tuyère.

Photo de la tuyère avec l'insert de graphite. Le diamètre au col de nos tuyères est entre 7 et 10 mm.

Les pièces mécaniques sont assemblées et retenues entre elles par des tiges filetées (non montrées ici).

Le système d'allumage est composé d'un moteur de microfusée (coupé en deux) qui sera allumé par un inflammateur professionnel. Le tout est monté dans une capsule de plastique.
Le système d'allumage est monté sur la tuyère et le tube de plastique est fixé par un collier de serrage. Ce serrage permet de maintenir l'allumeur sur le moteur plus longtemps et mieux enflammer le propergol. Voyez les films dans la section "Résultats"
Par sécurité, nous réalisons dans le plastique un gorge de moindre résistance qui cassera si la pression est trop forte (ce n'est encore jamais arrivé).

 

FABRICATION

Phase 1: Préparation du mélange

Quand c'est nécessaire, la poudre de perchlorate est concassée finement dans un mortier

Elle est alors tamisée pour éliminer les grosses particules. La taille des grains (entre 50 et 400 microns) a une grande influence sur la vitesse de combustion du mélange. Plus les grains sont petits plus la vitesse de combustion est grande.

La quantité de poudre ainsi que de polyester est précisément pesée pour obtenir une proportion de 80% de poudre pour 20% de polyester.

 

Le mélange de perchlorate et polyester se fait généralement à flétrie.

 

 

Le polyester est progressivement ajouté et incorporé, d'abord avec une cuillère et ensuite avec un batteur. Cela permet d'obtenir un mélange homogène de la consistance d'un ciment.
Le catalyseur et l'accélérateur de polymérisation sont alors ajouté.

 

Le mélange est alors introduit dans le moule endéans les 15 minutes.

 

Phase 2: Coulage dans le moule

 

Le moule (voir plan) est réalisé en inox et composé de trois parties.

 

Le tube dont la face intérieure sera recouverte d'un film plastic pour éviter l'adhésion du mélange.

Le fond sur lequel est vissé l'axe qui formera une cheminée dans le pain de poudre. Cet axe est légèrement conique et recouvert de cire pour faciliter son extraction après polymérisation.

Le moule ainsi assemblé est alors fixé sur un vibreur dont l'intensité est réglable.

Le mélange est introduit cuillerée après cuillerée. Grâce aux vibrations, le mélange se tasse et les bulles d'air remontent à la surface.

Après 24h de polymérisation, le pain de poudre est dur et peut être démoulé, pesé et mesuré afin d'en déterminer la densité. Ici, il s'agit du pain de Faro B13 (257 gramme dans ce cas).

Ici on voit bien la cheminée centrale et une des deux faces sur lesquelles la combustion aura lieu. L'extérieur du cylindre est recouvert d'une couche non-inflammable qui empêchera la combustion sur la face externe.

En gros plan sur la face, on voit une série de points blancs. I s'agit de petites bulles d'air qui sont encore présentes. Elles diminuent la densité du pain (c-à-d la quantité de poudre et donc la poussée), de plus elles augmentent la vitesse de combustion. Si il y a trop de bulles, il y a risque d'expolsion.
Nous travaillons à ce problème.

 

 

Phase 3: Assemblage du pain de poudre dans la chambre de combustion.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Phase 4: Assemblage du moteur sur le pas de tir.

Le pain étant collé à la chambre de combustion, celle-ci est placée contre la pièce du fond du moteur.

 

Les tiges fillettes sont fixées au fond du moteur. Ce sont elles qui tiennent ensemble le moteur du fond à la tuyère. D'après notre expérience, c'est une très bonne solution car en cas d'explosion (ce qui nous est déjà arrivé, mais toujours quand nous étions loin et bien protégés), ce sont ces tiges qui cassent. La tuyère est alors libre de "voler" vers le haut. Il n'y a donc pas d'éclats qui partent dans toutes les directions.

 

La tuyère (ici avec son insert en graphite), est placée sur le moteur et l'ensemble est boulonné.

 

C'est à partir du moment ou la tuyère est placée que le danger augmente.
En effet, si le pain de poudre est à l'air libre et prend feu, cela fait un joli petit feu pendant quelques dizaines de secondes. Si il prend feu quand la tuyère est placée, c'est un petit missile qui partirait. Cela n'est évidemment jamais arriver mais il vaut mieux être conscient des risques même faibles pour ne pas faire de bêtises.

 

le moteur est assemblé et fin prêt pour être installé dans le banc d'essai. Ce n'est que quand il est positionné dans le banc d'essai et les spectateurs à distance que l'inflammateur sera placé.

 

 

 

 

 

 

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