Introduction
Moteurs PVC
Moteurs TRU CORE
Moteurs MAISON
Les moteurs utilisés pour nos tirs sont des moteurs à base de propergols composites.
Le propergol solide utilisé dans un moteur fusée est dit composite quand le composé oxydant est dispersé sous forme de très fins cristaux dans la masse d'un liant (le carburant).
L'oxydant peut être du nitrate de potassium, du perchlorate de potassium, du perchlorate d'ammonium, etc... Le perchlorate d'ammonium (PA) est très souvent utilisé en milieu professionnel, il a une bonne stabilité chimique, de bonnes performances et un faible coût. Par exemple, le PA est utilisé dans les boosters de la navette spatiale et dans ceux d'Ariane.
C'est le nitrate de potassium que nous utilisons, beaucoup plus facile à trouver et également stable.
Le liant peut être très varié: de la résine plastique au sucre fondu comme dans notre cas. Dans le milieu professionnel, 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 ensuite 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.
En plus de l'oxydant et du carburant, une série d'additifs (p. ex. de la fine poudre d'aluminium, de l'oxyde de fer) 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 donc relativement sûrs.
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 brûle donc du centre vers l'extérieur. Si la cheminée centrale était 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 donne une poussée constante durant son fonctionnement.
Pour cela, la solution professionnelle consiste à avoir une cheminée centrale en forme d'étoile.
La solution choisie par nombre d'amateurs consiste a faire un bloc de propergol qui brûle par le centre (grâce à 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 compensée par le raccourcissement du bloc dû à la combustion par les extrémités. Ce type de bloc ou grain est appelé BATES (pour BAllistic Test and Evaluation System, une architecture de grain développée par l'US air force dans les années 60).
Nous utilisons des moteurs à plusieurs grains BATES.
Les moteurs de fusées sont classés de plusieurs façons, mais les deux plus importantes sont:
- l'impulsion totale
- poussée moyenne
La poussée moyenne comme son nom l'indique est la moyenne de «poussée» calculée pour la durée totale de combustion du moteur.
L'impulsion totale définit la catégorie des moteurs et est symbolisée par une lettre. La poussée moyenne est donnée en Newton. Par exemple, un Moteur F66 aura une impulsion totale comprise entre 40 et 80N et une poussée moyenne de 66N.
Voici un tableau montrant l'évolution de l'impulsion totale en fonction de l'accroissement des lettres:
Lettre | Impulsion totale en Newtons/secondes |
1/4 A | De 0.312 à 0.625 |
1/2 A | De 0.626 à 1.25 |
A | De 1.25 à 2.5 |
B | De 2.5 à 5 |
C | De 5 à 10 |
D | De 10 à 20 |
E | De 20 à 40 |
F | De 40 à 80 |
G | De 80 à 160 |
H | De 160 à 320 |
I | De 320 à 640 |
J | De 640 à 1280 |
K | De 1280 à 2560 |
L | De 2560 à 5120 |
M | De 5120 à 10240 |
N | De 10240 à 20480 |
O | De 20480 à 40960 |
Ci-dessous, les plans du F66 2 grains BATES utilisés la plupart du temps pour nos tirs de fusées de poids inférieur à 600g.
Une vue d'un moteur terminé, on distingue de gauche à droite le système de rétention de la tuyère, le corps du moteur avec sa date de fabrication et le bouchon supérieur.
Le corps et le bouchon supérieur sont en PVC haute pression de diamètre 32.
La tuyère est moulée directement dans le corps, elle est composée d'un mélange 25% plâtre de Paris (pour ces capacités d'expansion au séchage), 75% ciment fondu (pour sa bonne résistance aux hautes températures grâce à sa forte teneur en silice).
La gorge est constitué d'une rondelle d'acier de 8mm.
Le mélange plâtre/ciment fondu
Le système de rétention: une série de trous de 6mm+ une bague interne de PVC
Le moulage
Le démoulage après séchage
2 photos de la partie divergente de la tuyère. Au fond de la gorge, on aperçoit la surface du combustible.
L'utilisation de BurnSim permet de calculer les courbes de poussée d'un moteur en fonction d'une configuration de grain donnée. Ici les résultats pour le F66 2 grains :
Le résultats peuvent être ensuite exportés sous forme de fichiers .ENG et chargés sur un logiciel de simulation de vol comme OpenRocket ou RockSim.
essai de moteur G160 ( 4 grains)
essai de moteur G81 (rupture des points d'arrimage de tuyère, gorge de tuyère trop étroite)
Essai de moteur G119 3 grains, gorge de tuyère 9mm:
Essai de moteur G138 3 grains, dopé à l'oxyde de fer, gorge de tuyère 8,5mm, prise de vue au crépuscule pour une meilleure appréciation de la flamme:
vidéo complète
LES MOTEURS TRU-CORE
L'avantage des moteurs PVC est leur bon rapport puissance/prix, ainsi que des possibilités techniques quasi illimitées, toutefois, leur inconvénient majeur est d’être à "usage unique"; aussi, leur fabrication reste fastidieuse.
Donc le passage à du "rechargeable" est légitime ....
Les moteurs Tru-core sont des moteurs rechargeables en corps alu et tuyère graphite. Ils sont développés par un artisan aux US et disponibles à l’adresse suivante http:www.rocketsaway.com
Beaucoup de nos derniers tirs sont maintenant réalisés avec des moteurs TruCore 29mm ou 38mm.
Ils sont livrés avec tous les accessoires nécessaires et disponibles en plusieurs puissances.
Le moteur principal utilisé pour Gamma Red One est un 200N. Voici les résultats complets du dernier test (en kg):
4 Grains KNO3/SU
max thrust : 30.5 kg
av thrust : 20.2 kg
burn time : 0.625
tot imp : 12.6 kg
Throat dia : 0.26 inches
Voici la vidéo du test:
LES MOTEURS "Fabrication Maison"
Après avoir utilisé de façon concluantes les moteurs Tru-core, l'étape logique suivante était de fabriquer ses propres moteurs à casing Alu.
De cette manière, pas de délai de livraison trop long (ce qui est le cas pour des moteurs en provenance des US) et des possibilités techniques 'infinies" à l'instar des moteurs PVC de nos débuts.
L'acquisition d'un tour à métaux était en revanche nécessaire. Ce fut fait auprès d'un fabricant italien pour un prix relativement abordable ...
Le temps d'un premier proto était venu.: un H 360, 6 grains tout alu.
H360 KN03/SU (23/09/12)
Ci-dessous, les principales données SRM en input:
| 24.00 | mm | Outer diameter (initial) | ||
| 8 | mm | Core diameter (initial) | ||
| 38.00 | mm | Segment length (initial) | ||
| 6 | Number of segments | |||
| 0 | 1=exposed, 0=inhibited | |||
| 1 | 1=exposed, 0=inhibited | |||
| 1 | 1=exposed, 0=inhibited | |||
La simulation SRM donne ceci en output:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Quelques photos du tournage du tube moteur:
Maintenant, le tournage de la tuyère:
Le moteur terminé:
L'aluminium étant peu recommandé pour la réalisation de la tuyère, voici ci-dessous quelques photos d'une tentative de tournage de tuyère en acier (acier C35):
Le travail terminé:
I350 KNO3/SU/RIO (03/01/13)
Corps du moteur ALU 2017A 40x2mm, Tuyère Acier C35
Ouput SRM:
Throat : 8.5mm
| Input SRM: | ||||
| 34.00 | mm | Outer diameter (initial) | ||
| 9 | mm | Core diameter (initial) | ||
| 50.00 | mm | Segment length (initial) | ||
| 4 | Number of segments | |||
| Grain mass | 0.276 | kg. | |
| . | |||
| Total impulse | 334.6 | N-sec. | |
| Average thrust | 359.5 | N. | |
| Thrust time | 0.931 | sec. | |
| Specific Impulse | 123.7 | sec. | |
| Motor Classification | I | 359 |
Throat : 8.5mm
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| Le moteur complet avec les 3 BATES grains |
Le croquis sommaire de la tuyère. Angle à 45° pour la partie convergente et 12° pour la partie divergente.
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| Les tubes de moulage |
La mise au point a été finalement plus laborieuse que prévu ...
Le premier problème a été la chaleur intense (1395° C) délivrée par la combustion, cela à provoqué des explosions successives durant les essais. Toute la difficulté à été de trouver la bonne épaisseur pour le liner de protection.
.
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| Explosion due à la fonte partielle du tube |
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| enfin un essai réussi! |
Le liner utilisé en final est constitué de 6 épaisseurs de papier Kraft enroulées et collées sur elles mêmes, l'épaisseur totale est de 0.6mm.
Le liner permet d'isoler le tube d'alu de façon efficace et évite ainsi l’affaiblissement de sa structure.
Pour rappel, l'alu 2017 fond à 645° et malgré le temps de combustion très rapide du moteur (-de 1s), l'action conjuguée de la pression et de la haute température entraîne une explosion.
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| une vue du nouveau liner |
Nouveau moteur pour DR2, 38mm, 4 grains, casing Alu, tuyère acier comme les précédents.
Ce nouveau moteur avec une poussée de 50kg devrait pouvoir améliorer les performance de DR2 de façon significative ...
| Do | 34.00 | mm | Outer diameter (initial) | ||
| do | 8 | mm | Core diameter (initial) | ||
| Lo | 60.00 | mm | Segment length (initial) | ||
| N | 4 | Number of segments | |||
| Outer surface: | 0 | 1=exposed, 0=inhibited | |||
| Core: | 1 | 1=exposed, 0=inhibited | |||
| Ends: | 1 | 1=exposed, 0=inhibited | |||
| Lgo | 240 | mm | Grain length (initial) | ||
| Vg | 205837 | mm3 | Grain volume (initial) | ||
| V l | 0.778 | Volumetric loading fraction | |||
| r' grain | 1.889 | g/cm3 | Grain ideal density | ||
| 0.95 | Density ratio (actual/ideal) | ||||
| r grain | 1.795 | g/cm3 | Grain actual density | ||
| m grain | 0.369 | kg. | Grain mass (initial) | ||
| Abeo | 6861 | mm2 | End burning area (initial) | ||
| Abco | 6032 | mm2 | Core burning area (initial) | ||
| Abso | 0 | mm2 | Outer surface burning area (initial) | ||
| Abo | 12893 | mm2 | Total burning area (initial) | ||
| Nozzle: | |||||
| Kno | 200 | Ratio of Burning area / throat area (initial) | |||
| Ato | 64 | mm2 | Throat cross-section area (initial) | ||
| Dto | 9.060 | mm | Throat diameter (initial) | ||
| e | 0.0 | mm | Nozzle erosion | ||
| Dtf | 9.06 | mm | Throat diameter (final) | ||
| Grain mass | 0.369 | kg. | |
| 0.814 | lb. | ||
| Total impulse | 452.4 | N-sec. | |
| 101.7 | lb-sec. | ||
| Average thrust | 480.2 | N. | |
| 107.9 | lb. | ||
| Thrust time | 0.942 | sec. | |
| Specific Impulse | 124.9 | sec. | |
| Motor Classification | I | 480 |
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| Essai I500 en statique |
J500 KNO3/SU/RIO (24/10/14)
Dernier moteur réalisé pour The Spout , casing Alu, tuyère acier.
38mm, 6 grains, 70kg de poussée.
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| Le moteur sur le banc d'essai avec son capteur de poussée |
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| Le banc de test comporte un capteur de poussée réalisé par nos soins à base d'Arduino (voir page Electronique), les résultats de l'acquisition sont transmis en temps réel à un laptop par radio. |
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| le laptop d'acquisition |
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| Le moteur à pleine puissance |
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| Ici, la courbe d'acquisition et le résultat des calculs de poussée; J500, 70kg d'impulsion totale |