Présentation du projet
Ce projet est né de l'initiative de quatre élèves de première année de l'école d'ingénieurs ESITech de Rouen, passionnés d'aérospatial. Englobant entièrement les enseignements généralistes de l'école (mécanique des fluides,électronique, matériaux...), l'idée à été intégrée à l'incubateur de projet de l'école appelé GPLab, qui nous à permis de démarrer confortablement la création de la fusée.
A ses débuts, le projet avait des ambitions assez modestes puisqu'il n'était question que de réaliser une mini fusée, d'environ 50cm afin de découvrir le monde du modélisme et le fonctionnement général d'un fusée. Cependant, à force de réunions et de prises de contact, le projet s'est associé à NAE et à l'école d'ingénieurs en électronique ESIGELEC, ce qui nous a permis d'ouvrir nos horizons et de nous orienter vers un concours appelé C'Space.
Organisé par le CNES et Planète Sciences, ce concours nous permet, grâce à l'aide de bénévoles passionnés, de réaliser le développement d'une fusée expérimentale de 1m75 embarquant un module de captation d'air afin d'étudier la microbiologie aérienne présente à des altitudes données.
Présentation de l'équipe
Notre équipe se compose de 7 personnes.
Les 4 créateurs du projet, Simon.B, Thomas.D, David.Y et Antoine.F élèves en 2ème année de cycle d'ingénieur.
Ainsi que 3 élèves de première année de cycle d'ingénieur, Hajar.B , Léa.P et Simon.L.
Caractéristiques Techniques
Modélisations réalisées
La modélisation d'une fusée est une étape essentielle dans le processus de conception, nous permettant de visualiser et de tester virtuellement les différentes composantes et systèmes avant de les réaliser physiquement.
Grâce aux logiciels, SolidWorks et FreeCad nous avons pu affiner chaque aspect du design et de la structure de notre fusée.
Lors de la modélisation de notre fusée expérimentale, nous avons pris en compte chaque élément essentiel pour assurer son bon fonctionnement et sa sécurité.
Les principaux éléments que nous avons modélisés sont :
1- La structure extérieure :
La structure de la fusée est ce qui détermine principalement sa stabilité ainsi que sa résistance aux forces aérodynamiques.
Nous avons modélisé, le fuselage, la coiffe et les ailerons.
Ceci nous a permis d'assurer une conception équilibrée.
De plus, afin de réduire le poids de la fusée, nous avons choisi d'avoir le fuselage ainsi que la coiffe en fibre de carbone, et les ailerons en aluminium.
2- La structure intérieure:
Nous avons modélisé les différents éléments qui composent la structure intérieure de notre fusée expérimentale.
Ceci nous aide à optimiser la dispositions des composants.
Nous avons d'abord modélisé le système de propulsion, puis le système d'éjection du parachute.
Pour celui-ci, nous avons choisi le système d'éjection par une trappe qui s'ouvrira à l'aide d'un système d'engrenage. Cependant le parachute sera éjecté par un ressort.
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Modélisations réalisées à l'aide de StabTraj
StabTraj est un outil conçu par Planète-Sciences, pour faciliter la modélisation, la simulation et l'optimisation des performances de vol des fusées des équipes participant au concours C'Space.
Grâce à StabTraj, nous pouvons analyser et prédire le comportement d'une fusée tout au long de son vol, en prenant en compte des facteurs tels que la stabilité aérodynamique, les forces externes, les contraintes structurelles, les systèmes de contrôle et les trajectoires souhaitées.
Il permet également à Planète-Sciences de valider les fusées de chaque équipe, si la stabilité de la fusée n'est pas atteinte, la fusée ne peut pas décoller.
Voici le StabTraj de notre fusée Boréale stable :
Nous obtenons donc la trajectoire suivante :
Systèmes électroniques
1- Notre expérience:
Une fusée expérimentale comme son nom l'indique doit être, à la différence des minifusées aussi lancée lors du C'Space. Lorsque l'on s'inscrit pour cette catégorie, nous devons présenter une idée d'expérience à intégrer à la fusée.
Cette expérience peut être mise en place sur le vecteur lui même (mesure de vitesse, d’accélération, de rotation, etc.) ou sur son environnement (prise de vue, localisation, etc.).
Notre école d'ingénieur se distingue par ses deux cursus "Physique pour la santé" et "Technologie du vivant" permettant de faire collaborer et travailler ensemble des biologistes et des physiciens. Notre choix d'expérience a donc été logiquement portée vers l'environnement.
Notre fusex sera équipée de capsules créer par des membres biologistes de notre équipe afin de capturer l'air des alentours avant le lancement et juste après l'apogée. Les échantillons auront donc une différence de plus de 1km au sein de l'atmosphère. Nous ferons alors des études comparatives sur ces échantillons au sujet de leur composition comme par exemple sur le taux de pollution.
2- Un projet en collaboration avec l'ESIGELEC :
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Notre fusée, Boréale, sera réalisée en collaboration avec des étudiants ingénieurs d'une autre école de Rouen, l'ESIGELEC.
L'ESIGELEC s'occupera donc de la majorité de la partie électrique.
Ils se chargeront de l'ouverture programmée du parachute mais aussi de l'ouverture programmée des capsules ainsi que leur fermeture à l'aide d'une carte Arduino nano.
La carte Arduino permettra de lier les circuits électriques avec l'ordinateur. A l'aide de sa mémoire de 32 kBl, elle permettra la réalisation des différentes étapes de vol grâce à son servomoteur MG90. En effet, les servomoteurs permettent d'actionner des pièces mobiles sur des projets robotiques. Ils se commandent via un signal RC ou grâce à un microcontrôleur.
De plus, l'ouverture programmée se basera sur un accéléromètre.
En effet, lorsque la fusée sera lancée après un certain delta de temps par mesure de sécurité, l'accéléromètre se déclenchera. Selon le logiciel Stabtraj, l'apogée sera atteinte en 15 secondes pour atteindre une altitude de 1152m.
La trajectoire de la fusée est une courbe donc lors de l'apogée, l'asymptote sera horizontale et donc l'accélération de viendra nulle. Le capteur déclenchera alors un système de ressort permettant la sortie du parachute mais aussi l'ouverture des capsules.
Pour notre part, nous nous chargerons de l'assemblage des différents circuits électroniques sur la fusée mais aussi des tests nécessaires à la vérification des systèmes.
De plus, nous nous chargerons de l'envoie des différents paramètres (altitude, temps, pression...) à un ordinateur au sol. Nous utiliserons un module de type LoRa (pour Long Range), une technologie de communication radio bas débit, longue portée, dans la bande de fréquences libres de 868 MHz. Il s'agit d'une technologie de modulation radio qui sert de support physique pour les transmissions de données selon différents protocoles.
Expérience du Parachute
Afin d’éviter que la fusée ne s’écrase, un parachute est fabriqué. Il s’agit d’une bâche en nylon tressée d’un diamètre de 90 cm. 8 suspentes en corde fine sont accrochées à cette bâche à ses extrémités et mesures 1m. Ces 8 suspentes se rejoignent et sont rattachées à une corde basique mesurant 2m. Cette corde est plus longue pour éviter un enroulement autour de la fusée. Lors de l’ouverture de la trappe, un ressort avec une grande raideur sera compressé pour éjecter avec force le parachute. D’après les données obtenues sur StabTraj et la modélisation, la fusée aura une vitesse de chute de . De plus, si la vitesse de chute avec parachute est proche de , les courants aériens feront dériver la fusée et elle sera irrécupérable. Mais pour vérifier la théorie, une expérience a été faite.
Notre école dispose d’un toit plat d’une hauteur proche de 10m. Pour cette expérience, un poids de 4,836 kg a été utilisé. Le poids accroché au parachute lancé depuis le toit de l’ESITech (10 m) a mis 2,1 s. Soit une vitesse calculée de 4,76 m/s. La fusée sera plus légère qu’au lancement car le carburant aura été consommée entièrement et son poids supposé est de 7 kg. La vitesse est supposée constante lors d’un état d’équilibre que la fusée atteindra. Cela se produit lorsque la résistance de l’air produite par le parachute compense le poids de la fusée. Soit l’équation suivante :
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, avec Cx le coefficient de résistance, g le champ de pesanteur terrestre, m la masse de la fusée, la surface du parachute et la masse volumique de l’air. Par cette équation, une proportionnalité entre vitesse et masse peut être faite.
Ainsi
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La surface du parachute est l’air du cercle de diamètre 90 cm ; soit de 0.63 mètre carré. La masse volumique de l’air est de 1,3 kg par mètre cube et Cx = 1 d’après les données de StabTraj. La vitesse calculée dans ce cas stationnaire est de 10 m/s . Donc la hauteur est un facteur à prendre en compte. La fusée accélèrera encore pendant un certain temps avant d’atteindre l’état stationnaire.
Cela semble logique car la fusée sera en chute libre pendant un temps jusqu’à ce que la résistance de l’air vienne compensée le poids.
On peut en conclure que par la proportionnalité, la vitesse de la fusée à 10 m sera de 5,73 m/s et à l’état stationnaire, v = 13 m/s (cohérent avec les données de StabTraj).
Lors de l’ouverture du parachute, la vitesse chutera pour ensuite raugmenter jusqu’à l’équilibre. Il faudra aussi au moins 10 m pour que la fusée atteigne la vitesse d’équilibre calculée. Mais cette vitesse sera atteinte proche de l’apogée parce que le poids sera plus important que celui de l’expérience entraînant une chute plus rapide du corps.
Par cette expérience, nous pouvons alors affirmer que notre fusée ne pourra être emportée par les courant aérien car il ne faut que quelques secondes avant d’atteindre la vitesse d’équilibre, et la hauteur sera relativement proche de l’apogée. Un parachute plus grand aurait réduit la vitesse de descente et un parachute plus petit ne pourrait ralentir la chute de la fusée.
Partenariats
Partenariat avec NAE
Nous sommes ravis de vous présenter notre partenariat avec NAE.
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NAE est une entreprise renommée et innovante dans le secteur de l'aérospatiale, reconnue pour ses avancées technologiques.
Ce partenariat avec NAE nous permet d'atteindre des objectifs ambitieux et de réaliser notre fusée expérimentale.
De plus NAE nous a généreusement proposé une formation spécialisée dans le domaine des microfusées préparée par Planète-Sciences. Cette opportunité de formation nous a permis d'approfondir nos connaissances et nos compétences dans la conception, la fabrication et le lancement de microfusées.
Dès le premier jour, nous avons été accueillis chaleureusement par le formateur M. Olivier Dalechamps, qui partageait notre passion pour l'aérospatiale. La formation a commencé par une présentation approfondie des principes fondamentaux de la propulsion des fusées et des différents systèmes de contrôle.
Au fil des jours, nous avons eu la chance de participer à des ateliers pratiques où nous avons appris à concevoir et à assembler notre propre microfusée. Le formateur nous a guidé tout au long du processus, nous montrant les bonnes pratiques et nous aidant à éviter les erreurs courantes.
C'était incroyable de voir notre fusée prendre forme sous nos yeux.
L'un des moments forts de la formation a été le lancement de nos microfusées. Nous avons tous ressenti une montée d'excitation alors que nos fusées décollaient dans le ciel, propulsées par la puissance des moteurs que nous avions installés.
En plus des aspects techniques, la formation nous a également permis de rencontrer d'autres passionnés d'aérospatiale, partageant des idées et des expériences.
Les échanges avec les autres participants ont créé une atmosphère d'enthousiasme et de collaboration, renforçant notre motivation à poursuivre notre projet de la fusée expérimentale.
Partenariat avec Composites et Technologies
Nous sommes ravis de collaborer avec Composites et Technologie pour la fabrication de notre fuselage et de notre ogive de fusée en fibre de carbone.
Cette collaboration représente une avancée majeure dans notre projet de fusée expérimentale, car les composites en fibre de carbone offrent une combinaison optimale de légèreté, de résistance et de durabilité.​​
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