Les Fusées
Le but de la fusée étant de transporter une expérience le plus haut possible, ses performances en poids et altitude vont nous intéresser tout particulièrement. Il va donc falloir lui donner des caractéristiques telles qu'elle aille vite et loin. Ce sont ces deux préoccupations que nous aurons dans la conception de la fusée :
- sa stabilité, qui lui assurera une bonne trajectoire
- ses performances qui la rendront efficace.
Une fusée décolle grâce à une force appelée « action réaction » ; par exemple, si un canon tire une boule à 90 km/h (action), le canon reculera à 4,5 km/h (réaction). La fusée subit le même procédé, mais dans le sens vertical.
Pour aller dans l'espace, la fusée ne doit pas aller tout droit, mais elle doit former une courbe. Le phénomène d'"action-réaction" permet à la fusée de partir dans l'espace, elle doit atteindre la vitesse de 7,9 km/s pour se mettre en"orbite"autour de la Terre. Pour se mettre en orbite, la fusée doit s'alléger:elle se sépare en donc en plusieurs étages. Ils se détachent quand ils ont brûlés tout le "kérosène" contenu dans leurs réserves. Les étages sont de plus en plus petits, donc moins lourds, il y a moins de place pour le carburant. Le dernier étage est un satellite artificiel qui est la seule partie pouvant se mettre en orbite. Quand il retourne sur Terre il se met à brûler à cause du frottement trop rapide avec l'air. Il déploie alors son parachute qui ralentit sa combustion. Il peut donc atterrir tout en douceur.
Il n'y pas d'air dans l'espace donc rien ne peut brûler : comment les fusées peuvent-elles alors brûler leur carburant ?
Elles emportent avec elles de l'oxygène ou l'oxydant liquide: ceci est appelé le comburant.
Pour contrôler la trajectoire de la fusée ou du moins la prévoir il y a plusieurs forces qui contribuent au déplacement de la fusée :
- la poussée du moteur,
La poussée, si le propulseur est correctement positionné s'applique suivant l'axe longitudinal, c'est à dire dans la longueur de la fusée.
- le poids de la fusée,
Le poids s'applique au centre de gravité et est dirigé verticalement vers le centre de la Terre.
- la résistance de l'air à l'avancement de la fusée.
La résistance de l'air à l'avancement de la fusée, qui s'applique en un point appelé «centre de poussée aérodynamique».
Ces forces peuvent se décomposer suivant les axes longitudinal et latéral de la fusée.
Comment agir sur ces forces?
- La poussée du moteur : un seul moyen : changer le type de moteur, ce qui modifiera les performances, mais n'influera pas sur la stabilité.
- Le poids : défini avant le lancement, il ne varie durant le vol que de la masse de poudre brûlée et éjectée pendant la propulsion.
- La résistance de l'air : c'est surtout grâce à elle que nous allons pouvoir améliorer performances et stabilité de la fusée.
Courbes symbolisant des caractéristiques d'une fusée en foction du temps
Parmis les éléments à prendre en compte, il y a :
LA RÉSISTANCE DE L'AIR
Elle provient de l'action combinée :
- du frotement avec l'air. La vitesse de ce vent est égale à la vitesse de déplacement de la fusée.
- de l'air en déplacement pour des raisons météorologiques : le vent vrai.
Les vitesses de ces deux vents s'additionnent pour ne donner qu'un seul déplacement d'air apparent : le vent relatif ou apparent qui est égale à la somme des vecteurs des vents.
ACTION DU VENT RELATIF
- RA, composante de l'axe longitudinal qui influe sur les performances de la fusée, est appelée traînée.
- RN, composante normale à l'axe longitudinal, qui assure la stabilité de la fusée est appelée portance.
LA TRAÎNÉE
Elle dépend principalement de 3 facteurs :
- la taille de la fusée,
- sa forme,
- son état de surface.
Un revétement lisse permetra de diminuer la traînée.
La résistance de l'air (R) est complètement définie par ses deux composantes :
- La portance (RN) pour la stabilité de la fusée
- La traînée (RA) pour ses performances.
LA STABILITÉ DE LA FUSÉE
Pour être stable, la fusée doit conserver la même attitude durant son vol.
Si la fusée commence à pencher pour une raison quelconque, elle retrouvera sa position initiale si elle est stable.
CONDITIONS DE STABILITÉ
Pour que la fusée soit stable, il faut que les ailerons ne soit ni trop grands ni trop petits et ni trop prés du centre de gravité de la fusée. Il y en général au moins 3 ailerons.
L'INSTABILITÉ
Prenons une fusée dont le centre de poussée soit en avant du centre de gravité par rapport à la pointe. Dans ce cas, la force de portance va entraîner la fusée qui va se retourner par rapport au vent relatif, la pointe en arrière. La fusée se retournant, l'axe de propulsion fera de même et le vent propre également.
Elle effectuera donc des «loopings» avant de retomber disgracieusement au sol.
Nous sommes en situation d'instabilité.
RÉPARTITION DES FORCES NORMALES :
Nous avons vu que les forces qui contribuaient à la stabilité de la fusée sont la composante du poids et la portance . La portance étant proportionnelle au carré de la vitesse, dès que la fusée a acquis un peu de vitesse devient prépondérante sur , le rapport d'importance étant d'environ 10.
DÉTERMINATION DES CENTRES
• LE CENTRE DE GRAVITÉ
Par définition, il est situé sur l'axe longitudinal au niveau de la position d'équilibre au repos de la fusée à l'horizontale.
• LE CENTRE DE POUSSEÉ
Une seule solution reste à retenir pour avoir une fusée stable : le centre de poussée est en arrière du centre de gravité par rapport à la pointe.
En effet, lorsque la fusée est en incidence, la résistance de l'air la plus grande sera portée sur les parties de plus grande surface au vent. Lorsque nous voyons une fusée de profil, il apparaît bien que la résistance de l'air minimale s'applique sur la pointe et la résistance maximale vers les ailerons.
La position du centre de poussée est donc en relation avec la position des ailerons.
TROP DE STABILITÉ NUIT
En effet, la fusée sera trop facilement influencé par le vent vrai.
Liens ayant permis la réalisation de cette page :
http://clap54b.free.fr/microfusees/6vol.htm
https://fr.vikidia.org/wiki/Fus%C3%A9e_spatiale