1. Premiers tests rudimentaires (tuyau dans une bouteille contenant un peu d'eau) pour vérifier le principe
Problème : Construire une fusée (rudimentaire) qui contienne de l'eau et de l'air comprimé pour la propulser.
Solutions : Bouteille trouée contenant un peu d’eau reliée par un tuyau a une pompe à vélo.
Nous avons passé quelques heures à faire un modèle (très) primitif de la fusée : juste une bouteille de Perrier avec un trou en bas et environ 1/3 d’eau, et puis avec un petit tube en plastique nous avons connecté la bouteille à une pompe. Nous avons d’abord essayé de mettre de la pression dans la bouteille et puis d'enlever le tube de la pompe, donc avec le tube encore attaché à la fusée, mais cela ne mettait que de l’eau partout serait plus utile comme arrosoir que comme fusée. Après plusieurs changements (quantité d’eau et pression de l’air) nous nous sommes rendu compte que c’était le bout de tube qui cassait le fonctionnement. Nous avons alors essayé une fois en enlevant le tube directement de la bouteille, ce qui a mieux fonctionné et la «fusée» a pris 2 mètres d’altitude avant de retomber en tournant dix fois autour d'elle-même. Il y avait de l’eau partout, mais nous étions satisfaits parce que nous avions enfin réussi à faire quelque chose (voir vidéo).
La bouteille a tourné autour d’elle-même car, comme la masse de l’eau est beaucoup plus grande que celle de l’air, même comprimé, la bouteille n’est pas du tout balancée et la poussée produite grâce à la pression de l’air dans la bouteille va faire partir la partie ayant la plus grande masse en avant (Si l’on lance une bouteille pas entièrement pleine le même phénomène se produit, voir vidéo).
Problème : Comment faire décoller notre fusée correctement?
Solution : Base de lancement avec trois tiges en métal, un tuyau relié à un compresseur par différents embouts.
2. Construction de la base de lancement
Le week-end du 4 et 5 octobre, nous avons commencé la construction du "launcher", la base de lancement de la fusée. D'abord nous avons pris une planche, et attaché des supports en bois pour éviter les basculements. Ensuite, nous avons tracé des guides au centre de cette planche, qui nous ont servis à placer des barres de fer pour un décollage perpendiculaire au sol. Après avoir coupé des barres en fer d'une taille qui nous semblait convenable au lancement, et soudé les différentes pièces ensemble, nous avons vissé les barres de fer sur la planche. Voici le résultat:
Nous avons pris un morceau de tuyau d'arrosage d'environ 1.50m de long. Puis, à l'aide des plusieurs raccords emboîtés (au nombre de 4), on a pu relier le tuyau d'arrosage au tuyau d'air d'un compresseur; l'autre devant se visser sur l'embout d'une bouteille, nous avons pris un embout de robinet se reliant au tuyau, puis à l'aide d'un bouchon de lotion pour le corps troué nous avons pu connecter le tuyau d'arrosage à la bouteille de façon efficace et facile pour le lancement.
3. Tests de sécurité par rapport à la résistance des bouteilles à la pression
Nous avons rempli d’eau plusieurs bouteilles en faisant en sorte qu’il reste le moins d’air possible (car l’air comprimé véhicule l’énergie alors que l’eau, étant un liquide, ne peut être compressé et ne peut pas emmagasiner d’énergie: ainsi l’explosion sera moins violente et il y a moins de danger). Nous avons ensuite branché la bouteille au compresseur grâce au système exposé dans le 2) ci-dessus, et la plupart des bouteilles ont explosées vers une pression de 12 bar (pression qui nous était possible d’atteindre grâce à un compresseur plus puissant d’un ami). Ceci est une démarche essentielle pour notre TPE : elle nous garantit une sécurité lors de la mise sous pression des bouteilles utilisée pour la fusée (voir vidéo-montage et explications à l'oral du TPE).
Même si théoriquement nous pourrions mettre au moins dix bar dans nos bouteilles, nous avons choisi de prendre une précaution supplémentaire en ne pressurisant qu’à 8 bar, car certains membres de USwaterrockets et Aircommand ont dit avoir eu de la malchance avec des bouteilles (défauts de fabrication) et ainsi avoir des bouts de plastique éjectés causant des plaies assez considérables. De plus, nous nous sommes rendus compte que ceci est aussi plus pratique car cette pression peut être atteinte avec un compresseur plus petit et moins compliqué à transporter (même si notre décision au départ partait d’un pur point de vue sécuritaire).
4. Premiers test avec la base de lancement, avec une bouteille simple avec un peu d'eau et de l'air pressurisé à différentes pressions
Cette partie est assez bien traitée dans le montage vidéo que nous avons fait. Après avoir fini la base de lancement (ou « launcher ») et avoir effectué les tests de sécurité par rapport à la pression (voir ci-dessus), nous avons tout de suite fait un premier test avec une simple bouteille remplie d’eau. Tout en respectant la limite de huit bar que nous nous sommes imposés nous avons fait plusieurs lancements en variant la pression (nous avons rencontré un petit souci, notamment une fuite lorsque la pression dépassait six bar, donc nous avons fait des lancements à 4, 5, 6 et 6.5 bar). Les résultats étaient conformes à nos attentes, la plus haute pression à l’intérieur de la bouteille semblait amener la pseudo-fusée à la plus grande altitude: en effet le lancement à 6.5 bar était le seul à dépasser un grand pin que nous avions pris comme référence.
Voici les résultats obtenus avec Tracker lors de ce lancement :
1° graphique: accélération au cours du temps. 2° graphique: vitesse au cours du temps. 3° graphique: altitude au cours du temps.
Problème : Connaître l'altitude de la fusée
Solution : altimètre (carte Texas Instruments avec altimètre SparkFun™)
5. Construction de la fusée (corps de la fusée et partie électronique: altimètre)
Samedi 5/10 : impatient de commencer la construction de la fusée, Matthieu a passé plusieurs heures à chercher sur Internet pour un système de déploiement de parachute qui se déclenche quand la fusée commence à redescendre.
Finalement il a trouvé l’ "AlTImeter©", basé sur un système à basse énergie de Texas Instruments, qui lance le parachute au bon moment et mesure l’altitude maximale atteinte.
Une des principales problématiques lors de la construction de notre fusée était le déploiement du parachute. En effet, plusieurs essais nous ont été nécessaires pour réussir à mettre en œuvre ce système; même après avoir fait tout marcher au sol le lancement ne s'est pas fait sans problèmes...
À cause de l'altitude assez importante, il fut à prévoir qu'une chute serait fatale pour la fusée, et qu'il fallait refaire la fusée (au moins la coiffe) à chaque lancement: donc la présence d'un parachute est indispensable pour pouvoir faire de multiples essais facilement.
Comment empêcher le bris de notre fusée ?
Problème : Déclenchement d'un parachute
Solution: relier un moteur Servo à l'altimètre SparkFun™ qui est censé se déclencher lorsque la fusée perd de l'altitude.
L'idée était d'activer un moteur qui permettrait de déployer un parachute afin de protéger notre fusée. La question qui se posait alors est la suivante : quand l'activer, et comment la déployer ? Nous nous sommes penchés sur la question et avons trouvé une réponse aux deux questions:
Le circuit est composé de quatre entités:
-Un moteur Servo
-Une carte mère Texas Instruments
-Un altimètre SparkFun
-Une boîte à piles chinoise
Grâce au programme inséré dans la "carte-mère", et à l'aide de l'altimètre, nous pouvons détecter une pression croissante, décroissante, et stagnante, la batterie étant là pour alimenter notre moteur et notre carte.
Ainsi, lorsque la fusée décolle, l'altimètre détecte une pression décroissante. La fusée atteint son maximum de hauteur, puis à cause de la gravité, entame une pente descendante. Donc la pression augmente au rapprochement de la surface de la terre. L'altimètre détecte une augmentation de la pression, envoie une impulsion dans la carte mère, qui active le moteur, le parachute se déploie et le tour est joué!
Problème: Intégrer le système électronique à la fusée
Solution : Support rentrant dans la coiffe avec système de porte à l'air libre pour expulser le parachute.
La construction
Très vite lors des recherches sur Internet, nous nous sommes rendus compte qu'il nous fallait un moyen fiable, durable néanmoins assez simple et peu cher à concevoir pour relier les bouteilles. Nous avons donc cherché et comparé divers moyens, et avons abouti à deux façons assez intéressantes pour notre projet: le "tornado tube" (connexion de deux bouteilles par le goulot, assimilable à deux bouchons fondus ensemble avec un trou pour connecter les deux bouteilles), et le "robinson coupling" (voir schéma et photo ci-dessous).
Ensuite, bien que fonctionnel au final (au sol), nous devons avouer que l'assemblement des différents composants électroniques fut laborieux.
La première difficulté a été de trouver des outils appropriés et de bonne qualité.
En effet, nous avions pris dans un premier temps un fer à souder avec un embout trop large pour effectuer les soudures. Cela fut donc difficile et compliqué pour réaliser les assemblages. Nous avons pu malgré tout souder l'altimètre à la carte mère.
Après de nombreux essais, nous avons pu souder tous les composants. Puis il fallait les fixer à notre support :
Support qui va servir à maintenir la partie électronique en place.
Tests
Pour terminer et pour voir si notre circuit électronique fonctionnait correctement, nous avons fait des tests avec une cloche à vide.
Nous avons mis notre dispositif dans la cloche à vide, baissé la pression (ce qui simule en fait que la fusée monte), puis augmenté (la fusée descend) et le parachute s'extrait bien lorsque la courbe de la pression s'inverse (nous avons mesuré 21237 mètres d'altitude en laissant tourner le moteur de la cloche assez longtemps, et 25 mètres en laissant tourner le moteur pendant un temps le plus court possible: ceci montre que l'altimètre peut mesurer des différences d'altitude assez faibles). Le logiciel que nous avons mis sur la carte Texas Instruments actionne le moteur Servo dès que l'altimètre mesure une baisse d'altitude.