Fusee a eau

Une fusée à eau ou fusée hydropneumatique est un engin volant constitué d'une bouteille en PET propulsée par réaction, en utilisant de l'eau et de l'air sous pression. Ces engins peuvent dépasser la vitesse de 200 km/h et les 100 mètres d'altitude^[1]. Leur lancement nécessite l'utilisation d'une base de lancement (ou pas de tir) fabriqué à cet effet. Pour ses vertus pédagogiques et son côté spectaculaire, la construction de fusées à eau est une activité souvent pratiquée dans les écoles.

Sommaire 1 Principe 2 Mesures de sécurité 2.1 Fusée minimale 2.2 Le réservoir 2.3 Les ailerons 2.4 La charge utile 2.5 Le système de récupération 3 Le vol d'une fusée à eau 4 Base de lancement 4.1 Base « raccord de jardin » 4.2 Base « plein goulot » 4.3 Tube de lancement 5 Voir aussi 5.1 Liens internes 5.2 Liens externes 5.3 Bibliographie 6 Notes et références

Principe

La propulsion d'une fusée à eau est basée sur le principe bien connu d'action-réaction : lorsqu'une certaine masse (la masse d'eau, ici) est éjectée violemment d'un conteneur, il se crée une force de réaction dans le sens opposé. C'est par ce même principe que les fusées telles qu'Ariane sont propulsées, sauf qu'à la place d'une masse d'eau, ces engins éjectent une masse de gaz enflammés.

Dans les fusées à eau, la masse à éjecter est donc de l'eau, fluide parfaitement neutre et dépourvu d’énergie. Le moyen pour éjecter cette eau n'est pas une réaction chimique mais la mise sous pression de l'air dans le conteneur. Ce conteneur est une simple bouteille en PET. Pour des raisons de sécurité, il est important que cette bouteille soit en PET, afin de résister à la forte pression interne.

Plus la pression de l'air dans la fusée est élevée, plus l'eau sera éjectée rapidement, et donc plus la force de réaction sera grande, même si elle dure moins longtemps.

Dans la pratique, la phase de propulsion d'une fusée à eau est en général très courte (de l'ordre du dixième de seconde pour une fusée type de 1,5 L). Cependant, après cette phase propulsive, la fusée à eau continue son ascension grâce à l'énergie cinétique acquise, et ceci malgré la pesanteur et la résistance de l'air.

Le protocole de lancement d'une fusée type est le suivant : La fusée remplie de 30 % à 40 % d'eau est placée sur son pas de tir. L'air de la bouteille est alors mis sous pression (à 5 000 hPa en milieu scolaire, soit 5 bars ou 5 Atmosphères en unités anciennes, et jusqu'à 8 000 hPa), généralement à l'aide d'une pompe à pneumatique manuelle. Une fois la pression adéquate atteinte, la fusée est libérée et commence son vol.

Lancement de fusée à eau H+30ms.

H+90ms.

H+150ms.

Mesures de sécurité

Les fusées à eau sont des engins concentrant une énergie importante, capables d'occasionner des blessures graves si des mesures de sécurité simples ne sont pas respectées.

Il est par conséquent recommandé qu'aucune personne ne se trouve à moins de 10 mètres du pas de tir pendant la mise sous pression et le décollage d'une fusée^[2],[3].

Les composant d'une fusée

Une fusée à eau se compose de 4 parties bien distinctes:

L'ogive La pointe de notre fusée est constituée d' une coiffe ou ogive (définition davantage militaire), dont l' utilité est l' amélioration de l' esthétique et surtout de l' aérodynamique. Un profil pointu comme celui d'un avion de chasse ou du Concorde, qui nous semblerait, à priori, le meilleur est inutile pour nos FHP (Fusée Hydro Pneumatique) dont la vitesse reste largement en dessous de celle du son. Mais cette coiffe peut aussi contenir un dispositif qui permettra à la fusée de retourner au sol en douceur, un parachute par exemple.

Le fuselage est le corps principal de la FHP car il va servir de réservoir ainsi que de chambre pour que la pression augmente et expulse la tuyère.

La tuyère est le bouchon qui sert à contrôler le débit de la FHP. Il doit laisser entrer l'eau lors du remplissage et il permet de contrôler le débit de l'eau lors de la propulsion.

Les ailerons permettent de contrôler la trajectoire de nos FHP. Il se doivent d'être aérodynamique pour ne poser aucune résistance à la montée de notre FHP. Pour la construction d'une FHP il ne faut pas se fier aux fusées Ariane qui ont de tous petits ailerons car elles sont dirigées constamment par un système électronique et sont naturellement instables. A notre niveau il est quasiment impossible de reproduire ce système car ils sont lourds, volumineux et complexes.

Fusée minimale

Une simple bouteille en PET constitue en elle-même une fusée à eau permettant de mettre en lumière l’existence d’une très grande force propulsive. Cependant cette simple bouteille se montrera aérodynamiquement instable : elle se mettra à tournoyer, de telle sorte qu’elle ne gagnera pas beaucoup d'altitude.

Pour la rendre stable, il faut ajouter des ailerons à la fusée. Une fusée de 1,5 litres dotée d'ailerons peut aisément dépasser les 60 mètres d'altitude.

Le réservoir

Le réservoir de la fusée à eau est le volume interne de la ou les bouteille(s).

Il est possible d'augmenter le volume du réservoir de la fusée en assemblant entre eux plusieurs éléments de bouteilles. Cela nécessite un collage interdisant les fuites et les éventrements sous la forte pression de lancement. La colle polyuréthane, utilisée en général pour ce genre de collage, apporte une bonne étanchéité, une bonne résistance à la pression, ainsi que l’élasticité nécessaire pour résister à la violence de certains retours au sol.

Certaines fusées à eau perfectionnées comportent plusieurs étages qui se déclenchent chacun à leur tour au moyen de mécanismes divers^[4].

Les ailerons

Les ailerons ont beaucoup d'influence sur les performances de la fusée. Ils permettent une stabilisation de la trajectoire.

Ils doivent être bien dimensionnés, situés en dessous du centre de gravité et solidement fixés au corps de la fusée. Des ailerons trop grands entraineront un problème de stabilité et des ailerons trop petits ne stabiliseront pas assez la fusée.

Ailerons construits à partir d'un disque compact.

La charge utile

La charge utile est l'ensemble des choses que la fusée embarque et qui ne servent pas directement à son fonctionnement. Il peut s'agir d'une petite caméra ou d'un appareil photographique, d'instruments de capture de données (accélération, vitesse, altitude, ...) ou de tout autre chose.

Le système de récupération

Lorsqu'une fusée à eau est suffisamment évoluée, le fuséiste veut récupérer sans dommage la fusée et/ou le matériel embarqué. Pour cela on utilise un système de récupération qui a pour rôle de ralentir la vitesse de chute de la fusée. Plus la vitesse de chute est faible, moins le choc sera violent.

Le système le plus utilisé est le parachute bien qu'il existe d'autres techniques assez innovantes. Il est souvent conçu à partir d'une toile de nylon ou d'un sac-poubelle. Des ficelles relient le parachute à la fusée.

Le plus délicat consiste à créer un dispositif de déclenchement du parachute fiable. Le parachute doit être enfermé dans la fusée pendant la phase ascensionnelle du vol et se déployer pendant la chute.

Il existe différentes méthodes répandues de simplicité et de fiabilité variable :

• la méthode dite « sylapus », acronyme de « SYstème de LArgage de Parachute Ultra Simple », elle utilise l'inertie lors du retournement de la fusée à son apogée pour que la coiffe se sépare du corps de la fusée, libérant ainsi le parachute. Cette méthode est simple à réaliser. Elle comporte l'inconvénient de n'être efficace que pour les tirs verticaux.
• avec un retardateur mécanique « tomy timer » (mécanisme dans des petits jouets).
• avec un volet plaqué contre la fusée qui s'ouvrira lors de la perte de vitesse de la fusée (par la traction d'un élastique), libérant ainsi le parachute.
• système radio-commandé
• ou bien en utilisant des ailerons "planeurs" : ils sont plaqués à la fusée lors du décollage et la font planer lors de la descente

Le vol d'une fusée à eau

Les étapes du vol d'une fusée à eau simple (un seul étage) sont les suivantes :

• Propulsion à l'aide du tube de lancement (s'il y en a un)
• Propulsion par éjection de l'eau
• Propulsion par éjection de l'air
• Ascension non propulsée (décélération due à la gravité et la traînée)
• Atteinte de l'apogée (altitude maximale, vitesse verticale nulle)
• Chute jusqu'au sol (freinée ou non par un parachute)

La propulsion ne représente qu'une très courte partie du vol^[5].

Base de lancement

La base de lancement, ou pas de tir, est indispensable pour envoyer des fusées. Elle sert à la mise sous pression et à la mise dans la trajectoire au décollage. Il y a deux grandes familles de bases de lancements : ceux dit « plein goulot » et ceux avec « raccord de tuyau de jardin ». Chacun de ces systèmes a son lot d'avantages et d'inconvénients.

Base « raccord de jardin »

La méthode la plus courante pour fabriquer un pas de tir de type « raccord de tuyau de jardin » consiste à fixer solidement sur un support stable un raccord femelle de tuyau d'arrosage, de type raccord rapide à libération par simple traction, ou mieux, par rotation. La partie mâle est adaptée au goulot de la bouteille de manière étanche. Le plus facile est de percer le bouchon pour y insérer le raccord mâle réduit par l'image. Un tuyau de quelques mètres est fixé au raccord femelle, et fermé à son extrémité par une valve de vélo qui permet de brancher la pompe et de conserver la pression. La libération de la fusée se fait par traction d'une ficelle adaptée au raccord.

On peut fabriquer une base de lancement beaucoup plus fiable et puissante avec des coudes de gouttière (pour faire le support), un mécanisme d'emboîtage de tuyau de jardin (pour maintenir la bouteille en place durant la mise sous pression), et un frein de vélo (pour déclencher le tir).

Exemple d'un pas de tir « raccord de jardin » et d'un embout mâle sur une fusée

Ce type de base de lancement a un inconvénient : si pour une raison quelconque, on perd la fusée, on perd aussi la partie mâle.

Base « plein goulot »

Sur ce type de lanceur, le goulot de la bouteille sert directement de tuyère. Cela offre une poussée plus forte, mais aussi plus courte que les systèmes « raccord de jardin », grâce à son plus grand diamètre.

Sur ce type de base de lancement, il est possible et souvent souhaitable, de créer un système de retenue qui maintient la fusée sur le pas de tir pendant la mise sous pression et jusqu'à ce que l'utilisateur actionne le mécanisme de libération de la fusée. Cela permet d'atteindre des pressions élevées (supérieures à 4 ou 5 bars) et donne une maîtrise du moment de décollage.

Pas de tir à colliers avec un tube de lancement

Tube de lancement

Un tube de lancement est un tube rajouté sur la base de lancement, qui se trouve au-dessus du goulot lorsque la fusée est positionnée. Ainsi le tube pénètre dans la fusée.

Ce système offre principalement deux avantages importants :

• Guidage de la fusée en début de trajectoire.
• Propulsion de la fusée au décollage en évitant d'éjecter trop d'eau.

Le diamètre et la longueur du tube conditionnent son efficacité. Plus grandes seront les dimensions, plus efficace le tube sera.

Voir aussi

Liens internes

• Moteur à eau. Lorsque l'eau est un additif, ou une source d'énergie.

Liens externes

• Vidéo de la fabrication d'une fusée à eau
• Vidéos tutos bricolage sur les fusée à eau

Bibliographie

• Ivan Lanoë, Construisez et lancez des fusées à eau, Dunod, Paris, 2003 (ISBN 2-10-006988-8)

Notes et références

Série sur l’aéromodélisme
Appareils radiocommandés	Hélicoptère radiocommandé · Avion radiocommandé · Planeur radiocommandé
Marques	Futaba · Walkera · Graupner · Multiplex · Hitec · Airtronics · BMI-Models · GWS · Heller
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