Les empennages
La problématique
Le rôle de l'empennage (ensemble des ailerons) consiste à assurer la stabilité de l'engin, en faisant en sorte que le centre de poussée (CdP) soit en dessous du centre de gravité (CdG), a une distance égale à au moins un diamétre de l'engin. Pour en avoir les explications, se reporter à la page sur la stabilité des fusées.
Pour "faire descendre" le centre de poussée, on peut agir sur la surface des ailerons et leur position par rapport au centre de gravité. Plus les ailerons seront bas, moins la surface nécessaire sera importante.
Minimiser la surface des ailerons est important parce que s'ils améliorent la stabilité de l'engin, les ailerons ont une influence néfaste sur les performances puisque ils augmentent le poids, le coefficient de trainée et la surface offerte à la resistance de l'air. Il faut donc bien prendre en compte toutes ces considérations pour concevoir de bons ailerons.
Les différentes parties d'un ailerons
Une première question à régler concerne le nombre d’ailerons. En pratique le choix se résume à 3 disposés à 120° ou 4 disposés à 90°.
Ensuite, quelle forme leur donner ? La figure ci-dessous donne les formes les plus courantes, mais ce n’est pas limitatif.
Pour ce type d’engin, il ne semble pas que la forme ait une grande importance, néanmoins l’usage courant tend à privilégier la forme en delta tronqué avec une longueur d’emplanture voisine d’un diamètre et un angle entre l’emplanture et le bord d’attaque compris entre 60° et 70°.
La position des ailerons sera toujours aussi basse que possible.
Les Matériaux
Comme vu précédemment, bon nombre de matériaux peuvent être utilisés pour les ailerons.
Le carton fort, le balsa, l’akilux ou les plaques de matière plastiques (PVC ou Nylon) sont assez faciles à découper avec un cutter bien affûté (attention les doigts). Toujours utiliser une règle métallique (ou mieux une cornière 15x15) pour guider le cutter sans risque pour les doigts.
Utilisation d'une cornière pour la découpe au cutter
Le bristol ou le PET demandent un peu plus de travail puisqu’ils doivent être replié et collé pour obtenir des ailerons rigides et plans. Pour le bristol, il s’agit de lui donner plus de rigidité et pour le PET il faut compenser d’une part son manque de rigidité et d’autre part sa courbure naturelle.
Chaque aileron est donc constitué de deux faces identiques collées entre elles. Ces deux faces seront découpées d’un seul tenant en faisant en sorte qu’elles soient réunies par le bord d’attaque (figure ci-dessous) et l’on en profitera pour rajouter 2 bandes de collage à l’emplanture.
Découpe d'un aileron
Exemple de réalisation d'un aileron en PET
Pour améliorer les performances de mes fusées, j'ai abandonné le carton au profit du plastique PET récupéré sur des bouteilles.
Ces ailerons sont beaucoup plus légers et résistants, mais la réalisation est un peu plus compliquée. Ils sont constitués d'une feuille de PET pliée et collée. En effet, le plastique découpé dans une bouteille est fortement courbé, aussi en le pliant et en collant les deux parties, cela donne un ensemble plat.
En voici les étapes :
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Réaliser un gabarit composé de deux fois le profil de l'aileron, réuni par le bord d'attaque. Sans oublier les rabats, sur le coté emplanture, qui permettront de coller l'aileron sur le fuselage de la fusée ou la jupe. On peut aussi tracer directement sur la feuille de plastique, mais sa courbure ne rend pas ce tracé facile. |
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Découper dans une bouteille, la partie centrale cylindrique, puis fendre le cylindre ainsi obtenu, comme ci-contre, pour obtenir une feuille rectangulaire. |
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Tracer, à l'aide du gabarit, le contour de chaque aileron sur le plastique, en positionnant le bord d'attaque sur la pliure. Faire en sorte que la pliure se trouve soit sur une génératrice du cylindre que formait le morceau de plastique, soit perpendiculaire à une génératrice. Ceci permet d'avoir les deux parties de l'aileron avec la même courbure mais de sens opposé, ce qui fait qu'apres collage l'ensemble sera plat. |
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Plier la feuille de PET le long du bord d'attaque. En utilisant un triple-décimetre, ou tout autre règle plate, on obtient facilement une pliure bien nette |
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Coller les deux parties avec de la cyanolithe. Attention toutefois de ne pas coller les deux rabats pour la fixation des ailerons sur le fuselage. Pour cela , je replie ces deux rabats avant encollage. Sur la photo, une des faces de l'aileron est encollée. On peut aussi juste coller le bord de fuite et le saumon avec du ruban adhésif. |
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Les deux parties sont alors rabattues l'une sur l'autre, il faut passer rapidement la main dessus pour bien répartir la colle partout. Cette étape ne concerne que le collage à la cyanolithe, bien sûr. |
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L'aileron est alors pressé fortement entre deux planches et à l'aide de serre-joints. Les rabats sont à l'extérieur et repliés, de sorte qu'ils ne puissent pas être collés entre eux. Cette étape ne concerne également, que le collage à la cyanolithe. |
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Découper les ailerons selon le tracé préalablement réalisé. La photo nous montre un aileron terminé. Il reste maintenant à coller les ailerons sur le fuselage. |
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Collage des ailerons sur la fusée
Deux méthodes de collage, directement sur le corps de la fusée ou sur jupe.
Les schémas ci-dessous montrent :
À gauche un collage direct sur le réservoir, qui a l’avantage de la simplicité, mais ne permet pas de positionner les ailerons aussi bas que l’on voudrait, et selon la forme de la bouteille, la forme de l’emplanture peut être compliquée.
À droite un collage sur jupe (en rouge). La jupe est un cylindre de PET découpé dans une autre bouteille, sur laquelle viennent se fixer les ailerons. L’emplanture est ici droite, donc facile à réaliser et le collage est relativement simple. Le positionnement des ailerons est facile, il suffit de faire une jupe plus ou moins longue (On peut même envisager un empennage exclusivement composé d’une jupe placée beaucoup plus bas que la tuyère et maintenue par trois ou quatre longerons). Inconvénients de ce type de montage : il est plus lourd et moins aérodynamique que le précédent.
Fixation des ailerons sans ou avec jupe
Positionnement
Le collage des ailerons est assez délicat. Il faut en effet qu’ils tiennent solidement sous peine d’être arrachés au décollage, et qu’ils soient bien positionnés pour un guidage efficient.
Des ailerons bien positionnés, ça veut dire tous à la même hauteur puis répartis uniformément autour de la fusée (c’est-à-dire à 120° les uns par rapport aux autres dans le cas de 3 ailerons ou à 90° dans le cas de 4).
Pour que tous les ailerons soient à la même hauteur, il faut tracer un trait autour de la bouteille (ou de la jupe) correspondant au sommet de l’emplanture.
Pour répartir uniformément les ailerons autour de la fusée, tracer l’emplacement du premier aileron. Sa position n’a pas vraiment d’importance, il faut cependant que son emplanture soit bien parallèle à l’axe de la fusée. On s’aidera donc d’une cornière pour tracer cette première position. Pour les positions des autres ailerons, procéder comme suit :
En s’aidant d’une feuille de papier comme pour tracer une ligne de découpe, mesurer le périmètre exact de la bouteille en marquant l’endroit du recouvrement de la feuille. Enlever le papier, puis mesurer le périmètre.
Diviser ce périmètre par 3 ou 4 selon le nombre d’ailerons et reporter sur le bord de la feuille cette valeur comme indiqué ci-dessous
Mesure de l'espace entre ailerons
Remettre ensuite la feuille en place sur la bouteille en alignant le premier bord de feuille sur le tracé de la position du premier aileron et reporter les emplacements des autres ailerons sur la bouteille. A l’aide de la cornière, compléter le trait d’emplanture pour chaque aileron.
Maintenant, il s’agit de coller les ailerons sur la bouteille ou la jupe.
D’abord quelle colle choisir ?
Peu de colles sont vraiment efficaces sur le PET.
Les colles polyuréthane (Sikaflex 11 FC par exemple) adhèrent assez bien, malheureusement elles ont un temps de prise assez long, nécessitant tout un montage pour maintenir les ailerons en place sur la fusée pendant le séchage. Par ailleurs, elles sont chères et peu recommandées pour la santé.
Les cyanoacrylates (genre Super glue, cyanolithe, ...), si elles n’offrent pas une adhérence équivalente, ont le mérite d’avoir un temps de prise très court, mais attention au collage de doigts.
Les colles au néoprène ont un pouvoir adhésif correct et une prise rapide. Elles constituent sans doute un des meilleurs compromis.
Les colles époxy ont aussi un pouvoir adhésif correct, mais les temps de prise sont longs. Il existe depuis quelque temps des colles époxy « rapides », mais le temps de prise est quand même de quelques minutes de plus il semble que leur pouvoir adhésif ne soit pas aussi bon que les autres.
Les pistocolles, A NE JAMAIS UTILISER SUR UN RESERVOIR. La colle chaude déforme le PET et peut même faire des trous, donc à proscrire absolument sur les parties qui seront sous pression.
On peut les utiliser pour coller les ailerons (s’ils ne sont pas en PET) sur une jupe, avant de placer celle-ci sur le réservoir.
Quelle que soit la colle choisie, il faudra prendre la précaution de passer un petit coup de papier de verre sur les parties à encoller et bien les dégraisser.
Si les ailerons doivent être collés directement sur le réservoir, il est préférable de choisir une colle à prise rapide (néoprene ou cyanoacrilate). On renforcera ce collage par l'ajout d'une bande adhésive de part et d'autre de chaque aileron.
Il est toujours possible de coller sur le réservoir des ailerons avec une colle à séchage long, mais dans ce cas il faudra prévoir tout un montage pour maintenir les ailerons en place sur le réservoir. Celui-ci sera gonflé au préalable (2 ou 3 bars suffisent) pour le rendre rigide
Les photos ci-dessous montrent ce que j'ai réalisé à partir de cartons d'emballage. Les ailerons étaient en carton fort (taillés dans un calendrier mural).
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Le carton de base est découpé pour ménager un emplacement pour le bouchon de la bouteille et 4 emplacements pour les ailerons. Les petits cartons collés verticalement maintiennent en place les ailerons. Il ne reste plus qu'à encoller les ailerons et déposer la bouteille au centre. On notera que dans cet exemple la forme de l'emplanture est compliquée, mais correspond au profil du haut de la bouteille. |
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Après encollage des ailerons, la bouteille est insérée. La feuille de papier collée sur la bouteille permet de vérifier l'alignement des ailerons. Au besoin on aura pris la précausion de remplir la bouteille d'eau pour faire du poids et de la gonfler légèrement (2 ou 3 bars). |
Le collage des ailerons sur une jupe est, généralement, plus facile.
D'abord il faut découper une jupe dans la partie cylindrique d'une bouteile identique au réservoir. La hauteur de ce cylindre sera au moins égal à la dimension de l'emplanture. Attention toutefois de ne pas la faire trop longue, elle pourrait géner la mise sur rampe.
Avant de découper ce cylindre, ne pas oublier de tracer les emplacements des ailerons, c'est plus facile de tracer sur une bouteille (voir méthode ci-dessus), si possible légèrement gonflée, que sur un cylindre de PET tout mou.
Laisser environ 1cm de libre en haut du cylindre pour faciliter le collage sur la fusée, à l'aide de ruban adhésif.
Préférer les colles à prise rapide, en particulier les colles au Néoprène, et on renforcera le collage par une bande adhésive de chaque coté. Ne mettez pas des tonnes de ruban adhésif, ça ne fait qu'alourdir la fusée, mais utilisez de la bonne qualité.
Les ailerons avec rabats comme ceux décrits précédemment, présentent une plus grande surface de collage et la pose de ruban adhésif se fait "à plat" donc plus aisément.
Il faut également veiller à ce que les ailerons ne "flotte" pas, c'est à dire qu'il reste bien dans un plan passant par l'axe de la fusée. Autrement dit, chaque aileron de l'empennage doit rester fermement à un angle de 90° (pour 4 ailerons et 120° pour 3) par rapport aux ailerons adjacents
Le dessin ci-dessous montre le positionnement des ailerons (cas de 4 ailerons), mais à gauche, il montre ce qui ne doit pas se faire.
La photo ci-dessous montre une réalisation. Les ailerons sont en "akilux", ils sont collés avec de la Sikaflex 11FC blanche plus du ruban adhésif renforcé fibre de verre.
La pose du ruban adhésif est un peu compliquée quand il n'y a pas de rabats comme ici.
Coller la moitié du ruban sur l'aileron et replier completement la partie non collée. Positionner l'aileron à sa place et lacher le ruban adhésif et le plaquer sur la jupe. Pour le deuxieme coté de l'aieron, Il faut plier le ruban dans le sens de la longueur, la partie collante à l'extérieur bien sûr. Puis le positionner l'arrete collante de ce ruban plié, aussi parfaitement que possible, dans l'angle formé par l'aileron et la jupe. Appliquer chaque partie du ruban adhésif respectivement sur l'aileron et la jupe.
Ensemble jupe + ailerons
Il ne reste plus qu'à fixer cet ensemble sur la fusée, avec du ruban adhésif.
Ci-dessous l'empennage d'une bouteille de 1,5 litre et que j'ai peint en orange fluo pour mieux le voir. On distingue nettement le ruban adhésif rouge de fixation de la jupe sur la fusée. Les ailerons sont en PET, avec rabats, collés sur la jupe avec de la Sikaflex 11FC blanche et du ruban adhésif (non visible sur cette photo).
