Les systèmes de récupération
Lorsque vous maîtriserez la construction de fusées à eau de plus en plus performantes, vous serez vite lassé de voir vos belles réalisations détruites après leur premier vol à cause d’un retour brutal au sol. Tout naturellement vous vous lancerez dans la conception d’un système de récupération. Pour vous y aider, voici quelques pistes.
Le parachute posé sur la fusée
Le système le plus simple consiste à mettre le parachute directement sous le cone. Le risque alors est que le cône ne tombe pas à culmination. À cela plusieurs raisons :
La vitesse de la fusée à culmination est non nulle, en effet la fusée
décrit une trajectoire parabolique et à la culmination elle a une
direction parallèle au plan de la terre et sa vitesse n’est pas nulle,
même si la composante verticale de cette vitesse l’est en effet.
Sous l’effet de l’accélération au départ, le cône s’enfonce sur la fusée
et se coince définitivement (oui définitivement parce que son arrivée au
sol ne va pas arranger les choses ?)
Pour avoir une chance de réussite, 2 précautions sont indispensables
(mais hélas pas forcément suffisantes) :
Lancer le plus verticalement possible pour que la vitesse de la fusée à
l’apogée soit la plus faible possible
Placer au sommet de la fusée, juste sous le cône, une bande de plastique qui empêchera le cône de s’enfoncer, comme le montre le schéma ci-dessous. Quand on retourne la fusée, le cône doit tomber instantanément. Le parachute se loge dans le cone, les suspentes seront collées sur le sommet du réservoir.
Le volet aérodynamique
Brièvement, il est basé sur le maintient du cone par un elastique lui même fixé sur un volet aérodynamique. Ce volet est maintenu le long du corp de la fusée par la vitesse de l'air, ou par un micro volet avant le décollage de l'engin. Lorsque la vitesse devient faible (donc proche de l'apogée), le volet s'ouvre et libére ainsi l'élastique de maintien du cone. Celui ci est alors éjecté et le parachute peut se déployer.
Voyons maintenant le détail :
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Le cone et sa fixationLe cone, classiquement un sommet de bouteille, repose sur un rebord constitué d'un manchon de plastique collé (partie jaunatre sur la photo). Ce manchon empeche le cone de venir se coincer sur le cul de bouteille lors de l'accélération, comme on vient de le voir plus haut. Sur la photo ci-contre, notez les deux élastiques (rouge et vert) tendus sur le parachute pour faciliter l'ejection du cone. Les deux photos ci-dessous montrent le détail de fixation de ces élastiques. La fixation du croisillon élastique se fait à l'aide de petites anses en plastique agrafées sur le cone. |
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Le dessin ci-contre détaille un peu mieux le principe : Le maintient du cone se fait par un ensemble composé d'une bride plastique (on en aperçoit un morceau à gauche du bouchon sur la photo au dessus) et d'un élastique (à droite). Celui ci est accroché à un petit crochet collé sur le volet (il est juste sous le petit morceau de bande adhésive noire). On voit sur le dessin que la bride est collée d'un coté (celui opposé au volet) sur la fusée à l'aide d'un morceau de ruban adhésif renforcé. Une bonne idée consiste à faire passer cette bride entre la bouteille et le manchon de blocage du cone. De l'autre coté on fait une petite boucle en repliant sur elle même l'extrémité de la bande PET. Une agrafe ou un morceau de bande adhésive maintiendront cette boucle fermée. C'est dans cette boucle que l'on passera l'élastique Le volet, que l'on distingue mal sur la photo puisqu'il est fait en PET comme la bouteille et donc aussi transparent, est représenté en vert sur le dessin. Le fait qu'il soit découpé dans une bouteille, lui assure une concavité quasi identique à celle de la bouteille, donc il se plaque parfaitement sur elle. Sa forme en poire me parait bien adaptée, mais ne me demandez pas pourquoi, c'est juste un feeling. Pour les fans d'aerodynamique et de conceptualisation, je crois qu'il y a matière à recherches. Ce volet est fixé, en haut, sur la bouteille au moyen d'une charniere plastique pour modélisme. Le collage n'est pas facile parce que ces charnières sont en Polyamide (nylon) et rien ne colle vraiment bien. Le mieux est d'utiliser soit de la cyanolithe plus de la bande adhésive renforcée. Réalisez très soigneusement ce collage parce qu'une fois collé, le volet doit pouvoir pivoter très facilement, donc attention aux excès de colle. Ce n'est pas, non plus, une mauvaise idée que de le glisser sous le manchon de blocage du cone. |
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Avec un bout de fil de fer (un trombone fera l'affaire), on réalise l'ensemble "crochet + doigt" ci-contre. Le crochet va permettre d'accrocher l'élastique sur le volet tandis que le doigt va permettre de maintenir le volet fermé avant le décollage. Ces deux pièces sont ensuite collées à l'intérieur du volet à l'aide de cyanolithe et de ruban adhésif. Les parties triangulaires de ces deux pièces ont surtout pour but d'augmenter la surface de collage. Pour le crochet, cette partie triangulaire est à l'intérieur du volet, tandis que la partie droite traverse la paroi du volet pour dépasser de 5 à 10 mm du volet. Il est disposé à environ les 2/3 de la hauteur du volet. Plus il est haut et plus l'élastique de maintien du cone peut être tendu. Pour le collage, disposer le crochet (ou le doigt) sur un morceau de ruban adhésif, déposer la cyanolite sur le triangle puis appliquer le tout sur le volet. Cette méthode évite de se mettre de la colle sur les doigts. Juste en dessous du volet, coller le haut d'une autre charnière sur le corps de la fusée. Vérifier aussi qu'une fois collée, elle pivote toujours facilement. Au préalable on aura pris soin de faire un trou de 2 mm de diametre sur la partie mobile de la charniere (donc pas collée sur le corps de la fusée), pour pouvoir y introduire le doigt du volet. On pourra ajouter sur la partie mobile de la charnière un mini volet aerodynamique pour faciliter sont abaissement au moment du décollage. |
Comment tout cela fonctionne-t-il ?
Sur le dessin ci-dessus, le doigt du volet passant dans le trou de la charnière du bas, le volet ne peut pas s'ouvrir. Donc on peut maintenir le cone en passant la bride sur le bouchon et en accrochant l'élastique au crochet du volet. L'élastique doit être assez tendu pour que le cone reste fermé correctement. En effet, les croisillons d'élastiques à l'intérieur, plus le parachute ont tendance à vouloir éjecter le cone (normal, ils sont là pour ça).. Quand la fusée décolle, la force aerodynamique qui s'applique sur le bout de charniere du bas, va la plaquer le long du corps de la fusée, libérant ainsi le doigt et le volet, qui tiré par l'élastique aura tendance à s'ouvrir. Mais le vent relatif va s'opposer à cette ouverture, du moins tant qu'il sera assez fort, autrement dit tant que la vitesse sera suffisante. A l'apogée, où pas très loin de l'apogée, la vitesse devenant faible, la force aerodynamique sur le volet devient plus faible que celle de l'élastique, le volet s'ouvre, libère l'élastique et la bride, donc le cone et le parachute.
Enfin, n'oubliez pas de mettre un bout de ficelle entre le corps de la fusée et le cone pour récupérer celui-ci.
Ci dessous, un exemple de réalisation. A gauche, le volet est bloqué par la charnière du bas, avant le vol.
A droite, la charnière du bas a été abaissée et le volet libéré. On pourra remarquer que le crochet et le doigt sont réalisés d'un seul tenant, ce qui a le mérite de rigidifier le volet.
Amélioration de ce système
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Une autre méthode de retenue du volet avant décollage consiste à utiliser un T inversé en PET dont la tête vient s’accrocher dans une encoche du volet comme ci-dessous. Lors du départ, le vent relatif va plaquer le volet contre la bouteille et libérer ainsi le T. Cette solution est à la fois plus économique et plus simple à réaliser que la précédente pour un taux de réussite souvent supérieur. |
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On voit sur cette photo que le volet est légèrement décollé de la fusée, mais le T inversé (à rayure rouge) l’empêche de s’ouvrir davantage. |
autre amélioration : le crochet.
On vient de se liberer du doigt métallique, par l'utilisation du T-inversé, mais il reste le crochet qui reste métallique. D'autre part, il arrive que le volet se pli entre la charnière et le crochet, si l'élastique est trop tendu. Pour résoudre ces deux problèmes, j'ai opté pour la solution suivante.
J'utilise une pièce , faite à partir d'un rectangle de PET et qui à la forme ci-dessous à gauche et collé sur le volet à droite.
Enfin amélioration pour l'éjection du cone
On a vu plus haut que pour faciliter l'éjection du cone, on placait un croisillon en élastique. Ca marche bien, sauf que les élastiques ont une durée de vie limitée et il faut souvent les remplacer. Pour éviter cela, la solution que j'ai retenue est de placer une couronne en PET à l'interieur du cone comme le montre la photo ci dessous. Il faut calculer le diametre de cette couronne pour qu'elle se déforme suffisamment mais pas trop lorsqu'on referme le cone.
La minuterie mécanique
Très utilisée sur les fusées construites avec les tubes polycarbonate de protection des tubes néon (FTC). La minuterie est réalisée à partir d’un moteur à ressort, récupéré sur les petits jouets animés (de marque TOMY entre autres).
Le principe général consiste à maintenir en position un cône ou une « catapulte » à l’aide d’un élastique tendu, comme dans le cas du volet aérodynamique. L’élastique est maintenu en tension par une ficelle qui est accrochée à un ergot perpendiculaire à l’axe du moteur. On remonte alors le moteur pour enrouler la ficelle sur l’axe de rotation, puis on bloque les pignons du moteur avec un morceau de plastique ou une queue de sert-câble, qui sera arraché au décollage pour démarrer la rotation du moteur. Quand celui-ci aura déroulé toute la ficelle, celle-ci sera libérée de même que le cône ou la catapulte. Pour limiter la tension de la ficelle, donc le couple sur l’axe du moteur, on peut mettre des chicanes sur le parcours de la ficelle.
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Sur la photo du haut, le piston est maintenu en position basse par l'élastique au premier plan qui est fixé sur la planchette d'un coté et sur l'axe du moteur de l'autre. La photo du milieu montre le moteur de l'autre coté de la planchette Sur la troisième photo l'élastique de maintien a été relaché et on apercoit un deuxième élastique qui propulsie le piston en avant. C'est ce piston qui éjectera le parachute. |
Je n'ai jamais réalisé ce type de système de récupération. J'ai eu acheté des jouets avec ce type de moteur, mais tous tournaient trop vite. Ils n'étaient donc pas utilisables pour cette application. Comme par ailleurs le système à volet aerodynamique fonctionne très bien je n'ai pas persévéré.
La minuterie électronique
Peu utilisée parce que le dispositif global est lourd.
Il faut en effet emporter une source d’énergie électrique, pas
seulement pour la minuterie en elle même, mais surtout pour le
dispositif de déclenchement. Ce dernier peut être un servo-moteur, un
électroaimant (très lourd), un moteur électrique ou un fil chauffant
qui coupe un fil nylon.
La source d’énergie privilègié sera sans nul doute une batterie LiPo
qui est légère.
Pour l'électronique on pourra utiliser le célèbre NE555, ou mieux un microcontroleur comme par exemple les ATTiny25/45/85, qui ont l'avantage de pouvoir piloter facilement un servo-moteur.
Il existe des servo-moteurs très petits et très légers (9g et peut être moins) et plutôt bon marché.
Exemple de réalisation pour une fusée à base de tube FTC :
Sur les photos ci-dessous, on voit à gauche le système de maintien du cone. La ficelle que l'on voit à gauche (pas celle du premier plan qui est l'attache du parachute) passe au dessus du cone. Elle possède un élastique à son extrémité qui vient s'accrocher au petit ergot que l'on voit sur la droite. Celui-ci est relié au servo moteur (au centre). A la fin du temps programmé, le servo moteur tourne de 90° et l'ergot se retire libérant l'élastique et donc le cone.
Sur la photo de droite on voit le circuit imprimé avec le microcontrolleur, ici un ATTiny45.
Le parachute
Pour calculer sa taille, il faut se souvenir que la résistance de l'air d'un corps en déplacement est donnée par :
R = 1/2*?*Cd*S*v2,
où ? est la densité de l'air, Cd est un facteur qui dépends de la forme de l'objet, S est la surface du maitre couple de cet objet (c'est la surface de la projection de cet objet sur un plan perpendiculaire au déplacement) et v la vitesse.
Les forces soumises au parachute sont d'une part le poids P = m*g de la fusée et d'autre part la résistance de l'air. A l'équilibre nous aurons P = R donc m*g = 1/2*?*Cd*S*v2 . Selon la vitesse de descente que l'on s'autorise, le calcul de la surface est donc :
S =m*g/0,5*?*Cd*v2
Exemple : Soit une fusée de 150g pour laquelle on souhaite une vitesse de descente de 7 m/s ( 25,2 km/h) et sachant que K=0,5*?*Cd est égal à environ 1,2, celà donne S= 0,15*9,81/1,2*72 = 0,025 m2 soit un diametre d'environ 18 cm.
Le graphique ci-dessous permet de trouver rapidement le diametre du parachute en fonction du poids de la fusée et pour une vitesse de descente entre 4 et 10 m/s.
On voit, par exemple, que pour une fusée de 150g (trait vertical) que si on veut une vitesse de descente de 7 m/s (courbe verte), il faudra un parachute de diametre 18 cm environ. Mais si nous avons un parachute de 31 cm de diametre, la vitesse de descente sera de 4 m/s et si le diametre est de 12 cm alors la vitesse sera de 10 m/s.
Quelle est la bonne vitesse de descente ?
Si la vitesse est trop faible et qu'il y a un peu de vent, on risque de marcher un peu plus pour récupérer sa fusée.
Si la vitesse est trop élevée, le retour au sol sera plus violent (mais les fusées à eau sont robustes).
Pour ma part, j'essaie d'avoir autour de 7 m/s. Mais ce n'est que mon avis.
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La confection du parachute est simple. Prendre une feuille de plastique leger, genre housse de vêtement des magasins de dégraissage, au pire un sac poubelle. Decouper un carré de coté égal au diametre du parachute, le plier selon sa diagonale puis entre le sommet du triangle rectangle obtenu et le milieu O de son hypoténuse. Ce dernier point étant le futur sommet du parachute, replier encore la feuille de plastique 3 ou 4 fois entre ce sommet et le milieu du coté opposé. On obtient un triangle dont on coupe la base de telle sorte que les deux grands coté soient égaux au rayon du parachute (selon le trait AB de la figure ci-contre. On coupe également le sommet du triangle ce qui permet de faire un trou au sommet du parachute (indispensable sinon le parachute est instable). On déplie la voilure du parachute. Pour les suspentes, on coupe 4 longueurs de 3 fois le diametre du parachute, soit dans du fil de peche, soit dans du fil à coudre un peu fort, soit dans de la petite ficelle (à attacher la viande par exemple). Chacune de ces longueurs est pliée en deux, ce qui nous fait 8 extrémités, qu'il ne reste plus qu'à attacher sur la voilure. Pour cela, faire sur cette voilure les huit marques où seront faites les attaches. Coller à ces endroits du ruban adhésif renforcé, de chaque coté du point d'attache. Faire un petit trou au milieu, passer la ficelle et l'attacher. Une fois les huit extrémités attachées sur la voilure, réunir les autres extrémitées à l'aide d'un bout de ficelle ou d'un anneau. Il ne reste plus qu'à l'attacher à la fusée, avec du ruban adhésif par exemple. |
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Autres méthodes de récupération
Il éxiste au moins deux méthodes autres que le parachute ;
La récupération "hélicoptère"
qui consite à déployer des pales, qui sous l'effet de la vitesse de descente se mettent à tourner et ralentissent ainsi la vitesse.
Au départ, chaque pale est maintenue repliée par une charnière (comme pour le volet aerodynamique). Au décollage les pales sont plaquées contre le corps de la fusée par le vent relatif et dès que la vitesse est suffisamment basse, les pales se déplient.
Ces pales sont montées sur un haut de bouteille, lui-même fixé sur un axe qui traverse une petite bouteille et tourne librement dans celle ci. Donc l’ensemble pales, systeme d’articulation des pales, haut de grande bouteille peut tourner librement par rapport au corps de la fusée, si bien qu’une fois les pales dépliée, la mise en rotation des pales ralentit la descente de l’ensemble.
La photo ci-contre montre la réalisation qu'avait faite Hervé Brégent (dont le site a malheureusement disparu).
La récupération par vol plané
(façon navette spaciale), avec ici deux écoles, les ailes fixes ou les ailes déployables. J'ai pour ma part essayé la seconde méthode. La description et les résultats obtenus sont sur la page planeur.
