cluster

Lorsque l’on souhaite obtenir une puissance supérieure à celle donnée par un seul moteur, on peut utiliser plusieurs moteurs. On appelle cela la méthode cluster, car les moteurs sont disposés en grappe, très proches les uns des autres. Cette technique vous permet de faire voler à faible coût des modèles assez lourds et larges, mais nécessitent néanmoins de solides connaissances. En effet, il faut absolument, dans ces fusées là, que tous les moteurs s’allument simultanément ; dans le cas contraire des gros problèmes de stabilité risques de se poser…

Quel est l’intérêt d’utiliser plusieurs moteurs et non un seul et unique plus gros moteur ?

Dans le passé, cette technique été avant tout utilisée parce que le choix des moteurs était très restreint, il n’existait pas de moteurs plus puissants que la classe D. Aujourd’hui cette technique est avant tout utilisée par les personnes voulant du challenge. Comme pour les fusées à un seul moteur, tout doit fonctionner parfaitement, mais avec plusieurs moteurs allumés en même temps. Avec un peu d’organisation et d’attention dans la préparation, vous pouvez aisément vous en tirer ; et la satisfaction sera d’autant plus grande de faire voler une fusée à plusieurs moteurs.

Une autre raison d’utiliser ce système est que vous n’êtes pas obligés de passer une nouvelle certification pour faire voler des modèles plus grands. Vous détenez par exemple la certification niveau 2 mais vous aimeriez bien faire voler des modèles encore plus grands. Comme le niveau 3 est spécialement difficile et coûteux, la possibilité d’utiliser plusieurs moteurs est très intéressante…

I. La disposition des moteurs

Il existe un grand nombre de possibilités, mais le plus généralement, on utilise deux, trois et quatre moteurs. Au-delà cela devient plus difficile, car l’allumage des moteurs doit se faire en même temps et nécessite donc une grande réserve d’énergie : grosse batterie obligatoire !

La disposition des moteurs dans une fusées de type cluster est particulière : les moteurs sont côtes à côtes, ils se touchent et sont centrés par rapport au fuselage ! Cela permet de centrer au mieux la poussée et d’éviter que cette dernière ne déstabilise trop la fusée. En effet même si on veille généralement à utiliser des moteurs identiques, il n’est pas exclu que de légères caractéristiques différents entre des moteurs sensé être identiques comme la poussée.

Voici donc les principales configurations qu’il existe:

cluster2

La disposition la plus simple : on utilise deux moteurs identiques disposés en ligne. Cette configuration est très utile, elle vous permet de dépenser peu tout en ayant un sérieux gain de poussée: vous dépenserez moins avec 2 moteurs à usage unique de 29 mm qu’avec un moteur de 38mm.

cluster 3

Cette configuration embarque 3 moteurs identiques disposé en forme de triangle. Cela permet d’avoir pas mal de poussée dans un fuselage de taille réduite. De plus un autre avantage de cette configuration est la simplicité de la rétention des moteurs : l’espace entre les 3 tubes moteurs permet d’accueillir une vis de fixation par exemple.

cluster 3ligne

Cette configuration de trois moteurs disposés en ligne, permet d’accueillir 2 types de moteurs différents. Les deux tubes moteurs situés aux extrémités de la ligne, doivent être identiques, le moteur central doit développer une poussée supérieure aux deux situés aux extrémités. Cela permet d’assurer que le plus grand pourcentage de le poussée sera situé le long de l’axe de modèle. De plus si le tube central permet d’accueillir un moteur assez puissant pour propulser la fusée, vous pouvez voler sans les deux moteurs aux extrémités. En revanche cette configuration nécessite un diamètre de fuselage beaucoup plus important par rapport au système en triangle.

cluster4

Configuration utilisant 4 moteurs disposés en carré. Très flexible vous pouvez aussi bien voler avec 2 ou 4 moteurs. Dans le cas de 4 moteurs, vous pouvez utiliser 4 moteurs identiques ou 2 d’un type et 2 autre d’un type différent. Ou encore plus fou, faire voler 4 moteurs, mais décalés : commencer avec 2 moteurs, attendre la fin de la poussée et allumer les 2 autres. Comme la configuration en triangle, la place demandée est très réduite pour une grande poussée.

cluster5

Disposition en étoile de 5 moteurs. Cette configuration vous permet de voler avec 1, 2, 3, 4 ou 5 moteurs. Néanmoins, dans le cas de 2 ou 4 moteurs, le tube central restera vide. Cette disposition augmente vos chances d’avoir une poussée asymétrique si un moteur ne s’allume pas, ce qui n’est pas ce qu’on recherche. Dans le cas de 2 moteurs, ils doivent avoir êtres identiques ; pour 3, 4 et 5 moteurs, le vol peut être effectué avec des moteurs différents, mais il faudra appliquer les mêmes règles que pour les configuration précédentes.

Enfin il existe une dernière configuration en 7 moteurs de type 3/2/3.

Dans tous les cas, si vous utilisez moins de moteurs que le nombre maximum, vous devez boucher les tubes moteurs vides. Afin que les gaz d’éjection ne s’échappent pas et que les tubes vides ne soient pas brûlés par les flammes. Utilisez des tubes moteurs vides par exemple…

II. La poussée asymétrique.

L’existence de la possible poussée asymétrique transforme la méthode du clustering en quelque chose de vraiment difficile. Cela se produit lorsqu’un ou plusieurs moteurs ne s’allument pas ou avec un léger retard. Cela produit une poussée excentrée par rapport à l’axe de la fusée et pousse la fusée à voler autrement que la trajectoire verticale. Quelques fois, cette poussée peut transformer le vol en vol horizontal où la fusée s’écrasera au sol.

poussee asymetrique

Pour que tous les moteurs s’allument proprement vous devez:

  1. Choisir les bons moteurs, de tel sorte qu’ils s’allument le plus facilement possible. Nous en discuterons plus bas.
  2. Sélectionner les bon allumeurs. C’est à dire des allumeurs (électriques) qui consomment peu de courant, produisent une importante et longue flamme et disposent des même caractéristiques entre des allumeurs de la même marque.
  3. Disposer d’une batterie puissante.

 

III. Le choix des moteurs.

Normalement tous les moteurs peuvent être combinés entre eux pour former un cluster. Il faut néanmoins faire attention. En effet, il faut éviter de mélanger les propergols. Les moteurs utilisant un propergol traditionnel comme ceux de la fabrique Estes s’allumeront plus rapidement et plus facilement que les moteurs de type composite. Si vous débutez donc dans les fusées clusters, habituez-vous dans un premier temps à utiliser des moteurs traditionnels, lesquels ont un allumage facile est surtout instantané.

 

Les moteurs à propergols composites: un cas à part:

Même s’il est plus délicat de faire des fusées de types cluster avec les moteurs composites comme ceux de Aerotech, car ils disposent d’un allumage plus lent, certaines caractéristiques peuvent jouer en votre faveur. C’est le type de combustion et la poussée. En effet, pour les cluster de moteurs composites on utilise des moteurs s’allumant facilement. L’allumage d’un moteur de fusée se déroule lorsque la bonne quantité de pression s’est formée dans son corps. Les deux caractéristiques qui détermine la rapidité à se pressurisé sont le type de propergol et la géométrie des grains de propergol.>

Les principaux types de propergols propices au clustering chez Aerotech:

  • Blue Thunder : Les moteurs de type Blue Thunder d’Aerotech s’enflamment facilement et produisent une haute poussée les rendant particulièrement propices aux clusters.
  • White Lightning : Les moteurs de type White Lightning sont plus délicats à s’allumer. Les allumeurs doivent délivrer plus de chaleur pour allumer les grains de propulsion en raison des éléments peu inflammable qui font la fumée blanche et la flamme brillante. Si vous souhaitez faire un cluster de ce type, veillez a passer un coup de papier de verre sur les grains de propulsion lors de la préparation du moteur. L’autre point important avec les moteurs de ce type est de faire attention à la géométrie des grains.

Le propergol à éviter de chez Aerotech:

  • Black Jack : Ces moteurs sont très difficile à allumer en raison de la grande quantité de produits non-inflammable qui donne la fumée noire. Ces moteurs de chez Aerotech, sont ceux qui prennent le plus de temps à se pressurisés.

Dans tous les cas, pour les moteurs composites, n’utilisez qu’un seul type de moteur : que des moteurs de type Blue Thunder par exemple. Vous pouvez essayer de mélanger des moteurs composites aux temps de combustion différents, mais c’est quelque chose d’assez délicat.

Un autre paramètre important à prendre en compte est la géométrie des grains de propergol. Comme nous avons vu dans la partie sur la propulsion, il existe 2 types de géométrie pour les grains de propulsion.

geometrie moteurs composites

Parmi ces deux géométrie, c’est la géométrie de type Core Burning (un tunnel cylindrique central qui traverse le propergol) utilisant le système BATES (plusieurs grains utilisant la géométrie Core burning) qui est la plus facile à allumer en raison de la grande surface de combustion.

core burning
Propergol de géométrie Core-Burning utilisant le système BATES.

Dans le cas d’un moteur utilisant la géométrie C-slot d’un seul bloc, l’allumage nécessitera un allumeur qui délivrera une plus grande et plus chaude flamme.

Un autre paramètre a prendre en compte est la courbe de poussée de ces moteurs. Prenons l’exemple d’une fusée ayant une configuration de trois moteurs disposés en ligne ou encore une configuration en étoile. Dans ces deux cas il est préférable de placer le moteur le plus puissant au centre. Le moteur devrait s’allumer le plus tôt possible. La plus part des cas on place un moteur ayant un temps de combustion très court. C’est pourquoi on retrouve souvent des moteurs de type blue Thunder au centre de ces configurations. De tels moteurs offrent une très grande puissance dès l’allumage pour un temps de combustion assez faible par rapport aux White lightning. Dans tous les cas le choix du moteur est une étape importante et vous vous devez d’utiliser tous les outils mis a votre disposition. Je parle des courbes de puissances que l’on peut trouver sur internet par exemple. Ces courbes de puissances sont beaucoup plus détaillés que ceux du fabriquant, qui rappelons le, ce dernier vends un produit et ne peut que vanter les mérites de son produit.

La référence en la matière qui propose des courbes de puissance est: www.thrustcurve.org

IV. L’art de l’allumage.

L’allumage dans les fusées de types cluster est la chose la plus difficile et la plus importante. Si seulement une partie des moteurs est allumée, la poussée ne sera pas suffisante (ça dépend bien entendu de votre configuration) et l’axe de la poussée sera en dehors de l’axe du fuselage donnant ainsi des problèmes de stabilités (looping etc.).

 

A. Les allumeurs (igniters)

Presque tous les igniters présents sur le marché ne sont pas aptes à faire décoller des fusées de type cluster. Encore ici, on remarque une différence entre les moteurs à propergols traditionnel et ceux à propergol composite :

  • Les moteurs à propergols traditionnel comme ceux de la fabrique Estes nécessitent une petite flamme en raison de la grande sensibilité de leur propergol à s’enflammer. Les allumeurs utilisés pour le clustering de moteurs Estes sont les mêmes que ceux utilisé pour un seul moteur. Néanmoins, il faudra une batterie développant une tension d’au moins 12V.
  • Les moteurs à propergols composites sont plus délicats à allumer, la flamme doit être grande, développer beaucoup de chaleur et doit être de longue durée. Plus le moteur grand, plus le trou central des grains est grands et plus la flamme devra être grande. Les allumeurs traditionnels comme les Copperhead de chez Aerotech, bien qu’ils produisent une chaleur importante, ne restent pas assez longtemps chauds pour allumer un moteur.

Un bon allumeur pour pratiquer un cluster de moteurs composites réuni ces conditions:

-Faible résistance
-Intensité nécessaire pour son allumage doit être seulement de quelques ampères. Par exemple une consommation de seulement 3-4 A semble idéale. Dans le cas contraire il faudra une batterie assez importante et un système de relay.
-Le montage des allumeurs se doit d’être en parallèle. Le montage en série est a proscrire! En effet si le premier allumeur s’allume celui-ci ouvrira le circuit avant que les autres allumeurs ne recoivent le courant nécessaire.

Allumeurs non recommandés pour le clustering:

-AeroTech Copperhead: nécessitent beaucoup de courant pour être allumés et leur structure les rend difficile a installer en parallèle.
-Aerotech FirstFire: nécessitent beaucoup de courant.
-FireStar: nécessitent beaucoup de courant.

Allumeurs recommandés pour le clustering:

Magnelite: identiques aux FireStar mais nécessitent beaucoup moins de courant. Il est possible d’en acheter déjà préparés ou alors en kit et de se les préparer soi-même. Il s’agit de 2 câbles coupés et reliés aux extrémités par un fin fil de nichrome. Le tout est plongé dans une solution de magnésium qui adhère a cette tête une fois sec. La préparation est très simple et très efficace. Lorsque le courant passe le fil de nichrome chauffe et allume la poudre de magnésium permettant d’obtenir une longue flamme.

Caractéristiques techniques: Une fois allumés ils brulent environ 1 seconde a une température de 5400°F. L’ampérage maximum demandé est de 5-6 A avec un ampérage minimum demandé de 2.6 A pour 224ms. Résistance comprise autour de 1.0 ohm.

Pour plus d’infos sur ces allumeurs, le constructeur a un site web:

www.rocketflite.com

magnelite
Photo d’un allumeur de type Magnelite près à l’emploi.

QuickBurst E-Match: souvent utilisés en combinaison avec un altimètre, ces allumeurs nécessitent très peu de courant ce qui les rendent très propices au clustering; ampérage <1 ; 1.5-2V

Allumeurs Estes: pour le clustering de moteurs à propergol traditionnels. En effet les moteurs utilisant une propergol traditionnel comme ceux de la fabrique Estes disposent d’un propergol très sensible, où une petite flamme suffit à les allumer instantanément.

estes igniter

 

B. Préparation et installation des allumeurs

-Les allumeurs devraient avoir tous la même résistance ou du moins être très proche. Cela peut se mesurer à l’aide d’un multimètre qui se trouve facilement dans le commerce pour une dizaine d’euros.

-Pour les moteurs plus gros, si vous réalisez vous même vos propres allumeurs Magnelite par exemple, il convient de replier la tête sur elle même de sorte a faire une pointe plus épaisse. Cela permettra d’appliquer plus de poudre de magnésium et cela permet de bien caler l’allumeur au fond du moteur.

tete_allumeur_magnelite
Sur cette photo la tête n’est pas repliée et le minimum de poudre de magnésium a été appliquée de sorte que l’allumeur s’insère dans des moteurs de faible puissance ayant une petite buse.

Veillez a ce que les allumeurs soient bien en place. Pour les moteurs composites qui s’allument par le bas, vérifiez que tous vos allumeurs soient enfoncés à la même distance. Maintenez les avec du ruban adhésif ou avec des élastiques au niveau du diamètre extérieur de la buse. Dans tous les cas, évitez d’obstruer la buse.

-Les allumeurs doivent être montés en parallèle. Cela permet d’éviter qu’une fois le premier allumeur s’allume, ouvre le circuit électrique et empêche les autres de s’allumer par la suite.

-Les fils de connexions doivent avoir le meilleur contact possible. Les « pinces crocodiles » devraient pincer une importante longueur de fil afin de permettre une assez bonne connexion. De plus, il peut aider de passer un léger coup de papier de verre sur ces même pinces qui au fil des vols reçoivent de plus en plus de produits corrosifs et nuisent a une bonne conduction électrique.

montage en parallele pour cluster
Photo illustrant les deux points précédents.

 

C. Les batteries

La puissance des batterie est indiquée par la tension (en volt), l’intensité (en ampère) et sa capacité (en ampères-heures). Plus la capacité de la batterie est élevé plus elle pourra délivrer de l’énergie.

Une batterie de 66 Ampère-heures (noté Ah) délivrera 66 ampères pour une période d’une heure, 132A pour une période d’une demi-heure, 33 A pour une période de 2 heures…

Un circuit électrique obéit a la loi d’ohm:

equa3

U: Volt/tension

R: ohm/résistance

I: Ampère/intensité

Il découle de cette formule:

et

Lorsque les allumeurs sont connectés en parallèle on peut utiliser la formule de la résistance équivalente d’un circuit en dérivation:

(attention: cette formule n’est valable que pour deux résistances)

Admettons que vos 2 allumeurs disposent d’une résistance proche du ohm: 1,1 ohms pour le premier et 1,0 ohms pour le second. La résistance équivalente sera de:

On remarque que la résistance équivalente d’un groupe de résistances montées en parallèle est inférieure à la plus faible de ces résistances. (0,5 < 1,0)

Vous souhaitez à présent pratiquer un cluster de deux moteurs avec ces allumeurs. Vous disposez d’une batterie de moto de 12V. Quel est l’intensité nécessaire pour un allumage simultané?

L’intensité nécessaire sera de:

On remarque que l’intensité nécessaire totale est la somme des intensité de chaque allumeurs.

Dans le cas de plus de deux allumeurs dans un circuit en parallèle:

Dans le cas où plus d’allumeurs sont utilisés il faut utiliser une autre formule. Cette formule nécessite un montage en parallèle et que tous les allumeurs aient la même résistance. Dans la réalité c’est impossible mais cela reste un bon moyen de calculer une approximation de la résistance nécessaire.

;
Re: résistance équivalente
R: résistance d’un seul allumeur ou résistance moyenne de vos allumeurs
n: nombre d’allumeurs dans le circuit.

D. L’arme ultime pour des allumages réussis

Dans certains cas l’utilisation d’une grosse batterie ne suffit pas pour des allumages réussis. Il convient alors d’utiliser un système de relais d’automobile par exemple.

V. La stabilité

Le principal problème dans le cas d’une fusée cluster est la stabilité. Plus vous utilisez de moteurs, plus vous ajoutez du poids à l’arrière et plus le centre de gravité de la fusée (CG) sera proche du centre de pression (CP). (Voir la page sur la stabilité d’une fusée). Pour contrer cela, on utilise en général des ailettes plus larges lors de la planification mais il existe d’autres moyens:

Imaginons votre fusée cluster avec ses moteurs en place et que la distance entre le centre de pression et le centre de gravité soit beaucoup trop faible.

Si votre modèle est déjà construit et que vous souhaitez éloigner le centre de gravité du centre de pression vous pouvez ajouter du poids dans l’ogive jusqu’à obtenir une distance entre les deux points qui vous semble convenable. Une technique intéressante est d’utiliser une ogive moulée en plastique. Ces ogives, au contraire de celles que l’on peut fabriquer a partir de matériaux d’isolation, sont creuses a l’intérieur.

Cette structure particulière permet de pratiquer une ouverture a la base de l’ogive. Cela permettra de créer un emplacement supplémentaire dans lequel vous pouvez ajouter des poids, un beeper, voir un altimètre. Dans notre cas c’est ajouter du poids qui nous intéresse.

Votre ogive étant découpée a sa base, il ne devrait rester plus aucun lien d’attache. Il va falloir en fabriquer un nouveau. Pour cela il vous faudra deux disques en bois de diamètres différents. Ces disques peuvent êtres découpés dans du contre plaqué par exemple. Le premier disque devrait être de diamètre plus faible que l’ouverture de sorte qu’il s’arrête a mi-hauteur de l’intérieur de l’ogive.

Le second disque devrait avoir le diamètre de l’ouverture principale. Il vous faudra également un bon mètre de tige filetée, des boulons, des rondelles, un anneau d’attache avec extrémité filetée pour fixation de boulon et de la colle epoxy.

plans ogive creuse
Plans de construction d’une telle ogive.

Adaptez le diamètre du premier disque de sorte qu’il puisse se loger a l’intérieur de l’ogive au niveau de la mi hauteur de l’ogive voir un peu plus bas si vous souhaitez plus de place pour installer du matériel électronique à l’intérieur de l’ogive. Percez un trou du diamètre de votre tige filetée au milieu de ce disque. Coupez la tige filetée a la bonne longueur de sorte que celle-ci soit en contact avec la pointe intérieure de l’ogive. Une fois la bonne longueur trouvée il faut passer a l’étape suivante. Il faut a présent fabriquer le lien d’attache de l’ogive qui se fixera sur le disque 2 qui est du diamètre de l’ouverture de l’ogive.

La structure sera encore mise en place a partir de tiges filetées. Cette fois-ci il faudra percer deux trous proches des extrémités du disque 1 intermédiaire. Et deux trous dans le disque 2, celui au diamètre le plus grand, de tel sorte que les tiges soient bien droites. La fixation de ces tiges se fera au niveau du disque intermédiaire au moyen de rondelles et de boulons. Enfin il suffit de percer au centre du disque 2 un trou qui permettra la fixation de l’anneau d’attache. Pour finir il suffit de renforcer les liens des tiges filetées déjà boulonnées avec de l’epoxy et de coller l’ensemble de la structure du disque intermédiaire et de sa tige centrale dans l’ogive grâce a de l’époxy.

Vous devriez obtenir a la fin ceci:

ogive1ogive2

Le logement est assez grand et permet d’y insérer altimètre, beeper, émetteur radio (très bon logement pour la grande antenne)… et des poids

ogive3

Quels poids utiliser ?

plombs

Les poids les plus pratiques sont les plombs de pêches que l’on peut trouver en différents grammages et différentes formes: olives, balles creuses…

Augmentez progressivement le grammage et vérifiez souvent la distance entre le centre de pression et le centre de gravité. La distance entre CP et CG devrait être au minimum d’1 fois le diamètre de la fusée. Ne cherchez pas a avoir une trop grande stabilité tel qu’une distance entre CP et CG de 2 fois le diamètre. Cela n’ajoutera que du poids en trop pour la fusée. Enfin n’oubliez pas que le poids change lors du vol de la fusée car le propergol des moteurs se consume…

Une fois la distance entre CP et CG optimisée il faudra peser votre fusée a rapidement déterminer si les moteurs pourront encore assurer un décollage sans difficultés a votre fusée. Pour cela je vous dirige vers l’article comment bien choisir son moteur. Prenez en compte le nombre de moteurs que votre fusée embarquera. La poussée avec plusieurs moteurs s’additionne.

Les fusées clusters
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