Comment bien choisir son moteur?

Voici une petite astuce pour choisir le bon moteur pour votre fusée : le rapport poids-puissance 5:1.

Imaginez que votre modèle près à voler pèse 0.5 kg. Quel serait la poussée minimum qui devrait être utilisée ? Avec la règle énoncée précédemment il nous est possible de répondre :

0.5 * 9.8 * 5 = 24.5 Newtons

(1kg ~ 9.8 Newtons)
Ce petit calcul nous montre qu’un moteur de type D21 ne serait pas apte à faire décoller notre fusée. Il faudrait se rabattre sur un moteur de type E30.

Imaginez maintenant que vous disposez d’un moteur de type E30. Quel serait le poids maximum qu’il pourrait propulser ?

30 / 9.8 / 5 ~ 0.61 Kg

 

/!\ Cette petite astuce fonctionne dans la plupart des cas. /!\

En effet les moteurs ne disposent pas tous de la même courbe de poussée :

  • Un moteur qui produit beaucoup plus que la poussée moyenne très peu de temps après l’allumage et qui aura ensuite une poussée proche de la poussée moyenne, pourra propulser beaucoup plus facilement une fusée plus lourde que le poids indiqué par notre règle. Voici la courbe de poussée d’un de ces moteurs :

  • D’autres moteurs produisent une poussée beaucoup plus progressive. Ces moteurs développeront la poussée moyenne indiquée par leur code beaucoup plus tardivement. Ces moteurs-là sont a éviter lorsque vous souhaitez propulser une fusée proche du poids maximum indiqué par notre règle. Ces moteurs se distinguent par une courbe de poussée comme celle-ci :

Note : Il existe un site qui regroupe les caractéristiques techniques des moteurs vendus sur le marché, dont la courbe de poussée, il s’agit de ThrustCurve.org.

La poussée moyenne ainsi que la courbe de poussée des moteurs ne sont pas les seuls paramètres à prendre en compte. Il faut également s’intéresser à l’impulsion totale délivrée par le moteur.

Voici les paramètres de 2 moteurs différents.

Moteur Poussée moyenne (en Newtons) Impulsion totale (Newtons/secondes)
Aerotech F25 26.307 70.767
Aerotech G25 22.170 117.499

 

Ces deux moteurs présentent la même poussée moyenne de 25 Newtons. Néanmoins le moteur de type G25 permettra une ascension beaucoup plus importante par rapport au F25. On préférera le moteur de type F25 en cas de jour de lancement assez venteux pour une récupération plus aisée.

Le meilleur moyen de déterminer l’altitude maximum du modèle est d’utiliser un logiciel de simulation. En plus de donner l’altitude maximum, un logiciel de simulation vous donne le temps nécessaire au modèle pour atteindre l’apogée. Ce dernier paramètre permettra de choisir le délai de la charge d’éjection du moteur.

Fonctionnement général des micros propulseurs

Les moteurs de fusées sont des moteurs à réaction. Ils fonctionnent suivant la troisième loi de Newton : « Tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d’intensité égale, mais de sens opposé, exercée par le corps B. », ou bien en expulsant un gaz/une masse, on obtient une poussée dirigée dans le sens opposé d’intensité proportionnelle à la vitesse et à la masse du gaz expulsé. Les gaz sont produits par la combustion rapide du propergol qui est situé dans le moteur.

On écrit cette relation Ma = ma

principe_moteur

Il peut vous être difficile de saisir le concept du « lancement de masse et d’obtention d’une poussée dirigée dans le sens opposé ». Voici quelques autres exemples présents dans la vie de tous les jours utilisant la troisième loi de Newton:

  • Lorsque vous relâchez le goulot d’un ballon gonflé, il partira dans tout les sens jusqu’à ce qu’il manque d’air, c’est un exemple de moteur de fusée. Dans ce cas-là ce sont les molécules d’air qui sont expulsées du ballon, contrairement à ce que certaines personnes croient, les molécules d’airs pèsent bel et bien quelque chose…
  • Si vous avez déjà vu une lance de pompier en action, vous avez pu voir en général 2 ou 3 sapeurs-pompiers tenant le tuyau. Le tuyau agit comme un moteur de fusée. Le tuyau expulsant l’eau dans une direction, les sapeurs emploient leur force et leur poids pour contrecarrer la réaction. Si le tuyau ne serrait pas tenu il se balancerai dans tout les sens.

Classement et paramètres de base.

On classe les moteurs de fusées suivant leur impulsion totale (Total impulse) qui est indiquée par des lettres de l’alphabet. Plus on s’avance dans l’alphabet plus le moteur sera puissant. Chaque lettre indique une gamme d’impulsion totale ; chaque taille de moteur contient deux fois toute l’impulsion de la lettre précédente.

Ainsi un moteur de classe B a une impulsion totale deux fois supérieur à celle d’un moteur de classe A ; un moteur C à deux fois toute l’impulsion d’un moteur de classe B etc… Les fusées volant avec un moteur supérieur à la classe G sont qualifiées de modèles à puissance élevé ; l’achat de ces moteurs nécessitent des permis spéciaux.

classification moteur tiree de apogeerocket.com

Voici un tableau montrant l’évolution de l’impulsion totale en fonction de l’accroissement des lettres

Lettre Impulsion totale en Newtons/secondes
1/4 A De 0.312 à 0.625
1/2 A De 0.626 à 1.25
A De 1.25 à 2.5
B De 2.5 à 5
C De 5 à 10
D De 10 à 20
E De 20 à 40
F De 40 à 80
G De 80 à 160
H De 160 à 320
I De 320 à 640
J De 640 à 1280
K De 1280 à 2560
L De 2560 à 5120
M De 5120 à 10240
N De 10240 à 20480
O De 20480 à 40960

Ainsi l’impulsion totale est indiquée par une lettre. Néanmoins un moteur pourrait très bien être configuré pour délivrer seulement la moitié de l’impulsion totale indiquée par la lettre; il faut alors se référer à la feuille d’instructions donnée par le fabriquant pour connaître la valeur exacte de l’impulsion totale.

L’impulsion totale n’est pas la seule donnée qui caractérise un moteur:

  • Il faut aussi prendre en compte la valeur de la poussée moyenne (average thrust) du moteur. C’est le paramètre qui fournie immédiatement les capacités d’un moteur. Il s’agit d’une valeur très pratique, qui permet de donner une prédiction de l’altitude. Elle permet aussi de savoir l’accélération de votre rocket et encore à savoir à quelle vitesse votre modèle va quitter la rampe de lancement. La poussée moyenne est mesurée en Newton, c’est la valeur moyenne de la poussée du moteur durant la combustion de ce dernier. Typiquement la poussée d’un moteur rejoint un pic initial, puis descend à une valeur moyenne pendant un certain temps pour enfin redescendre. La poussée moyenne peut être déterminée en divisant l’impulsion totale par la durée. Cela indiquera la poussée moyenne, si la poussée est constante de l’allumage à la fin.
  • Le temps de combustion (burn time), comme son nom l’indique est le temps de fonctionnement du moteur. Il peut aller de quelques dixièmes de secondes à des valeurs supérieurs à 4 secondes. Un temps de combustion égal à 2 secondes est déjà très long pour un moteur. Pour déterminer la durée de combustion d’un moteur, vous pouvez diviser la poussée totale maximum par sa poussée moyenne.

La poussée moyenne, l’impulsion totale et le temps de combustion sont étroitement liés : admettons que nous avons un moteur exerçant une poussée moyenne de 40 N pour un temps de combustion de 4 secondes, soit une impulsion totale de (40*4 = 160 N-s) ; il aura la même impulsion totale qu’un moteur ayant 80 N de poussée moyenne et 2 secondes de temps de combustion (80*2 = 160 N-s). Ce n’est pas pour autant que les deux moteurs auront les mêmes capacités. En effet, le moteur ayant une poussée moyenne de 80 newtons sera le plus adapté si vous voulez une très grande accélération ; c’est utile si vous voulez faire voler un modèle assez lourd. Le moteur ayant 40 newtons de poussée moyenne sera le plus adapté pour un petit et léger modèle.

Admettons maintenant, que nous avons des moteurs ayant une même poussée moyenne, mais une impulsion totale différente : un moteur a 5 newtons de poussée pour une durée de 0.5 s ; un moteur b à lui aussi 5 newtons de poussée moyenne, mais une durée de 1 s. Selon vous, quel moteur va pousser un même modèle le plus haut possible ? C’est le moteur b, parce que la poussée sera appliquée au modèle beaucoup plus longtemps.

  • Le retard ou délai (delay), exprimé en seconde, indique le temps entre la fin de la combustion et de l’expulsion du parachute. Certains moteurs ne disposent pas de retard, on dit que le retard est égale à 0, notamment les moteurs hybrides (voir plus bas) ainsi que les moteurs à ‘premier stade’, utilisé pour les rockets ayant différents ‘étages’ (multistage). Le multistage est en fait une rocket qui utilise plusieurs moteurs, allumés les uns après l’autre : lorsque la combustion du premier moteur est terminée, un deuxième sera déclenché qui repropulsera la rocket dans les airs. Dans le cas où vous utilisez deux moteurs, le deuxième, doit avoir un retard, pour que vous puissiez récupérer votre fusée.

 

Si le temps de retard est trop court, le parachute se déploiera beaucoup trop tôt : lorsque la rocket ne sera même pas encore à son point d’apogée. Le parachute, se déploiyant à une haute vitesse, sera endommagé, et vous retrouverez votre modèle ‘complètement mort’ une fois à terre.

Dans le cas où le temps de retard est trop long, le modèle va continuer son ascension, décrire un arc, et commencer à prendre de la vitesse avant de retomber. Encore une fois, le parachute, se déployant à des hautes vitesses, sera endommagé et vous retrouverez votre modèle en pièces.

Code moteur

En général, les caractéristiques des moteurs sont indiquées sur son enveloppe ou sur sa boîte, au moyen d’un code qui fournit les informations sur sa puissance et autres paramètres. Ce code est adopté dans tous les Pays du monde et de tous les constructeurs. Il est fondamental pour connaître les caractéristiques du moteur. Le code est toujours constitué d’une lettre et deux nombres séparés d’un tiret.

Par exemple, pour un moteur SF de classe B :

code

  • La lettre B indique la classe d’impulsion
  • Le numéro 4 est la poussée moyenne en Newton (Average Thrust).
  • Le deuxième 4 nous donne le temps entre la fin de la combustion du moteur et la mise à feu de la charge d’éjection. Aussi appelé retard.

Lorsque l’on monte dans la classification les codes sont légèrement différents les uns des autres. Parfois il se peut qu’il y est une lettre ou une description en plus, c’est le cas pour les moteurs d’Aerotech (leader des moteurs composites et inventeur du RMS), qui place les lettres J, FJ, W, ou T derrière le code pour indiquer la couleur que dégage le propulseur et d’autres caractéristiques pour indiquer la poussée…

REMARQUE : Cesaroni Technology dispose d’un code moteur un peu différent. En effet leur moteurs sont désignés en premier non pas par une lettre mais un numéro. Ce numéro correspond à l’impulsion totale du moteur. Le reste des informations données par leur code moteur reste les mêmes que ceux présentés plus haut.

 

Cesaroni 648J285-15A

648 correspond à l’impulsion totale en newton-secondes.

J est la classification de l’impulsion totale.

285 correspond à la poussée moyenne en newtons.

Pour connaître approximativement le temps de combustion du moteur il vous suffit de diviser l’impulsion totale par la poussée moyenne :

648 / 287 = 2.2 s

Le 15A représente le délai. Après 15 secondes, la charge d’éjection sera déclenchée. Les moteurs de la marque Cesaroni sont toujours configurés dans le délai le plus long. Ainsi l’utilisateur n’aura plus qu’à racourcir le délai au temps souhaité.

 

Tubes/Fuselage

phenolic

Le fuselage, ou le « tube » est la base de toutes fusées. Appelé corps, ou « Body tube » chez les anglais, c’est autour de ce tube que se construit votre fusée. Devant être capable d’encaisser toutes les forces durant le vol, jusqu’à la récupération, lorsque la fusée retombe au sol, ils doivent aussi pouvoir être facilement travailler… Dans cet article nous parlerons avant-tout des différents tubes existants, leur matériaux et leurs usages.

I. Dimensions et désignations

Pour choisir efficacement son tube parmi les nombreux disponibles sur le marché, il est essentiel de connaître les normes relatives à leur dimensions ainsi qu’à leur désignations. En effet un des paramètre essentiel est le diamètre interne. En effet, tous les tubes sont désignés selon le diamètre interne du tube (ID ou Inner Diameter). On préférera s’appuyer d’avantage sur ce paramètre que la taille des tubes, car celle-ci varie entre les différents fabricants ; de même que le diamètre externe des tubes (OD ou Outside diameter).

Car les principaux fabricants de tubes sont d’origine Américaine, ces derniers utilisent avant tout des mesures en pouces. Mais lorsqu’il s’agit de parler du diamètre des moteurs, ces derniers utilisent des mesures en millimètres. Ci-dessous des tableaux dressant la production des principaux fabricants de tubes:

  pml_logo

Tubes de Public Missiles Ltd (PML). Cette entreprise américaine développe avant tout des tubes pour modèles HPR. Parmi leur ligne de production on distingue deux types de tubes utilisant des matériaux bien différents :

  • La désignation PT (Phenolic Tube) désigne les tubes de carton en phénolique.
  • La désignation QT (Quantum Tube) désigne les tubes de « plastique » en Quantum.
Désignation Diamètre interne
(en pouces)
Diamètre interne
(en mm)
Longueur
(en pouces)
Longueur
(en cm)
QT-2.1 2.152″ 54.6 36″ 91.44
QT-2.5 2.560″ 65 36″ 91.44
QT-3.0 3.002″ 76.2 36″ 91.44
QT-3.9 3.900″ 99 36″ 91.44
QT-3.9-48 3.900″ 99 48″ 121.92
PT-1.1 1.145″ 29 36″ 91.44
PT-1.5 1.525″ 38 36″ 91.44
PT-2.1 2.152″ 54.6 36″ 91.44
PT-2.5 3.002″ 65 36″ 91.44
PT-3.0 3.002″ 76.2 36″ 91.44
PT-3.9 3.900″ 99 36″ 91.44
PT-3.9-48 3.900″ 99 48″ 121.92
PT-6.0 6.007″ 152.6 48″ 121.92
PT-7.5 7.512″ 190.8 48″ 121.92
PT-11.4 11.41″ 290 48″ 121.92
 
 
estes_logo

Les tubes de Estes sont en carton, disposent d’une paroi d’épaisseur variable entre 0.3 et 0.5 mm. La désignation BT signifie Body Tube.

Désignation Diamètre interne
(en pouces)
Diamètre interne
(en mm)
Longueur
(en pouces)
Longueur
(en cm)
BT-3 0.35″ 8.86 18″ 46
BT-5 0.52″ 13.2 18″ 46
BT-20 0.71″ 18 18″ 46
BT-50 0.95″ 24.1 18″ 46
BT-55 1.28″ 32.6 18″ 46
BT-60 1.60″ 40.5 18″ 46
BT-80 2.59″ 65.7 14.2″ 36

 

LocPrecisionLogo

Les tubes de LOC Precision (LOC)sont également en carton et disposent d’une paroi d’épaisseur variable entre 0.9 et 2.0 mm. La désignation BT signifie Body Tube.

Désignation Diamètre interne
(en pouces)
Diamètre interne
(en mm)
Longueur
(en pouces)
Longueur
(en cm)
BT-1.52 1.52″ 38 34″ 86.36
BT-2.14 2.14″ 54 34″ 86.36
BT-2.56 2.56″ 65 30″ 76.2
BT-3.00 3.00″ 76.2 34″ 86.36
BT-3.90 3.90″ 99 34″ 86.36
BT-5.38 5.38″ 136.6 45″ 114.3
BT-7.51 7.51″ 190.7 60″ 152.4

On remarque à travers ces tableaux de valeurs, que les fabricants LOC et PML disposent des même diamètres en matière de tubes. En effet ce sont ces deux fabricants qui ont standardisés les tubes dans le hobby.

II. Matériaux

Précédemment à travers les tubes proposés par PML, vous avez découvert qu’il existait également des tubes en plastiques et non pas qu’en carton. En effet, nous avons abordé que le catalogue de base des principaux fabricants de tubes, qui sont avant tout des fabricants de tubes en carton. Le carton, car il s’agit du matériel le plus courant pour nos modèles.

A.Les tubes en carton

On distingue 2 types de tubes en carton :

  1. Les tubes en papier.
  2. Les tubes en phénolique (phenolic).

Dans les deux cas, nous retrouvons les caractéristiques propre aux tubes en carton : on observe la présence de rainures en spirales sur la surface extérieure.

1. Les tubes en papier :

tube_papier
Ces tubes sont très bien pour les modèles de basse et de moyenne puissance. Pour les utiliser avec des moteurs au-delà de la classe G, il vous faudra les renforcer.
Facile à couper, peu coûteux, très facile à travailler et surtout très léger, ce sont les candidats idéals pour toutes vos fusées (inférieur à G) . De plus les spirales constitués par les minces assemblages de papier ne sont pas un problème : quelques couches de peintures suffisent à les masquer. En cas de choc, ces tubes se plient en accordéons.

2. Les tubes en phénolique :

tube_phenolic

Ces tubes sont imprégnés de résigne phénolique avec une substance qui les rends imperméables et très rigides. En effet, ils offrent une plus grande résistance à la compression : jusqu’à 5 fois plus que les tubes en kraft. Si bien qu’un choc brutal entraînera une fragmentation du tubes. De plus c’est un matériel relativement simple à travailler : faciles à découper, adhère bien aux adhésifs comme l’epoxy à 2 composants…

Les tubes en phénoliques de chez PML (ex: photo) sont très résistants mais ont tendances à se fragmenter en cas de chocs. Les tubes en phénoliques flexibles de GiantLeap sont un peu plus solides, en raison de leur flexibilité, mais là encore un gros choc entraînera une fragmentation du tube.

 

B. Les tubes plastiques

Pml est le seul fabriquant à nous proposer des tubes en matière plastique : ses tubes en Quantum (QT). A la base ils étaient censés remplacer leurs tubes en phénoliques, c’est pourquoi bon nombre de leur kits en utilisent.

tube_quantum

Néanmoins beaucoup de personnes préfèrent les tubes en phénoliques. En effet, les tubes en quantum souffrent des bonds de températures. Le quantum est un matériel relativement sensible à la température. Lorsqu’il fait très froid, le tube se rétracte entraînant pas mal de problème notamment lors de l’utilisation de coupleurs/pistons en phenolique. A cela s’ajoute le fait qu’ils ne sont pas simple à renforcer, et sont fabriqués dans 4 diamètres : 2.1″, 2.5″, 3.0″, et 3.9″.

De plus le Quantum est un matériel destiné pour les fusées n’ayant pas des conditions de vols extrêmes. Pour ces dernières vous devrez vous rabattre sur des tubes en phenoliques renforcés. En effet, le Quantum n’est pas conçu pour les vols transsoniques (Mach compris entre 0.8 et 1.2) ni pour le supersonique (Mach compris entre 1.2 et 5). Enfin ces tubes ne sont pas adaptés pour les fusées utilisant le diamètre interne du tube comme tube moteur (Ø moteur = Ø tube) dans quel cas vous retrouverez votre tube fondue comme du gruyère.

Le Quantum dispose néanmoins de points positifs :

-Il est très facile à travailler, utiliser et demande peu de travail quant aux finitions.
-C’est un matériel relativement flexible pardonnant la plupart des chocs par rapport aux tubes en phenolique ou en carton.
-La plupart des peintures sont compatibles avec les tubes en quantum. PML assure que leurs tubes en QT sont compatibles avec la laque, l’enamel, l’epoxy et l’uréthanne.
-Il ne dispose d’aucune spirales sur la surface extérieure : le tube est très lisse.
-Pas cher.
-Il est facile de nettoyer l’intérieur de la fusée exposée aux gaz d’éjection du moteur.

 

C. Les tubes en matières composites

Dans la famille des tubes résistants voir très résistants il y les tubes en matières composite :

  • Tubes en fibre de verre.

  • Tubes en carbone.

En plus d’être très résistants, ces tubes en matières composites, que ce soient du carbone ou de la fibre de verre sont très chers ! Vous pouvez atteindre la résistance de ces tubes avec des tubes en phénolique renforcé, vous n’aurez alors pas la même légèreté, mais ce sera dans tous les cas moins cher. Ces tubes en matière composite sont également très difficile à travailler. Vous comprendrez donc que ces tubes sont avant tout utilisés pour de grandes fusées devant résister à des conditions extrêmes.

Type de matériel Avantages Désavantages
Tube en papier Peu coûteux
Léger
Facile à travailler
Surface lisse
S’endommage facilement
Tube en phénolique Peu coûteux
Léger comparé à leur résistance
Surface Lisse
Fragile
Délicat à découper
Se casse en cas d’atterrissage brutal
Spirales
Tube en phénolique renforcé Une bonne alternative aux tubes composites
Robuste
Pas de spirales
Du travail en plus
Le poids
Tubes en Quantum Peu coûteux
Flexible
Très lisse
Pas de spirales
Très sensible à la température
Impossible à renforcer
Pas si résistant que cela
Tubes en fibre de verre Résistant
Robuste
Pas de spirales
Cher
Difficile à travailler
Demande beaucoup quant à la finition
Tubes en carbon Très résistant
Robuste
Très cher
Difficile à travailler
Souvent une surface rugueuse