Ce sont les moteurs les plus employés en astromodélisme. Ils sont de deux types: à poudre noire ou composites. Ils sont constitués d’une enveloppe qui contient le propergol et souvent une charge  d’éjection pour le parachute. Ils peuvent être utilisés une seule fois, on parle de moteurs à usage unique; ou plusieurs fois, on parle alors de moteurs rechargeables.

I. Les moteurs à poudre noire:

Ce sont les moteurs les plus communs et les plus économiques. Les principaux constructeurs de ce type de moteurs sont: Estes pour les US et Weco ou TSP en Europe.
Le propergol utilisé est le même que celui des feux d’artifices: la poudre noire. Cette dernière est  compactée dans une enveloppe en carton avec une tuyère (nozzle) et un bouchon en céramique. Le moteur contient  également un grain( bloc de propergol) de délai permettant une temporisation entre la fin de la propulsion et l’activation de la charge d’éjection du parachute. Ces moteurs sont à usage unique et conviennent parfaitement aux microfusées. L’allumage se fait à distance grâce à un allumeur électrique.

Ci-dessous les phases de fonctionnement d’un moteurs à poudre noire: 

1. Le propergol, allumé à sa base, produit plus de 2000 fois son volume solide en gaz chauds. Ces gaz sortent de la tuyère et produisent une poussée (troisième loi de Newton) : la fusée est propulsée dans le ciel.

2. Lorsque tout le propergol a été brulé, le retard (délai) est activé. Il permet également de visualiser le vol de la fusée dans le ciel en expulsant une fumée.

3. A la fin de la combustion du délai, la charge d’éjection est activée, elle permet l’expulsion du parachute du corps de la fusée.

Conseils:

Attention: ces moteurs souffrent des « bonds de température » : ils ne doivent pas être laissés dans votre voiture en plein soleil et ne doivent pas être employés dans le cas de journées très froides. Si vous devez les employer dans ce dernier cas, tenez-les dans votre poche ou dans un lieu relativement chaud, jusqu’à l’instant de les utiliser, sous peine de perdre de leurs capacités.

Ne les-laissez jamais tomber ou taper contre une superficie dure. Un tel coup peut créer des fentes à l’intérieur du propergol et causer une combustion particulièrement rapide qui détruirait à la fois le moteur et peut-être même votre modèle.

II. Les moteurs à propergol composites:

Le propergol utilisé dans ces moteurs est du même type que celui utilisé pour les propulseurs d’appoints d’Ariane ou des boosters des navettes spatiales américaines.

Les moteurs à propergol composite sont disponibles en usage unique (SU : Single Use), ou en version rechargeable (Reloadable). Ces moteurs nécessitent déjà une bonne expérience. Leur allumage se fait uniquement électriquement ce qui permet de mieux gérer le lancement.

Les diamètres standards sont 18, 24, 29, 38, 54, 75 et 98mm. Les longueurs, quant à elles sont très variables et dépendent de la puissance du moteur.

Fabricants américains et canadien: Aerotech,  Animal Motor Works (AMW), Loki Research , Cesaroni

Européen:  Klima

Les moteurs à propergol composites sont habituellement une mixture solide de perchlorate d’ammonium et de quelques autres éléments. Différents additifs peuvent être utilisés pour créer des effets particuliers, comme des étincelles ou utiliser une couleur pour la flamme (bleu, vert, blanc, noir…)

Si vous allumez du perchlorate d’ammonium (PA) sous sa forme de cylindre, il brûlera, mais ne produira aucune poussée. Le PA est sensible à la pression, il brûlera beaucoup plus rapidement une fois contenue dans le chambre de combustion du tube moteur. C’est pourquoi il faut bien calculer la gorge de sortie de la tuyère (nozzle) du moteur, afin de produire la bonne quantité de pression pour créer une combustion rapide mais contrôlée, ceci aura pour conséquence une poussée importante.

Les moteurs à propergols composites sont beaucoup plus puissant car le PA est plus énergétique à masse égale que de la poudre noire.

A. Les moteurs composites à usage unique

Les moteurs à usage unique à propergol composite contiennent les mêmes éléments que les moteurs traditionnels: une tuyère, le propergol sous forme de bloc (grain), le retard et la charge d’éjection.

                                                        Exemples de moteurs à usage unique de la marque Aerotech.

Le tube moteur est un « boîtier très résistant » réalisé en phénolique tout comme la tuyère. L’allumage des moteurs de type composite se font à l’extrémité supérieure du propergol via un canal central dans le grain.

Voyons ensemble le fonctionnement des moteurs composites à utilisation unique:

1. Contrairement aux moteurs à poudre noire, ces moteurs s’allument à l’extrémité supérieur du propergol. L’allumeur doit toucher le sommet du propergol ainsi que le retard.

2. L’allumeur met feu à la fois au propergol et au retard, une caractéristique propre aux moteurs de type composites.

3. A l’instant de l’allumage, le propergol et le retard commencent à brûler et à se consommer. Le retard est semblable au propergol mais avec des caractéristiques de combustion bien différentes. Ce dernier ne produit aucune poussée.

4. Le propergol et le retard continuent de brûler, mais avec des vitesses de combustion différentes.

5. Lorsque le propergol est complètement épuisé, le retard, lui continue toujours de brûler. Son temps de combustion est proportionnel à sa longueur. Le retard, comme dis précédemment, sert a suivre le vol de la fusée en émettant une fumée.

6. Une fois que le retard est complètement épuisé, la charge d’éjection est déclenchée.

Les petits moteurs de types composites ont les mêmes dimensions que les moteurs à poudre noire:

Diamètre x longueur (en mm) Classe
18 x 70 D
24 x 70 E
29 x 73 F
29 x 98 F,G
29 x 124 G

B. Les moteurs composites rechargeables

Les moteurs à propergol composites, peuvent aussi êtres de type rechargeable. Plus on s’avance dans la classification, plus vous trouverez des moteurs de type rechargeable. Les moteurs à utilisation unique (SU : Single Use) sont les moteurs les plus communs jusqu’à la classe G. Après, on trouve majoritairement des moteurs de type rechargeables. Mais il existe également des moteurs à usage unique en haute puissance chez Aerotech sous la dénomination DMS pour (Disposable Motor System).

Un moteur rechargeable est un moteur conçus pour être utilisé plusieurs fois en insérant un nouveau propulseur et en remplaçant certaines pièces. Un moteur rechargeable se compose habituellement d’une enveloppe métallique (tube en aluminium) et de deux pièces de ‘fermetures’ situées aux extrémités du tube. Ces trois pièces sont réutilisables pour chaque vol.

Ci-dessus un moteur pour recharges AEROTECH.

A droite la fermeture arrière (aft closure) et à gauche la fermeture avant (forward closure) du tube.

Il existe un code spécial pour les tubes moteurs. En effet les tubes des moteurs rechargeables sont désignés par RMS (Reloadable Motor System) suivit d’un code indiquant le diamètre en mm du tube ainsi que l’impulsion totale pouvant être utilisée avec ce dernier. Par exemple un motor case de type RMS 29/240 est un moteur de 29 mm de Ø qui accepte un kit de propulseur d’une impulsion totale maximum de 240 Ns.

Voici un petit tableau qui résume les dimensions ainsi que l’impulsion totale des 3 principaux tubes.

Moteur Diamètre Impulsion totale Longueur
RMS 18/20 18 mm 20 Ns max 70 mm
RMS 24/40 24 mm 40 Ns max 70 mm
RMS 29/40-120 29 mm entre 40 et 120 Ns 124 mm

Les moteurs rechargeables sont  plus économiques que les moteurs à utilisation unique. Néanmoins, un moteur rechargeable ne devient intéressant qu’au bout du 5-6 ème lancement.

Il faut bien prendre en compte que chaque fabricants de moteurs vend le matériel qui fonctionne seulement pour leur moteurs.

Fonctionnement des moteurs rechargeables:

Le fonctionnement des moteurs rechargeables composites est le même que celui des moteurs composites à usage unique. Seulement vous assemblez-vous même les différents composants du kit de propulsion. Voici le contenu typique d’un de ces kits de propulsion:

  • grain(s) de propergol.
  • Un liner (généralement un tube en carton) qui protège l’intérieur de votre enveloppe .
  • Le grain de retard et ses composants.
  • Des joints en caoutchouc.
  • Une tuyère (nozzle).
  • Un allumeur électrique.
  • Des instructions détaillées.

Les grains sont assemblés dans le « liner » et le « liner » dans le tube moteur. Le liner permet de ne pas endommager le tube moteur en aluminium en raison de la très forte chaleur que dégage la combustion des grains. Les joints ou o-rings permettent aux gaz chauds dégagés lors de la combustion de ne pas s’échapper par les deux extrémités du tube moteur.

reload kit

Les  grains de propulseurs peuvent exister sous 2 géométries différentes. Cette géométrie est la surface physique de combustion:

  • Une forme C-slot.

Cette géométrie en C-slot est surtout présente dans les moteurs de moyenne puissance (D à G). La combustion se fait de part et d’autre de la fente du grain. L’allumage est comme pour les autres moteurs composites, effectué à l’extrémité supérieure du propergol.

  • Core burning. La géométrie de ces grains de propulseurs assurent une poussée progressive. En effet, la combustion débute à la surface du trou et s’accroît au fil du temps. L’inconvénient de ce système est que la poussée est constante et ne permet pas de propulser des modèles très lourds. C’est pourquoi on utilise le système BATES (BAllistic evaluation TESt motor) qui permet une poussée moins constante et beaucoup plus importante. Au lieu d’avoir un grain de propulseur en un bloc, celui-ci est divisé en d’autres plus petits. La combustion se fait toujours alors à la surface du trou, mais aussi entre les différents grains. La surface de combustion étant beaucoup plus importante, la poussée est augmentée !

Cette géométrie en core burning est surtout présente dans les moteurs à haute puissance (HPR).

C. Un mot sur le retard (délai)

Le retard est allumé en même temps que les grains de propulsions pour les moteurs composites. Il dispose d’un temps de combustion variable qu’il faudra adapter en fonction du temps optimal d’ouverture du parachute. La combustion de ce retard est assez rapide lors de la combustion des grains de propergol, mais une fois achevée la vitesse décroit.

Le retard est adaptable facilement pour les moteurs RMS et plus particulièrement pour les moteurs HPR. En effet chez Aerotech, il est possible d’acheter une recharge HPR ayant un retard générique, tel que 10 secondes et d’acheter en parallèle un pack de retard plus court ou plus long. Les retards sont facilement changeables.

Chez Aerotech on distingue 4 retards différents:

-S: Short = 6 secondes

-M: Medium = 10 secondes

-L: Large = 14 secondes

-X: Extra = 18 secondes

Le retard se doit d’être juste dans quel cas vous aurez de sérieux problèmes de récupération de votre modèle voir même un endommagement de celui-ci (Zipper). Un autre paramètre important a prendre en compte lors du choix du moteur est la durée de propulsion qui varie suivant le type de propergol utilisé.

D. Un exemple de fabriquant de moteurs composites: Aerotech

Aerotech est un exemple de fabriquant de moteurs de types composites.

 Leur production est divisée en 2 lignes de production:

  • Une ligne de production appelée « consumer » composée de moteurs allants de la classe D à G. Des moteurs qui ne nécessitent pas de certifications.
  • Une ligne allant de H à N nommée « High Power Rocketry ».

La fabrique Aerotech produit 6 types de propergols différents pour les moteurs à usage unique et rechargeables. Entre ces différents propergols, la couleur de la flamme, le temps de combustion et la poussée changent :

White lightning (W) – Ce type de propergol est le plus connu chez Aerotech, il produit une flamme blanche brillante et une dense fumée blanche.

Blue Thunder (T) – Produit une flamme bleue-violette avec très peu de fumée. Ces moteurs disposent d’une poussée beaucoup plus importante par rapport aux moteurs de types White Lightning et Black Jack pour la même impulsion totale. Ces moteurs sont parfaits pour avoir de grosses accélérations et donc pour soulever les fusées assez lourdes.

Black Jack (J) et Black Max (FJ) – Permettent une grande visibilité avec la fumée noire éjectée. Ces moteurs sont caractérisés par de petites accélérations et des phases de propulsions plutôt longues. Les Black Max disposent d’une meilleure accélération par rapport aux moteurs de type White lightning.

Redline (R) – Caractérisés par une poussée et une durée de propulsion intermédiaire par rapport aux moteurs de types White Lightning et Blue Thunder. La flamme de ces moteurs est rouge et très peu de fumée est dégagée.

Warp-9 (N) – Produit une flamme jaune-orangée, une très grande poussée et une durée de propulsion très courte.

Mojave Green (G)- Le tout dernier propergol de chez Aerotech. Il produit une très grande poussée, la durée de propulsion est très courte et la flamme est verte.

Le type de propergol utilisé est désigné par une lettre (ou plus) à la fin du code moteur. Par exemple un moteur au code G33-7FJ aura un propergol de type Black Max ; G67-4W un propergol de type White Lightning…

Les moteurs à propergol solide
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2 thoughts on “Les moteurs à propergol solide

  • 12 août 2022 at 21 h 19 min
    Permalink

    Bonjour,
    Cet article (et ce site en général) m’a beaucoup aidé sur les choix de mes différents propulseurs et après avoir fait voler différentes fusées avec des propulseurs de chez Klima je me demandais comment me procurer des moteurs de chez Aerotech bien plus puissants en France car je n’ai trouvé que des sites expédiant aux US.
    Merci d’avance pour votre aide

    Reply

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