Comment construire un moteur-fusée

Comment construire un moteur-fusée

Martin Jud
Zurich, le 06.05.2021
Traduction: Anne Chapuis
Ils ne sont ni la NASA ni l'ESA et pourtant ils veulent voler à vitesse supersonique. La fusée de l'ARIS devrait atteindre 30 000 pieds en neuf secondes. Pour que cela réussisse, il faut un moteur puissant.

Pour viser haut, il faut des plans ambitieux. Comme ceux de l'ARIS. Plus de 150 étudiants de l'ETH Zurich, de la HSLU, de la ZHAW, de l'OST et de l'Université de Zurich recherchent, développent et construisent chaque année du matériel lié à l'espace chez ARIS. Chaque année, une nouvelle fusée est construite pour se mesurer aux fusées d'autres hautes écoles et universités du monde entier.

Lors de la dernière compétition d'ingénierie pour la construction de fusées, la plus importante au monde, la Spaceport America Cup 2019, l'équipe suisse avait déjà remporté un énorme succès avec sa fusée HEIDI : elle a terminé deuxième de sa catégorie.

Le vol de la fusée HEIDI lors de la Spaceport America Cup 2019 lui valut une deuxième place.

En 2020, la Cup a malheureusement été annulé à cause du coronavirus et en 2021, elle n'aura lieu qu'au format virtuel. En contrepartie, un concours, qui a fêté ses débuts l'année dernière , aura lieu au Portugal : l'European Rocketry Challenge.

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Gagner des concours est un des objectifs d'ARIS, mais son objectif principal est de mettre un objet en orbite d'ici la fin de la décennie. Il peut s'agir soit de leur propre fusée, soit d'un satellite lancé par une plus grande entreprise spatiale. Mais les compétitions sont importantes, car les jeunes talents peuvent non seulement y montrer ce dont sont capables leurs technologies, mais surtout y acquérir de l'expérience. Cela n'est possible que de manière limitée en Suisse.

Si vous souhaitez lancer une fusée, vous ne pouvez pas la lancer très haut en raison de l'espace aérien (généralement) très encombré et à cause des lois en vigueur. Par conséquent, les vols effectués en Suisse par le passé n'étaient que de petits sauts suivis d'un test du recovery system (système de récupération), le parachute.

Vol d'essai de la fusée HEIDI 2019 dans le canton du Jura.

Voici une autre photo de la fusée EULER de l'année dernière lors d'un drop test dans notre beau pays. Malheureusement, lors du défi portugais d'automne 2020, le lancement a dû être interrompu en raison de complications avec l'ordinateur de vol. Néanmoins, l'équipe d'ARIS a remporté un Technical Excellence Award.

Drop test de la fusée EULER 2020 dans le canton de Lucerne.

Au plus tard après l'explosion de la fusée TELL en juin 2018, l'équipe ARIS sait qu'elle doit construire son propre moteur. Elle n'a volé qu'une seconde et demie.

La vidéo montre des images au ralenti de l'explosion de la fusée TELL en 2018.

Non pas qu'un moteur propre ne puisse pas exploser, mais le succès ou l'échec de ce dernier reposerait entièrement entre les mains de l'équipe.

Pour le vol HEIDI 2019 dans le désert du Nouveau-Mexique, ainsi que pour EULER 2020, les moteurs ont été achetés, car l'équipe n'en avait pas encore un propre. Entre-temps, beaucoup de choses se sont passées ; une partie de l'infrastructure d'essai et un premier petit moteur prototype RHEA ont été développés puis testés en décembre 2019. En 2020, un premier moteur-fusée hybride à échelle de vol a été développé, construit et testé avec succès. Une deuxième version est en cours de développement. Il devrait, pour la première fois, être installé dans la fusée qui participera au concours au Portugal à l'automne.

Mais comment construit-on un moteur-fusée ?

Moteur hybride avec sorbitol, cire de bougie et protoxyde d'azote

Pour construire votre propre moteur-fusée, vous avez d'abord besoin des bonnes personnes pour le mettre en œuvre.

En 2020, ils ont développé le premier moteur-fusée flight scale ARIS : IRIDE.
En 2020, ils ont développé le premier moteur-fusée flight scale ARIS : IRIDE.

Huit personnes sont responsables de la première version du moteur IRIDE. Dans le cadre du projet DEADALUS, il sera revu six fois et intégré pour la première fois à une fusée.

Ils prennent la première version du moteur, l'améliorent et l'intègrent à la fusée.
Ils prennent la première version du moteur, l'améliorent et l'intègrent à la fusée.

Ici, vous pouvez voir l'équipe IRIDE en grand.
Ici, l'équipe DAEDALUS.

Toutefois, les six nouveaux membres de l'équipe ne sont pas entièrement seuls. Afin d'assurer un transfert parfait des connaissances acquises au cours des projets de l'année précédente, des coachs et des ALUMNI d'ARIS sont présents. L'un d'entre eux est Shady Elshater. Il est en haut à gauche dans la première photo et a déjà travaillé sur les projets RHEA et IRIDE en tant que chef de projet et ingénieur système. Il est également responsable des explications qui suivent et le travail de presse lui convient.

Outre beaucoup de savoir, des objectifs ambitieux sont nécessaires :

  • un moteur-fusée hybride au fonctionnement fiable et de conception modulaire, est en cours de développement ;
  • la poussée devrait livrer une puissance de pointe de 5000 Newtons et permettre aux fusées de monter jusqu'à 10 000 mètres ;
  • le temps de combustion devrait être de dix secondes et la phase d'allumage avant de quatre secondes ;
  • de plus le projet doit miser sur une construction légère et intégrer un contrôle de la poussée.

La poussée de cinq kilonewtons de puissance est à peu près équivalente au poids d'une demi-tonne ; c'est la quantité nécessaire pour la maintenir en l'air, ou pour accélérer une fusée de 81 kilogrammes à plus de 8,5 g. La poussée est destinée à transporter une charge utile de quatre kilogrammes avec la taille standard de trois CubeSats jusqu'à 10 000 mètres de haut. Plus précisément, cette année, une fusée de 6,34 mètres de long appelée PICCARD, d'un diamètre de 17,9 centimètres, d'un poids de 81 kilogrammes et atteignant une vitesse maximale de 1,05 Mach en 9 secondes, devrait atteindre la cible à une altitude de 30 000 pieds, soit 9144 mètres.

PICCARD mesure plus de six mètres et devrait voler à des vitesses supersoniques.
PICCARD mesure plus de six mètres et devrait voler à des vitesses supersoniques.
Photo : ARIS

Mach 1 correspond à la simple vitesse locale du son, soit 343 mètres par seconde ou 1235 kilomètres par heure à une température de 20 degrés Celsius, une humidité de l'air basse et une pression ambiante de 1 atm (atmosphère physique à 0 mètre au-dessus du niveau de la mer). La vitesse maximale visée de 1,05 Mach correspond à 1296,54 km/h. Cependant, il est déjà possible de franchir le mur du son à une vitesse inférieure, puisque la vitesse du son dépend fortement de la température ambiante. Si, par exemple, un objet volant doit franchir le mur du son à une altitude de 10 kilomètres, où il fait environ -50 °C, il ne doit parcourir que 300 mètres par seconde pour y parvenir.

Les moteurs-fusées hybrides utilisent un carburant sous forme solide combiné à un oxydant liquide.
Les moteurs-fusées hybrides utilisent un carburant sous forme solide combiné à un oxydant liquide.
Photo : ARIS

Utiliser un moteur-fusée hybride pour la réalisation signifie que le carburant sous forme solide est combiné à un oxydant liquide. ARIS utilise l'oxyde nitreux, plus connu sous le nom de gaz hilarant, comme oxydant. Comme le montre l'image ci-dessus, il est situé dans un réservoir pressurisé. En ouvrant une vanne pneumatique, le gaz est dirigé vers une buse d'injection, qui l'injecte dans le carter du moteur, un peu comme un pommeau de douche. Dans la chambre, le gaz s'enflamme et forme un tourbillon de feu qui permet au carburant solide de brûler uniformément et, avec lui, de fournir la poussée requise à travers la buse.

ARIS utilise une combinaison de cire de bougie (paraffine) et de sorbitol comme carburant solide. Le sorbitol est utilisé par les boulangers comme produit sucrant ou par les médecins comme laxatif. Des choses qui peuvent aussi être achetées ou importées au Portugal ou aux États-Unis.

Buse de fusée refroidie à l'eau dans un conteneur de fret

Passer de la théorie à la pratique nécessite de bons plans qui s'appuient sur des concepts existants. De plus, les sponsors sont essentiels. Par exemple, pour fabriquer des pièces individuelles (sur la base de dessins CAO) ou pour fournir un site d'essai sûr. Cela signifie que la construction, qui a lieu à l'ETH Zurich, doit se faire sur une plateforme mobile. L'équipe décide donc d'installer un banc d'essai dans un conteneur de fret.

Cette photo du conteneur ouvert avec l'équipe IRIDE pourrait être tirée d'un film de science-fiction.
Cette photo du conteneur ouvert avec l'équipe IRIDE pourrait être tirée d'un film de science-fiction.
Photo : ARIS
Le conteneur en trois parties contient le banc d'essai, les réservoirs de gaz et l'électronique.
Le conteneur en trois parties contient le banc d'essai, les réservoirs de gaz et l'électronique.
Photo : ARIS

Le conteneur de fret comporte trois pièces distinctes. Dans la première, un banc d'essai est mis en place sur lequel le moteur est monté de manière à ce que les flammes sortent du conteneur.

La première pièce contient le banc d'essai. Elle assure également le refroidissement à eau de la buse et l'accès à l'oxydant, dont le réservoir est situé dans la deuxième pièce.
La première pièce contient le banc d'essai. Elle assure également le refroidissement à eau de la buse et l'accès à l'oxydant, dont le réservoir est situé dans la deuxième pièce.
Photo : ARIS

Lorsque le moteur sera installé dans une fusée, il recevra une buse en fibre de carbone fabriquée à la main avec un insert en graphite. Cependant, à cause des températures élevées la buse n'est pas utilisée pour plusieurs vols. Pour éviter l'usure des buses, un modèle en cuivre avec un refroidissement par eau est utilisé pour les essais.

Le banc d'essai en détail.
Le banc d'essai en détail.
Photo : ARIS
Le moteur en détail.
Le moteur en détail.
Photo : ARIS

Le moteur est monté sur le banc d'essai à gauche et alimenté en oxydant par la droite. Lorsque la vanne principale est ouverte, un capteur contrôle le flux massique de l'oxydant. En outre, un système de mesure de la poussée est installé, ce qui permet d'obtenir des données correctes après la mise à feu du moteur. Dans cette première pièce se trouvent déjà plus de 15 capteurs qui mesurent tous les paramètres du moteur et de l'oxydant en circulation.

La deuxième pièce offre un espace pour les réservoirs de gaz.
La deuxième pièce offre un espace pour les réservoirs de gaz.
Photo : ARIS

La deuxième pièce, au milieu, offre un espace pour le réservoir d'oxydant, que l'on peut voir tout à gauche. À côté, sur le mur extérieur, se trouvent trois réservoirs d'azote. Le premier d'entre eux sert au système de pressurisation, le second au système pneumatique, responsable de l'ouverture et de la fermeture des valves et le troisième réservoir d'azote peut être utilisé pour rincer le moteur.

À droite des trois réservoirs d'azote, un mur de sécurité supplémentaire est installé pendant le fonctionnement, derrière lequel se trouvent deux autres réservoirs de protoxyde d'azote. Ils sont utilisés pour remplir le réservoir d'oxydant, qui est directement relié au moteur.

Dans la troisième pièce du conteneur se trouvent les modules de mesure, les relais de sécurité ainsi que le système d'alimentation électrique, le système de caméras de surveillance et de nombreux câbles ; tout le matériel électronique se trouve dans cette zone. C'est ici que s'effectue le contrôle de l'ensemble du dispositif. Et la collecte de toutes les données des tests.

Photo : ARIS
Photo : ARIS

Plus de deux kilomètres de câbles sont installés dans toute la structure.

Photo : ARIS
Photo : ARIS

Et un gadget spécial que, malheureusement, seule une personne à la fois est autorisée à faire fonctionner plus tard à l'extérieur du conteneur, à une distance sûre.

Cinq kilonewtons ? Mon oeil ! Feu !

Quand, après un an de planification, de fabrication et d'assemblage tout est enfin prêt pour les premiers tests, en été 2020, le bouton de lancement ci-dessus est prêt depuis longtemps. Les composants qui ne pouvaient pas être fabriqués ont été réalisés avec l'aide de sponsors.

L'eau de refroidissement s'écoule dans les rainures de cette buse spéciale après avoir été installée sur le banc d'essai.
L'eau de refroidissement s'écoule dans les rainures de cette buse spéciale après avoir été installée sur le banc d'essai.
Photo : ARIS

La buse métallique spéciale, qui est fixée au système de refroidissement par eau, est une production externe. En revanche, les premières buses en carbone ont été fabriquées sur place, à la main.

La production du carburant est également un travail manuel : les doses exactes de paraffine, de sorbitol et de poudre d'aluminium pour apporter le petit kick, sont soigneusement chauffées et versées dans un tube de résine phénolique. Ensuite, ce dernier tourne, un peu comme un tambour.

Le premier assemblage du moteur se fait en plein soleil. Un bon présage.
Le premier assemblage du moteur se fait en plein soleil. Un bon présage.
Photo : ARIS
Le design modulaire a de nombreux avantages. Si quelque chose se casse, la pièce peut être remplacée sans trop de complications.
Le design modulaire a de nombreux avantages. Si quelque chose se casse, la pièce peut être remplacée sans trop de complications.
Photo : ARIS

Un premier assemblage du moteur au Hönggerberg de Zurich par une journée ensoleillée de juillet fait le bonheur de l'équipe IRIDE ainsi que des sponsors et des professeurs. Tout semble fonctionner. Les systèmes sont prêts pour un premier allumage, c'est le moment pour le conteneur de faire un voyage.

Au milieu de nulle part : le feu d'artifice aura lieu à Ochsenboden.
Au milieu de nulle part : le feu d'artifice aura lieu à Ochsenboden.
Photo : ARIS

Tout le dispositif d'essai est déplacé à 60 km par camion. La destination ? Ochsenboden dans le canton de Schwyz. Rheinmetall y a un centre d'essai. L'allumage d'un moteur-fusée ne peut être réalisé que dans des endroits très éloignés.

Le moteur est prêt un allumage.
Le moteur est prêt un allumage.
Photo : ARIS

Les préparatifs avant une mise à feu prennent plusieurs heures chacun. Chacun membre de l'équipe a une tâche fixe avant et lors du lancement. Grâce à plus d'un an de collaboration et aux connaissances du moindre élément des systèmes, tout fonctionne parfaitement.

Tout s'emboîte.
Tout s'emboîte.
Photo : ARIS
Chaque membre de l'équipe est absolument concentré.
Chaque membre de l'équipe est absolument concentré.
Photo : ARIS

Le moteur est rempli de carburant solide pour la première fois, fixé sur le banc d'essai et connecté au réservoir. Le puissant système de refroidissement par eau attire tous les regards.

Photo : ARIS
Photo : ARIS

Après une dernière vérification des réservoirs, toute l'équipe disparaît dans un bunker. Pendant l'allumage, il faut maintenir une distance de sécurité par rapport au conteneur. Le bunker contient également le gadget avec l'interrupteur d'arrêt d'urgence et cinq moniteurs : Ils montrent les données des capteurs, le panneau de commande pour ouvrir et fermer toutes les vannes et les vidéos de la caméra de surveillance.

Photo : ARIS
Photo : ARIS

Un dernier coup d'œil par la fente de la fenêtre du bunker montre le drapeau de tir et la barre de LED rouges dans le conteneur, ce qui signifie que le système est armé.

Photo : ARIS
Photo : ARIS

Je suis impatient. Une flamme puissante est sur le point d'être allumée. Du moins, si tout se passe bien. La tension est à son comble : dans quelques instants, le bouton rouge sera activé. Dans un instant, tout ce qui s'est accumulé au cours d'une année, et même plus sera relâché. Et cela n'est pas seulement valable pour le moteur, mais aussi pour chacun des huit membres de l'équipe.

IRIDE fournira-t-elle une poussée suffisante ? Le moteur de la fusée atteint-il les 5 kilonewtons souhaités et une durée de combustion de 10 secondes ?

La réponse se trouve dans la vidéo 4K. J'en ai la chair de poule.

Quelle flamme, et quelles émotions.

Comme le montrent les évaluations après 19 lancements avec un temps de combustion total de 89 secondes, l'objectif est non seulement atteint, mais dépassé de beaucoup : au total, douze tests sont effectués avec succès, le plus long durant 16 secondes. Les 5 kilonewtons fixés sont atteints et même dépassés au cours des tests avec une valeur de pointe de 7994 Newton. 60 % de puissance en plus que la valeur prévue.

Entre-temps, le nouveau projet DAEDALUS a déjà testé le moteur amélioré une douzaine de fois avec un grand succès. Cela devrait mettre la fusée PICCARD en bonne position pour le mois d'octobre au Portugal. Je me demande si elle va réussir à franchir le mur du son.

La Suisse deviendra-t-elle une nation spatiale indépendante à la fin de la décennie grâce à ARIS ?

We stay tuned.

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Martin Jud
Martin Jud

Editor, Zurich

Le baiser quotidien de la muse stimule ma créativité. Si elle m’oublie, j’essaie de retrouver ma créativité en rêvant pour faire en sorte que mes rêves dévorent ma vie afin que la vie ne dévore mes rêves.

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