FUSÉES A EAU Mini Projet 1 – Présentation des fusées SCIENCES

FUSÉES A EAU
Mini Projet
1 – Présentation des fusées
SCIENCES DE
L'INGÉNIEUR
Lycée Sud Médoc – 33320 Le Taillan-Médoc
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FUSÉES A EAU
Mini Projet
Principe des fusées à eau :
Une fusée à eau, ou fusée hydropneumatique, est un engin volant constitué d'une bouteille en PET
propulsée par réaction, en utilisant de l'eau et de l'air sous pression.
Ces engins peuvent dépasser la vitesse de 400 km/h et les 100 mètres d'altitude. Le record du
monde est d'ailleurs de plus de 625 mètres. Leur lancement nécessite l'utilisation d'une base de lan cement (ou pas de tir) fabriqué à cet effet. Pour ses vertus pédagogiques et son côté spectaculaire,
la construction de fusées à eau est une activité souvent pratiquée dans les écoles et les centres de
vacances. Mais si on se penche de plus près sur son principe de fonctionnement, beaucoup de prin cipes physiques interviennent dans le lancement d'une fusée à eau.
La propulsion d'une fusée à eau est basée sur le principe bien connu d'action-réaction : lorsqu'une
certaine masse (la masse d'eau, ici) est éjectée violemment d'un conteneur, il se crée une force de
réaction dans le sens opposé. C'est par ce même principe que les fusées telles qu'Ariane sont propulsées, sauf qu'à la place d'une masse d'eau, ces engins éjectent une masse de gaz enflammés.
Dans les fusées à eau, la masse à éjecter est donc de l'eau, fluide parfaitement neutre et dépourvu
d’énergie. Le moyen pour éjecter cette eau n'est pas une réaction chimique mais la mise sous pres sion de l'air dans le conteneur. Ce conteneur est une simple bouteille en PET (eau gazeuse ou soda)
. Pour des raisons de sécurité, il est important que cette bouteille soit en PET (pas de bouteille d'eau
de source), afin de résister à la forte pression interne.
Plus la pression de l'air dans la fusée est élevée, plus l'eau sera éjectée rapidement, et donc plus la
force de réaction sera grande, même si elle dure moins longtemps.
Dans la pratique, la phase de propulsion d'une fusée à eau est en général très courte (de l'ordre du
dixième de seconde pour une fusée type de 1,5 L). Cependant, après cette phase propulsive, la fusée à eau continue son ascension grâce à l'énergie cinétique acquise, et ceci malgré la pesanteur et
la résistance de l'air.
Le protocole de lancement d'une fusée type est le suivant :
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La fusée est placée sur son pas de tir.
La bouteille de transfert est remplie d'une certaine quantité d'eau.
Le pas de tir est alors mis sous pression (à 5 000 hPa, soit 5 bars), à l'aide d'un compresseur d'air.
Une fois la pression adéquate atteinte, la fusée est libérée et commence son vol.
Votre fusée à eau sera équipée d'un enregistreur d'altimétrie, et à la retombée il suffira de
consulter sur l'afficheur l'altitude maximale atteinte. Il ne faut pas espérer battre le record du
monde : une altitude d'une vingtaine de mètres serait déjà un exploit...
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Constitution d'une fusée à eau :
Ogive : permet de réduire la traînée aérodynamique (résistance due aux frottements de l'air) lors
du vol de la fusée dans le but d'aller plus haut.
Elle peut être réalisée avec le goulot d'une bouteille.
Bouteille de boisson gazeuse, elle sera remplie
d'une certaine quantité d'eau (et d'air sous pression). Une bouteille de 1,5 L est recommandée.
Jupe (facultatif) : permet de faciliter la fixation des
ailerons, et éventuellement de réduire la traînée
aérodynamique (à vérifier par des simulations).
Ailerons : Ils sont indispensables à la stabilité de
la fusée. Ils sont déterminés à l'aide d'un tableur.
Tuyère ou éjecteur : elle (il) a deux rôles : réguler
l'éjection de l'eau, mais aussi maintenir la fusée
sur la base de lancement. Cette pièce sera
conçue à l'aide d'un modeleur volumique puis imprimée en 3D.
Base de lancement :
La base de lancement utilisée pour notre projet est de type « à transfert ».
En effet, si on place l'eau dans la fusée avant le tir, on doit retourner cette fusée pour la clipser sur la
base, donc la fusée se vide partiellement !
La seconde solution consiste à retourner la base de lancement pour la clipser sur la fusée, mais
l'opération n'est pas très pratique.
La solution du transfert consiste à verser l'eau dans une autre bouteille (de transfert), puis lorsqu'on
envoie l'air comprimé dans la bouteille de transfert, celui-ci chasse l'eau vers la fusée.
Une fois toute l'eau évacuée, l'air comprimé finit de mettre la bouteille sous pression.
Arrivée d'air
Fusée
Bouteille de transfert
Tuyau de transfert
Support fusée
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L'organisation et le concours :
Chaque équipe va devoir construire sa propre fusée à eau, optimiser ses formes, mais surtout pré voir l'altitude atteinte.
Le cahier des charges est le suivant :
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Les bouteilles utilisées doivent avoir une contenance de 1,5 ou 2 L ;
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La pression de gonflage de la fusée est limité à 0,5 MPa (5 bars) ;
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Le liquide utilisé est obligatoirement de l'eau, éventuellement salée ;
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Une ogive est obligatoire afin d'embarquer l'altimètre. Elle doit en outre être équipée d'un orifice permettant de mettre l'intérieur de l'ogive à la pression atmosphérique ;
L'ogive doit pouvoir être facilement ouverte ou démontée pour installer ou retirer l'altimètre ;
Des ailerons sont obligatoires pour assurer la stabilité de la fusée. Leur détermination sera
réalisée à l'aide d'un tableur fourni ;
La jupe est facultative, mais peut faciliter la pose des ailerons ;
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Le raccord permettant de clipser la fusée sur la base de lancement doit être conçu à l'aide du
logiciel SolidWorks (un modèle de base est fourni) ;
•
L'altitude prévue sera déterminée à l'aide d'un modèle MATLAB fourni.
Les élèves de chaque équipe se répartissent le travail (dans les groupes de 5 élèves, le 5° élève se
placera dans l'un des deux groupes selon l'avancement du projet). Les numéros inscrits dans les
cercles correspondent aux dossiers guides disponibles.
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En commun :
Choix de la bouteille
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Élèves 1 et 2 :
②
①
➃
➅
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Élèves 3 et 4 :
③ Recherches sur l'aérodynamique pour la forme de la coiffe
① Influence de la présence d'une jupe
➄ Conception de l'éjecteur
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En commun :
Assemblage de la fusée
Recherche de la quantité d'eau optimale
Influence éventuelle de la salinité de l'eau et d'autres paramètres
Définition des dimensions des ailerons assurant la stabilité de la fusée
Simulation de la hauteur atteinte
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