Physique  |  Technique

 

Sacha Bumann, 2008 | Morges, VD
Samuel Gebhard, 2007 | Ballens , VD

 

L’objectif de ce travail était de concevoir, fabriquer et optimiser un moteur-fusée à propulsion dite hybride. Ceci afin d’obtenir un moteur fonctionnel et efficace. Après plusieurs itérations et ajustements, une poussée de 43 newtons a été obtenue, confirmant les calculs et la pertinence du concept et ouvrant la voie à de futures optimisations.

Problématique

Les moteurs-fusées à combustible solide, bien que répandus en astromodélisme, présentent des limites en termes de contrôle et d’efficacité. À l’inverse, les moteurs biliquides, utilisant un oxydant et un carburant stocké sous forme liquide, offrent de meilleures performances mais sont extrêmement complexes. La propulsion hybride, qui associe un oxydant liquide à un carburant solide, représente un compromis prometteur alliant efficacité, contrôle et simplicité relative. Ce projet avait donc pour objectif de concevoir et de réaliser un moteur-fusée expérimental, performant et fiable, capable de théoriquement propulser une fusée expérimentale. Nous avons répondu à la problématique suivante : L’utilisation de moteurs-fusées à propulsion hybride est-elle adaptée à la conception de fusées expérimentales d’astromodélisme ?

Méthodologie

Le développement du moteur a suivi plusieurs étapes :
1. Conception et modélisation : utilisation du logiciel Fusion 360 pour la CAO (conception assistée par ordinateur), simulations de combustion avec l’outil Rocket CEA.
2. Fabrication et assemblage : fabrication de la chambre de combustion en acier, impression 3D des grains de carburant en ABS et ASA, usinage de la tuyère en graphite.
3. Développement du banc d’essai : intégration d’une structure instrumentée équipée de capteurs de force, de pression et de température.
4. Expérimentations et ajustements : tests statiques sous diverses conditions (différents grains, tailles d’injecteur, pression d’injection, etc.). Analyse des performances, itération d’un ou plusieurs paramètres afin d’optimiser le moteur.

Résultats

Lors d’un test statique d’une durée de 5 secondes, une poussée stable de 43 newtons a été mesurée. À l’aide d’un capteur installé dans la chambre de combustion, une pression interne de 8 bars a été mesurée. La température du moteur a pu être maitrisée en contrôlant la durée des tests et n’a pas dépassé 150°C. À ce jour, une quinzaine de tests ont été réalisés avec succès, validant ainsi la fiabilité et la résilience de notre système à propulsion hybride.

Discussion

Notre poussée maximale de 43 newtons est cependant deux fois supérieure aux prédictions théoriques pour une pression interne de 8 bars. Cette divergence a soulevé des doutes quant à la fiabilité de notre système de mesure. Après analyse, la piste la plus probable est que le capteur de pression à l’intérieur de la chambre de combustion ait été affecté par la température élevée des gaz, biaisant ainsi les relevés de pression et entraînant une sous-estimation de la poussée théorique.

Conclusions

Ce projet a démontré qu’il est possible de concevoir et de réaliser un moteur-fusée hybride fonctionnel en moins de neuf mois et avec relativement peu de moyens. Les résultats expérimentaux, bien que perfectibles, montrent que cette version du moteur peut soulever une micro-fusée expérimentale d’une masse totale de 2,5 kg. Toutefois, l’écart entre les valeurs simulées et celles mesurées souligne la nécessité de capteurs plus précis et mieux adaptés aux conditions de test. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à des améliorations, tant sur la fiabilité des mesures que sur la conception d’un moteur plus grand et plus puissant. Ce travail nous a offert l’opportunité d’explorer et de mieux comprendre la propulsion à l’aide de moteurs-fusées.

 

 

Appréciation de l’expert

Prof. Gabriel Paciotti

MM. Bumann et Gebhard ont démontré une approche scientifique et technique remarquable. Leur étude approfondie des propulseurs hybrides est clairement reflétée dans leur rapport. Ils ont su modéliser, analyser et mettre en œuvre leur concept. Les tests réalisés ont nécessité un équipement de mesure dédié, conçu et validé par leurs soins. Ils ont fait preuve d’un esprit critique aiguisé, analysant leurs résultats, identifiant les causes potentielles d’inexactitudes et proposant des solutions pertinentes pour les améliorer, témoignant ainsi de leurs compétences en investigation et en innovation.

Mention:

excellent

Prix spécial «startup days» décerné par l’Institut Fédéral de la Propriété Intellectuelle

 

 

 

Gymnase de Morges, Morges
Enseignant: Dr. Ricardo Perez Suarez