Fusées à eau USB

Fusées à eau USB

Apollo program, Courtesy of NASALa semaine dernière, on a construit un lanceur de fusée à eau. Cette semaine, on s'attaque au problème complémentaire: la fusée à eau. Et comme chez Yoctopuce on ne peut pas s'empêcher de mettre des modules USB un peu partout, on a fabriqué une fusée à eau USB...





Anatomie d'une fusée à eau

Généralement, une fusée à eau n'est rien d'autre qu'une bouteille de boisson gazeuse munie de quelques accessoires comme un embout de tuyau d'arrosage, des ailettes, un tube, et une ogive.

Anatomie d'une fusée à eau
Anatomie d'une fusée à eau


Il est aussi préférable de prévoir un système de récupération, comme un parachute qui freinera sa retombée. Cela évite d'avoir à reconstruire une nouvelle fusée après chaque tir, et a l'avantage non négligeable de limiter le risque de blesser des passants.

Il existe plein de méthodes différentes pour construire une fusée à eau, voici quelques-unes des techniques qu'on a utilisées, beaucoup sont empruntées à l'aéro-modélisme où il faut construire léger et solide.


Le moteur

La pièce maîtresse d'une fusée à eau est le moteur, ça tombe bien, c'est le plus facile à fabriquer: il faut simplement prendre une bouteille d'eau gazeuse, lui coller un embout de tuyau d'arrosage et des ailettes.

Un moteur de fusée à eau
Un moteur de fusée à eau


Les ailettes sont découpées dans du balsa et collées au pistolet à colle. On a renforcé la bouteille avec de la fibre de carbone, pour éviter qu'elle ne se déforme trop sous l'effet de la pression: on va gonfler à 10 bars.


Le tube

Le tube sert à prolonger le corps de la fusée, c'est indispensable pour la stabilité en vol. Si votre fusée est trop courte, elle aura une trajectoire complètement aléatoire. Vous trouvez sur Internet tout plein de formules pour calculer la stabilité d'une fusée, mais vous pouvez aussi vous fier à votre instinct: une fusée bien proportionnée a de bonnes chances de voler correctement.

L'idéal est d'utiliser un tube dont le diamètre interne est très légèrement supérieur au diamètre de la bouteille, afin de pouvoir coincer cette dernière dedans. Il faut aussi que ce tube soit à la fois léger et rigide. Trouver un tube qui réunisse ces caractéristiques n'est pas forcément évident, alors on en a fabriqué un nous-même en fibre de carbone. On vous épargne les détails, mais en gros cela consiste à enrouler du tissu de carbone enduit de résine autour d'un tuyau protégé d'une feuille de plastique. Une fois la résine solidifiée, on enlève le tuyau, et le tour est joué.

Un tube en fibre de carbone fait maison, 65x500mm, 45 grammes
Un tube en fibre de carbone fait maison, 65x500mm, 45 grammes


L'ogive

L'ogive est essentielle pour l'aérodynamisme. En revanche, elle n'a besoin d'être très solide: à moins d'un crash, elle ne sera soumise à aucune contrainte mécanique. C'est une forme assez difficile à obtenir. On a réalisé les nôtres grâce à un moule perdu. Le moule est une feuille de plastique thermo-formée sur une forme fabriquée à l'imprimante 3D. L'intérieur du moule est tapissé d'un fin voile de Kevlar enduit de résine. Une fois la résine solidifiée, on "épluche" le moule et il reste une espèce de capuchon en forme d'ogive, très fin et très léger.

Thermoformage d'un moule sur un positif  Le moule est tapissé d'un fin tissu de kevlar enduit de résine

Fabrication d'une ogive avec une technique de moule perdu
Fabrication d'une ogive avec une technique de moule perdu



Le parachute

On arrive à la partie vraiment difficile des fusées à eau: comment déployer le parachute de la fusée, de préférence lorsque que sa trajectoire atteint son apogée. Il existe une technique assez répandue qui consiste à utiliser des moteurs de jouets à ressort comme minuterie. On a choisi une approche plus technologique, basée sur deux caractéristiques des modules Yoctopuce:

  • Les modules Yoctopuce n'ont pas besoin d'une vraie connexion USB pour fonctionner, il leur suffit d'être alimentés. Certains d'entre eux, comme le Yocto-Relay, n'ont même pas besoin d'être alimentés en 5V, ils peuvent se contenter d'un petit 3.3V.
  • Les relais Yoctopuce disposent d'une fonction delayedPulse, qui les fait attendre pendant un temps donné, basculer pour une durée déterminée et finalement revenir à leur position de repos.


On a donc installé un compartiment dans le tube de la fusée, ce compartiment est fermé par une trappe. Une petite crémaillère permet de verrouiller et de déverrouiller cette trappe à loisir. La crémaillère est actionnée par un micro moteur électrique réducté, et ce moteur est piloté par un Yocto-Relay. Le Yocto-Relay contenant deux relais, il existe un câblage qui permet de faire tourner le moteur dans les deux sens.

Il suffit de deux relais pour faire tourner un moteur dans les deux sens
Il suffit de deux relais pour faire tourner un moteur dans les deux sens


Pour que Yocto-Relay reste alimenté pendant le vol, on a ajouté trois minuscules accus ni-cd en parallèle sur l'alimentation du Yocto-Relay. C'est une technique peu orthodoxe, mais ça marche très bien parce que la fusée ne reste sous tension que très peu de temps.

Câblage complet de la fusée
Câblage complet de la fusée


Le Yocto-Relay, qui se trouve donc dans la fusée, est relié au YoctoHub-Wireless du lanceur par une petite prise qui tient à peine. Pendant la séquence de lancement, le YoctoHub-Wireless envoie une commande delayedPulse au Yocto-Relay puis libère la fusée. En décollant, la fusée tire sur la prise, ce qui la déconnecte du lanceur. Lorsque le délai du delayedPulse est écoulé, le Yocto-Relay actionne le moteur, ce qui déverrouille la trappe.

Fonctionnement de la trappe (vue en coupe)
Fonctionnement de la trappe (vue en coupe)


Le compartiment du parachute avec sa trappe  Détail du mécanisme de fermeture
Le système de parachute


On a relié la trappe au parachute. Ainsi, lorsque la trappe est déverrouillée en vol par le Yocto-Relay, le vent relatif l'arrache, et elle entraîne avec elle le parachute qui n'a pas d'autre choix que de s'ouvrir.

Une fusée à eau Yoctopuce, munie de son parachute. 80cm, 170g.
Une fusée à eau Yoctopuce, munie de son parachute. 80cm, 170g.



Contrôle du lancement

On a configuré le YoctoHub-Wireless dans le lanceur pour qu'il fonctionne en mode ad-hoc et génère son propre réseau wifi. L'application de contrôle est une web-app sauvée sur le file-system du YoctoHub-Wireless. Ainsi il suffit de se connecter sur le réseau wifi du lanceur avec un smart phone, de charger l'application de contrôle pour être prêt à lancer notre fusée.

Le lancement peut être contrôlé depuis n'importe quel smartphone capable de se connecter à un réseau ad-hoc.
Le lancement peut être contrôlé depuis n'importe quel smartphone capable de se connecter à un réseau ad-hoc.


Bien que très pratique, cette architecture souffre d'une grosse vulnérabilité: l'application de contrôle tourne sur un smart-phone relié au lanceur par une connexion wifi. Si on se contente d'allumer le compresseur et d'attendre gentiment que la pression soit suffisamment élevée pour l'éteindre, on court à la catastrophe. En effet si le smart-phone perd la connexion en pleine séquence de pressurisation, le compresseur va continuer à pomper jusqu'à ce que quelque chose casse. Pour éviter ça, le processus correct consiste à utiliser la fonction pulse du relais qui commande le compresseur pour lui demander environ une fois par seconde de basculer pendant 1.5 seconde et ce tant que la pression requise n'est pas atteinte. Ainsi, s'il y a une perte de connexion, le relais reviendra à sa position de repos au pire 1.5 seconde après la perte de connexion, et le compresseur s'arrêtera.


Bon, voilà, on a fait le tour de la question, il ne reste plus qu'à essayer:-)

5.4.3.2.1
5.4.3.2.1


We have a liftoff
We have a liftoff


Système de récupération déployé avec succès
Système de récupération déployé avec succès



  



Bien qu'étant un loisir généralement destiné aux enfants, les fusées à eau peuvent assez facilement devenir dangereuses dès qu'on cherche à les rendre performantes. L'énergie qu'elles contiennent peut les propulser à plusieurs dizaines de mètres de haut. C'est cool, mais cela signifie aussi qu'en cas de rupture d'un élément, cette même énergie peut projeter des débris vite et loin. Soyez prudents.

Commenter 10 commentaires
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1 - cpiclem Dimanche 01 décembre 2013 14H27

Je lis attentivement vos articles depuis 2 jours.
Vraiment très intéressant.

Je suis étudiant en BTS CPI, et je pensais utiliser vos produits pour un projet de base de fusée à eau, mais même après de multiples lectures, certains points restent floux.

Il est regrettable que le coté application smartphone ne soit pas plus détaillé. (code source ? tuto ?)

2 - martinm (Yocto-Team)Dimanche 01 décembre 2013 15H29

@cpiclem: L'application qui contrôle le lanceur est une simple page web avec beaucoup de code javascript. Cette page est stockée sur le file-system du YoctoHub-Wireless qui se trouve dans le lanceur. Le YoctoHub-Wireless se comportant comme un serveur web, il suffit de se connecter dessus avec un simple browser web (compatible HTML5) et de charger la page en question pour avoir accès a l'interface du lanceur. Une fois cette page chargée dans le browser web du smartphone, elle est exécutée, et le code javascript qu'elle contient utilise l'API Yoctopuce pour se connecter au YoctoHub-Wireless et prendre le contrôle les différents éléments du lanceur.

Le code de contrôle en lui même est relativement simple: c'est une machine à états des plus basique avec 4 états: IDLE, FILLING, COMPRESS et FIRING. La seule subtilité consiste à gérer correctement les pertes de connections comme expliqué dans l'article. En revanche il y a énormément de code qui sert à construire une jolie interface.

Le code source se trouve ici:

http://www.yoctopuce.com/FR/downloads/rocketcontrol.zip

En l'absence de YoctoHub-Wireless, vous pouvez le tester sur un VirtualHub.

3 - papyjo Vendredi 18 avril 2014 20H41

Magnifique
Quel professionnalisme!...
Idem pour la base, mais ne craint-elle pas trop l'eau?

4 - martinm (Yocto-Team)Samedi 19 avril 2014 6H59

@papyjo: non, il n'y a aucun problème avec l'eau: la plaque supérieure du lanceur sert de déflecteur. Toute l'électronique sensible étant enfermée dans deux boites elle ne craint rien, quand au reste, il s'accommode très bien de quelques gouttes d'eau.

5 - phil63 Jeudi 21 août 2014 22H17

Bonsoir.

Superbe réalisation.
Pourriez vous, svp, m'apporter quelques précisions sur la fabrication du tube en carbone ?
Quelles fournitures avez vous utilisées ?
Pouvez vous détailler un peu plus cette fabrication ?

En vous remerciant par avance

Cordialement

6 - martinm (Yocto-Team)Vendredi 22 août 2014 6H19

Ok, alors pour fabriquer un tube en carbone à la maison, il vous faut:
- du tissu de carbone, fin à maille serrée (a)
- de la résine époxy L (b)
- de la feuille de plastique de protection en rouleau
- un tuyau
- du ruban adhésif
- en option: de la gaine thermo-rétactable, du genre de celle qu'on utilise pour gainer les accus en modélisme

Les trois premiers peuvent se trouvent auprès de vendeurs spécialisés (ex: www.swiss-composite.ch) ou bons magasins de modélisme (ex: www.topmodel.fr)

Etape 0:
Vérifier que la résine, une fois solidifiée, n'adhère pas au plastique de protection, sinon ça ne va pas bien se passer du tout.

Etape 1:
Enrouler le plastique de protection serré autour du tuyau, il ne doit pas y avoir de plis, mais le plastique doit pouvoir coulisser sur le tuyau. On jouant sur le nombre de tours, on peut ajuster le diamètre interne du tube de carbone, mais plus il y a de tours, plus le risque de plis est important. Immobilier le plastique et étanchéifier les jointures avec du ruban adhésif: la résine ne doit pas pouvoir se glisser entre le tube et le plastique.

Etape 2:
Enrouler deux tours de tissus de carbone tout en l'enduisant de résine avec un pinceau. Attention au à ne pas mettre de résine sur le tuyau.

Etape 3, option 1:
Placer le tout dans de la gaine thermo-rétractable. Chauffer doucement la gaine au décapeur thermique en partant d'un coté. Elle va rétrécir et épouser la forme du tuyau en chassant l'excédent de résine, garantissant ainsi un finish impeccable. Plus le diamètre du tube est important, plus cette technique devient difficile (et chère)

Etape 3, option 2:
Enrouler le tout dans une feuille de plastique de protection aussi serré que possible, en éliminant les bulles éventuelles.

Etape 4:
laisser la résine durcir au moins 12 heures.

Etape 5:
Enlever la gaine thermo ou le plastique de protection extérieur. Enlever le tuyau en le faisant coulisser, enlever le plastique de protection intérieur. Voila.

Si vous n'avez jamais travaillé avec de la résine auparavant, faites quelques expériences à petite échelle avant de vous lancer.

(a) www.topmodel.fr/product-detail-7919-tissu-de-carbone-93-gm2-1ml
(b) www.topmodel.fr/product-detail-7770-resine-epoxy-l-durc-l-kit-1-kg

7 - phil63 Samedi 23 août 2014 10H45

Bonjour

Merci beaucoup Martinm pour cette réponse si rapide et si détaillée.

Cordialement

8 - Pierre Mahoume Lundi 17 novembre 2014 8H43

Bonjour,
Nous sommes des élèves de Terminales S-SI, et nous travaillons sur la fusée à eau pour notre projet Bac.
Bravo pour votre vidéo, mais nous ne comprenons pas comment vous parvenez à déclipser l'embout de tuyau d'arrosage. Pourriez-vous nous donnez plus de détails sur la manière dont vous y êtes arrivé ?

Merci d'avance.

9 - martinm (Yocto-Team)Lundi 17 novembre 2014 9H36

Bonjour Pierre,

Nous avons utilisé des embouts de la marque Gardena. Il existe deux variantes:
- une qui se déclipse en faisant coulisser la bague orange
- une qui se déclipse en faisant pivoter la bague orange

On a choisi la deuxième version: on a collé une grosse roue dentée sur la bague orange. Cette roue dentée est actionnée par une crémaillère, elle-même actionnée par un piston pneumatique. La roue dentée et la crémaillère on été réalisées avec une imprimante 3D. Il y a des photos de ces éléments ici:

http://www.yoctopuce.com/FR/article/un-lanceur-de-fusees-a-eau-autonome

Si vous avez besoin de plus détails, n'hésitez pas à contacter le support Yoctopuce.

10 - Pierre Mahoume Lundi 17 novembre 2014 10H30

Merci beaucoup, nous avons vu avec les professeurs sur les différents moyens possibles et nous pensons avoir trouver une solution.

Cordialement

Yoctopuce, get your stuff connected.