2007-2008 : Fusée Leia

Compte-rendu du projet

INTRODUCTION :

 

Cette année le projet est de réaliser un lanceur de cansat.

La caractéristique de cette fusée est qu’elle pourra être lancée au minimum deux fois. Elle permettra d’intégrer à son bord un cansat pesant moins de 1kg. Il est à préciser que cette année l’organisme Planète Sciences et le CNES nous fournit un nouveau type de propulseur jamais utilisé par le club auparavant, c’est pourquoi il faut prévoir un nouveau type de fixation. Le fait que l’on relance la fusée nécessite un système qui va prévenir au maximum les dégâts lorsque la fusée retombera au sol. L’expérience du cansat est une expérience qui a déjà été réalisée l’année dernière et que nous comptons améliorer cette année.

Nous allons maintenant détailler chaque élément qui va constituer la fusée.

 

I)                   Quelques dimensions

La fusée fera 160mm de diamètre et devrait atteindre les 2m. Sa masse ne devrait pas dépasser les 12,5 kg ce qui permettra de l’envoyer à une hauteur supérieure à 750m. Elle est constituée de 5 grandes parties :

            –          La case propulseur,
         
La case parachute,
         
La case électronique avec les cartes électronique nécessaires au fonctionnement de la fusée,
          La case cansat qui comprendra le cansat ainsi que son système d’éjection,
         
L’ogive qui devrait aussi contenir des cartes électroniques et surement un émetteur Kiwi.


II)               
Le  système de mise en place du propulseur

Le cahier des charges impose les contraintes suivantes pour la fixation du propulseur :


 

Pour notre système de fixation, nous avons choisi de fixer le haut du propulseur avec une bague ayant la forme suivante :


Le trou de 40mm de diamètre respecte le cahier des charges. La mise en position du propulseur se fait par un contact cylindrique de 10mm de hauteur. Cette bague permettra de fixer un tube en aluminium (ou en carbone) avec des enlèvements de matière pour alléger la structure qui va entourer le propulseur et permettre de fixer la bague de maintien du bas.

La bague de maintien du bas sera constituée de deux parties. La première partie aura la forme suivante et sera directement fixée à l’aide de vis sur le tube qui entoure le propulseur :

 

La partie interne sera filetée ce qui permettra de venir visser la deuxième partie de la bague à l’intérieure de celle-ci, évitant au propulseur de retomber.

La deuxième partie de la bague a la forme suivante :

 

 

Ce système de vissage, si bien réalisé, nous permettra de fixer rapidement le propulseur sans avoir de problème d’erreur de positionnement vertical de celui-ci.

Le système une fois assemblé devrait ressembler à ceci :

    III)              Le système du double parachute

Pour s’assurer que la fusée retombera au sol sans trop s’abîmer, nous allons réaliser un système de double parachute.
Le cahier des charges impose une vitesse minimum de chute de la fusée afin que la fusée ne s’éloigne pas trop de son point de départ. Nous avons quand même obtenu l’autorisation d’utiliser en fin de chute un plus gros parachute qui permettra à la fusée de tomber plus doucement sur le sol et ainsi de respecter l’intégrité des composants.

Le système doit donc dans un premier temps libérer un premier parachute avec une surface efficace petite qui permettra quand même de ralentir la vitesse de la fusée. Dans un deuxième temps, il devra libérer un deuxième parachute beaucoup plus gros.

1)      Libération du petit parachute

Les deux parachutes seront contenus dans un tube en aluminium de diamètre interne 150mm. Le système de libération sera en tout point commun avec les systèmes utilisés sur les fusées précédentes.
Une partie du tube en aluminium sera découpée puis refixée à l’aide d’un système de crochet. Au moment où on veut le libérer, on fait tourner un moteur qui, par l’intermédiaire d’une came, vient libérer le crochet et donc la porte. La porte, elle, tire le parachute à l’extérieur ce qui lui permet de prendre l’air et de s’ouvrir convenablement.

2)      Fixation du premier et du second parachute

Par soucis de place et de masse nous avons du placer les deux parachutes au même endroit. C’est pourquoi un système qui va empêcher le plus gros parachute de s’ouvrir dès l’ouverture de la case parachute est indispensable.
Ce système va être réalisé de la façon suivante :

–  Le premier parachute va être fixé à un anneau qui passe dans une corde attachée de part et d’autre de la fusée.
–  Le second parachute sera à cette étape dans une poche qui contient 3 anneaux :

  • 2 situés en bas de la poche passeront dans la même corde que l’anneau du premier parachute. Ce système permet de s’assurer que la poche restera fermée tant que l’on n’a pas décidé de l’ouvrir.
  • Le troisième anneau, au-dessus de la poche, passera à l’intérieur de la corde du premier parachute. Il est à noter que cet anneau sera plus petit que l’anneau qui sert à attacher le premier parachute. Le second parachute sera lui attaché directement à la fusée.

Lorsqu’on souhaite libérer le second parachute on coupe la corde attachée de part et d’autre de la fusée à l’aide d’un fil chaud. On libère ainsi les 3 anneaux.

Comme l’anneau du premier parachute est plus gros que l’anneau du haut de la poche du second parachute, il vient se coincer en haut de cette poche. Cela va donc permettre au premier parachute de tirer sur la coque et ainsi libérer le second parachute puisque la coque n’est plus attachée.

Le second parachute est donc libéré et va permettre à la fusée de se poser au sol sans trop infliger de dégâts à ses composants.

 

    IV)             Le système d’éjection du cansat

Le système d’éjection du cansat va ressembler à celui de la case parachute en ce qui concerne l’ouverture de la porte. Nous utiliserons en plus un système pour éjecter le cansat à l’aide de ressorts. Dans notre cas, nous allons ouvrir une demi coque de la fusée pour éjecter le cansat. L’autre demi coque sera elle fixée à la fusée.

 L’ensemble de la structure devrait ressembler à ceci :

 

     V)                Le CanSat

1)      L’électronique du CanSat

L’électronique du CANSAT doit être miniaturisée au maximum et représente un challenge important. En effet, il est notamment nécessaire d’utiliser des composants de surface (CMS) qui sont fragiles et qui doivent être protégés contre les fortes accélérations de la fusée au décollage.

L’utilisation de batteries Lithium-Polymère dernière génération, possédant un masse très réduite, nécessite également des précautions spéciales pour éviter une surcharge pouvant être dangereuse.

Malgré une taille réduite au maximum et une masse inférieure au kilogramme, le CANSAT embarque les expériences suivantes :

  • Mesure de la position GPS en temps réel, permettant d’une part la localisation du module une fois qu’il a atterri ; et d’autre part fournissant les données de position à l’algorithme responsable de la commande du parapente. Les mesures GPS étant relativement lentes, d’autres systèmes sont utilisés pour mieux contrôler le comportement du parapente.
  • Mesure de l’accélération sur 3 axes, afin de connaître très rapidement le comportement global du parapente, ce qui permet en particulier de détecter une entrée en vrille ;
  • Magnétomètre 3 axes permettant de connaître à tout moment la direction du vecteur champ magnétique de la Terre. Cela permet de déterminer avec une vitesse suffisante la direction dans laquelle se déplace le CANSAT, de manière à pouvoir faire des corrections de trajectoire sans attendre les données GPS.

Le CANSAT étant très petit, il est très difficile à retrouver une fois qu’il a atterri. C’est pourquoi il est équipé d’un émetteur radio puissant qui transmet pendant toute la durée du vol les coordonnées GPS et l’état de l’ordinateur de vol.

2)      L’informatique de contrôle du CanSat

Le CanSat est avant tout un système de descente auto-piloté.  Ceci nécessite donc un système de contrôle de vol – soit un autopilote embarque.  L’autopilote gère deux aspects importants du vol du CanSat : la trajectoire, et la stabilité.  Dans la première itération de l’expérience pendant le lancement été 2007, l’autopilote était habilité seulement à un contrôle de trajectoire, sans prise en compte de la stabilité du module. 

Cette année l’expérience se renouvelle avec les capteurs nécessaires pour pouvoir connaître l’attitude du module à tout moment, et ainsi corriger des éventuels instabilités qui apparaîtraient pendant le vol. L’utilisation des 3 axes de l’accéléromètre et des 3 axes du magnétomètre nous permet de connaître – à une incertitude instrumentale prés – la position exacte du module dans l’espace.  Plus concrètement on peut regarder l’évolution du cap et du vecteur d’accélération pour savoir si nous sommes en une situation considérée stable ou non.

Le contrôle du module a utilisé qu’un seul moteur l’année dernière, ce qui ne donne pas la possibilité de freinage – le freinage étant en fait l’action la plus simple et efficace pour stabiliser le module en que de vrille.  Cette année nous espérons donc intégrer deux servomoteurs dans le CanSat pour le contrôle de la voile.  On espère qu’avec la possibilité de freinage et les capteurs en plus, nous pourrons reconnaître les situations instables et les traiter d’une façon efficace.

La présence d’un magnétomètre nous autorise aussi à agir sur le contrôle de direction du module beaucoup plus rapidement. L’année passée nous avions dus attendre 3 secondes – ce qui correspond à 3 points GPS – avant de pouvoir avoir un cap assez fiable pour arriver a une décision de contrôle.Cette année nous espérons pouvoir arriver à une décision de contrôle toutes les secondes.

    VI)             Les mesures faites dans la fusée

La fusée embarque plusieurs expériences, destinées notamment à en savoir plus sur le nouveau propulseur Pro-54 et ses effets sur une fusée expérimentale standard. A ce titre, les expériences suivantes ont été retenues :

 

  • Mesure de la position et de l’altitude en temps réel par GPS,
  • Redondance de la mesure d’altitude par un capteur de pression de précision , permettant de connaître non seulement l’altitude mais aussi la vitesse de montée,
  • Mesure de l’accélération sur 3 axes,
  • Jauges de contraintes sur les profilés de la fusée, de manière à quantifier les effets de la poussée initiale du Pro-54 sur la structure. 

 

 

L’objectif principal du projet étant de pouvoir relancer la fusée le plus rapidement possible après un vol, les coordonnées GPS – ainsi que les mesures provenant des capteurs – sont envoyées en temps réel par radio ; cela grâce à un protocole et un logiciel spécialement développés l’an dernier par l’équipe électronique du club.

Ainsi, deux émetteurs radio fonctionnent en même temps sur deux bandes différentes – l’émetteur du CANSAT et celui de la fusée – ce qui nécessite un matériel important pour pouvoir effectuer la réception, le décodage et l’affichage des données en temps réel.

Par ailleurs, toujours dans l’idée de pouvoir localiser la fusée rapidement, une sirène autonome se déclenche automatiquement peu avant l’atterrissage de la fusée.

Davantage dans un objectif de communication, une caméra miniature embarquée filme l’intégralité du vol depuis l’intérieur de la fusée. Cela peut être également utile pour déterminer le comportement du parachute lors de la descente et de manière générale pour visualiser le fonctionnement du système du double parachute.

Afin de fiabiliser le fonctionnement du système, toutes les décisions critiques – par exemple le largage du CANSAT et l’éjection du parachute – sont effectuées par des minuteries qui ne sont pas dépendantes d’autres sous-systèmes. Un découpage de l’alimentation en plusieurs circuits permet d’éviter que le non fonctionnement d’un module n’affecte les autres modules.

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