Ninféa

La mini-fusée développée au cours de ce projet, Ninféa, utilise un système de freinage basé sur un accroissement de la trainée à l’apogée à l’aide d’une toile de petite dimension repliée le long du fuselage. Elle possède donc des pales, qui se déploient à l’apogée, et ralentissent sa chute en entrainant la toile avec elles. Les pales en fibre de carbone, fixées sur le corps en PVC à l’aide de charnières en acier, sont inclinées par rapport à la verticale d’un angle de 75°, ce qui garantit une surface opposée au vent maximale. Elles sont maintenues fermées lors de l’ascension puis libérées par le système de libération réalisé par impression 3D.

L’équipe

Le groupe initial se composait de neuf étudiants de l’ISAE-ENSMA. L’originalité de l’équipe réside dans le fait qu’elle fait travailler des élèves de première année avec des élèves de deuxième année et troisième année (Il y a 5 A1, 2 A3, 2 A2). Le travail s’est divisé d’office en 4 pôles :

  • Le pôle aérofrein (2 pers), chargé de dimensionner l’aérofrein ainsi que les ressorts de torsion provoquant son ouverture. Pour le calcul des forces de traînée, une marge de vitesse devra être prise par rapport à l’apogée calculée par le logiciel fourni par le CSpace.
  • Le pôle fuselage (2 pers), chargé de déterminer les caractéristiques du fuselage et de dessiner la coiffe, ainsi que d’aménager celui-ci pour qu’il puisse accueillir l’électronique et la mécanique embarquée.
  • Le pôle ouverture (2 pers), chargé de dimensionner la solution technologique imaginée pour la rétention puis la relaxation des tiges de l’aérofrein et leur blocage en position ouverte une fois l’aérofrein déployé.
  • Le pôle électronique (3 pers) : cette solution technologique sera contrôlée par des servomoteurs contrôlés via une carte Arduino. Afin de respecter le cahier des charges, le déclenchement de l’ouverture devra être déclenché par minuterie après une date limite.

Motivation du projet

Le projet a été validé pour participer au C’Space de 2018 mais la fusée n’a pas reçu le feu vert pour son décollage. Des modifications ont donc été apportées durant l’année 2019 pour respecter tous les critères du C’Space.

Voici une photo de la fusée conçu en 2018

Ninféa au C’Space 2018

Le fonctionnement

Le système de récupération envisagé consiste en 4 pales dont la section est un quart de cercle de même rayon que la base inferieure du fuselage, repliés le long de la fusée pendant la phase de décollage et qui se déploieraient à l’apogée entrainant avec elles une toile circulaire repliée « en éventail ». Ces barres en fibres de carbone seraient attachées au reste de la fusée par des charnières fixées au-dessus de la base de la fusée.

La mise en mouvement sera assurée par un moteur qui entraînera une bague située sous la coiffe, celle-ci libérera les pales qui se déplieront sous l’effet du vent. Pour aider les pales à s’ouvrir correctement sans risquer de se casser il y a une bague intérieure, qui a l’aide d’un système de baleines (comme un parapluie) accompagnera les pales lors de leur ouverture.

Le système utilisé est alors une vis sans fin, la tige fixée à l’axe du motoréducteur transforme un mouvement de rotation en un mouvement de translation grâce à l’écrou. Cet écrou est lui-même fixé à une tige horizontale fixée à la bague chargée de libérer les pales. Une rainure dans le tube en PVC permet de guider la tige fileté pendant qu’elle coulisse.


Lors de l’ouverture des pales, celle-ci ont tendances à se retourner aux vues des forces aéro de freinage. On utilise donc un ressort de compression permettant de garder un angle constant proche de 75° entre les pales et la verticale lors de la descente.

La structure

La structure de la fusée est en mode structure interne porteuse car la diminution brusque de section rend difficile l’utilisation d’une peau porteuse. On réalise la structure interne à l’aide de tige en U et de bague en aluminium usinées par l’école.

Profilés en U montés sur les bagues d’alluminium

Cette structure est ensuite glissée dans une peau en PVC, et sera vissée dans celle-ci. Les ailerons seront directement rivetés dans le PVC ce qui permet d’utiliser le tube en PVC comme porteur des 4 ailerons.

La toile

La toile utilisée est habituellement utilisée pour les parachutes des minifusées ou l’entoilage d’appareils de modélismes. Les pales sont ici enduites avec une résine époxy à prise lente pour permettre à la résine de pénétrer dans la toile. Au totale, la surface de la toile freinant la fusée est d’environ d’1m². Il ne faut pas non plus trop augmenter la surface de la toile sans limite car il faut aussi penser à la plier contre le fuselage. Le pliage de la toile est pensé pour que celle-ci tienne le moins de place possible, en l’enroulant autour du mat central tout en refermant les pales.

Les baleines seront reliées par des crochets en fer fixées sur les pales par de la résine époxy, du coté du tube, une bague imprimée en 3D rassemble les baleines et maintient toutes les pales.

Les calculs de pre-dimensionnement validaient le choix de plusieurs matériaux : PVC, fibre de verre et fibre de carbone. Les profils minces de PVC (cylindre creux par exemple) ont tendance à se déformer lorsqu’ils sont ouverts, ce matériau a vite été écarté. La solution de la fibre de verre a été étudiée et une pale a été réalisée mais le matériau était trop lourd. Le protocole est tout de même indiqué en annexe. Nous avons finalement choisi de réaliser les pales en preimpregné de fibre de carbone, ce qui permettait de réaliser des pales fines, légères et très résistantes. Un tube creux a été réalisé autour d’un tube en acier puis découpé en 4 pour donner les pales.

Résultats

Ninféa a décollé le 17 Juillet 2019 à 9h30 environ depuis la rampe cage. Le vol a été nominal ! Nous pouvons détailler un peu plus ce vol. En effet, la chronologie a été respectée par la carte électronique et le moteur libérant les pales s’est allumé 5.4s après la détection du décollage. La translation de la bague de libération n’étant pas instantanée, Ninféa a commencé sa chute balistique avant que les pales ne se libèrent toutes d’un coup. Ce laps de temps n’est pourtant pas souhaitable pour la fusée puisque l’ouverture des pales à engendré un choc que l’on a pu entendre d’en bas. Les charnières ont résisté mais la toile n’a pas gardé une inclinaison de 75° en raison de la trop forte compression du ressort de maintient. Un ressort avec une plus grande raideur aurait permis d’obtenir une surface alaire plus optimisée et donc un meilleur freinage. Malgré cette remarque, Ninféa a bien atterri, coiffe en avant.

photo en vol !

La réalisation de notre fusée nous aura valu un coup de coeur de planète science dont nous sommes très fiers. En effet Ninféa 2k19 a remporté le prix de la meilleure mini-fusée du C’Space 2019 ! C’est l’aboutissement d’un long travail de réflexion théorique mais surtout pratique .

c’est le deuxième prix minif que reçoit l’ESP !