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Introduction

Dossier - Stabilité en vol des fusées miniatures
DossierClassé sous :Astronautique , fusée , Ailette

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Comprendre comment les forces aérodynamiques influencent la trajectoire des fusées, savoir comment concevoir, calculer et valider les ailettes des fusées miniatures pour leur assurer une trajectoire stable et une altitude optimale.

  
DossiersStabilité en vol des fusées miniatures
 

1. Les méthodes utilisées dans les lanceurs

Les industriels qui conçoivent et réalisent les lanceurs spatiaux nous montrent des fusées bien différentes de celles des astromodélistes ou de celle de Tintin. En effet, des méthodes complexes ont été retenues pour obtenir des trajectoires conformes au cahier des charges du lanceur : les propulseurs des lanceurs sont multiples, certains servent à corriger les dérives mesurées en temps réel sur la trajectoire et enfin, et surtout, ceux-ci sont orientables. Ainsi, si une dérive est observée dans une direction, un asservissement corrigera dans l'autre sens en modifiant l'orientation du flux d'un propulseur, remettant ainsi le lanceur "sur le droit chemin".

Ainsi, les ailettes, que Hergé a choisies gigantesques sur la fusée de son héros, ne sont plus nécessaires pour assurer un vol stable. Les vraies fusées sont par nature instables, mais corrigées en permanence, pour obtenir une trajectoire conforme. Et si l'asservissement est défectueux, la fusée montre son instabilité et la plupart du temps "se couche". L'échec du premier tir d'Ariane V (Ariane 501) en est une démonstration : le logiciel du système d'asservissement a "sous-corrigé" la dérive de la fusée, son inclinaison par rapport à son axe de déplacement s'est accrue, le système a divergé et dès lors, la fusée était perdue. D'où le choix de sa destruction dès ce moment, avant qu'elle devienne totalement incontrôlable, comme un ballon de baudruche gonflé et qu'on lâche dans l'air sans en fermer l'orifice.

2. Le cas des astromodélistes

Pour obtenir un vol stable, l'astromodéliste ne peut utiliser les méthodes de l'industriel : trop complexes, trop chères. Il aura alors recours aux ailettes qui, placées à la base de la fusée, modifieront le comportement aérodynamiques de l'ensemble et équilibreront naturellement la fusée.

Ce recours aux ailettes n'a pas lieu que dans le domaine de l'astromodélisme. En effet, les flèches des arcs possèdent elles aussi un empennage qui aidera la flèche, une fois tirée, à avoir un vol rectiligne (aux effets de la gravitation près, bien sûr).

3. Une expérience

Pour constater rapidement l'effet stabilisateur d'un empennage, on pourra réaliser l'expérience suivante. Prenons un bout de bois, rectiligne, de 60 cm de longueur. Taillons-en la pointe et jetons-le, tel un javelot. Le résultat : il n'est pas plus beau que le vol d'un bâton lancé à un chien ! L'axe du bout de bois n'est jamais aligné avec sa trajectoire ; le bout de bois tourne sur lui-même, même si sa trajectoire globale est bien une parabole.

Pour améliorer ce vol, il suffit de fendre l'extrémité non taillée du bout de bois longitudinalement, selon deux directions perpendiculaires. Glissons alors dans les quatre fentes alors obtenues des triangles de carton (par exemple un triangle rectangle isocèle de 10 cm de petit coté).

Schéma des ailettes

De nouveau, jetons notre "fusée" telle un javelot. Le résultat est tout différent : le vol ressemble à celui d'un javelot, l'axe du bout de bois reste aligné sur sa trajectoire, l'ensemble se plante dans le sol à l'impact au lieu de rebondir. Le bout de bois a été stabilisé.

4. Le calcul des ailettes

Dans ce dossier, nous verrons comment se calculent les ailettes que l'on doit ajouter à une fusée en fonction :

  • De son anatomie : ogive, jupes, rétreints,
  • De son centre de gravité,
  • Du nombre d'ailettes que l'on désire placer,
  • De la forme de ses dernières.

Nous verrons aussi qu'il est possible de pousser les formules dans leurs derniers retranchements et de concevoir des fusées stables, sans ailettes ni système de correction de la trajectoire.