vignette|redresse|Une fusée à eau.
Une fusée à eau ou fusée hydropneumatique est un engin volant constitué d'une bouteille en PET propulsée par réaction, à l'aide d'eau et d'air sous pression. Ces engins peuvent dépasser la vitesse de et les d'altitudeLe record du monde d'altitude le 14 août 2024 est de . Voir sur nswrocketry.org ..
Leur lancement nécessite l'utilisation d'une base de lancement (ou pas de tir) fabriquée à cet effet.
Pour ses vertus pédagogiques et son côté spectaculaire, la construction de fusées à eau est une activité souvent pratiquée dans les écoles et les centres de vacances.
Principe
La propulsion d'une fusée à eau est basée sur le principe bien connu d'action-réaction : lorsqu'une certaine masse (la masse d'eau, ici) est éjectée violemment d'un conteneur, il se crée une force de réaction dans le sens opposé. C'est par ce même principe que les fusées telles qu'Ariane sont propulsées, sauf qu'à la place d'une masse d'eau, ces engins éjectent une masse de gaz enflammés.
Dans les fusées à eau, la masse à éjecter est donc de l'eau, fluide parfaitement neutre et dépourvu d’énergie. Le moyen pour éjecter cette eau n'est pas une réaction chimique mais la mise sous pression de l'air dans le conteneur. Ce conteneur est une simple bouteille en PET formée par soufflage à partir d'une préforme. Pour des raisons de sécurité, il est important que cette bouteille soit en PET, afin de résister à la forte pression interne.
Plus la pression de l'air dans la fusée est élevée, plus l'eau sera éjectée rapidement, et donc plus la force de réaction sera grande, même si elle dure moins longtemps.
Dans la pratique, la phase de propulsion d'une fusée à eau est en général très courte (de l'ordre du dixième de seconde pour une fusée type de ). Cependant, après cette phase propulsive, la fusée à eau continue son ascension grâce à l'énergie cinétique acquise, et ceci malgré la pesanteur et la résistance de l'air.
Le protocole de lancement d'une fusée type est le suivant : la fusée remplie de 30 % à 40 % d'eau est placée sur son pas de tir ; l'air de la bouteille est alors mis sous pression (à hPa en milieu scolaire, soit 5 bars ou 5 Atmosphères en unités anciennes, et jusqu'à hPa), généralement à l'aide d'une pompe à pneumatique manuelle (nommée d'ailleurs « pompe à pied ») ; à cause du risque d'explosion des fusées, il est important que la personne qui pompe se trouve également à distance de sécurité (au moins ), ce qui oblige à rallonger le tuyau de la pompe. Pour d'autres raisons de sécurité, le pas de tir doit être légèrement incliné pour orienter le vol à l'opposé du public (celui-ci devant rester debout et attentif, les enfants en bas âge dans les bras de leurs parents) ; une fois la pression adéquate atteinte, le compte à rebours est effectué à haute voix (trois !... deux !... un !... eauIl n'y a en effet aucune raison de crier "feu". !!) et la fusée est libérée.
Mesures de sécurité
Les fusées à eau sont des engins concentrant une énergie importante, capables d'occasionner des blessures graves si des mesures de sécurité simples ne sont pas respectées.
Il est par conséquent recommandé qu'aucune personne ne se trouve à moins de du pas de tir pendant la mise sous pression et le décollage d'une fusée« Restez toujours à plus de voire d'une fusée à eau et en arrière de l'axe de lancement ou franchement sur le côté de la trajectoire prévue (au moins ). ».
Il est fortement conseillé de tester la solidité de la bouteille en PET avant de monter la fusée. Pour ce faire, remplir d'eau la bouteille à ras bord et gonfler à la pression prévue. Ainsi, en cas d'explosion, comme il y a très peu d'air comprimé, la déflagration sera plus faible (c'est ainsi que l'on vérifiait, et qu'on vérifie encore, la bonne tenue des chaudières à vapeur de locomotives, par exemple).
Les composants d'une fusée
Une fusée à eau se compose de quatre parties bien distinctes : l'ogive ; la pointe de notre fusée est constituée d'une coiffe ou ogive (définition davantage militaire), dont l'utilité est l'amélioration de l'esthétique et surtout de l'aérodynamique. L'ogive contiendra préférablement une charge afin de stabiliser la trajectoire de la fusée, en vertu du principe élémentaire de balistique qui veut qu'un projectile qui est plus lourd « devant » ( « en haut » pour nos fusées) sera plus stable, aérodynamiquement parlant.Un profil pointu comme celui d'un avion de chasse ou du Concorde, qui nous semblerait, a priori, le meilleur est inutile pour nos FHP (fusée hydropneumatique) dont la vitesse reste largement en dessous de celle du son. Mais cette coiffe peut aussi contenir un dispositif qui permettra à la fusée de revenir au sol en douceur, un parachute par exemple ; le fuselage est l'élément principal de la FHP car il va servir de réservoir ainsi que de chambre pour que la pression augmente et expulse l'eau par la tuyère ; la tuyère est le goulot de la bouteille ; elle permet de contrôler le débit de l'eau lors de la propulsion ; les ailerons d'empennage permettent de rendre stables nos FHP en « abaissant » (ou éloignant du centre des masses) le centre de poussée aérodynamique. Ils se doivent d'être aérodynamiques pour offrir une faible résistance à l'air mais suffisamment grands pour créer suffisamment de portance. À notre niveau il est quasiment impossible de mettre en place un système d'ailerons dirigés constamment par un système électronique car un tel système serait lourd, volumineux et complexe. Pour ce qui est de la stabilité des fusées (à eau ou à feu) voir l'article détaillé Stabilité aérodynamique de la fusée.
Fusée minimale
Une simple bouteille en PET constitue en elle-même une fusée à eau permettant de mettre en lumière l’existence d’une très grande force propulsive. Cependant cette simple bouteille se montrera aérodynamiquement instable : elle se mettra à tournoyer, de telle sorte qu’elle ne gagnera pas beaucoup d'altitude.
Pour la rendre stable, il faut ajouter un empennage (formé de 3 ou 4 ailerons) à la fusée. Une fusée de 1,5 litre dotée d'ailerons bien dimensionnés peut aisément dépasser les d'altitude.
Le réservoir
Le réservoir de la fusée à eau est le volume interne de la ou des bouteilles.
Il est possible d'augmenter le volume du réservoir de la fusée en assemblant entre eux plusieurs éléments de bouteilles. Cela nécessite un collage interdisant les fuites et les éventrements sous la forte pression de lancement. La colle polyuréthane, utilisée en général pour ce genre de collage, apporte une bonne étanchéité, une bonne résistance à la pression, ainsi que l’élasticité nécessaire pour résister à la violence de certains retours au sol.
Certaines fusées à eau perfectionnées comportent plusieurs étages qui se déclenchent chacun à leur tour au moyen de mécanismes divers..
L'empennage (les ailerons)
L'empennage (formé de 3 ou 4 ailerons) a une influence essentielle sur les performances de la fusée. Il permet la stabilisation aérodynamique de sa trajectoire : sans cette stabilisation aérodynamique, le vol de la fusée se résumerait à une suite de tête-à-queue, ces figures acrobatiques la freinant énormément.
Les ailerons d'empennage doivent être bien dimensionnés, situés en dessous du centre de gravité (en fait le plus loin possible sous le centre de gravité) et solidement fixés au corps de la fusée. Des ailerons trop grands entraineront un problème de sur-stabilitéLa sur stabilité rend la fusée trop sensible au vent météo ; de sorte que la fusée surstable va avoir tendance à se coucher pour faire face au vent météo. et des ailerons trop petits ne stabiliseront pas assez la fusée (sa trajectoire étant alors une suite de tête-à-queue).
La charge utile
La charge utile est l'ensemble des choses que la fusée embarque et qui ne servent pas directement à son fonctionnement. Il peut s'agir d'une petite caméra ou d'un appareil photographique, d'instruments de capture de données (accélération, vitesse, altitude) ou de tout autre chose.
Le système de récupération
Lorsqu'une fusée à eau est suffisamment évoluée, le fuséiste veut récupérer sans dommage la fusée et/ou le matériel embarqué. Pour cela on utilise un système de récupération qui a pour rôle de ralentir la vitesse de chute de la fusée. Plus la vitesse de chute est faible, moins le choc avec le sol sera violent.
Le système le plus utilisé est le parachute bien qu'il existe d'autres techniques assez innovantes. Il est souvent conçu à partir d'une toile de nylon ou d'un sac-poubelle. Une ficelle (ou un cordon élastique) relie la fusée aux suspentes du parachute.
Le plus délicat consiste à créer un dispositif de déclenchement du parachute fiable. Le parachute doit en effet être enfermé dans la fusée pendant la phase ascensionnelle du vol et ne se déployer que pendant la chute (ou mieux à l'apogée de la fusée).
Il existe différentes méthodes répandues de simplicité et de fiabilité variable : la méthode dite « sylapus », acronyme de « SYstème de LArgage de Parachute Ultra Simple », elle utilise l'inertie lors du retournement de la fusée à son apogée pour que la coiffe se sépare du corps de la fusée, libérant ainsi le parachute. Cette méthode est simple à réaliser. Elle comporte l'inconvénient de n'être efficace que pour les tirs verticaux ;
avec un retardateur mécanique « tomy timer » (mécanisme d'horlogerie utilisé dans des petits jouets publicitaires). Ces mécanismes sont gros comme un sucre en pierre et sont assez forts pour déclencher l'ouverture d'une trappe. Dans la vidéo ci-contre, le constructeur a réglé cette minuterie sur un temps trop court : un certain nombre de suspentes du parachute ont été arrachées à son ouverture, du fait de la trop grande vitesse de la fusée lors de cette ouverture) ; avec un volet plaqué contre la fusée qui s'ouvrira lors de la perte de vitesse de la fusée (par la traction d'un élastique), libérant ainsi le parachute ; système radio-commandé ; ou bien en utilisant des ailerons « planeurs » : ils sont plaqués à la fusée lors du décollage et la font planer lors de la descente.
Le vol d'une fusée à eau vignette|Décollage d'une fusée à eau MiniJab de vignette|Décollage d'une fusée à eau. Les étapes du vol d'une fusée à eau simple (un seul étage) sont les suivantes : propulsion à l'aide du tube de lancement (s'il y en a un) ; propulsion par éjection de l'eau ; propulsion par éjection de l'air ; ascension non propulsée (décélération due à la gravité et la traînée) ; atteinte de l'apogée (altitude maximale, vitesse verticale nulle) ; chute jusqu'au sol (freinée ou non par un parachute).
La propulsion ne représente qu'une très courte partie du volPour visualiser quantitativement le vol d'une fusée à eau, rendez-vous sur le simulateur de Dean Wheeler ..
Sur l'animation ci-contre, on note qu'en fin de propulsion une certaine quantité d'eau est éjectée de la fusée avec une vitesse relative vers le bas inférieure à la vitesse instantanée absolue de la fusée vers le haut : c'est ce qui fait que cette eau continue à monter après son éjection. (voir le fichier original qui comporte d'autres informations « par effleurement »)
Base de lancement
La base de lancement, ou pas de tir, est indispensable pour envoyer des fusées. Elle sert à la mise sous pression, au réglage de l'angle de décollage et permet le décollage commandé (et non intempestif) des fusées. Il y a deux grandes familles de bases de lancements : ceux dit « plein goulot » et ceux avec « raccord de tuyau de jardin ». Chacun de ces systèmes a son lot d'avantages et d'inconvénients. Un modèle plus simple (n'autorisant que des départs intempestifs) consiste en un bouchon de liège munis d'une valve de chambre à air.
Base « raccord de jardin »