ARRAX
Conception et test d’un moteur-fusée
1000N de poussée
10 bars en chambre
LOX/ETH
Injecteur pintle
Refroidissement régénératif
Poussée vectorielle
1 kN de poussée
10 bars en chambre
LOX/ETH
Injecteur pintle
Refroidissement régénératif
Poussée vectorielle
1 kN de poussée
10 bars en chambre
LOX/ETH
Injecteur pintle
Refroidissement régénératif
Poussée vectorielle
Injection pintle
L’injecteur pintle est le coeur de notre moteur-fusée biergol. Composé d’une plaque d’injection et d’une pièce centrale nommée pintle, il a pour but de fournir un débit, une atomisation et un mélange optimaux des ergols. C’est la pièce maitresse qui détermine l’efficacité de combustion de notre moteur. Le pintle est directement fixé sur la plaque d’injection. Il est chargé d’acheminer le LOX de manière contrôlée dans la chambre de combustion. La plaque d’injection, elle, est insérée dans la chambre de combustion. Son rôle est d’injecter un anneau d’éthanol qui est impacté par le LOX sortant radialement du pintle. Cet impact permet d’assurer la dispersion en fines gouttelettes des ergols, ce qui facilite leur évaporation.
refroidissement régénératif
refroidissement régénératif
Le refroidissement dit régénératif est une technique de refroidissement des chambres de combustion de moteurs-fusées. Son principe se base sur la circulation d’un des ergols (en général le carburant) dans des canaux de refroidissement le long de la chambre. Les canaux et la chambre de l’Arrax ont été modélisés à l’aide d’un programme Python réalisé par nos soins qui génère automatiquement les dimensions des canaux à partir de quelques paramètres. Le pôle refroidissement comprend également la conception d’un tore de distribution dit à vitesse constante qui permet la bonne répartition du fluide de sorte que la vitesse d’entrée soit identique dans chacun des canaux. Il faut ajouter la conception d’un tore de récupération qui vise à récuperer le liquide de refroidissement et à l’acheminer au bon endroit (ex: plaque d’injection).
poussée vectorielle
Le contrôle de la poussée vectorielle (TVC) est la capacité de modifier la direction de la poussée d’un moteur-fusée. Pour y parvenir, nous allons utiliser deux vérins, tenant le moteur et pouvant contrôler son orientation, et un cardan. Le cardan est une pièce qui permet au moteur de s’orienter d’environ 12° dans n’importe quelle direction tout en supportant sa poussée.
allumage
L’allumage d’un moteur-fusée est une phase critique de la combustion. Une mauvaise coordination entre l’allumage et l’arrivée des ergols dans la chambre peut causer un hard start: une surpression due à la soudaine combustion d’une quantité importante d’ergol. L’allumage requiert une flamme ou étincelle initiale pour initier la combustion. Pour ce faire, nous utilisons un allumeur à cartouche pyrotechnique. Cette dernière s’enflamme au contact d’un fil chauffé par un courant électrique et permet de démarrer la combustion des ergols dans la chambre.
La conception de notre moteur-fusée est désormais achevée. La chambre de combustion a été réalisée en fabrication additive métal par MakerVerse™, tandis que Protolabs™ a usiné les pièces de l’injection et du cardan.
Notre but est à présent de tester ce moteur. Pour ce faire, nous nous sommes lancés dans la conception d’un banc d’essais.
banc
d'essai
Afin de tester le moteur en toute sécurité, nous devons pouvoir stocker les ergols, gérer leur arrivée en chambre et contrôler la combustion à distance. Pour ce faire, la conception du banc s’articule autour de 3 axes principaux.
génération d'oxygène liquide
Notre moteur fonctionne avec l’oxygène liquide (LOX) qui a une température d’ébullition de -183 °C (à 1 atm). Pour liquéfier notre comburant, nous allons utiliser une spire de cuivre comme échangeur thermique, plongée dans de l’azote liquide à une température de -196°C. Une fois le LOX obtenu, il sera stocké dans un réservoir plongé dans de l’azote liquide et entouré d’isolant pour limiter son évaporation.
Structure et fluidique
Le banc doit supporter le poids des réservoirs et du moteur ainsi que la force appliquée par ce dernier lors de la combustion. Pour assurer un bon approvisionnement du moteur en ergols il est primordial que les réservoirs soient pressurisés correctement. Pour assurer cette fonction, nous allons utiliser une ligne d’azote gazeux qui ne réagit pas avec les ergols. Cette dernière servira également de purge pour les lignes d’éthanol et de LOX. De manière à simplifier la conception du moteur, nous avons choisi de le refroidir avec un important débit d’eau pressurisée avec de l’air.
contrôle du moteur et acquisition des données
Afin que les essais se déroulent en toute sécurité, nous devons pouvoir contrôler à distance la pressurisation des réservoirs et la combustion au sein du moteur. Nous souhaitons également programmer les vérins chargés de la TVC et collecter les données des capteurs de pression, de température, de débit et de force, disposés à des endroits stratégiques sur le banc. Nous avons donc choisi d’utiliser une architecture basée autour la carte Teensy 4.1, connectée en Ethernet à un ordinateur. Cette dernière se charge de la collecte et de la transmission des données. En parallèle, nous développons une IHM (Interface Homme-Machine) avec Python. L’IHM peut afficher en temps réel les valeurs de chaque capteur, elle donne une vue d’ensemble de l’état du banc (position des vannes, des vérins, lecture des divers capteurs) et en commande les actionneurs.
