Les fusées

Les Fusées

Comment ça marche ?

Construire une fusée !

Histoire des fusées...

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@centre.jean.udaquiola

Construire une fusée hydropneumatique

Une fusée est composée :

Pour ça il nous faut :

• d'une ogive
• de lest (du poids) pour l'ogive
• d'un réservoir
• des ailerons
• d'un moteur

• Une bouteille de boisson gazeuse
• Du sable dans un sachet plastique
• Une deuxième bouteille de boisson gazeuse
• Du carton ou du polystyrène extrudé fin, du plastique...
• Une pompe pour compresser l'air
• Une base de lancement

Mais aussi :

• Du scotch renforcé pour assembler les éléments
• Un cutter et des ciseaux
• Un marqueur
• Une règle
• Du carton ou du papier

Voici le matériel :

Fabrication de l'ogive 1

Découpe le fond de la bouteille prévue pour l'ogive

Clique sur le cutter

Fabrication de l'ogive 1

Fabrication de l'ogive 2

Après avoir pesé 100 g de sable, glisse le à l'intérieur de l'ogive et fais dépasser le sachet du goulot de la bouteille, fixe le en vissant le bouchon.

Clique sur la balance

Fabrication de l'ogive 2

Et voilà, l'ogive est prête.

Assemblage du réservoir et de l'ogive

Clique sur le rouleau de scotch

Assemblage du réservoir et de l'ogive

Les ailerons

Trace la forme des ailerons sur le carton (ou la frigolite)

Clique sur le marqueur

Les ailerons

Découpe les ailerons, pense à protéger la table avant de couper, si tu n'es pas sûr de toi fais toi aider !

Clique sur le cutter

Positionement des ailerons

Enroule une bande de papier autour du réservoir, trace un repère là où elle se termine quand tu as fait le tour.

Clique sur le marqueur

Positionnement des ailerons

Déroule la bande de papier, coupe la partie superflue, puis mesure la longueur de la bande

Clique sur la règle

Positionnement des ailerons

Pour placer trois ailerons il faut diviser la bande de papier en trois parties égales :Par exemple, ici la bouteille utilisée pour le reservoir a une circonférence de 25,8 cm il faut donc tracer un trait tous les 8,6 cm.

Clique sur le marqueur

Positionnement des ailerons

Enroule la bande de papier autour du réservoir, maintenant tu peux fixer les ailerons aux bons endroits (tu peux tracer tes repères en haut et en bas de la bande).

Clique sur le marqueur

Positionnement des ailerons

Il faut maintenant scotcher les ailerons aux bons endroits que tu as tracés précédement.

Clique sur le scotch

La fusée est assemblée !

Rendez-vous sur le pas de tir

La base de lancement

Consignes de sécurité :

• Trouver un lieu dégagé (loin des toits, des routes...)
• Délimiter une zone de sécurité d'au moins 10 mètres autour du lanceur
• Attention à la météo et au sens du vent

Informations sur la base de lancement

Histoire des fusées

L’humanité a toujours cherché à s’affranchir des limites de son environnement, en cherchant différents moyens techniques pour y parvenir.Progressivement, les altitudes atteignables dans l'atmosphère ont augmenté.Mais avant de pouvoir monter dans des fusées pour pouvoir explorer l’espace, il a fallu découvrir comment les fabriquer…

Histoire des fusées 1/13

On se le rappelle une fusée "c'est un engin autopropulsé". C'est donc quelque chose qui va être fabriqué et qui doit pouvoir se déplacer par lui-même. Il faut donc un moyen pour le propulser, il n’y a donc pas de fusée avant l’invention de la poudre à canon (poudre noire) vers le VII° siècle en Chine. Le médecin alchimiste du début de la dynastie Tang, Sun Simiao (581-682) décrit déjà dans danjing nei fu liuhang fa comment il a obtenu un mélange explosif en cherchant à confectionner l'élixir d'immortalité ! Au début la poudre noire est utilisée soit par les militaires pour fabriquer des « grenades » (petits engins explosifs se lançant à la main) soit pour créer des feux d’artifices. Des fusées sont utilisées militairement en Chine dès le XII° siècle.

Histoire des fusées 2/13

Ensuite, les premiers canons sont inventés au XIII° siècle, et la connaissance de la balistique se développe en même temps. En 1529, à Sibiu, en Transylvanie (une région de la Roumanie actuelle), Conrad Haas, chef du dépôt d’artillerie, s’intéresse aux fusées. Il conçoit une fusée à plusieurs étages de propulsion. En 1555, il aurait expérimenté avec succès son idée.

Question 1/2

Histoire des fusées

Pour continuer, il faut trouver la bonne réponse à la question :Quel est le nom du premier homme à avoir franchi le mur du son ?

Bruce Dickinson

Chuck Yeager

Pierre Clostermann

Question 2/2

Histoire des fusées

Le mur du son a bien été franchi par Charles "Chuck" Yeager le 14 octobre 1947. Maintenant, que cherchait réelement Sun Simiao lorsqu'il a écrit la composition d'un mélange explosif, la poudre noire ?

Un élixir d'immortalité

Un remède contre la gale et les rhumatismes

A fabriquer des feux d'artifices

Question 2/2

Histoire des fusées

Bravo, Sun Simiao cherchait bien un "elixir d'immortalité", lors de ses recherches en alchimie, lorsqu'il a décrit un mélange explosif qui était la poudre noire.

Histoire des fusées 3/13

Au XVIII° siècle, en Inde, dans l’Etat de Mysore, le dirigeant Hyder Ali dispose d’un régiment de 1200 lanceurs de fusées. Ces fusées se composaient d’un conteneur de poudre noire, en fer, ce qui permettait de le charger de davantage de poudre que ceux en cartons utilisés auparavant, ces fusées pouvaient avoir une portée de près d’un kilomètre. Le conteneur de poudre était attaché à une perche de bambou, les servants étaient entrainés à calculer l’angle de départ pour faire tomber la fusée à la distance voulue. Ces fusées ont été utilisées lors des guerres entre l’état de Mysore et les troupes anglaises.

Histoire des fusées 4/13

Impressionnée par ces fusées, en 1801 l’armée anglaise cherche à développer ses propres modèles, ce qui aboutira en 1804 aux fusées Congreve (du nom de leur concepteur). Ces fusées seront utilisées au cours des guerres Napoléoniennes. Jusqu’au XIX° siècle les fusées restent des engins imprécis et peu fiables (certaines fusées pouvaient même faire demi-tour en vol et revenir vers leurs tireurs), fautes de connaissances suffisantes en aéronautique. Elles restent essentiellement cantonnées à un rôle soit de divertissement (feux d’artifices), soit utilisées comme engin de guerre.

Histoire des fusées 5/13

Jules Verne, en 1865, dans son roman « De la terre à la lune », un des tout premier livre de science-fiction qui traite du voyage dans l’espace au moyen d’engins techniques et scientifiques (et non plus merveilleux, magiques ou fantastiques comme c’était le cas dans les histoires passées), n’envisage pas l’usage d’une fusée, mais bien celle d’un obus tiré par un canon géant pour envoyer ses personnages sur la lune.

Question 1/2

Histoire des fusées

Quelle évolution technique a utilisé le pays de Mysore, en Inde, pour rendre ces fusées de guerre plus puissantes ?

Ils ont inventé une nouvelle poudre à canon à base de cellulose de coton

Ils ont tout simplement mis la poudre noire dans un conteneur en fer plutôt qu'en carton

Ils y ont ajouté des ailerons pour les stabiliser et ainsi les faire voler plus loin.

Question 2/2

Histoire des fusées

En mettant la poudre noire dans un conteneur en fer plus résistant que le carton, il est possible d'avoir une poussée plus élevée au départ de la fusée. Quel engin utilise Jules Verne dans son roman "de la terre à la lune" pour envoyer ses personnages sur la lune ?

Un ballon dirigeable géant équipé de capteurs solaires

Une fusée avec un carburant chimique à base de monoxyde de dihydrogène

Un obus tiré par un canon géant

Histoire des fusées

Bravo, c'est bien au moyen d'un obus géant tiré par un canon gigantestque que les personnages de Jules Vernes partent à la conquête de la lune.

Histoire des fusées 6/13

Au début du XX° siècle, durant les années 1920, les fusées commencent à avoir un intérêt scientifique, elles sont étudiées, construites et testées dans l’idée de connaître les couches de l’atmosphère inatteignables en ballon ou en avion. Notamment en Allemagne, où l’association allemande Verein für Raumschiffahrt (société pour le voyage spatial) expérimente des fusées, encore bien modestes. En 1929, l’armée allemande commence à s’intéresser au potentiel militaire des fusées (pour contourner les restrictions du traité de Versailles qui limite les forces allemandes) et subventionne les travaux des chercheurs, à condition qu’ils ne soient pas rendus publics !

Histoire des fusées 7/13

En 1932, Ernest Von Braun, jeune membre de la société pour le voyage spatial, rejoint l’armée allemande pour développer des fusées militaires. En 1943, il mettra au point le missile V2, d’un poids de 13 tonnes, capable d’une vitesse maximale de 5760 km/h et d’atteindre une altitude de plus de 200 000 m si on le lance à la verticale. Ce missile est l’ancêtre de toutes les fusées et de tous les missiles actuels, certaines de ses technologies sont toujours utilisées.

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Le 8 mai 1945, l’Allemagne perd la deuxième guerre mondiale et Ernest Von Braun est discrètement récupéré par les autorités des Etats unis (opération Paper Clip). Au début des années 1950, il développe des missiles balistiques avec son équipe, mais dès 1957, la course à l’espace se lance entre les Etats Unis et l’Union Soviétique, elle durera jusqu’en 1975.La course à l'espace : étapes détaillées !

Question 1/2

Histoire des fusées

Quelle était la nationalité du premier homme à aller dans l'espace ?

Soviétique (Russe)

Allemand

Américain

Question 2/2

Histoire des fusées

C'était bien le soviétique Youri Gagarine le 12 avril 1961. En 1926, Robbert Goddard essaye sa première fusée à carburant liquide. Elle n'atteint que l'altitude de 12 mètres ! Pour se moquer, un journal américain titre son article : "Une fusée manque sa cible de 384 400 km !" A quoi correspond cette distance ?

A rien du tout, c'est juste pour se moquer en mettant une distance gigantesque en comparaison du ridicule des 12 mètres atteint !

C'est la distance entre New York et San Francisco, la largeur des Etats Unis.

C'est la distance de la terre à la lune

Question 2/2

Histoire des fusées

Bravo, 384 400 km ! est bien la distance (moyenne) entre la terre et la lune !

Histoire des fusées 9/13

Pendant ce temps, en 1959, la France envoie son premier satellite (nommé Astérix) à l’aide de la fusée Diamant, devenant ainsi la troisième puissance spatiale. En 1963, la Belgique, la France, le Royaume Uni, l’Italie et les Pays Bas s’associent pour créer le programme Europa qui doit permettre à l’Europe de disposer d’une fusée capable de lancer des satellites sans dépendre ni des USA, ni de l’URSS. Ce premier programme sera un échec ! Le programme Ariane lui succèdera en 1973 et sera lui couronné de succès. Actuellement le programme en est à la sixième version de la fusée Ariane.

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La Chine, au début alliée à l’URSS a tenté de mettre au point un programme spatial dès 1958, mais la brouille avec l’URSS ainsi que la situation économique très difficile du pays, entraîne son quasi abandon en 1959. A partir de 1965 la Chine reprend son programme de missiles balistiques et de fusées spatiales. En 1975 le premier lancement d’un satellite par la fusée « longue marche 2 » est réussi. Le 29 janvier 1984, la fusée Longue Marche 3 décolle pour la première fois avec le premier satellite de télécommunications chinois. Le 15 octobre 2005, le premier taïkonaute (astronaute chinois) est envoyé dans l’espace par une fusée « Longue Marche ».

Histoire des fusées 11/13

Actuellement, onze nations sont définies comme « puissances spatiales », il faut pour cela avoir réussi à envoyer un satellite avec son propre lanceur (fusée) :

1. Union soviétique, le 4 octobre 1957 avec le lancement de Spoutnik-1
2. États-Unis, le 1er février 1958 avec le lancement du satellite Explorer 1.
3. France, le 26 novembre 1965 avec le lanceur Diamant, qui lance Astérix.
4. Japon, le 11 février 1970 grâce au lanceur à poudre Lambda.
5. Chine, le 24 avril 1970 avec un lanceur Longue Marche.
6. Royaume-Uni, le 28 octobre 1971 lors du lancement du satellite Prospero X-3, lanceur Black Arrow.
7. Inde, le 18 juillet 1980 avec le lancement du Rohini avec son Satellite Launch Vehicle.
8. Israël, le 19 septembre 1988 avec le lancement du satellite Ofek-1
9. Iran, le 2 février 2009 avec le lancement du satellite Omid.
10. Corée du Nord, le 12 décembre 2012 avec son lanceur Unha 3.
11. Corée du Sud, le 30 janvier 2013 avec le lancement du satellite STSAT-2C avec son lanceur Naro-1.

Un programme spatial coûte très cher, la plupart des pays achète la prestation d'envoi de satellite, essentiellement aux Etats Unis, à la Russie ou à l'Union Européenne. Mais arriver à rentrer dans le "club" des puissances spatiales est la preuve d'une maîtrise technologique de haut niveau, apporte un grand prestige internationnal et assure aussi une indépendance stratégique.

Question 1/2

Histoire des fusées

La France n'a pas choisi un nom au hasard pour le premier satellite qu'elle a envoyé dans l'espace en 1959. Mais, à qui a-t-elle rendu hommage ?

A un personnage de bande dessinée

Au président de la république

A un célèbre personnage historique

Question 1/2

Histoire des fusées

Le premier sattelite français a été nommé Astérix !

Histoire des fusées 12/13

La société SpaceX est fondée en 2002 par Elon Musk, devenu multimillionnaire en revendant l'entreprise PayPal. L'objectif d'Elon Musk est de concevoir des lanceurs capables de diminuer fortement le coût de mise en orbite de satellites et ainsi de permettre l'essor du spatial civil. SpaceX a conçu et fabriqué sa propre fusée, le lanceur Falcon, qui a la particularité d'être réutilisable.

SpaceX a aussi développé le vaisseau CREW DRAGON, qui est lancé par une fusée Falcon pour transporter des astronautes jusqu'à la station spatiale ISS. Le premier vol a transporté deux astronautes le 30 mai 2020.

Histoire des fusées fin !

Les bases de lancement, pour placer le plus facilement des satellites géostationnaires doivent être le plus proche possible de l'équateur. Sur la carte, apparaissent les principaux sites de lancement utilisés au cours de l'histoire.

Une fusée c'est quoi ?

C'est un engin autopropulsé. C'est donc quelque chose qui est fabriqué et qui doit pouvoir se déplacer par lui-même.

Qu'est ce qu'on trouve dans une fusée ?

Clique sur les différentes parties de l’image de la fusée pour découvrir les éléments qui la composent ; à quoi ils servent et comment ils fonctionnent.

Emport de la fusée...

Selon sa fonction, une fusée peut emporter différentes choses :

• Du matériel d'observation scientifique
• Un système de guidage
• Des satellites à mettre en orbite
• Des astronautes
• De l'explosif dans le cas d'un missile
• Et bien d'autres possibilités...

Ogive

C'est l'avant de la fusée, elle est importante pour plusieurs raisons :

• Par sa forme pour avancer
• Par son poids pour aller plus loin

La forme :

Le poids :

Ogive : la forme

La forme d'un objet influe sur sa capacité à se déplacer dans l'air. Lors du déplacement d'un objet, l'air va s'écouler sur lui et le freiner. C'est le même phénomène qui se passe dans l'eau, l'eau étant plus dense il est plus facile de s'en rendre compte. Plus la vitesse est importante, plus le frottement sera important.

Une expérience pour comprendre

Expérience sur la forme

L'expérience est simple, il suffit de lancer une feuille de papier le plus loin possible. On peut essayer seul ou en groupe, faire un seul lancer chacun ou plusieurs pour comparer. Est-ce que la feuille va loin ?

MAIS...

Expérience sur la forme partie 2

... dans la description de l'expérience rien n'interdit de froisser la feuille de papier pour en faire une boule ! Il devient beaucoup plus facile de la lancer, et la feuille va beaucoup plus loin !

Peut-on faire encore mieux ?

Expérience sur la forme partie 3

Réfléchis ! Tu as une idée pour pouvoir lancer la feuille encore plus loin ?

Voyons voir si nous avons la même...

Expérience sur la forme partie 3

Plier la feuille pour en faire un avion !

Retour aux ogives

Ogive : le poids

Ce n'est pas évident, mais un objet plus lourd va plus loin qu'un objet plus léger ! A condition de pouvoir exercer assez de force pour le mettre en mouvement, bien évidement ! Mais dans le cas d'objets de formes équivalentes, à force de lancer égale, le plus lourd ira le plus loin.

Il faut un caillou et une feuille de papier, froisse la feuille de papier pour lui donner la même forme que le caillou, prend les deux dans ta main et lance le plus fort possible, lequel va le plus loin ? Clique sur celui qui te parait être la bonne réponse dans la photo à côté.

Rerservoir et carburant

Il existe deux types de carburant pour des fusées :

Solides :

• Poudre noire, pour les fusées de feux d'artifices
• Mélange chimique (Perchlorate d'ammonium, poudre d’aluminium et polybutadiène) pour la fusée Ariane 5 par exemple.

Liquides :

• Oxygène + Hydrogène liquides pour la fusée DELTA IV
• De l'eau, pour les fusées hydropneumatiques
• Peroxyde d'azote/UDMH pour la fusée russe PROTON

Ces carburants vont permettre la propulsion de la fusée par le principe du moteur à réaction.

Moteur à réaction

Le principe :

Un moteur à réaction fonctionne avec le principe d'action/réaction. L'action est une éjection avec pression qui par réaction entraîne la proplulsion.

Un moteur à réaction simple : le ballon de baudruche

Si on gonfle un ballon de baudruche et qu'on le relâche sans le refermer, l'air à l'intérieur s'échappe. Mais comme la sortie est étroite, il s'échappe avec de la pression (action) ce qui propulse le ballon (réaction). Ce moteur fonctionne mais il n'est pas très efficace.

Différents réacteurs à découvrir.

Qui utilise un "moteur" à réaction ?

Question 1/4

La proplusion à réaction

Certains animaux utilisent la propulsion à réaction, parmi les trois réponses possibles, une seule est la bonne !

L'anémone de mer

Le coquillage Nautilus

Le requin blanc

Question 2/4

La proplusion à réaction

Et oui ! Le Nautilus possède un siphon dans sa coquille qui lui permet d'aspirer et de rejeter (avec force) de l'eau, c'est comme ça qu'il se déplace ! Voici trois animaux qui vivent dans les lacs et les mares, là aussi, l'un d'entre eux peut se déplacer par propulsion à réaction, lequel ?

La larve de libellule

La larve de dytique

Le triton

Question 3/4

La proplusion à réaction

La larve de libellule anisoptère absorbe de l'eau par l'arrière pour l'amener à ses branchies, puis elle la recrache avec force ce qui la propulse efficement dans l'eau. Retour à l'océan, lequel des trois utilise un "moteur" à réaction ?

Le poisson lune

La murène

Le calmar

Question 4/4

La proplusion à réaction

Les tentacules du calmar lui permettent de nager, mais c'est bien en absorbant et recrachant de l'eau qu'il se déplace principalement. Parmi ces trois animaux, un seul utilise la réaction pour se déplacer, lequel ?

Le hamster

La pieuvre

L'éléphant

C'est fini !

La proplusion à réaction

Comme le calmar et les autres céphalopodes, la pieuvre peut se déplacer en aspirant et recrachant de l'eau, elle emploie souvent cette méthode pour fuir ses prédateurs. Tu as pu constater que tous les animaux qui peuvent utiliser la propulsion par réaction le font dans l'eau.

Retour

3 modèles de réacteurs différents

Le turboréacteur

Le moteur fusée

Le réacteur hydropneumatique

Le moteur fusée

Il s'agit d'expulser des gaz de combustion par une ouverture étroite (tuyère) pour propulser la fusée. Le modèle le plus simple est la fusée de feu d'artifice :

Un modèle plus compliqué...

Le moteur fusée 2

1. Réservoir de carburant
2. Réservoir d'oxydant (comburant)
3. Pompes pour amener le contenu des réservoirs vers la chambre de combustion
4. Chambre de combustion
5. Réduction de la tuyère pour accélèrer la vitesse de sortie des gaz
6. Sortie de la tuyère

Le carburant et le comburant se mélangent dans la chambre de combustion où ils vont brûler, ce qui dégage des gaz de combustion. Ces gaz sont collectés dans la tuyère dont la forme va les compresser et les accélerer lors de l'éjection. Cette action va entraîner la poussée, donc le déplacement de la fusée par réaction.

Le turboréacteur

Un turboréacteur est composé d'un compresseur, d'une turbine, d'une chambre de combustion et d'une tuyère. La turbine va aspirer de l'air qui sera ainsi mis sous haute pression et amené à la chambre de combustion. L'air chauffé se dilate et augmente encore la pression. Les gaz de combustion sont ejectés avec force par la tuyère ce qui enclenche la propulsion.

Le réacteur hydropneumatique

Si tu as déjà vu le moteur fusée et le turboréacteur, il apparaît difficile et dangereux de construire un moteur pour une fusée... Heureusement le principe de moteur à réaction peut toujours être utilisé avec des méthodes plus simples, comme de l'air et de l'eau !

Expérience avec une seringue et de l'air

J'aspire de l'air dans la seringue, puis je bouche l'extrémité, l'air ne peut plus sortir, si j'appuie, l'air se retrouve comprimé, mis sous pression, dans la seringue. Si j'enlève mon doigt, il s'échappe avec force.

La suite

Le réacteur hydropneumatique 2

Expérience avec une seringue de l'air et de l'eau.

Si je recommence la même expérience avec de l'eau, je n'arrive pas à la compresser. Par contre, si je remplis la seringue à moitié d'eau, puis à moitié d'air, j'arrive à compresser l'air, lorsque je relâche l'eau est projetée hors de la seringue par la pression de l'air. Si la seringue n'était pas tenue, elle serait propulsée par le principe de réaction.

La suite

Le réacteur hydropneumatique 3

Ainsi, en mettant de l'air sous pression dans un réservoir d'eau, je peux propulser une fusée :

Ailerons

Les ailerons vont servir à stabiliser la fusée et lui permettre de garder une trajectoire droite. Il faut qu'ils soient au minimum trois pour pouvoir fonctionner. Ils doivent être placés en dessous du centre de gravité de la fusée (c'est à dire à la base de la fusée).

Ailerons

S'ils sont trop petits ils n'ont pas suffisamment d'effet.

Ailerons

Les ailerons vont servir à stabiliser la fusée et lui permettre de garder une trajectoire droite.

Ailerons

S'ils sont trop grands ils gênent la fusée.