Dossier de conception Projet Big Bird (FX15)...Schéma de fonctionnement du système de déploiement...
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Dossier de conception Projet Big Bird (FX15) Association SpaceTech Version 2.0 Mai 2018
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Dossier de
conception
Projet Big Bird (FX15)
Association SpaceTech
Version 2.0
Mai 2018
Projet Big Bird (FX15) - Association Space’Tech – C’Space 2018
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Table des matières Introduction ............................................................................................................................................. 3
1-Vecteur utilisé ...................................................................................................................................... 3
2-Expériences .......................................................................................................................................... 3
2.1 Réalisation de la trajectographie ................................................................................................... 4
2.2 Utilisation d’une caméra ............................................................................................................... 5
3 Système de récupération ..................................................................................................................... 6
4-Conception mécanique ........................................................................................................................ 7
4.1Vue globale ..................................................................................................................................... 7
4.2 Coiffe ............................................................................................................................................. 8
4.3 Structure porteuse ........................................................................................................................ 8
4.4 Ailerons ......................................................................................................................................... 9
4.5 Bagues ......................................................................................................................................... 11
4.6 Intégration de l’électronique....................................................................................................... 13
4.7 Peau ............................................................................................................................................. 14
5. Aspect du lanceur en mai 2018 ......................................................................................................... 15
Conclusion/Remerciements .................................................................................................................. 17
Projet Big Bird (FX15) - Association Space’Tech – C’Space 2018
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Introduction
Ce dossier présente une vue globale sur l’ensemble des éléments qui composeront le projet Big Bird,
qui sera développé afin de participer à l’édition 2018 du C’Space.
Lesdits éléments comporteront :
Le vecteur utilisé
La ou les expériences présentes dans le vecteur
Le système de récupération et les paramètres associés
La conception mécanique du vecteur
1-Vecteur utilisé
Le projet Big Bird entre dans la continuité des projets portés par les vecteurs « mini-fusée » (SpaceTech
One et Destiny), où ont pu être testés plusieurs systèmes de récupération :
L’utilisation d’un parachute, éjecté du corps par une trappe latérale, maintenu à l’aide d’un
électroaimant au repos (SpaceTech One – 2016)
L’utilisation d’un parachute, éjecté par la coiffe de la fusée grâce à un système de catapultage,
maintenu par un servomoteur au repos (Destiny – 2017)
Après avoir testé ces systèmes sur des mini-fusées, ils pourront être implémentés sur le projet Big Bird,
qui est un projet de type « fusée expérimentale ».
2-Expériences
Le projet Big Bird étant qualifié de « fusée expérimentale », celui-ci doit au moins permettre de réaliser
une expérience à bord.
Il a été décidé de réaliser 3 expériences pour ledit projet qui feront donc office de charge utile pour
ce vol, à savoir :
La réalisation de la trajectographie en 3 dimensions de la fusée dans son intégralité, grâce à
un accéléromètre et un gyroscope avec dans l’idéal une transmission en direct. Cette dernière
est l’expérience principale du projet.
L’utilisation d’une caméra pour effectuer une prise de vue latérale du vol de la fusée dans son
intégralité
Le déclenchement de l’ouverture du parachute par détection d’apogée
L’idée derrière ces expérience est, une fois leur fonctionnement prouvé et éprouvé, de les installer de
manière récurrente sur les futurs vecteurs plus évolués de Spacetech afin d’augmenter chaque année
le niveau de complexité mais également les performances des projets mis en œuvre.
Les expériences sont décrites dans les deux sections suivantes :
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2.1 Réalisation de la trajectographie
La trajectographie (reproduction de la trajectoire d’un
mobile) en 3 dimensions est l’expérience principale du
projet. Elle repose sur l’utilisation d’un gyroscope et d’un
accéléromètre, qui permettent respectivement
l’acquisition de l’accélération angulaire et l’accélération
linéaire dans le plan de la fusée.
En effectuant des opérations mathématiques sur ces
données, il est possible d’obtenir la position angulaire du
mobile dans le plan terrestre. Grâce à cette position
angulaire, on peut obtenir l’accélération linéaire de la
fusée dans le plan terrestre en projetant l’accélération
linéaire mesurée dans le plan de la fusée.
La position de la fusée dans le plan terrestre pourra être
obtenue en intégrant 2 fois l’accélération linéaire de la
fusée dans le plan terrestre.
En regroupant les données de position de la fusée obtenue
à chaque instant 𝑡 de mesure, on peut finalement tracer la
trajectoire de la fusée pendant la durée intégrale du vol.
L’ensemble de la procédure est déclenché par le décollage
de la fusée (ouverture de la prise Jack).
A noter qu’un magnétomètre est couplé avec l’accéléromètre et le gyroscope pour éviter les biais de
mesure des 2 composants. Le système est monté sur une partie de la fusée dénommée « berceau à
électronique » (cf. la section « intégration de l’électronique »).
L’architecture du système de trajectographie (schéma de câblage, données techniques, etc.) et de
toute la partie électronique de la fusée en général est décrite dans le rapport Reponse_Technique_V2 .
Figure 1. Réalisation de la trajectographie
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2.2 Utilisation d’une caméra
Une caméra sera utilisée pour effectuer une prise de vue latérale, afin d’avoir un aperçu du
déplacement (élévation, roulis…). Elle est positionnée en haut du corps de la fusée, en dessous de la
coiffe afin d’obtenir un visuel sur l’horizon.
Figure 2. Localisation et intégration de la caméra sur le modèle CAO
Pour effectuer cette prise de vue, la caméra utilisée sera une Pi Caméra 5MP afin d’avoir un rendu
vidéo en 720p. Elle sera commandée à l’aide d’une carte Raspberry Pi Zero, qui déclenchera la prise de
vue au décollage de la fusée (ouverture de la prise Jack) jusqu’à la fin du vol.
L’architecture du système de prise de vue (schéma de câblage, données techniques, etc.) et de toute
la partie électronique de la fusée en général est décrite dans le rapport Reponse_Technique_V2 .
Figure 3: Caméra embarquée intégrée sur la structure de Big Bird au dessus du berceau à électronique
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L’expérience de déploiement du parachute par détection d’apogée est décrite dans la section
suivante consacrée au système de récupération.
3 Système de récupération
Le système de récupération constitue le système principal pour assurer le retour nominal de la fusée,
autrement dit un atterrissage sans dommage majeur.
Pour ce projet, il consiste en l’utilisation d’un parachute circulaire de grand diamètre, qui sera déployé
lors de la détection de l’apogée pendant le vol de la fusée. Un système de minuterie se déclenchant
lors du décollage de la fusée (ouverture de la prise Jack, 𝑡 = 0) assure que le déploiement du parachute
ne se déclenche pas trop tôt par une détection d’apogée erronée (𝑡 > 𝑡1) mais également comme une
sécurité dans une situation où le système de détection d’apogée ne fonctionnerait pas correctement
(𝑡 > 𝑡2).
Figure 4. Schéma de fonctionnement du système de déploiement du parachute
Le système de déploiement du parachute, contrôlé par la commande de détection d’apogée (ou la
minuterie en cas de défaut), consiste en un électroaimant et un ressort. L’électroaimant permet le
maintien d’une trappe latérale au corps de la fusée, et le ressort permet de faciliter l’éjection de la
trappe et du parachute.
Figure 5. Schéma du système de maintien de la trappe
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4-Conception mécanique
La conception mécanique du projet Big Bird se fait en tenant compte de différents paramètres
présentés dans le cahier des charges soumis par le CNES et Planètes Sciences.
Dans cette partie, la conception sera abordée comme suit :
Une vue globale de la conception mécanique de la fusée
La réalisation de la coiffe
La réalisation de la structure porteuse
La réalisation des ailerons
La réalisation des différentes bagues de maintien (plaque de poussée, tenue des ailerons,
renforcement de la structure au niveau de la trappe…)
L’intégration de l’électronique à bord
4.1Vue globale
La fusée dispose des caractéristiques suivantes :
Un corps réalisé en fibre de carbone de 1670 mm de longueur
Une coiffe réalisée en ABS de 200 mm de longueur
Un diamètre extérieur de 104 mm
Des tiges creuses en aluminium de la longueur du corps (1670 mm) pour réaliser le treillis
Des bagues en ABS et en aluminium pour assurer l’intégrité de la structure, et assurer
l’intégration de l’électronique
Des ailerons en aluminium
Une plaque de poussée conçue pour maintenir un propulseur Pro54 lors du vol
Figure 6. Coupe CAO de la fusée expérimentale Big Bird
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4.2 Coiffe
La coiffe de la fusée expérimentale est réalisée en ABS, de diamètre extérieur 104 mm et de 200 mm
de longueur. Pour des raisons pratiques, cette coiffe a été réalisée en 2 parties qui seront collées l’une
à l’autre. Cette coiffe est de forme ogivale.
Figure 7. Coiffe en ABS
4.3 Structure porteuse
Pour le projet, il a été décidé de réaliser une structure porteuse, en dessous du corps de la fusée. Elle
consiste en un treillis, composé de 4 tiges creuses en aluminium de 10 mm de diamètre extérieur. Ces
différentes tiges seront reliées au corps de la fusée (en fibre de carbone) par l’intermédiaire de bagues
en ABS (pour la partie haute), et en aluminium (pour la partie basse, au niveau des ailerons et du
propulseur).
Figure 8. Aperçu de la structure porteuse avec les barres de treillis (en bleu) fixées à la peau au niveau des ailerons
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Figure 9: aperçu de la structure porteuse intégrée
4.4 Ailerons
Les ailerons sont réalisés en aluminium, de forme trapézoïdale isocèle, avec un prolongement en L
pour assurer leurs fixations à des bagues en aluminium.
Figure 10. Schéma des ailerons et de leur fixation dans la structure de la fusée
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Ces derniers sont encastrés dans la peau en fibre de carbone de manière à optimiser au maximum
l’aérodynamisme du véhicule comme montré sur la photo suivante :
Figure 11: Vue de l'intégration d'un des 4 ailerons
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4.5 Bagues
La fusée s’appuie sur deux types de bagues :
Des bagues en ABS (imprimées en 3D) se fixant à hauteur modulable. Elles peuvent en effet
coulisser le long du treillis et être visées à la position désirée en fonction du besoin.
Des bagues en aluminium principalement pour la fixation des ailerons et du propulseur
Bagues en ABS au niveau de la baie parachute :
Les bagues en ABS au niveau de la baie parachute permettent d’assurer la solidité de la structure au
niveau de la trappe, et l’ajout des éléments de maintien et d’éjection de la trappe (l’électroaimant et
le ressort).
Figure 12. Bagues en ABS au niveau de la trappe
Bagues aluminium et ailerons
Les ailerons sont encastrés dans deux bagues d’aluminium (bagues guides) en position haute et basse.
L’ABS ne peut être employé ici en raison des conditions de températures induites par le propulseur.
De même deux autres bagues en aluminium servent de butée basse et haute pour les bloquer. La
plaque de poussée est également réalisée en aluminium.
Figure 13. Schéma des différentes bagues en aluminium (plaque de poussée, butée haute et basse ailerons, fixation ailerons)
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Remarque :
Après discussion lors de la RCE 2 en 2018, il s’avère que la chaleur dégagée par le Pro 54 n’est pas si
importante et l’emploi de bagues en plastique type ABS peut être envisagé. A titre expérimental,
SpaceTech a donc choisi de mettre en place une bague en ABS pour remplacer une des bagues de
maintien du propulseur initialement en aluminium (visible sur la figure 9).
Bague de tenue du treillis en ABS :
Pour assurer la solidité de la structure porteuse, des bagues en ABS sont placées au-dessus de la
trappe :
Figure 14. Bague de tenue des barres de treillis
Ces mêmes bagues supportent le berceau à électronique décrit ci-dessous. On rappelle que leur
position est modulable sur le treillis où l’on peut choisir de les fixer à de différentes hauteurs.
Bagues en ABS pour la caméra :
La caméra est fixée sur une bague spécialement conçue pour cette dernière, pour assurer son maintien
en position.
Figure 15. Schéma de la bague de maintien (en rose) de la caméra (en vert)
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Figure 16: Caméra montée sur sa bague ABS (en rouge) constituant ainsi la partie haute du berceau à électronique
La caméra et la bague qui la supporte constituent la partie haute du berceau à électronique sur
lequel se trouve le contrôleur de la caméra.
4.6 Intégration de l’électronique
Comme pour les minifusées SpaceTech One et Destiny, SpaceTech a retenu l’utilisation d’un système
type « berceau » pour fixer l’électronique embarquée ainsi que les batteries qui donc donc positionnée
verticalement. Le module MPU9250 (accéléromètres) est fixé quant à lui sur la bague de maintien
supérieure pour des raisons d’orientation.
Figure 17. Prototype du berceau pour l'électronique
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Figure 19: réalisation du prototype final
Figure 18 Electronique en cours d'intégration sur le berceau
4.7 Peau La peau de Big Bird est constituée de fibre de carbone. Originellement, il avait été décidé que la
réalisation de la peau en matériaux composite serait entièrement prise en charge par l’association.
Ainsi SpaceTech a testé différents processus de fabrications de tubes en fibre de carbone lors de
l’année 2017 pour finir par aboutir à un tube prototype de 2m de long.
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Figure 20: Prototype final de la peau
Ce prototype a permis d’effectuer de multiples essais d’intégration et de découpe de trappes.
Cependant devant sa fragilité, il a été décidé fin 2017 d’acheter un tube en fibre de carbone de qualité
industrielle pour la peau de de Big Bird. Néanmoins, les résultats obtenus sur la mise en œuvre de
matériaux composites pour construire une pièce de grande taille ont été satisfaisant. Moyennant
l’amélioration de certaines techniques, SpaceTech devrait à court terme être capable de fabriquer de
A à Z les peaux de ses futures fusées.
5. Aspect du lanceur en mai 2018
L’intégration de Big Bird est quasiment terminée (les dernières opérations de perçages seront finalisée
juste avant la RCE 3). Les derniers efforts avant le C’Space sont concentrés sur la maîtrise de la
transmission des informations des capteurs de la fusée au sol, une première pour l’association qui a
décidé en 2017 de développer son propre système d’émission/réception en vue de l’utiliser dans le
futur sur toute ces fusées afin de pouvoir se consacrer à des expériences encore plus complexes. Ces
tests de transmissions sont en phase finale et les résultats sont très encourageants. Le système sera
en conséquence prêt pour le lancement de juillet 2018.
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Big Bird (structure et peau) en avril
2018 – phase finale de l’intégration.
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Conclusion/Remerciements
Ceci clos le dossier de conception de la fusex BigBird telle qu’elle se trouve en mai 2018. Ce projet très
ambitieux pour l’association SpaceTech qui fête cette année ces 3 ans est d’autant plus stimulant qu’il
cumule les premières :
- Première Fusex de l’association
- Première réalisation et emploi de structures en matériaux composites
- Première expérience et caméra embarquée
- Premier système de transmission conçu par l’association
A l’heure où Big Bird sera lancée, elle sera la fusée de SpaceTech a avoir été le plus loin et le plus haut.
Record que nous espérons battre dans un an avec Space Beam la future fusex bi-étage de l’association
qui s’inscrit parfaitement dans cette optique d’aller toujours plus loin projet après projet.
Merci à tous les membres de l’équipe ayant travaillé sans relâche deux ans durant sur Big Bird ,
maintenant dans la dernière ligne droite avant le lancement !
Equipe principale – (Conception/Design/Tests mécaniques,
thermiques,aérodynamiques et intégration)
Baires Eduardo
Cadario Thomas
Drapeau Béatrice
Fernique Guillaume
Mouze-Mornettas Antoine
Naudin Joris
Nogues Olivier
Villanueva Lucas
Equipe Charge utile – (Conception/Design/Test et intégration de la charge utile)
Armengaud Thomas
Borba Da Silva Tiago
Mintalban Gladys
Pierre Tanguy
Wang Shanshan
Soutiens technique
Novello Clarisse
Stoll Frédéric
