S e c t e u r E S P A C E

imprimé le 27 octobre 1999
ASSOCIATION NATIONALE SCIENCES TECHNIQUES JEUNESSE
Secteur ESPACE
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Edition Octobre 1999
De l’art de faire choir les fusées
là ou l’on souhaite
qu’elles choissent
--Note technique ANSTJ
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_________________________________NOTE TECHNIQUE
SOMMAIRE
1 - INTRODUCTION ............................................................................................................................................... 3
2 - OBJECTIF........................................................................................................................................................... 3
3 - LES OUTILS NECESSAIRES............................................................................................................................ 3
4 - EVALUATION DE LA TRAJECTOIRE ASCENDANTE DE LA FUSEE ...................................................... 4
5 - EVALUATION DE LA TRAJECTOIRE DESCENDANTE DE LA FUSEE.................................................... 5
6 - LA PREDICTION DU POINT DE CHUTE ....................................................................................................... 6
7 - PENDANT LE VOL ............................................................................................................................................ 8
8 - L'AJUSTEMENT APRES LE VOL ................................................................................................................... 8
9 - L'EVALUATION DE LA FORCE DU VENT AU MOMENT DU LANCEMENT........................................ 10
Ce document a été rédigé par Michel Maignan
De l'art de faire choir les fusées là ou l'on souhaite qu'elles choissent.
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1 - Introduction
Cette note technique est principalement destinée à l'équipe Méteo-Calcul des campagnes de
lancements de fusées expérimentales. Elle décrit une méthode de prédiction des points de chute des
fusées expérimentales. Le rôle de l'équipe Météo-Calcul est important, car sur lui repose une grande
part de la sécurité. La fusée doit retomber dans le gabarit. Il faut donc que son travail soit mené de
façon méthodique. C'est une grande satisfaction que d'assister après calculs, à l'atterrisage d'une
fusée à proximité de l'endroit prévu.
2 - Objectif
Il s'agit de faire retomber la fusée dans le gabarit de lancement, que le vol soit balistique ou sous
parachute et accessoirement de la faire retomber dans une zone accessible pour faciliter sa
récupération. Pour cela il est possible d'agir sur deux paramètres :
- l'angle de la rampe de lancement, que l'on appellera par la suite angle de site. Il se mesure à
partir de l'horizon. La rampe à la verticale correspond à un site de 90 °
- l'angle de la rampe par rapport au nord géographique, appelé angle de gisement et compté
comme sur la boussole (90° à l'est, 180° au sud, 270° à l'ouest).
3 - Les outils nécessaires
un compas,
un rapporteur,
quelques crayons à papier,
une boussole permettant de faire des relevées d'angle,
la carte de l'aire de lancement,
des supports transparents,
une paire de ciseaux,
une boite de punaise,
une règle graduée,
une girouette,
un anémomètre,
un théodolite Morin ou à défaut une paire de jumelles d'artilleur,
une paire de jumelles,
un chronomètre,
une calculette,
un P.C. avec le logiciel Trajec,
5 ballons de sondage par jour de campagne,
une bouteille d'hélium
un détendeur,
une tare de 150 g,
une échelle de Beaufort,
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L'idéal est de disposer de plusieurs cartes pour installer deux postes de travail afin de préparer
simultanément le vol des deux prochaines fusées. Si une fusée n'est pas prête et nécessite une
interversion des vols au dernier moment, l'on ne sera pas pris au dépourvu.
4 - Evaluation de la trajectoire ascendante de la fusée
La première étape consiste à évaluer la trajectoire de la fusée. Pour cela on utilise un logiciel de
trajectographie comme Trajec et l'on remplit le tableau suivant. ( les valeurs en italiques dans ce
tableau sont données à titre d'exemple et seront utilisées comme telles par la suite).
Site Demiportée
80° 260 m
75° 388 m
70° 513 m
65° 633 m
Portée
Altitude de
culmination
520 m
1477 m
776 m
1448 m
1026 m
1410 m
1266 m
1360 m
Temps d'ouverture
du parachute
9,3 s
9,3 s
9,3 s
9,3 s
Vitesse de descente
sous parachute
7 m/s
7 m/s
7 m/s
7 m/s
Durée de la
descente
211 s
207 s
201 s
194 s
La portée correspond à la distance horizontale de la rampe au point de chute, parcourue par la fusée
quand le vol est balistique. La demi-portée est la distance entre la rampe et la projection normale au
sol, du point ou le parachute s'ouvre quand le vol est nominal.
Porté
Demi
On fabrique alors
pour chaque fusée
une réglette en
carton.
On reporte dessus
les données du
tableau à l'échelle
de la carte sur
laquelle on travaille.
1266 m
1026 m
776 m
633 m
520 m
513 m
388 m
260 m
Rampe
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Le mieux est de faire ce travail la veille. On interrogera le club lanceur sur les caractéristiques de sa
fusée avec le plus de précision possible. En particulier, le temps de déclenchement du parachute doit
être connu avec précision et s'appuyer sur une mesure. On croisera les informations avec celles
collectées par les contrôleurs et on s'assurera que le club ne retouche pas sa minuterie au dernier
moment.
Pour des raisons de sécurité, on s'interdit de lancer la fusée avec un angle > 80 ° et < 65 ° . 85 °
garantit que la fusée va s'éloigner un minimum de la zone des spectateurs et en-dessous de 65 °
autant faire décoller un avion !
5 - Evaluation de la trajectoire descendante de la fusée
Sous son parachute, la fusée vole au gré du vent. On l'évalue à l'aide d'un ballon sonde dont on
mesure l'angle de montée et la direction à l'aide d'un théodolite Morin ou à défaut une jumelle
d'artilleur. Il faut au préalable installer le théodolite sur son pied et le caler horizontalement grâce à
son niveau à bulle. Ensuite, on cale son zéro par rapport au nord géographique (celui de la carte).
Pour cela, avec la boussole on repère un obstacle lointain dans le paysage placé au nord. On tient
compte de la déclinaison magnétique locale. Ensuite, on vise cet obstacle avec le théodolite, et on
bloque l'alidade de gisement à zéro.
A l'abri dans la tente, on gonfle un ballon de sondage. On l'équilibre avec une tare de 50 grammes
prévue à cet effet. Ce tarage garantit que le ballon grimpera à la vitesse de 200 m / minute. Pour le
lâcher, il vaut mieux être deux. L'un suit le ballon et lit à haute voix les angles sur le théodolite,
l'autre note les valeurs et les réclame toutes les 30 secondes en surveillant le chronomètre. On
déclenche le chronomètre au moment du lâcher. Deux pions de visée placés sur le coté du théodolite
permettent d'assurer le suivi sur les premiers mètres. Ensuite le suivi est assuré à travers l'oculaire de
champ large puis quand le ballon s'éloigne et devient trop petit on passe sur l'oculaire de champ
étroit.
ballon
Il faut pointer le théodolite avec des mouvements
doux car si le ballon quitte le champ de vision, il
est impossible de le retrouver dans l'immensité du
ciel. Un filtre est à placer devant la lunette si le
ballon passe devant le soleil. On suit le ballon
jusqu'à ce qu'il dépasse l'altitude de culmination
présumée de la fusée. Dans l'exemple, on le
suivra donc pendant au moins 7,5 minutes.
1500 m
ou
7,5 minutes de vol
Admettons que l'on relève pour l'altitude de 1500
m un gisement de 155° et un site de 50 °. Il aura
fallu 7,5 minutes au ballon pour attendre cette
altitude. Une utilisation judicieuse de la fonction
tangente permet d'en déduire que la distance
horizontale parcourue est de 1260 m. La vitesse
horizontale moyenne du vent sur les 1500 m
d'altitude est donc de 2,8 m/s.
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angle de site
50 °
1260
7,5
= 2,8 m/s
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Comme sa vitesse de descente est de 7 m/s, la fusée volera 215 s (1500 m / 7 m/s) sous parachute et
le vent la fera dériver sur 600 m (215 s x 2,8 m/s) dans le 115° par rapport au nord.
Pour la durée de la campagne, on prépare sur un support transparent, un quart de cercle gradué à
l'échelle de la carte comme montré ci-dessous.
Culmination
500 m
Trajectoire de descente
1000 m
1500 m
2000 m
2500 m
6 - La prédiction du point de chute
On assemble sur la carte les trajectoires ascendantes et descendantes. Pour cela on fait coïncider la
rampe de la réglette avec la position de la rampe sur la carte. Une punaise piquée dans la carte fixe
cette position. Ensuite, on positionne le point de culmination du quart de cercle sur l'échelle de demiportée de la réglette. On oriente la trajectoire de descente dans le sens du vent. Le point de chute
apparaît alors sur le cercle 600 m. Ensuite on procède à l'optimisation de ce point. Pour cela on fait
glisser le quart de cercle sur l'échelle des demi-portées ou bien on modifie la direction de la rampe
avec les critères suivant dans l'ordre de priorité :
1 - le point de chute sous parachute doit être le plus au centre possible du gabarit,
2 - le point de chute balistique doit être le plus au centre possible du gabarit,
3 - l'angle de site doit être le plus élevé possible mais inférieur à 80 °,
4 - la zone de retombée est accessible avec peu de végétation.
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Un compromis est à établir entre les deux premiers critères. Quand un point de chute optimal est
trouvé le gisement de la rampe se lit avec le rapporteur et son site sur l'échelle des demi-portées. Une
interpolation permet de trouver les angles intermédiaires aux graduations.
Ce raisonnement fait l'hypothèse que la trajectoire ascendante n'est pas influencée par le vent. Ce
n'est pas toujours le cas en particulier quand le vent est fort et la marge statique élevée. Dans ce cas,
la fusée aura tendance à remonter le vent. Avec un peu de doigté, on peut corriger cette tendance
sur quelques degrés. Ainsi dans l'exemple donné on augmentera de 5 ° l'angle de gisement pour
éviter qu'une fusée surstable ne sorte du gabarit en remontant au vent.
Trajectoire
d’une fusée stable
Vent
On peut avoir la même action
sur l'angle de site pour
compenser la tendance de la
fusée à se coucher.
Trajectoire d’une fusée
surstable par vent fort.
Site
S'il n'y a pas de compromis acceptable, le lancement doit être reporté.
On communique les valeurs à l'équipe rampe en ajoutant la déclinaison magnétique au gisement, car
avec sa boussole l'équipe rampe ne connaît que le nord magnétique. La valeur de la déclinaison
magnétique est donnée sur le cartouche de la carte. Un moyen mnémotechnique tiré de la voile pour
se souvenir de la manière de gérer la déclinaison est le suivant :
- quand on rentre dans la tente météo on retire la déclinaison,
(nord magnétique donné par l'équipe rampe et les observatoires vers le nord géographique de
la carte),
- quand on sort de la tente on ajoute la déclinaison,
(nord géographique de la carte vers le nord magnétique de l'équipe rampe et des
observatoires).
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Trajectoire d’une fusée
surstable par vent fort
Nord
Angle de
Trajectoire d’une
gisement
fusée stable
Nord
125 °
Rampe
500 m
Vent
Gabarit
0m
100
0m
150
2000 m
0m
250
Point de chute
prévisionnel
7 - Pendant le vol
On se rapproche de la tente télémesure et chronomètre en main on mesure le temps d'ouverture du
parachute et le temps de vol. A l'ouverture il y a souvent une modulation du son de la télémesure qui
permet de la repérer. Au moment du posé on relève le gisement du point d'atterrissage à la boussole.
Cela fera une information en plus de celles fournies par les observatoires.
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8 - L'ajustement après le vol
Le point de chute ayant été communiqué par les observatoires et reporté par triangulation sur la
carte, on compare le point de chute réel avec le point prévisionnel. Le schéma suivant propose des
explications possibles aux dérives constatées en fonction de la zone d'atterrissage. Cette
comparaison est très utile pour ajuster la procédure aux fusées suivantes.
Ouverture tardive du
Vent
parachute ou fusée
surstable.
Rampe
500 m
0
100
m
Vitesse de descente
0
150
m
2000 m
0
250
m
sous-estimée ou vent
sur-évalué.
Vitesse de descente surestimée ou vent sousévalué.
Point de chute
prévisionnelle
Si l'on attribue la dérive à une mauvaise évaluation de la vitesse de descente, on calculera la vitesse
réelle de descente ainsi que la charge alaire du parachute (rapport entre la surface du parachute et le
poids de la fusée).
Les fusées possédant des parachutes homothétiques et de charge alaire équivalente descendront à la
même vitesse. (On fait ici l’hypothèse que les Cx de parachute de taille différente mais de même
proportion sont identique).
A parachute identique la vitesse de descente varie comme la racine carré du rapport des poids.
vitesse de la fusée 1
=
vitesse de la fusée 2
poids de la fusée 1
poids de la fusée 2
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Ainsi, la première fusée lancée avec un modèle de parachute permet de caler toutes les suivantes,
équipées du même parachute ou d’un parachute homothétique.
Bien sur les informations sont à conserver dans un cahier pour pouvoir faire des comparaisons et
« ajuster le tir ». Les causes de dérives peuvent se combiner et produire d’autres zones
d’atterrissages qu’il faudra interpréter.
La lecture régulière de la girouette et de l'anémomètre permet de surveiller l'évolution du vent et
donc de juger de l'opportunité de refaire un sondage vent. Le lâcher de petits ballons de foire donne
aussi une indication intermédiaire.
9 - L'évaluation de la force du vent au moment du lancement
Quand le vent est proche de la vitesse maximale autorisée, il est souvent demandé à l'équipe météo
de surveiller la force du vent afin de lancer le compte à rebours final (H -15 s) à un instant qui
permettra d'être au creux d'une rafale au moment du lancement. A côté des méthodes sophistiquées
qui permettent aux animateurs technopathes de s'épanouir et accessoirement d'obtenir le résultat, il
en existe aussi de plus simples qui donnent néanmoins satisfaction.
Sens du vent
Rafale
Anémomètre
40 m environ
Une dizaine de ballons de sondage météo sont installées au bout d'une cordelette de 15 mètres
environ le long d'une ligne dans le sens du vent et en amont de la rampe. La distance entre ballons
est d'environ 40 m.
L'inclinaison successive des ballons visualise l'arrivée de la rafale et son intensité. Une surveillance
pendant quelques minutes du mouvement permet de se faire une opinion sur le régime du vent et
d'apprécier la vitesse d'arrivée de la rafale. Cette vitesse peut d'ailleurs être plus lente que la vitesse
du vent mesurée sur l'anémomètre (phénomène de risées). On peut grossièrement étalonner
l'inclinaison des ballons avec l'anémomètre en prenant des repères dans le décor. 1/4 d'heure avant le
lancement on fait une moyenne sur une douzaine de rafale. Admettons que l'on en déduise que la
vitesse moyenne de déplacement des rafales est d'environ 10 m/s. Le quatrième ballon qui est placé à
environ 160 m de la rampe subira le vent de la rampe 15 secondes plus tôt. Le but est d'arriver à une
conclusion du type :
- j'ordonnerais la reprise de la chronologie quand le quatrième ballon commencera à se
redresser et qu’il aura dépasser tel repère.
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La seule difficulté de la méthode est la nécessité de redisposer les ballons quand au cours de la
journée le vent change sensiblement de direction. En accrochant les ballons à des pierres on facilite
leur déplacement. En fonction de la direction du vent, il faut aussi parfois confier cette évaluation à
un équipier qui se placera en un lieu plus favorable que la tente météo pour observer les ballons.
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