Huitième et Neuvième expériences : Étude de la Dynamique Rotationnelle d'un Prototype de Propulseur Ionique Électrostatique à Grille, 14 octore 2015

          Une fois la structure conçue, il est devenu possible de réaliser un choix parmi les différentes solutions de liaison pivot. À terme nous étudierons la dynamique rotationnelle de la structure afin de déterminer la force générée par les propulseurs.

 

Schéma de l'expérience permettant de déterminer la force de poussée

L'évolution de la vitesse de rotation du prototype, la connaissance de son inertie (donné fourni par le logiciel Solidworks) et la caractérisation du moments de frottement nous permettront de déterminer la force de poussée générée.

La procédure que je vais vous présenter tend à connaitre les caractéristiques du frottement freinant le prototype dans son mouvement de rotation.


J'ai choisi d'étudier deux types de liaison pivot, toutes deux inspirées par des systèmes existants :

• Une liaison type "toupie supermag" : inspiré des jeux de notre enfance, cette liaison consiste en une succession de bille d'acier maintenues en contact les unes avec les autres par l'attraction magnétique générée par des barreaux aimantés :

Une toupie supermag

La liaison pivot du prototype inspirée des toupies supermag : solution par bille d'acier et aimant en néodine.

• Une liaison pivot inspirée des radiomètres de Crookes, que j'avais déjà pu évoquer dans mon précédent article : il s'agit de réaliser un contact verre-aiguille

Une radiomètre de Crookes. Source : Wikipédia  

Solution inspirée des radiomètres de Crookes

          Afin de caractériser les frottements, j'ai inculqué à chacune des solutions une vitesse initiale puis étudié la décroissance de la fréquence de rotation.

Expérience Crookes 1 : évolution du temps nécessaire à la réalisation d'un tour en fonction du temps écoulé

Expérience Crookes 2

Expérience Crookes 3

Expérience Supermag 1

Expérience Supermag 2

          Étude des résultats : traitement par la réalisation d'un programme python

J'ai pu réaliser une présentation du traitement de ces données, je vous retranscrit donc les diapositives de cet exposé commenté dans les légendes :

Les expériences suivantes seront réaliser à l'air libre : en effet, nous souhaitons dans un premier lieu donner un rapport de performance entre les deux solutions Crookes et Supermag

Bien que nous ayons put démontrer que la liaison la plus performante est la liaison de type supermag, nous choisirons de poursuivre notre étude à l'aide d'un liaison de type Crookes. En effet, celle-ci est bien plus simple à mettre en place dans l'enceinte de la cloche à vide. La cloche étant trop petit pour accueillir une potence, il nous faudrait réaliser une solution bien plus complexe, avec par exemple un puissant aimant disposé sur la partie supérieur de la cloche. Nous pouvons qualifier d'acceptable la préférence de la solution Crookes plutôt que la solution Supermag du fait que celles-ci présentent des frottements du même ordre de grandeur.

Nous réalisons à présent un expérience sous vide, nous affranchissant ainsi des frottements de l'air.

C'est un étrange résultat que nous obtenons : il semblerait que ce soient les vitesses les plus élevées qui fassent intervenir le modèle de frottement sec, et les plus faibles qui fassent intervenir le modèle de frottement fluide. Ce résultat que nous pourrions qualifier d'aberrant, je ne sais encore l'expliquer.

Ce traitement de donné nous permet de déterminer le coefficient de frottement fluide instantané en fonction de la fréquence de rotation (attention, cette fois-ci l'échelle de la fréquence de rotation est ben croissante, de gauche à droite). Nous pouvons voir que le coefficient n'est pas contant. Pour la partie la plus à droite, cela s'explique du fait de la fonction log qui intervient dans l'équation, qui ajouté à l'imprécision lors de la prise des points en fonction du temps (précision à 1/10e de seconde) donne lieu à des résultats oscillants. Pour la partie gauche, nous pouvons observer évolution linéaire : qui pourrait s'expliquer par l'inexactitude du modèle de frottement fluide appliqué à la réalité.

Une fois les propulseurs mis en marche et la prototype placé sous la cloche à vide, je l'y ais laissé 52 minutes durant. Le coefficient de frottement fluide utilisé à été pris à 1,2µN.m/s afin d'avoir un ordre de grandeur de ce coefficient, bien que ce ne soit par forcément celui-ci que nous retrouverions pour ces vitesses très faibles. J'ai pu observer grâce à une caméra une différence d'angle de 4°, mais dans le mauvais sens de rotation... Les données présentées dans cette diapositive s'appliquerait si la rotation avait eu lieu dans le bon sens. La seule explication que je peux trouver à ce phénomène, c'est que ce sont des vibrations qui ont fait bouger la structure, indépendamment de la force généré par les propulseurs. Les forces de poussées seraient trop faible pour vaincre le frottement statique.

          Les résultats obtenu avec cette expérience n'ont pas réellement permis de déterminer la force de poussée de façon rigoureuse, nous mettrons donc en place une nouvelle procédure afin de déterminer cette force avec plus de précision : Il s’agira de laisser la structure dans un mouvement de rotation, avec et sans propulseur activé, nous éviterons ainsi le problème d'un frottement statique trop élevé. La différence d'évolution de la fréquence de rotation nous permettra ainsi de caractériser la force de poussée.
 Nous tenterons également de mettre en évidence l'éjection des ions de la matrice de polyacrylate de sodium à l'aide d'une chambre à brouillard ou de papier photométrique.