Deconstructing David

J’ai essayé un second mélange à base d’acide acétique (voir ce message pour le premier). Cette fois, pour 100g de poudre j’ai utilisé 50ml d’acide acétique à 7%. Comme précédemment, il me semble observer une nette amélioration de la texture, en revanche je serais bien incapable de dire si c’est mieux que l’essai précédent avec juste 20ml ou pas…

Voici quelques images du processus de mise en forme:

Á gauche, une charge qui vient juste d’être pressée dans le tube et percée à 3mm. Au milieu, la même refroidie après démoulage et arrachage de la gaine en papier qui empêche de coller au tube (idée de Jimmy Yawn). Et à droite la totalité des charges coulées avec un batch de 100g (moins les quelques pertes et échantillons testés).

Malgré la meilleure consistance, enfiler le combustible dans un tube long et étroit n’est pas aisé. De plus, comme l’ajout se fait en deux fois, on voit des “rides” à la surface des cylindres de propulseur. Je crois que je vais raccourcir ceux-ci pour pouvoir les couler en une fois. Je ne suis pas encore décidé sur la longueur à adopter, je vais y réfléchir.

Vu mon problème précédent en matière de bouchon terminal, j’ai choisi un modèle que je croyais plus robuste. J’ai enfilé dans mon tube d’alu une barreau de bois de 2cm de long et au diamiêtre judicieusement choisi pour combler correctement le tube d’alu.

J’ai ensuite testé ce montage avec une tuyère assez large (percée à 8 mm) et deux charges de propergol d’environ 20g au total. À Patmos, la combustion de 10 g de propergol dure environ 17 secondes. Dans la fusée, les deux charges ont été consumées en moins d’une seconde! Cette violence a entraîné une montée de pression et de température colossales qui ont grandement endommagé le bouchon en bois.

Voici une vidéo de la combustion (c’est rapide, on ne voit rien, je sais )

J’ai récupéré une pièce métallique qui pourrait servir de moteur et qui possède un filet pour installer un véritable bouchon terminal. Je ne manquerai pas de le tester dès que j’aurai le temps.

Comme indiqué dans cet article, le simple mélange sucre de table/nitrate de potassium n’est pas parfait. Il durcit trop vite et ne se laisse donc pas pas travailler facilement.

J’étais à la recherche de sources de glucose/fructose quand j’ai songé que le saccharose n’en était finalement que l’assemblage, par une liaison glycosidique. Voilà presque une semaine que je m’interroge sur les sucres et c’est seulement maintenant que l’idée fait tilt: pourquoi ne pas tout simplement décomposer le saccharose en D-fructose et D-glucose?

Aussitôt dit, aussitôt lu: je plonge dans mon bouquin de chimie orga qui m’indique que cette hydrolyse doit se passer en milieu acide. Je prépare donc un mélange de 60g de KNO₃, 40g saccharose, 20ml d’acide acétique à 7% (vinaigre de cuisine) et 30ml d’eau. J’ai choisi cette quantité de façon totalement arbitraire…

Lors de la cuisson, je ne remarque aucune différence, si ce n’est les odeurs de vinaigre désagréables. Mais lors de la manipulation des charges, je constate le miracle chimique! C’est plus tendre! L’hydrolyse semble donc s’est bel et bien déroulée. Reste à faire d’autres essais avec plus de vinaigre pour voir… Cet acide a l’avantage d’être disponible partout, bon marché (à condition de ne pas utiliser du balsamique vieilli en cave) et surtout, il se vaporise à 118°C. Je suis donc certain qu’il n’en reste pas dans le carburant final.

Au niveau de la vitesse de combustion, je ne repère aucune différence lors du test à l’air libre.

Voilà donc une solution qui me paraît très intéressante. Les prochains essais dévoileront peut-être l’un ou l’autre point noir, on verra bien.

Parenthèse commerciale, chez Décathlon, j’ai trouvé des produits énergétiques style “power fuel”, “isostar” et autres poudres suspectes qui sont à base de monosaccharides. Mais le prix est assez élevé: en moyenne 20€/kg.

Le tube en carton de faible de diamètre étant difficile à trouver, j’ai décidé de ne pas en gaspiller lors de mes tests. J’ai donc choisi d’utiliser un tube en aluminium pour tous les allumages statiques. Ainsi, à la fin du test, il me suffit de nettoyer la pièce en question.

Naturellement, le tube en alu modifie les conditions de l’expérience puisque son comportement à la flamme n’est pas le même que celui d’un tube en carton. Toutefois, je crois que pour les grandes lignes de l’ajustement du moteur, ce dispositif est suffisant.

En plus du tube principal (12mm de diam, 120mm de long), j’ai fait 5 mini tubes de 50mm de long pour couler les unités de propergol.

Jusqu’à présent, j’ai effectué deux tests avec ce dispositif.

Test 1, curieuse extinction:
Descriptif, de bas en haut:
Une tuyère de 20mm de long, 4mm de diam, 3g de bentonite, ajoutés en 4 étapes.
Un propulseur RCandy, 10,4g, 53mm de long, percé à 4mm.
Une charge RCandy, 6,2g, 37mm de long, non percée.
Un bouchon de 2g de bentonite légèrement comprimé.

Le test a eu lieu avec la tuyère dirigée vers le haut, équipée d’un allumeur électrique.
À l’allumage, la pression a augmenté très rapidement et le bouchon terminal (situé en bas puisque la fusée était retournée) a sauté. La charge RCandy, toujours éteinte, a été propulsée vers le sol et s’y est fracassée. Je n’ai retrouvé que des fragments. Le propulseur Rcandy, quant à lui, est resté dans la fusée mais s’est mystérieusement éteint. L’ensemble de ces évènement s’est déroulé en moins d’une seconde. Voici un gif qui présente la situation au ralenti (laisser le temps à l’animation de charger).

Je ne vois qu’une hypothèse pour expliquer cette extinction. Lors du début de la combustion, la fusée s’est remplie de gaz extrêmement chauds et très humides (la combustion du RCandy produit beaucoup d’eau). Lorsque le bouchon terminal a sauté, la détente violente a provoqué un refroidissement drastique et la condensation instantanée de cette eau qui a éteint le propulseur. C’est un peu tordu mais j’avoue que c’est la seule explication logique qui me vienne à l’esprit.

Test 2, gare aux boules de feu:
Après l’explosion violente du bouchon en bentonite dans le test précédent, j’ai fabriqué un bouchon en bois pour mon tube d’alu.
J’y ai installé deux charges de RCandy d’environ 11-12g chacune et n’ai pas ajouté de tuyère. Je voulais avoir une idée du flux d’éjection dans un tube sans rétrécissement. Et en terme d’éjection, j’ai été servi…

Après l’allumage (électrique), des gaz chauds ont manifestement voyagé dans la chambre et ont allumé la charge inférieure. La combustion de celle-ci a provoqué une montée de pression contre le bouchon qui a rapidement conduit à l’éjection des deux RCandy. Cette fois, pas d’extinction impromptue, au contraire, j’ai eu droit à deux belles boules de feu.

Par bonheur, cet incident n’a provoqué aucun dégâts, à part quelques traces de suie. Et le bouchon en bois semble avoir très bien résisté. À l’avenir, pour le protéger d’avantage, je mettrait 1 ou 2 mm de bentonite par dessus, pour l’isoler des hautes températures et pour limiter les flux brûlants vers le bas.

Après mon essai raté de combustible en poudre, je me suis lancé dans la cuisson.
Là j’avance en terrain connu: la cuisson des mélanges sucre/nitrate de potassium ne pose pas de problèmes puisque j’ai pas mal d’expérience dans le domaine des fumigènes.

Pour rappel, Jimmy Yawn utilise du sucre, du KNO₃ et du sirop de maïs (composé de glucose et fructose) et un peu d’eau. Après mélange et cuisson des composants, il laisse refroidir progressivement tout en agitant, pour atteindre un stade où la pâte est assez tendre et froide pour être malaxée à la main puis placée dans les moules à moteurs. Les moules en question sont simplement de petits tubes de fusée dans lequel on presse la pâte. Après refroidissement, il suffit de démouler pour obtenir de petites charges de propergol cylindriques, qui entrent parfaitement dans la fusée.

J’ai commencé par faire de même mais avec simplement ndp et sucre. J’ai utilisé le mélange classique 60/40 exploité dans les fumigènes. Malheureusement la dernière étape est difficile à réaliser. Je ne parviens pas à obtenir une pâte de bonne consistance. Soit elle est tendre et bouillante, soit elle est tiède mais durcie.

Je crois que ce phénomène est directement explicable grâce aux espèces en présence.
Le sucre de table que j’ai utilisé est du saccharose (=sucrose), c’est à dire un disaccharide au point de fusion relativement élevé: 186°C.
Le sirop de maïs contient quant à lui du glucose et du fructose. Ce sont des monosaccharides aux points de fusion respectivement égaux à 148 et 103°C.
Le point de fusion plus bas, couplé au fait qu’il s’agit de plus petites molécules est, je crois, responsable de la texture plus souple des mélanges qui contiennent glucose et fructose.

La conséquence de ce problème est que j’ai eu beaucoup de mal à faire entrer ma pâte dans les moules et qu’une fois rempli, il m’a été impossible de les transpercer avec une tige métallique à la manière de Yawn.

La solution consiste donc à trouver un produit courant à base de glucose-fructose. J’ai testé le sirop d’érable: malheureusement il ne contient que du sucrose. Idem pour le sirop de canne à sucre et les sirops de fruit. Glucose et fructose sont disponibles sous forme de sirop ou de solide dans les magasins spécialisés pour les pâtissiers et confiseurs. Je vais fouiller de ce côté là. Au pire il y a aussi mon marchand habituel de produits chimiques mais il les vend en grosses quantités et je voudrais tester d’abord.
Je songe également à faire un tour à la pharmacie (gare aux prix majorés) et dans un magasin de sport du coté des poudres énergétiques.

J’ai également jeté un œil dans le rayon sucre d’un supermarché. J’ai consulté les étiquettes de tous les produits de régime et sucres artificiels. Je n’ai rien trouvé d’intéressant: ils sont pour la plupart à base de maltodextrine.

Wikipedia: Une maltodextrine est le résultat de l’hydrolyse d’un amidon (blé, maïs) ou d’une fécule (pomme de terre). Elle est donc constituée de différents sucres (glucose, maltose, maltotriose, saccharides supérieurs) directement issus de cette réaction, dans des proportions qui dépendent du degré de l’hydrolyse.

Ce degré est mesuré par « dextrose équivalent », ou D.E., le dextrose étant du D-glucose, c’est le résultat d’une hydrolyse totale de l’amidon. Plus le D.E. est élevé, plus l’hydrolyse est poussée, et donc plus la proportion en sucres simples (à chaîne courte) composant la maltodextrine est élevée. Un D.E. de zéro représenterait l’amidon lui-même, un D.E. de 100 représenterait du dextrose pur, soit un amidon totalement transformé.

La limite du D.E. pour une maltodextrine est de 20. Au-delà, le produit obtenu a pour appellation légale sirop de glucose.

Voici une petite vidéo de tests effectués lors de la cuisson.

Le premier test est effectué avec le mélange pas assez cuit: il est encore trop humide et brûle très mal. Le second est bien meilleur.
Les deux tests ont été réalisés grâce aux allumeurs électriques présentés dans ce sujet.

Assez soucieux de comprimer de la poudre noire au marteau et impressionné par les performances des fusées au sucre, j’ai décidé de faire quelques essais dans ce domaine.

Rappel technique: Rcandy signifie “recrystallized candy” et désigne le mélange sucre+KNO₃+ d’éventuels additifs utilisé comme carburant de fusées. Cette technique me séduit car je maitrise bien la cuisson du sucre et qu’elle me semble moins périlleuse que l’utilisation de poudre noire.

Selon l’excellent site de James Yawn, (voir les liens externes), la composition idéale serait 30g de KNO₃, 15g de sucre et 7 g de sirop de maïs, le tout dilué dans 30ml d’eau. Il ajoute également un cuiller à café d’oxyde de fer rouge (Fe₂O₃) pour catalyser la réaction.

Pour l’instant, je balbutie à peine dans ce domaine, donc j’ai décidé de commencer pas à pas.
Premier essai: un tube en pvc rempli au refouloir (voir message précédent, le 31 mars) d’un mélange de sucre (40%) et nitrate de potassium (60%) en poudre fine. Il s’agit en fait du mélange fumigène que j’utilise classiquement. Je me demandais quel était son comportement…

L’expérience ne fut pas glorieuse mais riche en enseignements. Place aux photos:

Et une petite vidéo de l’expérience:

Tout d’abord, le mélange sous forme de poudre brûle trop doucement pour produire une quelconque poussée. Curieusement, la combustion dégage un grand quantité de cendres (alors que le même mélange cuit brûle sans cendres). Cela a pour conséquence de remplir le tube de résidus noirs et collants qui obstruent le passage des gaz.

Ensuite, l’allumage avec une mèche “essuie tout KNO₃” n’est pas facile car il faut enfiler cette dernière dans le petit trou de la tuyère.

De plus, le PVC n’est finalement pas une matière qui convient pour la réalisation de fusées. Celui-ci chauffe, ramollit, se déforme, et je suis certain que la pression arrivera alors à éjecter la tuyère comme un vulgaire bouchon. Je dois donc répartir sur la piste des tubes en carton. Julien m’a conseillé des sarbacanes de carnaval: je vais explorer cette piste!

Seul point positif de cette expérience: la tuyère en bentonite a parfaitement tenu!

Cet outil a pas mal progressé depuis mon dernier message à son sujet.

Tout d’abord j’ai renoncé à rouler moi même mes tubes car l’opération est longue et ennuyeuse. Après quelques recherches j’ai également perdu l’espoir de trouver des tubes en carton assez résistants et de taille correcte. J’ai donc suivi les conseils de nombreux amateurs et ai choisi du PVC, plastique à la fois léger, robuste et bon marché. Son désavantage face au carton est qu’en cas d’explosion, des fragments de plastique seront projetés dans tous les sens. Je devrai donc redoubler de prudence.

Ci-contre, voici l’outil dans son état actuel: à gauche, le support en aluminium, la base en alu et laiton, le piston en alu et enfin le tube en PVC qui constitue la chemise de la fusée.

Le support en aluminium est une pièce destinée à l’origine à accoupler un moteur avec un arbre. Son rôle ici est de maintenir de façon parfaitement concentrique la chemise en PVC et la base.

La base a été légèrement modifiée par rapport au modèle précédent. J’ai remplacé la rondelle en plastique par une pièce en acier, j’ai retiré le cône qui n’apportait rien et j’ai percé un trou à travers les trois pièces pour les maintenir en place via une goupille. Ce design est nécessaire car quand la tige la base et la rondelle sont simplement enfoncées les unes dans les autres en force, l’assemblage ne résiste pas lorsque je “démoule” la fusée. En effet, la tige a tendance à rester plantée dans la poudre.

Le piston a lui aussi subi son lot d’améliorations. Il est désormais constitué d’un barreau d’alu lui même entouré d’un tube en alu. Cette astuce permet d’avoir deux pistons en un puisqu’en retirant le tube extérieur, je récupère un piston de diamètre légèrement inférieur. Le barreau central possède un trou centré de 5mm et 5cm de profondeur réalisé à la perceuse à colonne. À ce sujet il y a encore une amélioration à faire: le piston troué convient lorsqu’on est au début du remplissage de la fusée. Mais au fur et à mesure que le travail progresse, il serait utile d’avoir un piston non troué!

J’ai testé aujourd’hui le remplissage via ce système. Je suis assez satisfait du résultat: c’est stable, pratique et rapide et à part le petit problème de piston signalé au paragraphe précédent, je ne vois pas ce qu’il reste à améliorer. Par sécurité, j’aimerais encore m’assurer que le frottement aluminium/PVC n’est pas susceptible de créer électricité statique et étincelles. Sur cette dernière image, on voit le résultat après démoulage et humidification. En effet, une fois comprimée la bentonite reste friable sous le doigt. Je l’humidifie donc très légèrement pour la durcir définitivement. La bentonite utilisée ici est de la litière pour chats broyée au mixer électrique.

Comme décrit dans le message précédent, mon refouloir actuel me permet de faire des tuyères cylindriques de 4mm, diamètre apparemment trop faible et entraînant l’éjection de la tuyère. Je viens donc de modifier légèrement ce design initial.

J’ai utilisé la pointe d’un bic en laiton chromé. J’ai commencé par la poncer, ensuite je l’ai percée au diamètre adéquat. Enfin, pour la fixer convenablement dans l’axe de la tige déjà en place, j’ai ajouté une bague d’aluminium (bout de tube coupé).
J’espère ainsi faire des tuyères coniques plus réalistes et, j’ose l’espérer, plus robustes!
Reste à me procurer de la bentonite chez mon vendeur de produits chimiques habituel.

Je viens d’effectuer quelques tests de combustion de poudre noire.

Premier essai: je remplis le corps d’un bic en plastique avec de la poudre tassée légèrement à la main.
La combustion est calme et le tube de plastique fond paisiblement.
Avec un tube de 9mm de diamètre et 10 cm de long, j’obtiens 16 secondes de combustion.

Second essai.: je remplis au refouloir le tube de carton fabriqué précédemment (voir message ci-dessous).
À l’extrémité inférieure j’ai inséré (en force) une rondelle de bouchon en liège de 1cm d’épaisseur percée en son centre d’un trou de 4mm. J’ai installé ce montage sur mon refouloir et ai patiemment rempli ma fusée de poudre en comprimant régulièrement au marteau. À l’extrémité supérieure j’ai placé un bout de bouchon semblable mais non troué.

La charge de poudre remplit un diamètre de 18mm sur une longueur de 11cm. J’ai procédé à l’allumage via une mèche artisanale pas trop ratée.

Comme on peut le voir sur ces images et dans la vidéo, la tuyère à été expulsée immédiatement. Cela c’est produit avec une déflagration très impressionnante qui a résonné dans tout le quartier. L’éjection a elle aussi été redoutable: comme on le voit sur la troisième photo, le plafond du balcon (situé à 2m60) a été maculé de projections… J’ignore si dans des conditions normales de lancement, la poussée aurait été suffisante pour soulever l’ensemble, mais vu la taille et l’intensité du jet je crois que oui…
Un gif ralenti à 1 image/seconde de l’éjection de la tuyère (que je n’ai jamais retrouvée):

La cause de l’éjection de la tuyère est simple: le trou était apparemment trop petit! De plus, le bouchon pourtant inséré à la barbare n’a pas résisté à la pression interne colossale. Les fabricants de fusées recommandent de faire les tuyères en bentonite, argile en poudre qui durcit lorsqu’on la compresse au marteau. Je ne sais cependant pas quel diamètre de conduite adopter.

Je travaille donc actuellement à l’amélioration de mon refouloir: je vais tenter de modifier la base de celui-ci pour “sculpter” une tuyère mieux calibrée…

Une des principales utilisations de la poudre noire est la fabrication de petites fusées. ces engins sont très simples, ils ont simplement constitués d’un tube en carton rempli de poudre comprimée. À l’extrémité supérieure, un peu de bentonite fait office de bouchon et à l’autre extrémité, on place un autre bouchon de bentonite, percé d’une tuyère.

Il est extrêmement important de bien comprimer la poudre, celle-ci doit tenir d’un bloc, comme un solide. Pour cela on utilise un outil simple: le refouloir (traduction approximative du terme anglais correct “rammer”). Il permet de remplir le tube petit à petit tout en tassant la poudre. Malheureusement, ces quelques pièces d’aluminium coûtent leur pesant d’or. J’ai donc essayé de fabriquer mon propre prototype…

Après quelques minutes de fouille dans mes réserves provenant des poubelles de l’université, j’ai pu monter ce petit dispositif:

Il me permet de faire des fusées de 18mm de diamètre avec une tuyère de 4mm. J’ignore si ces données sont valables…

Ensuite j’ai fabriqué un tube aux dimensions qui conviennent. J’ai simplement enroulé le plus serré possible les feuilles d’un catalogue en papier épais avec de la colle blanche et du papier collant; j’ai fait des parois de 5mm, après séchage elles sont bien dures et semblent robustes.

Il ne reste plus qu’à fabriquer une mèche correcte et à trouver de la bentonite: il semblerait que la litière pour chats en soit constituée: à tester! Sinon, c’est dispo chez le marchand de produits chimiques…