Porte-avions

[Kéryho]

Bonjour!
Dans le cadre d'une étude, je m'intéresse au catapultage à vapeur sur les porte-avions. J'ai déjà trouvé des informations sur le fonctionnement global du catapultage, mais certaines de mes questions demeurent sans réponse. Je me demandais donc si certains d'entre vous pourraient m'aider.
Premièrement, est-il possible de connaître les dimensions des composants de la catapulte (cuve à vapeur, piston, cylindre,..) ou existe-t-il des moyens de les calculer par ingénierie inverse?
J'ai essayé en faisant un bilan des forces appliquées au piston, mais je ne sais pas comment modéliser les frottements.
Deuxièmement, j'aimerais savoir sous quel état la vapeur se trouve lorsqu'elle est sous pression dans la cuve (est-ce de l'eau, ou de la vapeur uniquement?) et quelles sont la température et la pression à l'intérieur de la cuve.
Enfin, auriez-vous des idées d'expérience à me proposer pour modéliser ce système?
J'ai pensé à faire chauffer de l'eau dans une cuve (par exemple un boîte de thé en fer) à laquelle je relierais un tuyau pour contrôler l'évacuation de la vapeur à l'aide d'un robinet afin de mesurer sa puissance.

Merci d'avance!
Bonne journée/soirée!

[chuck_73]

quelques questions/remarques qui je pense pourraient t'aider:
Premier chose, faire simple et ensuite compliquer:

-le but du jeu est d'accelere un avion du vitesse relative (au porte avion) null à une certaine vitesse, connaissant la masse de l'avion, sa vitesse en sortie de catapulte et la puissance (ou force) données par ses moteurs, tu peux calculer les forces fournies par la catapultes. (Somme des forces = masse * acceleration)
--> fixe toi un avion de reference (poussée reacteur, masse)
-->néglige les frtottements dans un premier temps

-connaissant la force qu'il faut exercée, tu peux determiner la dimension du piston (qui dependra de la pression)
-Si tt est parfait, (pas de condensation, pas de perte de vapeur), tu peux connaitre le volume de vapeur nécessaire, qui va de ce fait entrainer une baisse de temperature de la vapeur (elle se dilate du coup)

Maintenant, on complique:
->ajoute les frottements: des pertes du a des frottements secs (constants) et des pertes dynamiques (plus on va vite plus ca frotte). Dans le cas adéquat, tu peux faire des hypothéses avec un frottement acier acier ou laiton/acier. Là, ca devient un peu plus marrant, car il te faudra faire des intégrations, etc..

->ajouter les pertes de vapeur: le tube étant froid, la vapeur se condense, donc on en pert au passage (sans compter que les joints ne sont pas parfait), là, cela fonctionne principalement par hypothése.

->l'avion, plus il va vite, plus il frotte, mais plus il pousse (si c'est un réacteur)... ca doit pas changer grand chose au final

En expérience:
tu peux prendre un tube PVC, mais ca limitera la pression et la temperature.
Une piéce de teflon, avec un coeur métallique qui s'adapte bien au tube, on connait du coup le coef de frottement (cela sera le piston)
il faut une piéce qui servira de fusible et cassera uniquement quand un effort suffisant sera appliquée par la vapeur sur le piston.
et deux capeturs qui deteteront le passage du piston.

Connaissant la distance entre deux capteurs, et connaissant les temps de passages, tu peux en determiner la vitesse moyenne, en ajoutant plusieurs capteurs tu peux avoir un relevé plus précis des vitesses, et donc accélération...

Aprés, tu fais changer la pression vapeur, la masse du piston, la force à laquelle le fusible change, etc... et tu compares.

Et points important, ne pas boucher le tube en sortie, sinon, ca va revenir en sens inverse.

Ensuite, tu as cherché sur le web en anglais...? Généralement les 'ricains aiment bien expliquer ce genre de sujet

[Carbak]

Fabrique un patator pour la modélisation

[Kéryho]

Merci beaucoup pour vos réponses (désolé de répondre aussi tard!)
Chuck73: Ton aide m'a été précieuse, grâce à tes suggestions, j'ai réussi à obtenir une estimation de la surface du piston, mais j'aimerais savoir si il y a un moyen de vérifier mon résultat (avoir un ordre de grandeur).

[chuck_73]

alors, j'avais plus ou moins trouver un document sur le net qui parlait de ca... mais comme je ne voulais te faire reflechir tout de même :
http://goo.gl/LpXLnn

trouvé avec une recherche google "steam catapult computation piston"

[Kéryho]

Bonjour,
Tout d'abord, merci pour le document qui m'a permis de vérifier mes résultats !
Durant ces dernières semaines j'ai avancé mon projet en réalisant une modélisation du système de catapultage :
à l'aide d'une pompe à air (la vapeur étant trop dangereuse et difficile à utiliser) j'ai propulsé un bouchon en liège le long d'un tube transparent en plastique. Des capteurs optiques placés en fin de course me permettent de mesurer précisément le temps que met ce bouchon pour parcourir le tube. Je peux ainsi calculer la vitesse en fin de course (correspondant au moment du décollage de l'avion).
Le problème c'est qu'en appliquant l'équation obtenue par la théorie aux dimensions du système de mon expérience, je calcule une vitesse de 14000m/s pour une pression de 2 bar, alors qu'on mesure une vitesse de 2,5m/s...

Mon équation est : m*x' = (p*S+Fp-c*m*g)*t
Avec m : poids du système
p : pression exercée sur le système
S : surface du système
Fp : la force de Propulsion des réacteurs de l'avion
c : le coefficient de frottement solide
t : le temps
g : la constante gravitationnelle
x'= dx/dt

Pour l'expérience, j'ai pris Fp=0, je la considère assimilée à la force de pression.
Et j'ai dans un premier temps négligé les frottements pour avoir un ordre d'idée de la vitesse.
Et je trouve donc 14000m/s pour le bouchon, alors que dans le cas du porte avion, le résultat est cohérent (200km/h).

Il y a un autre problème venant du fait qu'il y a une différence de pression avant et après le bouchon (l'air dans le tube freine le bouchon).
Je ne vois pas comment remédier aux écarts entre mes valeurs théoriques et pratiques !

Il me semble difficile de modéliser ce décollage, peut-être devrais-je me pencher sur les lois d'échelles ?

Merci d'avance !

[ckamaury]

Un catapultage est toujours difficile à modéliser car difficile à faire .. Il me semble même que les russes (à confirmer) n'arrivent pas à catapulter leurs avions correctement et utilisent surtout le vieux modèle du décollage court.

[Kéryho]

Du coup, je vais plutôt m'intéresser aux raisons qui font que mon modèle ne fonctionne pas.
Est-ce que vous auriez des idées pour mettre en avant, et comprendre les problèmes que je rencontre dans ma modélisation expérimentale (quitte à modifier l'expérience) ?

[chuck_73]

déja 14 000m/s, ca ne te choque pas comme résultat ?? (14 km/s soit un beau mach 37 au niveau de la mer).

Il manque des choses dans ton équation, à mon avis non négligeable:
les frottements visqueux (de l'air) et l'effets bouchon (la pression arriére va diminuer au fur et à mesure que le bouchon avance)

Ensuite, faut voir combien de capetur optique tu as mis en place, où.. etc.

Mais pour moi, le model manque de quelques commplement

[Dubble]

Assure toi des deux seules choses importantes pour la modélisation : voir si ton modèle est bon (si tu n'oublies rien, si l'équation est correcte, si c'est homogène...), voir si tu résous bien.

[Kéryho]

Bonjour,

Je rééxplique tout depuis le début...

Dans le cadre d'une étude, je me suis intéressé à la différence existant entre un catapultage dit normal et un catapultage sur porte avions. En effet, un avion Rafale a besoin d'environ 400 mètres pour décoller alors qu'il n'en a besoin que de 75 sur un porte avions, grâce à l'élaboration de la catapulte à vapeur. De ce fait et pour étudier ce système, je me suis tout d'abord penché sur le modèle théorique, en modélisant l'avion et le piston qui le tire (présent dans un cylindre, dans lequel la vapeur est envoyée) simplement en un piston toujours dans le cylindre (j'ai affecté au piston la masse de l'avion). J'ai obtenu une équation différentielle et j'ai réalisé quelques calculs pour retrouver les dimensions qu'il me manquait.
Après ça, j'ai réalisé un modèle réduit de l'expérience. J'ai donc pris un tube en PVC transparent dans lequel je place un bouchon d'1,6g (il s'adapte bien a tube et je n'en ai pas trouvé de plus lourd du diamètre correspondant). A l'aide d'une pompe à air comprimé (par lequel je remplace la vapeur d'eau du porte avions), je propulse le bouchon et je mesure la vitesse en sortie grâce à des laser reliés à un oscilloscope.
J'obtiens alors une vitesse de 2,5m.s. En appliquant cependant l'équation différentielle obtenue pour le porte avions, à mon modèle réduit, je trouve 7780m.s...
J'en ai parlé à mon tuteur, et ne comprenant pas non plus cet écart, il m'a orienté vers une démarche scientifique en vue d'expliquer justement les différences existant entre un modèle et sa représentation à échelle réduite, comme c'est le cas pour moi.

La pression, que j'avais supposée constante, a été démontrée quasi constante : le problème ne vient pas de là.
Ensuite, les frottements qui étaient négligés dans mon expérience ont été rajoutés : j'ai mis des massettes sur le bouchon (dans le tube incliné à la verticale). J'ai trouvé une force de 0,2N. Cependant, je ne sais pas si cette considération suffit.
Ensuite, j'ai étudié le phénomène de surpression grâce à la loi de Bernoulli.

Désormais, je fais appel à vos neurones et votre savoir faire pour quelques questions qui me tracassent et que je n'arrive pas à résoudre.

Viscosité : J'aimerais étudier la différence de viscosité entre les deux modèles. Je considère de l'air comprimé, et de la vapeur d'eau est présente sur porte avions... La viscosité n'est pas la même. Existe t'il une équation ? J'ai trouvé les différents coefficients de viscosité mais je ne vois pas comment les exploiter. Je n'ai pas beaucoup d'expérience ni de connaissances en mécanique des fluides...
Pente : j'ai appris que la catapulte (et la piste ?) étaient inclinée sur le porte avions, tandis ce que je l'ai considérée droite. Y a t'il une façon d'inclure une équation de pente ou quelque chose dans le genre ?
Vent / frottements sur l'avion : j'ai lu que le porte avions, lors des opérations de vol, avance à contrevent de manière à ce que la vitesse relative de l'air soit maximale. Quelqu'un aurait une idée de la force du vent ? Y a t'il cette fois encore une équation qui permettrait de prendre en compte la force rajoutée par le vent (car dans mon expérience, il n'y a pas de vent évidemment, et le tube ne se déplace pas...). D'autre part, dans un souci de modélisation, l'avion est comme je le disais tout à l'heure, considéré comme étant dans le cylindre. Dans mon expérience, j'ai simplement le bouchon dans le tube. Il n'y a donc pas de frottements s'appliquant sur l'avion...

Je suis également en train d'étudier les lois d'échelles, mon tuteur étant doctorant en mathématiques et informatique.
Toutes ces questions cependant me poussent à m'en poser une autre : si j'arrive à inclure des équations etc pour rajouter les paramètres évoqués plus haut, cela ne va t'il pas augmenter ma vitesse théorique au lieu de la diminuer ? Après tout, ce n'est pas parce que c'est une valeur haute qu'elle est fausse... Peut être que ça me permettra d'expliquer pourquoi ma vitesse expérimentale est si faible !

J'espère avoir été assez clair sur le sujet de mon étude ainsi que sur mes questions. N'hésitez pas à me demander plus d'explications ou de précisions.

Merci beaucoup par avance, tout d'abord d'avoir pris la peine de lire, et enfin pour vos, j'espère, futures réponses.

Kéryo.

[chuck_73]

Le porte avion se met face au vent pour le décollage des appareils. C'est le vent relatif à l'avion qui le fait voler. En poussant a l'extréme, un avion peut voler sur place, si le vent qui lui fait face est suffisament important. Tout est une question de référentiel. L'avion se déplace par rapport à l'air, mais également au PA pendant sa course de décollage... reste à savoir qui lui apporte l'énergie.
Dans le cas d'un porte avion, la vitesse mini est de l'ordre de 20 à 25kt, cela dépendra de la météo du jour bien entendu et de la vitesse du PA.
Donc pour un avion qui décolle à 125kt (vitesse air), s'il y a 25kt de vent sur le pont, la catapulte et les moteurs devront fournir l'energie pour atteindre les 100kt manquants (et l'avion aura en sortie de pont une vitesse de 100kt par rapport au PA, si on conscidére que le vent météo est nul et que le PA se déplace à 25kt.)
En quoi cela influe t'il tes calculs:
-la catapulte n'a plus besoins d'amener l'énergie pour acquérir ces 25kt supplémentaires.
-Elle doit cependant fournir l'énergie nécessaire pour palier aux frottement qui existent.

7780m.s-1 c'est énorme... juste avec cela, tu peux déja critiquer ton résultat (plus de 20 fois la vitesse du son...).
Il y a les facteurs d'échelles à prendre en compte, cela influe notamment sur l'écoulement aérodynamique (nombre de reynolds etc...). Par conséquent, la pression que tu mets en entrée de ton tube doit être adaptée à la masse et diamétre.

Pour ma part, dire que l'avion est dans le cylindre est viable pour les masses (et l'accélération), cependant, niveau aérodynamique, un écoulement dans un cylindre n'a rien à voir avec un écoulement en air libre...

[Kéryho]

Merci beaucoup pour ta réponse !

En effet, au niveau aérodynamique, l'écoulement sera très différent, mais tout bien réfléchi, je pense que je n'ai pas besoin de m'y intéresser...
Je pense que je m'éparpille, et que la vitesse du vent, la portance etc sont des notions inutiles pour expliquer mon étude : j'ai modélisé la catapulte de manière minimaliste pour simplifier la modélisation expérimentale, et mes calculs théoriques (faits sur la base du porte avions) ne correspondent pas à la vitesse obtenue en expérience.

Deux solutions :
- Soit des phénomènes non pris en compte interviennent (pression constante, surpression ... > déjà vérifiés. Y en aurait-il d'autres ?)
- Soit ce qui explique que mes résultats soient faux est le fait que ma modélisation n'a pas lieu d'être, mais je ne pense pas que ce soit ça.

En fait, je pars du principe que, dans un cylindre, une masse de 20tonnes ayant des réacteurs, comme un avion, serait propulsée de 0 à 250km.h-1. J'en déduis les frottements par équation.
Puis, je réalise la même chose, sans réacteur. J'enlève donc la force de propulsion des réacteurs de mon équation et je remplace les autres données par les miennes... Puis, je fais la manip expérimentalement et c'est là que ça cloche.