ElectroMagnetic Booster Project

Porteurs du projet:

• *Kevin Levy, Léo Favier Membres actifs: Enrique Morell * Date de début : Février 2017 * Promouvoir l'intérêt des accélérateurs magnétiques dans le domaine de l'aérospatial, fabriquer à terme un modèle capable d'accélérer une masse d'environ 100g à 350m/s, à moindre coût. Ces objectifs peuvent être modifiés en cours de route durant la phase de conception. * Plusieurs modèles amateurs ont déjà été fabriqué, mais avec une contrainte de taille et de prix. On espère pouvoir les dépasser grâce aux ressources que l'UPMC pourrait nous fournir. * Ce projet est inspiré par les cours d'électromagnétisme & électrocinétique de 2e année de la licence de Physique (rpz Zaslavsky). * Des mesures de sécurité particulières sont à prendre en compte. En effet, l'utilisation de tensions élevées, de condensateurs de puissance, ainsi que la dangerosité évidente d'un morceau de métal qui va très très vite obligent une rigueur et un minimum de responsabilité durant le prototypage. Les détails des mesures de sécurité seront détaillés plus bas. * Date de fin estimée : Mai 2017 ===== Machines nécessaires ===== - Générateurs de Tension (pouvant idéalement délivrer jusqu'à 0.1kV pour le prototype). - Bobineuse (le cas échéant une visseuse à vitesse variable) - Découpeuse Laser (afin de réaliser des pièces mécaniques solides) - Imprimante 3D (afin de réaliser des pièces mécaniques complexes, à éviter) - Outillage de Soudure - Outillage à Main - Matériel de Protection Cette liste est non exhaustive, et pourra être modifiée ou complétée au fur et à mesure de l'avancement du projet. ===== Matériel nécessaire ===== - De grosses quantités de fil de cuivre mono-brin gainé (ou émaillé) et épais - Un “canon” interne ayant une bonne perméabilité magnétique, en acier pour le prototype, en Mu-Metal pour le modèle final - Des condensateurs de puissance et de capacité élevées - De quoi fabriquer un circuit électronique simple et robuste - Un micro-contrôleur afin de gérer informatiquement le déclenchement des condensateurs, et de mettre en place des paramètres de sécurité (par exemple un module Arduino) - Un “failsafe” capable de stopper le circuit et de décharger automatiquement les condensateurs en cas de problème - Un circuit de refroidissement afin d'éviter tout problème de surchauffe, et d'augmenter la conductivité des bobines Cette liste est non exhaustive, et pourra être modifiée ou complétée au fur et à mesure de l'avancement du projet. ===== Fonctionnement ===== === Fabrication des bobines (technique de la perceuse) === Sans l'outillage spécifiquement fait pour (i.e. une bobineuse), il est quand même possible de fabriquer un solénoïde convenable. Il nous faudra le “canon” autour duquel on souhaite bobiner, une perceuse, du fil de cuivre monobrin et gainé, éventuellement une tige filetée et deux écrous, ainsi que de quoi garder la bobine en place autour du canon (par exemple de la colle ou 2 rondelles de chaque côté de la bobine et du scotch isolant). - On commence par prendre le tube autour duquel on souhaite faire la bobine, qu'on découpe à la longueur souhaitée avec une scie à métaux par exemple. - On place ensuite le tube dans le mandrin d'une visseuse. Si le mandrin n'est pas assez large pour accueillir le tube, on peut utiliser un mandrin plus large, ou bien une tige filetée rentrant dans le mandrin et de diamètre approximativement égal à celui du diamètre interne du tube autour duquel on souhaite bobiner. - On trouve ensuite un moyen de bloquer le début de notre futur bobine dans le tube. Pour cela, nous avons dans notre cas fait une encoche à la Dremel dans le tube, puis nous avons découpé deux rondelles en acrylique à la découpeuse laser du diamètre de la futur bobine. Une de ces rondelles présente une protubérance qui viendra dans l'encoche faite afin de rester en place. Enfin nous avons percé cette même rondelle afin de bloquer la première partie du fil de cuivre. - Une fois que c'est fait, le tour est quasiment joué. Il suffit d'utiliser la perceuse pour faire tourner le tube, et contrôler le fil afin de faire une bobine la plus uniforme possible. - Petite mention si vous souhaitez faire un solénoïde à plusieurs enroulements: La partie ou vous aurez fini une couche et où vous souhaiterez faire la deuxième est délicate. Nous vous conseillons de ne pas utiliser le moteur de visseuse, et de le faire vous même à la main. Un lien vers une vidéo plus explicative sera prochainement mis dans cette partie. === Déclenchement des condensateurs === Sur un tel projet, une des questions les plus cruciales est de savoir quand déclencher les condensateurs. Pour faire simple, le condensateur doit être déclenché lorsque le projectile arrive à l'entrée du solénoïde, et doit être complètement déchargé lorsque le projectile arrive en son milieu. Pour faire compliqué, la force qui est générée par la bobine et qui s'applique sur le projectile dépend du moment magnétique du projectile, et bien sûr du champ magnétique généré par la bobine. En supposant que le moment magnétique du projectile est constant, comme par exemple si le projectile était un aimant, alors la force est égale à F = M * dB/dx, avec F la force, M le moment magnétique, et dB/dx la dérivée suivant x (l'axe du canon) du champ magnétique. Cette dérivée est positive lorsqu'on entre dans la bobine (le champ magnétique augmente), et est négative lorsqu'on en sort (le champ magnétique diminue). Ainsi, le seul facteur important est la façon dont croit le champ magnétique en entrée de la bobine. Si le champ magnétique est constant par rapport au temps (i.e. si la bobine est alimentée en tension continue), alors le projectile va entrer dans la bobine, être accéléré, puis va sortir de la bobine, et être décéléré, jusqu'à ce que sa vitesse devienne négative et qu'il reparte vers le centre de la bobine, et ainsi de suite jusqu'à ce que le projectile se retrouve bloqué et en lévitation au centre de la bobine. (Vidéo explicative à insérer ici) Ainsi, on a crée un électro-aimant, un dispositif qui attire les objets magnétiques et paramagnétiques vers son centre. Toutefois, ce n'est pas ce que l'on cherche à faire. Ici, nous souhaitons que le projectile soit accéléré, puis qu'il sorte de la bobine. Si au lieu d'alimenter la bobine avec une tension continue, on fait en sorte que la bobine soit alimentée uniquement lorsque le projectile entre dans le solénoïde, puis qu'il ne soit plus alimenté lorsque le projectile en sort, on ne gardera que la partie où le projectile est accéléré, en se débarrassant du moment où il est décéléré. Pour faire ceci, on l'alimente avec un condensateur, qui commence à se décharger dans la bobine lorsque le projectile entre dedans, et qui est complètement déchargé lorsque le projectile atteint à peu près son milieu. On contrôlera le déclenchement de chaque condensateur en utilisant des portiques optiques, des dispositifs capable de détecter le passage d'un objet, et en déchargeant le condensateur associé au solénoïde en question lorsque le projectile entre à l'intérieur. ===== Développement ===== ==== Prototypes ==== MkI MkII MkIII “Gaben the Phat” Ce modèle est constitué d'un circuit électronique contenu dans une boîte réalisé par les plus grands ébénistes travaillant actuellement sur le projet (on est 2), et étant constitué de:
  - Un interrupteur de mise à feu
  - Deux commutateurs permettant de passer chaque circuit d'un mode “charge” à un mode “décharge”
  - Deux fiches bananes femelles qui sont les entrées + et - du circuit
  - Deux condensateurs 450V 2200µF
  - 3 sorties, une pour la bobine 1, une pour la bobine 2, et une pour la masse
  En plus de cette boîte, un canon a été réalisé avec un tube en acier et 2 bobines réalisées de manière très approximative par nos soins en fil de cuivre émaillé. Il est a noter que les 2 bobines sont déclenchées simultanément, ce qui est source d'une grande perte d'efficacité.
  Par analyse vidéo, on a réussi à mesurer la vitesse en sortie de bouche de ce prototype: elle est de 16,667 m/s, soit 60km/h pour un petit morceau de tige filetée en acier ayant une masse de l'ordre de la dizaine de grammes.
  Ce résultat est relativement satisfaisant, dès que nous trouverons une source de financement suffisante, pour passerons à la conception du prochain modèle: l'Installation-04. ===== Journal de bord ===== Vendredi 17 Mars 2017: Premiers réels résultats. L'utilisation d'un condensateur de puissance chargé à sa tension nominale de 80V a permis de tirer un morceau de tige filetée d'environ 8mm de diamètre à une vitesse non mesurée, mais visiblement conséquente. La bobine fabriquée par nos soins commence à atteindre ses limites. Celle-ci fut faite à l'aide d'une perceuse et de fil de cuivre émaillé de récupération. Le “canon” était imprimé en 3D, en ABS, sa permittivité magnétique était proche du vide, il faut changer cela. La prochaine étape sera l'achat de fil de cuivre épais et de bonne qualité, ainsi que d'un tube en acier profilé à froid. Log 1, Kevin Levy Mardi 22 Mars 2017: Nous nous sommes procuré 100m de fil de cuivre mono-brin gainé de 2.5mm de diamètre, et un tube en acier profilé de 12mm de diamètre externe et de 10mm de diamètre interne (ça fait 1mm d'épaisseur). Après avoir bobiné tant bien que mal un solénoïde de 5cm de long et de 2 épaisseurs (nous avons dû utiliser la technique ancestrale de la perceuse et de la tige filetée), nous avons été capable de finir le montage et d'effectuer un premier test quelques minutes avant le fermeture du FabLab. Ce fût un échec. Notre hypothèse la plus vraisemblable est qu'une des deux bornes de la bobine de faisait pas contact avec le circuit. Cette borne est courte, et ne dépasse pas d'une des 2 rondelles en acrylique placée aux extrémités du solénoïde. Il faut réussir à souder le fil connecteur sur la borne alors qu'il n'y a quasiment pas la place de rentrer la panne du fer à souder dans le trou de la rondelle ( ͡° ͜ʖ ͡°). Log 2, Kevin Levy Mercredi 23 Mars 2017: Après avoir réussi à souder un câble sur le connecteur anciennement inaccessible (on a simplement élargi l'espace avec une Dremel pour pouvoir souder plus aisément), les tests avec la nouvelle bobine de furent pas concluants. Le projectile ne bougeait pas d'un pouce. Nous pensons que cela est dû au faible nombre de spires de la bobine. Nous essaierons prochainement de fabriquer une nouvelle bobine courte (5cm) et d'un grand nombre de spires. Log 3, Kevin Levy Mercredi 29 Mars 2017: Nous avons décidé d'acheter deux condensateurs de 2.2mF et de 450V. En plus de cela, nous nous sommes procuré 20m de fil de cuivre émaillé de 1mm de diamètre. Dans l'après-midi, nous avons effectué des tests avec les nouveaux condensateurs. À 80V, soit la même tension que celle utilisée que pour le condensateur précédemment utilisé, les tests ne furent pas très concluants. En effet, l'ancien avait une capacité de 4.6mF, soit le double des condensateurs achetés. En mettant les deux condensateurs en parallèle sur la même bobine, nous atteignons une capacité totale de 4.4mF, soit approximativement la même capacité que l'ancien condensateur. Puis nous avons augmenté le voltage. Il est à préciser qu'à partir de ce point, les tensions utilisées commencent à devenir un réel danger. Toutes les manipulations effectuées ont ainsi été faites avec un masque de protection et des gants isolants, ainsi qu'avec une attention particulière au chargement des condensateurs, ainsi qu'à leur décharge. Nous pouvons même affirmer que l'énergie électrique stockée dans les condensateurs est de loin plus dangereuse que le projectile lui-même. L'accélérateur était alors alimenté avec une tension de 120V, grâce à des alimentations stabilisées branchées en série. Les test furent très concluants, le projet avance à grand pas. Nous étions très contents. Nous avons ensuite réalisé une bobine avec le fil acheté. La fabrication de cette bobine fût particulièrement complexe, et le résultat peu satisfaisant. Le besoin d'une vraie bobineuse se fait de plus en plus sentir. Toutefois la bobine a très bien fonctionné, ce qui nous rendit encore plus contents. Enfin, nous avons alimenté les condensateurs avec des tensions de plus en plus élevées, allant jusqu'à 200V. La manipulation était alors réellement délicate, mais grâce aux mesures de sécurité prises, aucun accident ne fut à déplorer. Les résultats furent réellement impressionnant. La cible sur laquelle nous tirions était alors un bloc de fer très épais avec un morceau de carton assez épais aussi devant. Le projectile a endommagé le carton, toujours sans le percer toutefois. À ce stade, nous étions alors très très contents. La prochaine étape est de trouver un moyen de générer 400V en courant continu. Manipuler de telles tensions se révélera extrêmement dangereux, non plus seulement pour nous, mais également pour les personnes aux alentours. Pour pallier à ce problème, nous réaliserons un système permettant de déclencher informatiquement et à bonne distance le circuit, grâce à un contrôleur Arduino et à deux transistors Mosfet achetés capables d'encaisser une telle tension (500V!). Log 4, Kevin Levy Jeudi 19 Octobre 2017:**

Fin officielle de conception du modèle MkIII “Gaben the Phat” (enfin!).
Le projet ayant été laissé en suspens pendant la période de partiels de l'année 2016-2017 (aux environs du mois d'Avril 2017), les seules avancées ont été la réalisation d'une boîte pour contenir le circuit électrique de haute puissance, une série de tests sur une grande plage de tension (allant de la centaine de volts à 400V), et la conception du cahier des charges du prochain modèle, l'Installation 04.
À noter: Via l'association CurieOsity, nous avons eu le plaisir de participer pour la Fête de la Science à l'atelier sur l'Électromagnétisme du LPNHE (Laboratoire de Physique Nucléaire et des Hautes Énergies). Nous avons été conviés pour ce faire à exposer le modèle MkIII en tant que modèle d'un Canon de Gauss, et à faire une présentation pour des 4e, des 1ères, ainsi que des Terminales sur l'électromagnétisme. Nous remercions particulièrement le LPNHE pour nous avoir donné cette chance, et pour avoir montré de l'intérêt sur ce projet sur lequel nous avons beaucoup travaillé afin de transformer une vague idée d'un “canon qui tirerait des canettes de bière Leader Price en orbite dans l'espace”, à un modèle réel et parfaitement fonctionnel.

Log 5,Kevin Levy