2. Principes de fonctionnement

La Propulsion, le principe d’action-réaction

-Le principe de propulsion d’une fusée à eau s’explique par la loi de la conservation de la quantité de mouvement, autrement apellée la loi d’action-réaction. Cette loi peut se démontrer par une expérience simple : Monter sur une planche à roulettes avec un objet dans les mains puis de lancer cet objet dans l’axe de la planche. On observera que la planche recule.

-Enoncé du principe d’action-réaction :"L’action est toujours égale et opposée à la réaction ; c’est à dire, que les actions de deux corps l’un sur l’autre sont toujours égales, et dans des directions égales, et dans des directions contraires"

-Ici, l’allumette immobile entre en mouvement au moment où elle prend feu, et se déplace dans le sens opposé à la flamme, voilà donc une schématisation de ce que nous observons :

Les forces, comment la fusée s’élève dans les airs

Tout d’abord, le vol de la fusée comporte plusieurs phases, la phase de propulsion, et la phase de vol balistique :

La phase de propulsion

Durant cette phase, la fusée à eau est soumise à 3 forces :

 Une force de propulsion P, qui pousse l’engin vers le haut
 Le poids de la fusée Pf, qui tend à la ramener vers le sol
 La résistance de l’air R, qui s’oppose à l’avancement

Le résultat de ces forces entraîne une accélération ou une décélération de la fusée, qui est donnée par la 2nde loi de Newton :

a=F/M

Où a est l’accélération, F la résultante des forces (F = P - Pf - R) et M la masse de la fusée. Cependant, nous ne détaillerons pas ce calcul dans notre cas, pour 2 raisons : Cela ne nous sera pas utile, et puis il fait intervenir des paramètres qui change à chaque instant, le fait que l’eau soit éjectée de la fusée fait varier sa masse, et la pression dans la fusée, etc...)

Cependant, cette phase de propulsion se décline en 3 étapes :

• La 1ère : L’éjection, depuis le base de lancement
• La 2nde : La propulsion "aqueuse"
• La 3ème : La propulsion "gazeuse"

Pour résumer ce qui a lieu lors des 3 étapes de la phase de propulsion : 
-L’éjection de la base de lancement, cette étape est très rapide, elle ne prend en compte aucune éjection d’eau ou d’air. C’est au cours de cette étape que la fusée se soulève au dessus du bouchon la reliant à la base de lancement. Ici, la masse de la fusée ne varie pas, ou très peu (aucune perte d’eau), c’est le volume d’air qui change, puisque l’élévation de la fusée libère de l’air au niveau du bouchon. La durée de cette étape est infime.
-La propulsion "aqueuse", cette étape possède également une durée très courte. C’est durant ce cours laps de temps que toute l’eau est éjectée. Ici tous les paramètres varient en permanence, au fur et à mesure que l’eau est éjectée, la masse de la fusée diminue (Donc, la fusée accélère, alors la vitesse augmente). De plus, le volume d’air augmente, donc la pression diminue et si la vitesse augmente alors la résistance de l’air augmente aussi. C’est donc une phase relativement difficile à modéliser, ou à définir par un calcul. Cependant, cela n’est pas impossible mais c’est en dehors de nos compétences.
-La propulsion "gazeuse", nous avons affaire à une fusée à eau, certes, mais il y a néanmoins une poussée due à l’air comprimé restant dans la fusée. La particularité de cette étape consiste en le fait que l’on n’a plus affaire à un fluide incompressible comme l’eau. En effet, la compressibilité de l’air fait encore appel à des paramètres variables, qui dépassent encore une fois nos compétences.

Après cette phase de propulsion vient la phase de vol balistique :

Ici, la fusée n’est plus soumise à une force d’accélération, elle est entraînée par l’impulsion donnée précédemment. La fusée étant quand même soumise à son propre poids et à la résistance de l’air, elle va décélérer jusqu’à atteindre son "apogée", c’est à dire lorsque qu’elle sera à sa hauteur maximale, et qu’elle va commencer à redescendre, en accélérant, ici à cause de son poids.