Projet PERSEUS : quand des étudiants de Rennes 1 innovent pour le spatial

Le projet PERSEUS vise à accompagner les étudiants de l'enseignement supérieur dans le développement de solutions techniques innovantes pour le spatial. L'université de Rennes 1 s'associe depuis peu à cette initiative du Centre national d'études spatiales (CNES). Sur le campus de Beaulieu, des étudiants commencent à travailler sur la propulsion ou sur l'analyse de données de vol avec l'appui d'enseignants-chercheurs en physique, informatique / électronique, mathématiques et mécanique.

Projet PERSEUS
  1. De la 2e année de licence au master 2
  2. Des mini-tuyères à l'IPR

De la 2e année de licence au master 2

À Rennes 1, la convention avec le projet PERSEUS du CNES a été signée fin 2016, marquée par le recrutement d'un coordinateur pour le projet, l'ingénieur Sylvain Pernon. Sous sa supervision et celles des enseignants-chercheurs de leurs formations, deux étudiants ont participé à l'assemblage des éléments d'une fusée expérimentale, SERA 3. Celle-ci a été lancée avec succès depuis la Suède en avril 2017. Les étudiants de Rennes 1 participeront à l'analyse des modes vibratoires qui ont affecté l'engin, avant de s'impliquer dans la conception et la construction de la prochaine génération de démonstrateurs. En projet notamment pour SERA 4, la construction et l'intégration d'une balise de réception GPS, ou encore d'une carte d'acquisition pour la détection de vibrations. L'association SATURN a également été constituée par des étudiants de la licence au master pour s'investir dans le projet en dehors de leur cursus.

Le projet PERSEUS a été initié par la direction des lanceurs du CNES pour susciter des vocations parmi les jeunes de l'enseignement supérieur, et ainsi assurer la relève des générations actuelles d'ingénieurs", explique Sylvain Pernon. "En fédérant des universités aux côtés de grandes écoles spécialisées dans le spatial, les responsables de PERSEUS souhaitent diversifier les approches. L'objectif est que les étudiants travaillent sur des technologies innovantes et qu'ils réalisent des démonstrateurs pour les expérimenter. La gamme des fusées SERA est l'un d'eux, mais on peut aussi citer MINI-L3AR, un lanceur de fusée aéroporté et réutilisable, ou encore mini-APTERROS, qui étudie les techniques de décollage mais aussi d'atterrissage vertical d'une fusée : l'association SATURN des étudiants de Rennes 1 s'y est particulièrement impliquée".

À Rennes 1, les enseignants-chercheurs impliqués dans PERSEUS sont rattachés à trois domaines de formation : Sciences et propriétés de la matière (SPM), Mathématiques et Informatique/Électronique (ISTIC). Leur objectif pour 2017-2018 : convaincre leurs étudiants de s'engager plus nombreux dans le projet. Une histoire à suivre, donc.

Projet mini apterros

Des mini-tuyères à l'IPR

Parmi les projets étudiants conduits à Rennes 1 dans le cadre du projet PERSEUS, le professeur et physicien Robert Georges encadre le stage de M2 d'Eszter Dudas en mécanique des fluides. Par ailleurs sportive de haut niveau (triathlon), cette étudiante d'origine hongroise a construit son parcours à travers plusieurs universités européennes pour se spécialiser en mécanique des fluides.

"Notre objectif est d'aider les industriels impliqués dans la construction des prochaines fusées PERSEUS à rendre plus efficace son système de propulsion", explique Robert Georges. "La fusée SERA3 utilisait des moteurs à poudre achetés tout faits. L'un des buts de PERSEUS est de développer ses propres moteurs fonctionnant avec un mélange oxygène-méthane. La propulsion de la fusée se fera par l'expulsion très rapide d'un gaz porté à très haute température au préalable. Or, l'efficacité de ce système réside dans la manière dont les molécules du mélange convertissent en s'entrechoquant l'énergie qui leur a été apportée par la chaleur en énergie de mouvement, lorsque le gaz se détend à la sortie de la tuyère. Avec Eszter, nous montons une expérience pour mieux comprendre comment les molécules libèrent leur énergie de rotation et de vibration dans ces conditions, ce qui est un véritable défi en soi !"

Eszter Dudas et Robert Georges

"À l'Institut de physique de Rennes, nous avons accumulé une expertise considérable des écoulements supersoniques et de l'analyse des molécules qui y circulent, poursuit Robert Georges. "Ici, nous allons utiliser une mini-tuyère de graphite fabriquée par le pôle mécanique de Rennes 1 et capable de résister à une température de 2500°C. Nous allons l'utiliser pour produire un écoulement hypersonique à partir du gaz à 2000°C qui sera éjecté de la mini-tuyère à une vitesse de plusieurs kilomètres par seconde. Le défi va consister à comprendre ce qui se passe au niveau moléculaire dans cet écoulement car, outre sa vitesse, il sera très peu dense avec, comparativement, très peu de molécules en circulation. Pour analyser les molécules, nous allons leur faire traverser un laser infrarouge résonnant entre deux miroirs avant qu'il n'atteigne le détecteur. Cette technique, appelée "Cavity ringdown spectroscopy" (CRDS), n'a encore jamais été utilisée pour caractériser un écoulement produit par ce type de mini-tuyères hypersoniques."

mini-tuyères hypersoniques

Eszter Dudas, l'étudiante de master 2 dont le stage est pris en charge par PERSEUS, présente le dispositif expérimental :

"J'ai commencé par modéliser l'écoulement grâce à un logiciel de simulation, en vérifiant mes résultats grâce à des relevés effectués à la sonde Pitot. Le spectromètre CRDS est maintenant en place, il me reste trois semaines pour réaliser les premiers tests avec des molécules dans l'écoulement. Comme elles seront comparativement peu nombreuses, les chocs entre les molécules excitées dans le gaz seront eux aussi peu nombreux. Or, ce sont ces collisions qui transforment en énergie cinétique (de mouvement) l'énergie rotationnelle et vibrationnelle acquises par les molécules sous l'effet de la chaleur. En comprenant finement ce phénomène, j'espère que nous pourrons formuler des recommandations pour améliorer cette conversion d'énergie, qui est au cœur même de l'efficacité de la propulsion".

Avec le soutien de Robert Georges, Eszter Dudas a entrepris les démarches nécessaires pour commencer l'an prochain une thèse sur le sujet à l'Université de Rennes 1.