Bac STI2D (+STL SPCL) : Sujet Physique- Chimie

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Partie A : objectifs de la mission ATV 5 et préparatifs du lancement (5 points)

A.1. Objectifs de la mission ATV 5

A.1.1. D’après l’annexe A1, indiquer au minimum quatre objectifs de la mission ATV 5.

A.1.2. Préciser quelle est la cause de la baisse d’altitude de l’ISS au cours du temps.

A.1.3. Quelle est la durée approximative de la mission ?

A.1.4. En utilisant l’annexe A2, déterminer la perte d’altitude totale subie par la Station Spatiale Internationale au cours de la durée de la mission de l’ATV 5, si celui-ci n’avait pas relevé régulièrement l’orbite de la Station. On considèrera qu’un mois dure en moyenne 30,5 jours.

A.2. Préparatifs du lancement de l’ATV par Ariane 5

A.2.1. Inspection du système d’arrosage de la table de lancement

Lors du décollage de la fusée, les tuyères (orifices de sortie) des moteurs de la fusée éjectent des gaz très chauds et à très grande vitesse. Pour protéger la table de lancement des effets néfastes des gaz d’échappement et atténuer le bruit produit lors du décollage, les gaz et la table sont arrosés d’eau par l’intermédiaire de 68 bouches de projection de section S = 126 cm2 chacune (voir annexe A3). L’alimentation en eau est assurée par un château d’eau raccordé aux bouches de projection par un réseau de canalisations muni de vannes dont l’ouverture permet de déclencher l’arrosage. Ce système d’arrosage doit assurer un débit volumique d’eau total Dv = 30 m3.s-1 pendant une durée de 50 secondes lors du décollage.

A.2.1.a. Quel doit être le volume VR du réservoir d’eau du château d’eau pour assurer l’arrosage lors d’un décollage ?

A.2.1.b. Calculer le débit volumique Dv1 de l’eau projetée par une bouche.

A.2.1.c. En déduire la vitesse v d’éjection de l’eau à chaque bouche de projection au moment du décollage.

A.2.1.d. Pour que le système d’arrosage puisse fonctionner efficacement, la pression minimale de l’eau au niveau des vannes doit être de 9 bars lorsque celles-ci sont fermées. En déduire la hauteur minimale du niveau de l’eau dans le château d’eau.

A.2.2. Remplissage des réservoirs du moteur principal de la fusée


Pour produire la force de poussée nécessaire à la propulsion de la fusée, ses différents moteurs thermiques utilisent deux substances chimiques appelées propergols.
Les propergols nécessaires au fonctionnement du moteur principal d’Ariane 5 (le moteur Vulcain) sont le dihydrogène H2 et le dioxygène O2.
Quelques heures avant le décollage, on procède au remplissage en propergols des deux réservoirs séparés, situés dans l’étage principal cryotechnique (EPC) de la fusée.

A.2.2.a. Pendant et après le remplissage des réservoirs, le dihydrogène est maintenu à la température T = 20 K et sous la pression P = 2,2 bar. Le dioxygène est maintenu à T = 90 K sous P = 3,6 bar. Placer les points correspondant à ces valeurs sur les diagrammes P(T) du document-réponse DR1.

A.2.2.b. En déduire l’état physique des deux ergols stockés dans les réservoirs de l’EPC de la fusée.

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Partie B : lancement de l’ATV 5 par Ariane 5 (8 points)

B.1. Étude du fonctionnement du moteur Vulcain lors du lancement

Certaines caractéristiques du moteur Vulcain sont données en annexe B1.
Lors du fonctionnement, le moteur est alimenté séparément en dihydrogène et en dioxygène par deux turbopompes de forte puissance permettant aux propergols d’acquérir un débit, une pression et une vitesse élevés. Une fois mélangés, les deux propergols explosent, produisant les gaz d’échappement à l’origine de la force de poussée qui propulse la fusée.

B.1.1. Sur le document-réponse DR2, compléter le schéma énergétique du moteur à l’aide des termes suivants : moteur - fusée en mouvement - propergols, et en indiquant la nature des différentes énergies transférées.

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