Aurélie 20/11/10
 

 

Des avions pas comme les autres : vol parabolique, pile à combustible : bac S Nlle Calédonie 2010


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L'A 300 Zéro G.
depuis 1988, le CNES mène un programme de vols paraboliques afin de réaliser des expériences scientifiques en impesanteur sans  recourir  à un dispositif spatial coûteux. On exploite depuis 1997 un Airbus spécialement am"nagé : l'A 300 Zéro G. L' appareil effectue lors de chaque vol une série de 30 paraboles. Quand la traecoire est parabolique ( entre les points Aet B de la figure ci-dessous ), lappareil se trouve dans des conditions de chute libre pendant 20 à 25 secondes, créant ainsi une situation d'impesanteur. L'impesanteur est l'absence apparente de pesanteur :un objet placé à l'intérieur de l'avion ne subit aucune action de la part de celui-ci et semble donc "flotter" car il est en chute libre comme l'avion.

Les expériences réalisées en impesanteur touchent à la fois le domaine des sciences physiques ( le test de dispositifs spatiaux, le déploiement de panneaux solaires, d'antenes, de structures gonflables, la préparation de missions spatoales habitées ) et celui des sciences de la vie ( notamment la physiologie humaine ). S'ajoute également à cet intérêt scientifique et technologique celui d'expériences à caractère pédagogique qui donne l'occasion aux jeunes de participer pour la première fois à un projet de recherche et suscitent souvent des vocations scientifiques.
D'après les sites internet de Novespace et du CNES.
Dans cette partie, nous nous intéressons à la trajectoire de l'avion dont le mouvement  est étudié dans le référentiel terrestre considéré comme galiléen.



Vol en palier.
Avant d'effectuer une parabole, l'A 300 est en situation de vol en palier. Sa trajectoire est une droite, son altitude et sa vitesse sont constantes. l'avion est soumis à 4 forces : son poids P, la poussée des moteurs P de direction horizontale, la traînée T dues aux frottements de l'air et la portance R. Cette dernière est due à la circulation de l'air autour des ailes qui crée une surpression sous l'aile et une dépression au dessus de l'aile. La portance R est verticale et dirigée vers le haut.
 

Quelle est la nature du mouvement du centre d'inertie G de l'avion lors du vol en palier ? Que peut-on en déduire concernant la somme des forces exercées sur l'avion ?
La trajectoire est une droite et la vitesse est constante : le mouvement est rectiligne uniforme.
D'après le principe d'inertie, la somme vectorielle des forces appliquées à l'avion, est nulle.
Représenter au centre d'inertie G de l'avion, les forcess'exerçant sur celui-ci, sans souci d'échelle. En remarquant que les forces s'opposent deux à deux, déterminer leurs valeurs.
On donne : masse de l'avion m = 1,5 102 tonnes = 1,5 105 kg ; g = 9,78 m s-2 à l'altitude où évolue l'avion.
Poussée des moteurs P = 5,0 102 kN.
La portance R a même valeur que le pods P = mg = 1,5 105 *9,78 =1,467 106 ~ 1,5 106 N.
La poussée et la trainée ont même valeur : 5,0 102 kN.






Vol parabolique :
Afin d'effectuer une parabole, le pilote cabre d'abord l'avion pour atteindre un angle d'environ 45° entre l'axe principal de l'appareil et la direction horizontale. Puis il manoeuvre l'avion afin que la portance exercée sur les ailes s'annule et que la poussée des moteurs compense exactement la traînée exercée sur l'avion.
Enoncer la seconde loi de Newton. En se référant au texte ci-dessus, déterminer le vecteur accélération du centre d'inertie G de l'avion.
Dans un référentiel galiléen, la somme vectorielle des forces extérieures appliquées à un solide est égale au produit de la masse M du solide par l'accélération de son centre d'inertie.

On souhaite étudier la trajectoire du centre d'inertie G de l'avion. Le repère d'étude ( O, i,  k ) choisi est dans un plan vertical contenant la trajectoire ; son origine O est au niveau du sol.
L'origine des dates est choisie à l'instant où l'avion entre dans la phase de chute libre au niveau du point A se truovant à une altitude zA d'environ 8 km. Le vecteur vitesse initiale vA du point G est incliné d'un angle a = 49 ° par rapport à l'horizontale. vA = 145 m/s.

Donner les expressions de ax et de az, coordonnées du vecteur accélération du point G dans le repère d'étude.
ax = 0 : az = -g.
En déduire les coordonnées vx et vz du vecteur vitesse du point G.
Le vecteur vitesse est une primitive du vecteur accélération :
vx = constante = vA cos a.
vz = -gt +constante = -gt + vA sin a.
Montrer que l'équation horaire du mouvement selon l'axe Oz peut se mettre sous la forme  : z(t) = C1t2 +C2t +C3.
C, C2, C3 sont des constantes à exprimer en fonction des données.

Le vecteur position est une primitive du vecteur vitesse.
z(t) = -½gt2 + vA sin a t + zA.
On identifie : C1 = -½g ; C2vA sin a  ; C3 =zA.
L'équation horaire du mouvement s'écrit x(t) = vA cos a t suivant Ox.
Montrer que l'équation de la trajectoire est : .

 A la date tB,le système se trouve au point B, de même altidude  que le point A, avec une vitesse vB = vA = 145 m/s.
Déterminer au point B, l'expression littérale de la projection vBz du vecteur vitesse sur l'axe Oz en fonction de vA et a.
zB =zA = -½gtB2 + vA sin a tB + zA.
-½gtB2 + vA sin a tB  = 0 ; tB = 2vA sin a / g.
vBz = -gtB  + vA sin a = -2vA sin a + vA sin a  ; vBz = - vA sin a.
En déduire tB. Cette valeur est-elle cohérente avec l'ordre de grandeur cité dans le texte ?
tB = 2vA sin a / g = 2*145 *sin 49 / 9,78 ~ 22 s. Le texte indique " 20 à 25 secondes".
La valeur trouvée est cohérente avec le texte.








L'E-plane
le 31 mai 2003, Concorde effectuait son dernier vol New-York - Paris à une vitesse proche de 2500 km/h en moins de 4 heures. Quel appareil succèdera au bel oiseau franco-anglais et dépassera la frontière hypersonique ? Sans doute l'A2 qui pourrait naître du projet LAPCAT, rassemblant l'élite des motoristes de l'aéronautique européenne. Le consortium étudie des réacteurs à dihydrogène, ambitionnant de propulser des avions de ligne à 25 km d'altitude, à 6000 km/h et pouvant ainsi relié Bruxelles à Sydney en moins de 5 heures. Des appareils fonctionnant au dihydrogène, certes de plus petite taille qu'un avion de ligne, ont déja vu le jour comme l'E-plane, utilisant une pile à combustible de type PEMFC.
D'après le magazine de l'espace européen de la recherche et l'ouvrage " la pile à combustible" de M.Boudellal ( Ed Dunod).
Dans cette partie, nous nous intéresserons au principe de fonctionnement de la pile à combustible de type PEMFC. Celle-ci est constituée de deux électrodes séparées par un électrolyte. Cette pile utilise deux gaz stockés extérieurement qui arrivent chacun sur une des deux électrodes. Le fonctionnement de la pile repose sur une réaction d'oxydoréduction au niveau de ces électrodes.
On donne les couple oxydant / réducteur : H+aq / H2(g) et O2(g) / H2O(l).
Quels sont les noms des deux gaz qui alimentent la pile en continu
?
Le dihydrogène et le dioxygène.
Ecrire les équations des réactions aux électrodes.
Réduction du dioxygène à la cathode positive :  ½O2(g ) + 2H+aq + 2e- = H2O(l).
Oxydation du dihydrogène à l'anode négative :
H2(g)  = 2H+aq + 2e-.
En déduire l'équation de la réaction modélisant la transformation ayant lieu dans la pile.
½O2(g ) +H2(g)  =H2O(l).
Indiquer sur la figure, le sens de circulation des électrons dans le circuit extérieur, le sens conventionnel du courant électrique , le sens de circulation des protons dans l'électrolyte et quelle électrode correspond au pôle positif.


Sur les électrodes des catalyseurs sont déposés sous forme de très fines particules : du platine à la cathode et du ruthénium à l'anode.
Définir un catalyseur.
Un catalyseur augmente la vitesse d'une réaction chimique. Il est régénéré en fin de réaction et n'apparaît pas dans le bilan.

L'électrolyte est une fine membrane ( de l'ordre de quelques dizaines de micromètres ) dont le rôle est d'isoler les électrodes l'une de l'autre, tout en laissant circuler les ions. Le matériau le plus utilisé est le Naflon constitué par la répétition de sla structure représentée ci dessous :

Le squelette du Naflon étant hydrophobe et les groupes sulfoniques( SO3-) hydrophiles, cette espèce chimique est qualifiée d'amphiphile.
Que signifie le terme hydrophile ? Citer une autre espèce chimique usuelle possédant le caractère amphiphile.
Hydrophile : qui aime l'eau, qui a une affinité pour l'eau.
L'ion carboxylate ( présent dans les savons) possède une longue chaîne carbonée hydrophobe et une tête hydrophile COO-.
Du point de vue de l'environnement et en considérant les produits formés lors de leurs fonctionnement, quel est l'avantage d'une pile à combustible par rapport à un moteur d'avion alimenté par un carburant classique tel que le kérosène ?
La pile à combustible ne rejette que de l'eau.
Un moteur d'avion alimenté au kérosène rejette du dioxyde de carbone  ( aggravation de l'effet de serre ) et des oxydes d'azote.





 








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