Mission spatiale ATV5. Bac Sti2d 2016.

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Objectifs de la mission ATV 5
A.1.1. Indiquer au minimum quatre objectifs de la mission ATV 5.
Apport de vivres et dioxygène aux occupants ;  apports de nouveaux instruments de recherche ;  relever l'altitude de la station; tester le nouveau système LIRIS ; enlever les déchets.
A.1.2. Préciser quelle est la cause de la baisse d’altitude de l’ISS au cours du temps.
Trainée atmosphérique, frottements sur les couhes atmosphériques.
A.1.3. Quelle est la durée approximative de la mission ?
6 mois.
A.1.4. 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. 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 ?
30*50 = 1,5 103 m3.
A.2.1.b. Calculer le débit volumique Dv1 de l’eau projetée par une bouche.
30 /68 = 0,44 m3 s-1.
A.2.1.c. En déduire la vitesse v d’éjection de l’eau à chaque bouche de projection au moment du décollage.
 v = Dv1 / S = 0,44 / (126 10-4)=35 m s-1.
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.

Pression de l'eau en surface : pA= 1 bar.
pvannes-pA= rg h  = (9-1) 105 Pa.
h = 8 105 /(1000 *9,8) ~82 m.
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.

A.2.2.b. En déduire l’état physique des deux ergols stockés dans les réservoirs de l’EPC de la fusée.
Les propergols sont à l'état liquide.




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. 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.

B.1.2. Étude de la réaction
B.1.2.a. Réécrire l’équation suivante de la réaction chimique qui a lieu entre les deux propergols du moteur et la compléter à l’aide des coefficients stoechiométriques appropriés :
.…2…H2 + ……O2 -->…2.H2O
B.1.2.b. Les réservoirs de propergols de la fusée contiennent 1,2.107 mol de dihydrogène et 4,7.106 mol de dioxygène. Calculer la quantité de matière d’eau produite lors du fonctionnement du moteur, sachant que tout le dioxygène initialement présent dans le réservoir sera consommé.
4,7 106 *2 = 9,4 106 mol.
B.1.2.c. En déduire que la masse d’eau produite vaut 170 tonnes.
M(eau) = 18 g/mol ; m = 9,4 106 *18 ~1,7 108 g =1,7 102 tonnes.
B.1.2.d. Sachant que la masse de vapeur d’eau éjectée par le moteur correspond à la masse de propergols consommée, déterminer, en exploitant la donnée utile de l’annexe B1, la durée de fonctionnement du moteur.

Débit massique des propergols : 320 kg s-1 = 0,320 t s-1.
170 / 0,320 = 5,3 102 s.

B.2. Étude du décollage et de la phase d’ascension verticale de la fusée.
Dans cette étude, on néglige les forces de frottement dues à l’air et on considère que la masse de la fusée est constante pendant la phase de décollage.
B.2.1. On rappelle que l’intensité de la pesanteur au niveau du sol vaut g = 9,81 m.s-2.
Sachant que la masse de la fusée au décollage est de 774 tonnes, calculer l’intensité P du poids total de la fusée au décollage.
P = mg = 774 103 *9,81 = 7,59 106 N. (ou 7,59 103 kN).
B.2.2. L’intensité de la force de poussée totale produite par les moteurs des deux EAP et du moteur Vulcain de la fusée au décollage vaut FP = 13.103 kN.
Représenter, à partir du centre de gravité G, les forces agissant sur la fusée lors du décollage.

La chronologie du décollage et de l’ascension verticale de la fusée est détaillée en annexe B2.
B.2.3. Montrer que l’accélération a de la fusée au décollage et lors de la phase d’ascension verticale est égale à 7,0 m.s-2.
FP-P = ma ; a = FP/m-g = 13 106 / (774 103) -9,81 =6,98 ~7,0 m s-2.
B.2.4. En déduire l’altitude z atteinte par la fusée en fin d’ascension verticale.
z = ½a Dt2+ vi Dt +zi.
 vi =0, vitesse initaiel ; zi = 0, altitude initiale, Dt = 13 s, durée écoulée depuis le début de l'ascension.
z = 3,5 (13)2 = 5,9 102 m.
B.2.5. En exploitant l’annexe B1, montrer que le travail Wvulc de la force de poussée produite par le moteur Vulcain lors de l’ascension vaut 6,5.108 J.
Force de poussée du moteur Vulcain : F = 1100 kN = 1,1 106 N.
W = F z =
1,1 106 *5,9 102 = 6,5.108 J.
B.2.6. En déduire l’énergie Eth nécessairement libérée durant l’ascension par la réaction chimique qui a lieu entre les propergols du moteur Vulcain.
Rendement du moteur : 40 %.
Eth = W / 0,40 = 6,5 108 /0,40 = 1,6 109 J.









B.3. Traitement de l’eau polluée.
Dans les instants qui suivent le décollage, on observe une forte concentration en chlorure d’hydrogène HCl sur le pas de tir. Le lendemain du décollage, les tunnels d’évacuation des gaz d’échappement de la fusée, creusés dans la table de lancement, sont remplis d’eau polluée acide qu’il faut évacuer. Pour ce faire, l’eau doit d’abord être neutralisée pour obtenir un pH aux alentours de 7 : des bases comme la soude sont ajoutées. À cause de ce processus de neutralisation chimique, les tunnels d’évacuation sont inaccessibles pendant un mois après chaque vol.
B.3.1. Quelle est la nature chimique de la solution formée par dissolution du chlorure d’hydrogène dans l’eau projetée sur le pas de tir de la fusée : acide, basique ou neutre ?
La solution est une solution d'acide chlorhydrique, donc acide.
B.3.2. Pour éviter que cette solution ne pollue l’environnement, faut-il augmenter ou diminuer son pH avant de l’évacuer ? Faut-il augmenter ou diminuer la concentration en ions H3O+ de la solution ? Que font les techniciens pour cela ?
Il faut augmenter son pH juqu'à environ 7, c'est à dire diminuer la concentration en ion oxonium H3O+par ajout d'une base.
B.3.3. Écrire l’équation de la réaction acido-basique qui a lieu lorsqu’on neutralise la solution sachant qu’elle met en jeu les deux couples acide - base : H2O / OH- et H3O+/ H2O.
H3O+aq + OH- aq --> 2 H2O(l).
C.1. Production et stockage de l’énergie nécessaire au fonctionnement du système de guidage de l’ATV.
Suite à son lancement par Ariane 5, l’ATV vole librement vers la station spatiale en orbite circulaire à 400 km de la surface de la Terre et s’y amarre.
Durant cette phase de vol libre, les 16 panneaux solaires de l’ATV, répartis sur les 4 ailes solaires de l’appareil, et un ensemble de 4 batteries nickel-cadmium (Ni-Cd) fournissent l’énergie nécessaire au fonctionnement du système de guidage automatique de l’appareil.
L’ATV en rotation rapide autour de la Terre est éclairé par le soleil pendant 61 minutes : les panneaux alimentent alors le système de navigation de l’ATV et rechargent les batteries.
Lorsque l’ATV est masqué par l’ombre de la Terre, durant 31 minutes, ce sont les batteries qui alimentent le système de guidage.
C.1.1. Compléter la chaîne énergétique du dispositif pendant la journée à l’aide des termes suivants : système de guidage - panneaux solaires - Soleil - batteries, et en indiquant la nature des différentes énergies transférées.

C.1.2. Le fonctionnement du système de guidage de l’ATV nécessite une puissance Psg = 900 W.
C.1.2.a. Pendant la journée, l’éclairement énergétique, supposé constant, reçu par les panneaux est de 1370 W.m-2.
En déduire, à l’aide de l’annexe C1 :
 la puissance Pa reçue par les panneaux, la puissance Pu qu’ils fournissent,  que la puissance reçue par les batteries vaut Pbat = 6,9 kW.
Surface totale des panneaux 33,6 m2.
Pa =33,6 *1370 =4,60 104 W.
Rendement des panneaux : 17 % ; Pu = Pa *0,17 = 4,60 104 *0,17 =7,8 103 W = 7,8 kW.
Pbat = Pu -Psg =7,8 -0,90 = 6,9 kW.
C.1.2.b. Calculer l’intensité du courant débité par l’association de batteries pour alimenter le système de guidage lorsque l’ATV n’est pas éclairé, sachant que la tension aux bornes de l’ensemble vaut U = 57,6 V.
I = Psg /U = 900 / 57,6 =15,6 A.
C.1.2.c. Déterminer la charge Q consommée par le système de guidage lorsque l’ATV n’est pas éclairé.
Q = I t = 15,6* 31*60 =2,9 104 C soit 2,9 104 / 3600 = 8,1 Ah pour un tour.
C.1.2.d. La charge initiale de l’ensemble des batteries étant de 160 A.h, ces batteries permettent-elles de faire fonctionner correctement le système de guidage ? Justifier la réponse.
Les batteries sont régulièrement rechargées par les panneaux solaires durant 61 min par tour.
Le système de guidage ne consomme que 8,1 Ah pendant 31 min, valeur 20 fois inférieure à la charge initiale des batteries.
C.1.3. L’ATV est également équipé de 4 piles Li-MnO2 non rechargeables fournissant l’énergie nécessaire au fonctionnement des capteurs optiques de rendez-vous lors de la phase d’amarrage du véhicule à l’ISS.
Chaque pile est constituée de deux électrodes, l’une en carbone C et en lithium Li, l’autre en dioxyde de manganèse MnO2 (voir document réponse DR5). Lors du fonctionnement de la pile, les atomes de lithium Li se transforment en ions lithium Li+ qui quittent l’électrode en carbone et traversent l’électrolyte pour venir s’insérer dans la structure du dioxyde de manganèse.
Préciser sur le document réponse DR5 :
 le sens de déplacement des ions lithium dans l’électrolyte ;
 le sens de circulation des électrons et du courant I dans le circuit électrique ;
 le nom de chaque électrode, le nom de la réaction qui a lieu à chaque électrode, ainsi que l’équation de la réaction qui a lieu à l’électrode en carbone et en lithium.

C.2. Mise en oeuvre du système optique lors de la phase d’approche et d’amarrage de l’ATV à la station spatiale.
Pour s’amarrer à la station, l’ATV 5 est équipé du système optique LIRIS (Laser Infrared Imaging Sensors) constitué de 3 caméras et d’un dispositif à émetteurs-récepteurs laser. Ce système sophistiqué permet d’obtenir des images 3D de la station spatiale et de calculer en temps réel la distance et la vitesse de l’ATV par rapport au point d’amarrage de la station.
C.2.1. Les trois caméras du système LIRIS détectent les ondes électromagnétiques émises par la station spatiale dont l’énergie E est comprise entre 1,99.10-22 J et 2,48.10-19 J.
C.2.1.a. Déterminer l’intervalle des longueurs d’ondes l détectées par les caméras du système LIRIS. Justifier.
l = hc / E  =6,63 10-34 *3,00 108 /(1,99 10-22)~ 1,0 10-3 m.
l = hc / E  =6,63 10-34 *3,00 108 /(2,48 10-19)~ 8,0 10-7 m.
[8,0 10-7 m ; 1,0 10-3 m ] appartient au domaine infrarouge, limité par le visible et les micro-ondes.
C.2.2. Dès que l’ATV s’est rapproché à moins de 250 m de la station, chaque émetteur du système LIRIS envoie, à intervalles de temps réguliers, une brève impulsion laser en direction de la station spatiale qui la réfléchit dans la direction du récepteur correspondant de l’ATV . Le système LIRIS mesure la durée Dt écoulée entre l’émission de chaque impulsion laser et la réception de son écho pour calculer la distance et la vitesse de l’ATV par rapport à la station.
Aurait-on pu utiliser des émetteurs-récepteurs à ultrasons pour réaliser l’amarrage de l’ATV à la station ? Justifier.
Non, les ultrasons sont des ondes mécaniques qui ne se propagent pas dans le vide.



  

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