bac 2016 sti2s stl spcl physique chimie

7/25/2019 Bac 2016 STI2S STL SPCL Physique Chimie

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BACCALAURAT TECHNOLOGIQUE- Session 2016 -

Sciences et Technologies de l'Industrieet du Dveloppement Durable

etSciences et Technologies de Laboratoire

spcialit Sciences Physiques et Chimiques en Laboratoire

preuve de PHYSIQUE-CHIMIE

PREUVE DU MERCREDI 22 JUIN 2016

Dure de l'preuve : 3 heuresCoefficient : 4

Ds que le sujet vous est remis, assurez-vous quil est complet.

Ce sujet comporte 15pages numrotes de 1 15.Les documents rponses pages 13 15 sont rendre avec la copie.

L'usage d'une calculatrice est autoris.

Il est rappel aux candidats que la qualit de la rdaction, la clart et la prcision desexplications entreront dans l'apprciation des copies. Toute rponse devra tre justifie.


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Mission spatiale ATV 5

Dans la matine du mercredi 30 juillet 2014, le cinquime vhicule automatique de transfert (ATV 5)construit par lAgence Spatiale Europenne (ESA) a t lanc dans lespace par la fuse Ariane 5depuis la base de Kourou en Guyane franaise. Comme ses prdcesseurs, cet ATV tait chargde convoyer la nourriture, leau, loxygne et les carburants ncessaires au ravitaillement de laStation Spatiale Internationale (International Spatial Station : ISS) et de ses six membresdquipage, qui orbitent 400 km de la surface de la Terre.Plac par Ariane en orbite circulaire, lATV 5 a ensuite rejoint la Station grce ses propressystmes de propulsion et de guidage automatiques, sous la surveillance des ingnieurs etastronomes du Centre de Contrle de lATV bas Toulouse.

Architecture de la fuse Ariane 5 (daprs www.arianespace.com)

Le sujet se dcompose en 3 parties indpendantes les unes des autres :

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

Partie B :lancement de lATV 5 par Ariane 5 (sur 8 points)

Partie C :les quipements de lATV 5et son vol autonome jusqu lISS (sur 7 points)

Coiffe

Hauteur : 17 m Masse : 2,6 tonnes

ATV 5

Masse : 20,1 tonnes

EPS (tage PropergolsStockables)

Hauteur : 3,36 m Masse totale avec propergols :

6,5 tonnes Moteur AESTUS

EPC (tage PrincipalCryotechnique)

Hauteur : 31 m Masse vide : 14 tonnes Masses de propergols audcollage :dihydrogne : m(H2) = 24,6 tonnes

dioxygne : m(O2) = 150 tonnes

Moteur Vulcain de lEPC

EAP(tage dAcclration Poudre)

Hauteur : 31,6 m Masse totale dun EAP : 278

tonnes

MPS (Moteur PropergolsSolides) dun EAP


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

A.1. Objectifs de la mission ATV 5

A.1.1. Daprs lannexe A1, indiquer au minimum quatre objectifs de la mission ATV 5.

A.1.2. Prciser quelle est la cause de la baisse daltitude de lISSau cours du temps.

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

A.1.4. En utilisant lannexe A2, dterminer la perte daltitude totale subie par la Station SpatialeInternationale au cours de la dure de la mission de lATV 5, si celui-ci navait pas relevrgulirement lorbite de la Station.On considrera quun mois dure en moyenne 30,5 jours.

A.2. Prparatifs du lancement de lATV par Ariane 5

A.2.1. Inspection du systme darrosage de la table de lancement

Lors du dcollage de la fuse, les tuyres (orifices de sortie) des moteurs de la fuse jectentdes gaz trs chauds et trs grande vitesse. Pour protger la table de lancement des effetsnfastes des gaz dchappementet attnuer le bruit produit lors du dcollage, les gaz et latable sont arross deau par lintermdiaire de 68 bouches de projection de sectionS = 126 cm2chacune (voir annexe A3). Lalimentation en eau est assure par un chteaudeauraccord aux bouches de projection par un rseau de canalisations muni de vannesdont louverture permet de dclencher larrosage.Ce systme darrosage doit assurer un dbit volumique deau total Dv= 30 m3.s-1pendantune dure de 50 secondes lors du dcollage.

A.2.1.a. Quel doit tre le volume VR du rservoir deau du chteau deaupour assurerlarrosage lors dun dcollage?

A.2.1.b. Calculer le dbit volumique Dv1de leau projete par une bouche.

A.2.1.c. En dduire la vitesse v djection de leau chaque bouche de projection aumoment du dcollage.

A.2.1.d. Pour que le systme darrosage puisse fonctionner efficacement, la pressionminimale de leau au niveau des vannes doit tre de 9 bars lorsque celles-ci sontfermes.En dduire la hauteur minimale du niveau de leau dans lechteau deau.

On donne :

la valeur de la pression atmosphrique : Patm= 1,0 bar la masse volumique de leau: = 1000 kg.m-3 lintensit de la pesanteur la surface de la Terre: g = 9,81 m.s-2

On rappelle que 1 bar = 105Pa


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A.2.2. Remplissage des rservoirs du moteur principal de la fuse

Pour produire la force de pousse ncessaire la propulsion de la fuse, ses diffrentsmoteurs thermiques utilisent deux substances chimiques appeles propergols.

Les propergols ncessaires au fonctionnement du moteur principal dAriane 5 (le moteurVulcain) sont le dihydrogne H2et le dioxygne O2.

Quelques heures avant le dcollage, on procde au remplissage en propergols des deuxrservoirs spars, situs dans ltage principal cryotechnique (EPC) dela fuse.

A.2.2.a. Pendant et aprs le remplissage des rservoirs, le dihydrogne est maintenu latemprature T = 20 K et sous la pression P = 2,2 bar. Le dioxygne est maintenu T = 90 K sous P = 3,6 bar.Placer les points correspondant ces valeurs sur les diagrammes P(T) dudocument-rponse DR1.

A.2.2.b. En dduire ltatphysique des deux ergols stocks dans les rservoirs de lEPCde la fuse.


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Annexe A1Les objectifs de la mission ATV 5 (daprs www.esa.int)

Comme ses prdcesseurs, lATV 5 a permis de ravitailler la station spatiale internationale (ISS) etson quipage permanent, qui compte six personnes, en nourriture, en eau, en oxygne et encarburants.Il transportait galement de nouveaux quipements de recherche pour les astronautes, dont lelvitateur lectromagntique qui permet de raliser des expriences uniques de fonte et desolidification dchantillons mtalliques sans conteneurs et en apesanteur.

Aprs son lancement par Ariane 5, lATV 5 a vol librement jusqu la station spatiale grce sonsystme de guidage ultra sophistiqu. La phase dapproche et damarrage de lATV la station apermis de tester le nouveau systme de capteurs optiques LIRIS (Laser Infrared Imaging Sensors)constitu de 3 camras et dun dispositif metteurs-rcepteurs laser. Lexprience acquise et lesimages obtenues lors de cette manuvre faciliteront les approches vers des astrodes ou desdbris spatiaux lors de prochaines missions.

Tant quil restera amarr la station, lATV 5 permettra, grce ses moteurs de propulsion, derelever rgulirement laltitude de la station qui diminue continuellement en raison de la traneatmosphrique. Il pourra aussi manuvrer la station afin dviter quelle nentre en collision avecdes mtorites ou des dbris flottant dans lespace. Il servira galement de module pressurissupplmentaire o les astronomes pourront effectuer leurs travaux.

la fin de sa mission, au bout dune priode damarrage denviron six mois, lATV quittera la stationrempli des dchets produits par les astronautes et se dsintgrera par combustion lors de sa rentredans latmosphre.

Annexe A2

volution de laltitude z de la Station Spatiale Internationale au cours du temps t

380

382

384

386

388

390

392

394

396

398

400

0 10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

z ( en km)

t (en jours)


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Annexe A3Systme darrosage de la table de lancement

Rservoirdeau

A

8,5m

B

Canalisation

Vanne

Bouche deprojection

Table delancement

Chteaudeau

Sol

Patm


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Partie B : lancement de lATV 5 par Ariane 5(8 points)

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

Certaines caractristiques du moteur Vulcain sont donnes en annexe B1.

Lors du fonctionnement, le moteur est aliment sparment en dihydrogne et en dioxygne pardeux turbopompes de forte puissance permettant aux propergols dacqurir undbit, une pressionet une vitesse levs. Une fois mlangs, les deux propergols explosent, produisant les gazdchappement lorigine de la force de pousse qui propulse la fuse.

B.1.1. Sur le document-rponse DR2, complter le schma nergtique du moteur laide destermes suivants : moteur - fuse en mouvement - propergols, et en indiquant la nature desdiffrentes nergies transfres.

B.1.2. tude de la raction

B.1.2.a. Rcrire lquation suivante de la raction chimique qui a lieu entre les deuxpropergols du moteur et la complter laide des coefficients stchiomtriquesappropris :

.H2+ O2.H2O

B.1.2.b. Les rservoirs de propergols de la fuse contiennent 1,2.107mol de dihydrogneet 4,7.106mol de dioxygne.Calculer la quantit de matire deauproduite lors du fonctionnement du moteur,sachant que tout le dioxygne initialement prsent dans le rservoir seraconsomm.

B.1.2.c. En dduire que la masse deau produite vaut 170 tonnes.Donnes : M(H) = 1,0 g.mol-1et M(O) = 16,0 g.mol-1

B.1.2.d. Sachant que la masse de vapeur deau jecte par le moteur correspond lamasse de propergols consomme, dterminer, en exploitant la donne utile delannexe B1, la dure de fonctionnement du moteur.

B.2. tude du dcollage et de la phase dascensionverticale de la fuse

Dans cette tude, on nglige les forces de frottement dues lair et on considre que la masse dela fuse est constante pendant la phase de dcollage.

B.2.1. On rappelle que lintensit de la pesanteur au niveau du sol vaut g = 9,81 m.s-2.Sachant que la masse de la fuse au dcollage est de 774 tonnes, calculer lintensit P dupoids total de la fuse au dcollage.

B.2.2. Lintensit de la force de pousse totale produite par les moteurs des deux EAP et du moteurVulcain de la fuse au dcollage vaut FP = 13.103 kN.Sur le document-rponse DR3, reprsenter, partir du centre de gravit G, les forcesagissant sur la fuse lors du dcollage.


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La chronologie du dcollage et de lascension verticale de la fuse est dtaille en annexe B2.

B.2.3. Montrer que lacclration a de la fuse au dcollage et lors de la phase dascension verticaleest gale 7,0 m.s-2.

B.2.4. En dduire laltitude z atteinte par la fuse en fin dascension verticale.

On rappelle la relation suivante : = 12

2 + +

o et sont la vitesse et laltitude de la fuse au dbut de lascension, et t est la dure couledepuis le dbut de lascension.

B.2.5. En exploitant lannexe B1, montrer que le travail Wvulcde la force de pousse produite par lemoteur Vulcain lors de lascensionvaut 6,5.108J.

B.2.6. En dduire lnergie Ethncessairement libre durant lascension par la raction chimiquequi a lieu entre les propergols du moteur Vulcain.

B.3. Traitement de leau pollue

Dans les instants qui suivent le dcollage, on observe une forte concentration en chloruredhydrogne HCl sur le pas de tir. Le lendemain du dcollage, les tunnels dvacuation des gazdchappement de la fuse, creuss dans la table de lancement, sont remplis deau pollue acidequil faut vacuer. Pour ce faire, leau doit dabord tre neutralise pour obtenir un pH aux alentoursde 7 : des bases comme la soude sont ajoutes. cause de ce processus de neutralisationchimique, les tunnels dvacuation sont inaccessibles pendant un mois aprs chaque vol.

B.3.1. Quelle est la nature chimique de la solution forme par dissolution du chlorure dhydrognedans leau projete sur le pas de tir de la fuse : acide, basique ou neutre?

B.3.2. Pour viter que cette solution ne pollue lenvironnement, faut-il augmenter ou diminuer sonpH avant de lvacuer ? Faut-il augmenter ou diminuer la concentration en ions H3O+de lasolution ? Que font les techniciens pour cela ?

B.3.3. crire lquation de la raction acido-basique qui a lieu lorsquon neutralise la solutionsachant quelle met en jeu les deux couples acide - base : H2O / OH-et H3O+/ H2O.


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Annexe B1 :Caractristiques du moteur Vulcain (daprs www.snecma.com)

Annexe B2 :Chronologie du dcollage et de lascension verticalede la fuse

(daprswww.arianespace.com)

Fvulc (Force de pousse enkN)

1 100

Pression de combustion (bar) 115

Propergolsdihydrogne et

dioxygneDm(Dbit massique depropergols en kg.s-1)

320

Vitesse de rotation desturbopompes (tr.min-1)

H2: 35800O2: 12300

Hauteur (m) 3,45Diamtre de sortie de la

tuyre (m)2,10

Masse du moteur (kg) 2100

Rendement (%) 40

Allumagedu moteurVulcain 2

Allumage des tagesdacclration poudre

(EAP)et dcollage

Fin de lascension verticaleet

basculement de la fuse

t (en s)I0

I5

I18
http://www.arianespace.com/http://www.arianespace.com/http://www.arianespace.com/http://www.arianespace.com/


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Partie C : les quipements de lATV 5 et son vol autonome jusqu lISS(7 points)

C.1. Production et stockage de lnergie ncessaire au fonctionnement du systme deguidage de lATV

Suite son lancement par Ariane 5, lATV vole lib rement vers la station spatiale en orbite circulaire 400 km de la surface de la Terre et sy amarre.Durant cette phase de vol libre, les 16 panneaux solaires de lATV, rpartis sur les 4 ailes solairesde lappareil, et un ensemble de 4 batteries nickel-cadmium (Ni-Cd) fournissent lnergie ncessaireau fonctionnement du systme de guidage automatique de lappareil.LATV en rotation rapide autour de la Terre est clair par le soleil pendant 61 minutes : lespanneaux alimentent alors le systme de navigation de lATV et rechargent les batteries.Lorsque lATV est masqupar lombre de la Terre, durant 31 minutes, ce sont les batteries quialimentent le systme de guidage.

C.1.1. Sur le document-rponse DR4, complter la chane nergtique du dispositif pendant la

journe laide des termes suivants: systme de guidage - panneaux solaires - Soleil -batteries, et en indiquant la nature des diffrentes nergies transfres.

C.1.2. Le fonctionnement du systme de guidage de lATV ncessite une puissance Psg= 900 W.

C.1.2.a. Pendant la journe, lclairement nergtique, suppos constant, reu par lespanneaux est de 1370 W.m-2.

En dduire, laide de lannexe C1: la puissance Pareue par les panneaux, la puissance Puquils fournissent, que la puissance reue par les batteries vaut Pbat= 6,9 kW.

C.1.2.b. Calculer lintensit ducourant dbit par lassociationde batteries pour alimenterle systme de guidage lorsque lATV nest pas clair, sachant que la tension auxbornes de lensemble vaut U = 57,6 V.

C.1.2.c. Dterminer la charge Q consomme par le systme de guidage lorsque lATV nestpas clair.

C.1.2.d. La charge initiale de lensemble des batteries tant de 160 A.h, ces batteriespermettent-elles de faire fonctionner correctement le systme de guidage ?Justifier la rponse.

C.1.3. LATV est galement quip de 4 piles Li-MnO2 non rechargeables fournissant lnergiencessaire au fonctionnement des capteurs optiques de rendez-vous lors de la phasedamarrage du vhicule lISS.

Chaque pile est constitue de deux lectrodes, lune en carbone C et en lithium Li, lautre endioxyde de manganse MnO2(voir document rponse DR5). Lors du fonctionnement de lapile, les atomes de lithium Li se transforment en ions lithium Li+qui quittent llectrode encarbone et traversent llectrolyte pour venir sinsrer dans la structure du dioxyde demanganse.


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Prciser sur le document rponse DR5 : le sens de dplacement des ions lithium dans llectrolyte; le sens de circulation des lectrons et du courant I dans le circuit lectrique ; le nom de chaque lectrode, le nom de la raction qui a lieu chaque lectrode,

ainsi que lquation de la raction qui a lieu llectrode en carbone et en lithium.

C.2. Mise en uvre du systme optique lors de la phase dapproche et damarrage de lATV la station spatiale

Pour samarrer la station, lATV 5 est quip du systme optique LIRIS (Laser Infrared ImagingSensors) constitu de 3 camras et dun dispositif metteurs-rcepteurs laser. Ce systmesophistiqu permet dobtenir des images 3D de la station spatiale et de calculer en temps rel ladistance et la vitesse de lATV par rapport au point damarrage de la station.

C.2.1. Les trois camras du systme LIRIS dtectent les ondes lectromagntiques mises par lastation spatiale dont lnergie E est comprise entre 1,99.10-22J et 2,48.10-19J.

C.2.1.a. Dterminer lintervalle des longueurs dondes dtectes par les camras dusystme LIRIS. Justifier.

On rappelle : la valeur de la vitesse des ondes lectromagntiques dans le vide :

c = 3,0.108m.s-1 la constante de Planck : h = 6,62.10-34J.s

C.2.1.b. En dduire, partir de lannexe C2, la naturede ces ondes.

C.2.2. Ds que lATV sest rapproch moins de 250 m de la station, chaque metteur du systmeLIRIS envoie, intervalles de temps rguliers, une brve impulsion laser en direction de lastation spatiale qui la rflchit dans la direction du rcepteur correspondant de lATV (Voirannexe C3). Le systme LIRIS mesure la dure t coule entre lmission de chaqueimpulsion laser et la rception de son cho pour calculer la distance et la vitesse de lATVpar rapport la station.

Aurait-on pu utiliser des metteurs-rcepteurs ultrasons pour raliser lamarrage de lATV la station ? Justifier.


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Annexe C1 :Quelques caractristiques des panneaux solaires de lATV 5

Annexe C2 :Spectre des ondes lectromagntiques

Annexe C3 :Fonctionnement des metteurs-rcepteurs laser du systme LIRIS

Nombre dailes solaires delATV 5

4

Nombre total de panneaux 16

Surface totale des panneaux 33,6 m2Technologie des cellulesphotovoltaques

Siliciummonocristallin

Rendement 17%

Ondes radioMicro-ondesinfrarouges

ultraviolets

Rayons XRayonsgamma

104110-310-810-15 10-11

visible

(m)

Trajet desimpulsions laser

ISS

metteur-rcepteurlaser de lATV 5

ATV 5

d


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Documents - rponses

DR1 : diagramme pression-temprature P(T) du dihydrogne et du dioxygne

H2 O2

liquide

Temprature (K)

Pression

(bar) Gaz

Pression

(bar)

Liquide

Gaz

Temprature (K)


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DR2 : schma nergtique du moteur Vulcain 2

DR3 : reprsentation des forces agissant sur la fuse lors du dcollage et de la phasedascension verticale

..

Pertesdnergie

nergie.

nergie.

Table delancement

G +

chelle : 1cm 2000 kN


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DR4 : chane nergtique du dispositif dalimentation lectrique de lATV pendant la journe

DR5 : principe de fonctionnement dune pile Li-MnO2de lATV

MnO2C et LiLi+

lectrolyte

Capteurs optiques delATV

lectrode C et Li lectrode MnO2

Nom dellectrode

Nom de laraction

quation dela raction

..

..

Pertesdnergie

.

nergie.

nergie.

..nergie

.