Centrale Physique TSI 2012Sujet et corrigé
- Gravitation et mouvement des satellites (lois de Kepler)
- Théorème de Gauss gravitationnel
- Oscillateur mécanique amorti en régime sinusoïdal forcé (filtre passe-bas)
- Thermodynamique des gaz parfaits et transformation isentropique (loi de Laplace)
- Mécanique des fluides compressibles : écoulement dans une tuyère et relation de Hugoniot
- Propulsion par réaction et équation du mouvement d'une fusée
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Présentation du sujet
Le programme Apollo : trajectoire Terre-Lune, déplacements lunaires et propulsion de Saturn VAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le problème retrace plusieurs aspects physiques du programme Apollo. La première partie étudie le décollage de la fusée et sa mise en orbite terrestre à l'aide de la gravitation. La deuxième partie suit le transfert vers la Lune, la mise en orbite lunaire, puis les déplacements du rover lunaire modélisé comme un oscillateur amorti. La troisième partie étudie l'écoulement des gaz dans la tuyère de Laval d'un moteur-fusée et la dynamique du décollage par propulsion.
- 1I. De la Terre : décollage et orbite circulaireCompare l'intérêt des bases de lancement selon leur latitude, puis établit le champ gravitationnel terrestre et les caractéristiques d'un satellite en orbite circulaire, dont la troisième loi de Kepler.
- 2II. À la Lune : transfert et déplacements lunairesÉtudie l'orbite elliptique de transfert Terre-Lune, la mise en orbite lunaire, les contraintes de roulement sur un sol lunaire ondulé, puis modélise le rover lunaire par un système masse-ressort-amortisseur en régime sinusoïdal forcé.
- 3III. Propulsion de la fuséeÉtudie la transformation isentropique d'un gaz parfait, établit la relation de Hugoniot pour l'écoulement dans une tuyère de Laval, puis calcule la poussée et la trajectoire d'ascension de la fusée Saturn V.
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De la Terre à la Lune : Programme Apollo, 15 ans d'aventure spatiale
I De la Terre ...
I.A - Décollage
I.A.1) Choix du référentiel
b) Définir un référentiel galiléen.
c) Justifier ce choix.
I.A.2) Influence de la base de lancement

b) Établir l'expression du module
c) Application numérique : Calculer
Une fusée de masse
d) Déterminer l'expression de la variation d'énergie cinétique
e) Calculer numériquement l'économie relative réalisée, définie par
f) Quel(s) autre(s) avantage(s) présente la base de Kourou?
I.B - Orbite circulaire
I.B.1) Généralités
b) Rappeler de même l'expression de la force électrique
c) Rappeler le théorème de Gauss de l'électrostatique.
d) Par analogie, donner le théorème de Gauss gravitationnel, donnant l'expression du champ gravitationnel
I.B.2) Champ gravitationnel terrestre
a) Quelle est la direction de
b) De quelle(s) variable(s) dépend-t-il ?
c) Déterminer
d) Calculer son module
e) Justifier enfin que la force exercée par la Terre sur un satellite de masse
I.B.3) Mouvement d'un satellite
a) Donner l'expression de l'énergie potentielle
b) Montrer que la trajectoire est plane. Quelle est sa nature ?
c) Exprimer la vitesse
d) Exprimer le rapport
e) Application numérique : calculer
f) Donner enfin l'expression de l'énergie mécanique de la fusée sous la forme
II ... à la Lune.
II.A - Objectif Lune
II.A.1) Orbite de transfert

b) En déduire l'expression de la vitesse
c) Où est placée la Terre par rapport à cette ellipse? À quel instant doit-on allumer les moteurs?
d) Évaluer numériquement la durée
II.A.2) Orbite lunaire
L'étude se fait désormais dans le référentiel lunocentrique, supposé galiléen.
Les paramètres du vol sont calculés pour qu'en cas de panne des moteurs, la fusée contourne la Lune pour revenir sur la Terre. (Ce fut le cas lors de la mission Apollo XIII). À l'approche de la Lune, les moteurs de la fusée sont rallumés, de façon à placer la fusée sur une orbite circulaire basse (
a) Faut-il freiner ou accélérer? Justifier qualitativement.
b) Déterminer numériquement
II.B - Déplacements sur la Lune
II.B.1) Caractéristiques du sol lunaire
b) Un bon athlète possède sur Terre une détente verticale de 1 m . Quelle serait cette détente sur la Lune?
Un véhicule assimilé à un point matériel
c) Montrer que
d) Déterminer la valeur maximale de
e) Application numérique : Calculer
II.B.2) Rover lunaire

b) En appliquant le principe fondamental de la dynamique à la masse
c) Montrer que l'amplitude complexe du mouvement du point
L'amplitude du mouvement vertical de
e) Proposer une valeur pour
f) Proposer une valeur pour
g) Quel serait le comportement de ce véhicule sur un terrain de même nature, à la surface de la Terre ?
III Propulsion de la fusée
L'écoulement du gaz à travers la tuyère est supposé permanent, isentropique et unidirectionnel.
III.A - Étude du gaz
III.A.1) Modèle du gaz parfait
b) Donner son équation d'état reliant
III.A.2) Transformation isentropique
b) Quel est le nom de cette loi?
c) Mettre cette loi sous forme différentielle :
d) Justifier la relation différentielle
III.B - Tuyère
III.B.1) Premier principe
b) Montrer, par application du premier principe, que la quantité
c) Mettre cette loi sous forme différentielle :
.jpg)
d) Établir à partir des relations précédentes que
III.B.2) Conservation du débit
b) Traduire la conservation de ce débit sous forme différentielle
Exprimer
a^(′′), b^(′′) et
c^(′′) .
III.B.3) Relation de Hugoniot
III.B.4) Tuyère de Laval

b) Tracer l'allure des courbes
c) Montrer enfin que
III.C - Propulsion
III.C.1) Poussée
b) Calculer la poussée
III.C.2) Séquence de lancement
a) Montrer que, si
c) Application numérique : on donne
En déduire l'altitude et la vitesse atteinte grâce à cet étage, ainsi que la durée de cette phase, si tout le carburant est consommé.
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique Centrale TSI 2012 sur le programme Apollo ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique Centrale TSI 2012 sur le programme Apollo ?
Il porte sur la gravitation et le mouvement des satellites, l'oscillateur mécanique amorti appliqué au rover lunaire, et la thermodynamique des écoulements compressibles appliquée à la tuyère d'un moteur-fusée.
Quelles parties de ce sujet Centrale TSI 2012 sur Apollo sont indépendantes ?
Les trois grandes parties (départ de la Terre, arrivée sur la Lune, propulsion de la fusée) forment des ensembles largement autonomes, même si la partie II s'appuie sur les résultats de gravitation établis en partie I.
Quels résultats de cours faut-il connaître pour traiter ce sujet sur Apollo ?
Il faut savoir appliquer le théorème de Gauss gravitationnel, les lois de Kepler, résoudre un oscillateur amorti en régime forcé, et manipuler la loi de Laplace et le nombre de Mach dans un écoulement compressible.
Ce sujet Centrale TSI 2012 est-il faisable en première année ?
Une partie de la mécanique des satellites relève de la première année, mais l'oscillateur en régime sinusoïdal forcé et l'écoulement compressible dans la tuyère relèvent du programme de deuxième année.
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