Mines Physique 1 MP 2015Sujet, corrigé et rapport du jury
- Mécanique des systèmes ouverts et composition des vitesses
- Thermodynamique : premier principe pour un système ouvert en écoulement permanent
- Ondes électromagnétiques dans un plasma, relation de dispersion
- Mouvement d'une particule chargée dans un champ magnétique
- Mécanique céleste : orbites circulaires et énergie potentielle de gravitation
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Présentation du sujet
Aspects de la propulsion spatiale : fusée chimique, moteur plasma micro-ondes et maintien d'un satellite en orbite basseAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le sujet étudie la propulsion spatiale en quatre parties. Il établit l'équation du mouvement d'une fusée et l'intérêt des étages, montre les limites de la propulsion chimique par un bilan en écoulement permanent dans une tuyère, puis analyse un moteur ionique au xénon (propagation d'une onde dans un plasma, pulsation cyclotron, accélération des ions). Il se termine par le maintien en altitude d'un satellite freiné par l'atmosphère.
- 1Partie I : généralitésBilan de quantité de mouvement pour un système ouvert, force de poussée, fusée à plusieurs étages et rendement propulsif.
- 2Partie II : limites de la propulsion chimiquePremier principe pour un écoulement permanent dans une tuyère et vitesse maximale d'éjection des gaz.
- 3Partie III : le moteur plasma micro-ondesConductivité complexe et relation de dispersion d'un plasma, mouvement cyclotron des électrons, puis courant d'ions, poussée et consommation du moteur.
- 4Partie IV : maintien d'un satellite en orbite basseÉnergie d'un satellite en orbite circulaire freiné par l'atmosphère et capacité du moteur ionique à maintenir son altitude.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesOublier la composition des vitesses · Premier principe en système ouvert · Densité de charge nulle mal justifiéeAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe sujet couvrait des parties du programme de première et de deuxième année. Plus de la moitié des candidats a mal traité les questions proches du cours, et le jury s'alarme du niveau en calcul élémentaire comme en commentaires physiques. Il signale aussi des démonstrations malhonnêtes pour retrouver un résultat donné et des ordres de grandeur aberrants non commentés, qu'il envisage de sanctionner à l'avenir.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Oublier la composition des vitessesQ1, Q2, Q9
Pour la quantité de mouvement du gaz éjecté, il fallait composer les vitesses ; cet oubli a faussé la suite et conduit à négliger des termes sans justification.
« Il ne fallait pas oublier la composition des vitesses pour Pg. »
- 2Premier principe en système ouvertQ12
La démonstration demandée se réduit souvent à une suite de formules sans explication ni schéma.
« De très nombreux candidats ne connaissent pas le premier principe en système ouvert. »
- 3Densité de charge nulle mal justifiéeQ17
La neutralité globale ne suffit pas, et l'argument des conducteurs ohmiques ne s'applique pas car la conductivité est imaginaire.
« il n'est pas suffisant d'arguer de la neutralité globale »
- 4Chiffres significatifs et unitésQ8
Les résultats doivent respecter le nombre de chiffres de l'énoncé ; des vitesses laissées en km/s ont aussi donné des ordres de grandeur faux.
« Les candidats qui donnent des valeurs à 5 chiffres ou plus n'ont pas obtenu de points. »
- 5Erreurs de géométrie élémentaireQ25, Q26
La surface d'un disque de diamètre D a souvent été mal écrite, et les valeurs numériques de la poussée étaient rarement justes.
« Il ne faut pas se tromper sur la surface d'un disque de diamètre D ! »
- 6Énergie potentielle de gravitationQ28, Q29
Pour un satellite, l'énergie potentielle n'est pas mgz ; cette question de cours n'a été abordée que par une minorité.
« Trop souvent l'énergie potentielle considérée est mgz ! »
Ce qui a été bien réussi
- La conductivité complexe du plasma (question 16) a été bien traitée dans l'ensemble.
- Presque tous les candidats connaissent la condition de propagation de l'onde dans le plasma (question 18).
- Beaucoup de candidats ont pensé à utiliser l'énergie mécanique à la question 24.
Conseils du jury
- Argumenter chaque résultat au lieu de le donner sec, et s'appuyer sur un schéma.
- Donner les applications numériques demandées avec le nombre de chiffres significatifs de l'énoncé.
- Ne pas forcer un calcul faux pour retrouver un résultat fourni.
- Vérifier la vraisemblance des ordres de grandeur obtenus.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
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L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.Afficher ou masquer la section
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ÉCOLE DES PONTS PARISTECH SUPAERO (ISAE), ENSTA PARISTECH, TELECOM PARISTECH, MINES PARISTECH, MINES DE SAINT-ÉTIENNE, MINES DE NANCY, TÉLÉCOM BRETAGNE, ENSAE PARISTECH (FILIÈRE MP) ÉCOLE POLYTECHNIQUE (FILIÈRE TSI)
PREMIÈRE ÉPREUVE DE PHYSIQUE
Filière MP
Les candidats sont priés de mentionner de façon apparente sur la première page de la copie :
PHYSIQUE I —MP.
L'énoncé de cette épreuve comporte 6 pages.
- Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, il est invité à le signaler sur sa copie et à poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il aura été amené à prendre.
- Il ne faudra pas hésiter à formuler les commentaires (incluant des considérations numériques) qui vous sembleront pertinents, même lorsque l'énoncé ne le demande pas explicitement. Le barème tiendra compte de ces initiatives ainsi que des qualités de rédaction de la copie.
ASPECTS DE LA PROPULSION SPATIALE
Données valables dans tout le problème
- Masse de l'électron,
m_e = 9, 11 ⋅ 10^(− 31) kg ; - Charge élémentaire,
e = 1, 60 ⋅ 10^(− 19)C ; - Constante de Newton de la gravitation universelle,
G = 6, 67 ⋅ 10^(− 11) m^3 ⋅ kg^(− 1) ⋅ s^2 ; - Permitivité diélectrique du vide,
ε_0 = 8, 85 ⋅ 10^(− 12) F ⋅ m^(− 1) ; - Constante d'Avogadro,
N_A = 6, 02 ⋅ 10^(23) mol^(− 1) ; - Rayon de la Terre,
R_t = 6, 37 ⋅ 10^3 km ; - Masse de la Terre,
M_t = 5, 97 ⋅ 10^(24) kg ; - Intensité du champ de pesanteur à la surface de la Terre,
g = 9, 81 m ⋅ s^(− 2) ; - Constante de Boltzmann,
k = 1, 38 ⋅ 10^(− 23) J ⋅ K^(− 1) ; - Constante de Planck,
h = 6, 62 ⋅ 10^(− 34) J ⋅ s ; - Constante des gaz parfaits,
R = 8, 31 J ⋅ K^(− 1) ⋅ mol^(− 1) ;

I. -Généralités
I.A. - Aspect cinétique - Lois de vitesse
- 1 - En prenant pour système la fusée à l'instant
t , exprimer sa quantité de mouvementp⃗_f aux instantst ett + dt . Déterminer de même la quantité de mouvementp⃗_g à l'instantt + dt du gaz éjecté pendantdt . - 2 - On rappelle que la dérivée temporelle d'un vecteur
w⃗(t) est définie par la relation(dw⃗)/(dt) = lim_(dt → 0)(w⃗(t + dt) − w⃗(t))/(dt) . En utilisant le principe fondamental de la dynamique pour l'ensemble {fusée + gaz}, établir l'équation différentielle
- 3 - Identifier, dans le second membre de l'équation (1), l'intensité
F de la force de poussée. A quelle condition la fusée décolle-t-elle?
4 - On nomme impulsion spécifiqueI_s d'un ergol (gaz propulseur) le temps pendant lequel une massem de cet ergol peut fournir une poussée équivalente au poids ressenti parm à la surface de la terre. ExprimerI_s en fonction deu etg .
◻5 - Déterminer l'expression de la vitessev(t) de la fusée à l'instantt , en fonction det ,m(t), g, u et de la masse de la fusée à l'instantt = 0 notéem_0 .
◻6 - On suppose le vaisseau extrait de l'attraction terrestre (mission interplanétaire), sa masse totale est alorsm_i et sa vitessev⃗ = v_i uˆ_z . On allume à nouveau un moteur pendant une duréeΔt conduisant à une variation de masseΔm = m_i − m_f . Adapter l'expression précédente pour obtenir la relation de Tsiolkovski donnant l'accroissement de vitesse correspondant, notéΔV = v_f − v_i , en fonction deu, m_i etm_f .
L'exemple qui suit a pour objet de montrer l'intérêt des fusées à plusieurs étages. Soit une fusée de masse totalem_t = 134 tonnes constituée de deux étages. La masse totale du premier étage estm_(t_1) = 110 tonnes dont 100 tonnes d'ergols, et celle du second estm_(t_2) = 24, 0 tonnes dont 20,0 tonnes d'ergols. - 7 - En considérant que la vitesse d'éjection des gaz
u = 4, 00 km ⋅ s^(− 1) est la même lors de la poussée de chaque étage, calculer les accroissements de vitesse apportés successivement par chacun des étages de la fusée. Comparer avec le cas d'une fusée ne possédant qu'un seul étage et la même répartition de masses, c'est-à-dire 14,0 tonnes de structure et 120 tonnes d'ergols. Les calculs seront effectués dans l'hypothèse d'une absence de pesanteur.
I.B. - Aspect énergétique - Rendement propulsif du moteur fusée
- 9 - Le vaisseau se déplace à une vitesse de norme
v dans le référentiel d'étude galiléen. Exprimer l'énergie cinétique dans ce référentiel de la massedm du gaz éjectée pendantdt , en déduire la puissance cinétiqueP_(jet) contenue dans le jet de gaz issu du moteur. Exprimer de même la puissance reçue par le vaisseau de la part de la force de poussée. On exprimera ces deux termes en fonction deD_m, u etv .
◻10 - On définit le rendement propulsif comme le rapport de la puissance cinétique gagnée par le vaisseau sur la puissance totale dépensée. En admettant une conversion parfaite de l'énergie stockée dans le vaisseau en énergie cinétique du jet et du vaisseau, montrer que le rendement propulsif peut se mettre sous la forme
11- Tracer la courbe
FIN DE LA PARTIE I
II. - Limites de la propulsion chimique
12- Appliquer le premier principe de la thermodynamique à cette tranche, établir, en régime permanent, la relation entre
13- Exprimer la vitesse maximale atteinte par le gaz en sortie de la tuyère en fonction de
- 14 - Les ergols utilisés pour la propulsion sont du dihydrogène et du dioxygène, leur réaction stœechiométrique permet d'obtenir une température de combustion de l'ordre de
T_c = 3, 0 ⋅ 10^3 K . Calculer la vitesse maximale d'éjection des gaz issus de la tuyère et l'impulsion spécifique correspondante.
FIN DE LA PARTIE II
III. - Le moteur plasma micro-ondes
III.A. - Principe de fonctionnement
Le gaz propulsif utilisé est par exemple du Xénon, il est ionisé par trois types de mécanismes potentiels, on suppose que tous les ions produits sont
Une forte densité du plasma est assurée par la présence d'aimants permanents. Les ions

plasma étudié ici est non-collisionnel, c'est-à-dire que l'on néglige l'effet des chocs entre ions et électrons ou entre particules de même espèce. On suppose également qu'il est non relativiste ce qui signifie que la vitesse caractéristique des électrons libres est faible devant celle de la lumière
- 16 - Déterminer, en régime de propagation établi, la représentation complexe
v⃗_–_e de la vitesse des électrons libres et en déduire la conductivité complexeσ_– du plasma définie parj⃗_– = σ_–E⃗_– . - 17 - Vérifier que dans ce régime de propagation la densité volumique de charge
ρ est bien nulle puis en revenant à la notation réelle établir l'équation de propagation du champE⃗(x, t) . On rappelle querot^(→−)(rotE⃗) = grad(divE⃗) − ΔE⃗ , en déduire l'équation de dispersion dans laquelle apparait la pulsation de plasma
- 18 - A quelle condition l'onde appliquée au plasma peut-elle s'y propager? Sinon que lui arrive-t-il?
- 19 - Ecrire l'équation vectorielle qui décrirait le mouvement de l'électron s'il n'était soumis qu'à ce champ magnétique. Montrer que pour une vitesse initiale de l'électron contenue dans le plan perpendiculaire au champ magnétique, son mouvement serait circulaire uniforme dans ce plan, et que sa période de rotation serait indépendante de sa vitesse. Exprimer la pulsation
ω_c correspondante, appelée pulsation cyclotron, et calculer sa valeur numérique pour un champ magnétique appliqué d'intensitéB_0 = 0, 20 T . -
20 - Montrer qualitativement que l'application du champ micro-onde (E⃗, B⃗_0 ) avecω ≈ ω_c permet d'accélérer les électrons en augmentant la norme de leur vitesse. - 21 - D'après ce qui précède, exprimer et calculer numériquement la densité particulaire maximale que l'on peut espérer pour un champ magnétique appliqué d'intensité
B_0 = 0, 20 T .
- 22 - L'énergie de première ionisation du Xénon est de l'ordre de
12, 0eV . La configuration précédente permet-elle d'envisager une réelle contribution de la photo-dissociation (voiec ). On justifiera sa réponse par un calcul.
III.B. - Poussée
- 23 - Exprimer la relation entre l'intensité du courant électrique
I dû aux ions traversant le moteur, le débitD_m de masse de gaz issu du vaisseau et des caractéristiques des ions. - 24 - On suppose que les ions ont une vitesse caractéristique nulle à l'entrée de la grille accélératrice. On note
V_a > 0 la tension présente entre les deux électrodes de la grille accélératrice. Déterminer la vitesse caractéristique de sortie des ions du moteur. En déduire l'intensitéF de la force de poussée du moteur (identifiée à la question 3) en fonction deI, μ, V_a ete .
◻25 - La densité volumique de courant dans le moteur est liée à la tension d'accélération par la loi de Child-Langmuir que nous admettrons
On considère un moteur ionique utilisant du Xénon, de masse molaire
- tension accélératrice
V_a = 700 V ; - distance
d entre les deux électrodes de la grille accélératrice :d = 2, 50 mm ; - diamètre de chaque trou dans les électrodes de grille délimitant les jets élémentaires
D = 2, 00 mm ; - nombre de trous en vis-à-vis dans chaque électrode :
N = 2, 20 ⋅ 10^3 - 26 - Calculer les valeurs numériques de la poussée
F de ce moteur, de la vitesse de sortie des ions et de la masse de Xénon consommée sur une période de 90 jours de fonctionnement. Évaluer la puissance cinétique totale transmise au jet de gaz propulsé. -
27 - Justifier sans calcul la nécessité de neutraliser le jet d'ions issu du moteur en lui fournissant des électrons.
IV. - Application du moteur ionique au maintien d'un satellite en orbite basse
-
30 - Le moteur ionique étudié précédemment permet-il de maintenir l'altitude de ce satellite?
FIN DE LA PARTIE IV
FIN DE L'ÉPREUVE
Questions fréquentes
3 questionsSur quels chapitres porte le sujet Mines Physique 1 MP 2015 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
3 questionsSur quels chapitres porte le sujet Mines Physique 1 MP 2015 ?
Sur la mécanique des systèmes ouverts, le premier principe en écoulement permanent, la propagation d'ondes dans un plasma, le mouvement d'une charge dans un champ magnétique et les orbites de satellites.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées en Mines Physique 1 MP 2015 ?
L'oubli de la composition des vitesses, la méconnaissance du premier principe en système ouvert, des applications numériques mal arrondies ou aberrantes et une énergie potentielle de gravitation prise égale à mgz.
Mines Physique 1 MP 2015 est-il faisable en première année ?
Pas entièrement : le jury indique que le sujet couvre des parties du programme de première et de deuxième année.
Pas de description pour le moment
