Lanceurs et orbitographie Solstice

ACTUALITÉS
PÉDAGOGIQUES
1293
BUP PRATIQUE – BUP PRATIQUE – BUP PRATIQUE – BUP PRATIQUE
Lanceurs et orbitographie
Solstice
par Jean CASSANET
Ministère de la Jeunesse, de l’Éducation
nationale et de la Recherche
Direction de la Technologie
97-99, rue de Grenelle - 75007 Paris
[email protected]
RÉSUMÉ
« Lanceurs et orbitographie » est un site ouvert sous Educnet et dédié à la mécanique spatiale (http://www.educnet.education.fr/orbito).
« Solstice » est un logiciel comportant un module d’orbitographie et un module
consacré au lancement d’une fusée de type Ariane 5. Solstice est téléchargeable depuis
le site « orbito ».
Ces deux produits, qui concernent les sciences et techniques spatiales, devraient
aider les enseignants de physique-chimie à la mise en place de certains aspects des nouveaux programmes de second cycle, en terminale, tout particulièrement.
INTRODUCTION
L’étude du mouvement des
satellites et de leur mise sur orbite
fait explicitement partie des programmes de physique-chimie.
Le site « Lanceurs et orbitographie » offre des informations scientifiques sur les lanceurs et sur l’orbitographie, ainsi
qu’un logiciel d’orbitographie,
« Solstice », téléchargeable. Il présente également des exemples
d’activités pédagogiques et
donne accès à des ressources en
Vol. 96 - Juillet / Août / Septembre 2002
http://www.educnet.education.fr/orbito
Jean CASSANET
1294
BULLETIN
DE
L’UNION
DES
PHYSICIENS
BUP PRATIQUE – BUP PRATIQUE – BUP PRATIQUE – BUP PRATIQUE
Titre de l’activité
Classe
concernée
Ariane 5 et
la réaction H2 + O2
Seconde
Énergie de liaison ;
cas de la propulsion
d’une fusée
Première S
Les premières secondes
d’un vol d’Ariane 5
Terminale S
Mouvement de projectiles
dans un champ de pesanteur
Terminale S
uniforme : largage des deux
EAP d’Ariane 5
Mouvement des satellites
Terminale S
La pile à combustible
et la réaction H2 + O2
Terminale S
Commentaire
Cette réaction, mise en œuvre pour la propulsion de l’étage
principal cryotechnique du lanceur Ariane 5 est un bon
exemple de transformation chimique d’un système, simple à
aborder, concret et qui peut être accompagné de documents
attrayants.
Au cours des transformations chimiques mises en jeu pour le
fonctionnement d’un moteur fusée, les effets énergétiques
jouent un rôle majeur et leur étude permet de conforter les
acquisitions des élèves dans ce domaine de la chimie.
Cette étude concerne la partie « Évolution temporelle des systèmes mécaniques ». Elle s’appuie sur l’analyse d’un document vidéo (décollage de la fusée Ariane 5) à l’aide d’un logiciel de pointage puis d’un tableur grapheur aidant à l’étude de
la dynamique du phénomène observé.
Le sujet de cette étude qui s’inscrit dans « L’évolution temporelle des systèmes mécaniques » est le mouvement décrit par
les deux propulseurs d’appoint (EAP) du lanceur Ariane 5, qui
sont largués après combustion, alors qu’ils sont à quelques
dizaines de kilomètres d’altitude, à une vitesse de l’ordre de
mach 6 ! Le logiciel Solstice permet de simuler ce mouvement
et d’en étudier tous les paramètres.
Cette activité qui concerne la partie « Évolution temporelle
des systèmes mécaniques » consiste à mettre en évidence
l’importance du choix d’un référentiel lors de l’étude d’un
mouvement et à introduire des notions élémentaires de mécanique spatiale à l’aide du logiciel Solstice.
Les piles à combustible sont utilisées dans les véhicules spatiaux. L’étude de leur fonctionnement s’inscrit, en parallèle
avec l’étude de l’électrolyse de l’eau dans la partie « Le sens
spontané d’évolution d’un système est-il prévisible ? Le sens
d’évolution d’un système chimique peut-il être inversé ? ».
Pile à combustible pour l’enseignement.
Lanceurs et orbitographie - Solstice
BUP no 846
ACTUALITÉS
PÉDAGOGIQUES
1295
BUP PRATIQUE – BUP PRATIQUE – BUP PRATIQUE – BUP PRATIQUE
ligne, soit sur les serveurs académiques, soit sur des serveurs spécialisés dans des champs
scientifiques associés.
LANCEURS ET ORBITOGRAPHIE
Quelques exemples d’activités proposées aux élèves
La rubrique « activités pédagogiques » du site présente des exemples de travaux en
accord avec les contenus et les savoir-faire des nouveaux programmes de physique-chimie
de second cycle. Cette rubrique s’enrichira progressivement. Le tableau ci-contre présente quelques exemples de propositions en ligne.
Exemples de savoir-faire associés à ces activités
Les illustrations des exemples présentés ci-dessous sont extraites du site « Lanceurs et
orbitographie ».
Modéliser une transformation chimique
Établir un bilan de matière
Savoir exploiter un document expérimental
sous forme d’une vidéo
La réaction H2 + 02 est mise en jeu lors
du fonctionnement du moteur Vulcain, au décollage
de la fusée Ariane 5.
L’exploitation du document vidéo du décollage
de la fusée Ariane 5 permet d’étudier
l’accélération du lanceur.
Vol. 96 - Juillet / Août / Septembre 2002
Jean CASSANET
1296
BULLETIN
DE
L’UNION
DES
PHYSICIENS
BUP PRATIQUE – BUP PRATIQUE – BUP PRATIQUE – BUP PRATIQUE
Savoir utiliser un logiciel de simulation
pour la satellisation et les lois de Képler
Savoir exploiter des reproductions d’écrans d’ordinateur
correspondant à des enregistrements expérimentaux
La simulation du mouvement des satellites dans différents
référentiels permet de distinguer satellites défilants
et géostationnaires (extrait du logiciel Solstice).
Le logiciel Solstice offre la possibilité de restituer
l’évolution des paramètres physiques enregistrés
au cours du lancement d’une fusée Ariane 5.
SOLSTICE
Le logiciel Solstice a pour principal
objectif de conjuguer l’acquisition de notions
fondamentales de mécanique et l’initiation à
l’orbitographie dans l’enseignement secondaire. Ce logiciel permet de simuler les mouvements orbitaux de satellites de la Terre ainsi
que le lancement d’une fusée Ariane 5. Solstice est téléchargeable depuis le site Educnet/orbito, rubrique « orbitographie / logiciels ».
Solstice comporte deux modules distincts :
♦ « Orbitographie » offre principalement la possibilité de représenter dans un référentiel terrestre la trace au sol de satellites. Pour des raisons pédagogiques évidentes, des
limites physiques ont été volontairement introduites :
– symétrie sphérique de la Terre et répartition homogène de sa masse ;
– satellite soumis exclusivement à la force d’attraction de la Terre.
Cette approximation « képlérienne » exclut donc la prise en compte des irrégularités du
champ de gravitation terrestre, de l’attraction luni-solaire, des effets de l’atmosphère...
♦ « Simulation d’un lancement » offre la possibilité de représenter graphiquement
l’évolution des valeurs de nombreux paramètres physiques (altitude, vitesse, masse,
frottements, ...) au cours de la phase de lancement d’une fusée, jusqu’à la mise sur
orbite de la charge utile qu’elle emporte. Deux modes de fonctionnement sont possibles : automatique (correspondant au vol 502) et manuel.
Lanceurs et orbitographie - Solstice
BUP no 846
ACTUALITÉS
PÉDAGOGIQUES
1297
BUP PRATIQUE – BUP PRATIQUE – BUP PRATIQUE – BUP PRATIQUE
Le site « Lanceurs et orbitographie » est conçu et réalisé par une équipe d’enseignants (1) qui se sont personnellement investis dans les sciences et techniques spatiales.
Pour ce qui concerne le logiciel Solstice, cette équipe a établi le cahier des charges et
réalisé l’aide associée. La réalisation informatique proprement dite a été confiée à la
junior entreprise de l’École Supérieure de l’Aéronautique et de l’Espace et la validation
scientifique a été assurée par le Centre National d’Études Spatiales.
Ce travail piloté par le ministère de la Jeunesse, de l’Éducation nationale et de la
Recherche (Direction de la technologie) s’inscrit dans le cadre d’un partenariat avec le
Centre National d’Études Spatiales.
(1)
Charly AUGUSTIN-CONSTANTIN - Lycée Félix Eboué - 97300 Cayenne
Florent BIZET - Lycée Fulbert - 28000 Chartres
Lucien BRAULT - Lycée Rotrou - 28100 Dreux
Jean CASSANET - Lycée Descartes - 37000 Tours
Jean-Marie FLAUSS - Lycée Daubié - 57120 Rombas
Christine QUEHEN - Lycée Mariette - 62200 Boulogne-sur-Mer
Christian QUENOT - Lycée Cuvier - 25200 Montbéliard
Gilbert QUEVILLARD - Lycée Newton-ENREA - 92110 Clichy
Florence TAVERNIER - Lycée la Hotoie - 80000 Amiens
Gilles THÉSÉE - Lycée Pablo Neruda - 38400 Saint-Martin-d’Hères
Vol. 96 - Juillet / Août / Septembre 2002
Jean CASSANET