Sciences de l'Ingénieur - Bac 2023
Métropole - Session normale
Epreuve du 18 juin 2023
Consigne officielle
Le candidat traite les exercices proposés.
Exercice 1
Enonce
Conception d'un drone de livraison - Contraintes et solutions
Traitez ce sujet de manière complète et argumentée.
Criteres d'evaluation
Methode
Pour traiter un exercice de conception de drone de livraison, il faut adopter une démarche d'ingénierie systémique. Commencez par analyser le besoin (livraison de colis) et identifier les contraintes fonctionnelles (masse à transporter, distance, temps). Ensuite, décomposez le problème en sous-systèmes : structure, propulsion, énergie, navigation et réglementation. Pour chaque sous-système, évaluez les solutions techniques possibles en les confrontant aux exigences. Utilisez des calculs d'autonomie et de performance pour dimensionner les composants. Intégrez impérativement les aspects réglementaires dès la phase de conception. Enfin, synthétisez en proposant une solution cohérente qui fait des compromis optimisés entre les différentes contraintes, en justifiant chaque choix technique par des arguments quantitatifs et qualitatifs.
Points cles
- 1Analyse du besoin et des contraintes opérationnelles : Il s'agit de définir précisément la mission du drone (masse et volume du colis, distance de livraison, environnement urbain/rural, conditions météorologiques). Ces paramètres déterminent directement la taille, la puissance et la robustesse requises.
- 2Dimensionnement énergétique et calcul d'autonomie : L'autonomie est le facteur limitant principal. Elle dépend de la capacité de la batterie (en Wh) et de la consommation énergétique du drone. Il faut calculer la puissance nécessaire au vol stationnaire et en translation, puis estimer le temps de vol disponible. La masse de la batterie impacte directement la charge utile.
- 3Choix de l'architecture et de la propulsion : Pour la livraison, un multicoptère (quadri ou hexacoptère) est souvent privilégié pour sa stabilité et sa capacité de vol stationnaire. Le choix des moteurs (brushless), des hélices (diamètre, pas) et des contrôleurs électroniques (ESC) doit être optimisé pour l'efficacité énergétique et la poussée nécessaire.
- 4Intégration des contraintes réglementaires : La conception doit respecter la réglementation aérienne (ex : normes européennes). Cela inclut la catégorie 'spécifique' pour les drones > 25 kg, l'identification à distance, les limites de hauteur et de distance du pilote, les zones interdites de vol (géovigilance), et les exigences de sécurité (parachute, résistance aux chocs).
- 5Système de navigation et de livraison : Le drone doit être équipé d'un système de navigation autonome fiable (GPS, télémètre, caméras, capteurs inertiels) pour un trajet précis. Le mécanisme de livraison (desserrage mécanique, câble déroulant, largage) doit être sûr, léger et ne pas compromettre la stabilité du drone lors de l'opération.
Exercice 2
Enonce
Analyse thermique d'un bâtiment BBC
Traitez ce sujet de manière complète et argumentée.
Criteres d'evaluation
Methode
Pour analyser thermiquement un bâtiment BBC (Bâtiment Basse Consommation), il faut adopter une approche systémique et rigoureuse. La méthode consiste d'abord à bien définir le système d'étude (l'enveloppe du bâtiment) et ses frontières. Il faut ensuite identifier tous les flux thermiques entrants et sortants (conduction à travers les parois, renouvellement d'air, apports solaires, dégagements internes). L'application du premier principe de la thermodynamique en régime permanent (ou parfois transitoire si l'énoncé le précise) est fondamentale. On établit un bilan énergétique où la somme des puissances thermiques est nulle. Les calculs reposent sur la loi de Fourier pour la conduction et sur la notion de débit volumique ou massique pour la ventilation. Il est crucial de bien convertir et homogénéiser toutes les unités (W, kW, J, Wh, °C, K) et d'utiliser systématiquement les températures en Kelvin pour les différences. L'interprétation des résultats doit toujours se faire en lien avec les objectifs de performance BBC, notamment la valeur de référence de la consommation d'énergie primaire (≤ 50 kWh/m².an en France).
Points cles
- 1Définition du Bâtiment Basse Consommation (BBC) : Un BBC est un bâtiment dont la consommation énergétique primaire est très faible, typiquement inférieure à 50 kWh/m² par an en France (valeur variable selon la zone climatique et l'altitude). L'analyse thermique vise à vérifier cette performance via le calcul des déperditions et des besoins de chauffage.
- 2Bilan thermique en régime permanent : C'est le cœur de l'exercice. On applique le premier principe de la thermodynamique au volume d'air intérieur du bâtiment : Φ_entrant + Φ_sortant = 0 (ou dU/dt=0 en régime permanent). Les flux sortants principaux sont les déperditions par conduction/ convection à travers les parois (murs, toit, sol, fenêtres) et par renouvellement d'air. Les flux entrants peuvent être le chauffage, les apports solaires passifs et les apports internes (personnes, appareils).
- 3Calcul des déperditions thermiques : Elles se décomposent en déperditions par transmission à travers les parois (Φ_paroi = U * S * Δθ, avec U la conductance thermique de la paroi en W/(m².K), S sa surface en m², Δθ l'écart de température intérieur-extérieur) et déperditions par ventilation (Φ_vent = ρ * c * q_v * Δθ, avec ρ la masse volumique de l'air, c sa capacité thermique massique, q_v le débit volumique d'air renouvelé).
- 4Rôle crucial de l'isolation et de l'étanchéité à l'air : La performance BBC est atteinte par une isolation renforcée (faibles coefficients de transmission thermique U des parois opaques et vitrages), par la suppression des ponts thermiques et par une excellente étanchéité à l'air contrôlée par une ventilation mécanique performante (VMC double flux avec récupération de chaleur).
- 5Interprétation et dimensionnement : Les résultats du bilan (puissance de chauffe nécessaire, consommation estimée) doivent être comparés aux seuils réglementaires BBC. Cela permet de valider des choix de conception (épaisseur d'isolant, type de fenêtre, débit de ventilation) ou de dimensionner le système de chauffage. On peut aussi calculer le temps de réponse thermique (inertie) du bâtiment.
Exercice 3
Enonce
Étude d'un véhicule hybride
Traitez ce sujet de manière complète et argumentée.
Criteres d'evaluation
Methode
Pour traiter un exercice sur un véhicule hybride, il faut adopter une démarche systémique et comparative. Commencez par analyser précisément le contexte et les données fournies (schéma, caractéristiques techniques). Identifiez clairement les deux sources d'énergie et les deux motorisations (thermique et électrique). Ensuite, structurez votre réponse en séparant l'analyse technique (fonctionnement, architecture, gestion de l'énergie) de l'analyse environnementale (impacts, cycle de vie). Pour chaque partie, utilisez des arguments quantitatifs lorsque c'est possible (rendements, émissions, autonomie) et qualitatifs pour les aspects plus généraux. Comparez systématiquement avec les véhicules thermiques et électriques purs pour mettre en valeur les avantages et les limites de l'hybridation. Terminez par une synthèse équilibrée qui répond à la problématique posée.
Points cles
- 1Définition et principe de l'hybridation : Un véhicule hybride combine au moins deux sources d'énergie distinctes pour sa propulsion, typiquement un moteur thermique (essence ou diesel) et un ou plusieurs moteurs électriques alimentés par une batterie. L'objectif est de tirer parti des avantages de chaque technologie (autonomie et rapidité de ravitaillement pour le thermique, rendement et absence d'émissions locales pour l'électrique) tout en atténuant leurs inconvénients respectifs.
- 2Architectures des chaînes de traction : Il est crucial de distinguer les principales architectures. L'hybride parallèle où le moteur thermique et le moteur électrique peuvent entraîner les roues via une transmission mécanique. L'hybride série où le moteur thermique ne fait que charger la batterie qui alimente le moteur électrique, seul responsable de la traction. L'hybride dérivé (ou power-split) qui combine les deux principes, souvent via un train épicycloïdal, pour optimiser le rendement global.
- 3Gestion de l'énergie et stratégies de fonctionnement : Le véhicule utilise un calculateur (ECU) pour gérer la répartition de la puissance entre les moteurs selon les conditions de conduite. Les phases clés sont : le démarrage et les faibles vitesses en tout électrique, l'accélération avec assistance du moteur électrique (boost), la décélération et le freinage avec récupération d'énergie (freinage régénératif), et la conduite à vitesse stabilisée où le moteur thermique peut fonctionner dans sa plage de rendement optimal.
- 4Avantages environnementaux et limites : Les principaux avantages sont la réduction significative de la consommation de carburant et des émissions de CO2 en ville (grâce à l'arrêt du thermique au ralenti et à la récupération d'énergie), et la diminution des polluants locaux (NOx, particules). Les limites incluent la complexité, le coût, le poids supplémentaire, et la persistance de l'impact environnemental lié à la batterie et à la production du véhicule. L'analyse doit être nuancée selon le cycle de conduite (ville vs route).
- 5Comparaison avec les autres motorisations : Il est essentiel de positionner l'hybride par rapport au thermique pur (meilleur rendement global, moins d'émissions) et à l'électrique pur (autonomie limitée, temps de recharge, mais zéro émission à l'usage). L'hybride rechargeable (PHEV) est une évolution qui permet une autonomie électrique plus importante et une recharge sur prise, réduisant encore l'usage du thermique pour les trajets courts.
