Exercice Sous-partie 3 (Choix 1) - Piloter les ailes · Bac Sciences de l'Ingénieur Métropole Candidat libre 2021 (sujet 2)

PARTIE 1- SCIENCES DE L’INGÉNIEUR

Energy Observer est le premier navire autonome en énergie, zéro émission, zéro particule fine et zéro bruit, produisant son propre hydrogène à partir de l'eau de mer grâce aux énergies renouvelables.

Ce navire a déjà parcouru plus de 19 000 milles nautiques depuis avril 2017. Conçu comme un laboratoire opérationnel, Energy Observer expérimente et valide chaque année de nombreuses innovations. Véritable smart grid flottant préfigurant les réseaux énergétiques de demain, il exploite une énergie renouvelable dont il est économe.

Il navigue autour du monde, faisant escale dans de nombreuses cités iconiques à la rencontre des pionniers de la transition écologique et solidaire, mais aussi des élus, décideurs, armateurs et grands acteurs de l'économie. Energy Observer démontre au quotidien qu'une énergie entièrement décarbonée et décentralisée est devenue une réalité applicable à différentes échelles.

Le cahier des charges d'Energy Observer est réuni dans le diagramme d'exigences figure 2.

La gestion intelligente de l'énergie est réalisée par l'EMS (Energy Management System). L'EMS est programmé pour mieux exploiter le mix énergétique composé de (voir figure 3):

une chaîne complète de production d'hydrogène,

deux systèmes de stockage (hydrogène et électricité),

deux sources principales d'énergies renouvelables (le photovoltaïque et l'hydrolien).

La stratégie de pilotage de l'énergie suit les principes suivants:

en escale et au port les batteries se chargent grâce aux panneaux photovoltaïques;

lorsque les batteries sont chargées le surplus d'énergie fourni par les panneaux est valorisé en produisant de l'hydrogène par électrolyse de l'eau;

en navigation, l'EMS équilibre les consommations électriques de propulsion et de vie à bord en exploitant au mieux les énergies renouvelables: solaire, éolienne et hydrolienne;

lorsque les apports d'énergie renouvelable deviennent insuffisants, les moyens de stockage (batteries et pile à combustible) à bord sont utilisés pour assurer la continuité de fonctionnement.

Sous-partie 3 (Choix 1): Piloter les ailes

L'objectif de cette partie est de valider la solution technique qui permet de commander la cambrure des ailes.

Actuellement Energy Observer est équipé de ses deux ailes qui ont pleinement fait leurs preuves. Les ailes Oceanwings constituent un système propulsif entièrement automatisé. Elles permettent un réglage identique à celui des voiles classiques avec un rendement supérieur.

L'effort du vent dans les ailes va produire deux forces de propulsion. En fonction du cap du bateau, de la direction et de la vitesse du vent, il est nécessaire de corriger en permanence l'orientation et la cambrure de l'aile pour conserver des forces de propulsion idéales et maintenir une vitesse du bateau optimale.

Un logiciel commande les différents vérins électriques et les motoréducteurs. Des informations récoltées sur des capteurs vont permettre à partir d'une base de données pré-calculées de régler cette aile de façon optimale quelque soit l'allure et la vitesse du bateau.

La figure 15 présente la structure fonctionnelle qui pilote l'orientation du volet secondaire.

Question 1.12

Sur la copie pour les 3 réponses attendues (A, B et C), indiquer la nature des énergies dans la chaîne d'énergie et préciser les grandeurs de flux et d'effort qui transitent entre chaque bloc et leur unité.

Comme représenté sur la figure 16, pour le réglage de la cambrure, le volet secondaire a un débattement angulaire de 60° entre ses deux positions extrêmes. Le schéma cinématique du mécanisme est donné sur la figure 17.

Question 1.13

Sur le document réponse DR1, compléter le graphe des liaisons en précisant les caractéristiques de ces liaisons.

Détermination de la course du vérin

Question 1.14

Caractériser les mouvements suivants:

Caractériser les trajectoires suivantes:

Question 1.15

Sur le document réponse DR2 présentant les deux positions extrêmes du volet secondaire, déterminer la course du vérin en faisant apparaître vos tracés et votre méthode.

Détermination de l'effort exercé sur le vérin électrique:

Hypothèses de l'étude:

le mécanisme est assimilé à un mécanisme plan, de plan $(O, \vec{x}, \vec{y})$;

toutes les liaisons sont considérées parfaites;

le poids des différentes pièces du mécanisme est négligé devant les efforts mis en jeu;

le volet est dans la position extrême définie sur la figure 18;

l'axe du vérin est considéré horizontal.

Données:

paramètres géométriques nécessaires pour la résolution (en mm):

$$O \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad A \begin{pmatrix} 125 \\ -215 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad D \begin{pmatrix} 318 \\ 124 \\ 0 \end{pmatrix}$$

les efforts sont donnés en Newton (N):

Au point A, action mécanique de la tige du vérin sur le volet secondaire

Au point D, effort résultant de l'action du vent sur le volet secondaire

Au point O, action mécanique de la bôme sur le volet secondaire

$$\vec{F}_{\text{tige}/\text{VS}} \begin{pmatrix} \|\vec{F}_{\text{tige}/\text{VS}}\| \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}$$

$$\vec{F}_{\text{vent}/\text{VS}} \begin{pmatrix} 912 \\ -2506 \\ 0 \end{pmatrix}$$

$$\vec{F}_{\text{Bôme}/\text{VS}} \begin{pmatrix} F_x \\ F_y \\ 0 \end{pmatrix}$$

L'effort exercé par le vent sur le volet secondaire est l'effort maximum qu'il peut supporter. Au-delà il faut sécuriser l'aile Oceanwings.

Question 1.16

En appliquant le théorème du moment dynamique au volet secondaire au point O, en projection sur $\vec{z}$, déterminer l'action mécanique de la tige sur le volet secondaire au point A.

Question 1.17

À partir des caractéristiques du vérin, conclure sur la validité du choix du vérin.