Exercice Sous-partie 2 - Modélisation multi-physique et si… · Bac Sciences de l'Ingénieur Métropole 2025 (sujet 1)

Partie 1 - Sciences de l'ingénieur

Drone de prises de vues sous-marines

L’étude porte sur un drone submersible permettant de faire des prises de vues sous-marines en haute qualité jusqu’à une profondeur de 150 m, dans une plage de température de -5°C à +35°C. Ce drone embarque une batterie qui lui confère une autonomie importante. Utilisé dans de nombreux domaines tels que l’aquaculture, la défense, les énergies offshore ou l’inspection de navires, il permet aux utilisateurs de rester à la surface de l’eau tout en réalisant des inspections sous-marines.

Le drone est relié par un câble extra-souple à un module de surface (figure 1). Ce câble transmet de manière bi-directionnelle les informations liées au contrôle du drone et à la prise de vue.

Un module de surface est intégré dans l’enrouleur du câble et est connectable, via une liaison WiFi, à un terminal mobile (Android ou iOS) sur lequel une application dédiée réalise l’interface homme-machine permettant:

la transmission des images et la visualisation en temps-réel;

le pilotage du drone.

Le pilotage du drone et sa stabilité sont réalisés au moyen de quatre propulseurs illustrés à la figure 2:

deux propulseurs assurent la poussée longitudinale (vers l’avant ou l’arrière) avec une répartition modulable entre la droite et la gauche;

un propulseur monté dans un carénage traversant assure la correction latérale vers la droite ou vers la gauche;

le propulseur vertical, monté également dans un carénage traversant, assure la propulsion vers le haut ou vers le bas.

Chaque propulseur est constitué d’une hélice montée en prise directe sur un moteur électrique asservi en vitesse.

Le diagramme partiel des exigences du drone sous-marin est représenté sur la figure 3.

Sous-partie 2 – Modélisation multi-physique et simulation

L'intensité $T$ de la poussée d'un propulseur dépend de la fréquence de rotation $n$ de son hélice et de la vitesse linéaire $V$ du drone. Afin de pouvoir intégrer un modèle fiable de propulseur dans une simulation multiphysique, l'un d'eux a été testé sur un banc d'essai qui enregistre sa poussée sur des séquences de 5 secondes, pour différentes valeurs de $n$ et $V$ (figure 9).

Question 1.9

Pour chaque configuration expérimentale présentée à la figure 9, indiquer la valeur moyenne de la poussée $T$ mesurée durant l'essai. Décrire succinctement l'évolution de $T$ en fonction de $n$ et $V$.

Le modèle multiphysique utilisé pour simuler le comportement dynamique du drone est représenté sur le document réponse DR2.

Question 1.10

Justifier la présence du bloc « ×2 » dans le modèle multiphysique. Repasser en couleur, sur le document réponse DR2, la connexion qui, dans ce modèle, permet de prendre en compte la vitesse du drone dans le calcul de la poussée.

Le modèle multiphysique est utilisé pour simuler le comportement dynamique du drone, initialement à l'arrêt, à partir de l'instant où les propulseurs longitudinaux sont actionnés, puis maintenus à une fréquence de rotation constante. La fiche de spécifications techniques du constructeur annonce:

une consommation maximale de 350 W pour chaque propulseur;

une vitesse maximale de 1,5 m·s -1 pour le drone.

Les résultats de simulation sont représentés sur la figure 10.

Question 1.11

Valider les caractéristiques annoncées par le constructeur en utilisant les résultats de simulation présentés à la figure 10. Justifier l'évolution des signaux 2, 3 et 4 au cours du temps.