Sujet du Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable 2026 · Métropole - Innovation Technologique et Eco-conception (ITEC)

Mise en situation

Le centre hospitalier de Sens a fait réaliser une extension majeure pour moderniser et centraliser ses services, afin de répondre à l'augmentation de la demande en soins, liée à la croissance démographique de la région. Cette extension de 9 540 m² accueille plusieurs services clés, notamment le pôle « femme mère enfant », les urgences (adultes, pédiatriques, gynécologiques), l'hémodialyse, les blocs opératoires, l'hôpital de jour de pneumologie, des secteurs de consultations et une hélistation.

Afin de regrouper l'ensemble des services d'urgences, le centre hospitalier de Sens a centralisé toutes les unités dans un nouveau bâtiment, doté d'une circulation verticale optimisée et d'une hélistation, garantissant une prise en charge plus rapide et sécurisée des patients en situation critique.

Le problème est d'améliorer l'accueil des patients en urgence, en intégrant une hélistation et des systèmes techniques innovants dans un hôpital moderne.

Le projet d'hélistation hospitalière

Les travaux, débutés en 2019, se sont achevés en février 2024, permettant ainsi au centre hospitalier de Sens de mieux répondre aux besoins de la population locale et d'améliorer la qualité des soins prodigués.

Dans le cadre de la modernisation de ses infrastructures de santé, l'extension de l'hôpital a été équipée d'une hélistation implantée sur le toit de ce nouveau bâtiment. Cette installation permet de prendre en charge plus rapidement les patients en situation d'urgence, notamment en cas de transferts inter-hospitaliers ou de secours héliportés.

Le chantier de l'hôpital de Sens doit respecter une démarche de développement durable. La charte prévoit le tri des déchets, la prévention des pollutions, la réduction des consommations d'eau et d'énergie. Il est également demandé d'assurer la sécurité des ouvriers, la limitation des nuisances pour les riverains et l'accessibilité pour les usagers. Sur le plan économique, le projet favorise l'optimisation des ressources et le choix de matériaux durables.

Partie 1: quelle trajectoire doit suivre l'hélicoptère pour limiter les nuisances sonores causées aux riverains ?

L'intégration d'une hélistation au sein du centre hospitalier de Sens représente un enjeu majeur pour la réponse médicale d'urgence. Ce projet soulève des problématiques techniques et réglementaires complexes. L'implantation doit s'articuler avec l'organisation interne (circulation des patients, zones de sécurité, accès véhicules) et limiter les nuisances (bruit, vibrations).

Le centre hospitalier de Sens souhaite créer une hélistation sur le toit de son bâtiment principal pour accueillir les hélicoptères du SAMU et permettre l'évacuation rapide des patients en situation d'urgence vitale. Cette infrastructure, essentielle pour sauver des vies, doit cependant s'intégrer harmonieusement dans l'environnement urbain.

L'hôpital est situé en zone péri-urbaine. Il est entouré:

d'un quartier résidentiel au nord (300 m);

d'une école primaire à l'est (450 m);

d'une maison de retraite au sud (250 m);

d'une zone commerciale à l'ouest (500 m).

Face aux préoccupations légitimes des riverains concernant les nuisances sonores, la direction de l'hôpital a mandaté un bureau d'études pour:

analyser l'impact acoustique de l'hélistation;

proposer des solutions techniques pour minimiser les nuisances;

définir des procédures d'approche optimales;

mettre en place des dispositifs d'atténuation du bruit.

Données opérationnelles:

fréquence estimée: 3 à 5 rotations par jour;

type d'appareil: EC155 (Airbus Helicopters);

niveau sonore en survol: 85-95 dB (A) à 150 m;

horaires d'exploitation: 24 heures sur 24 (urgences vitales).

Question 1.1

Justifier, en donnant un exemple pour chacun des piliers, que ce projet s'inscrit bien dans une démarche de développement durable.

Question 1.3

Préciser la nuisance occasionnée par le fonctionnement d'une hélistation.

DT1: tableau d'analyse des trajectoires

Trajectoire · Zones survolées · Population impactée · Niveau Sonore (dB) · Avantages · Inconvénients

A · Maison de retraite + École · ~330 personnes sensibles · 81 dB · • Évite zone résidentielle

• Approche dégagée · • Survol populations sensibles

• Impact école (heures de cours)

• Impact maison retraite

B · Zone résidentielle dense · ~500 habitations · 79 dB · • Trajet direct

• Temps de vol court · • Survol direct des habitations

• Impact maximal sur les résidents

• Nuisances en soirée/nuit

C · Zone commerciale · Zone d'activités (jour) · 75 dB · • Évite zones sensibles

• Survol zone commerciale

• Aligné vent dominant · • Légèrement plus long

• Proximité relative école

Question 1.4

Analyser les trois trajectoires de l'hélicoptère et choisir celle dont l'impact sonore sur l'environnement et les riverains est le plus faible, en justifiant le choix.

DT2: échelle des décibels (seuils de tolérance au bruit)

Question 1.5

Avec la trajectoire choisie, un niveau sonore de 65 dB pour les riverains a été relevé. Conclure sur les conséquences sur la santé et le bien-être des riverains.

Mise en situation

Le centre hospitalier de Sens a fait réaliser une extension majeure pour moderniser et centraliser ses services, afin de répondre à l'augmentation de la demande en soins, liée à la croissance démographique de la région. Cette extension de 9 540 m² accueille plusieurs services clés, notamment le pôle « femme mère enfant », les urgences (adultes, pédiatriques, gynécologiques), l'hémodialyse, les blocs opératoires, l'hôpital de jour de pneumologie, des secteurs de consultations et une hélistation.

Afin de regrouper l'ensemble des services d'urgences, le centre hospitalier de Sens a centralisé toutes les unités dans un nouveau bâtiment, doté d'une circulation verticale optimisée et d'une hélistation, garantissant une prise en charge plus rapide et sécurisée des patients en situation critique.

Le problème est d'améliorer l'accueil des patients en urgence, en intégrant une hélistation et des systèmes techniques innovants dans un hôpital moderne.

Le projet d'hélistation hospitalière

Les travaux, débutés en 2019, se sont achevés en février 2024, permettant ainsi au centre hospitalier de Sens de mieux répondre aux besoins de la population locale et d'améliorer la qualité des soins prodigués.

Dans le cadre de la modernisation de ses infrastructures de santé, l'extension de l'hôpital a été équipée d'une hélistation implantée sur le toit de ce nouveau bâtiment. Cette installation permet de prendre en charge plus rapidement les patients en situation d'urgence, notamment en cas de transferts inter-hospitaliers ou de secours héliportés.

Le chantier de l'hôpital de Sens doit respecter une démarche de développement durable. La charte prévoit le tri des déchets, la prévention des pollutions, la réduction des consommations d'eau et d'énergie. Il est également demandé d'assurer la sécurité des ouvriers, la limitation des nuisances pour les riverains et l'accessibilité pour les usagers. Sur le plan économique, le projet favorise l'optimisation des ressources et le choix de matériaux durables.

Partie 1: quelle trajectoire doit suivre l'hélicoptère pour limiter les nuisances sonores causées aux riverains ?

L'intégration d'une hélistation au sein du centre hospitalier de Sens représente un enjeu majeur pour la réponse médicale d'urgence. Ce projet soulève des problématiques techniques et réglementaires complexes. L'implantation doit s'articuler avec l'organisation interne (circulation des patients, zones de sécurité, accès véhicules) et limiter les nuisances (bruit, vibrations).

Le centre hospitalier de Sens souhaite créer une hélistation sur le toit de son bâtiment principal pour accueillir les hélicoptères du SAMU et permettre l'évacuation rapide des patients en situation d'urgence vitale. Cette infrastructure, essentielle pour sauver des vies, doit cependant s'intégrer harmonieusement dans l'environnement urbain.

L'hôpital est situé en zone péri-urbaine. Il est entouré:

d'un quartier résidentiel au nord (300 m);

d'une école primaire à l'est (450 m);

d'une maison de retraite au sud (250 m);

d'une zone commerciale à l'ouest (500 m).

Face aux préoccupations légitimes des riverains concernant les nuisances sonores, la direction de l'hôpital a mandaté un bureau d'études pour:

analyser l'impact acoustique de l'hélistation;

proposer des solutions techniques pour minimiser les nuisances;

définir des procédures d'approche optimales;

mettre en place des dispositifs d'atténuation du bruit.

Données opérationnelles:

fréquence estimée: 3 à 5 rotations par jour;

type d'appareil: EC155 (Airbus Helicopters);

niveau sonore en survol: 85-95 dB (A) à 150 m;

horaires d'exploitation: 24 heures sur 24 (urgences vitales).

Question 1.2: Énoncer le besoin fondamental de ce projet, puis compléter le diagramme des cas d'utilisation en conséquence.

Document réponse DR1: Compléter le diagramme des cas d'utilisation ci-dessous à l'aide des éléments du tableau.

N° 1 · N° 2 · N° 3

Assurer le service médical d'urgence · Accueillir les patients · Assurer la sécurité

Haut:

Centre:

Bas:

Partie 2: comment la sécurité des usagers de la plateforme de l'héliport est assurée tout en réduisant son impact énergétique ?

Les plateformes hospitalières accueillent les missions du Service Médical d'Urgence par Hélicoptère (SMUH). L'hélistation du centre hospitalier de Sens doit assurer le transfert rapide et sécurisé de patients en situation d'urgence. La norme impose un balisage lumineux de la zone d'hélistation et diverses contraintes en fonction des conditions météorologiques (jour/nuit, brouillard). Cette signalisation lumineuse est pilotable à distance par onde radio et GSM soit par le pilote, soit par le personnel au sol.

Normes et obligations en matière de signalisation des surfaces d'hélistations

L'étude porte sur les fonctions et le respect des normes et obligations en matière de signalisation des surfaces d'hélistations en terrasse (en sommet de bâtiments) pour un SMUH.

DT3: fonction de l'éclairage de l'hélistation

Les feux d'hélistations sont conçus pour l'éclairage des différentes zones.

Les projecteurs à LED sont des dispositifs lumineux d'aire de prise de contact et d'envol. Ils aident le pilote à obtenir la bonne information sur l'état et la qualité de la surface. Les projecteurs aident à détecter un obstacle présent sur zone, la neige, le sable et autres désagréments pour les pilotes. Ils sont conçus pour la bonne lecture de la qualité du terrain et pour garantir au pilote de ne pas être perturbé par le faisceau lumineux. Les balises périphériques d'aire de prise de contact et d'envol sont des feux fixes omnidirectionnels de couleur verte. Ils indiquent la zone d'atterrissage et de décollage.

La norme impose pour les aires de forme circulaire: 10 balises minimum à 3 mètres d'intervalle et 6 projecteurs minimum.

DT4: balise de l'hélistation et projecteur d'approche

· Balise de l'hélistation · Projecteur

Intensité lumineuse · 65 cd · 20 000 cd

Indice de protection · IP 67 · IP 66

Poids · 1,4 kg · 5,2 kg

Tension d'alimentation · 230 VAC · 230 VAC

Puissance absorbée · 10 W · 45 W

2.1.

Indiquer les fonctions que doit remplir l'éclairage (les projecteurs et les balises) de la zone d'hélistation de l'hôpital de Sens.

2.2.

Calculer le périmètre de la zone d'hélistation en prenant pour rayon 9,8 m. En déduire le nombre minimum de balises qui devraient être installées pour respecter l'intervalle imposé par la norme.

2.3.

Il y a 26 balises et 6 projecteurs installés sur la surface de l'hélistation. Conclure sur le respect de la norme.

Partie 2: comment la sécurité des usagers de la plateforme de l'héliport est assurée tout en réduisant son impact énergétique ?

Les plateformes hospitalières accueillent les missions du Service Médical d'Urgence par Hélicoptère (SMUH). L'hélistation du centre hospitalier de Sens doit assurer le transfert rapide et sécurisé de patients en situation d'urgence. La norme impose un balisage lumineux de la zone d'hélistation et diverses contraintes en fonction des conditions météorologiques (jour/nuit, brouillard). Cette signalisation lumineuse est pilotable à distance par onde radio et GSM soit par le pilote, soit par le personnel au sol.

Normes et obligations en matière de signalisation des surfaces d'hélistations

L'étude porte sur les fonctions et le respect des normes et obligations en matière de signalisation des surfaces d'hélistations en terrasse (en sommet de bâtiments) pour un SMUH.

DT3: fonction de l'éclairage de l'hélistation

Les feux d'hélistations sont conçus pour l'éclairage des différentes zones.

Les projecteurs à LED sont des dispositifs lumineux d'aire de prise de contact et d'envol. Ils aident le pilote à obtenir la bonne information sur l'état et la qualité de la surface. Les projecteurs aident à détecter un obstacle présent sur zone, la neige, le sable et autres désagréments pour les pilotes. Ils sont conçus pour la bonne lecture de la qualité du terrain et pour garantir au pilote de ne pas être perturbé par le faisceau lumineux. Les balises périphériques d'aire de prise de contact et d'envol sont des feux fixes omnidirectionnels de couleur verte. Ils indiquent la zone d'atterrissage et de décollage.

La norme impose pour les aires de forme circulaire: 10 balises minimum à 3 mètres d'intervalle et 6 projecteurs minimum.

DT4: balise de l'hélistation et projecteur d'approche

· Balise de l'hélistation · Projecteur

Intensité lumineuse · 65 cd · 20 000 cd

Indice de protection · IP 67 · IP 66

Poids · 1,4 kg · 5,2 kg

Tension d'alimentation · 230 VAC · 230 VAC

Puissance absorbée · 10 W · 45 W

Étude de la consommation énergétique annuelle de l'éclairage de l'hélistation

L'étude porte sur l'économie d'énergie annuelle réalisée en comparant 2 modes de fonctionnement pour les 26 balises et les 6 projecteurs:

grâce au système de pilotage depuis l'hélicoptère, ils sont pilotés à 25 % de leur puissance maximum en moyenne pour 3 heures de fonctionnement par nuit sur un an;

en utilisant un système classique non piloté, ils fonctionnent à 100 % de leur puissance sur une moyenne de 8 heures par nuit.

Question 2.4

Calculer l'énergie consommée en kWh sur un an par les balises et les projecteurs à 100 % de leur puissance pour 8 heures de fonctionnement par nuit en moyenne.

Question 2.5

Calculer l'énergie consommée en kWh sur un an par les balises et les projecteurs à 25 % de leur puissance pour 3 heures de fonctionnement en moyenne par nuit.

Question 2.7

Conclure en précisant en quoi les projecteurs et les balises jouent un rôle en matière de sécurité des usagers de la plateforme et de réduction de son impact énergétique.

Partie 2: comment la sécurité des usagers de la plateforme de l'héliport est assurée tout en réduisant son impact énergétique ?

Les plateformes hospitalières accueillent les missions du Service Médical d'Urgence par Hélicoptère (SMUH). L'hélistation du centre hospitalier de Sens doit assurer le transfert rapide et sécurisé de patients en situation d'urgence. La norme impose un balisage lumineux de la zone d'hélistation et diverses contraintes en fonction des conditions météorologiques (jour/nuit, brouillard). Cette signalisation lumineuse est pilotable à distance par onde radio et GSM soit par le pilote, soit par le personnel au sol.

Normes et obligations en matière de signalisation des surfaces d'hélistations

L'étude porte sur les fonctions et le respect des normes et obligations en matière de signalisation des surfaces d'hélistations en terrasse (en sommet de bâtiments) pour un SMUH.

DT3: fonction de l'éclairage de l'hélistation

Les feux d'hélistations sont conçus pour l'éclairage des différentes zones.

Les projecteurs à LED sont des dispositifs lumineux d'aire de prise de contact et d'envol. Ils aident le pilote à obtenir la bonne information sur l'état et la qualité de la surface. Les projecteurs aident à détecter un obstacle présent sur zone, la neige, le sable et autres désagréments pour les pilotes. Ils sont conçus pour la bonne lecture de la qualité du terrain et pour garantir au pilote de ne pas être perturbé par le faisceau lumineux. Les balises périphériques d'aire de prise de contact et d'envol sont des feux fixes omnidirectionnels de couleur verte. Ils indiquent la zone d'atterrissage et de décollage.

La norme impose pour les aires de forme circulaire: 10 balises minimum à 3 mètres d'intervalle et 6 projecteurs minimum.

DT4: balise de l'hélistation et projecteur d'approche

· Balise de l'hélistation · Projecteur

Intensité lumineuse · 65 cd · 20 000 cd

Indice de protection · IP 67 · IP 66

Poids · 1,4 kg · 5,2 kg

Tension d'alimentation · 230 VAC · 230 VAC

Puissance absorbée · 10 W · 45 W

Étude de la consommation énergétique annuelle de l'éclairage de l'hélistation

Question 2.6

En déduire l'économie annuelle réalisée en contrôlant l'énergie consommée, avec un coût de 20 centimes d'euros par kWh.

Partie 3: Comment identifier l'hélicoptère pour lui permettre d'accéder à l'hélistation en toute sécurité ?

L'hélicoptère est identifié par son immatriculation transmise par un boîtier radio. Cette valeur est codée sur 6 octets et après traduction de ce code binaire en hexadécimal, elle est traduite en ASCII pour obtenir cette immatriculation.

Ce n'est qu'après authentification de cet hélicoptère que le pilotage du balisage lumineux et le guidage automatique sont autorisés. Seuls les aéronefs certifiés et d'état sont autorisés sur cette hélistation.

DT6: Principe du codage FSK

Le codage FSK (décalage en fréquence) associe à chaque bit un signal sinusoïdal de fréquence déterminée:

Exemple: le bit b1 correspond à un « zéro logique » car sa fréquence est de 29 kHz; le bit b0 correspond à un « un logique » car sa fréquence est de 9 kHz.

Remarque: chaque octet est envoyé encadré d'un bit « start » et d'un bit « stop ». Ceci permet l'envoi de plusieurs octets à la suite. Les bits de poids faible sont envoyés avant les bits de poids fort. Dans l'exemple ci-dessus l'octet est donc $(01100101)_2$.

3.1

En utilisant le codage FSK, décoder la trame en binaire et compléter le document DR2.

3.2

Compléter le DR3 en plaçant les valeurs binaires des deux octets de cette trame dans le bon ordre (du bit de poids fort $b_7$ au bit de poids faible $b_0$).

DT7: Extrait de la table ASCII

Hex · 2e · 2f · 30 · 31 · 32 · 33 · 34 · 35 · 36 · 37 · 38 · 39 · 3a · 3b · 3c · 3d

Caractère ·. · / · 0 · 1 · 2 · 3 · 4 · 5 · 6 · 7 · 8 · 9 ·: ·; · < · =

Hex · 40 · 41 · 42 · 43 · 44 · 45 · 46 · 47 · 48 · 49 · 4A · 4B · 4C · 4D · 4E · 4F

Caractère · @ · A · B · C · D · E · F · G · H · I · J · K · L · M · N · O

3.3

Convertir ces deux octets en hexadécimal. En utilisant l'extrait de la table de conversion des caractères ASCII, rechercher les deux lettres manquantes du numéro d'identification de l'hélicoptère en approche. Compléter le DR4.

F -

G E

DT5: Extrait de la norme internationale des immatriculations des aéronefs

Seuls les hélicoptères de la sécurité civile et de la gendarmerie sont autorisés à utiliser cet héliport (aéronefs civils certifiés et aéronefs d'état).

3.4

En déduire si cet hélicoptère est bien autorisé à atterrir sur cette hélistation. Justifier votre réponse.

Partie 4: la batterie du système Hélilock est-elle suffisamment dimensionnée ?

Dans un hôpital, la plateforme d'hélistation d'urgence est destinée uniquement aux hélicoptères de secours (SAMU, protection civile, etc...). Pour garantir la sécurité des patients, du personnel et des pilotes, il est indispensable que l'hélicoptère soit immobilisé rapidement et de façon fiable après son atterrissage.

Lorsqu'un hélicoptère atterrit sur la plateforme de l'hôpital, le système Hélilock immobilise automatiquement ses patins pour garantir sa stabilité. Ce système fonctionne grâce à un moteur électrique qui entraîne une vis trapézoïdale permettant le serrage des mors autour des patins. L'ensemble est alimenté par une batterie 24 V. Afin d'assurer le bon fonctionnement et la sécurité du dispositif, il est nécessaire d'étudier la chaîne de puissance, de choisir le moteur adapté et de vérifier que l'alimentation est suffisante pour répondre aux besoins du système.

Identification de la chaîne de puissance

L'énergie électrique fournie par la batterie est convertie en énergie mécanique permettant le déplacement symétrique des mors. La chaîne de puissance doit être identifiée et justifiée.

Le document réponse DR5 montre les différentes notations utilisées:

les rendements $\eta_1$, $\eta_2$, $\eta_3$ et le rendement global $\eta$;

les puissances $P_1$, $P_2$ et $P_3$;

la vitesse angulaire $\omega_2$;

le couple $C_2$.

Dans un système vis – écrou, la vitesse linéaire est définie par la relation suivante:

$$v = \frac{p \cdot \omega}{2\pi}$ $v$: vitesse linéaire en ($\text{m}\cdot\text{s}^{-1}$)

$\omega$: vitesse angulaire en ($\text{rad}\cdot\text{s}^{-1}$)

$p$: pas du système vis-écrou en ($\text{m}$)

Dans le cas de cette étude, le pas $p = 0{,}004\text{ m}$ et la vitesse $v = 0{,}01\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$.

Question 4.1 et Question 4.2

À l'aide du document DR5 ci-dessous, identifier les fonctions et les solutions techniques associées à la chaîne de puissance du système Hélilock:

4.1

Compléter les blocs du schéma de la chaîne de puissance en indiquant la fonction correspondante parmi les propositions suivantes: Convertir, Distribuer, Alimenter / Stocker.

4.2

Associer à chaque fonction la solution technique correspondante.

Partie 4: la batterie du système Hélilock est-elle suffisamment dimensionnée ?

Dans un hôpital, la plateforme d'hélistation d'urgence est destinée uniquement aux hélicoptères de secours (SAMU, protection civile, etc...). Pour garantir la sécurité des patients, du personnel et des pilotes, il est indispensable que l'hélicoptère soit immobilisé rapidement et de façon fiable après son atterrissage.

Lorsqu'un hélicoptère atterrit sur la plateforme de l'hôpital, le système Hélilock immobilise automatiquement ses patins pour garantir sa stabilité. Ce système fonctionne grâce à un moteur électrique qui entraîne une vis trapézoïdale permettant le serrage des mors autour des patins. L'ensemble est alimenté par une batterie 24 V. Afin d'assurer le bon fonctionnement et la sécurité du dispositif, il est nécessaire d'étudier la chaîne de puissance, de choisir le moteur adapté et de vérifier que l'alimentation est suffisante pour répondre aux besoins du système.

Identification de la chaîne de puissance

L'énergie électrique fournie par la batterie est convertie en énergie mécanique permettant le déplacement symétrique des mors. La chaîne de puissance doit être identifiée et justifiée.

Le document réponse DR5 montre les différentes notations utilisées:

les rendements $\eta_1$, $\eta_2$, $\eta_3$ et le rendement global $\eta$;

les puissances $P_1$, $P_2$ et $P_3$;

la vitesse angulaire $\omega_2$;

le couple $C_2$.

Dans un système vis – écrou, la vitesse linéaire est définie par la relation suivante:

$$v = \frac{p \cdot \omega}{2\pi}$ $v$: vitesse linéaire en ($\text{m}\cdot\text{s}^{-1}$)

$\omega$: vitesse angulaire en ($\text{rad}\cdot\text{s}^{-1}$)

$p$: pas du système vis-écrou en ($\text{m}$)

Dans le cas de cette étude, le pas $p = 0{,}004\text{ m}$ et la vitesse $v = 0{,}01\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$.

Question 4.3

Sur le document DR5, caractériser la nature des flux d'énergie échangés entre chaque bloc:

Partie 4: la batterie du système Hélilock est-elle suffisamment dimensionnée ?

Dans un hôpital, la plateforme d'hélistation d'urgence est destinée uniquement aux hélicoptères de secours (SAMU, protection civile, etc...). Pour garantir la sécurité des patients, du personnel et des pilotes, il est indispensable que l'hélicoptère soit immobilisé rapidement et de façon fiable après son atterrissage.

Lorsqu'un hélicoptère atterrit sur la plateforme de l'hôpital, le système Hélilock immobilise automatiquement ses patins pour garantir sa stabilité. Ce système fonctionne grâce à un moteur électrique qui entraîne une vis trapézoïdale permettant le serrage des mors autour des patins. L'ensemble est alimenté par une batterie 24 V. Afin d'assurer le bon fonctionnement et la sécurité du dispositif, il est nécessaire d'étudier la chaîne de puissance, de choisir le moteur adapté et de vérifier que l'alimentation est suffisante pour répondre aux besoins du système.

Identification de la chaîne de puissance

L'énergie électrique fournie par la batterie est convertie en énergie mécanique permettant le déplacement symétrique des mors. La chaîne de puissance doit être identifiée et justifiée.

Le document réponse DR5 montre les différentes notations utilisées:

les rendements $\eta_1$, $\eta_2$, $\eta_3$ et le rendement global $\eta$;

les puissances $P_1$, $P_2$ et $P_3$;

la vitesse angulaire $\omega_2$;

le couple $C_2$.

Dans un système vis – écrou, la vitesse linéaire est définie par la relation suivante:

$$v = \frac{p \cdot \omega}{2\pi}$ $v$: vitesse linéaire en ($\text{m}\cdot\text{s}^{-1}$)

$\omega$: vitesse angulaire en ($\text{rad}\cdot\text{s}^{-1}$)

$p$: pas du système vis-écrou en ($\text{m}$)

Dans le cas de cette étude, le pas $p = 0{,}004\text{ m}$ et la vitesse $v = 0{,}01\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$.

4.4

Calculer la vitesse de rotation $\omega_2$ en $\text{rad}\cdot\text{s}^{-1}$.

4.5

Calculer la puissance $P_2$ en $\text{W}$ sachant que le couple $C_2$ est égal à $7{,}3\text{ N}\cdot\text{m}$.

Partie 4: la batterie du système Hélilock est-elle suffisamment dimensionnée ?

Dans un hôpital, la plateforme d'hélistation d'urgence est destinée uniquement aux hélicoptères de secours (SAMU, protection civile, etc...). Pour garantir la sécurité des patients, du personnel et des pilotes, il est indispensable que l'hélicoptère soit immobilisé rapidement et de façon fiable après son atterrissage.

Lorsqu'un hélicoptère atterrit sur la plateforme de l'hôpital, le système Hélilock immobilise automatiquement ses patins pour garantir sa stabilité. Ce système fonctionne grâce à un moteur électrique qui entraîne une vis trapézoïdale permettant le serrage des mors autour des patins. L'ensemble est alimenté par une batterie 24 V. Afin d'assurer le bon fonctionnement et la sécurité du dispositif, il est nécessaire d'étudier la chaîne de puissance, de choisir le moteur adapté et de vérifier que l'alimentation est suffisante pour répondre aux besoins du système.

Identification de la chaîne de puissance

L'énergie électrique fournie par la batterie est convertie en énergie mécanique permettant le déplacement symétrique des mors. La chaîne de puissance doit être identifiée et justifiée.

Le document réponse DR5 montre les différentes notations utilisées:

les rendements $\eta_1$, $\eta_2$, $\eta_3$ et le rendement global $\eta$;

les puissances $P_1$, $P_2$ et $P_3$;

la vitesse angulaire $\omega_2$;

le couple $C_2$.

Dans un système vis – écrou, la vitesse linéaire est définie par la relation suivante:

$$v = \frac{p \cdot \omega}{2\pi}$ $v$: vitesse linéaire en ($\text{m}\cdot\text{s}^{-1}$)

$\omega$: vitesse angulaire en ($\text{rad}\cdot\text{s}^{-1}$)

$p$: pas du système vis-écrou en ($\text{m}$)

Dans le cas de cette étude, le pas $p = 0{,}004\text{ m}$ et la vitesse $v = 0{,}01\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$.

4.6

Sachant que la puissance $P_3 = 40\text{ W}$, montrer que le rendement $\eta_3$ est égal à $0{,}35$.

4.7

Le rendement $\eta_2$ est égal à $0{,}9$ et celui de la carte de commande $\eta_1$ est égal à $0{,}95$. Calculer le rendement global $\eta$.

Vérification de l'autonomie du système

Le système est alimenté par 6 batteries de $24\text{ V}$ – $40\text{ Ah}$ ($960\text{ Wh}$) chacune. Chaque cycle complet (serrage + desserrage + escamotage) consomme $60\text{ Wh}$. Pour la suite de l'étude, le rendement global $\eta$ est égal à $0{,}3$.

4.8

Calculer l'énergie $E_{20\text{cycles}}$ en Wh nécessaire au système pour réaliser 20 cycles sans recharge.

4.9

Déterminer le nombre minimal de batteries pour 20 cycles et conclure sur le dimensionnement du système.

Mise en situation

Les hôpitaux disposant d'une station d'hélistation doivent assurer la stabilité de l'hélicoptère médicalisé lors des phases d'atterrissage, de ravitaillement et d'attente. Le dispositif Hélilock a pour fonction d'immobiliser automatiquement les patins de l'hélicoptère afin de garantir sa sécurité même en conditions météorologiques défavorables (vent, pluie, rafales). Ce système est composé d'un moteur électrique et d'une vis trapézoïdale double pas (LH/RH) entraînant le déplacement symétrique de deux mors en V arrondis venant pincer le patin. L'ensemble du mécanisme doit être modélisé pour comprendre la transformation du mouvement de rotation du moteur en translation symétrique des mors.

Problématique générale: la cinématique du système Hélilock permet-elle un serrage symétrique ?

Partie A: comment modéliser le système Hélilock afin de représenter les mouvements et les liaisons entre ses composants, et vérifier la transformation du mouvement de rotation du moteur en mouvement de translation symétrique des mors ?

DTS1: Vues repérées et nomenclature du système Hélilock

Remarque: La liaison entre les pièces 8 (Rails linéaires SBR16) et 9 (Patins linéaires SBR16UU) sont supposés fixes avec le châssis.

Repère

Désignation

Qté

Matière

1 · Moteur pas-à-pas NEMA 23 · 1 · —

2 · Accouplement flexible 8–10 mm · 1 · Aluminium anodisé

3 · Vis trapézoïdale TR16×4 LH/RH · 1 · Acier galvanisé

4 · Noix trapézoïdale LH TR16×4 · 1 · Bronze CuSn12

5 · Noix trapézoïdale RH TR16×4 · 1 · Bronze CuSn12

6 · Mors gauche LH (profil V 90°) · 1 · Inox 304L

7 · Mors droit RH (profil V 90°) · 1 · Inox 304L

8 · Rails linéaires SBR16 · 2 · Acier trempé

9 · Patins linéaires SBR16UU · 4 · Acier / Bronze

10 · Paliers BK12 / BF12 · 2 · Acier allié

11 · Châssis de base 600×280 mm · 1 · Aluminium 5083

12 · Support moteur NEMA 23 · 1 · Aluminium usiné

DTS2: Principe de la vis double pas LH / RH du système Hélilock

DTS3: Tableau des liaisons mécaniques normalisées

A.1

Sur le document réponse DRS1, identifier les différentes classes d'équivalence cinématique du système Hélilock, en regroupant les pièces qui sont indéformables entre elles. Pour chacune de ces classes, préciser son rôle fonctionnel au sein du mécanisme.

Repère de la classe

Éléments associés

Rôle fonctionnel

E0

Bâti (fixe)

E4

Patin d'hélicoptère

Élément extérieur immobilisé par les mors

A.2 & A.3

Question A.2: Identifier les liaisons et la nature des contacts entre les classes d'équivalence. Reporter ces éléments dans le document réponse DRS2.

Question A.3: Pour chaque contact identifié, préciser sur le document réponse DRS2:

les translations et les rotations possibles selon les axes,

le type de liaison normalisée.

Liaison entre classes

Nature des surfaces de contact

Translation selon axe (X, Y, Z)

Rotation selon axe (X, Y, Z)

Type de liaison normalisée

E0-E1

Palier cylindrique (BK12/BF12)

0

Rx

Pivot (La vis tourne autour de l'axe x)

E1-E2

Filetage trapézoïdal gauche

Tx

Rx

Filetage trapézoïdal droit

Tx

Rx

Contact mors/patin (V sur cylindre)

0 (non permanent)

0 (non permanent)

Appui linéaire (serrage mécanique)

E3-E4

Contact mors/patin (V sur cylindre)

0 (non permanent)

0 (non permanent)

Appui linéaire (serrage mécanique)

A.4

Tracer le graphe des liaisons entre les classes d'équivalence, sur copie.

A.5

Sur le document réponse DRS3, compléter le schéma cinématique minimal du système Hélilock. Le schéma devra mettre en évidence la chaîne fonctionnelle complète allant du moteur au patin: moteur → vis trapézoïdale → noix → mors → patin.

A.6

Expliquer comment la géométrie double pas (LH/RH) de la vis trapézoïdale assure un déplacement simultané et symétrique des deux mors.

A.7

Conclure si le système répond à la problématique.

Mise en situation

Les hôpitaux disposant d’une station d’hélistation doivent assurer la stabilité de l’hélicoptère médicalisé lors des phases d’atterrissage, de ravitaillement et d’attente. Le dispositif Hélilock a pour fonction d’immobiliser automatiquement les patins de l’hélicoptère afin de garantir sa sécurité même en conditions météorologiques défavorables (vent, pluie, rafales).

Ce système est composé d’un moteur électrique et d’une vis trapézoïdale double pas (LH/RH) entraînant le déplacement symétrique de deux mors en V arrondis venant pincer le patin. L’ensemble du mécanisme doit être modélisé pour comprendre la transformation du mouvement de rotation du moteur en translation symétrique des mors.

Partie B: comment vérifier que les éléments mécaniques du système sont correctement dimensionnés pour assurer le maintien des patins de l’hélicoptère ?

Lors du serrage du patin d’hélicoptère, les deux mors exercent chacun une force de 2 000 N sur la surface cylindrique du patin. Ces mors sont solidaires des chariots, eux-mêmes entraînés par la vis trapézoïdale double pas (LH/RH).

La vis, les noix et les mors sont donc soumis à des efforts mécaniques importants. Une étude simplifiée a permis de définir les efforts sur le sous-ensemble mors-vis.

DTS4: données mécaniques et caractéristiques des matériaux

Ce document présente les données mécaniques nécessaires au calcul de la contrainte dans la vis trapézoïdale ainsi que les caractéristiques des matériaux utilisables pour la fabrication des mors. Ces informations permettront de vérifier la résistance mécanique des composants et de sélectionner le matériau le plus adapté au système Hélilock.

Données mécaniques de la vis trapézoïdale

Donnée · Symbole · Valeur · Unité · Remarques

Force de serrage d’un mors · $F$ · 2 000 · N · Valeur issue du cahier des charges

Diamètre nominal de la vis · $D$ · 16 · mm · Filetage trapézoïdal TR16×4 LH/RH

Pas de vis · $p$ · 4 · mm · Avance par tour complet

Rendement global vis–noix · $\\eta$ · 0,35 · – · Inclut frottements vis/écrou lubrifiés

Matériau de la vis · C45 · $R_e = 350$ · MPa · Limite élastique du matériau

Coefficient de sécurité conseillé · $S$ · 3 · – · Recommandé pour la vérification mécanique

Calcul du couple de maintien: $$C = \frac{F \times p}{2\pi \times \eta}$$

Rappel des données

Force de serrage d'un mors: $F = 2\,000\text{ N}$ et vitesse de déplacement: $v = 0{,}01\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$.

Question B.3

Déterminer la puissance utile nécessaire au déplacement des mors lors du serrage du patin.

Question B.4

À l'aide des données du document technique DTS4, calculer le couple moteur $C$ nécessaire au maintien / serrage.

Question B.5

À partir du document technique DTS5 et des calculs précédents, choisir la référence du modèle de moteur adapté.

Mise en situation

Les hôpitaux disposant d’une station d’hélistation doivent assurer la stabilité de l’hélicoptère médicalisé lors des phases d’atterrissage, de ravitaillement et d’attente. Le dispositif Hélilock a pour fonction d’immobiliser automatiquement les patins de l’hélicoptère afin de garantir sa sécurité même en conditions météorologiques défavorables (vent, pluie, rafales).

Ce système est composé d’un moteur électrique et d’une vis trapézoïdale double pas (LH/RH) entraînant le déplacement symétrique de deux mors en V arrondis venant pincer le patin. L’ensemble du mécanisme doit être modélisé pour comprendre la transformation du mouvement de rotation du moteur en translation symétrique des mors.

Partie B: comment vérifier que les éléments mécaniques du système sont correctement dimensionnés pour assurer le maintien des patins de l’hélicoptère ?

Lors du serrage du patin d’hélicoptère, les deux mors exercent chacun une force de 2 000 N sur la surface cylindrique du patin. Ces mors sont solidaires des chariots, eux-mêmes entraînés par la vis trapézoïdale double pas (LH/RH).

La vis, les noix et les mors sont donc soumis à des efforts mécaniques importants. Une étude simplifiée a permis de définir les efforts sur le sous-ensemble mors-vis.

DTS4: données mécaniques et caractéristiques des matériaux

Ce document présente les données mécaniques nécessaires au calcul de la contrainte dans la vis trapézoïdale ainsi que les caractéristiques des matériaux utilisables pour la fabrication des mors. Ces informations permettront de vérifier la résistance mécanique des composants et de sélectionner le matériau le plus adapté au système Hélilock.

Données mécaniques de la vis trapézoïdale

Donnée · Symbole · Valeur · Unité · Remarques

Force de serrage d’un mors · $F$ · 2 000 · N · Valeur issue du cahier des charges

Diamètre nominal de la vis · $D$ · 16 · mm · Filetage trapézoïdal TR16×4 LH/RH

Pas de vis · $p$ · 4 · mm · Avance par tour complet

Rendement global vis–noix · $\\eta$ · 0,35 · – · Inclut frottements vis/écrou lubrifiés

Matériau de la vis · C45 · $R_e = 350$ · MPa · Limite élastique du matériau

Coefficient de sécurité conseillé · $S$ · 3 · – · Recommandé pour la vérification mécanique

Calcul du couple de maintien: $$C = \frac{F \times p}{2\pi \times \eta}$$

Question B.1

Identifier à quel type de sollicitation est soumise la vis.

Question B.2

Sur le document réponse DRS4, calculer la section $S$ puis la contrainte axiale $\sigma$ subie par la vis de diamètre $D = 16\text{ mm}$ lorsque la force de serrage exercée par un mors est $F = 2\,000\text{ N}$, exprimer le résultat en MPa.

Question B.6

Sur le document réponse DRS4 et en utilisant la contrainte axiale calculée et la limite élastique du matériau de la vis ($R_e = 350\text{ MPa}$), déterminer le coefficient de sécurité réel $S_{\text{réel}} = \frac{R_e}{\sigma}$. Le comparer au coefficient de sécurité conseillé ($S = 3$) et conclure sur la conformité du dimensionnement de la vis.

DRS4: Calcul de la contrainte dans la vis (Questions associées: B.2, B.6)

Donnée

Symbole

Expression

Application numérique

Unité

Force appliquée

$F$

$2\,000$

N

Diamètre de la vis

$D$

$16$

mm

Section de la vis

$S$

QB.2

QB.2

mm²

Contrainte axiale

$\sigma$

QB.2

QB.2

MPa

Limite élastique

$R_e$

$350$

MPa

Coefficient de sécurité réel

$S_{\text{réel}}$

$R_e / \sigma$

QB.6

Coefficient de sécurité conseillé

$S$

$3$

Validation $S_{\text{réel}} \ge S$ ?

✓ / ✗