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DS de synthèse 1er semestre Exercice 1 - Centrifugeuse Adapté et extrait de CCP

DS de synthèse 1er semestre Exercice 1 - Centrifugeuse Adapté et extrait de CCP Corrigé page ?? A. Présentation A.1. Introduction Les avions modernes sont capables de fournir de fortes accélérations et des variations très brusques d’accélération qui provoquent la diminution de la pression sanguine dans le cerveau, ce qui peut entraîner des troubles de vision parfois accompagnés de perte de connaissance momentanée du pilote. De même, les astronautes, en phases de décollage et de retour sur terre, subissent des accélérations parfois très importantes. Pour prévenir ces pertes de connaissance, qui peuvent devenir catastrophique, il est nécessaire d’en- traîner les pilotes dans des centrifugeuses modernes qui recréent artificiellement ces accélérations élevées avec des mouvements appropriés de rotation. FIGURE 1 – La patrouille de France en vol (regroupement et évitement, deux phases éprouvantes pour le pilote Les laboratoires de médecine aérospatiale utilisent les « centrifugeuses humaines » comme moyen d’essai pour rechercher les effets physiologiques des fortes accélérations sur l’équipage, pour déve- lopper des moyens de protection contre ces effets (combinaison anti-G par exemple), et pour mettre au point de nouvelles méthodes permettant d’augmenter la tolérance humaine aux accélérations (ré- glage de l’inclinaison des sièges pilote, exercices de contraction musculaire et de respiration). A.2. Recherche médicale sur les effets des fortes accélérations Les accélérations les plus fortes subies par les pilotes apparaissent pendant les phases de ressource (descente en piqué suivie d’une montée rapide); l’accélération est alors dans l’axe du corps humain, dirigée vers le bas et peut atteindre 8 où 9 fois l’accélération de pesanteur (on parle de 8 ou 9 g). On constate une déformation du squelette ainsi qu’une descente du cœur dans la poitrine de l’ordre de 10 cm. Il y a aussi transfert du sang vers la partie inférieure du corps et diminution de la pression sanguine dans le cerveau. Les pantalons anti-G traditionnels couvrent le bas du corps en maintenant une pression sur les membres inférieurs pour limiter ce transfert sanguin. Des recherches récentes ont porté sur un système de respiration assistée, en forçant de l’air sous pression dans les poumons tout en appliquant une contre-pression sur la partie supérieure du corps grâce à une combinaison anti-G. La mise sous pression de la combinaison est déclenchée par un régulateur de débit dont le temps de réaction est actuellement de une à quatre secondes après l’apparition des accélérations. La commande par microprocesseur des nouveaux régulateurs permettra de déclencher la mise sous pression en synchronisme avec l’apparition des accélérations. 1 La courbe figure 2 représente en fonction du temps, le niveau d’accélération (exprimé en nombre de G) toléré par un homme. Cette courbe résume les différents phénomènes physiologiques apparaissant au cours de la montée en accélération. Voile gris/ voile noir LUCIDITÉ PERTE DE CONNAISSANCE Réserve d'oxygène dans le cerveau Courbe de réponse cardio-vasculaire Zone critique Temps (s) Accélération (g) 9 7 5 3 1 0 5 10 15 20 25 FIGURE 2 – Courbe d’acceptation physiologique de l’accélération A.3. Entraînement des pilotes en centrifugeuse Pour aider les pilotes à supporter les fortes accélérations, un entraînement à terre dans un système appelé « centrifugeuse » est eﬀicace, moins coûteux qu’un entraînement en vol et plus sûr (figure 3). FIGURE 3 – Centrifugeuse et pilote en situation d’entraînement La baisse de pression sanguine est d’abord sensible au niveau des yeux (voile gris puis voile noir), puis au niveau du cerveau. Ceci permet au pilote lors des montées progressives en accélération de ressentir d’abord les symptômes visuels environ 1g avant la perte de connaissance. Grâce aux séances d’entraînement en centrifugeuse, les pilotes apprennent ainsi à reconnaître la nature des troubles de vision qu’entraînent les fortes accélérations et comment résister à cet effet par des manœuvres anti-G faisant appel à des efforts de contraction musculaires et à une respiration particulière. Ceci est réalisé pendant un essai de montée en accélération avec un taux de montée de 0,1 G/s alors que le pilote appuie en permanence sur le bouton autorisant la poursuite de l’essai (figure 4). 2 1,2 Max 9 Accélération (g) Début des troubles visuels Tauxde montée = 0,1 g/s Le pilote relache volontairement le bouton arrêt Exercices anti-G Temps (s) 90 0 FIGURE 4 – Profil d’accélération en phase d’apprentissage; à l’apparition des symptômes (voile gris ou voile noir), le pilote relache le bouton d’arrêt. 1,2 Max 9 Accélération (g) t (s) 90 0 6g 15 s 8g 10 s 7g 25 s 9g 15 s 4g 1,2g 2g FIGURE 5 – Profil d’accélération type en phase de mission Avec les exercices anti-G, un bon pi- lote doit augmenter son niveau d’accé- lération de 3 G au minimum. À la fin de son entraînement, le pilote doit pouvoir exécuter le profil « suivi d’objectif » figure 5 : le pilote, tout en continuant à faire ses exercices de res- piration et de contraction musculaire anti-G, commande lui-même la centri- fugeuse en suivant une cible mobile qui s’aﬀiche devant lui sur un écran. B. Description des centrifugeuses Latécoère Pour assurer l’entraînement des pilotes et des astronautes, des machines spéciales, les centrifu- geuses humaines, ont été développées depuis les années 50. Deux générations de centrifugeuses se- ront étudiées dans la suite. B.1. Centrifugeuse Latécoère de 1ère génération La figure 6 illustre l’architecture matérielle de la centrifugeuse. Elle comprend : — un bras tournant autour d’un axe vertical et à l’extrémité duquel est montée une nacelle en balancier dont l’inclinaison est asservie à la direction de l’accélération résultante; — un ensemble de motorisation; — un pupitre de commande; — un logiciel de mise en œuvre; — une série d’équipements, d’installations de tests et de surveillance du pilote; — un siège d’avion avec son environnement (manche, manette des gaz...); — un système de vidéo surveillance du pilote; — un ensemble phonie pour dialoguer avec le poste de commande; — un ensemble de mesure du champ visuel; — un système de test de poursuite de cible; — une commande d’accélération en nacelle; — des équipements médicaux (électrocardio- graphe, électroencéphalographe, mesure du débit cardiaque, mesure de la pression artérielle, ballons de mesure des gaz expi- rés, mesure du champ visuel); — un système de climatisation de la nacelle. B.2. Centrifugeuse Latécoère de 2ème génération La figure 7 illustre l’architecture matérielle de la centrifugeuse. 3 Moteur Frein Contre poids Nacelle Bras Nacelle Sol Axe de rotation FIGURE 6 – Dessin de la centrifugeuse humaine 1ère génération FIGURE 7 – Dessin de la centrifugeuse humaine 2ème génération — un bras en treillis (pour diminuer l’inertie) tournant autour d’un axe vertical et à l’extrémité du- quel est montée une nacelle mobile suivant 2 axes de rotation perpendiculaires; le mouvement de rotation de l’anneau par rapport au bras simulant le roulis de l’avion, et le mouvement de rotation de la nacelle par rapport à l’anneau simulant le tangage de l’avion; — un ensemble de motorisation; 4 — une salle de contrôle attenante complètement isolée pour les rayonnements électromagnétiques afin de supprimer les parasites reçus ou émis, et comprenant les 4 calculateurs de mise en œuvre. une série d’équipements, d’installations de tests et de surveillance du pilote semblables à ceux de la centrifugeuse de première génération. B.3. Cahier des charges Le diagramme des exigences partiel de la figure 8 exprime les éléments principaux du cahier des charges. req : Centrifugeuse humaine « Exigence » text = "Permettre l'entrainement des pilotes" « Exigence » text = "Reproduire les sollicitation de vol" « Exigence » text = "Assurer la sécurité des pilotes" « Exigence » text = "Permettre un suivi médical" « Exigence » text = "Respecter les normes" « Exigence » text = "Interdire les accélérations latérales" « Exigence » text = "Donner un contrôle d'arrêt au pilote" « Exigence » text = "Assurer un niveau d'accélération entre 1 g et 12 g" « Exigence » text = "Permettre des changements rapides d'accélération à 10 g/s" « Satisfy » « Satisfy » « Satisfy » « Satisfy » FIGURE 8 – Diagramme des exigences de la centrifugeuse Caractéristiques Centrifugeuse Centrifugeuse Latécoère L1001 Latécoère 101.3 Rayon du bras 6 m 8 m Axes commandés 2 3 Axe vertical oui oui Axe roulis oui oui Axe tangage non oui Dimensions 1,3 × 2 × 3,1 2 × 2,6 × 3,2 (≈8 m3) (≈10 m3) Accélération max 10 g 15 g Vitesse de rotation max 0,7 tr/s 0,7 tr/s Angle de roulis 0 - 90◦ 0 - 90◦ Angle de tangage 0 - 360◦ Montée en accélération 6 g/s 10 g/s Accélération angulaire Axe vertical 3 rad/s2 3 rad/s2 Axe roulis + tangage 10 rad/s2 (limite physiologique) TABLEAU 8 – Performances des centrifugeuses de 1ère et 2ème génération Il faut noter que le corps humain est habitué aux accélérations verti- cales car il subit l’accélération de la pesanteur en permanence et en mar- chant ou en sautant, le corps peut encaisser des accélérations transi- toires de 2 à 3g. Par contre, il n’est pas habitué aux accélérations laté- rales, pour lesquel un faible niveau suﬀit pour devenir mortel. La cen- trifugeuse doit donc assurer une accélération uploads/Management/ ds-de-synthese-1er-semestre-exercice-1-centrifugeuse.pdf