AP KEPLER N°2

STATION SPATIALE ISS (6,5 points)
La station spatiale internationale ISS (International
Space Station) est à ce jour le plus grand des objets
artificiels placé en orbite terrestre à une altitude de
400 km.
Elle est occupée en permanence par un équipage
international qui se consacre à la recherche
scientifique dans l’environnement spatial. Jusqu’à
présent, trois vaisseaux cargos ATV ont permis de
ravitailler la station ISS.
Les parties A et B de cet exercice sont indépendantes.
PARTIE A : Étude du mouvement de la station spatiale ISS
La station spatiale internationale, supposée ponctuelle et notée S, évolue sur une orbite qu’on
admettra circulaire, dont le plan est incliné de 51,6° par rapport au plan de l’équateur. Son
altitude est environ égale à 400 km.
Données :
rayon de la Terre : R = 6380 km
masse de la station : m = 435 tonnes
masse de la Terre, supposée ponctuelle : M = 5,98 ×1024 kg
constante de gravitation universelle : G = 6,67×10-11 m3.kg–1.s–2
altitude de la station ISS : h
expression de la valeur de la force d’interaction gravitationnelle F entre deux corps A
et B ponctuels de masses respectives mA et mB, distants de d = AB :
m .m
F = G. A 2 B
d
1. Représenter sur un schéma :
- la Terre et la station S, supposée ponctuelle ;
r
- un vecteur unitaire u orienté de la station S vers la Terre (T) ;
- la force d’interaction gravitationnelle exercée par la Terre sur la station S.
r
Donner l’expression vectorielle de cette force en fonction du vecteur unitaire u .
uur
2. En considérant la seule action de la Terre, établir l’expression vectorielle de l’accélération aS
de la station dans le référentiel géocentrique, supposé galiléen, en fonction de G, M, h, R et du
r
vecteur unitaire u .
3. Vitesse du satellite.
3.1. Montrer que, dans le cas d’un mouvement circulaire, la valeur de la vitesse du satellite de la
GM
station a pour expression : v =
.
R+h
3.2. Calculer la valeur de la vitesse de la station en m.s–1.
4. Combien de révolutions autour de la Terre un astronaute présent à bord de la station spatiale
internationale fait-il en 24h ?
Bac S Amérique du nord 2013
CORRECTION ©
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EXERCICE II : STATION SPATIALE ISS (6,5 points)
Partie A : Étude du mouvement de la station spatiale ISS
1. (0,25 pt) Schéma r:
L’expression vectorielle de la force gravitationnelle
r
FT/S
T
u
r
FT/S exercée par la Terre T sur la station S est :
S
TS
(0,25 pt)
r
m.M ur
FT /S = G ⋅
.u .
2
( dTS )
2. Le système {station ISS} est étudié dans le référentiel géocentrique supposé galiléen.
r
(0,25 pt) La station n’est soumise qu’à la force gravitationnelle FT/S .
r
uur
La masse m de la station étant constante, la deuxième loi de Newton s’écrit : FT/S = m. aS
uur
m.M r
.u
m.a
=
En posant dTS = R + h il vient : G.
S
2
(R + h )
uur
G.M r
r
.u .
(0,25 pt) Finalement : aS =
2
τ
r
r
(R + h)
F
T/S
n
rr
3.1. (1 pt) Dans le repère de Frenet S,n,τ ,
(
r
le vecteur accélération s’écrit : aS =
)T
S
r dv r
v
.n +
.τ .
dt
(R + h )
r r
r
v 2 r dv r
avec n = u on a : aS =
.u +
.τ .
dt
(R + h )
2
En égalant les deux expressions de l’accélération, il vient :
G.M
(R + h)
r
.u
=
2
v 2 r dv r
.u + .τ
(R + h) dt
r G ⋅M

v2
sur
u
:
=

2
(R + h )

R + h)
(
Par identification on obtient : 
dv
 ur
sur τ : 0 = dt ⇒ v = cte
La valeur de la vitesse de la station est constante donc le mouvement est uniforme.
G⋅M
v2
L’expression de la vitesse v s’obtient à partir de la relation :
=
2
( R + h ) (R + h )
G⋅M
G⋅M
soit finalement : v =
R +h
(R + h)
3.2. (0,25 pt) On convertit R + h en m :
v2 =
6,67 × 10 −11 × 5,98 × 1024
= 7,67×
×103 m.s−1 = 7,67 km.s–1.
3
3
6380 × 10 + 400 × 10
4. (0,5 pt) Soit T la période de révolution de la station autour de la Terre, comme le mouvement
2π. (R + h )
est circulaire et uniforme de rayon R + h , la vitesse v s’écrit : v =
T
3
3
2π ( 6380 × 10 + 400 × 10 )
2π. (R + h )
(0,25 pt) donc T =
soit
= 5,56×103 s = 1,54 h
T=
3
v
7,67 × 10
∆t
(0,25 pt) Le nombre n de révolutions de la station en ∆t = 24 h est n =
T
v=
24
= 15,6. Un astronaute à bord de la station ISS fait plus de 15 fois le tour de la Terre en
1,54
24 h.
n=