Un sous-marin, comment ça marche ? Suite...

D'abord examinons les Sous-marins type Narval français des années cinquante.

Le Narval est un sous-marin classique autrement appelé "Diesel-Electrique" et chez les anglo-saxons SSK.

Partie arrière, du safran de gouvernail jusqu'à la cloison 50. 

Safran de la barre de direction. A gauche de l'hélice (sur l'image) : barre de plongée arrière. Ensuite, à l'intérieur, cloche AR et caisses d'assiettes AR (parties non visibles), "local barres", "sas nageur", "logements arrières", "local électriques" (  En bas : Moteurs électriques principaux, Moteurs électriques de croisières, en haut : Alternateurs (2 x 50 KVA et 1 x 10 KVA).

La partie centrale des types Narval, de la cloison 50 au Central.

A peine passé la cloison 50 on trouve les deux postes de commande de la propulsion électrique (MEP et MEC) puis le poste du chef de quart Groupes Electrogènes. Ensuite, c'est le local "échappements" (juste en dessous de la grosse boule jaune qui représente l'arrivée d'air frais.). Puis arrive la coursive cuisine (la cuisine est sur bâbord) ; sur tribord on trouve le "local ventilation", les 2 "poulaines" (WC), le local radio, la direction de lancement de torpilles (DLT). En partie centrale, depuis la cuisine, on trouve l'antenne filaire, les puits de mâts, l'accès au kiosque (Périscope d'attaque et barre de direction) et Postes de veille sonar. Sur Tribord après la cuisine, le second poste radio, le radar, la table traçante et les GCO2.

DU HAUT VERS LE BAS et de GAUCHE à DROITE

Au niveau supérieur :

La cathédrale, général schnorchel, clapet supérieur air frais, mâts, périscope d'attaque et périscope de veille, le kiosque et la baignoire.

Au niveau principal (les locaux) :

Le poste de quart propulsion, la conduite Groupes électrogènes, les échappements, la cuisine, le CO et le Central.

Au niveau inférieur :

A fond de cale, les 3 groupes électrogènes (dynamos et diesels), les auxiliaires (mouvements d'eau pour l'assiette et la pesée, l'assèchement, sas poulaines et ordures, mouvements de gazole, production d'eau douce, etc. Et les puits de mâts.

Juste à l'avant du kiosque et après le poste central : les logements (le carré, le wagon "pour les officiers" et le poste équipage bâbord) et les 2 locaux batteries ( 2 x 170 accumulateurs au plomb pour U volts = 340 V ; les 2 en parallèles pour P = 20 000 ampères/heure) + la cloison 124 (cloison étanche qui sépare le poste torpilles du reste du bateau).

Le poste torpilles des types Narval.

Après la cloison 124 en haut on trouve le panneau d'embarquement des torpilles. Les rances de stockage des torpilles sont situées de part et d'autre du poste torpille et contre la coque prend place le stockage des boîtes d'IR8 et les chandelles à oxygène ainsi que les coffrets de biberonnage. A l'extrême avant 6 tubes lance-torpilles avec chasse à air comprimée. Ils ont tiré des Z 13, E 12, E 14, L 3 et L5.

Les Purges des ballasts

des sous-marins type Narval (de 1958 à 1990)

Les purges sont autoclaves. C'est à dire que, si par accident de l'air entre dans le ballast, il ne peut pas s'en échapper. La raison évidente est la discrétion. Par contre la présence d'air, non voulue, dans un ballast peut s'avérer très dommageable. En effet, l'air réagit fortement à la pression.

Les régleurs, comme vue sur la page précédente, servent à équilibrer le bateau en pesée. De façon à toujours avoir Poids=Poussée. Ces cylindres de la forme d'une banane sont compartimentés de manière à minimiser les phénomènes de carène liquide et assurer le maximum de discrétion acoustique.

schéma d'un régleur d'un sous-marin diesel électrique (smd) français type Narval

La présentation du tarage des disjoncteurs permet d'appréhender les puissances mises en jeu à bord d'un sous-marin. En effet les intensités présentées ici sont très lointaines de celles relevées en temps ordinaire. Mais, il faut tenir compte qu'un sous-marin est constamment placé en situation de conflit et qu'il doit faire face à des demandes de puissances instantanées hors normes.

Tarage des disjoncteurs d'un smd type Narval

Un sous-marin comment ça marche ! (Part 2.)

Préambule.

Il y a des bateaux qui vont sur l’eau et des bateaux qui vont sous l’eau. Dans ce dernier cas, il existe le submersible, le sous-marin et le bathyscaphe.

• a - Le submersible est un bateau qui navigue sur l’eau et qui peut occasionnellement plonger.
• b - Le sous-marin est un bateau qui navigue sous l’eau et qui peut occasionnellement naviguer en surface.
• c - Le bathyscaphe est un sous-marin qui plonge à de très grandes profondeurs.

"LES SOUS-MARINS"

La forme d'un sous-marin n'est pas due au hasard. Elle a été méthodiquement conçue. La mécanique des fluides est la science qui permet de mettre au point la coque d'un sous-marin.

Nous pouvons comparer la forme des sous-marins actuels à la forme d'un ballon dirigeable. Dans le domaine aéronautique, l'aérodynamisme des avions comptent beaucoup car plus l'avion a une forte résistance aux frottements de l'air, plus ils consomment de carburant et plus il perd de la vitesse.

Pour les sous-marins, on ne parle pas d'aérodynamisme mais d'hydrodynamisme. En effet, les frottements sont dus à l'eau. Les ingénieurs qui conçoivent les sous-marins leurs donnent la forme la mieux adaptée pour qu'ils "fendent" l'eau, afin qu'ils aient la meilleure pénétration possible dans l'eau.

 PRINCIPES FONDAMENTAUX

Deux grands principes régissent le fonctionnement du sous-marin.

Le principe d'Archimède :

Tout corps plongé dans un liquide (ou un gaz) reçoit une poussée, qui s'exerce de bas en haut, et qui est égale au poids du volume de liquide déplacé.

 Encore appelé "poussée d’Archimède" est la force particulière que subit un corps plongé en tout ou en partie dans un fluide (gaz ou liquide) soumis à un champ de gravité.

Cette force provient de l’augmentation de la pression du fluide avec la profondeur. La pression étant plus forte sur la partie inférieure d’un objet immergé que sur sa partie supérieure, il en résulte une poussée verticale orientée vers le haut.

Cette poussée définit la flottabilité d’un corps.

Le principe de Pascal :

L'eau ne peut pas se comprimer, ni augmenter de volume, c'est le principe de Pascal. Si on lui fait subir une pression, elle va retransmettre cette pression subie. Or la pression d'une masse liquide est la même sur tous ses points d'application. C'est sur la base de ce principe que fonctionnent des appareils tels que les presses hydrauliques ou les systèmes de freinage hydrauliques.

Dans un liquide en équilibre et de masse volumique uniforme, la pression est la même en tout point du liquide et cela aussi longtemps que ces points sont à la même profondeur.

 Dans un liquide en équilibre de masse volumique, la différence des pressions en deux points est égale au poids de la colonne de liquide ayant pour section l'unité de surface et pour hauteur la différence de niveau des deux points.

 La pression augmente en fonction de la profondeur, ce phénomène est bien connu des plongeurs. A 10m de profondeur, la pression est deux fois celle de l'atmosphère au niveau de la mer. Elle augmente de 100 kPa par tranche de 10m. Ceci concerne au premier chef les sous-marins.

PLONGER

 Pour allez sous l’eau, donc pour plonger, le sous-marin doit jouer sur sa flottabilité. Il doit s’alourdir.

Lorsqu’il est en surface, le sous-marin flotte grâce à la présence d’une grande quantité d’air dans des capacités appelés : ballasts.

Les ballasts possèdent deux ouvertures l’une à sa base et l’autre disposée au point le plus haut. Cette dernière ouverture est équipé d’une opercule manœuvrable en ouverture et fermeture : c’est la purge du ballast.

 Ballast rempli d’air : le sous-marin flotte en surface.

Ouverture de la purge : sous la pression de l’eau (entrée par le bas) l’air s’échappe par la purge et l’eau pénètre en totalité dans le ballast. Le poids du bateau augmente, sa flottabilité diminue donc il s’enfonce.

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Trois données entrent alors en jeu :

L'assiette

L’assiette définit l’inclinaison longitudinale d'un sous-marin. C'est l'angle alpha que fait le fond du sous-marin avec l'horizontal. Elle dépend de la position du centre de gravité c'est à dire de la répartition des poids dans la coque, par rapport au centre de poussée.
Si le sous-marin est trop chargé à l'arrière, il s'incline, l'angle alpha est positif : l'assiette est positive. Inversement s'il est trop chargé à l'avant, l'assiette est négative. Si alpha est nul, le bâtiment est horizontal. Il est en assiette zéro.

La gîte

La gîte définit l’inclinaison transversale d'un sous-marin. C'est l'angle B que fait l'axe longitudinal du plan transversal avec la verticale.
Si le sous-marin est trop chargé à bâbord, il s'incline vers la gauche on dit qu'il y a de la gîte sur bâbord. De même s'il est trop chargé à tribord, il y a de la gîte sur tribord.

La stabilité

La stabilité est la qualité que possède un sous-marin à revenir en assiette zéro (position  horizontale) et sans gîte lorsqu'il est écarté de cette position pour une raison quelconque: houle, mouvement de poids à l'intérieur du sous-marin, etc...

Pour une meilleure stabilité, il faut abaisser au maximum le centre de gravité et pour cela, il importe de placer les installations les plus lourdes dans les fonds du sous-marin. Ainsi, lorsqu'il navigue, le sous-marin subit constamment des variations de poids, dues notamment à la consommations de vivres, de carburants (variations en -), ou à des entrées accidentelles d'eau de mer ( variations en +). Il subit aussi des variations de centre de gravité, par exemple si tout l'équipage se déplace en même temps vers l'avant du bateau pour une séance de cinéma On doit donc en permanence effectuer la "pesée" du sous-marin c'est à dire l'ensemble des opérations qui concourent à rétablir l'égalité Poids=Poussée, pour faire naviguer le bateau en plongée en assiette zéro et sans gîte. Pour cela il dispose de caisses à eau spécifiques (régleurs, compensateur, caisses d'assiette) appelées caisses de réglage.

 CAISSES DE REGLAGE

 Lorsqu'un sous-marin plonge, il remplit ses ballasts mais le volume des ballasts ne peut être modifié. Il réside donc un problème au niveau de la pesée (stabilité) du sous-marin en plongée. En effet, la consommation de carburant, de vivres, le rejet de déchets allége ce dernier et par conséquent le fait remonter à la surface.

Pour résoudre ce problème ont été installé sur les sous-marins ce qu'on appelle des caisses de réglage, également appelées "régleurs". Ce sont des caisses résistantes, qui permettent de réaliser en toutes circonstances l’équation poids=poussée. Ce sont des caisses dans lesquelles peuvent être stocké une quantité d'eau de mer variable : l'admission d'eau de mer dans les caisses alourdissent le bâtiment et à l’inverse, le pompage de l'eau à l‘intérieur de ces caisses, pour l'évacuer à la mer, allège le bateau.

Le sous-marin subit une pesée lors de ses tests de validation, c'est-à-dire qu'il faut peser le bâtiment et l'équilibrer pour ajuster son poids à la poussée d'Archimède. Cette pesée se fait à l'aide de poids (gueuses) que l'on répartit à fond de cale. Cette pesée initiale n'est modifiée qu'en deux cas :

       a - changement d'affectation du sous-marin et changement de zone de patrouille principales (Par exemple un type Narval quitte Lorient - océan Atlantique - pour être affecté à Toulon - mer Méditerranée -).

       b - changement structurel du sous-marin (modification sensible de la coque, rajout ou suppression sensible de poids - par ex : enlèvement de 4 tubes lances torpilles sur 6, rajout d'un groupe électrogène, etc.).

Sur les sous-marins modernes, le volume des régleurs est déterminé à la construction en fonction d'une fourchette de variations de la densité de l'eau - par exemple de 1 à 1,04 - et de programmes d'activités donnés. Cette fourchette de 3% fait quand même 2 500 m³  pour un sous marin de 9 000 t.

Ces caisses de réglage sont toujours résistantes à la pression d'immersion. Placées au début à l'intérieur de la coque épaisse, elles ont ensuite été rejetées à l'extérieur puis sont revenues, sur les sous-marins modernes à coque unique, à l'intérieur. Elles sont situées au centre de gravité du sous-marin. Elles sont au minimum au nombre de deux.

Elle permettent également de corriger la gîte du bateau par un système de transfert d’eau de bâbord sur tribord et vis-versa.

Schéma d'une caisse de réglage.

S'il faut admettre de l'eau pour alourdir le sous-marin, on ouvre le robinet (A) et l'entrée d'eau est immédiate grâce à la pression extérieure. Si cette surpression est trop importante, par exemple dans un bâtiment à grande immersion, on ouvre le robinet (B) et l'entrée d'eau se fait de la même façon mais par l'intermédiaire du limiteur de débit (L). S'il faut chasser de l'eau (rejeter à l’extérieur), il n'y a pas de robinet à ouvrir mais la vidange se fait par la pompe (P), par l'intermédiaire du clapet de non-retour (CNR). A un instant donné, un régleur est disposé en vidange et l'autre en remplissage mais on peut inverser les fonctions à tout moment. Les mouvements de vidange peuvent se faire également, en secours, avec de l'air comprimé en gonflant le régleur à vider à une pression supérieure à la pression d'immersion et en ouvrant le robinet (A).

Certains sous-marins d'avant guerre étaient équipés de caisses supplémentaires appelées caisses de plongée rapide qui permettaient au sous marin de plonger plus rapidement pour échapper à une détection aérienne en admettant plus d'eau à l'intérieur du bâtiment. Cependant, il ne fallait pas oublier de vider ces caisses par la suite sous peine de faire couler définitivement le sous-marin.

La commande des vannes, robinets et pompes se fait à partir d'un pupitre du PCNO, le Poste Central Navigation Opérations, qui n'est autre que le poste de contrôle et de commandement du sous-marin . Les quantités d'eau admises ou évacuées sont mesurées par des compteurs. La situation des niveaux dans chaque régleur est contrôlée en permanence par des indicateurs de niveau dont le capteur est un manomètre à pression différentielle. La pression absolue dans chaque régleur est également affichée en permanence.

Les mouvements de personnel à l'intérieur du sous-marin, la consommation de carburant, de vivres entraînent un déséquilibre du bâtiment sur le plan horizontale. On utilise le terme d'assiette pour parler de l'inclinaison longitudinale du sous-marin.

C'est l'angle alpha que fait le fond du sous-marin avec l'horizontale. Elle dépend de la position du centre de gravité, c'est-à-dire de la répartition des poids dans la coque, par rapport au centre de poussée. Si le sous-marin est trop chargé à l'arrière, il s'incline donc l'angle alpha est positif : l'assiette est positive. Inversement s'il est trop chargé à l'avant, l'assiette est négative.

Si alpha est nul, le bâtiment est horizontal. Il est en assiette zéro.

Les caisses d'assiette sont des caisses résistantes incorporées à la structure du sous-marin fonctionnant par paire. Elles sont situées aux extrémités de la coque épaisse et partiellement remplies d'eau douce traitée. Le transfert d'une certaine masse d'eau d'une caisse dans l'autre, comme on peut le faire avec les plateaux d'une balance, entraîne un déplacement longitudinal du centre de gravité, et donc une modification de l'assiette.

Les mouvements d'eau d'une caisse d'assiette dans l'autre sont effectués par pompes ou, en secours, en gonflant l'une à l'air pour repousser l'eau de l'une dans l'autre.

Sur les mini sous-marins (bathyscaphe), munis d'un bras articulé pouvant prélever des objets, donc susceptibles d'être déséquilibrés rapidement, le circuit d'assiette est rempli de mercure beaucoup plus dense.

Les ballasts sont des volumes compris entre la coque épaisse et la coque mince, en communication constante avec la mer par le bas. Ils étaient constitués, pour les "petits" sous-marins du début, par de simples caisses intérieures d'un faible volume, qu'on remplissait et vidait avec une pompe. Les ballasts ont été "rejetés" à l'extérieur de la coque épaisse sur les sous-marins à double coque, ce qui n'a pas empêché en parallèle de construire des sous-marins à coque unique avec des volumes de ballasts intérieurs plus importants. Ceux-ci ont longtemps été et sont encore, sur certains sous-marins non nucléaires, annulaires ou en "selle de cheval".

Les ballasts marchent par paire: un bâbord et un tribord, le nombre de cas pouvant aller, à certaines époques, jusqu'à douze. Dans le cas des coques uniques, les ballasts sont maintenant placés en "taille de guêpe", ou plus généralement au niveau d'un rétrécissement du diamètre de la coque et, dernière option sur les plus récents, directement à l'avant et à l'arrière.

Sur les sous-marins des dernières générations, le nombre de paires de ballasts ne dépasse pas six: trois à l'arrière, trois à l'avant. Les ballasts les plus proches, touchant la coque épaisse, sont toujours appelés "les centraux", bien qu'ils soient très éloignés du centre.

Evolution des ballasts.

Les ballasts ne peuvent être que dans deux situations : pleins d'air en surface, pleins d'eau de mer en plongée.

Le poids d'eau de mer contenu dans les ballasts correspond à la flottabilité du sous-marin, et la quantité d'eau de mer introduite dans ces ballasts est égale au volume émergé en surface.

Comment marche un ballast ?

Qui n'a pas un jour placé un verre renversé, ou un goulot de bouteille, à la surface de l'eau et essayé de l'enfoncer ? L'eau ne rentre pas c'est bien connu, la pression de l'air enfermé dans le verre ou la bouteille s'y opposant. C'est ce principe qui prévaut dans un ballast. Il est équipé à la partie haute d'une "purge" que l'on ouvre au moment de plonger et qui permet à l'air qu'il contient de s'échapper. Lorsque l'on ouvre ces purges, l'air est bien sûr remplacé par de l'eau qui s'introduit dans le ballast par des remplissages qui sont des orifices ouverts situés sous les ballasts qui mettent en permanence le fond des ballasts en communication avec la mer, l'équilibrant ave la pression d'immersion. Si on admet, par exemple, que le remplissage est placé à 10 mètres de la surface pour un sous-marin de 10 mètres de diamètre et que le ballast ne contient pas d'eau en surface, la pression dans celui-ci est donc de 2 bars -1 pour la pression atmosphérique et 1 pour les 10 mètres d'immersion du remplissage. C'est cette surpression en surface qui entraîne un bruit caractéristique et ce dégagement de "vapeur" quand on ouvre les purges pour plonger.

Fonctionnement des ballasts.

Le clapet de purge peut être autoclave, c'est-à-dire qu'il est plaqué sur son siège par cette pression de 1 bar régnant en surface, mais également non autoclave.

Schéma de purges autoclaves et non autoclaves.

La commande des purges a d'abord été manuelle et locale. Le temps de remplissage des ballasts, donc de prise de plongée, sur les sous-marins à fort coefficient de flottabilité était très important. Une augmentation de la section des purges, des remplissages et une centralisation des commandes a progressivement réduit le temps que l'on calcule maintenant entre trente secondes et une minute. Sur les sous-marins modernes, la commande des purges est télécommandée à partir de commutateurs situés sur un tableau particulier du PCNO ( Poste Central Navigation Opérations), le TCSP, Tableau Central Sécurité Plongée qui permet le contrôle et la conduite du sous-marin.

Manœuvrabilité du sous-marins

 Tout comme un aéronef le sous-marin se déplace dans les trois dimensions : de gauche à droite, de bas en haut et sur un plan longitudinal (Il a cependant un avantage sur l’avion, c’est qu’il peut aller en avant et en arrière).

Organes de direction

 "SAFRAN DE DIRECTION"

 Les safrans de direction ont évolué avec la forme de la coque des sous-marins. Notons les sous-marins de type aurore (1935) qui ont leurs gouvernes placées après l'hélice. Les sous-marins NG (Nouvelles Générations) type Redoutable, prenant la forme d'un cigare, ont permis de placer deux safrans (idée copiée sur la morphologie des poissons).
Lun des rôles principale des safrans de direction est de s'affranchir des turbulences créées par l'hélice.

Dans les premiers sous-marins, comme dans la majorité des bateaux actuels, le système de direction est une manœuvre à bras. Ce système a été ensuite remplacé par des palonniers. Nous pouvons noter trois évolutions de ceux-ci.

Premièrement entraînés par un moteur et une vis sans fin.

Puis par un moteur à l'huile sous haute-pression.

Et enfin par système de presse avec piston (qui a l'inconvénient d'interdire toute intervention en cas d'accident sur une presse).
Celui-ci est d'une importante fiabilité. C'est la raison pour laquelle sur certains bâtiments les vérins ne sont plus dédoublés.

A présent analysons les forces rentrant en compte dans de telles manœuvres.

- Lorsqu'un sous-marin avance, il déplace de l'eau donc il la déforme. La barre est à 0, la coque est symétrique. Il avance sur une ligne droite, il n'y a aucun champ de pression, ni champ de force.

- En appliquant un certain angle aux barres, on détruit la symétrie du sous-marin. Il y a un champ de direction autour des safrans ce qui entraîne une force que l'on peut décomposer en deux.
Une force parallèle au sous-marin qui le freine, et une force transversale qui donne l'impression de le faire chasser vers l'arrière. L'arrière impose alors progressivement son inclinaison à l'ensemble du sous-marin.

Les barres de plongée avant sont utilisées pour les déplacements lents car la propulsion est à l'arrière, ce qui rend les gouvernes arrières prioritaires sur les barres de plongée avant. C'est pour cette raison que les barres de plongées avant sont dans beaucoup de sous-marins escamotables.
De plus, malgré l'étude approfondit de l'hydrodynamisme de celles-ci, elles peuvent générer des bruits.

Les différents systèmes de rétraction des barres de plongée

Appareil propulsif

sous-marins "classiques" SMD type Narval, Daphné et Aréthuse

LA PROPULSION

Le moteur électrique a comme avantage de ne pas nécessiter de contact avec l’atmosphère mais il a comme inconvénient une réserve d’énergie limitée, il y a donc obligation de naviguer au schnorchel.

Le moteur diésel a comme inconvénient l’obligation de naviguer au schnorchel mais il a comme avantage une réserve d’énergie importante.

La propulsion des sous-marins "classiques" est un compromis entre le diésel (Groupe Electrogène) et le moteur électrique.

Il n’y aucune liaison entre les moteurs diésel et la ligne d’arbre, la propulsion est toujours assurée par le moteur électrique.

Avantages de la propulsion électrique :

  rapidité de plongée (plus d’embrayeur)
  souplesse de manœuvre
  simplification de construction
  recharge des batteries par des moteurs plus rapides aux temps de réchauffage très court (<10 minutes) pouvant être utilisés à grande puissance, légers et avec une conduite peu délicate.

Les moteurs diesel (Groupe Electrogène)

La puissance peut être utilisée :

  uniquement pour recharger les batteries
  uniquement pour les moteurs électriques
  en secours afin d’assurer l’alimentation des auxiliaires et le fonctionnement des moteurs électriques
  alimenter les moteurs électriques et les batteries

LES LIGNES D’ARBRES

  elle a pour but de transmettre le mouvement du moteur électrique à l’hélice.

  Toutes les lignes d’arbre possèdent une hélice, une butée, un moteur électrique et un frein.

  Sur les "Narval" les deux lignes d’arbre sont divergentes de 1°40, elles sont divergentes pour avoir une meilleur répartition des forces, elles sont supra-divergentes et sont à 2m90 sous l’eau en moyenne.

  L’arbre est toujours creux pour résister aux efforts de torsion.

  Paliers en gaïac (arbre d’Amérique Centrale à bois très dur).

  Un presse étoupe grande profondeur + sécurité

  Les hélices sont formées de cinq pales

La butée de ligne d’arbre

Elle a pour rôle de transmettre la poussée de l’hélice au sous-marin et d’absorber la poussée hydrostatique, elle guide longitudinalement la ligne d’arbre, elle est fixée à la coque épaisse.

Cette butée est soumise à des contrôles :
  monture de niveau
  manomètre Dupleix sur la pompe à eau
  thermomètre à distance
  éventuellement un indicateur de poussée et un indicateur de déplacement.

 Le frein

But : immobilisation de la ligne d’arbre en cas d’avarie de celle-ci pour effectuer les travaux.

  couple de serrage de 1 500 kg