Les sous-marins

Les sous-marins intriguent les plus petits comme les plus grands et font toujours l’objet de curiosité et de questionnements… D’où vient donc ce pouvoir de fascination ?

Le Drakkar sous-marin vu par Alex

Quel enfant n’a jamais rêvé de pénétrer dans un sous-marin ? C’est aujourd’hui possible dans de nombreux sous-marins démantelés et mis en exposition comme l’Argonaute (sous-marin des années 50) à la cité des sciences de la Villette à Paris ou le Redoutable à Cherbourg (le premier sous marin nucléaire français). Cependant, il est souvent difficile de se faire une idée de leur fonctionnement, ce que je vais donc essayer de vous expliquer dans ce billet.

Le sous-marin se différencie du bathyscaphe par sa capacité à pouvoir se déplacer en surface de l’eau ainsi que sous l’eau dans les 3 dimensions (le bathyscaphe ne peut se déplacer que selon l’axe vertical). Un sous-marin est donc doté d’un système de propulsion et de safrans de direction (gouvernails) pour se mouvoir dans les 3 dimensions ainsi que d’un ensemble de ballasts pour plonger et « flotter entre deux eaux ».

Le principe physique

Les sous-marins sont basés sur le principe de la poussée d’Archimède qui dit que « Tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé ; cette force est appelée poussée d'Archimède ». On peut formuler cette loi de manière mathématique en écrivant que la force résultante de cette poussée verticale vers le haut est égale à : F = rho* V * g où « rho » et « V » sont la densité et le volume du fluide déplacé et « g » est l’accélération gravitationnelle (environ 10 m/s2 pour la Terre).

Appliquée au sous-marin, cette loi physique implique que pour faire demeurer le sous-marin sous l’eau à une profondeur constante, sa densité doit être égale à la densité de l’eau. Si la densité du sous-marin est supérieure, il coule et si sa densité est inferieure, il remontera vers la surface.

Comme les sous-marins doivent maitriser leur densité pour monter ou descendre et qu’ils ont un volume constant, un système de ballasts pouvant se remplir d’eau ou d’air permet de modifier la masse et donc la densité du sous-marin. Les ballasts sont des réservoirs situés entre la coque extérieure et la coque intérieure des sous-marins. Elles sont disposées symétriquement de manière à bien équilibrer le sous-marin et peuvent être reparties différemment selon le type de sous-marin. Il existe aussi des volumes plus petits appelés régleurs qui permettent de maîtriser précisément la masse du sous-marin pour adapter sa densité exacte en fonction du nombre de personnes et d’équipements à son bord. 

 

Répartition des ballasts dans différents types de sous marins.

Source : http://codingrulz.free.fr/fichiers/ballast.htm

La coque

Plus on plonge profondément, plus la pression exercée par l’eau sur le sous-marin est importante : c’est le principe de Pascal, qui peut s’écrire : dP = rho * g * dz avec « dP » la différence de pression en Pascal, « rho » la densité du liquide ou du gaz, « g » l’accélération gravitationnelle (environ 10 m/s2 pour la Terre) et « dz » la différence de hauteur, c’est-a-dire la profondeur pour un sous-marin.

Dans le cas d’un sous-marin à 10 mètres de profondeur sous l’eau (rho=1000 kg/m3 pour l’eau), la pression augmente donc de dP = rho * g * dz = 1000 * 10 * 10 = 100 000 Pascal = 1 bar.

Pour un sous-marin qui plonge à 200 m, il doit donc endurer des pressions de 20 bars sur sa coque car on veut conserver une pression de 1 bar à l’intérieur. Pour supporter ces pressions, les sous-marins possèdent 2 coques : la coque extérieure permet d’isoler les ballasts et ne subit aucune pression, elle est donc légère et sa forme est calculée pour être aérodynamique dans l’eau, alors que la coque intérieure doit être suffisamment épaisse et élastique pour encaisser les changements de pression. Il faut en général augmenter l’épaisseur de la coque intérieure de 10 mm pour pouvoir résister à une augmentation de pression de 10 bar (soit environ 100 m).

Le pilotage

Les sous-marins possèdent un système de propulsion pour se déplacer en translation selon 1 axe ainsi qu’un ensemble de safrans de direction pour modifier la trajectoire et l’inclinaison du sous-marin comme dans un avion. Les salles de contrôles des sous-marins modernes ressemblent donc plus à un cockpit d’avion qu’à une cabine de bateau.

Des caisses d’assiettes permettent également un équilibrage longitudinal du sous-marin de manière à le conserver horizontal ou selon un angle précis avec l’horizon quelques soit les déséquilibres dus aux mouvements de personnes et de matériels à l'intérieur.

 

Salle de contrôle du sous-marin américain USS Seawolf ( SSN 21)

Les systèmes de propulsion

Le système de propulsion d’un sous-marin doit répondre à 3 grandes exigences :

- Prendre le moins de place possible en prenant en compte le combustible embarqué.

- Etre le plus silencieux possible pour ne pas se faire repérer par des sonars.

- Fonctionner de manière anaérobie autant que possible, c’est-à-dire sans utiliser d’air vu qu’en immersion totale, le milieu extérieur est l’eau et non l’air.

La propulsion mixte diesel-électrique a été la méthode de propulsion la plus utilisée dans la première moitié du 20^ème siècle, particulièrement lors des deux guerres mondiales.  Le principe consiste à utiliser un moteur diesel en surface qui est bruyant et nécessite de l’air pour fonctionner tout en rechargeant des accumulateurs électriques qui pourront par la suite alimenter un moteur électrique lors des plongées car les moteurs électriques sont silencieux et anaérobies (ils fonctionnent sans air). Le problème de cette technique est que les accumulateurs électriques prennent beaucoup de place pour une autonomie réduite, en générale une dizaine d’heures.

Pour remédier à ce problème majeur entrainant une grande vulnérabilité des sous-marins, les hollandais inventèrent un tube à air périscopique appelé schnorchel qui permet de faire fonctionner les moteurs diesels lorsque le sous-marin est à quelques mètres de profondeur. Ce tube dépasse de 1 mètre environ du niveau de l’eau et permet de faire une entrée et une sortie d’air pour les moteurs diesels (le sous marin est donc nettement moins visible). Les têtes des schnorchels ont par la suite été équipées par les Allemands d’un clapet permettant d’éviter l’entrée d’eau dans le tube en cas de mer agitée.

Merguez partie au dessus du Schorchel (dessin d'Alex)

La propulsion nucléaire est le type de propulsion le plus utilisé dans les 50 dernières années pour les sous-marins militaires qui recherchent une grande autonomie sous-marine de manière à couvrir de grandes distances sans avoir besoin de remonter à la surface. Le premier sous-marin nucléaire de l’histoire est le sous-marin américain Nautilus (1954).

Un réacteur nucléaire (généralement à eau pressurisée) fournit de la chaleur grâce à la fission nucléaire de combustible tel que l’uranium. Cette chaleur permet d’évaporer de l’eau entrainant une turbine à haute vitesse. Cette turbine est ensuite couplée à un alternateur produisant de l’électricité pour alimenter un moteur électrique faisant tourner l’hélice du sous-marin (la turbine peut également entrainer directement l’hélice mais il y a toujours un alternateur pour fournir de l’électricité dans tout le sous-marin)

Schéma de fonctionnement d'un sous-marin nucléaire

La propulsion nucléaire comporte tous les avantages requis dans un sous-marin : le combustible prend peu de place et demande peu de réapprovisionnement (à titre d’exemple, le sous-marin nucléaire français Rubis peut fonctionner 30 ans sans approvisionnement). De plus, l’autonomie en plongée est de plusieurs mois tout en gardant une puissance de propulsion importante en immersion totale (contrairement aux autres propulsions).

Les AIP (Air Independent Propulsion) représentent une autre classe de propulsion permettant au sous-marin de fonctionner avec un type de propulsion classique mais sans apport d’air tout en  s'affranchissant du danger que peu représenter un système à propulsion nucléaire. La première solution AIP a été d’utiliser la propulsion classique diesel mais en recyclant les gaz d’échappement en réinjectant de l’oxygène stocké sous forme liquide à bord (peu d’autonomie). Les suédois utilisent quant à eux une propulsion mixte moteur Stirling-électrique pouvant fonctionner sans air. Un moteur Stirling est un moteur à combustion externe nécessitant simplement un gaz à comprimer et à détendre avec une source chaude et une source froide. Enfin la propulsion AIP la plus prometteuse est sans doute l’utilisation de la pile à combustible hydrogène comme le sous-marin allemand Unterseeboot type 212 ayant une autonomie anaérobie complète de 3 semaines avec une signature acoustique faible.

 

Schéma de principe du procédé Stirling de Kockums.

Source : Zone sous-marin

PS : Encore merci à Alex pour ces petits dessins spécialement faits pour ce billet.