Torpilles, sous-marins, etc...
18 février 2009 - 25 mars 2010 - 31 juillet 2010
A travers une hélice passe un débit-masse Q, en kilos par seconde. Si l'hélice assure une force de propulsion c'est qu'elle accélère le fluide au passage. La force de propulsion, transmise à l'arbre, est alors
Q ( V2 - V1 )
la quantité entre parenthèses représentant le gain de vitesse.
C'est ainsi, que l'hélice brasse un gaz ou un liquide. Il existe cependant une différence importante entre ces deux milieux. Les liquides sont beaucoup plus visqueux que les gaz. Le mot viscosité parle peu à l'homme de la rue. Pour lui, ce qui est visqueux est " collant ". Pour un mécanicien des fluides un fluide visqueux est un fluide qui, circulant à une vitesse V et avec une masse volumique ro produira une force de friction plus importante. C'est cette viscosité importante de l'eau qui limite la vitesse des torpilles conventionnelles à cent - cent vingt kilomètres à l'heure. Au delà, la puissance à fournir pour les faire évoluer plus vite deviendrait prohibitive.
Petite parenthèse : comment fonctionnent les torpilles " hypervéloces " ?
On se débrouille pour les faire évoluer, non au contact de l'eau mais de vapeur d'eau, laquelle est créée au nez de l'engin par injection d'un gaz produit par une fusée. C'est le cas des torpille Shqwal russes, adoptées par les Chinois, lesquelles ont transmis cette technologie aux Iraniens. J'avais signalé cela dans mon livre " OVNIS et armes secrètes américaines " dès 2003 ( Albin Michel ). L'équivalent américain est la torpille " Supercav ". Cav, pour cavitation. La cavitation est ce qui se produit naturellement quand une hélice crée une dépression suffisante pour que l'eau se vaporise ( quand la valeur locale de la pression tombe en dessous de " la tension de vapeur saturante " ). C'est ce qui avait amené le journaliste Larousserie à écrire, et à me redire lors d'une rencontre, " qu'il suffisait que la torpille pénètre dans l'eau assez vite pour que la cavitation se produise et s'entretienne ". Il citait à l'appui de ses dires les balles de fusil tirées dans l'eau.
Mamma mia. Les journalistes scientifiques ne sont plus ce qu'ils étaient....
J'ai vainement essayé de lui sortir cette idée de la tête ( cette idée-là et de nombreuses autres du même genre ). Mais dans ces cas-là, l'abandon s'impose. Quod feci.
En 2002-2003 ce concept de torpille hypervéloces avait donné naissance à des remarques assez savoureuse. Témoin celle d'un amiral français, répondant à un ami, présent lors d'une manifestation annuelle " Euronaval ":
- Vous savez, en matière de torpilles, la vitesse, ça n'est pas tout .....
Il semblerait que cet amiral pousse un projet de retour vers une marine militaire à voile, le bois et la toiles assurant une excellente furtivité vis à vis des ondes radar.
Les torpille modernes sont propulsées par fusées à poudre. Elles dépassent aisément les 400 km/h, sous l'eau, sont filoguidées, guidés par des fils qui se déroulent à partir de bobines transportées par la torpille ( et non installées à bord du sous-marin ). Pour éviter que les gaz crachés par la tuyère ne crâment les fils de guidage, ceux-ci sont déroulés à partir de bras qui se déploient après éjection de la torpille hors de son étroit conduit, à l'aide d'une jet d'air comprimé ( les missiles intercontinentaux sont également éjectés de la même façon, puis allumés hors du sous-marin ).
La torpille russe Shqwal, vue de l'arrière. Sur ses flancs ses filières latérales, de filoguidage, déployées.
Les tubes entourant le " coquetier " de la tuyère centrale sont peut être des injecteurs de gaz à plus basse température permettant de gainer le jet principal, en présentant une impédance acoustique différente, ce qui permettrait alors de faire se réfléchir les ondes sonores ( turbulence ) émises par le propulseur à poudre, a priori fort bruyant.
Ceci étant, vous pourrez peut être vous demander comment une telle torpille peut être pilotée. C'est extrêmement simple. Les photos de l'avant de cette machine traînent maintenant partout.
Une torpille Shqwal russe, vue de l'avant, lors d'une présentation au public
Détail de son orifice d'éjection de gaz chaud, avec déflecteur monté sur cardans, assurant le pilotage
Le gaz sort dans l'axe, vaporise l'eau de mer, qui déboule à 500 km/h. La tuyère est entourée par une rotule sphérique autour de laquelle tourne une plateau circulaire qui fait s'épanouir la vapeur autour de la torpille. En l'inclinant à l'aide de deux vérins, dont un est visible, on modifie la couche de vapeur léchant les parois de la torpille, donc la contribution, en chaque endroit, de la valeur locale de la traîné de friction. Cette torpille, filoguidée mais dénuée d'autoguidage, s'avère donc très maniable.
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31 juillet 2010. J'ai rencontré un collègue chercheur, qui dirige un laboratoire de thermique à Marseille. C'est celui qui a accepté un contrat avec ITER, pour étudier les chocs thermiques sur les parois métalliques. - Oui, je sais qu'ITER est une connerie. Mais, tu comprends, si je n'acceptais pas, je pouvais dire adieu à mon poste à l'université. En racontant cela, je sais que ça ne va pas lui plaire. Mais cela me choque qu'un chercheur ait aussi peu d'éthique et simplement d'honnêté. Ceci étant, de nos jour, que enseignant-chercheur sait encore ce que signifie le mot éthique, sauf des types comme Vélot qui se battent contre les OGM à l'INRA, et se retrouvent dépouillés de tous moyens et crédits. Il y a une quinzaine d'année Jean-Claude Charpentier était directeur du département Science Physique pour l'Ingénieur au Cnrs. Le courrier du Cnrs avait sorti un numéro spécial consacré aux rapports entre les chercheurs et l'armée, intitulé "chercheurs, il faut qu'on se parle". Dans ces pages Charpentier disait qu'il ne disposait pas d'assez de de contrats avec l'armée pour satisfaire les demandes des chercheurs .... Je n'insisterai pas sur les défauts irrémédiables d'ITER, j'en ai suffisamment parlé N fois. Il n'empêche qu'on fait le forcing pour faire passer cette " danseuse " à 15 milliards d'euros en pleine période de restrictions de d'austérité. N'importe quoi .. A ce jour le terrain a été dégagé, à Cadarache. On voit cette vaste cicatrice, quand on vole en planeur. Mais les travaux sont pour le moment arrêtés, jusqu'à ce que ce budget, encore plus pharaonique, soit voté. Quand je pense à notre "laboratoire de MHD, qui tient sur une table à roulettes et qui commence déjà a donner des résultats publiables, ça parait surréaliste...
Notre banc d'essai pour expériences de MHD en basse densité, opérationnel depuis juillet 2010 Coût : 2000 euros
Dans ce même laboratoire de thermique des chercheurs ont un contrat avec la Marine, pour étudier des torpilles à cavitation. Selon leur patron, cette cavitation " serait simplement obtenue par la vitesse ". Autrement dit, on place à l'avant de la torpille (propulsée par fusée : les Français se décident à abandonner l'hélice, avec 40 ans de retard) un cône à l'aval duquel la cavitation se produit, faisant que le reste de la torpille avance dans un environnement de vapeur d'eau, ce qui réduit la traîné de frottement, sur les flancs. - Mais, la traînée due au cone ? - Ah ça, je ne sais pas.... Ces gars ignorent tout de la technologie du style Shqwal russe ou supercav américaine. On peut en parler puisque c'est le secret de Polichinelle. Même les Iraniens ont des Shqwal achetées aux Chinois, qui les fabriquent sous licence. Le produit est russe à l'origine, vieux de 30 ou 40 ans. Dans le système russe, un générateur de gaz chauds éjecte celui-ci vers l'avant. Il transforme alors l'eau de mer en vapeur. Un système que les Français ne semblent pas encore avoir compris. Comment se pilote une Shqwal ? Par filoguidage d'abord. Des suports des fils sortent de leurs logements après la sortie du tube lance-torpille. On voit le système de guidage, d'une rusticité alliant l'efficacité, sur les photos. Mais je le détaille avec quelques dessins.
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J'ai raconté cela pour bien vous rappeler que lorsqu'on déplace un objet dans l'eau, une force de friction importante se manifeste. On pense d'abord à l'aspects traînée, mais on oublie d'entraînement. Jetez un oeil à la planche ci-après :
On a dit que si une hélice assurait une force transmise selon son axe, une force de poussée, cela allait de pair avec l'accélération de l'eau, au passage. Ceci correspond donc à la figure en haut et à gauche. Il y a conservation du produit ro V S , où ro est la masse volumique, V la vitesse et S la section droite de ce qu'on appelle un mécanique des fluides un " tube de courant (fluide) ". La masse volumique de l'eau, un kilo par litre ou mille kilos par mètres cube ( en unités MKSA ) est constante, l'eau étant un fluide incompressible. Don le produit V S est constant. En avant de l'hélice la même débit Q d'eau est assuré dans un tube de courant plus resserré.
L'évolution des hélices.
Plus haut, j'ai parlé les hélices carénées, dont le but est d'accroître le rendement. En effet une pale d'hélice est une aile d'envergure très limitée, dont d'allongement faible. Une surpression se crée en dessous d'une aile d'avion ( intrados ) alors qu'une dépression s'installe sur le dessus ( extrados ). En bout d'aile l'ai a lentance à passer de l'intrados à l'extrados. Ceci entraîne la naissance de deux tourbillons marginaux, en bout de chaque aile. Ces vortex tournillonnaires sont des pertes d'énergie, ces tourbillons ne servent à sustenter les avions, mais à chauffer les petits oiseaux.
Plus l'allongement est faible, plus la part de l'énergie dépensée, dissipée dans ces tourbillons, sera élevée. C'est la raison pour laquelle le planeurs ont des allongements énormes. I, albatros vole mieux qu'un pigeon.
L'hélice carénée est une façon d'empêcher les vortex de s'établir, ce qui implique que le bout des pales, coupés net, circulent très près du carénage. Mais une remarque s'impose de suite : ce carénage doit être adapté au régime auquel fonctionne l'hélice. Le produit de la vitesse V de l'eau par la section S doit être le même à l'entrée et à la sortie. C'est à dire que le dessin du carénage doit être en rapport avec la variation de vitesse ( V2 - V1) correspondant au régime de l'hélice, lequel dépend du bombre de tours par minute.
Dans les sous-marins lance engins ou les sous-marins d'attaque, on cherche à réduire le buit le plus possible. Les tourbillons des hélices sont des sources de bruit. L'adoption d'un carénage est une solution pour réduire celaui-ci, et il a été adopté sur pas mal d'unité, dans tous les pays.
Maquette de sous-matin avec propulseur caréné
Sous-marin au carénage
Sous marin Sea Wolf
Le même, vu de face
Un des monstres Typhon russes, vu de l'arrière
Ces carénages ne fonctionnent qu'à une allure donnée, leur " allure d'adaptation ". En dehors, ils deviennent bruyants ( basse vitesse ou vitesses faibles ). Il serait trop compliqué de leur conférer une géométrie variable. Une solution est de contrarier les naissance de tourbillons marginaux par la MHD, en dotant les pales d'accélérateurs pariétaux.
Depuis quelques années, les nouveaux submersibles sont dotés d'hélices " en cimeterre ". Récemment (2010 ) un internaute a pu capturer cette image d'un sous-marin nucléaire américain, au carénage, dans sa base de base de Kitsap-Bangor, dans l'État de Washington,. Voici deux images, la seconde correspondant à un zoom.
On remarquera que l'internaute américain a capturé ces images en surfant sur un logiciel de recherche d'itinéraire pour trajet automobile ....
Hélice cimeterre d'un sous-marin américain
Cette hélice possède de nombreuses qualités hydrodynamiques, dont je vous parmerai un jour, ce qui montre que dans un domaine aussi rebattu que celui des hélices marines, des progrès essentiels peuvent encore être effectués.
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