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01 octobre 2020

L'INNOVATION AU SERVICE DES SOUS-MARINS

Publié par Jean-Marc QUENEZ (1965) et Jean-Louis Donnet | N° 121 - Sous-marins

 Sécurité, capacités de discrétion et de détection, efficacité opérationnelle


La discrétion et la détection : de l’évaluation de la menace aux études amont

Les sous-marins se déplacent dans un milieu hostile (immersion…) et font face à des adversaires très divers. Un des objectifs importants des études amonts est de déterminer les menaces que font et surtout feront peser sur lui ce milieu et ces adversaires.

Les évolutions récentes de la menace sont notamment : 

- Les progrès des sous-marins adverses, constants et avérés, en discrétion et en capacités de détection acoustiques (toutes gammes de fréquences),

- En plus de l’augmentation des performances des moyens classiques de détection acoustique active et passive (des frégates et aéronefs) ou optique, la prolifération des engins autonomes capables de porter des fonctions de lutte anti-sous-marine (détecteurs acoustiques passifs comme actifs, autres détecteurs…),

- L’avènement de technologies de transmission par fibre optique, qui permet d’imaginer une prolifération des menaces de détecteurs fixes à faibles coûts au fond des océans, reliés à des systèmes de traitement de type big data…

Les études amont visent à la fois à développer de nouvelles technologies et à les rendre compatibles des contraintes architecturales et opérationnelles : 

- des nouvelles capacités de navigation qui permettraient de ne jamais aller en surface faire un point ne serviraient à rien s’il était nécessaire d’aller en surface pour d’autres raisons (communication…), 

- des nouvelles méthodes de construction de propulseurs (fabrication additive ou composite) permettant de gagner sur le devis de masse du propulseur (au grand contentement de l’architecte qui pourrait ainsi limiter la fuite vers l’avant de son lest), ne servent à rien si elles ne sont pas capables de lui garantir une discrétion suffisante, 

- une antenne linéaire remorquée capable de détecter des raies acoustiques des adversaires très discrets dans la gamme dite UBF (Ultra Basse Fréquence) est très intéressante, mais seulement si elle est ravalable et tractable à des vitesses opérationnelles suffisantes, et si elle peut aussi classifier en gamme habituelle ETBF (Ecoute Très Basse Fréquence) des cibles moins discrètes. C’est la raison de l’étude ALRO (Antenne Linéaire Remorquée Optique) présentée dans l’encart 2, 

- des antennes de flancs capables théoriquement d’entendre un sous-marin très silencieux beaucoup plus loin doivent impérativement disposer à terme de systèmes hardware et software de traitement innovants capables de traiter, trier, classifier les flots énormes d’informations qui en sortiront, afin de permettre aux opérationnels d’entretenir une situation tactique. Les parties très innovantes de ces traitements feront l’objet d’études amonts dans les années à venir.

La sécurité plongée : cent fois sur le métier … 

La connaissance des agressions du milieu ou des risques pour la sécurité sont principalement apportées par les faits techniques et le retour d’expérience des sous-marins en service dans le monde entier. Les études amonts développent et valident des nouveaux procédés (cf. encarts 3 et 4) ainsi que les outils spécifiques permettant de mieux modéliser les comportements des matériaux/structures dans le milieu sous-marin. 

De la technique avant toute chose 

Dans ces domaines, le rôle de la DGA est de planifier et suivre des études industrielles, mais aussi, et cela devient rare, de réaliser des essais et des calculs spécifiques ou complémentaires. Il y a là un réel besoin d’ingénieurs… 

Fabrication additive d’hélice 

Les développements actuels menés par Naval Group assisté par la société Fronius, l’école centrale de Nantes et l’Institut de soudure montrent que la fabrication additive fil, procédé WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) permet de fabriquer des pièces unitaires de grandes dimensions pouvant dépasser les 300 kg. Les matériaux métalliques pouvant être mis en oeuvre par ce procédé peuvent être les diverses nuances d’aciers, les alliages cuivreux, les bases nickel mais aussi les alliages de titane. 

Naval Group, site d’Indret, développe depuis 3 ans cette technologie pour la fabrication de pales d’hélices en cupro-aluminium (CuAl9Ni5Fe4) permettant ainsi de s’affranchir de la fonderie et des défauts générés par ce procédé. 

Les résultats obtenus sur des pales de plus d’un mètre de hauteur par 0,72m d’envergure, d’épaisseur comprise entre 25 et 110 mm, pesant à l’état fini près de 200 kg sont très encourageants et permettent de considérer qu’une hélice de ce type sera certifiée rapidement par le Bureau Veritas. 

Les points forts de ce procédé par rapport à la fonderie sont une compacité bien supérieure générant donc moins de défauts internes, des caractéristiques mécaniques de traction et de fatigue plus élevées que celles obtenues par fonderie et la capacité à générer des structures complexes. En revanche l’élimination des contraintes résiduelles engendrées par le procédé nécessite un traitement de détente. 

Pale d’hélice réalisée par procédé WAAM (Crédit photo : Naval Group)

 

Développement d’une Antenne Linéaire Remorquée (ALR) optique (antenne acoustique à capteurs optiques) 

L’objectif est la montée en capacité pour équiper les futurs SNLE d’une capacité ETBF et UBF. Cette dernière capacité nécessite des antennes acoustiques très longues (de l’ordre du kilomètre), obligeant la mise en oeuvre d’un système de filage et de ravalage. Ce système devant être compatible d’un encombrement sur porteur contraint, il est nécessaire de disposer d’une antenne ravalable de petit diamètre afin de limiter les volumes de stockage sur porteur. Cette exigence de compacité sur l’ALR est rendue possible grâce à la technologie optique. Le système optique en cours de développement profite des dernières avancées technologiques dans ce domaine pour permettre d’équiper l’antenne d’un très grand nombre de capteurs optiques ou à relecture optique.

Hydrophone Tout optique. Photo fournie par TDMS

 

Procédé de soudage d’acier de coque de sous-marin en une seule passe 

En collaboration avec l’Institut MAUPERTUIS, l’étude de soudabilité d’aciers spéciaux en soudage LASER hybride d’un assemblage d’angle a été menée, pour appréhender les conditions et les limites de mise en oeuvre (détermination des paramètres de soudage, étude de l’impact du déploiement d’une source LASER dans l’atelier, et étude des contraintes de sécurité, environnementales et en ressources humaines).

Macrographie du joint d’angle réalisé

Le procédé LASER hybride monopasse – 2 têtes MAG - permet le soudage à pleine pénétration d’un tel assemblage en une seule passe ; ce dernier présente en outre l’avantage de laisser à l’état brut de soudage des congés de raccordement favorables au travail en fatigue des assemblages.

Dispositif de soudage en LASER Hybride

 

Étude de l’assemblage de la chemise sur la ligne d’arbre par « Cold Spray » 

Les arbres des bâtiments de surface et sous-marins français sont, depuis maintenant des décennies, supportés sur leurs paliers par l’intermédiaire de chemises frettées sur les arbres (la chemise d’appui tourne de manière solidaire avec la ligne d’arbre qu’elle protège : le poids du propulseur et les efforts hydrodynamiques mettent en appui la chemise sur le palier). Avec les progrès actuels réalisés en science métallurgique, de nouvelles technologies de dépôt émergent et ouvrent le champ à de nouvelles solutions matériaux pour les chemises. Un procédé par projection à froid nommé « Cold Spray »est actuellement à l’étude pour remplacer la chemise frettée. Son avantage majeur réside dans le fait que les particules restent à l’état solide, ce qui permet de réduire les mécanismes d’origine thermique et ainsi d’augmenter la durée de vie de la chemise. La formation du dépôt est obtenue par empilement des particules qui subissent une déformation plastique à l’impact. Ce procédé permet des dépôts de forte épaisseurs (plusieurs millimètres).

Le principe du procédé «Cold Spray repose sur l’injection d’un gaz (air, azote, hélium) comprimé dans une tuyère de Laval où le gaz est accéléré pour atteindre des vitesses supersoniques. Afin d’augmenter la vitesse d’écoulement, le gaz porteur est préchauffé.

 

 

 
Jean-Marc Quenez, ICA
Chargé de mission Innovation Performance au SSF depuis septembre 2020
 
Polytechnicien (X86), il a travaillé sur le sous-marin Barracuda à la Direction des Constructions Navales et au Bassin d’Essais des Carènes comme Sous-directeur Technique. Après un passage à GazTransport & TechniGaz comme Directeur de l’Innovation il a été de 2012 à 2020 en charge des études amont à l’unité de management Coelacanthe.
 
 

 

 
Jean-Louis Donnet
Architecte capacitaire sous-marins au Service d'Architecture du Système de Défense de la DGA depuis 2016
 
Ingénieur ENSTA 1990. Après 9 ans au Bassin d’Essais des Carènes (aujourd’hui DGA Techniques Hydrodynamiques) où il a étudié le bruit des propulseurs, il a été spécialiste de la Discrétion Acoustique des navires, puis architecte plate-forme du SNLE le Terrible de 2005 puis architecte d’ensemble du SNLE de 3e génération. 
 

 

Auteurs

Jean-Louis Donnet

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