Un Sous-Marin, c'est quoi ?
En effet, la question mérite d'être posée, car oui, cette question est même centrale. Soul Religion se passe 80% du temps dans des sous-marins, il est donc normal d'en parler et même d'en expliquer le concept et d'en apprécier certains termes spécifiques.
1. Définition
2. Tout bâtiment capable d'être immergé pour accomplir une mission de recherche en particulier scientifique ou de sauvetage."
2. Un peu d'histoire
- Le concept du sous-marin voit ses origines remonter à 1624 en Angleterre, où le Roi Jacques Ier d'Angleterre commanda au scientifique hollandais Cornelis Drebbel et dont le prototype fut testé avec succès dans la Tammise, bien qu'il fut très rudimentaire.
- C'est ensuite en 1690, à Marbourg en Allemagne, que le Français Denis Papin élabore deux modèles de sous-marin.
- Le premier modèle est un parallépipède de fer très renforcé et hermétique, dans lequel le savant compresse de l'air à l'aide d'une pompe. Un baromètre permet de mesurer la pression d'air à l'intérieur. Une fois la pression de l'air équivalente à celle de l'eau, on peut ouvrir les trous au fond du bateau, pour y puiser ou rejeter un complément d'eau à l'aide d'une grosse seringue. Après un essai fructueux de mise sous pression à terre, cette machine est détruite par accident en tombant d'une grue, juste avant qu'on la mette à l'eau.
- Vers 1692, un deuxième modèle de sous-marin est construit. Denis Papin rapporte avoir apporté plusieurs améliorations : la coque est en forme de tonneau et résiste naturellement à la pression de l'eau, ne nécessitant plus d'air comprimé. L'air y circule à la pression d'air extérieure, grâce à une pompe à air centrifuge et à deux tuyaux de cuir maintenus à la surface de l'eau par une vessie flottante. Une pompe à eau permet de faire entrer, ou sortir le dernier complément de lest, pour plonger ou refaire surface. La profondeur de plongée est évaluée grâce à un baromètre qui mesure la pression de l'eau à l'extérieur. Ce deuxième sous-marin a aussi été construit à des fins militaires : un homme peut se tenir dans le cylindre horizontal, et sortir un bras au-dehors par le trou, une fois ce deuxième cylindre mis sous air comprimé grâce à la pompe. Avec ce bateau, Papin accompagné d'un acolyte courageux a effectué au moins une plongée fructueuse.
- Nous allons passer au Nautilus. Construit en 1797 par l'ingénieur américain Robert Fulton, il est un engin en acier recouvers de cuivre long de 6,50m. Sa propulsion est assurée par une hélice actionnée par trois membres d'équipage à l'aide d'un vilbrequin. Il était conçu pour fixer une charge explosive sous les navires ennemis et qu'il devait actionner à distance, bien que cette technique ne soit pas totalement au point. Fulton proposa son invention à la France puis à la Grande-Bretagne qui la refusèrent tour à tour.
- Nous arrivons donc au premier sous-marin militaire opérationnel : le CSS Hunley. Car le 17 février 1864, ce sous-marin confédéré devient le premier premier submersible à couler un navire ennemi en l'éperonnant pour y fixer une charge explosive déclenchée par un filin à distance de sécurité, le USS Housatonic, au large de Charleston. Il disparaîtra en mer sans pouvoir regagner la côte, pour des raisons restées inconnues.
- Le premier sous-marin réellement opérationnel est le Gymnote de 1887, construit par les Français Henri Dupuy de Lôme et Gustave Zédé. Long de 17 m, il est propulsé par un moteur électrique de 50 chevaux, atteint 8 nœuds en surface, 4 en plongée. Il est manœuvré par un équipage de cinq hommes. Il est armé de deux torpilles, et son rayon d'action est de 65 milles (en surface, mais seulement le tiers en plongée).
En 1904, l'ingénieur français Maxime Laubœuf construit le Narval, équipé d'un périscope et de ballasts externes, il obtient la faveur de la marine de l'époque. C'est le premier sous-marin équipé d'une propulsion mixte : machine à vapeur en surface, moteur électrique en plongée. Tous les modèles ultérieurs suivront cette conception fondamentale, jusqu'aux sous-marins nucléaires.
De 1914 à 1918, les submersibles fonctionnant grâce à une propulsion Diesel-électrique peuvent être engagés en masse durant la guerre. Une batterie d'accumulateurs alimente un moteur électrique de propulsion et sont rechargées par une génératrice entraînée par un moteur diesel utilisable en surface.
En 1944, les Allemands améliorent le schnorchel (invention hollandaise), un tube à air permet aux U-Boots d'utiliser leur moteur diesel à faible profondeur d'immersion, leur évitant ainsi de faire de l'air en surface, où ils sont très vulnérables.
La propulsion nucléaire apparu à bord des sous-marins dans les années 50 par le lancement de l'USS Nautilus (SSN-571) en 1954. Les submersibles deviennent de véritables sous-marins à partir de ce moment grâce au réacteur nucléaire qui est totalement isolé de l'atmosphère terrestre, les rendant autonomes en énergie et en air respirable. Ce qui conclue cet historique.
3. Morphologie d'un sous-marin
Commençons par le début : l'avant est appelé la "proue" et l'arrière la "poupe". Jusque là, rien de bien compliqué.
Généralement, à la proue, on retrouve le compartiment des torpilles (et des missiles) dans lequel sont situés les tubes lance-torpilles, les torpilles et les missiles antinavires (exemple : les américains ont les HARPOON, les français ont les EXOCET).
Je dis généralement, car certains sous-marins, ont des tubes lance-torpilles situés au pont le plus bas et/ou à un angle vers l'avant de 45° par rapport à l'axe longitudinal du navire.
Au centre (de l'avant vers l'arrière), on trouve généralement le massif qui est la protubérence située au sommet du navire qui abrite le(s) périscope(s), le radar, le détecteur de radars et le schnorchel. Dans ce massif, il y a aussi un espace où l'équipage peut se tenir lorsque le sous-marin est en surface pour la survveillance visuelle des environs et la navigation. Cet espace est appelé "fosse de veille" ou "baignoire". Le massif est situé au dessus du PCNO.
Le PCNO (Poste Central Navigation Opérations) est le centre névralgique du sous-marin. Car c'est là que le Commandant d'un sous-marin prend toutes les décisions qui lui incombent. C'est aussi dans cette pièce que sont centralisées toutes les informations recueillies par les équipes sonar, communications, etc... C'est enfin au PCNO que sont centralisées les commandes principales du navire qui lui permettent de se diriger, de gérer la puissance de la propulsion, ainsi que de tirer les torpilles.
Dans cette zone, se trouvent aussi les lieux de vie de l'équipage.
Plus à l'arrière, se situe le réacteur nucléaire qui est le coeur et le poumon du navire. Car il alimente le sous-marin en électricité. Mais aussi en eau douce ou en eau distillée grâce à la chaleur qu'il produit qui permet la distillation de l'eau de mer pompée. Et enfin, l'électricité générée par le réacteur peut permettre d'électrolyser l'eau distillée pour fabriquer de l'oxygène pour enrichir l'air recyclé en cas de très long séjour en profondeur et sans possibilité de retourner en surface pour faire de l'air1
Pour les sous-marins classiques ou anaérobies, il l'emplacement du réacteur est remplacé par un ou plusieurs moteur(s) diesel relié(s) à un ou plusieurs alternateur(s)
Sur un sous-marin nucléaire, l'électricité est produite grâce à un ou plusieurs groupe(s) turboalternateur(s) (une turbine à vapeur couplée à un alternateur) comme dans une centrale nucléaire alimenté(s) par la vapeur sous pression fournie par le réacteur.
L'hélice est ensuite entraînée par un moteur électrique très puissant pour un maximum de discrétion et une puissance accrue par rapport à une transmition directe avec des turbines.
4. Comment ça marche ?
Sans entrer forcément dans la profondeur de chaque détail, voyons comment fonctionne un sous-marin.
a. La plongée
Commençons par le commencement, si je puis dire.
Comment un sous-marin fait-il pour plonger ? En remplissant les ballasts, pardi ! 
Et bien oui, mais pas seulement.
Les ballasts ont pour fonction de contrecarrer la poussée d'archimède en alourdissant le sous-marin. Cela a pour effet de le faire plonger et de lui permettre de conserver sa profondeur, mais les seuls ballasts sont inadaptés pour amener un sous-marin militaire à 300m de profondeur, par exemple. Pour effecuter les manoeuvres de changement de profondeur, l'équipage peut donc compter sur d'autres systèmes comme les barres de plongée et les caisses d'assiette.
Pour faire simple, les barres de plongées permettent de faire varier rapidement et précisément la profondeur du sous-marin. Il s'agit d'ailerons placés à la proue (ou sur le massif) et à la poupe du navire. Elles ont la même utilité et le même fonctionnement que les gouvernes d'un avion. Elles inclinent le bâtiment vers le bas ou vers le haut, ce qui a pour effet de le faire descendre ou le faire monter.
Et pour assister le travail des barres de plongée, les caisses d'assiette sont présentes pour contrôler l'inclinaison du navire en allégeant ou alourdissant l'avant ou l'arrière du sous-marin, l'empêchant ainsi de piquer du nez lors des prises de profondeur ou de se cabrer complètement lors d'une remontée.
Notez-bien :
Il faut noter que les caisses d'assiette n'ont pas d'incidence directe sur le changement de profondeur, elle servent uniquement à contrôler l'assiette du submersible.
b. La propulsion
Pour propulser un sous-marin, un élément est essentiel : il s'agit de l'hélice.
Sans hélice, on n'a pas de moyen de convertir la force motrice des moteurs en poussée.
Une hélice de sous-marin est conçue pour offrir une poussée maximale, en faisant le moins de bruit possible et en ne cavitant pas ou presque.
Pour cela, elle est généralement constituée de cinq à sept pales (ce qui augmente la poussée à des vitesses de rotations lentes). La forme des pales est étudiées pour générer une cavitation la plus faible possible.
La cavitation est un phénomène hydrodynamique causé par la différence de pression entre les deux faces d'une pale d'hélice qui génère des bulles de vapeur d'eau à l'extrémité. Non-seulement, la cavitation ronge les bords de l'hélice, mais aussi génère un bruit très indiscret, lorsque les bulles nombreuses éclatent.
L'hélice est reliée au moteur par l'arbre d'hélice qui traverse la coque.
À ce jour, il existe trois systèmes de propulsion pour actionner l'hélice d'un sous-marin : classique (diesel/électrique), nucléaire, qui sont les plus courantes et anaérobie. Comment fonctionnent-ils et quelles avantages/inconvénients ont-ils ?
- Classique :
La propulsion classique d'un sous-marin est constituée d'un ou plusieurs moteurs diesel actionnant un ou plusieurs alternateurs qui stockuent l'énergie ainsi produite dans des batteries d'accumulateurs. Ce qui permet d'alimenter le/les moteur(s) électrique(s) actionnant l'/les hélice(s).Avantages Inconvénients moindre coût à l'achat et à l'entretien que la propulsion nucléaire coût du carburant tendant à contrebalancer le coût d'achat sur la durée silencieux en plongée (la propulsion est assurée par les moteurs élecrtiques seuls) faible autonomie, très bruillant lors de la recharge des batteries en surface et/ou au schnorchel - Nucléaire :
La cette propulsion met en œuvre une véritable centrale nucléaire afin d'actionner l'hélice.
En faisant simple, l'idée est de fabriquer de l'électricité pour actionner un moteur électrique. Cette technique minimise grandement le bruit généré par la motorisation, qui si elle était assurée par des turbines comme sur certains navires de surface, serait particulièrement bruyante.
Schéma d'une propulsion nucléaire (attention, dans la plupart des sous-marins, les turbines n'actionnent pas directement l'arbre d'hélice)
La réaction en chaîne de fission nucléaire dégage de la chaleur qui va chauffer le liquide (de l'eau distillée) contenu dans un circuit dit primaire (en contact direct avec le combustible nucléaire) qui transmet l'énergie calorifique à un deuxième circuit (via un échangeur de chaleur) qui va produire de la vapeur qui actionne une turbine qui fait tourner un alternateur. La vapeur est ensuite refroidie par un deuxième échangeur de chaleur et renvoyée sous forme liquide et froide vers le cœur du réacteur. L'électricité ainsi produite est ensuite utilisée par un moteur électrique (logique, non ?) pour actionner l'hélice.Avantages Inconvénients moindre coût de fonctionnement (notamment au niveau du carburant) fort coût à l'achat, nécessite un entretient plus poussé qu'un sous-marin classique très grande autonomie et grande vitesse de navigation même si ce système de propulsion est relativement silencieux, la propulsion classique est moins bruyante - Anaérobie :
Les systèmes de propulsion anaérobie aussi appelés AIP : Air Independent Propulsion en anglais) sont une gamme relativement récente de systèmes de propulsion pour sous-marins pouvant fonctionner longtemps sans utiliser d'air extérieur, ce qui évite au sous-marin anaérobie de rester en surface ou de sortir son schnorchel, et donc limite sa vulnérabilité.
En gros, ils ne diffèrent pas particulièrement des sous-marins classiques, disposant aussi de moteurs diesel pour produire de l'électricité.
Mais ces navires disposent de systèmes leur permettant de limiter le nombre de passage en surface ou à profondeur périscopique (je vous épargnerais les détails, s'ils vous intéressent, Wikipedia vous expliquera tout) :
- les moteurs diesels en circuit fermé qui disposent d'une réserve d'air pour les moteurs dans le navire ;
- les moteurs Stirling (moteur à combustion externe) ;
- turbines (cycle de Rankine) fonctionnant par exemple avec des vapeurs d'éthanol, ex. procédé MESMA sur les classes Agosta 90B et Scorpène Basic-AIP (construits en France par DCNS pour le Pakistan, la Malaisie et le Chili) ;
- piles à combustible (notamment Pile à combustible à membrane d'échange de protons), ex. type 212, Allemagne ; sans doute les plus prometteurs.Avantages Inconvénients autonomie accrue par rapport à la propulsion classique pas entièrement autonome et nécessite tout de même des retours en surface ou en profondeur périscopique réguliers (l'anaérobie ne durant généralement que de quelques jours à deux ou trois semaines) silence accru (notamment dans le cas d'une propulsion par pile à combustible) la présence de moteurs diesel bruyants nécessaire lors de la plupart des transits (dûe à l'autonomie relativement limitée des systèmes)
Tous les sous-marins disposent d'un schnorchel, y compris les sous-marins nucléaires qui disposent tous d'un moteur diesel comme source d'énergie de secours. De plus, le schnorchel permet d'assurer le réapprovisionnement en air comprimé, indispensable aux opérations des ballasts et pour certains modèles de tubes lance-torpilles.
La tête du schnorchel aspire l'air juste au-dessus (environ 1 mètre) de la surface de l'eau. Elle est équipée d'un clapet qui se ferme automatiquement afin d'éviter toute entrée d'eau dans les moteurs. Cet automatisme est commandé par des électrodes détectant l'arrivée de l'eau à leur niveau.
L'échappement des moteurs s'effectue dans l'eau, la pression des gaz d'échappement étant suffisante pour compenser celle existant sous quelques mètres d'eau. Une dérivation du tube d'échappement à l'arrière de la partie supérieure du massif du sous-marin est activée lorsque celui-ci marche au schnorchel, réduisant ainsi l'immersion de l'échappement.
Le saviez-vous ?
Le schnorchel a été inventé par Jan Jacob Wichers, commandant des sous-marins de la marine hollandaise et appliqué secrètement dès 1936.
C'est lors de l'invasion des Pays-Bas en 1940, que plusieurs tubes sont capturés par les Allemands, mais personne n'y trouve grand intérêt, puisqu'il n'est alors pas nécessaire de naviguer en permanence sous l'eau.
En 1942, les besoins avaient changé et le schnorchel devenait une nécessité. C'est ainsi que les ingénieur Ulrich Gabler et Heep, reprennent l'invention de Jan Jacob Wichers, la modifient en ajoutant un clapet, permettant ainsi la navigation par tous les temps.
Il faudra attendre la fin de 1943 pour que les premiers U-Boot en soient équipés. Ce retard sera providentiel pour les Alliés pour obtenir la victoire dans la Bataille de l'Atlantique.
c. La détection
Sur un sous-marin, il est essentiel d'être silencieux non-seulement pour ne pas être repéré, mais aussi pour pouvoir détecter efficacement ses adversaires.
Pour surveiller son environnement, un sous-marin dispose de plusieurs systèmes de détection. Des radars, lorsqu'il est en surface et un système sonar en plongée.
En surface, un sous-marin déploie un radar qui en émettant des ondes radio permet de détecter les autres navires et/ou un détecteur de radars qui va capter les émissions radio de radars extérieurs (très utile lors de missions nécessitant un maximum de discrétion).
Un sous-marin dispose aussi d'un ou deux périscopes selon les modèles :
- le périscope de veille : c'est un périscope qui embarque aussi en général une antenne de communication à longue portée (satellitaire le plus souvent). Il a pour fonction de surveiller les alentours du sous-marin lorsqu'il se trouve à profondeur périscopique (une dizaine de mètres) dans des conditions opérationnelles favorables (en temps de paix, lorsque le sous-marin est en sécurité). Il dispose d'optiques plus puissantes et précises que le second périscope.
- le périscope d'attaque : il s'agit d'un périscope moins puissant et moins précis que le périscope de veille. Sa plus grande finesse (diamètre moins important) le rend plus discret, car il crée moins d'écume en fendant la surface.
Sous l'eau, un sous-marin utilise une installation sonar qui est notamment constitué d'hydrophones placés soit dans la coque ou dans une antenne linéraire remorquée.
Un sonar conciste simplement en une multitude d'hydrophones capables d'émettre des ondes sonores et d'en recevoir.
Bien qu'un sonar soit le plus souvent utilisé en "mode passif", le sonar d'un sous-marin peut fonctionner en émettant des ondes sonores dont on mesurera le temps de retour pour estimer la distance du but.
Mais cette technique vieille comme l'ASDIC est très bruillante et il est aisé à n'importe quel navire de détecter l'émetteur.
C'est pour cela que le sonar dit "passif" est le plus couramment utilisé, surtout par les sous-marins. En effet, un navire de surface bruillant par nature n'a pas la nécessité d'un sonar discret.
Ce type de sonar utilise les mêmes installations que le sonar "actif", mais n'émet aucun bruit, se contentant "d'écouter" les bruits environnants. Parce que oui, le Monde du Silence de Monsieurs Coustaud fait beaucoup de bruits (crevettes, poissons, cétacés, navires, courants, etc...).
On appelle souvent les opérateurs sonar les "Oreilles d'or". Car même si les orditateurs peuvent identifier certaines sources sonores, c'est l'homme qui est de loins le plus précis dans la reconnaissance, ainsi que la dissociation des bruits captés et les ordinateurs se mélangent souvent les pinceaux, notamment lorsque de nombreux bruiteurs2 sont présent dans les environs.
d. La mesure des paramètres environnementaux
De nombreux paramètres relatifs aux conditions du milieu dans lequel un sous-marin évolue doivent être connus des équipages pour assurer une efficacité maximale lors de leurs missions. Ici, trois seulement seront expliqués pour des raisons pratiques (d'autres pourront se rajouter plus tard).
Une première variable est la température de l'eau. Car elle peut largement influer sur le fonctionnement des sonars. Car une couche d'eau plus froide que celle où se trouve un navire va réfracter (donc dévier) le cheminement d'une onde sonore et fausser les informations reçues et traîtées par les ordinateurs. Par des algorythmes complexes (calculés par les ordinateurs de suivi et dont je ne connais pas les formules), les informations peuvent être corrigées.
Mais ces corrections ne sont possibles que si l'on connait les températures des différentes couches et l'épaisseur de la thermocline.
Pour se faire, il suffit d'utiliser un bathythermographe qui permet de mesurer les conditions de température par rapport à la profondeur et la salinité de l'eau.
Ensuite, nous pouvons parler du sondeur de fonds. Il est surtout utile à faible profondeur pour connaître rapidement et efficacement la hauteur d'eau entre la coque et le plancher océanique. Il s'agit d'un hydrophone orienté à la verticale, vers le bas, et qui va ainsi mesurer le temps entre l'émission et l'écho sonar qui donnera la profondeur du fond.
Et enfin, il y a le sondeur de glaces. Il est utile lors de la navigation sous les calottes polaires. Le sondeur de glaces a une fonction analoque à celle du sondeur de fonds, mais est quand à lui tourné vers le haut. Il mesure non-seulement la profondeur de la face immergée d'une banquise (en générale assez faible, sauf avec les icebergs) et surtout l'épaisseur de la glace. Car lorsqu'un sous-marin doit faire surface en zone polaire, il ne peut traverser de couches trop épaisses de glace (plus de deux ou trois mètres, moins si la coque et/ou le massif sont en matières composites).
5. Les deux grands types de sous-marins
a. Les Sous-marins Nucléaires d'Attaque
Les SNA (Sous-marins Nucléaires d'Aattaque) sont des sous-marins conçus pour naviguer vite dans le plus grand silence possible. Ce sont à la fois des chasseurs et des chiens de berger.
Leurs missions les plus courantes sont la chasse aux autres sous-marins, la traque de naviers ennemis, l'escorte d'escadres ou de convois, la patrouille maritime, l'espionnage, le renseignement ou le transport de commandos lors d'assauts amphibies discrets.
Ils sont généralement dotés des meilleurs systèmes de détection disponibles et disposent d'un stock relativement important de torpilles et de missiles.
b. Les Sous-marins Nucléaires Lanceurs d'Engins
Un sous-marin nucléaire lanceur d'engins (SNLE), aussi connu comme SSBN (Sub-Surface Ballistic Nuclear) selon le code OTAN, est un sous-marin à propulsion nucléaire de très grande taille, chargé de missiles balistiques stratégiques à charge nucléaire qui lancés en plongée depuis des silos verticaux. Il est également équipé en torpilles et en missiles aérodynamiques à changement de milieu, des armes anti-navires pour son auto-défense.
Sa mission est la dissuasion nucléaire ; il assure, à ce titre, la garantie d'une frappe nucléaire de riposte, en raison de la difficulté de le localiser lors de ses patrouilles en plongée, grâce notamment à ses qualités de discrétion acoustique.
Les États-Unis, la Russie, la France, le Royaume-Uni, la Chine et l'Inde sont les seuls pays à disposer au début de XXIe siècle de ce type de sous-marin. Sachant que les États-Unis et la Russie possèdent plus des 4/5e de la flotte de SNLE mondiale.
6. Conclusion
Maintenant, vous en savez un peu plus sur les sous-marins, j'espères que ce bout d'explication vous aura été utile. Je ne vois pas quoi rajouter pour le moment.
Ce "cours" est évolutif et pourra être étoffé, même s'il n'a pour but que d'apporter que des bases sur les connaissances que j'appellerais "essentielles".
Si vous voulez poser des questions ou proposer des pistes pour compléter cet écrit, n'hésitez pas à me contacter par les moyens suivants :
Notes de bas de page
1. Faire de l'air : Action de pomper de l'air frais en surface ou à profondeur périscopique à l'aide du schnorchel.2. Bruiteur : Nom donné aux sources de bruits perçus au sonar (aussi appelés contacts).