Sous-marin classique Le marsouin ...

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LA PROPULSION AIP à BORD DES S/M ce 22.02.2010 (Balda28)

POUR LES MÉCANICIENS ET PASSIONNÉS DE TECHNOLOGIE

1- Description d’un système AIP

Le sigle AIP signifie en anglais Air Indépendent Propulsion : Propulsion Indépendante de l’Atmosphère.

Dans un sous-marin classique, ou "diesel-électrique", le moteur de propulsion est à tout moment électrique. Lorsque le sous-marin navigue en surface ou à l’immersion périscopique avec le schnorchel sorti, l’énergie électrique pour alimenter le moteur est produite par des alternateurs diesel. En plongée, quand il est impossible d’utiliser le schnorchel, l’énergie alimentant le moteur électrique est fournie par des groupes de batteries, qui sont elles-mêmes rechargées lorsque les alternateurs fonctionnent.

Les problèmes les plus importantes qui apparaissent avec ce type de propulsion est la quantité relativement faible d’énergie électrique qui peut être stockée dans les batteries. Cela contraint le sous-marin à revenir en surface, ou à l’immersion périscopique en utilisant le schnorchel, pour naviguer sans utiliser les batteries ou pour les recharger lorsque c’est nécessaire. En naviguant en surface ou proche d’elle, le sous-marin perd sa principale défense qui est la difficulté de le localiser.

A bord d’un sous-marin anaérobie, on ajoute à cet ensemble moteur électrique - alternateur diesel, le système AIP utilisé pour la propulsion en plongée et, occasionnellement, pour recharger les batteries.

Les systèmes AIP existants sont fortement limités en ce qui concerne la puissance électrique qu’ils sont capables de produire. C’est pourquoi ils ne peuvent pas encore être pour l’instant le système de propulsion principal du sous-marin. En conséquence, la propulsion des sous-marins AIP doit être qualifiées d’hybride, combinant les alternateurs diesel, les batteries ou le système anaérobie pour alimenter les moteurs électriques.

A bord d’un sous-marin anaérobie, les alternateurs diesel sont utilisés lors des périodes de navigation en surface ou à l’immersion périscopique, à l’aide du schnorchel, ainsi que pour recharger les batteries. C’est avec eux que le sous-marin obtient son rayon d’action le plus important.

Les batteries sont utilisées quand le sous-marin a besoin, en plongée, de la puissance maximale ou consomme beaucoup, comme, par exemple, lors des opérations contre d’autres bâtiments, des maneuvres d’évasion à grande vitesse, des transits rapides en plongée, etc. Elles peuvent fournir une grande quantité d’énergie pendant des périodes courtes.

Le système AIP est utilisé en plongée quand le sous-marin a besoin de peu d’énergie ou, ce qui est la même chose, lorsqu’il navigue à faible vitesse pendant des périodes longues, par exemple, lors de missions de patrouille, de surveillance ou de recueil de renseignement.

Les 3 systèmes de production et / ou de stockage de l’énergie alternateurs diesel, batteries et système anaérobie sont complémentaires et normalement exclusifs.

Pour fonctionner, un système AIP a besoin de combustible et d’oxygène. Comme il ne peut le prendre dans l’atmosphère du sous-marin, il dispose de réservoirs sous pression, stockant l’oxygène sous pression, à l’état liquide. Le type de stockage du combustible varie selon le type de système AIP.

Le système de production d’énergie est ce qui distingue les différents types de propulsion anaérobie : moteur en cycle fermé, turbine à vapeur, pile à combustible, etc. Le résultat est, parfois après des états intermédiaires, de l’énergie électrique sous forme de courant continu. La puissance de cette énergie doit être adaptée pour alimenter le système de propulsion électrique ou pouvoir être utilisée pour recharger la batterie.

Dans certains systèmes AIP, la production d’énergie fournit aussi des sous-produits non désirés, qui ne doivent pas s’accumuler dans le sous-marin et doivent être éliminés : dioxyde de carbone, chaleur, et dans certains cas, eau. Comme on peut le remarquer, un système anaérobie est relativement complexe et il exige que tous les éléments qui le composent soient gérés, régulés et mis en œuvre par un système de contrôle de la propulsion.

Les systèmes AIP actuels :

Actuellement, 5 systèmes AIP différents sont opérationnels ou en cours d’intégration à bord de sous-marins en construction :
> le moteur Stirling (Kockums),
> le système MESMA (DCNS),
> utilisation de réservoirs cryogéniques contenant de l’hydrogène (Rubin)
> les systèmes basés sur la production d’hydrogène à partir d’hydrures métalliques (HDW / Siemens)
> les systèmes basés sur la production d’hydrogène à partir la transformation du bioéthanol (Navantia / Hynergreen).

En plus de ces systèmes, il faut rappeler que les sous-marins allemands du type XXIIB, classe U-1407, entrés en service dans la Kriegsmarine à la fin de la 2ème Guerre Mondiale, utilisaient un système de propulsion au peroxyde d’hydrogène. Il s’agissait de sous-marins de petit tonnage, adaptés pour des opérations côtières.

Entre 1956 et 1958, la Royal Navy a construit 2 sous-marins expérimentaux : les HMS Explorer et HMS Excalibur. Ils étaient propulsés au peroxyde d’hydrogène ou, selon la dénomination britannique, HTP (High Test Peroxide). Il s’agissait de sous-marins dérivés des XXIIB allemands. Il était prévu une série composée de 12 sous-marins de la classe EX, mais les résultats obtenus avec les 2 prototypes n’ont pas été concluants et, après une brève carrière dans la Royal Navy, ils ont été démantelés. Au cours de leur vie utile, ou plus exactement inutile, ils ont connu un nombre élevé d’incidents sur la propulsion. Pour donner une idée de leurs qualités, leur équipage les surnommaient HMS Exploder (Explosif) et HMS Excruciator (Tortureur). L’US Navy et la marine soviétique ont, elles-aussi, expérimenté ce type de carburant et sont, elles-aussi, parvenues à la conclusion que le peroxyde d’hydrogène n’était pas une solution pour les propulsions anaérobies.

Dans les années 90, la marine allemande a testé un système basé sur un moteur diesel en circuit fermé. L’énergie électrique pour la propulsion était produite grâce à un alternateur accouplé à un moteur diesel modifié : le dioxyde de carbone était éliminé dans les gaz d’échappement, on ajoutait de l’oxygène emmagasiné dans des réservoirs réfrigérés, et ce mélange de gaz circulait à nouveau dans l’admission du moteur. Après les essais du moteur, il fut abandonné. Le fait que la marine allemande ait ensuite choisi le système AIP de HDW / Siemens, montre que le système était manifestement améliorable.

Voici les systèmes actuellement opérationnels, ou en cours d’intégration dans des sous-marins en construction :

  • Moteur Stirling :

  • Dans ce système, le noyau est un moteur alternatif à combustion externe, fonctionnant avec du carburant diesel. Le moteur fonctionne grâce à l’expansion de gaz dans un ou plusieurs cylindres qui génère un mouvement alternatif qui est transmis à un arbre et qui est ensuite transformé en électricité. L’expansion des gaz dans les chambres est effectuée grâce à de la chaleur générée dans une chambre de combustion externe.

Bien que la théorie du moteur Stirling est été définie au 19è siècle, la technologie a été développée par l’entreprise suédoise Kockums. C’est le premier des systèmes AIP en fonctionnement opérationnel, il remonte aux années 90. Il est utilisé dans 2 classes de sous-marins suédois, dans ceux que le pays a vendu à Singapour et dans des sous-marins japonais.

- Mesma : Le système MESMA (Module d’Energie Sous Marine Autonome) est composé d’une turbine à vapeur classique avec une chambre de combustion alimentée par de l’oxygène et un combustible (diesel ou éthanol). Il s’agit d’un produit développé par DCNS au début des années 80. Il est pour l’instant uniquement utilisé à bord d’un sous-marin pakistanais.

- Réservoirs cryogéniques : Il s’agit du système AIP utilsé à bord des sous-marins russe de la classe Lada ainsi que ses dérivés à l’exportation Amur. Conçu par le bureau d’études Rubin, il est basé sur l’existence de 2 réservoirs cryogéniques verticaux, contenant respectivement de l’oxygène et de l’hydrogène. On sait très peu de choses sur ce système, mais certaines informations laissent supposer qu’il utiliserait un type quelconque de piles à combustible. Le grand danger de ce type de solution réside dans le stockage d’une quantité relativement importante d’hydrogène dans un réservoir. Toute fuite de ce réservoir provoquerait un mélange de l’hydrogène avec l’oxygène de l’air du sous-marin et donc une réaction exothermique non contrôlable (en clair, une explosion très destructrice).

- HDW / Siemens : Le chantier naval allemand HDW (Howaldtswerke - Deutsche Werft GmbH, qui appartient au groupe Thyssen Krupp) a développé, en collaboration avec Siemens, un système AIP basé sur le stockage de l’hydrogène sous forme d’hydrures métalliques et de piles à combustible. Le système utilise la propriété de certains alliages métalliques d’absorber des atomes d’hydrogène. Il suffit ensuite de chauffer les hydrures pour libérer l’hydrogène, qui est transférer dans les piles à combustible. Il s’y combine avec l’oxygène et donne de l’énergie.

Ce système est utilisé dans les sous-marins, opérationnels ou en construction, des classes U-212A (Allemagne et Italie), U-212A série 2 (Allemagne), U-214 (Grèce, Corée du Sud, Turquie et Pakistan), Dolphin (Israël) et U-209PN (Portugal). 

Navantia / Hynergreen : Sur le sous-marin S-80, le système AIP est basé sur des piles à combustible et utilise du bioéthanol. Par rapport à d’autres systèmes, la nouveauté est que l’hydrogène est obtenu grâce à un procédé chimique de transformation du bioéthanol, ce dernier étant facile à stocker à bord et ne posant aucun problème de sécurité.

Les systèmes développés par Rubin, HDW / Siemens et Navantia / Hynergreen ont tous en commun l’utilisation de cellules ou de piles à combustible. Ce sont des dispositifs électro-chimiques, dans laquelle se déroule de façon contrôlée la réaction entre l’hydrogène et l’oxygène, qui produit de l’eau, de l’énergie thermique et du courant continu. Comme elles n’ont aucune partie mobile, les piles à combustible ne produisent que peu de bruit. Dans les prochaines années, de fortes avancées sont prévues dans ce domaine, permettant une réduction de la taille et une augmentation de la puissance.

2 - L’AVENIR DES SYSTEMES AIP

Il existe actuellement un contentieux entre la marine grecque et HDW, concernant la qualité des sous-marins U-214. Selon la marine grecque, les sous-marins ne respectent pas les spécifications prévues, ce que démentent les chantiers allemands.

- Concernant le système Stirling, seuls les Gotland suédois disposent du système AIP dès l’origine, les autres ont été modifiés pour l’embarquer. Il ne semble pas que cette solution suédoise ait beaucoup d’avenir, en dehors des sous-marins existants. Les chantiers Kockums ont été rachetés par Thyssen Krupp, il semble donc logique de penser que les nouveaux sous-marins suédois soient équipés du système AIP de HDW / Siemens.

- Le système Mesma, conçu et construit par DCNS, semble avoir un avenir peu encourageant : un seul sous-marin pakistanais est actuellement équipé et la marine pakistanaise a décidé que ses prochains sous-marins seraient équipés du système AIP de HDW / Siemens. Selon certaines sources, la marine pakistanaise pourrait installer le module Mesma sur les 2 autres sous-marins Agosta 90B lors d’un prochain grand caréngae.

Le consortium Scorpène, ou peut-être serait-il plus exact de dire DCNS, proposait la possibilité d’intégrer aux sous-marins de cette classe un segment supplémentaire de coque avec le module Mesma. Pour l’instant, il ne semble pas que les pays ayant acheté des sous-marins Scorpène (Chili, Malaisie, Inde et Brésil) aient retenu cette possibilité.

-La solution espagnole développée par Navantia et Hynergreen est citée, pour le moment, pour mémoire. Aucun sous-marin équipé de ce système n’a encore été lancé. L’auteur de cet article estime qu’il est difficile de l’exporter, en raison des problèmes avec la propulsion et du contentieux avec DCNS pour le consortium Scorpène. Il semble évident que la vente de sous-marins anaérobies à des pays tiers reste entre les mains des chantiers allemands. Ils reproduisent le succès remporté déjà par les différentes versions du U-209.

La technologie AIP sera fortement révolutionnée dans les prochaines années.

Les principaux changements sont attendus pour les piles à combustible. Il est possible que l’industrie militaire tire avantage des avancées technologiques obtenues par l’industrie automobile.

D’autres avancées sont attendues pour le stockage de l’électricité par les batteries. Certains estiment possible d’améliorer ainsi le rayon d’action et la vitesse en plongée.


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22/02/2010
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