NAVIRES Navires de guerre

Historique

Les différentes marines militaires ont vu dans le sous-marin un moyen privilégié d'attaquer les bâtiments de surface. C'est que ce type de bâtiment possédait la qualité absolument nouvelle de se rendre invisible aux veilleurs quelle que soit l'acuité de leur vue, et présentait de ce fait le caractère d'un danger imprévisible, semant le désarroi parmi les participants au combat naval. Après les tâtonnements du xix^e siècle, les ingénieurs inventeurs, tels M. Laubeuf en France ou J. P. Holland aux États-Unis, disposant à la fin du xix^e siècle et au début du xx^e des éléments fondamentaux nécessaires (accumulateurs électriques, moteurs électriques, machines à vapeur alimentées au pétrole), pouvaient dessiner et faire construire de véritables sous-marins militaires dont l'arme, la torpille, était alors bien au point. L'évolution continue du sous-marin a ensuite été marquée soit par l'impulsion donnée par les deux guerres mondiales et la période de tension puis de dissuasion qui fit suite à la Seconde Guerre mondiale, soit par des évolutions technologiques, en particulier dans le domaine de la propulsion ; le moteur Diesel a d'abord supplanté la machine à vapeur dont l'arrêt au moment de la plongée était particulièrement long ; le schnorchel, qui évite le retour en surface pour la recharge des batteries, s'est ensuite imposé ; la propulsion nucléaire enfin, qui évite les retours en surface ou au voisinage de celle-ci, a permis de réaliser le rêve des anciens sous-mariniers : la plongée continue en utilisant un moteur unique.

L'évolution technique le permettant, les enseignements des deux guerres mondiales et les nécessités de la non-guerre qu'engendre la dissuasion ont eu sur les mutations du sous-marin un poids prépondérant : c'est au cours de la Première Guerre mondiale que l'emploi de l'observateur aérien, porté par un avion ou un ballon captif, a montré que le sous-marin à faible immersion n'était pas invisible si l'eau était peu agitée et transparente. Les sous-marins en service, dont l'immersion maximale était alors de 35 mètres, pour leur permettre de passer périscope hissé sous les plus gros navires de ligne, ont vu leur immersion maximale portée à 50 mètres sans modifications. Entre les deux guerres, les sous-marins étaient généralement conçus pour une immersion maximale de l'ordre de la centaine de mètres.

De même, au cours de la Seconde Guerre mondiale, le développement de l'aviation de patrouille maritime a tout d'abord contraint les sous-marins à ne faire surface pour charger leur batterie qu'au cours de la nuit. Ensuite, le développement de radars aéroportés décimétriques puis centimétriques a rendu impossible la vie du sous-marin chargeant de nuit en surface, d'autant que, par leurs émissions secondaires dues à des défauts de conception, certains détecteurs de radar utilisés pour déceler la présence d'avions hostiles manifestaient de manière sûre la présence du sous-marin ! Nul doute que cette situation dramatique a été le facteur puissant qui a poussé les Allemands au développement d'un système permettant de faire fonctionner les moteurs Diesel à faible immersion en plongée, connu maintenant sous le nom de « schnorchel ». Ce système avait été inventé aux Pays-Bas avant la Seconde Guerre mondiale, mais son développement avait été interrompu par la guerre.

Avec le recul, on constate que toutes les évolutions du sous-marin ont eu pour conséquence essentielle de maintenir la qualité militaire primordiale que constitue pour ce type de bâtiment la discrétion.

Caractéristiques générales

Le fait de naviguer en plongée impose au sous-marin des sujétions particulières qui sont examinées plus loin. Comme pour tout navire, l'équilibre du sous-marin est régi par le principe selon lequel la poussée d'Archimède doit être égale au poids. Mais, pour un corps complètement immergé, donc en l'absence d'une surface de flottaison, la poussée d'Archimède est invariable. Pour maintenir l'équilibre du sous-marin en plongée, il est donc nécessaire, au stade du projet, de prévoir la répartition du volume et des poids avec une grande précision et, en service, de pouvoir ajuster cet équilibre, ce qui est réalisé à l'aide de ballasts.

Le sous-marin doit pouvoir se déplacer dans un plan vertical, d'où la présence de barres de plongée. Son appareil propulsif doit pouvoir fonctionner sans apport d'oxygène extérieur, d'où la solution classique d'une énergie fournie soit par des batteries, soit par un réacteur nucléaire ou d'autres systèmes anaérobies. Quant à la coque épaisse du sous-marin, elle doit pouvoir résister à la pression extérieure énorme à laquelle elle peut être soumise en plongée. Enfin, il ne faut pas oublier que l'atmosphère à bord doit être contrôlée, et régénérée si nécessaire, de manière à éviter tout risque à long terme pour les organismes.

La figure 1 schématise un type de sous-marin d'attaque ou de chasse. On peut y remarquer quelques traits caractéristiques :

– présence d'une coque résistante de section circulaire qui contient les principales installations ;

– formes fusiformes allongées ;

– existence d'un massif utilisé pour l'accès en surface et qui sert à la tenue des mâts hissables (périscopes, etc.) ;

– répartition des locaux opérationnels (sous le massif à l'avant), des locaux habités (vers le milieu ou l'avant), de la propulsion (vers l'arrière), en respectant les conditions de répartition de poids imposées par la statique du sous-marin.

Équilibre du bâtiment

Un sous-marin navigue à la surface en maintenant vides des capacités appelées « ballasts ». Pour plonger, il s'alourdit en y admettant de l'eau de mer. Le retour en surface s'obtient en effectuant l'opération inverse.

Un certain nombre de « déplacements » de sous-marins ont été définis. Les définitions en usage en France sont les suivantes :

– déplacement réglementaire en plongée : on appelle déplacement réglementaire en plongée la poussée d'Archimède qui s'exerce sur l'ensemble des volumes du sous-marin dans lesquels l'entrée de l'eau de mer est interdite ou peut être commandée (coque épaisse, appendices résistants, appendices contenant des fluides équilibrés, ballasts). Ce déplacement est utilisé dans tous les problèmes de statique du sous-marin ;

– déplacement de forme en plongée : grandeur de même nature que ci-dessus, appliquée à l'ensemble des volumes constituant le sous-marin en plongée. Il diffère du déplacement réglementaire par adjonction des volumes en libre communication avec la mer. Il est utilisé dans tous les problèmes de dynamique et notamment dans les calculs de propulsion ;

– déplacement réglementaire en surface : poussée d'Archimède s'exerçant sur la carène en surface. Il se déduit du déplacement réglementaire en plongée par soustraction du poids de l'eau de mer contenue dans les ballasts ;

– déplacement Genève : déplacement conventionnel exprimé en long tons anglaises, schématiquement égal au déplacement réglementaire en surface sans approvisionnements liquides ;

– déplacement type : déplacement Genève arrondi à une valeur choisie pour les bâtiments d'une même série.

Ces déplacements sont tous définis pour un poids spécifique de l'eau de mer dit réglementaire égal à 1,026 t/m³. En outre, on définit la flottabilité comme le poids de l'eau dans les ballasts (égal à la différence entre déplacements réglementaires en plongée et en surface) et le coefficient de flottabilité comme le rapport entre cette grandeur et le déplacement réglementaire en plongée.

Un sous-marin étant en équilibre statique en assiette nulle (assiette = angle des lignes de tracé avec l'horizontale), on peut écrire (fig. 2) en distinguant d'une part les poids P de l'autre les poussées correspondantes →̄ωV (̄ω poids spécifique de l'eau) que le système (P_p, →̄ωV_p) est équivalent à zéro.

Si dans le sous-marin en plongée on distingue l'eau des ballasts, il se trouve réduit à ce que l'on nomme par convention « carène intérieure » constituée de la coque épaisse et de ses appendices.

L'eau des ballasts étant en équilibre avec elle-même, le système (P_p, →̄ωV_p) équivalent à zéro se trouve décomposé en un système (P_b, →̄ωV_b) équivalent à zéro et un système (P_i, →̄ωV_i) lui-même équivalent à zéro.

Or la carène intérieure est constituée des mêmes éléments que le bâtiment en surface | P_i | = | P_s | et G_i confondu avec G_s.

Le centre de gravité du bâtiment en surface G_s est donc sur la verticale du centre de volume C_i de la carène intérieure avec appendice.

L'application du principe d'Archimède en plongée puis en surface montre que :

Le volume de carène du bâtiment en surface est donc invariable. Il s'ensuit que le tirant d'eau milieu en surface est constant. On peut montrer en outre que les tirants d'eau arrière et avant sont pratiquement invariables.

Ainsi donc, le navire sous-marin se distingue fondamentalement du bâtiment de surface : d'une part, dès que les formes de sa carène intérieure et de ses appendices sont figées, on connaît son volume de carène en surface et la position en longueur de son centre de gravité ; d'autre part, dès que ses formes extérieures sont figées, ses tirants d'eau de sortie de plongée sont immuables, quel que soit le poids spécifique de l'eau de mer. On peut dire également que tous les déplacements du sous-marin en eau de poids spécifique réglementaire sont fixés dès qu'est tracée la carène intérieure avec appendices, et arrêté l'agencement des ballasts ; ils sont donc déterminés par des volumes auxquels doivent s'ajuster les poids.

Ces considérations imposent un soin particulier à l'établissement et au suivi du devis de poids au cours de la construction. Pour les satisfaire, il faut prévoir un lest dont le poids est la différence entre le déplacement du sous-marin en surface et le total des poids embarqués et des installations existantes.

La stabilité du sous-marin en plongée statique est assurée si le centre de gravité G_s (confondu avec G_i) est situé en dessous de C_i ; on appelle a_i le module de stabilité en plongée ; on peut également appeler module de stabilité en plongée la distance a_p qui sépare le centre de gravité et le centre de volume de l'ensemble constitué par la carène intérieure, ses appendices et l'eau des ballasts. On a bien évidemment la relation :

En surface, les conditions de stabilité sont celles des bâtiments de surface (cf. A. Architecture navale).

Pendant le remplissage et la vidange des ballasts, la stabilité se trouve diminuée par suite de l'existence de carènes liquides dans les ballasts ; il y a lieu de tenir compte de ce phénomène dans l'établissement d'un projet de sous-marin.

Coque résistante

On appelle coque résistante la partie de la coque sur laquelle s'exerce la pression d'immersion (approximativement, 0,1 mégapascal par tranche de 10 mètres d'eau) et qui contient l'équipage et la majeure partie des installations du sous-marin. Cette coque a un rôle important du point de vue de la sécurité, puisque c'est de son intégrité (étanchéité, résistance) que dépend la survie du sous-marin. Compte tenu des efforts importants auxquels elle doit résister, son poids représente un pourcentage notable du devis de poids, et il importe de le calculer avec précision.

Contrairement à ce qui se passe pour les bâtiments de surface, on ne s'intéresse pas aux efforts dus à la houle et peu aux efforts locaux pour se préoccuper essentiellement des efforts dus à la pression d'immersion.

La coque du sous-marin a une forme de révolution de manière à réaliser un certain aplexisme vis-à-vis des efforts d'immersion. La forme aplexique est celle qui résiste le mieux à l'écrasement sous l'action des hautes pressions : idéalement, c'est, en profondeur infinie, une forme sphérique, comme celle de la coque résistante d'un bathyscaphe. Pour un sous-marin classique, on a intérêt à avoir une coque résistante comportant une partie cylindrique (cylindre de révolution) de grande longueur.

Le calcul de la coque résistante se fait en examinant les différents processus possibles de sa destruction :

– soit par dépassement de la limite élastique. Dans un anneau de rayon R et d'épaisseur a, le taux de compression dans le métal sous la pression d'immersion p sera k₁ (pR/a) ;

– soit par flambement d'ensemble. Ce même anneau d'inertie I par rapport à la fibre neutre périra pour une pression de flambement pf = k₂ (EI/R³) où E est le module de Young.

Afin de retarder ce dernier mode de destruction, il faut augmenter l'inertie de la section, donc mettre des membrures circulaires qui introduisent des tensions de flexion dans le bordé, ce qui modifie le calcul des tensions.

De nombreuses études ont été conduites par les différentes marines concernées qui, généralement, gardent jalousement leurs modes de calculs propres. On peut cependant dire, schématiquement, que, pour une coque épaisse de sous-marin ayant un échantillonnage (dimensionnement) donné, on calcule : l'immersion à laquelle la tension dans un point du bordé dépasse la limite élastique ; l'immersion de flambement d'ensemble ; éventuellement, l'immersion correspondant à l'apparition d'autres modes de flambement comme celui par gondolement du bordé en maille (entre membrures).

La comparaison de ces immersions et leur combinaison permettent ensuite de définir la profondeur de destruction calculée qui pourra, une fois un échantillonnage retenu, être vérifiée par un essai sur modèle.

Les accidents de structure, de cloisons et d'ouvertures donnent lieu à des calculs particuliers et à des vérifications sur modèle.

L'immersion normale de service Z_s est reliée à l'immersion de destruction Z_d par un coefficient de sécurité (Z_d/Z_s) dont la valeur dépend : de l'incertitude concernant les calculs ; de l'incertitude introduite par les défauts de réalisation (géométriques notamment) ; de la probabilité pour le sous-marin de dépasser accidentellement en service cette immersion, et de l'importance des « excursions » possibles, lesquelles dépendent de la vitesse ; enfin de la prise en considération du nombre de cycles d'immersion et de la fatigue oligo-cyclique qui en résulte.

La coque du sous-marin peut être cloisonnée ; les cloisons sont prévues pour résister : soit à une immersion importante, à laquelle le sauvetage de l'équipage est encore possible, soit à une faible immersion (c'est le cas des cloisons de surface servant essentiellement à éviter la propagation des incendies ou l'envahissement éventuel d'eau).

Tenue en plongée

Les problèmes touchant la navigation en surface sont considérés comme d'importance secondaire : il n'en a pas été toujours ainsi, en particulier à l'époque où les sous-marins devaient revenir en surface pour recharger leurs batteries et accompagnaient les escadres de bâtiments de surface à des vitesses pouvant atteindre 20 nœuds. Actuellement, les sous-marins sont dessinés essentiellement pour la marche en plongée, et on leur demande seulement de pouvoir « tenir » en surface dans des conditions de vitesse et de mouvements de plate-forme acceptables.

En navigation en plongée, le sous-marin doit pouvoir évoluer dans la tranche d'immersion qui lui a été assignée, à des vitesses variant de la vitesse nulle (plongée statique) à la vitesse maximale permise par sa propulsion.

Pour tenir la plongée statique, le sous-marin doit « se peser », c'est-à-dire réaliser l'équilibre statique (cf. supra). Or le poids d'un sous-marin peut varier par suite de la consommation des approvisionnements : combustibles, vivres, eau douce, munitions, par exemple ; la poussée varie suivant le poids spécifique de l'eau de mer qui peut prendre des valeurs très différentes (une variation de vingt-cinq millièmes du poids spécifique de l'eau de mer induit une variation de 25 tonnes du poids apparent d'un sous-marin de 1 000 mètres cubes de volume de carène intérieure et de déplacement réglementaire en surface de 1 026 tonnes).

Pour rétablir l'équilibre du sous-marin, comme il est très difficile de faire varier son volume, on agit sur son poids en vidant ou en remplissant des caisses spéciales appelées caisses de réglage ou caisses d'assiette, lorsqu'elles servent à compenser de manière générale les différentes variations de poids et de poussée (cf. supra), et compensateurs lorsqu'elles sont affectées à la compensation d'une variation de poids (cf. supra) déterminée (emploi de munitions, par exemple).

En plongée dynamique, par suite de son mouvement, le sous-marin se trouve, en outre, soumis à un ensemble de forces d'origine hydrodynamique croissant approximativement comme le carré de sa vitesse, et à la poussée des hélices qui provoque son mouvement. L'étude du mouvement se fait en application des lois fondamentales de la dynamique, en analysant les différents efforts qui s'exercent sur le sous-marin. Pour ce qui concerne les forces hydrodynamiques, on peut distinguer celles qui sont liées au mouvement du sous-marin, translation et rotation suivant les différents axes, celles qui sont dues à la houle et celles qui sont induites par l'orientation des safrans dont la présence est nécessaire pour permettre de tenir l'immersion et le cap ou de changer d'immersion et de cap. Les masses et inerties prises en compte sont celles qui correspondent au déplacement « de forme » majorées des masses et inerties virtuelles (masses et inerties « ajoutées ») introduites dans les équations générales de l'hydrodynamique.

Tous les sous-marins rapides actuels utilisent un système de trois gouvernails : le gouvernail de direction, dont le but principal est de tenir le cap du sous-marin, le gouvernail de plongée arrière, placé le plus près possible de l'arrière du sous-marin, et le gouvernail de plongée avant, placé soit sur le massif, soit plus près de l'étrave. L'orientation de ces gouvernails de plongée autour de leur axe horizontal permet au sous-marin de garder une immersion constante ou de changer d'immersion ; pour ce faire, il est plus rapide aux vitesses moyennes de « prendre de l'assiette » grâce à l'action de la barre arrière située loin du centre de dérive. Aux vitesses plus basses, l'efficacité de la barre arrière devient faible sur l'assiette et l'immersion (il existe même une vitesse à laquelle son action s'inverse), d'où la nécessité d'une barre avant dont l'action sur l'immersion est prépondérante.

On cherche aussi à accroître la stabilité du sous-marin à grande vitesse (à faible vitesse, cette stabilité est assurée en grande partie par la stabilité de poids) en développant des surfaces horizontales qui permettent de reculer le centre de dérive. Le pilotage d'un sous-marin, souvent automatisé, consiste à asservir les angles de barres aux erreurs de cap, d'immersion et à leurs dérivées.

Propulsion

Un des premiers objectifs poursuivis dans le dessin d'un appareil propulsif de sous-marin est d'obtenir une vitesse aussi élevée que possible pour un appareil propulsif déterminé ou de définir l'appareil propulsif de volume et de poids aussi réduits que possible permettant d'atteindre la vitesse requise.

On s'efforce donc de choisir les formes les plus appropriées à la navigation en plongée. Or, dans ce mode de navigation, la résistance de frottement prend une très grande importance par rapport à la résistance de vagues, nulle en immersion profonde (cf. B. Hydrodynamique navale). La résistance de remous peut être réduite en étudiant soigneusement les appendices, en leur donnant des profils adéquats. En conséquence, les sous-marins dont la section est souvent circulaire, comme celle de leur coque résistante, sont en général de forme allongée, sans que cet allongement soit excessif, avec des formes arrondies à l'avant et profilées à l'arrière pour assurer une bonne arrivée d'eau à l'hélice.

Grâce à des essais analogues à ceux qui sont faits dans le cas des bâtiments de surface, on peut définir a priori les caractéristiques de résistance à l'avancement d'un sous-marin en projet. Ces essais sont aussi mis à profit pour déterminer les coefficients hydrodynamiques à retenir pour les études du mouvement du sous-marin en plongée et du pilotage.

Le rendement propulsif global d'un sous-marin (RV/F), où F est la puissance sur l'arbre, R la résistance hydrodynamique et V la vitesse, peut atteindre 85 p. 100 pour les sous-marins à hélice axiale unique.

Les principales caractéristiques recherchées pour un appareil moteur de sous-marin sont, outre un poids et un volume au kilowatt aussi réduits que possible, les suivantes : fonctionnement sans variation de poids, absence de dégagement gazeux dangereux, possibilité de fonctionner en plongée complète, couple élevé en marche arrière (arrêt rapide indispensable du point de vue de la sécurité). Les exigences de la discrétion conduisent en outre à adopter des vitesses de rotation faibles, donc de forts couples.

Le premier compromis satisfaisant employé a été la propulsion Diesel électrique : en plongée, la propulsion est assurée par un moteur électrique alimenté par une batterie d'accumulateurs ; des groupes électrogènes Diesel-dynamo ou Diesel alternateur-redresseur permettent en navigation schnorchel (le schnorchel est un tube reliant, à l'immersion périscopique, l'intérieur du sous-marin avec l'atmosphère au-dessus de la surface de la mer) de recharger les batteries et d'alimenter directement le moteur électrique de propulsion. Le combustible nécessaire à l'alimentation des groupes électrogènes est très souvent logé en soutes extérieures équilibrées, dans lesquelles l'eau de mer remplace le combustible à mesure de sa consommation en réduisant ainsi les variations de pesée.

La propulsion nucléaire réalise l'idéal des sous-mariniers, la seule nuisance de l'appareil moteur étant les rayonnements (β et γ essentiellement) dont on peut se protéger efficacement par des moyens appropriés (protection hydrogénée, plomb, par exemple). Les réacteurs nucléaires actuels sont essentiellement des réacteurs à eau pressurisée, à uranium enrichi, dans lesquels l'eau primaire sert à vaporiser l'eau d'un circuit secondaire ; la vapeur produite est utilisée de la même manière que celle qui est produite par une chaufferie classique.

D'autres systèmes de propulsion indépendants de l'atmosphère connaissent, depuis les années 1990, un début d’application. Ces procédés, qui sont dits anaérobies, utilisent un comburant, en règle générale de l'oxygène liquide stocké dans un réservoir cryogénique, et un carburant qui peut être du gazole, du kérosène, un hydrocarbure désulfuré, de l'hydrogène, etc. Les moyens de production de puissance sont également très diversifiés : piles à combustible, moteurs Diesel, moteurs Stirling ou turbines fonctionnant en cycle fermé. Compte tenu du volume important à consacrer à ces procédés anaérobies chimiques, notamment pour stocker l'oxygène liquide et le carburant, et donc de l'effet qui en résulte sur les dimensions du sous-marin, ces procédés ne peuvent pas rivaliser en performances (vitesse et rayon d'action en plongée) avec l'énergie nucléaire. Mais certains considèrent qu'il s'agit d'une troisième voie prometteuse entre la propulsion conventionnelle dont on connaît bien les limites et la propulsion nucléaire qui n'est accessible qu'à très peu de marines. Plusieurs sous-marins, de conception française, allemande ou suédoise, sont équipés de procédés anaérobies.

Sécurité en plongée

Si la plongée représente pour le sous-marin un moyen privilégié d'échapper à la détection adverse, le sous-marin se trouve exposé dans cette situation à un certain nombre de risques qu'il faut connaître et apprécier, en particulier pour doter le sous-marin des moyens nécessaires à son rétablissement en cas d'accident : ce rétablissement consiste souvent en un retour en surface.

Du fait de la présence d'eau de mer sous pression, de la nécessité pour le sous-marin de naviguer dans une tranche d'eau d'épaisseur relativement faible de cinq à dix fois sa longueur (toute excursion au-delà se traduisant par sa destruction), de l'équilibre entre le poids et la poussée qu'il doit maintenir en permanence, le sous-marin sera particulièrement en danger s'il s'alourdit intempestivement (entrée d'eau de mer) ou s'il prend une trajectoire erratique vers le bas (avarie de pilotage).

Ces deux risques sont intrinsèquement les plus importants. On peut y ajouter les risques de collision, essentiellement avec des bâtiments de surface.

Pour diminuer la probabilité d'entrée d'eau de mer dans le sous-marin (le débit d'une voie d'eau de section déterminée croît comme la racine carrée de l'immersion), il faut rendre étanches les inévitables orifices de coque, nécessaires pour les entrées de câbles ou celles de commandes mécaniques (ligne d'arbres porte-hélice, par exemple), soigner la technologie des circuits d'eau de mer sous pression destinés à évacuer à l'extérieur les calories produites par certains équipements (propulsion en particulier) et les munir de systèmes d'isolement rapide.

Des dispositifs d'allégement rapide sont prévus pour combattre l'alourdissement : chasse de l'eau des ballasts avec de l'air comprimé, lests solides largables (pour les engins sous-marins, les batteries d'accumulateurs peuvent aussi être larguées). En cas de voie d'eau, le sous-marin utilisant sa vitesse et ses barres de plongée pour se donner une force de sustentation doit chercher à rejoindre la surface le plus vite possible, diminuant ainsi sa vitesse d'alourdissement.

Pour diminuer les risques d'« excursion » vers le bas en cas d'avarie de pilotage, il faut d'abord concevoir des appareils à gouverner aussi sûrs que possible, avec des contrôles internes décelant les pannes et prévenant les conséquences. Cependant, une avarie de barre arrière « à plonger » ne pouvant avoir une probabilité rigoureusement nulle, le sous-marin doit avoir des possibilités de réaction. Celles-ci comprennent essentiellement l'utilisation de la barre de direction, qui possède dans ce cas un effet bénéfique sur l'assiette et freine le bâtiment, l'arrêt de la propulsion puis son utilisation en marche arrière, enfin l'utilisation de moyens d'allégement rapide (chasse aux ballasts, largage des lests de sécurité, etc.) : il est possible, en outre, d'interdire au sous-marin de naviguer à vitesse maximale au voisinage de son immersion maximale pour accroître ainsi par « consigne » le coefficient de sécurité de sa coque résistante.

La furtivité du sous-marin : la discrétion acoustique

Les moyens les plus efficaces pour tenter de détecter les sous-marins restent les procédés acoustiques, qu'il s'agisse du sonar passif (qui cherche à détecter le bruit rayonné dans l'eau par le sous-marin) ou du sonar actif (qui émet un son dans l'eau et cherche à détecter l'écho renvoyé par la coque du sous-marin) : le sous-marin utilise lui-même de tels procédés pour détecter les bâtiments de surface ou d'autres sous-marins, en privilégiant l'emploi du sonar passif qui est discret et ne révèle pas sa présence.

Les progrès réalisés par ces sonars (dimensions des antennes, traitement du signal) ont conduit à modifier très profondément l'architecture des sous-marins dont on a vu que la principale qualité devait être la discrétion.

Pour réduire le bruit rayonné, les machines et les divers équipements font l'objet de montages suspendus particulièrement étudiés : choix de machines très silencieuses montées sur suspensions et raccordées à leur environnement par des liaisons souples. Des revêtements amortisseurs de vibrations et des capotages acoustiques sont également utilisés. Les formes extérieures très pures de carène et les propulseurs sont étudiés pour minimiser les bruits hydrodynamiques.

Vis-à-vis des sonars actifs, des revêtements extérieurs dits anéchoïques sont de plus en plus utilisés : ils sont destinés à absorber les ondes acoustiques émises par un sonar actif adverse et à réduire ainsi l'écho renvoyé par le sous-marin.

Les sous-marins les plus récents ont des niveaux de bruit extrêmement bas, du même ordre que celui d'un appareil électroménager dit silencieux que nous utilisons quotidiennement. Cette course au silence a conduit à augmenter encore la taille des sous-marins afin de pouvoir y intégrer tous ces dispositifs antibruit.

Installations de contrôle et de régénération de l'atmosphère

L'atmosphère à bord des sous-marins est contrôlée en permanence et régénérée à la demande, ce qui permet de maintenir des concentrations en gaz vitaux acceptables et surtout non préjudiciables, à terme, pour l'organisme.

À bord des sous-marins français classiques, la valeur minimale pour l'oxygène est fixée à 17 p. 100, les taux maximaux pour le gaz carbonique et pour l'oxyde de carbone sont respectivement de 1 p. 100 et de 50 ppm.

L'oxygène y est renouvelé par percussion de chandelles à base de chlorate de magnésium. Le gaz carbonique est éliminé par passage de l'air à épurer sur de la chaux sodée placée dans des absorbeurs répartis à bord. L'oxyde de carbone est éliminé lors des marches au schnorchel. En fait, pour l'organisme, seules importent les pressions partielles de chaque gaz dans l'atmosphère. Il faut donc tenir compte, surtout lorsqu'on navigue au schnorchel, de la dépression régnant dans le bord. En effet, lorsqu'il existe, par exemple, une dépression de 500 hectopascals, c'est comme si l'on se trouvait dans une atmosphère contenant moitié moins d'oxygène qu'il n'y en a en réalité.

Par ailleurs, ces dépressions peuvent entraîner une otite baro-traumatique bien connue des plongeurs sous-marins, provoquant des douleurs et une surdité passagère. Comme en plongée le sous-marin est aveugle et ne peut compter que sur ses appareils d'écoute, ce phénomène est particulièrement grave.

À bord des sous-marins nucléaires lanceurs d'engins (S.N.L.E.), la régénération de l'atmosphère est beaucoup plus élaborée. Le renouvellement de l'oxygène s'effectue par électrolyse d'une solution aqueuse de potasse : l'oxygène dégagé à l'anode est renvoyé dans le bord, l'hydrogène dégagé à la cathode est comprimé, puis rejeté à la mer où il se dissout sans provoquer de bulles pouvant nuire à la discrétion du bâtiment.

Le gaz carbonique est éliminé par passage sur des tamis moléculaires. Chaque usine (un S.N.L.E. en possède deux) comporte deux colonnes contenant des terres rares absorbant le gaz carbonique. On fait passer l'air à épurer sur une première colonne ; lorsqu'elle est saturée, on utilise alors la seconde colonne ; pendant ce temps, on désorbe par chauffage le gaz carbonique de la première colonne qui est comprimé et rejeté à la mer. On laisse ensuite refroidir cette colonne, qui redevient prête à l'emploi lorsque la seconde est saturée.

Les autres polluants, tels que l'oxyde de carbone et l'hydrogène, sont brûlés par catalyse, tandis que les aérosols sont détruits grâce à des précipitateurs électrostatiques. Tous ces nouveaux procédés permettent de maintenir à bord des taux de gaz proches de ceux que l'on rencontre normalement dans l'air. L'oxygène reste autour de 20 p. 100, le gaz carbonique autour de 0,5 p. 100 et l'oxyde de carbone est pratiquement inexistant.

Divers types de sous-marins. Leurs missions

Avant d'aborder un exposé sur les armes et les équipements des sous-marins, il convient de situer les divers types de bâtiments que l'on peut rencontrer, ces types résultant d'ailleurs des missions principales qui leur sont dévolues et en fonction desquelles ils sont conçus.

Historiquement, comme déjà rappelé, le sous-marin s'est développé autour d'une mission unique prioritaire qui était la destruction des flottes de surface, à l'aide d'une arme nouvelle, la torpille, et dans des conditions de discrétion qui étaient jusque-là inconnues dans le combat naval. Cette situation a évolué lentement sans changement notable jusqu'à la Seconde Guerre mondiale.

Depuis lors, les développements de la détection sous-marine passive, des torpilles filoguidées et de certaines autres armes ont permis d'envisager l'utilisation du sous-marin d'une part comme chasseur d'autres sous-marins, d'autre part comme « tueur » d'autres sous-marins (notion de hunter-killer des Anglo-Saxons).

En France, on appelle aujourd'hui sous-marin d'attaque (S.N.A. pour sous-marin nucléaire d'attaque) un sous-marin dont les vocations essentielles sont d'une part la lutte contre les bâtiments de surface, d'autre part une capacité plus ou moins développée de lutte anti-sous-marine. D'ailleurs, un sous-marin dont la vocation principale est la lutte anti-sous-marine (appelé parfois sous-marin de chasse ou hunter-killer) a ipso facto une capacité de lutte antisurface, lutte qui réclame des moyens moins sophistiqués. Pour les S.N.A. de grand déplacement, on remarque une tendance continue à la polyvalence, certains ayant également une capacité de lutte contre la terre, par l'emport de missiles de croisière.

Qu'il soit d'attaque ou de chasse, le sous-marin peut être muni d'une propulsion conventionnelle Diesel électrique, ou peut bénéficier de l'énergie nucléaire. Les sous-marins Diesel électrique se caractérisent par une faible mobilité en environnement aéronaval hostile : pendant leurs transits, ils sont soumis par l'emploi du schnorchel à la détection électromagnétique des aéronefs adverses, et, en limitant leurs indiscrétions à moins de 20 p. 100 du temps de transit, il est rare qu'ils puissent dépasser une vitesse moyenne de l'ordre de 7 nœuds. Ils sont donc essentiellement utilisés tant pour les missions d'attaque que pour les missions de chasse, dans des passages resserrés dits « passages obligés » où ils restent à l'affût. Leurs qualités de silence sont alors vivement appréciées. En revanche, les sous-marins nucléaires d'attaque ou de chasse peuvent être employés loin de leurs bases, en mer ouverte, leur mobilité n'étant limitée que par leur discrétion acoustique.

Enfin, par la grande autonomie qu'on peut leur donner et la mobilité discrète que leur confère l'énergie nucléaire, les sous-marins nucléaires lanceurs d'engins balistiques (S.N.L.E.) sont devenus le support privilégié de l'arme de dissuasion. La quasi-invulnérabilité que leur donnent ces qualités, l'incertitude qui en résulte sur leur localisation les soustraient à toute attaque nucléaire préventive et en font l'instrument privilégié de la riposte (capacité de seconde frappe).

Armes et équipements

L'arme tactique du sous-marin, dont le développement l'a d'ailleurs précédé, est la torpille, qui est lancée par des tubes traversant la coque épaisse, munis d'une porte à chaque extrémité et des sécurités indispensables. La torpille est lancée soit par démarrage au tube de son propre moteur de propulsion (solution très en faveur sur les sous-marins conçus en Allemagne), soit par action d'un système de lancement poussant la torpille hors du tube. Les systèmes de lancement, plus sûrs que n'est le simple démarrage au tube, peuvent être rendus utilisables à toute immersion et de préférence aussi à toute vitesse du bâtiment, ce de manière discrète ; le lancement direct à l'air comprimé, en faveur jusqu'à la Seconde Guerre mondiale, a été de ce fait abandonné pour divers types de systèmes à vérin.

La plupart des torpilles modernes sont guidées par un fil de télécommande à proximité de leur objectif, qui peut être un bâtiment de surface ou un sous-marin. Un autodirecteur passif ou actif conduit ensuite la torpille au but. Contre les objectifs de surface, on peut utiliser des missiles à changement de milieu qui, lancés en plongée, volent ensuite au ras de l'eau ; ils complètent l'armement tactique composé initialement de torpilles. Il a même existé des engins à double changement de milieu, dont l'arme terminale est une grenade nucléaire contre sous-marins.

L'emploi de ces armes tactiques suppose que l'adversaire sur lequel elles sont lancées soit préalablement détecté, localisé dans un référentiel lié au lanceur (gisement, distance) tout en étant bien sûr identifié comme tel.

Le seul moyen de détection dont disposait le sous-marin aux origines était le périscope, moyen optique, modérément discret, qui permettait d'effectuer toutes ces tâches. De nos jours, c'est essentiellement l' acoustique sous-marine à laquelle on a recours, et ce presque uniquement sous forme de détection passive. Des appareils d'écoute très puissants (sonars passifs) recueillent les sons émis par les différents mobiles marins (bâtiments de surface, sous-marins) et les traitent, permettant de déterminer dans certaines conditions le gisement et la distance des bruiteurs. L'analyse des signaux recueillis conduit en outre à l'identification de ces bruiteurs. L'ensemble de ces informations permet de connaître et d'entretenir la situation des bruiteurs entourant le bâtiment (dite situation tactique). Les éléments de gisement et de distance recueillis, s'ils concernent un bâtiment adverse dont l'attaque est décidée, peuvent être utilisés dans une direction de lancement des armes qui détermine les éléments du but retenu (route, vitesse) et les éléments de réglage initial des armes (notamment cap initial à prendre par l'arme, dont la différence avec le cap du bâtiment constitue la gyrodéviation).

Aux systèmes d'armes tactiques équipant tous les sous-marins militaires s'ajoute à bord des sous-marins nucléaires lanceurs d'engins un système d'armes de dissuasion. Les missiles balistiques à longue portée qui constituent généralement l'élément essentiel du système d'armes de dissuasion sont placés dans des tubes lance-missiles verticaux : leurs dimensions fixent donc dans une large mesure celles du sous-marin. Ils sont lancés en plongée à partir d'une immersion relativement faible, sur des objectifs désignés à l'avance par l'autorité politique.

Pour atteindre les objectifs désignés, il est nécessaire de très bien connaître la position du sous-marin lanceur et son cap, ce que permet l'installation de centrales inertielles de navigation, et de communiquer ces informations précises à la centrale inertielle du missile juste avant le tir, afin qu'il puisse être guidé dans la phase propulsée de son vol. La navigation très précise obtenue à l'aide des centrales inertielles du sous-marin se dégrade sous l'effet de la dérive des gyroscopes qui équipent ces centrales. Il est donc nécessaire de recaler périodiquement ces centrales à l'aide de systèmes de radionavigation (Loran C-Oméga) utilisables en plongée, ou de visées stellaires et de satellites de navigation utilisables à l'immersion périscopique. L'ordre de tir est transmis aux sous-marins nucléaires lanceurs d'engins par des ondes radioélectriques ELF, VLF ou LF qu'il est possible de recevoir en plongée de manière discrète à l'aide de dispositifs appropriés.

La navigation précise et les transmissions sont également importantes sur les sous-marins d'attaque ou de chasse, où des dispositifs analogues sont employés. L'utilisation des sous-marins d'attaque ou de chasse en soutien direct des forces de surface suppose en effet que les installations de navigation soient relativement précises et que des installations particulières de transmission permettant les liaisons sous-marins - navires de surface existent.

Les sous-marins français

La France ne possède plus aujourd'hui que des sous-marins à propulsion nucléaire, sous-marins nucléaires lanceurs d'engins balistiques (S.N.L.E.) et sous-marins nucléaires d'attaque (S.N.A.).

Les premiers S.N.L.E. (dont le prototype était Le Redoutable, lancé en 1967) ont été progressivement remplacés, à partir de 1997, par des sous-marins de nouvelle génération, de type Le Triomphant. Le quatrième et dernier de cette série, nommé Le Terrible, entrera en service en 2010. Plus grands, plus rapides et plus silencieux que leurs prédécesseurs, ces bâtiments sont aussi dotés d'une « ouïe » beaucoup plus fine. Avec une longueur de 138 mètres et un diamètre de 12,5 mètres, ils ont un déplacement en surface de 12 600 tonnes et en plongée de 14 300 tonnes. Leur immersion maximale est supérieure à 300 mètres et leur vitesse en plongée dépasse 25 nœuds. Ils emportent chacun 16 missiles balistiques à têtes nucléaires. Leur équipage est de 111 hommes.

Les S.N.A. en service, de type Rubis (en service depuis 1983 pour celui-ci), seront progressivement remplacés, à partir de 2016, par les sous-marins du programme Barracuda, dont le premier est en construction. D'une longueur de 99 mètres et d'un diamètre de 8,8 mètres, ils auront un déplacement de 4 700 tonnes en surface et de 5 200 tonnes en plongée. Leur immersion maximale sera supérieure à 300 mètres et leur vitesse supérieure à 25 nœuds en plongée. Ils seront équipés de 4 tubes permettant de lancer des torpilles ou des missiles de croisière. 60 hommes composeront leur équipage.