L'Aqua-Lung fut le premier appareil respiratoire sous-marin autonome à circuit ouvert (ou "scaphandre autonome") à connaître une popularité mondiale et un succès commercial retentissant. Ce type d'équipement est désormais communément appelé détendeur de plongée à deux tuyaux, ou valve à la demande. L'Aqua-Lung a été inventé en France pendant l'hiver 1942-1943 par deux Français : l'ingénieur Émile Gagnan et Jacques Cousteau, qui était alors lieutenant de vaisseau. Le détendeur à la demande Aqua-Lung à deux tuyaux constitue le fondement de tous les détendeurs de plongée actuels.
Principes Techniques et Fonctionnement du Détendeur Aqua-Lung
Le système Aqua-Lung est un système à la demande à circuit ouvert autonome. Cela signifie que le gaz respiratoire est fourni à partir d'un stockage haute pression transporté par le plongeur sur demande. Le gaz est délivré lorsque le plongeur inspire et réduit la pression dans le tuyau d'alimentation. Par la suite, le débit est coupé lorsque le gaz n'est plus requis. Une fois respiré, le gaz exhalé est évacué dans l'environnement ambiant.
Pour le fonctionnement de ce système, un diaphragme est utilisé pour contrôler une valve afin de fournir le gaz respiratoire au plongeur sur demande, à la pression ambiante de l'eau. Le gaz à haute pression s'écoule dans le détendeur depuis la sortie de la valve de la bouteille, et est bloqué par la valve à la demande. Lorsque le plongeur consomme du gaz à pression ambiante, la pression diminue dans la chambre basse pression et le diaphragme se déforme vers l'intérieur, poussant contre le levier de la valve. Cela ouvre la valve haute pression, permettant au gaz de s'écouler au-delà du siège de la valve vers la chambre basse pression. Lorsque le plongeur cesse d'inhaler, la pression dans les chambres basse pression augmente rapidement jusqu'à ce que le diaphragme revienne à sa position neutre et ne presse plus sur le levier de la valve, coupant le débit jusqu'à la prochaine inspiration.
Les systèmes de plongée inventés avant l'Aqua-Lung étaient principalement des équipements de recycleurs à circuit fermé. Dans ces systèmes, le gaz respiratoire s'écoule à travers un tuyau à pression ambiante vers le plongeur, et le gaz exhalé est renvoyé à travers un épurateur qui élimine le dioxyde de carbone, vers un réservoir à contre-poumon. Un peu de gaz frais est ajouté pour maintenir la teneur en oxygène, puis il est recirculé vers le plongeur dans une boucle fermée.
Évolution des Détendeurs : Du Monostade au Bistade
Le détendeur Aqua-Lung original était une unité monostade, logée dans un boîtier circulaire en laiton monté sur la valve de la bouteille derrière le cou du plongeur. Sur un détendeur monostade, le débit à travers l'orifice de la valve à la demande varie en fonction de la pression de la bouteille pour la même taille d'ouverture. De plus, la force d'ouverture requise varie en fonction de la pression d'entrée et de la zone de l'orifice. Ensemble, ces facteurs font varier le taux de délivrance à mesure que la pression dans la bouteille change.
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Les modèles ultérieurs ont inclus un premier étage de détendeur pour fournir de l'air à la valve à la demande à une pression plus basse, compensée par la profondeur. Cette innovation a permis un contrôle plus fin et une plus grande sensibilité aux petites différences de pression sur le diaphragme du deuxième étage, mais une moindre sensibilité à la variation de pression de la bouteille pendant la plongée. Ces deux caractéristiques étaient très recherchées.
Sur ces détendeurs à deux étages, les mécanismes des valves du premier et du deuxième étage sont logés dans le boîtier circulaire en laiton monté sur la valve de la bouteille, derrière le cou du plongeur. Le gaz à haute pression s'écoule dans le détendeur depuis la sortie de la valve de la bouteille et est bloqué par la valve du premier étage. Le diaphragme du premier étage est un couvercle flexible à ressort pour la chambre de pression intermédiaire. Lorsque leongeur consomme du gaz du deuxième étage, la pression diminue dans la chambre intermédiaire et le diaphragme se déforme vers l'intérieur, poussant contre le levier de la valve. Cela ouvre la valve haute pression, permettant au gaz de s'écouler au-delà du siège de la valve dans la chambre intermédiaire.
Le deuxième étage, ou étage de la valve à la demande, maintient le gaz dans la chambre intermédiaire jusqu'à ce qu'il soit ouvert par une réduction de pression dans la chambre basse pression. Il réduit la pression de l'alimentation en air intermédiaire à une pression très proche de la pression ambiante lorsque le plongeur inhale l'air dans la chambre basse pression. Le diaphragme basse pression, plus grand et plus sensible, se défléchit vers l'intérieur pour pousser contre le levier actionnant la valve du deuxième étage.
Configuration des Tuyaux et Gestion de l'Échappement
L'air s'écoule à travers une paire de grands tuyaux en caoutchouc ondulé vers et depuis l'embout buccal. Le tuyau d'alimentation est connecté à un côté du corps du détendeur et fournit de l'air à l'embout buccal à travers une valve anti-retour. L'air exhalé est renvoyé vers le boîtier du détendeur, à l'extérieur du diaphragme, également à travers une valve anti-retour de l'autre côté de l'embout buccal et à travers une autre valve d'échappement anti-retour dans le boîtier du détendeur.
Les valves anti-retour montées sur chacun des tuyaux respiratoires, là où ils se connectent à l'embout buccal, empêchent toute eau qui pénètre dans l'embout buccal de passer dans le tuyau d'inhalation. Elles garantissent également qu'une fois soufflée dans le tuyau d'expiration, l'eau ne peut pas revenir. Cela augmente légèrement la résistance au flux d'air et le travail respiratoire, mais rend le détendeur plus facile à purger, en particulier lorsque le plongeur n'a pas assez d'air dans ses poumons pour le purger d'un coup avec une expiration forte.
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Pour éviter le débit continu (free-flow) ou une contre-pression d'échappement excessive, la valve d'échappement doit être à la même profondeur que le diaphragme. Le seul endroit fiable pour réaliser cela est dans le même boîtier. Idéalement, la pression délivrée est égale à la pression de repos dans les poumons du plongeur, car c'est à cette pression que les poumons humains sont adaptés pour respirer. Avec un détendeur à deux tuyaux placé derrière le plongeur au niveau des épaules, la pression délivrée varie avec l'orientation du plongeur. Si le plongeur se met sur le dos, la pression de l'air libéré est plus élevée que celle dans les poumons. Les plongeurs ont appris à restreindre le débit en utilisant leur langue pour fermer l'embout buccal.
Les Précurseurs de l'Aqua-Lung
L'Aqua-Lung n'a pas été le premier appareil respiratoire sous-marin autonome, mais il a été le premier à être largement populaire. De nombreux développements ont précédé cette invention majeure, marquant des étapes cruciales dans l'histoire de la plongée.
Un régulateur de respiration sous-marine antérieur, connu sous le nom de régulateur, fut inventé en France en 1860 par Benoît Rouquayrol. Il le conçut initialement comme un dispositif pour aider à s'échapper des mines inondées. Le régulateur Rouquayrol fut adapté à la plongée en 1864, lorsque Rouquayrol rencontra le lieutenant de vaisseau Auguste Denayrouze. Après 1884, plusieurs entreprises et entrepreneurs achetèrent ou héritèrent du brevet et le produisirent jusqu'en 1965. En 1942, pendant l'occupation allemande de la France, le brevet était détenu par la Bernard Piel Company (Établissements Bernard Piel).
En 1934, René Commeinhes développa un appareil respiratoire de pompier qui fut adapté à la plongée sous le nom de G.C. - 42. Ce système fut breveté en avril 1942 (n° 976,590) par son fils Georges en 1937. Il fut utilisé par la Marine française pendant les premières années de la Seconde Guerre mondiale. C'était un système à circuit ouvert alimenté par deux bouteilles de 200 bars, et il utilisait un détendeur monostade pour fournir du gaz à une poche située entre les deux bouteilles montées sur le dos, à une pression légèrement supérieure à la pression ambiante.
Avant 1945, les plongeurs français préféraient la tenue de plongée standard traditionnelle avec casque en cuivre et air fourni depuis la surface. Les appareils Rouquayrol-Denayrouze et Le Prieur, bien que pionniers, avaient leurs limites. L'équipement Rouquayrol-Denayrouze, par exemple, était limité parce que la technologie de son époque ne pouvait produire que des bouteilles d'air comprimé pouvant contenir 30 atmosphères. Cela permettait des plongées de seulement 30 minutes à une profondeur maximale de dix mètres. Le commandant Yves le Prieur avait également inventé un appareil respiratoire sous-marin pour lequel Cousteau cherchait un régulateur à la demande automatique afin d'augmenter son autonomie.
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Il n'est pas clair qui a inventé le premier détendeur à un seul tuyau. L'invention fut motivée par un effort pour contourner le brevet de l'Aqua-Lung sur le détendeur à deux tuyaux, qui impliquait le retour du gaz d'échappement vers le détendeur pour réduire la pression différentielle et ainsi réduire la quantité et la variation de la surpression ou de la sous-pression du gaz respiratoire dans les poumons.
L'Invention et la Commercialisation de l'Aqua-Lung
C'est dans ce contexte que l'Aqua-Lung a vu le jour. Un des appareils de la Bernard Piel Company fut remis à Émile Gagnan, un ingénieur employé par la société Air Liquide. Gagnan le miniaturisa et l'adapta à des générateurs de gaz en réponse à une pénurie de carburant, conséquence des réquisitions allemandes. Le patron de Gagnan, Henri Melchior, savait que son gendre Jacques-Yves Cousteau cherchait un régulateur à la demande automatique pour augmenter l'autonomie utile de l'appareil respiratoire sous-marin inventé par le commandant Yves le Prieur. C'est ainsi qu'il présenta Cousteau à Gagnan en décembre 1942.
À l'initiative de Cousteau, le régulateur de Gagnan fut modifié pour être utilisé en plongée. Cousteau et Gagnan obtinrent un brevet quelques semaines plus tard en 1943. Après la guerre, en 1946, les deux hommes fondèrent La Spirotechnique en tant que division d'Air Liquide afin de produire en série et de vendre leur invention. Cette fois, l'invention était sous un nouveau brevet de 1945 et connue sous le nom de CG45 ("C" pour Cousteau, "G" pour Gagnan et "45" pour 1945). Ce même régulateur CG45, produit pendant plus de dix ans et commercialisé en France à partir de 1946, fut le premier à être réellement appelé "Aqua-Lung".
Lorsque l'Aqua-Lung devint disponible pour un usage commercial, les plongeurs du monde entier trouvèrent l'équipement Cousteau-Gagnan plus petit et plus facile à utiliser que l'appareil Le Prieur ou Rouquayrol-Denayrouze. Les premiers Aqua-Lung Cousteau-Gagnan (comme le CG45 de 1945 ou le Mistral de 1955) étaient des scaphandres autonomes à circuit ouvert à deux tuyaux. Des configurations similaires ont depuis été fabriquées par divers fabricants avec des détails de conception et un nombre de bouteilles variables. Comme les scaphandres autonomes à circuit ouvert avec des détendeurs à un seul tuyau, ils se composaient d'une ou plusieurs bouteilles de plongée haute pression et d'un détendeur de plongée (l'Aqua-Lung) qui fournissait au plongeur du gaz respiratoire à pression ambiante via une valve à la demande.