La capacité d'un sous-marin à naviguer sous la surface de l'eau dépend fondamentalement de ses systèmes de contrôle d'immersion et d'assiette. Au cœur de cette maîtrise se trouvent les barres de plongée, des surfaces hydrodynamiques dont le fonctionnement est crucial pour chaque phase de l'opération sous-marine, qu'il s'agisse de maintenir une profondeur stable, de changer d'immersion ou de corriger l'assiette du bâtiment. Ce système complexe, allant des mécanismes d'action fondamentaux aux architectures les plus modernes et aux défis de leur reproduction en modélisme, représente une prouesse d'ingénierie nautique.
L'Élément Fondamental : Le Safran de Barre de Plongée
Au cœur du système de barres de plongée se trouve le safran, une surface mobile conçue pour interagir avec les filets d'eau. Généralement, chaque barre comprend deux safrans, positionnés de part et d'autre de la coque. Ces safrans sont clavetés sur une même mèche transversale, formant ainsi une unité fonctionnelle. L'action des filets d'eau est ce qui détermine l'action des barres suivant leur inclinaison, qu'une barre soit à plus ou à moins. En effet, sur chaque centimètre carré de la surface du safran s'exerce la pression des filets d'eau. Cette pression détermine une force F normale, c'est-à-dire perpendiculaire, au plan du safran. Cette force F se décompose en deux forces composantes : F1, une force horizontale de résistance à l'avancement, et F2, une force verticale. La force F2 est une force d'allègement si le safran est à plus, et une force verticale d'alourdissement si le safran est à moins.
On dit qu'une barre de plongée est par exemple à +20 si l'arête avant du safran est plus haute que la mèche et si le safran fait un angle de 20° avec le plan de la quille. Inversement, si l'arête avant est au-dessous de la mèche, on dit que la barre est à un angle moins ou négatif. Pour les sous-marins, l'ensemble d'une installation de barre de plongée classique comprend, en plus des deux safrans et de la mèche, une transmission mécanique, une manœuvre normale, une manœuvre de secours à bras et des indicateurs d'angles de barre. L'espace creux à l'intérieur du safran est bourré de brai liégé et de plomb, convenablement répartis pour qu'en position horizontale le safran soit équilibré sur sa mèche. La mèche qui entraîne les safrans est en acier forgé. Elle est clavetée sur chaque safran par deux clavettes longitudinales et une clavette transversale, assurant l'appui de l'emmanchement conique. Cette mèche est soutenue par des paliers rigidement fixés à la coque extérieure du sous-marin. Les mèches sont toujours extérieures à la coque épaisse pour éviter une voie d'eau grave en cas de rupture. Quel que soit le système, des butoirs solidement fixés à la coque extérieure limitent la course du levier de manœuvre de façon que les safrans puissent s'orienter de -30° à +30°.
Les Barres de Plongée Classiques : Positionnement et Rôles Spécifiques
Les sous-marins traditionnels sont généralement équipés de deux jeux de barres de plongée : une barre de plongée avant (AV) et une barre de plongée arrière (AR). La barre de plongée AV est placée au quart ou au cinquième de la longueur du bâtiment à partir de l'avant, tandis que la barre de plongée AR est située juste derrière les hélices. Il est crucial de noter que les barres de plongée n'ont d'effet que si le sous-marin a de l'erre, c'est-à-dire une certaine vitesse.
L'action de chaque barre, avant ou arrière, produit des effets distincts sur le sous-marin. Si l'on met la barre AV à plus, l'avant s'allège grâce à la force F2, et le sous-marin prend de la pointe positive, il remonte. Inversement, si l'on met la barre AV à moins, l'avant s'alourdit (force F2), le sous-marin prend de la pointe négative et il descend. L'effet principal produit par la barre AV est cependant la remontée ou l'enfoncement, et non la pointe positive ou négative. La barre AV agit surtout sur l'immersion.
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Pour ce qui est de la barre AR, son fonctionnement est complémentaire. Si l'on met la barre AR à plus, l'arrière s'allège (force F2), le sous-marin prend de la pointe négative et il descend. Si l'on met la barre AR à moins, l'arrière s'alourdit (force F2), le sous-marin prend de la pointe positive et il remonte. L'effet principal produit par la barre AR est cependant la pointe (positive ou négative) et non l'enfoncement ou la remontée. La barre AR agit surtout sur l'assiette. Ces actions spécifiques soulignent l'importance de la coordination entre les barreurs, car la barre AV agit aussi un peu sur l'assiette et la barre AR aussi un peu sur l'immersion.
Les Principes de la Tenue de Plongée et de Manœuvre
Pour qu'un sous-marin puisse évoluer en plongée, il est essentiel qu'il connaisse à chaque instant son immersion et son assiette. Pour cette raison, une compréhension claire des définitions est fondamentale. Un sous-marin est dit bien pesé lorsque sa flottabilité est nulle et qu'il reste en position horizontale, c'est-à-dire en assiette 0. Cet équilibre est obtenu en introduisant plus ou moins d'eau dans les caisses de pesée. Si le sous-marin est en flottabilité négative, on dit qu'il est lourd. Si sa flottabilité est positive, on dit qu'il est léger. D'autre part, quand l'avant s'élève par rapport à l'arrière, on dit que le sous-marin est en assiette positive. Inversement, si son avant s'abaisse par rapport à l'arrière, il est en assiette négative. On dit encore qu'il prend de la pointe, qu'elle soit positive ou négative.
Nécessité des Barres de Plongée
Les barres de plongée sont indispensables pour plusieurs raisons cruciales. Premièrement, quand le sous-marin en plongée est bien pesé, il est en équilibre indifférent, autrement dit, il suffit d'un effort très faible pour le faire soit monter, soit descendre. Mais s'il n'est pas parfaitement pesé, la faible erreur commise sur son poids suffirait à le faire remonter en surface, ou au contraire à le faire couler. Il faut pouvoir réagir contre ces tendances. Deuxièmement, pour bien tenir la plongée, il n'est pas suffisant de bien régler la pesée du sous-marin, à la fois en poids et en assiette. En effet, si pour une raison quelconque le bâtiment n'est pas en assiette zéro, la poussée des hélices le fait monter ou descendre. Par exemple, si le sous-marin marche en avant et en assiette positive, il va évidemment remonter ; il descendrait au contraire en assiette négative. Les filets d'eau exercent sur la coque du sous-marin une force tendant soit à le faire monter, soit à le faire descendre. La valeur de cette force dépend de la forme de la carène, mais aussi de la vitesse. Le sous-marin n'est donc pas bien pesé pour toutes les vitesses. Comme on ne peut modifier sans cesse son poids en fonction de la vitesse, il faut des barres pour le maintenir en immersion et en assiette. Enfin, il faut également disposer de moyens rapides pour changer d'immersion et d'assiette si l'on veut être manœuvrant en plongée. Les barres de plongée sont utilisées pour obtenir ces divers effets.
La Tenue d'une Immersion Déterminée
Pour tenir une immersion déterminée, il faut empêcher le sous-marin de changer d'immersion et le maintenir en assiette zéro. L'homme de barre avant a, devant les yeux, un manomètre de profondeur. S'il voit que la profondeur augmente un peu, il met sa barre à plus jusqu'à ce que l'enfoncement cesse et que le sous-marin ait rejoint l'immersion ordonnée. Il met sa barre à moins s'il voit que la profondeur diminue. De son côté, l'homme de barre arrière observe l'indicateur d'assiette et agit de la façon suivante : si le sous-marin vient en assiette positive, il met la barre à plus ; il la renvoie à zéro quand l'assiette diminue ; il la met à moins si l'assiette devient négative. Il doit se souvenir que son action consiste à rattraper l'index de l'indicateur avec l'avant de son safran de barre. Les deux hommes de barre doivent veiller avec attention les appareils de contrôle de la plongée et réagir avec leur barre dès qu'ils voient s'amorcer un mouvement du sous-marin en immersion ou en assiette. Ils doivent manœuvrer leur barre souvent et avec de petits angles, d'autant plus que le bâtiment va plus vite, plutôt que rarement avec de grands angles. Il est primordial qu'ils concertent leurs mouvements, puisqu'on a vu que la barre AV agit aussi un peu sur l'assiette et la barre AR aussi un peu sur l'immersion.
Changer d'Immersion et Manœuvres Spécifiques
Le changement d'immersion peut se faire de deux façons principales. La première consiste à prendre de la pointe. Par exemple, pour monter rapidement, on manœuvre les deux barres à la fois : barre AV à plus et barre AR à moins, pour prendre une assiette positive ordonnée et la maintenir avec la barre AR. La seconde méthode est de rester en assiette zéro. Dans ce cas, l'homme de barre AV met sa barre à plus ou moins, suivant qu'il s'agit de monter ou de descendre. L'homme de barre AR agit alors pour garder l'assiette zéro.
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En ce qui concerne les manœuvres spécifiques, gouverner en marche arrière implique que, dès que le bateau prend de l'erre en arrière, les barres sont "inversées", c'est-à-dire que le barreur AV maintient l'assiette et le barreur AR maintient l'immersion. Pour gouverner à grande vitesse, c'est-à-dire des vitesses supérieures à environ 7 nœuds en plongée, la barre AR suffit à maintenir le bateau en immersion, à condition de barrer avec de petits angles de barre. On maintient l'immersion avec de petites pointes alternativement positives et négatives. Dans ce scénario, la barre AV devient alors inutile. Pour cette raison, les sous-marins modernes, comme le "MORILLOT" ou le "NARVAL", sont dotés de barres AV repliables ou éclipsables dans les superstructures. Cette disposition réduit considérablement la résistance à l'avancement causée par cet appendice. La barre AV est par contre ressortie pour les faibles vitesses.
Enfin, l'influence de la barre de direction est notable. Dès que l'on oriente d'un bord ou de l'autre le gouvernail de direction, et avant même que la giration n'ait le temps de s'amorcer, on constate que le sous-marin s'alourdit de l'arrière et prend de la pointe positive. Cet effet est d'autant plus accusé que l'angle de barre de direction est grand et que le sous-marin marche rapidement. Il est impératif de combattre immédiatement cet effet en mettant la barre AR à plus. Inversement, cette action de la barre de direction est utilisée lors des avaries de barre AR, par exemple si elle est coincée à plus, pour diminuer la pointe négative accidentelle prise alors par le sous-marin.
Les Systèmes de Transmission et de Commande des Barres de Plongée
La complexité des manœuvres sous-marines exige des systèmes de transmission et de commande fiables et robustes pour les barres de plongée. Sur la mèche de barre est claveté un levier de manœuvre. Ce levier est entraîné par une bielle liée à une tige filetée. Cette tige est engagée dans un écrou que les moteurs font tourner sans avancer; elle se déplace donc suivant son axe et entraîne avec elle la mèche de barre. Ce dispositif est celui de la barre AV des "CREOLE". Un autre système est celui de la vis-écrou où l'écrou se déplace tandis que la vis tourne. Sur la mèche est claveté un levier de manœuvre qui est entraîné par une bielle liée à un écrou. Cet écrou est guidé dans deux glissières portées par un manchon soudé sur la coque épaisse. La rotation de la vis provoque donc le déplacement de l'écrou dans un sens ou dans l'autre. Ce dispositif est celui des barres des sous-marins de type VII et IX, ainsi que de la barre AR des "CREOLE" et "NARVAL". L'arbre de manœuvre qui entraîne la vis traverse les caisses d'assiette par un tube étanche et ondulé pour permettre les déformations élastiques des fonds de caisses sans détérioration des joints.
Types de Manœuvre
Les barres sont actionnées par manœuvre électrique ou à huile, selon les types de sous-marins. Vu les graves conséquences que peut avoir une avarie de barres en plongée, une manœuvre de secours à bras est généralement prévue sur chaque barre.
La manœuvre électrique se prête facilement à la commande à distance depuis le Central par des manipulateurs et des relais. Cependant, elle présente l'inconvénient d'être bruyante. La transmission mécanique est entraînée soit par deux moteurs reliés par un différentiel. Les deux moteurs peuvent être employés simultanément ou isolément, la vitesse de rotation de la barre étant deux fois plus grande quand on utilise les deux moteurs. C'est le système utilisé sur les "CREOLE". Soit par un seul moteur, qui doit être alors particulièrement robuste, comme c'est le cas pour les barres des types VII et IX.
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La manœuvre à huile ou hydraulique, bien que sa commande à distance depuis le Central soit plus compliquée, est puissante, rapide et silencieuse, pour autant que la station d'huile le soit. La transmission mécanique est entraînée soit par deux moteurs rotatifs à huile attaquant un réducteur. Les moteurs sont débrayables et peuvent donc être employés simultanément ou isolément. C'est le système utilisé sur les "NARVAL". Soit par des presses à huile, qui peuvent être fixes et intérieures, comme sur les sous-marins "S" et "MORILLOT", ou oscillantes et extérieures, comme sur les "ARETHUSE".
La manœuvre de secours est une mesure de sécurité vitale. Elle est utilisée en cas d'avarie des manœuvres normales, qu'elles soient électriques ou à huile, ou bien dans un but d'économie d'énergie et de silence. Ces systèmes sont conçus pour permettre un passage rapide de la manœuvre normale à la manœuvre de secours. Pour les barres manœuvrées électriquement, un volant est prévu qui entraîne l'arbre de commande après débrayage local des moteurs, à l'instar des "CREOLE". Les sous-marins de type VII et IX ont une manœuvre de secours particulièrement commode consistant en un volant au poste central qui entraîne la vis de manœuvre par une transmission à cardans ayant la demi-longueur du bâtiment. Pour gouverner à bras, il faut d'abord débrayer le moteur électrique, ce qui s'obtient par une manœuvre à distance du Central au moyen d'air à 12 kg. Pour les barres manœuvrant à l'huile, il existe deux solutions employées.
Circuits de Commande et Indicateurs
Les barres sont normalement commandées à distance du Central, soit par les barreurs agissant sur des manipulateurs placés devant le tableau de plongée, soit par le pilote automatique. En manœuvre à huile, la commande peut être directe, où le manipulateur commande un tiroir qui distribue l'huile haute pression directement derrière l'une ou l'autre face de la presse de manœuvre. Alternativement, la commande peut être télécommandée, où le manipulateur agit sur un circuit hydraulique de télécommande à 6 kg/cm², qui fait fonctionner le tiroir distributeur d'huile haute pression aux moteurs de barres.
Les indicateurs d'angles de barre jouent un rôle essentiel dans le contrôle. Ils servent à répéter les angles de barre au voisinage des barres, au Central et au kiosque. Ils se composent d'un indicateur mécanique mû par la transmission, placé le plus près possible de son entrée dans la coque épaisse pour donner des indications sûres. En manœuvre électrique, cet indicateur commande aussi les interrupteurs de bout de course qui stoppent les moteurs de barre avant que le levier de manœuvre ne heurte les butoirs.
L'Empennage en X et les Innovations : L'Exemple des Barres AV du "NARVAL"
L'ingénierie navale continue d'évoluer, et certaines configurations de barres de plongée s'écartent des dispositifs classiques pour offrir des avantages spécifiques. Parmi celles-ci, l'empennage en X représente une disposition moderne qui, bien que peu de sous-marins en soient dotés aujourd'hui, apporte pourtant de nombreux avantages. Cette page résume les avantages et inconvénients de cette disposition. Considérez un sous-marin à quai ou posé sur le fond. Avec l'empennage en X, à droite, les barres sont en configuration classique, rien ne dépasse. À gauche non plus et pourtant leur surface est bien plus importante. Cette configuration implique forcément une autre utilisation des barres pour les commandes de direction ou de profondeur. Utiliser quatre barres au lieu de deux permet donc de mettre en jeu davantage de surfaces de travail. Outre les manœuvres de base pour diriger le sous-marin, l'empennage en X permet aussi de maintenir le sous-marin dans sa position lorsque celui-ci tend à tourner sur lui-même à cause de la rotation de l'hélice. Les barres tournent alors toutes dans un même sens, contraire à celui de rotation de l'hélice. Encore plus intéressant, les barres en Croix de Saint André permettent aussi de freiner le sous-marin. Pour bénéficier de cet agencement, il est nécessaire de mixer les commandes reçues par le sous-marin : une commande de profondeur doit avoir un impact sur toutes les barres. Ces mixages peuvent être mécaniques mais ils deviennent alors complexes et encombrants.
Les "NARVAL" illustrent une innovation particulière avec leur installation de barre AV entièrement différente des installations classiques. Sur ces sous-marins, les safrans ne sont plus mobiles autour d'un axe horizontal. Leur angle d'incidence est fixe, mais ils peuvent s'effacer plus ou moins en superstructures par un mouvement de translation. Au lieu d'avoir un safran de chaque bord, on en a deux : un pour la montée, dit safran positif, et un pour la descente, dit safran négatif. La section d'un safran, en forme de virgule, est dessinée pour donner le maximum d'efficacité à la barre. Les safrans se déplacent latéralement sur des coulisseaux. Un système écrou-vis à pas inverse provoque leur sortie symétriquement des deux bords. Chaque vis de manœuvre est mue par un moteur rotatif à huile intérieur à la coque épaisse. Pour mettre plus ou moins de barre, on sort plus ou moins de safran, c'est la surface du safran qui varie et non plus son inclinaison. Cependant, pour conserver les habitudes, des conventions ont été adoptées : safrans positifs entièrement sortis correspondent à +30°, safrans positifs et négatifs rentrés à 0, et safrans négatifs entièrement sortis à -30°. Les indicateurs et répétiteurs d'angles de barre sont gradués de cette façon.
Les Appareils de Contrôle de la Plongée : Mesure de l'Immersion
Pour qu'un sous-marin puisse évoluer en plongée, il faut qu'il connaisse à chaque instant son immersion et son assiette. La mesure de l'immersion se fait au moyen de manomètres indiquant la pression de l'eau et gradués directement en hauteur d'eau correspondante, comptée à partir du dessous de la quille. Le manomètre Bourdon est un exemple typique de cet instrument. C'est un manomètre métallique à tube spiral aplati. Ce tube est rempli d'eau et communique avec la mer. C'est la déformation du tube sous l'effet de la pression qui mesure la pression extérieure. Il faut veiller à ce que le tube soit bien rempli d'eau car s'il contenait des bulles d'air, celles-ci s'écouleraient lentement à chaque changement d'immersion et le manomètre donnerait ses indications avec un certain retard ; l'appareil serait moins réactif.