C’est la troisième partie de la série de la conception des sous-marins. Veuillez lire les deux premières ici – Introduction à la conception des sous-marins et Comprendre la conception des sous-marins.

Bien que certains des réservoirs utilisés dans un sous-marin soient similaires à celui utilisé sur les navires de surface, la plupart d’entre eux sont différents et uniques à la nature de l’opération d’un sous-marin, ce qui en fait un aspect important à étudier en détail.

Pour un aperçu rapide, saviez-vous pourquoi un sous-marin utilise un système de quatre réservoirs juste dans le processus de tir d’une torpille ?

Nous allons d’abord nous pencher sur le plan des réservoirs d’un sous-marin diesel électrique et au fur et à mesure que nous nous familiariserons avec leurs terminologies, nous étudierons leurs fonctions, la raison de leur emplacement et d’autres aspects de conception qui leur sont liés.

Plan des réservoirs d’un sous-marin:

Avec le dessin de disposition générale, le plan des réservoirs est préparé pour localiser la position de chaque réservoir. Leurs noms, ainsi que le fluide qu’ils doivent transporter, sont spécifiés dans le plan des réservoirs lui-même. La capacité de chaque réservoir est répertoriée sur un document séparé appelé plan de capacité des réservoirs.

La figure suivante montre le plan de réservoir d’un sous-marin diesel électrique à double coque.

Nous avons étudié en détail le but et le fonctionnement des réservoirs de ballast dans l’article sur la stabilité des sous-marins, donc ce sujet sera sauté dans cet article.

Réservoir de compensation:

Souvenez-vous avoir discuté de la façon dont, lorsqu’un sous-marin a une flottabilité positive ou négative, il prend des mesures pour maintenir une condition de flottabilité neutre en ajustant son poids ? Ceci est réalisé à l’aide d’un réservoir compensateur, un composant peu commun aux concepts traditionnels de la conception des navires.

Les réservoirs compensateurs sont situés au centre de gravité longitudinal du sous-marin ou à proximité immédiate de celui-ci (se référer à la figure 1). Pourquoi ? Parce que, tout changement de poids causé à une distance importante du centre de gravité longitudinal créerait un moment d’assiette, ce qui est indésirable, car le sous-marin n’a besoin que d’ajuster son poids. Il est situé à l’intérieur de la coque résistante à la pression et prend de l’eau ou pompe de l’eau à la mer selon la situation à affronter.

Le réservoir de compensation peut être vidé par une pompe ou de l’air à haute pression (en cas de fonctionnement silencieux), mais pour que l’air à haute pression soit une option réalisable, la structure du réservoir doit être résistante à la pression dans la mesure où elle peut résister à une pression interne supérieure à la pression externe.

Les altérations suivantes du poids et de l’équilibre de flottabilité sont compensées par des réservoirs de compensation:

• Lorsqu’un sous-marin plonge à de plus grandes profondeurs, il pénètre dans des eaux dont la densité varie par rapport à celle de la surface. La densité de l’eau de mer augmente généralement de 1,008 à 1,028 avec la profondeur. Comme la densité est directement proportionnelle à la flottabilité, celle-ci augmente, ce qui rend le sous-marin à flottabilité positive. Pour obtenir une flottabilité neutre, le réservoir de compensation prend de l’eau de la mer jusqu’à ce que le poids annule la flottabilité.

• Les différences de poids sont causées par la consommation de réserves telles que les provisions, le mazout, l’eau douce, l’huile de graissage et d’autres réserves solides. De l’eau est prise dans le réservoir pour compenser cet effet. Une chose intéressante se produit dans le cas de la consommation de mazout. Dans les sous-marins, au fur et à mesure que le mazout est épuisé, le volume vacant dans le réservoir de mazout est automatiquement rempli d’eau de mer, de sorte que le mazout flotte toujours sur l’eau de mer. Ceci est fait pour éviter les effets de surface libre. Mais comme l’eau absorbe le volume du combustible consommé, le poids du sous-marin augmente en conséquence. Le réservoir de compensation est également utilisé pour compenser ce changement de poids.

• A des profondeurs plus importantes, la pression externe élevée entraîne une compression de la coque sous pression. Cela réduit le volume résistant à la pression du sous-marin, ce qui réduit sa flottabilité. La perte de flottabilité est compensée par la libération d’eau du réservoir de compensation. Habituellement, pour les sous-marins ayant une profondeur de plongée maximale de 200 à 350 mètres, le volume disponible à cette fin dans la citerne de compensation varie de 0,3 à 0,4 pour cent du volume total de la coque sous pression.

Un concepteur de sous-marin considère deux conditions de chargement de frontière spéciales pour estimer la capacité de la citerne de compensation pour une conception particulière. Les conditions de chargement sont énumérées ci-dessous :

Cas de chargement 1 : A la fin d’une très longue et lente croisière dans une eau de mer de densité maximale. A la fin d’une très longue et lente croisière, tous les consommables comme l’eau douce, les réserves, la nourriture sont épuisés, mais il reste une quantité relativement suffisante de gazole. Le navire navigue dans une eau de mer de densité maximale, ce qui signifie que la flottabilité est plus élevée. Les deux conditions réunies nécessitent que le réservoir de compensation soit rempli à sa capacité maximale.

Cas de charge 2 : A la fin d’une croisière très courte et rapide dans une eau de mer de densité minimale. Dans cette condition, les consommables ont été partiellement utilisés, et le gazole est complètement consommé. La densité de l’eau de mer étant minimale, la flottabilité est moindre. Dans un tel cas, l’eau nécessaire dans le réservoir de compensation serait minimale.

Dans le cas réel, lorsqu’un sous-marin commence sa croisière, le volume d’eau dans le réservoir de compensation se situe entre ceux correspondant aux deux cas limites. Il a été observé par des études paramétriques, que les réservoirs de compensation ont généralement un volume de 2,5 à 3 pour cent du volume total résistant à la pression du sous-marin. Ces données sont également utilisées par les concepteurs dans les étapes préliminaires de la conception.

Réservoirs d’assiette :

Les réservoirs d’assiette sont utilisés pour maintenir le centre de gravité longitudinal juste sous le centre de flottabilité, afin que le sous-marin puisse être manœuvré jusqu’à une condition d’assiette neutre. Ces réservoirs sont de taille égale et sont situés à l’intérieur de la coque sous pression, aussi loin que possible vers l’avant et vers l’arrière, de manière à maximiser le moment d’assiette qu’ils provoquent (voir les réservoirs d’assiette sur la figure 1). Le système de réservoirs de trim consiste en deux paires de réservoirs, une paire à l’avant (bâbord et tribord), l’autre à l’arrière (bâbord et tribord).

Ces réservoirs sont interconnectés par des tuyaux appelés trim lines, et le fluide utilisé est appelé trim water. L’eau d’assiette circule entre l’avant et l’arrière en fonction de la condition d’assiette requise. La circulation est effectuée soit par des pompes, soit par de l’air à basse pression.

Les dimensions du réservoir d’assiette sont estimées en utilisant les conditions de bord déterminant les cas de charge et les conditions d’assiette et en les analysant avec la méthode similaire à celle des réservoirs de compensation. Les effets d’assiette dus au déplacement du poids pendant le tir des torpilles sont également pris en compte. A des fins empiriques, le volume d’eau d’assiette nécessaire est de 0,5 pour cent du volume de la coque sous pression.

Une utilisation supplémentaire des réservoirs d’assiette est ses propriétés multifonctionnelles, où il peut être utilisé à la fois, comme assiette et réservoir de compensation. Dans de telles conceptions, les réservoirs d’équilibrage sont munis de ports d’inondation. Si, par exemple, une compensation avant est nécessaire, le réservoir de compensation avant est rempli et les réservoirs arrière sont vidés. Si le sous-marin doit réduire son poids sans modifier l’assiette, les deux paires de réservoirs sont vidées en fonction de la quantité requise. Ce système offre des avantages supplémentaires en ce qui concerne les allocations d’espace, car les sous-marins sont très restrictifs en matière d’espace.

Réservoirs négatifs ou réservoirs de plongée rapide:

Ces réservoirs sont utilisés comme moyens auxiliaires pour plonger dans les vagues. Lorsqu’un sous-marin plonge dans les vagues, la flottabilité supplémentaire due à l’action des vagues l’empêche de plonger rapidement et entrave sa capacité à plonger à une plus grande profondeur. Lorsque des creux de vagues traversent le sous-marin, les parties à inondation libre aux niveaux de pont les plus élevés (au niveau de la voile et du pont supérieur) restent partiellement inondées, ce qui entraîne l’échec de la plongée.

Pour combattre cet effet, un réservoir avec des orifices d’inondation est prévu à un niveau bas, juste en avant du centre de gravité du sous-marin. Pas son emplacement sur la figure 1. L’inondation de ce réservoir n’ajouterait pas seulement une flottabilité négative (ou ajouterait au poids), mais en raison de sa position longitudinale par rapport au CG, il réduit également la proue et aide à la plongée rapide. C’est pour cette raison qu’ils sont également appelés réservoirs de plongée rapide. Une fois que le sous-marin a plongé et que toutes les zones d’inondation libres sont remplies d’eau, le réservoir négatif est vidé rapidement en utilisant de l’air comprimé.

Réservoirs de torpilles:

Les torpilles sont tirées à partir de tubes de torpilles qui sont situés à la section avant d’un sous-marin. Le poids de chaque torpille, en général, est d’environ 4 à 5 tonnes. Par conséquent, une fois qu’une torpille est lancée, la perte d’un poids important à partir d’une position éloignée du CG du sous-marin provoque un moment d’inclinaison qui, s’il n’est pas évité, entrave la capacité du sous-marin à maintenir son cap. Le tir d’une torpille à partir d’un sous-marin implique une séquence d’étapes pour prévenir ce qui précède.

Le tube lance-torpilles est une structure cylindrique résistante à la pression qui possède une porte à l’avant (porte de bouche) et une à l’arrière (porte de culasse). Un sous-marin possède généralement plusieurs tubes lance-torpilles et peut tirer plus d’une torpille simultanément. Environ un tiers de la longueur d’un tube lance-torpilles se trouve à l’intérieur de la coque sous pression, et le reste est situé à l’extérieur de la coque sous pression, dans la zone inondée libre menant au point le plus avant de la coque extérieure où se trouve la porte avant. La partie du tube dans la région inondée libre est soumise à une pression externe, et est raidie extérieurement pour la protéger du flambage.

Première étape : Tout d’abord, la porte arrière est ouverte, et la torpille est chargée dans le tube. Une fois la porte arrière fermée, de l’eau provenant du réservoir rond d’armement (WRT) est admise dans l’espace entre la torpille et les parois internes du tube. Le volume du WRT est suffisant pour fournir assez d’eau pour le tir de toutes les torpilles, sans nécessiter de recharge. L’emplacement des WRT est toujours situé juste au-dessus ou au-dessous des tubes lance-torpilles. Pourquoi ? Si les WRT étaient situés longitudinalement à l’écart des tubes lance-torpilles, le déplacement de l’eau des WRT vers les tubes lance-torpilles aurait provoqué des moments d’assiette indésirables, amenant le sous-marin à s’incliner par l’avant.

Deuxième étape : La porte avant s’ouvre toujours dans le sens extérieur, mais elle ne peut pas être ouverte à ce stade, car à grande profondeur, la pression extérieure est supérieure à la pression intérieure. Par conséquent, l’eau à l’intérieur du tube lance-torpilles est pressurisée afin que les pressions interne et externe s’égalisent. Une fois que cela est fait, la porte avant est ouverte hydrauliquement, et la torpille est tirée.

Etape trois : Une fois la torpille tirée, l’espace à l’intérieur du tube lance-torpilles qui était occupé par la torpille est automatiquement occupé par l’eau de mer qui l’envahit.

Quatrième étape : Bien que le volume de la torpille à l’intérieur du tube lance-torpilles soit occupé par l’eau de mer, le poids de l’eau de mer est inférieur à celui de la torpille. Afin d’éviter un moment d’inclinaison, une quantité d’eau supplémentaire doit être prise en compte pour compenser la différence de poids. Cette quantité d’eau supplémentaire est prise dans un autre réservoir appelé l’évent intérieur d’air (AIV), qui est situé juste en dessous ou au-dessus des tubes de torpilles.

Etape cinq : Maintenant, pour recharger une autre torpille dans le même tube, on ferme d’abord la porte avant du tube, tandis que le tube est inondé. L’eau dans le tube est d’abord évacuée vers un autre réservoir appelé Torpedo Operating Tank (TOT), puis une autre torpille est introduite dans le tube sec. Le TOT est situé de manière à empêcher tout déplacement longitudinal du poids. Le volume du TOT est suffisant pour transporter toute l’eau nécessaire à la vidange du tube lance-torpilles si toutes les torpilles sont tirées.

Réservoirs de vol stationnaire :

Au fur et à mesure que le sous-marin plonge ou monte, sa capacité de maintien en profondeur est mise à mal en raison des changements de densité et des effets de compressibilité qui en résultent. Dans de nombreuses opérations de furtivité, les sous-marins navals doivent se maintenir à une profondeur fixe tout en étant stationnaires. Dans ce cas, un équilibre constant de l’équation poids-buoyance est nécessaire. Cet équilibre peut être obtenu grâce à un système contrôlé par un capteur dédié à un réservoir spécial où l’eau peut être aspirée lorsque le sous-marin monte, et où l’eau du même réservoir peut être pompée lorsque le sous-marin coule. Cet échange d’eau est rapide et doit être effectué de manière continue. C’est pourquoi un réservoir spécial appelé Hover Tank, situé à l’extérieur de la coque sous pression, est utilisé à cette fin. La raison de son emplacement dans la coque extérieure (à la différence d’un réservoir de compensation, qui est à l’intérieur de la coque sous pression) est de maintenir son contenu à la pression de la mer ambiante, de sorte que l’entrée et la sortie d’eau continue est possible.

Cependant, dans les cas où le sous-marin doit être conçu pour planer près de la surface, le système de vol stationnaire doit être plus robuste afin de compenser les effets déstabilisants de l’action des vagues.

Les autres types de réservoirs utilisés dans un sous-marin sont les réservoirs de mazout, les réservoirs d’huile de lubrification, les réservoirs d’huile de boue, les réservoirs de cale et les réservoirs d’eau douce. Ils n’ont pas été abordés ici car leur fonctionnement et leur objectif sont similaires à ceux des navires de surface. Il est cependant important pour un concepteur d’effectuer des études paramétriques des capacités des réservoirs de diverses conceptions existantes avant de parvenir de manière paramétrique à une estimation de la capacité et du plan des réservoirs d’une nouvelle conception.

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