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L'ingénierie intéressante derrière les sous-marins


Pour autant que des enregistrements récents l'indiquent, les humains n'ont exploré que profondément sous la surface au cours des cent dernières années. Bien que la date de fabrication du premier sous-marin soit fortement contestée, beaucoup doivent le titre à Cornelis Drebbel, un inventeur néerlandais reconnu pour avoir inventé le premier sous-marin navigable au monde en 1620.

Depuis, les sous-marins se sont améliorés en mobilité, en force et en furtivité - dont certains sont capables de rester submergés jusqu'àtrois moissous-marin.

Voici l'ingénierie intéressante de certains des sous-marins les plus avancés au monde.

L'ingénierie intéressante des sous-marins

Seuls quelques privilégiés sont descendus dans la partie la plus profonde des océans du monde appelée la fosse des Mariannes. En fait, plus de gens ont exploré la lune par rapport à ceux qui ont conquis l'endroit le plus profond absolu sur Terre considéré comme le Challenger Deep.

Les premiers à descendre au fond du Challenger Deep sont les hydronautes Don Walsh et Jacques Piccard. L'équipe a coulé son submersible, leBathyscaphe Trieste, au fond de l'océan en 1960.

Le Bathyscaphe Trieste

Le navire bathyscaphe plonge sous la surface et est soutenu par un flotteur de surface, au lieu d'un équipage. Auparavant, les submersibles propulsés en eau profonde étaient soutenus par un flotteur qui reste à la surface de l'eau. Sa cabine est étroite et petite avec juste assez de place pour un équipage de deux personnes. Le reste de la coque est occupé par des équipements scientifiques utilisés pour enquêter sur l'une des régions les plus hostiles du monde sur la planète, le fond de l'océan.

Depuis que les deux hydronautes ont exploré le fond de la tranchée en 1960, seule une poignée d'humains est retournée en arrière.

Le Challenger Deep parle de l'un des défis les plus difficiles auxquels les ingénieurs sont confrontés: la pression et le maintien de la vie.

Les hautes pressions menacent d'effondrer la coque de tout navire. Pour chaque 10 mètres d'eau descendus, la pression monte d'une atmosphère entière. C'est la même quantité de pression ressentie à la surface d'un objet à partir du poids total de l'atmosphère depuis le niveau de la mer, jusqu'aux confins de l'espace. Au fond du Challenger Deep, la pression dépasse 1000 atmosphères (presque 15000 PSI).

Seuls les petits vaisseaux sphériques peuvent résister aux pressions intenses au fond de l'océan. Les sous-marins habités ont tendance à ne pas s'enfoncer à plus d'un kilomètre sous la surface de l'eau. Les sous-marins modernes peuvent fonctionner de manière indépendante et soutenir un équipage pendant des semaines. Les sous-marins nucléaires les plus avancés peuvent opérer de manière autonome et fournir à l'équipage des systèmes de survie pendant des mois.

Il existe de nombreux types de sous-marins, dont certains sont électriques, diesel ou nucléaires. Il existe une idée fausse selon laquelle les moteurs diesel alimentent directement les hélices d'un sous-marin. Beaucoup de gens se demandent comment un moteur diesel pourrait éventuellement fonctionner sous l'eau avec suffisamment d'oxygène pour lui et l'équipage, tout en cachant d'une manière ou d'une autre l'échappement. Résoudre le problème est une solution beaucoup plus triviale, ne pas utiliser du tout le moteur sous l'eau.

Comment les équipages et les moteurs respirent sous l'eau

La solution pour maintenir un diesel alimenté en oxygène est simple. Les sous-marins à moteur diesel sont généralement des hybrides. Le moteur diesel alimente généralement un générateur qui alimente une batterie. Mais le moteur n'est utilisé que pendant la surface du sous-marin. Lorsque les batteries sont faibles, le sous-marin refait surface et fait fonctionner ses moteurs pour alimenter sa batterie.

Transporter de l'oxygène à bord est la solution simple. Des bidons massifs sont remplis d'air chaque fois que le sous-marin refait surface. Le système convient pour les missions ne dépassant pas un mois. Cependant, les gouvernements repoussent toujours les limites des capacités navales. La plupart du temps, la furtivité est la considération numéro un.

Lorsqu'il est immergé dans l'eau, le véhicule est caché, à la surface de l'eau, cependant, un sous-marin devient un canard assis.

Bien sûr, le problème demeure: faire surface des sous-marins et les rendre vulnérables.

BrainStuff explique le processus de respiration des moteurs dans les sous-marins diesel.

Pour les sous-marins électriques et diesel, le problème de l'oxygène persiste.

La solution existe - l'électrolyse - le processus de division de l'eau en hydrogène et oxygène en utilisant l'électricité. Malheureusement pour les sous-marins entièrement électriques et diesel, le fractionnement de l'eau est trop gourmand en énergie pour leur alimentation électrique réservée. Les sous-marins électriques et diesel ne transportent tout simplement pas assez d'énergie à bord pour fournir suffisamment d'oxygène à l'équipage pendant de longues périodes. Le processus draine les batteries qui entraînent le moteur, forçant le navire à la surface, annulant complètement le but.

Électrolyse

L'électrolyse est généralement réservée aux sous-marins nucléaires les plus grands et les plus avancés. Le processus fonctionne en faisant passer un courant électrique dans l'eau. L'électricité fournit l'énergie nécessaire pour rompre les liaisons de l'eau ou H2O.

Dans une journée typique, une personne consommera environ un kilogramme d'oxygène, avec une concoction de gaz principalement inertes. Les systèmes d'électrolyse commerciaux nécessitent généralement environ 50 kilowattheures de puissance pour produire 1 kg de H2 et 8 kg d'O2 à partir de 9 kg d'eau. Au lieu de vider constamment les batteries, les sous-marins nucléaires fournissent une source d'énergie constante - suffisamment pour alimenter une petite ville.

Le système fournit plus qu'assez d'oxygène, d'ailleurs, de l'hydrogène est produit dans le processus. En fonctionnement normal, les sous-marins nucléaires dispersent l'hydrogène directement dans l'eau. Cependant, lors d'opérations secrètes, des méthodes secrètes sont utilisées pour nettoyer l'hydrogène des gaz d'échappement.

Étant donné que certaines marines peuvent détecter les rejets d'hydrogène dans l'eau, la plupart des méthodes de lavage restent secrètes. Cependant, il est probable que les sous-marins utilisent des convertisseurs catalytiques pour ajouter de l'hydrogène à un autre composé. Cependant, ce n'est pas la seule considération furtive que les ingénieurs sous-marins doivent considérer.

Les technologies furtives des sous-marins

Les sous-marins font beaucoup de bruit à travers leurs moteurs, leurs hélices et leur fonctionnement général. Le bruit provoque des vibrations qui se propagent facilement dans l'eau pendant des kilomètres. Chaque partie d'un sous-marin militaire est construite en tenant compte de la furtivité. Chaque pièce vibrante est maintenue en place avec des supports en caoutchouc qui amortissent activement la plupart des vibrations. La technique fonctionne bien à l'extérieur, même si ce n'est pas la seule source de bruit sur le navire.

Presque tous les sous-marins sont entraînés par hélice. Lorsque les hélices traversent l'eau, elles produisent du bruit pour plusieurs raisons. Premièrement, les lames envoient des vibrations lorsqu'elles fendent l'air, et deuxièmement, les lames créent des bulles de cavitation qui s'effondrent, envoyant plus de vibrations dans l'eau - et endommagent la lame elle-même.

Des bulles de cavitation se forment du côté aspiration d'une hélice lorsque la pression de l'eau tombe en dessous de la pression de vapeur de l'eau. Aussi vite que les bulles sont produites, elles disparaissent presque aussi rapidement. La bulle s'effondre sur les pales de l'hélice, ce qui les fait s'user et libérer du bruit.

Le bruit est facilement détecté, par conséquent, il est impératif pour les ingénieurs sous-marins de concevoir des pales antibruit qui réduisent la cavitation.

Les ingénieurs sous-marins modifient la forme de l'hélice pour réduire la turbulence et réduire le bruit global des pales lorsqu'elles fendent l'eau. Souvent, il y a quatre lames ou plus qui chassent plus d'eau tout en tournant à des vitesses plus lentes. Le résultat est une hélice qui n'a pas besoin de tourner aussi vite pour produire les mêmes vitesses que les hélices avec moins de pales. Comme les pales tournent plus lentement, il y a moins de turbulence et moins de formation de bulles de cavitation. Parfois, des bosquets spéciaux sont creusés dans les lames qui guident davantage l'eau avec le moins de perturbations possible, réduisant encore une fois la formation de cavitations.

Le sous-marin est également simplifié pour diriger l'eau à travers les pales, réduisant autant de turbulence que possible. Si la conception n'est pas suffisante, un anneau ou une cage est parfois installé autour de l'hélice qui guide l'eau à travers plus linéairement.

Autres technologies de suppression du son

La suppression du bruit du sous-marin lui-même est un défi. Mais développer un sous-marin capable d'échapper au sonar ennemi présente une situation différente.

Le sonar est un appareil utilisé pour détecter des objets sous l'eau. Des impulsions sonores sont émises et un détecteur enregistre toutes les impulsions qui reviennent. En déterminant le temps nécessaire au retour d'une impulsion, la distance entre le détecteur et l'objet peut être facilement déterminée.

La coque massive des grands sous-marins n'est guère furtive. En tant que coquille métallique, la surface d'un sous-marin reflète facilement les sons, ce qui la rend très visible par le radar ennemi. La solution pour se cacher du radar vient d'une source improbable: les bulles.

Sous l'eau, les bulles d'air absorbent facilement le bruit. Lorsque les ondes sonores se propagent dans l'eau, elles se dispersent lentement avec le temps. L'introduction de bulles perturbe le son, le forçant à voyager d'un médium à un autre, absorber un peu d'énergie à chaque bulle.

Les vibrations sonores entrantes entrent en collision avec les bulles, forçant la bulle à vibrer ou à se contracter et à se dilater. Les fluctuations provoquent la compression de l'air à l'intérieur, créant de la chaleur. Essentiellement, l'énergie sonore est convertie du bruit en chaleur.

Contre-intuitivement, produire des bulles pourrait en fait masquer la signature sonore d'un sous-marin. Bien qu'il soit presque impossible d'absorber tous les sons, c'est pourquoi les carreaux anéchoïques ont été introduits.

Tuiles de suppression de son

Les abords des sous-marins modernes recouvrent des couches de carreaux anéchoïques, un matériau en caoutchouc avec des milliers de minuscules vides. Le matériau continue l'effet des bulles dans l'eau, sans qu'il soit nécessaire de distribuer des bulles et de révéler une position.

Le matériau absorbe activement le sonar tandis que les haut-parleurs peuvent jouer des tonalités opposées prévisibles pour annuler certains bruits. Ensemble, les deux ainsi que d'autres technologies gardent les sous-marins cachés à tout moment, traçant sur les planchers de l'océan.

Les capacités extrêmes des ingénieurs modernes sont le résultat de centaines, voire de milliers d'années d'essais et d'erreurs. L'ingénierie intéressante des sous-marins maintient les équipages en vie et bien cachés dans les conditions les plus difficiles. L'espace peut être difficile, mais il semblerait que le fond de l'océan possède le plus grand défi.

Écrit par Maverick Baker


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