the murrumbidgee naturalist
TRANSCRIPT
Technologie maritime
92
La recherche et le dĂ©veloppement des chantiers de construction de navires se sontfocalisĂ©s ces derniĂšres annĂ©es sur un concept de navires « tout Ă©lectrique ». Ainsi le projetAdvansea, portĂ© par DCNS, vise un navire de 120 mĂštres et de plus de 4 000 tonnes, capable d'atteindre 28 nĆuds et dotĂ© dâune puissance Ă©lectrique de 20 MW soit nettementplus que les navires d'aujourd'hui.
Cette derniĂšre devrait couvrir les besoins de la propulsion, mais aussi des systĂšmesdâarmes dont certains trĂšs futuristes : un laser à « lĂ©talitĂ© variable » ainsi que des canonsĂ©lectriques dont les charges d'Ă©nergie permettront de propulser des obus en remplaçant la pou-dre. Quelle est la situation actuelle ?
Parler aujourdâhui du «navire tout Ă©lectrique», câest commettre un abus delangage ou faire Ćuvre dâanticipation. Pour de nombreuses annĂ©es encore,les navires ne disposeront pas dâune soute Ă ampĂšres-heures oĂč il suffirait
de puiser pour alimenter la propulsion, les armes, les Ă©quipements et les servitudes.Une Ă©nergie primaire est toujours nĂ©cessaire, mais il est vrai quâon la transforme deplus en plus en Ă©nergie Ă©lectrique avant de la distribuer.
Actuellement, le «tout Ă©lectrique» se rapporte Ă la propulsion qui utilise des« arbres Ă©lectriques » selon le joli mot employĂ© pour le Normandie (le paquebot de 1936). Ils se substituaient dĂ©jĂ aux longues « lignes dâarbres » qui continuent de donner bien des soucis, comme lâavarie du porte-conteneurs gĂ©ant Emma Maerskvient de le rappeler, en fĂ©vrier 2013.
Il nâen est pas moins vrai que de plus en plus de clients se prĂ©sentent Ă lâusineĂ©lectrique embarquĂ©e qui, dâune part substitue sa production Ă la combustion (cuisines),Ă lâexplosion (moteurs), Ă la pyrotechnie (canon) ou Ă la dĂ©tente thermique (turbineset catapultes), et qui dâautre part permettra dâalimenter des innovations (armes laseret hyperfrĂ©quence, blindage Ă©lectromagnĂ©tique, destructeur de dĂ©chets au plasma).
Câest ainsi que les concepteurs des CVN 78 (Gerald R. Ford) ont consacrĂ© unrĂ©acteur nuclĂ©aire de 300 MW Ă la satisfaction des besoins Ă©lectriques nouveaux
LâĂ©nergie Ă©lectrique embarquĂ©e
Bernard Collin Capitaine de vaisseau (h)
DĂ©cembre 2013
susceptibles dâapparaĂźtre au cours du demi-siĂšcle de vie de ces bĂątiments. La nĂ©cessitĂ©de produire ces mĂ©gawatts sous-entend que lâĂ©lectricitĂ© nâest pas lâĂ©nergie primaireembarquĂ©e, stockĂ©e en quantitĂ© suffisante et susceptible dâĂȘtre dĂ©livrĂ©e de façon conti-nue ou sous forme impulsionnelle. Production, stockage et distribution de lâĂ©lectricitĂ©sont les problĂšmes Ă rĂ©soudre en amont des « clients».
Les quelques points abordĂ©s dans cet article concernent ces clients, actuelsou potentiels, de lâĂ©nergie Ă©lectrique embarquĂ©e, ainsi que les moyens susceptibles demettre cette Ă©nergie Ă leur disposition.
Le stockage
Le premier client qui vient Ă lâesprit est le sous-marin dont lâimpĂ©ratif de discrĂ©tionfait rechercher une autonomie Ă©nergĂ©tique qui, aujourdâhui encore, nâest quetemporaire. Certes on a dĂ©passĂ© les 100 nautiques franchissables par les
Gymnote et Farfadet à la fin du XIXe siÚcle, mais les batteries lithium-ion associées à unsystÚme AIP (Air Independent System) limitent encore à trois semaines en immer-sion à basse vitesse une patrouille de sous-marins ScorpÚne.
Ce sont ensuite des prĂ©occupations Ă©cologiques qui amĂšnent les bĂątiments desurface vers une propulsion hybride oĂč la partie Ă©lectrique est de plus en plus signifi-cative.
Le Princesse Benedikte, premier ferry germano-danois à utiliser temporaire-ment une propulsion purement électrique, dispose de 415 batteries lithium-polymÚredont les 27 tonnes sont installées en pontée et produisent 2,7 MWh.
Le Waterspreeuw, du type Damen Patrol Vessel 1304 Hybrid, est dotĂ© dâun propulseur de 130 kilowatts (plus un propulseur dâĂ©trave de 11 kilowatts) alimentĂ© par13 batteries au lithium polymĂšre qui autorisent une autonomie de 6 heures Ă 10 km/h.
On est loin dâune autonomie opĂ©rationnelle, mais depuis les batteriesplomb/acide, les ratios sont passĂ©s de 160kg/kWh Ă 8kg/kWh pour les batteries au lithium polymĂšre.
Lâobjectif industriel actuel est de diviser encore par 2 ce ratio pour atteindreles 250 Wh au kilogramme.
Quant aux piles Ă combustible, elles peinent Ă atteindre leur maturitĂ© entermes de puissance, dâautonomie et de sĂ©curitĂ© pour une version navalisĂ©e. A titredâexemples : la pile Ă combustible HydroGen4 fournissant 93 kW au vĂ©hicule de General Motors se compose de 440 cellules connectĂ©es en sĂ©rie ; lâhydrogĂšne est stockĂ©sous 700 bars. La version U32 que Siemens propose pour les sous-marins allemandsU212 affiche 120 kW et assurerait 18 jours en plongĂ©e.
La propulsion
Le « tout Ă©lectrique » mĂȘme limitĂ© Ă la propulsion nĂ©cessite donc une source primaire ; dĂšs lors, le sujet nâest pas nouveau puisque câest en 1933 quâAlsthom-Belfort installe Ă bord du Normandie un systĂšme turboĂ©lectrique
Technologie maritimeLâĂ©nergie Ă©lectrique embarquĂ©e
93
Technologie maritimeLâĂ©nergie Ă©lectrique embarquĂ©e
DĂ©cembre 2013
bĂ©nĂ©ficiant de lâexpĂ©rience des porte-avions USS Lexington et USS Saratoga livrĂ©s en1927 avec un systĂšme General Electric Co. Le cĂąblage Ă©lectrique se substituait auxlongs arbres dâhĂ©lice et permettait de rĂ©partir les masses de lâappareil propulsif avec moinsde contraintes et plus de sĂ©curitĂ©.
Ainsi, les 29 chaudiĂšres du Normandie alimentaient en vapeur les turbo-alternateurs qui eux-mĂȘmes alimentaient les moteurs de propulsion en courant triphasĂ© 5 500 V, le tout rĂ©parti en 6 tranches. Le volant de manĆuvre commandaitla vitesse de la turbine entraĂźnant lâaugmentation de la frĂ©quence du courant et doncla vitesse des moteurs ; Ă 30 nĆuds, chaque nautique coĂ»tait deux tonnes de mazout.
Quatre-vingts ans ont passĂ© et les diesels, les turbines Ă gaz, les alternateurs,les redresseurs-onduleurs Ă thyristors, les moteurs Ă induction et le cĂąblage haute ten-sion permettent de fournir les 20 MW nĂ©cessaires aux pod dâun navire de 20 000 t pourle propulser Ă 20 nĆuds, tandis que 8,8 MWT permettent aux FREMM françaises (5 600 t) dâatteindre 15 nĆuds avant lâentrĂ©e en action de leur turbine Ă gaz.
Lâutilisation de cetype de propulsion permetde rĂ©duire la vulnĂ©rabilitĂ©grĂące Ă la dispersion desmoyens dans le bord et Ă lamultiplication des postes decommande ; elle permetaussi de sĂ©rieuses Ă©conomiesen personnel : le matĂ©rielexige moins dâinterventionssur place et le contrĂŽle dufonctionnement se fait Ă dis-tance, de façon centralisĂ©e.
94
SchĂ©ma de la propulsion dâune FREMM
ĂcorchĂ© dâun POD
D.R
.
D.R
.
Les catapultes
Description
LâEMALS (Electromagnetic Aircraft Launch System) du CVN-78 Gerald R. Ford estune totale nouveautĂ©. En aval du rĂ©acteur nuclĂ©aire affectĂ© aux besoins en
électricité du bord, l'EMALS est composé de quatre principaux éléments : 1) Un moteur à induction (linear induction motor [LIM]) qui consiste en un
double alignement de plusieursdouzaines de solĂ©noĂŻdes sĂ©parĂ©spar une fente de moins de 10 cm.Ces deux longerons jouent sur 90 m le rĂŽle du rotor d'un mo-teur conventionnel, prenant ensandwich une navette de 6 m enaluminium solidaire du sabot quisera reliĂ© Ă lâaĂ©ronef.
Depuis son point de départ et au fur et à mesure dudéplacement du sabot, seuls lessolénoïdes voisins de la navettesont alimentés selon une séquencequi minimise la consommation.
Dans la plus grande partie de la catapulte, les bobines
supraconductrices sont disposĂ©es Ă intervalles rĂ©guliers et synchronisent leurs courants avec la bobine solidaire du sabot pour atteindre lâaccĂ©lĂ©ration souhaitĂ©e. Dansla seconde partie, cette accĂ©lĂ©ration est maintenue constante par des bobines disposĂ©esĂ distances croissantes. Environ 50% de l'Ă©nergie Ă©lectrique consommĂ©e est trans-formĂ©e en Ă©nergie cinĂ©tique de la charge projetĂ©e.
Sur les 90 m de la catapulte, le LIM accĂ©lĂšre un avion de 45t pour luifaire atteindre 130 nĆuds, puis le sabot stoppe sur une distance de 5 Ă 6 m avantde reculer doucement pour reprendre sa position initiale. Techniquement, uneaccĂ©lĂ©ration de 14g peut ĂȘtre obtenue, encore faut-il quâelle soit supportable parle pilote et sa machine.
2) Un sous-systĂšme de stockage dâĂ©nergie (Energy storage subsystem de Curtiss-Wright). Ătant donnĂ© que le LIM rĂ©clame une grande puissance Ă©lectriqueen quelques secondes, quatre volants dâinertie (disques-alternateurs montant Ă 6 400 tr/min) sont nĂ©cessaires pour emmagasiner 100 mĂ©gajoules chacun en 45 secondes Ă partir du rĂ©seau du bord et les restituer au LIM pendant les troissecondes du catapultage qui nĂ©cessite 122 MJ.
3) Un cycloconvecteur qui pilote, en frĂ©quence et en tension, lâĂ©nergie Ă©lec-trique distribuĂ©e en sĂ©quence aux solĂ©noĂŻdes du LIM.
4) Des consoles qui permettent de contrĂŽler la bonne distribution de
Technologie maritimeLâĂ©nergie Ă©lectrique embarquĂ©e
95
Portion de LIM
D.R
.
Technologie maritimeLâĂ©nergie Ă©lectrique embarquĂ©e
DĂ©cembre 2013
lâĂ©nergie pendant les 45 secondes de chaque cycle et de sâassurer de la constancede la force de traction pendant le catapultage.
IntĂ©rĂȘt
LâintĂ©rĂȘt de ce nouveau systĂšme est dâen diminuer le poids, lâencombrement, lecoĂ»t dâutilisation et la maintenance ; dâamĂ©liorer les performances des catapultes
et dâaugmenter la gamme des aĂ©ronefs pilotĂ©s ou non pilotĂ©s susceptibles dâĂȘtre misen Ćuvre Ă partir dâun porte-avions. LâaccĂ©lĂ©ration Ă©tant progressive, les contraintessur les cellules des aĂ©ronefs sont moins sĂ©vĂšres, et dâautre part elle peut ĂȘtre calibrĂ©e
96
SchĂ©ma des 4 Ă©lĂ©ments de lâEMALS
D.R
.
en fonction de la masse de lâappareil Ă mettre en lâair. La vitesse en bout de coursepeut varier de 28 Ă 103 m/s (D = +/-1.5 m/s).
Enfin, la suppression de la vapeur entraßne un moindre besoin en eau douce(environ 600 kg de vapeur par coup) et donc en désalinisation.
Ătat dâavancement
DÚs la fin 2011, les essais effectués au Naval Air Systems Command (NASC) testcenter de Lakehurst (New Jersey) avaient permis de faire décoller un F/A-18E avec
des charges utiles (missiles, bidonsâŠ), un E-2D Advanced Hawkeye, un T-45C Goshawk de BAE Systems/Boeing et un C-2A Greyhound de Northrop Grumman.
Pendant ce temps, dans les chantiers de Huntington Ingalls Industries Inc. (HII)Ă San Diego, General Atomics Electromagnetic Systems Group (GA-EMS) procĂ©daitau montage Ă bord du CVN 78 Gerald R. Ford des divers composants de lâEMALS.Les 12 ensembles de stockage et de fourniture dâĂ©nergie ont Ă©tĂ© livrĂ©s entre mai 2011et janvier 2012, bien avant que le bĂątiment en construction ne prenne la forme dâunporte-avions puisque la partie supĂ©rieure de lâĂ©trave nâa Ă©tĂ© mise en place que le 9 avril 2013 Ă la suite de lâĂźlot (26 janvier 2013).
Les brins dâarrĂȘt
En mĂȘme temps que les catapultes abandonnent la vapeur, les brins dâarrĂȘt hydrauliques sont remplacĂ©s par un systĂšme Ă©lectromagnĂ©tique (AAG = Advanced Arresting Gear).
Le programme dĂ©veloppĂ© par General Atomics vise Ă rĂ©duire la tension maxi-male supportĂ©e par le brin dâarrĂȘt ainsi que le choc endurĂ© par la crosse dâappontageet par la cellule de lâaĂ©ronef lors de la dĂ©cĂ©lĂ©ration.
Technologie maritimeLâĂ©nergie Ă©lectrique embarquĂ©e
97
ĂcorchĂ© dâun pont de PA sous les brins dâarrĂȘt
D.R
.
Technologie maritimeLâĂ©nergie Ă©lectrique embarquĂ©e
DĂ©cembre 2013
La technique utilisĂ©e fait appel Ă un combinĂ© turboĂ©lectrique : des turbineshydrauliques couplĂ©es Ă un gros moteur Ă induction absorbent lâĂ©nergie dâune façoncontrĂŽlĂ©e. Lâinstallation comprend trois sous-systĂšmes :1. une water turbine passive ;2. une machine tournante spĂ©cifique ;3. un moteur gĂ©nĂ©rateur constituĂ© dâun rotor cylindrique enserrĂ© entre deux stators
concentriques ; il fournit un fort couple et une faible inertie, câest lui qui permetdâadapter le systĂšme au type dâappareil recueilli.
Le nouveau systĂšme permettra de recueillir une plus grande gamme dâaĂ©ro-nefs, avec une plus grande fiabilitĂ©, tout en rĂ©duisant le personnel et la maintenancenĂ©cessaires.
Les armes
L utilisation de lâĂ©lectricitĂ© au profit des systĂšmes dâarmes nâest pas une nou-veautĂ© : les conjugateurs ou les Ward-LĂ©onard ne datent pas dâhier mais lesinnovations sont intervenues dans deux domaines qui ne sont ni le calcul ni
le pointage : il sâagit dâutiliser lâĂ©lectricitĂ© pour transmettre la vitesse initiale Ă unprojectile balistique (canon Ă©lectromagnĂ©tique Railgun) ou pour se substituer auxcharges militaires cinĂ©tiques (arme hyperfrĂ©quence, laser de puissance ou hauteĂ©nergie).
Le canon électromagnétique EM Railgun
Plusieurs millions dâampĂšres sous plusieurs milliers de volts sont nĂ©cessaires pourimprimer une trĂšs grande vitesse initiale Ă un projectile inerte. Les 32MJ quiont Ă©tĂ© obtenus en avril 2013 Ă Dahlgren sont Ă rapprocher des 122 MJ exigĂ©s
par lâEMALS. Le canon Ă©lectromagnĂ©tique utilise la force dâinteraction entre un courant
Ă©lectrique et un champ magnĂ©tique (loi de Lenz â Faraday). Lâobjectif est dâatteindre64 MJ, une vitesse initiale de Mach 7 propulsant un projectile dâune dizaine de kg (dĂ©pourvu de charge explosive) Ă 200 nautiques en 6 min, Ă une cadence de 10 coups/minute et avec une prĂ©cision de 5 mĂštres.
98
â
SchĂ©ma des 4 Ă©lĂ©ments dâun EM Railgun
D.R
.
La premiĂšre quinzaine du mois de juillet 2013 a constituĂ© une Ă©tape im-portante en marquant la fin de la phase 1 du contrat de lâUS Navy (ONR) quimettait en concurrence General Atomics et BAE Systems. Lâattribution de la phase2 Ă©choit Ă BAE (alliĂ© Ă IAP et SAIC) pour un montant de 34,5 millions de dollars.BAE utilise des bancs de condensateurs pour stocker lâĂ©nergie alors que son concur-rent utilisait des alternateurs contrarotatifs.
AprĂšs avoir dĂ©montrĂ© la faisabilitĂ© du tir dâun coup, il sâagit maintenant depasser Ă des tirs rĂ©pĂ©titifs en rĂ©solvant les problĂšmes thermiques et de rechargement.Lâhorizon pour lâinstallation Ă bord est 2020/2025.
En France, câest lâInstitut de Saint-Louis (ISL + DCNS + MBDA) qui a lescompĂ©tences sur le sujet. Il affiche un dĂ©lai de 15/20 ans entre lâĂ©tude exploratoire etlâintĂ©gration Ă bord.
Le laser
Les armes laser envisagĂ©es pour Ă©quiper les bĂątiments sont des armes dâauto-dĂ©fense destinĂ©es Ă abattre des drones aĂ©riens et Ă neutraliser des petites embarcations.
Leur intĂ©rĂȘt opĂ©rationnel est dâavoir une durĂ©e de trajet quasi nulle et doncde confondre but actuel et but tirĂ© ; leur intĂ©rĂȘt Ă©conomique est de ne nĂ©cessiterni projectile ni soute Ă munitions ni dispositif de chargement, le prix du coup tirĂ©est celui de lâĂ©lectricitĂ© consommĂ©e. Mais les essais ont confirmĂ© lâeffet nĂ©faste desturbulences atmosphĂ©riques et lâinsensibilitĂ© de certains matĂ©riaux (aluminium) Ă lâillumination laser.
Les problĂšmes Ă rĂ©soudre concernent la fourniture de lâĂ©nergie Ă©lectrique, lechoix de la nature du laser et de sa frĂ©quence, la finesse du faisceau, la quantitĂ© dâĂ©ner-gie transportĂ©e, la prĂ©cision du pointage pendant la rafale dâengagement dâune cible.
Technologie maritimeLâĂ©nergie Ă©lectrique embarquĂ©e
99
LâEM Railgun testĂ© par BAE Systems
D.R
.
Technologie maritimeLâĂ©nergie Ă©lectrique embarquĂ©e
DĂ©cembre 2013
LâaffĂ»t supporte trois tubes laser : - le premier faisceau est un « poisson pilote » qui permet dâapprĂ©cier les perturbations
atmosphériques et de calculer les corrections de pointage pour en tenir compte,- le deuxiÚme faisceau assure la poursuite de la cible afin de permettre son illumina-
tion en un point prĂ©cis pendant quelques secondes,- le troisiĂšme faisceau transporte lâĂ©nergie nĂ©cessaire au dĂ©pĂŽt dâune vingtaine de kW
sur une partie sensible de lâembarcation ou du drone assaillants. Compte tenu de la puissance exigĂ©e du rayon laser, de son rendement (10
Ă 20%) et du temps dâappli-cation du faisceau sur la cible (quelques secondes), des centaines de MJ sont nĂ©ces-saires par engagement. On notera que le systĂšme Ă lâessaien 2013 comportait sa propresource dâĂ©nergie en shelter, Ă©vitant ainsi de mettre Ă contri-bution la gestion Ă©lectrique dubord.
Plusieurs types delaser peuvent ĂȘtre envisagĂ©s :laser Ă Ă©tat solide, laser chimique, laser Ă Ă©lectrons libres. Au bĂ©nĂ©fice de la sĂ©curitĂ© etde lâencombrement, câest le laser Ă Ă©tat solide qui est utilisĂ© pour le matĂ©riel naval.
A la suite des essais conduits lors de lâĂ©tĂ© 2012 au large de San Diego Ă bordde lâUSS Dewey (DDG 105), la Marine amĂ©ricaine a choisi lâUSS Ponce (LPD 15)
100
La plage AR de lâUSS Dewey lors des essais
Lâarme laser essayĂ©e Ă bord de lâUSS Dewey
D.R
.D
.R.
pour poursuivre les essais, avec comme objectif lâinstallation de lâarme laser en 2016Ă bord des DDG Arleigh Burke et des Littoral Combat Ships.
La protection
Le CVN 78 Gerald Ford est partiellement Ă©quipĂ© dâune ceinture Ă©lectromagnĂ©-tique (DAPS = Dynamic Armor Protection System). Il sâagit dâun blindage creuxdans lequel circule une Ă©norme charge Ă©lectromagnĂ©tique dĂ©clenchĂ©e par
lâimpact dâun projectile.
Lâobjectif est de protĂ©ger certains locaux, soutes ou compartiments contrelâeffet des charges creuses qui constituent la charge militaire de la plupart des missilesantinavires. Lâeffet dĂ©vastateur de la charge creuse est dĂ» lâĂ©mission dâun jet de plasmade 5 000°C Ă 10 000 m/s.
Ce dard, aprĂšs avoir percĂ© la paroi extĂ©rieure de la coque est neutralisĂ© parlâintense champ Ă©lectromagnĂ©tique qui â tel le soufflement dâune bougie â disperselâĂ©nergie du plasma entre les deux parois qui protĂšgent ainsi le local contigu.
Les servitudes
Une utilisation intensive de lâĂ©lectricitĂ© plus inattendue que les prĂ©cĂ©dentesconcerne la destruction des dĂ©chets. Il ne sâagit plus dâannihiler lâeffet duplasma comme dans le DAPS mais au contraire de gĂ©nĂ©rer un plasma pour
détruire des déchets préalablement déchiquetés ou broyés.
Technologie maritimeLâĂ©nergie Ă©lectrique embarquĂ©e
101
Dispersion dâun jet de plasma par un champ Ă©lectromagnĂ©tique
D.R
.
Technologie maritimeLâĂ©nergie Ă©lectrique embarquĂ©e
DĂ©cembre 2013
Deux entreprises canadiennes â NSWC Carderock et PyroGenis â travail-lent depuis plus de 20 ans sur lâutilisation du plasma pour effectuer une rĂ©ductionpropre des dĂ©chets. AprĂšs une installation civile sur le M/S Carnival Fantasy, câest un marchĂ© au profit de lâUSS Gerald Ford qui a permis de mettre au point une usinecapable de traiter 3 tonnes de dĂ©chets par jour dans un encombrement cinq fois moin-dre quâun incinĂ©rateur et avec un taux de rejet de 124 mg (CO) / MJ.
Une torche à plasma de 5000°C transforme carton, bois, plastique, canettes,bouteilles, aliments, huile de vidange ⊠en gaz dépollués, en blocs vitrifiés et en lingots métalliques.
La mise en Ćuvre (simple commande marche/arrĂȘt) et lâentretien (nettoyagedes suies) ont satisfait lâĂ©quipe de lâUSS Carl Vinson chargĂ© de la recette en usine avantla livraison au Gerald Ford qui a eu lieu dĂšs novembre 2011.
102
SchĂ©ma dâune torche Ă plasma (Plasma Arc Torch)
Introduction dans le déchiqueteur
D.R
.D
.R.