NAVIRES - Navires rapides

NAVIRES - Navires rapides

Dans le domaine naval comme dans celui de l’aéronautique, c’est la part prépondérante de la traînée d’onde dans la résistance à l’avancement qui explique les difficultés que l’on éprouve à dépasser une certaine vitesse critique. Alors qu’en aéronautique, cette vitesse est celle de la propagation du son dans l’air qui ne dépend que des caractéristiques du milieu fluide, dans le domaine naval, au contraire, l’accroissement brutal de la traînée d’onde (plus communément appelée résistance de vague) est à associer au nombre de Reech-Froude 杻 = V/g L (cf. Dynamique du navire , in architecture NAVALE).

Ainsi, tout en étant également capables par exemple d’une même vitesse de 25 nœuds, un superpétrolier de 500 000 tonnes est un navire lent alors qu’un porte-conteneurs de 20 000 tonnes est un navire semi-rapide et qu’une vedette de plaisance est un navire rapide.

Lorsque la vitesse d’un navire augmente, la répartition des pressions exercées par l’eau sur la carène peut devenir très différente de la répartition hydrostatique. Ce phénomène entraîne alors des modifications sensibles de l’assiette et de l’enfoncement de la carène; généralement, le navire commence par s’enfoncer légèrement, puis il finit par déjauger en prenant une assiette qui tend à cabrer.

Aux grandes vitesses – c’est-à-dire pour des valeurs du nombre de Reech-Froude supérieure à 0,5 –, la résistance de vague Rw croît moins rapidement que la résistance de frottement Rf qui devient prépondérante et constitue pour les navires rapides l’obstacle majeur à l’accroissement de leur vitesse (fig. 1).

Dans la quête de vitesses toujours plus élevées, on se trouve systématiquement ramené à rechercher des moyens propres à réduire la résistance de frottement du navire, c’est-à-dire la surface mouillée de la carène ainsi que des moyens susceptibles d’améliorer et de maintenir, en utilisation, la qualité de son état de surface. On distingue trois grandes familles de navires rapides: les coques planantes, les hydroptères et les aéroglisseurs.

1. Les coques planantes

Une première solution consiste à favoriser le déjaugeage de la coque à grande vitesse par des formes appropriées afin d’exploiter au mieux la pression dynamique du fluide. Les coques planantes ont généralement des fonds plats ou en faible V et leurs bouchins sont vifs; leur largeur est importante et le maître bau est situé très en arrière. Afin de réduire la surface mouillée au minimum nécessaire pour assurer la sustentation dynamique du navire, on s’efforce de favoriser le décollement de l’eau en pratiquant sur le fond un ou plusieurs redans dont la position est étudiée afin de conserver à grande vitesse une stabilité longitudinale correcte. Le défaut majeur des coques planantes est, outre des problèmes de stabilité de route et d’assiette, une très grande sensibilité au vent relatif ainsi qu’à l’agitation des plans d’eau sur lesquels elles évoluent. L’inconfort à la mer, la fatigue des structures, voire l’insécurité du navire limitent l’emploi des coques planantes à des petits bateaux appelés à naviguer sur des plans d’eau calmes ou abrités.

Des petites unités de course ou de plaisance très rapides exploitent la portance aérodynamique en effet de sol qui peut s’exercer sur une coque catamaran pour tenter – avec quelque succès – de stabiliser leur comportement sur clapot. Afin de conserver des qualités nautiques (de tenue à la mer et de manœuvrabilité) qui soient acceptables, les navires rapides de plus grandes dimensions – tels que les vedettes ou les patrouilleurs rapides – utilisent des coques semi-planantes en V profond dont la résistance à l’avancement est, à grande vitesse, inférieure à celle des coques classiques à bouchins ronds (fig. 2).

2. Les hydroptères

Une méthode radicale de réduction de la résistance de frottement d’un navire consiste à faire déjauger complètement sa carène en la sustentant à grande vitesse par la portance d’ailes sous-marines reliées à la coque par des entretoises profilées appelées «jambes».

En raison de la densité de l’eau (huit cents fois plus élevée environ que celle de l’air), les ailes d’hydroptères développent, même à vitesse relativement modérée, des portances très supérieures à celles des avions les plus rapides (environ 5 t/m² pour les hydroptères contre 0,5 t/m² pour un avion militaire supersonique). Ainsi, la surface mouillée des ensembles porteurs (ailes + jambes) reste faible comparée à celle de la carène des navires classiques, et la résistance à l’avancement des hydroptères est, à grande vitesse, très inférieure à celle de ces navires (fig. 2). Le vol des hydroptères est intrinsèquement stable lorsque leurs ailes percent la surface libre. Les hydroptères, dits de première génération, qui reposent sur ce principe sont inconfortables à la mer et limités en vitesse par l’aspiration d’air à l’extrados des profils d’ailes. Pour remédier à ces défauts, il faut recourir à des ailes totalement immergées. Ces hydroptères – dits de seconde génération – sont intrinsèquement instables; on est donc conduit à leur conférer une stabilité artificielle au travers d’un pilotage automatique à portance constante qui commande soit le calage des ailes, soit celui de gouvernes. Ils acquièrent alors la capacité de naviguer à grande vitesse (jusqu’à 50 nœuds environ avec des ailes subcavitantes) sur mer formée avec une exceptionnelle tranquillité de plate-forme (cf. tableau).

En contrepartie de leurs qualités, ces navires sont d’une technologie compliquée et coûteuse qui en limite, pour l’instant, le développement (cf. planche couleurs).

3. Les aéroglisseurs

Une autre solution pour limiter le contact d’un navire avec l’eau afin de réduire sa résistance à la marche consiste à sustenter sa coque par la pression d’un coussin d’air. Celui-ci est alimenté par des ventilateurs et confiné par des parois rigides (quilles), souples (jupes), voire fluides (jets périphériques).

Lorsqu’ils utilisent des organes de propulsion ou de gouverne aérodynamique (des hélices aériennes par exemple), les aéroglisseurs à jupes souples acquièrent la capacité amphibie et se voient ainsi ouvrir des domaines d’exploitation jusqu’alors réputés non navigables; toutefois, et bien qu’un certain nombre d’appareils de ce type soient exploités commercialement sur des lignes maritimes (traversée du Pas-de-Calais par exemple), les aéroglisseurs amphibies ne disposent que de qualités nautiques limitées.

Les aéroglisseurs à quilles latérales (A.Q.L.), qui sont encore appelés navires à effet de surface (N.E.S.), sont au contraire des navires catamarans sustentés en grande partie par un coussin d’air. Celui-ci est délimité, à l’avant et à l’arrière, par des jupes souples et, sur les côtés, par des coques extrêmement minces et très peu profondes pour que leur résistance à l’avancement reste faible même à très grande vitesse. La propulsion de ces navires fait appel à des hélices marines ou à des jets d’eau; les quilles latérales étant immergées, les fuites du coussin d’air sont limitées à l’avant et à l’arrière, ce qui permet de réduire considérablement la puissance de sustentation par rapport à celle qui est exigée par les aéroglisseurs amphibies.

De technologie plus simple que les hydroptères, les N.E.S.A.Q.L. ont – à vitesse et tonnage équivalents – des résistances à l’avancement comparables (fig. 2) et des qualités nautiques qui, sans atteindre le niveau de celles des hydroptères de seconde génération, sont très supérieures à celles des coques planantes et semi-planantes. Ils sont capables de performances élevées (des vitesses de 90 nœuds ont été atteintes aux États-Unis sur des navires expérimentaux) et on espère pouvoir réaliser des navires de plusieurs milliers de tonnes, des navires à effet de surface de 200 tonnes étant déjà construits.

En conclusion, la vitesse sur l’eau n’est plus, aujourd’hui, un objectif théorique que l’on sanctionne par des records, mais une réalité concrète. Pour y parvenir, il a fallu libérer les navires rapides des perturbations dont est couramment le siège l’interface entre l’air et l’eau, qu’on appelle mer ou océan. Les concepts nouveaux d’hydroptères, d’aéroglisseurs, de navires à effet de surface ne sont que des solutions logiques du problème ainsi posé.

Encyclopédie Universelle. 2012.