Immersion dans les profondeurs du bassin d'essais des carènes

Dossier(s) : Innovation
Maquette au B 600. crédits : DGA.
Maquette au B 600
Voir le diaporama
Au coeur de la campagne normande, près de Rouen, un impressionnant centre d'essais s'étale sur une vingtaine d'hectares. C'est là, à Val-de-Rueil, que se sont progressivement concentrés, depuis 1996, les moyens du bassin d'essais des carènes. Cet, outil unique en Europe, exploité par la Délégation Générale pour l'Armement (DGA), vient de fêter ses 100 ans d'existence. A l'occasion de ce centenaire, le Bassin, d'ordinaire très discret, nous a ouvert ses portes, à la découverte d'un univers aussi passionnant que stratégique pour la construction navale, qu'elle soit civile et militaire. Comme souvent, c'est néanmoins l'armée et, en l'occurrence, la Marine nationale, qui sera à l'origine de la naissance de ce précieux outil. Nommé directeur de la section technique de la marine en 1896, Emile Bertin soutien la création d'un bassin d'expériences, destiné « à faire bénéficier aux navires en construction des résultats obtenus par les expériences sur modèle ». L'ingénieur se fonde, notamment, sur les travaux de Reech, ancien directeur de l'Ecole Nationale du Génie Maritime, ayant démontré en 1852 qu'il était théoriquement possible de prédire la résistance d'un navire à partir de mesure sur modèle. Spécialiste de la propulsion et des questions de stabilité, à l'origine de nombreuses avancées techniques dans le domaine naval, Bertin devra déployer des trésors d'énergie pour convaincre l'Etat et la marine d'investir dans une telle installation, déjà opérationnelle dans de nombreux pays, en Grande-Bretagne, Allemagne, Russie et Etats-Unis notamment. Finalement, le 9 juillet 1906, le père du bassin assistera à l'inauguration du BEM, long de 160 mètres et construit boulevard Victor, à Paris. Dotée de matériels anglais pour la plupart, la nouvelle installation fera preuve d'une endurance remarquable, puisque certains équipements, comme la machine à tailler les modèles, ne prendront leur retraite qu'en 1962 !

Un développement au fil des découvertes techniques

S'étendant progressivement, au fil des découvertes techniques et des besoins militaires, le bassin d'essais parisien réalisera, en moyenne, une soixantaine de modèles de navires et une dizaine de modèles d'hélices par an, entre 1920 et 1930. L'époque est alors aux navires rapides, avec optimisation des carènes et embarquement d'appareils propulsif surpuissants. A la veille de la seconde guerre mondiale, la France détiendra deux records de vitesse. Le premier concernera les destroyers avec les 44.9 noeuds établis en mai 1935 par le Terrible. A la même époque, la Marine nationale remportait également le record de vitesse des croiseurs avec plus de 40 noeuds, un titre acquis par un bâtiment répondant au nom d'Emile Bertin... Le premier conflit mondial ayant démontré l'importance de la tenue à la mer et de la manoeuvrabilité des navires, une grande cuve à houle est inaugurée en 1935. Cet équipement permettra de mesurer le comportement des bateaux sur une houle simulée et de mieux calculer la résistance des coques. Il évitera, par exemple, les défauts de conception rencontrés sur le croiseur de bataille Dunkerque (première sortie en 1936), dont l'étrave s'était révélée très fragile, empêchant le navire de marcher à plus de 15 noeuds dans le gros temps. D'autres équipements viendront compléter le dispositif du BEC. En 1939, la décision fut prise de doter le centre d'un tunnel de cavitation, permettant de mesurer le phénomène sur les hélices. La nécessité de cet outil avait été démontrée quatre ans plus tôt, lors du voyage inaugural du paquebot Normandie. Le nouveau fleuron de la Transat avait certes remporté le Ruban bleu, traversant l'Atlantique à 30 noeuds, mais au prix d'une érosion considérable de ses hélices, bonnes pour la casse dès la première traversée ! Le tunnel de cavitation, le plus imposant d'Europe, ne sera inauguré qu'après guerre, en 1948, six ans après le bassin de giration. Les travaux du second bassin de traction débutèrent en 1948 et sa longueur fut portée à 155 mètres. Un ultime bassin de traction est enfin construit à Paris, en 1954, le bassin n°3, qui sera allongé pour atteindre 220 mètres. Il servira à tester les maquettes de la plupart des bâtiments militaires français actuellement en service, comme le Charles de Gaulle, les frégates La Fayette et les sous-marins nucléaires, mais aussi des navires civils, comme les ferries rapides, ou des plateformes de forage offshores. Les modèles de navires de pêche seront également expérimentés, de même que des voiliers de course, dont le célèbre Pen Duick III d'Eric Tarbarly (1973).

Faute de place, le bassin d'essais quitte Paris pour la Normandie

D'année en année, le périmètre du bassin d'essais des carènes ne cesse de s'accroître. Les terrains du boulevard Victor, délimités dans les années 60 par la construction du boulevard périphérique, arrivent à saturation. Face à la problématique de la discrétion acoustique, domaine d'étude stratégique, notamment pour les sous-marins, le besoin d'un nouveau tunnel de cavitation devient prégnant. Des réflexions débutent sur les futures extensions du BEC mais ce n'est qu'en 1981, sur décision du gouvernement Barre, que le choix est fait d'ouvrir un second site à Vaudreuil (future Val-de-Reuil), ville nouvelle située près de Rouen. Le Bassin a alors quitté le giron de la marine depuis 20 ans pour intégrer celui de la Direction des Constructions et Armes Navales (future DCN), subdivision du ministère de la Défense au sein de ce qui deviendra la Délégation Générale pour l'Armement. C'est en 1984 que la construction du Grand Tunnel Hydrodynamique (GTH) débute, pour une mise en service trois ans plus tard. A compter de cette date, les moyens seront progressivement transférés à Val-de-Reuil, où travaillent désormais 120 personnes. Appartenant en propre à la DGA depuis 1985, le bassin d'essais des carènes a bénéficié d'un plan d'investissement de quelques 150 millions d'euros. Le bassin de giration, ultime moyen encore en service boulevard Victor, sera prochainement transféré, mettant fin à plus d'un siècle de présence du BEC à Paris.

Un outil unique en Europe

Dédié à l'étude de l'hydrodynamisme et de l'hydroacoustique, Val-de-Rueil dispose, aujourd'hui, de l'un des trois plus grands tunnels hydrodynamiques au monde. Le GTH sert à étudier la cavitation, phénomène se produisant au contact ou dans le sillage des corps animés d'une grande vitesse, comme les hélices ou les safrans. « C'est une vaporisation de l'eau à température ambiante et en présence d'une très faible pression. Le danger de cavitation devient réel à partir de 16 noeuds. On assiste à la création de petites bulles, de préférence en présence d'impuretés, très problématiques en matière de bruit et d'usure », explique Fabrice Legrand, ingénieur au Bassin d'essais des carènes. L'usure, qui a abouti en 1935 à la quasi-destruction des hélices du Normandie, provient de l'implosion des bulles d'air sous la pression de l'eau environnante. Le GTH a donc pour mission d'étudier le phénomène et de trouver la bonne parade pour retarder l'apparition de la cavitation. « Ce moyen d'essais peut s'assimiler à une soufflerie, sauf qu'on y propulse de l'eau et non de l'air. De plus, l'ensemble est pressurisé, afin de reproduire toutes les conditions que l'hélice, le gouvernail ou le safran peut rencontrer ». L'ensemble est impressionnant, avec une longueur de 71 mètres pour une hauteur de 14 mètres, 3200 tonnes d'eau, 2000 tonnes d'acier et 900 tonnes d'inox. Le GTH comprend deux « veines d'essais » de 10 mètres et 6 mètres de long, tronçons du tunnel dans lesquels sont placés les modèles à tester. A l'exception des hélices de torpilles, les veines sont en effet trop étroites pour tester des équipements en taille réelle. Dans la grande veine, le débit peut atteindre 33 m3/seconde. Pendant les essais, le silence ambiant est remarquable : « Il ne faut pas faire de bruit et suivre les essais en silence. Le moindre bruit peut en effet altérer les calculs. C'est aussi pourquoi la structure est montée sur plots élastiques, notamment les moteurs, dont la puissance atteint 2 MW », souligne Fabrice Legrand. Les mesures effectuées sont recueillies par toute une batterie de capteurs acoustiques, de vélocimétrie laser, de visualisation des écoulements et d'acquisition d'images.

Le second porte-avions se mesure au B600

L'infrastructure la plus impressionnante du site est, sans nul doute, le B600. Cet énorme bassin de 545 mètres de long, 15 mètres de large et 7 mètres de profondeur dispose d'une plateforme de traction capable de faire évoluer les maquettes de 10 cm à 12 mètres par seconde. Les modèles des navires les plus rapides peuvent donc s'y mesurer. Au fond du bassin, le plus grand du monde dans sa catégorie, des batteurs simulent des états de mer supérieurs à 8 et l'équivalent de vagues de 20 à 30 mètres. Le B600 permet d'étudier certains phénomènes précis, comme les vagues scélérates ou la houle rattrapante, entraînant une perte de cap et une tendence de la plateforme à se placer perpendiculairement à la vague : « Pour les porte-conteneurs, on rencontre typiquement le problème de la houle arrière et le phénomène de houle rattrapante, la longueur d'onde étant égale à la longueur du bateau », explique Jean-Marc Quenez, sous-directeur technique. Dans ce bâtiment aux allures de tunnel interminable, les essais portent généralement sur la résistance à la propulsion et la tenue à la mer avec houle de face. La maquette du futur porte-avions, réalisé en coopération avec les Britanniques, y navigue actuellement. Le modèle, long d'une grosse dizaine de mètres, est imposant. Les coques peuvent atteindre 11 à 14 mètres et peser de 4 à 7 tonnes. Le B600 a néanmoins vu, dans la années 90, le passage d'un « monstre » de 23 mètres et 20 tonnes. Construite en 1989, « Amanda » était une réplique au cinquième de la frégate La Fayette. Cette importante maquette avait été réalisée pour respecter la similitude de la structure, c'est-à-dire de l'épaisseur de la coque, des ponts... En 2000 puis en 2004, deux compagnes ont permis de valider la chaîne de calculs de la sollicitation de la houle et de la réponse structurale du navire. Le modèle avait, notamment, été équipé de jauges de déformations et d'accéléromètres, les dimensions du B600 ayant simulé une vitesse de 17 noeuds dans une mer de force 3 à 5. De manière générale, les petits bateaux sont reproduits à l'échelle 1/12ème, les navires de 100 à 120 mètres ainsi que les sous-marins à l'échelle 1/20ème et les grosses unités, comme les porte-avions, à l'échelle 1/30ème.

Ces maquettes qui résistent aux ordinateurs

A l'heure du développement fulgurant de l'informatique, la présence, toujours fidèles au poste, de ces dizaines de maquettes peut paraître anachronique. Non loin du second porte-avions, qui vient de croiser dans la pénombre du B600, deux ingénieurs observent la « navigation » de la maquette : « Ces modèles ont leur utilité car on peut constater, en réel, le comportement global du navire. L'informatique permet, néanmoins, de gagner un temps monstrueux. En une semaine, nous pouvons tester 100 ou 110 formes et ne retenir que la meilleure, qui sera ensuite testée en bassin pour valider les calculs. Les calculs numériques sont complémentaires. Ils permettent une meilleure compréhension des écoulements et de ce qui se passe localement. De plus, il permettent de mesurer l'impact des jambes (les fixations) qui maintiennent la maquette du sous-marin sous l'eau », souligne Quentin Derbanne. « Les simulations sont imparfaites, elles ne prennent pas en compte tous les phénomènes physiques. Pour la freinée, la résistance du bateau, cela demande des simulations au pourcent près. Nous testons donc une vingtaine de modèles numériquement pour n'en essayer que deux en bassin », précise quant à lui Erwan Jacquin. Grâce au gain de temps réalisé en amont par l'informatique, un nombre beaucoup plus important de modèles peut donc être testé, avec des perspectives d'évolution encore très importantes : « La puissance des calculateur double toutes les années et demi. Dans cinq ou dix ans, il faudra moins d'une journée pour effectuer les calculs qui nous prennent aujourd'hui une semaine ». L'avènement des calculs numériques présente également un autre avantage, celui de bousculer certaines idées reçues, l'informatique aboutissant parfois, pour les ingénieurs, à des surprises : « Nous laissons l'ordinateur converger vers les formes optimales. Souvent, il ne s'agit pas de formes habituelles et nous nous sommes parfois rendus compte qu'elles étaient meilleures. Par exemple, sur les paquebots, on découvre que certaines formes originales de bulbes d'étrave peuvent permettre de gagner jusqu'à 10% de résistance, soit environ 1 noeud de vitesse ».

De la frégate de DCN au paquebot d'Aker Yards, en passant par les voiliers de course

Le bassin d'essais des carènes, bien qu'appartenant à la DGA et donc au ministère de la Défense, travaille également dans le domaine civil, un partenariat très apprécié pour les capacités des chantiers navals et de leurs bureaux d'études en matière d'innovation. La discrétion qui entoure le BEC, en raison des matériels et des données sensibles qui s'y trouvent, ne veut toutefois pas dire que le centre fonctionne en vase clos : « Depuis 1930, des échanges internationaux ont été mis en place avec les autres bassins d'essais sur les technologies de mesure et les matériels. La communauté hydrodynamique mondiale est très active. Nous travaillons également avec le civil, qui représente 20% de notre activité », souligne Marc Ferrié, directeur du Bassin d'essais des carènes. Les ex-Chantiers de l'Atlantique, désormais Aker Yards, sont un « client » régulier et recherché. Des maquettes des paquebots en construction sont notamment testées. Il s'agit, pour les ingénieurs, de jouer sur l'écoulement des flux, notamment sur le bulbe et la voute arrière, où 5 à 10% de résistance peuvent être gagnés en optimisant les formes. Ainsi, un meilleur design de bulbe, plus bombée sur la partie avant, a été trouvée pour un navire du type MSC Musica. En matière d'acoustique, les recherches portent sur la partie située au droit des hélices, afin de réduire les bruits. Toujours dans le domaine des navires à passagers, le BEC a participé, au début des années 2000, aux travaux de développement des bateaux à grande vitesse, les fameux BGV, présentant l'avantage de filer 40 noeuds mais se révélant peu confortables par mer formée, même avec une coque catamaran. Ce projet n'a, à ce jour, pas encore abouti à un navire réel. Plus récemment, le BEC a été impliqué dans la modernisation de l'Atalante. Grâce aux essais menés en bassin, la tenue à la mer du navire d'Ifremer a été améliorée. En dehors des grosses unités, un autre marché plus confidentiel est régulièrement exploité, celui des navires de course, dont les formes de carènes, comme de quilles, sont jalousement protégés.

Berceau des innovations technologiques

Centre d'essais à la pointe de la technologie, le Bassin teste, optimise et valide les technologies de demain. Dans les années 80, la sous-marinade française a vécu sa petite révolution avec la « pompe hélice », version française des pump jets anglo-saxons. Ce système consiste en une hélice à pales multiples carénée, composée d'un ensemble rotor / stator, à l'image d'un réacteur d'avion. Cette technologie, délicate à mettre au point et qui rencontrera quelques difficultés de jeunesse sur le sous-marin nucléaire lanceur d'engins (SNLE) Le Triomphant, permet de réduire de manière significative la signature acoustique des bâtiments. « Grâce aux moyens très performants dont nous sommes dotés, l'objectif est de faire émerger, aujourd'hui, des technologies qui nous permettrons de garder de l'avance. A l'avenir, nous verrons des ruptures technologiques sur les propulseurs, plus que sur les carènes. Nous avions eu une rupture avec le passage de l'hélice à la pompe hélice et, aujourd'hui, nous travaillons sur les pods », précise Erwan Jacquin. Les pods, ces moteurs électriques placés dans des nacelles sous la carène du navire, sont apparus en Finlande à la fin des années 80 et ont fait leur apparition en 2000 sur un premier paquebot. Les pods présentent deux énormes avantages : Le gain de place en se dispensant de lignes d'arbres et la manoeuvrabilité, les engins pouvant être orientables à 360 degrés. Toutefois, comme toute nouveauté, ils ont aussi leurs faiblesses : « Ces propulseurs rencontrent des problèmes d'efforts, notamment lorsqu'ils sont orientés à 90 degrés. Les travaux portent donc sur la fiabilisation, avec un dimensionnement le plus précis possible ». En matière d'acoustique, les pods nécessitent par ailleurs une amélioration du design. Un moteur placé presque directement au contact de l'eau étant par définition bruyant, des progrès doivent être réalisés, notamment pour les bâtiments militaires, navires pour lesquels les exigences sont très sévères. Pour réduire la cavitation, des essais ont même débuté au BEC sur l'adaptation de la pompe hélice au pod.

Dans la tourmente de la cuve à houle

Aux côtés du GTH et du B600, la cuve à houle est le troisième gros moyen d'essais du centre de Val de Rueil. Baptisé Roger Brard, du nom d'un ancien directeur resté à la tête du BEC pendant 30 ans, cet équipement mesure 32 mètres de long pour 10 mètres de large et 3.5 mètres de profondeur. La cuve est fondamentale en matière sécurité des bâtiments en mer. Son rôle est de déterminer, dans des situations parfois extrêmes, la stabilité avant et après avarie de bâtiments, en reproduisant artificiellement les conditions de mer les plus délicates : « Nous pouvons reproduire tous les états de mer qu'un navire peut rencontrer. La cuve est équipée d'un batteur segmenté, permettant de créer des houles pas simplement unidirectionnelles, mais également croisées ou obliques, pouvant être équivalentes à des creux de huit mètres », explique Jean-Marc Quenez, sous-directeur technique. « Pour les petits navires, une houle de cette taille est très importante. Il aura tendance à la suivre comme un bouchon. Une instabilité dynamique peut intervenir, par exemple sur la crête d'une vague et si la houle est de trois quarts arrière, il peut être poussé jusqu'au travers, ce qui est une situation très dangereuse ». La stabilité dynamique des plateformes est donc calculée, d'abord à l'état intact, puis avec un compartiment inondé, permettant ainsi d'évaluer l'impact de l'eau emprisonnée dans le compartiment et les risques des mouvements de roulis trop importants risquant d'aboutir au chavirement : « Ces calculs permettent de déterminer quel sera le mouvement du bateau et, dans telle ou telle situation, combien de temps est nécessaire avant qu'il ne coule ». En matière de bâtiments militaires, les recherches sont encore plus poussées, un bateau gris devant être capable de résister à des agressions très destructrices. Pour Marc Ferrié, le directeur du BEC : « La DGA a pour but d'assurer aux forces que les matériels répondent aux spécifications. La sécurité est très bonne sur les navires militaires. Avec un compartiment envahi, une frégate peut continuer de combattre et avec deux ou trois compartiments inondés, de rentrer au port. Ce n'est évidemment pas la même chose avec des navires civils, par exemple les rouliers, qui disposent de portes avant et arrière ». Lors des essais, les frégates du type La Fayette se sont, notamment, montrées très résistantes : « Elles sont extrêmement stables et, en cas d'avarie, la gîte est très importante mais elles refusent de chavirer », souligne Jean-Marc Quenez.

Des tempêtes de radier aux « splash » sur les chasseurs de mines refondus

La cuve à houle permet également de mesurer le comportement des sous-marins en surface, une situation pour laquelle ces coques cylindriques ne sont pas conçues. Afin d'assurer la sécurité des navigations en surface, toute une batterie d'essais doit être menée. Dans le domaine des navires amphibies, la cuve à houle permet, aussi, d'étudier un phénomène bien particulier, la tempête de radier. « Quand le radier d'un transport de chalands de débarquement est ouvert, la piscine est non seulement soumise à la houle extérieure, mais aussi aux mouvements propres du bâtiment. L'ensemble peut provoquer ce qu'on appelle une tempête de radier, très dangereuse pour la sécurité du personnel embarqué sur les chalands », souligne Jean-Marc Quenez. Afin de retarder l'apparition de ce phénomène, un système d'amortisseur de radier a été conçu pour les nouveaux bâtiments de projection et de commandement (BPC). Composé de plaques amovibles fixées au fond du radier, ce système compense l'effet de houle. « Les problématiques sont parfois les mêmes dans le civil. Ainsi, nous avons testé une maquette du Sea Angel, un navire géant conçu pour récupérer les pétroliers en difficulté ». Les études ne s'arrêtent néanmoins pas avec le début de la construction des bateaux. Fin 2006, les équipes de la cuve à houle étaient mobilisées sur la stabilité des chasseurs de mines tripartites. Si cette classe de navires est entrée en service au début des années 80, les bâtiments ont subi, entre 2003 et 2005, une importante refonte. Il était donc nécessaire de mesurer leurs nouvelles performances avec différents essais, notamment une série de « splash », c'est-à-dire l'écrasement par le travers d'une vague sur la coque. La plupart des tests sont menés avec la seule coque, une réplique des superstructures n'étant installée qu'en cas de volonté des ingénieurs d'observer la résistance des équipements de pont au déferlement d'une vague.
Dans le nouveau centre dotés d'équipements derniers cris, où un bâtiment a même servi aux premiers essais du missile balistique M51, quelques souvenirs demeurent. Ici les hélices de l'escorteur d'escadre Surcouf, symbole du renouveau de la marine d'après guerre, là le Pen Men, modèle réduit du porte-avions Charles de Gaulle et curiosité de la rade de Lorient, où il navigua de 1987 à 1991. Près de ces témoins d'une époque révolue, ingénieurs et techniciens poursuivent leur travail dans le sillage de leurs aînés. Malgré les découvertes, malgré les avancées technologiques et malgré les prouesses de l'informatique, nombre de mystères de l'hydrodynamisme semblent devoir encore être percés.