L’Organisation Maritime Internationale, via le traité SOLAS (Safety of Life at Sea), impose que tous les bâtiments de plus de 500 tonneaux soient équipés au minimum d’un gyrocompas. Ce gyrocompas a pour fonction de fournir le nord géographique de manière autonome. Cette exigence est de nos jours principalement remplie par l’utilisation d’une technologie de plus de 100 ans d’âge, le gyroscope mécanique. Cette technologie nécessite malheureusement des opérations de maintenance périodique (tous les 12 à 18 mois) et a une durée de vie limitée, généralement entre 3 et 5 ans. Des solutions alternatives existent depuis une vingtaine d’années. Ces solutions, dites « maintenance-free », soit sans maintenance préventive, sont généralement à base de gyromètre à fibre optique (FOG). Beaucoup plus couteuses que les solutions à base de gyroscopes mécaniques, elles n’ont pourtant jamais réellement trouvé leur place sur le marché, bien qu’offrant généralement des fonctionnalités supplémentaires, comme la fourniture des roulis, tangage et verticale dynamique. Aujourd’hui, une nouvelle technologie « maintenance-free » est mise sur le marché par Sagem (groupe Safran) : le Gyroscope Résonant Hémisphérique, ou HRG. De part sa conception, le HRG est présenté comme la meilleure réponse aux besoins des marins de demain. Fidèle à sa stratégie de leader technologique, Sagem répond avec BlueNaute à l’ensemble des besoins de la navigation maritime moderne.
Le gyroscope mécanique
Connaître sa position, sa vitesse et son orientation est un besoin primordial pour naviguer. Au XIXe siècle, la navigation est réalisée à partir d’instruments comme le sextant, le chronomètre, la boussole ou le loch. Grâce au sextant et au chronomètre, l’observation astrale permet de déterminer les coordonnées (latitude, longitude) précises du navire lors des points de visée. Cette position est ensuite entretenue jusqu’à la visée suivante par une navigation dite « à l’estime », c’est-à-dire en intégrant la vitesse mesurée par le loch le long du cap indiqué par la boussole. A cette même époque, vers le milieu du XIXe siècle, des travaux scientifiques montrent qu’une toupie montée sur une plateforme suspendue permet de conserver une direction : lorsque la toupie est entraînée à une vitesse suffisante, son axe de rotation reste en effet fixe par rapport aux étoiles. Cette observation fait suite à la mise en évidence de la rotation de la terre par le scientifique français Léon Foucault : c’est la fameuse expérience du pendule réalisée au Panthéon en 1851.
Un nouvel instrument de navigation voit alors le jour : le gyroscope (du grec gyros – rotation et skopein - voir). A partir du premier instrument de laboratoire construit par Foucault dès 1852, l’utilisation d’un gyroscope pour indiquer le nord semble alors ne plus poser de problème sur le plan théorique. Cependant, il faudra encore plus de 50 ans pour aboutir à un équipement utilisable opérationnellement. Entre-temps, il aura fallu savoir entretenir la rotation de la toupie, ce qui a été rendu possible par les progrès réalisés dans le domaine des moteurs électriques ; développer des dispositifs permettant de maintenir la rotation de la toupie dans le plan horizontal indépendamment des variations de roulis, compenser les effets de variation de la vitesse et de la direction du bateau.
Ce sont les travaux menés par le Dr Hermann Anschütz et son cousin Max Schuler qui permettent d’aboutir à un premier brevet de gyrocompas en 1904, puis à un équipement plus sophistiqué comprenant 2 gyroscopes inclus dans une sphère flottant dans un liquide en 1924. Cette technologie reste leader sur le marché du gyrocompas pour la Marine marchande, plus de 100 ans après le premier brevet, ce qui constitue une longévité tout à fait exceptionnelle.
Les gyroscopes flottants présentent cependant deux inconvénients majeurs. Les toupies, sujettes à vieillissement, doivent être changées tous les 3 à 5 ans et le liquide doit être remplacé tous les 1 à 2 ans. Ces deux opérations de maintenance préventive rendent le coût global de possession de ces gyroscopes relativement important malgré un prix d’achat initial très intéressant.
Le gyromètre à fibre optique, ou FOG
Afin de s’affranchir des maintenances préventives contraignantes, les marins demandent de plus en plus à avoir des gyrocompas « maintenance-free » et font alors appel à des équipements à base de FOG. Basé sur l’effet Sagnac, le FOG mesure les franges d’interférence générées par deux faisceaux lasers contrarotatifs circulant en continu dans des fibres optiques bobinées. On notera que l’hétérogénéité des bobines de fibres, faiblesse intrinsèque de cette technologie limitant le potentiel de performances sur le long-terme, n’est pas un souci pour des utilisations gyrocompas IMO.
L’intérêt principal du FOG est d’être constitué d’un nombre limité de pièces élémentaires sans mouvement, le rendant ainsi plus fiable que les gyroscopes mécaniques. Il s’avère malheureusement que le FOG n’est pas en mesure d’offrir la fiabilité espérée par les utilisateurs et le coût élevé des réparations, technologiquement complexes, renchérit d’autant plus le coût de cette solution. Au final, les gyrocompas à FOG ont beaucoup de mal à s’imposer sur le marché mondial du gyrocompas, et ce à la fois pour des raisons techniques et financières, le coût global de possession de cette technologie restant supérieur à celui du gyroscope mécanique.
Gyroscope HRG (© : SAGEM - DANIEL LINARES)
Le gyroscope résonant hémisphérique (HRG)
Le nombre et la complexité des pièces entrant dans la constitution d’un équipement de mesure de haute précision, ont un impact direct sur sa fiabilité et sur le coût de ses maintenances préventives et correctives. Une formulation simple de cette constatation consiste donc à énoncer qu’au premier ordre, la fiabilité d’un gyroscope est directement proportionnelle au nombre de ses pièces. Constitué uniquement de quelques pièces élémentaires et d’un design simple, le HRG est donc d’une fiabilité extrême.
Breveté par Sagem, le gyroscope HRG exploite les caractéristiques inertielles du plan vibratoire d’une onde résonnant à l’intérieur d’une demi-sphère miniature mécaniquement découplée du monde extérieur. D’une très grande robustesse, il n’est soumis à aucune usure mécanique et il présente donc d’une durée de vie virtuellement illimitée, à la différence des gyroscopes mécaniques. C’est ce qui explique qu’il ait été d’abord utilisé pour les applications spatiales en en faisant d’ailleurs la seule technologie jamais tombée en panne dans l’espace, avec plus de 18 millions d’heures de fonctionnement sans le moindre incident. Le HRG est la seule technologie à la fois « maintenance-free » et ultra-fiable.
Si les caractéristiques de haute performance et fiabilité extrême sont unanimement reconnues par la communauté scientifique, il restait à rendre cette technologie économiquement abordable pour qu’elle puisse être utilisée dans un gyrocompas civil. Ce défi a été relevé par Sagem grâce à des innovations techniques majeures et des investissements industriels significatifs.
La centrale BlueNaute de Sagem : une première à Euronaval 2012
Exploitant les caractéristiques intrinsèques de la technologie HRG, la centrale de navigation BlueNaute ne requiert aucune maintenance. Avec un MTBF (Mean Time Between Failure ) de plus de 100.000 heures, elle est sans rivale en termes de durée de vie, de fiabilité et de disponibilité opérationnelle. Grâce au faible encombrement et à l’insensibilité aux environnements du HRG, BlueNaute, présentée pour la première fois à l'occasion du salon Euronaval, peut être intégrée aisément sur tous les types de plateformes. BlueNaute existe en différentes versions pour couvrir l’ensemble des besoins du marché. BlueNaute s’adresse notamment au marché des porte-conteneurs, des tankers, des paquebots, des navires de services à l’offshore ou encore des mega-yachts. Mais cette nouvelle centrale pourrait également intéresser les marines militaires, qui ont de plus en plus recours aux technologies civiles.
