L’hydrodynamique navale
Hydrodynamique navale (Source DGA/TH)
L’activité support aux programmes nationaux
DGA Techniques hydrodynamiques (DGA TH) continue à apporter son soutien aux programmes majeurs en cours de renouvellement de la flotte de la Marine Nationale française : tout particulièrement, le programme de sous-marin nucléaire lanceur d’engins de 3ème génération (SNLE 3G), le programme du porte-avions de nouvelle génération (PA NG) ou le programme de sous-marin nucléaire d’attaque BARRACUDA.
Sous-marin SNLE 3G Porte-avions (PA NG) Sous-marin BARRACUDA
DGA TH a continué à mener des études numériques et des études expérimentales sur le programme SNLE 3G. Ces études concernaient à la fois la prédiction des performances manœuvrières visant à définir le diagramme immersion-vitesse et la prédiction des performances de navigation à faible immersion en présence de houle. Ces essais sont réalisés avec le modèle libre de DGA TH (Darquier et al, ATMA-2017) qui est une maquette navigante autonome et autopilotée en similitude géométrique du vrai bateau.
Essai de SNLE 3G sur modèle libre
Dans le cadre des études de la phase d’avant-projet détaillé du porte-avions de nouvelle génération, DGA TH continue d’apporter son expertise auprès des Chantiers de l’Atlantique pour les prédictions des performances hydrodynamiques du navire. DGA TH a notamment proposé des dessins pour les hélices et des améliorations de géométrie des appendices. DGA TH a aussi réalisé des essais de manœuvrabilité sur une maquette à grande échelle au lac de Castillon (site de DGA Techniques navales) et des essais de tenue à la mer sous houle oblique. Ces essais sont réalisés sur des modèles libres (maquettes autonomes et autopilotées conçues et réalisées par DGA TH).
Essai de manœuvrabilité sur modèle libre Essai de tenue à la mer sur modèle libre de DGA TH
de DGA TH au lac de Castillon
Dans le cadre d’une expertise de phénomène de tossage sur le tableau arrière de frégate, DGA TH a été mis à contribution pour déterminer les conditions de navigation faisant apparaitre le phénomène ainsi que pour estimer les pressions d’impacts. Des calculs numériques ont été réalisés et les résultats de calcul ont été corroborés par des essais en bassin de traction à houle.
Essai de tossage sur tableau arrière de frégate
L’activité essais à la mer
Dans le cadre des essais avant mise en service du patrouilleur outre-mer, DGA TH a apporté son assistance aux essais à la mer.
En 2024, DGA TH a aussi participé aux premiers essais à la mer de la frégate FDI Amiral Ronarc’h, notamment aux essais de réglage des lois de conjugaison de pas des hélices conçues par DGA TH, aux essais de vitesses et de manœuvrabilité et aux essais de signature acoustique du bateau.
L’activité études amonts
DGA TH entreprend régulièrement des études prospectives sur de nouveaux concepts en hydrodynamique navale ou sur de nouvelles techniques ou outils d’expertises en hydrodynamique navale parmi lesquelles on peut citer :
l’évaluation de l’emploi de l’intelligence artificielle pour l’identification de coefficients de modèle de manœuvrabilité de sous-marin ou pour le pilotage automatique des navires de surface (garde cap et stabilisation en roulis) ;
le développement de méthodes d’expertises numériques et expérimentales de la trajectoire de bulles autour de la coque de navire pour évaluer leur impact par mer formée sur les gondoles de sonar actif ;
des études préliminaires pour évaluer les capacités de la fabrication additive métal et les capacités de la fabrication additive plastique pour la fabrication de maquettes de carènes ;
l’étude de peinture sur hélice à bord d’un bâtiment école de la Marine Nationale avec la mise en place d’un monitoring de couple et de vitesse de ligne d’arbres sur 3 années entre les hélices des deux lignes d’arbres (une hélice revêtue et une hélice non revêtue).
La coopération
La coopération avec le Royaume-Uni (en application du traité de Lancaster House), portant sur le partage de moyens d’essais de DGA TH et de QinetiQ, est toujours active et a donné lieu à des campagnes d’essais de part et d’autre.
DGA TH est impliqué dans divers groupes de recherche internationaux : Cooperative Research Sphip (CRS), Cooperative Research Navies (CRNAV), International Towing Tank Conference (ITTC). La 30ème conférence plénière de l’ITTC a eu lieu à Hobart en Australie fin septembre 2024. Outre les comités historiques (Resistance Committee, Propulsion Committee, Manoeuvring Committee, Seakeeping Committee, Ocean Engineering Committee, Stability in Waves Committee, Full Scale Ship Performance Committee, Cavitation and Noise Committee, Ice Committee) deux nouveaux comités ont été créés : Wind Powered and Wind Assisted Ships Committee et Group on Overlap (en charge des methods hybrides calculs – essais).
Depuis le milieu des années 1990, DGA TH participe aussi au Submarine Hydrodynamic Working Group (SHWG) dont la dernière réunion a eu lieu au bassin du MARIN au Pays-Bas. Ce groupe qui rassemble les principaux acteurs que sont les États-Unis, le Royaume-Uni, l’Australie, le Canada, l’Allemagne et la France a pour objectif de développer des échanges sur les codes numériques de prévisions des performances hydrodynamiques des sous-marins, principalement la manœuvrabilité et la sécurité de la navigation en plongée.
Matériaux et procédés (source : Naval Group/CESMAN)
Aujourd’hui, les travaux de recherche scientifique et technologique sur les matériaux menés dans le domaine du naval de défense sont tirés par des enjeux liés à de nouvelles menaces (ex. lutte champ proche), à de nouvelles conditions d’exploitation des navires (drones, grands fonds), à un besoin grandissant de résilience (risque d’échange de feu et de durabilité à la mer) et au maintien de la posture de dissuasion dans un contexte géopolitique de plus en plus tendu.
Parmi les nouveaux challenges, on trouve l’augmentation continue de la dimension des porteurs et des systèmes embarqués : sous-marins ou porte-avions et notamment de leurs chaufferies nucléaires. Il faut également résoudre l’équation de l’amélioration de la performance couplée à la limitation de l’impact environnemental et humain.
Mais même si on est amené, pour certaines applications particulières de type « drones, grands fonds, discrétion acoustique, lutte contre le fouling… » effectuer des développements spécifiques, l’enjeu n’est pas tant dans la mise au point de nouveaux matériaux et alliages que dans l’efficience de leur mise en œuvre et leur utilisation.
Depuis plusieurs mois, les études ont été menées dans ce contexte général et dynamisées par les deux grands programmes nationaux : le Porte- Avions de Nouvelle Génération (PANG) et le Sous-Marin Nucléaire Lanceurs d’Engins 3ème génération (SNLE3G). On note également des travaux au profit des drones sous-marins et des sous-marins destinés aux clients internationaux. Il s’agit de travaux de recherche collaborative avec un ensemble de partenaires stratégiques académiques ou industriels (ENSTA, Centrale Nantes, IRT Jules Vernes et M2P, EDF, Airbus, Bureau Veritas, Ifremer …)
Des études et expertises ont été réalisées sur 7 domaines scientifiques et technologiques : la Fabrication Additive (FA métal et polymère), les matériaux métalliques, les matériaux non-métalliques, la simulation des procédés, les Contrôles Non Destructifs, la lutte contre la corrosion et le fouling. L’année 2024 a été marquée par des avancées significatives dans tous ces domaines et en particulier :
- sur la compréhension des mécanismes de corrosion de structures complexes soumises à des situations d’immersion-émersion. Ce travail va permettre de mettre au point des nouveaux systèmes de monitoring permettant in fine de fournir des informations sur l’état du navire,
- sur nos connaissances de la sensibilité à l'hydrogène d'alliages de titane pour des applications mixtes nucléaire et circuit eau de mer, permettant ainsi de réduire les risques de non-qualité, de sécurité, de maintenance,
- sur l’influence d'un endommagement initial sur les propriétés de tenue à la fatigue des matériaux composites stratifiés en mettant en œuvre une technique de caractérisation innovante par auto-échauffement afin d’évaluer la durée de vie résiduelle du matériau (travaux menés dans le cadre de la Chaire Self-Heating),
- sur la maîtrise du procédé d’infusion des composites à base de verre dans le cadre du projet MONOCLE (MONitoring des prOcédés Composites par infusion pour la navaLE) sous le pilotage de l’IRT Jules Verne en vue d’une industrialisation en 2025,
- sur notre compréhension des phénomènes impliqués dans la réduction des vibrations des structures creuses remplies de matériaux granulaires et dans la manière de modéliser leurs comportements pour des applications telles que les berceaux, les réducteurs, les pales.
On peut mettre en avant également d’importants travaux en 2024 sur la mise au point et la qualification de nouveaux revêtements de masquage acoustique permettant de garantir aux navires des caractéristiques intrinsèques à sa nature militaire : difficilement détectable, robuste, résilient face à l’environnement comme à l’ennemi et résistant au feu pour la sécurité des chantiers.
Dans le cadre du traitement de l’obsolescence de certaines matières, des travaux ont été engagés, sous pilotage de l’IRT M2P, dans le cadre du projet NEPTUNE (NEwhard chrome Plating Technologies without hexavalent chromium sourcEs), en vue du remplacement du Cr6 (produit CMR touché par la règlementation Européenne REACH).
Le challenge de l’augmentation de la dimension des porteurs a nécessité une attention particulière à la question de la masse embarquée et dynamisé la maîtrise des composites (base carbone) pour se substituer à l’usage habituel des matériaux métalliques, pour les sous-marins, les drones et bientôt également sur bâtiments de surface pour dégager de la masse et créer des espaces pour les censeurs toujours plus nombreux en cohérence avec l’évolution de la menace.
La fabrication additive a franchi une étape stratégique avec le transfert industriel de la technologie WAAM pour le cupro-aluminium, désormais suffisamment maîtrisée pour sortir du périmètre de la R&D, ouvrant la voie de l’industrialisation à d’autres matériaux et procédés dès 2025 : WAAM inox et LPBF inconel.
Enfin, 2024 a été une année riche en travaux de développement dans le domaine de la simulation numérique des procédés de fabrication, d’assemblage et de réparation de structures métalliques mécano-soudées (dont une utilisation anticipée de la méthode des déformations inhérentes pour accéder à une faisabilité industrielle), et également dans la modélisation de la protection cathodique des circuits eau de mer.
Au-delà des travaux habituels d’expertise, un travail important d’accompagnement des fournisseurs a été nécessaire: principalement au niveau des ébauches forgées (en particulier en lien avec les dimensions bien plus importante que celle des programmes précédents) et des produits d’apport de soudage.
Sans être exhaustif, les principales sources de financement des travaux ont été portées en 2024 par la R&D auto financée par Naval Group, les travaux dans le cadre de Projet de Technologie de Défense (PTD) pour le compte DGA, les contrats avec le CEA (principalement dans le domaine des contrôles) et le plan d’investissement d’avenir et France 2030 (pour la Fabrication additive, le composite et la robotique).
Des opportunités offertes par le support aux programmes exports ont également permis de compléter nos travaux par exemple dans les domaines des matériaux composites, du monitoring des structures, de la fabrication additive et de robotisation des procédés.