Propulsion indépendante de l'air

Moteurs Diesel à cycle fermé

- Depuis l'aube de l'ère sous-marine, les bateaux pouvant être propulsés par des moteurs à combustion interne mais ne nécessitant pas, pour les déplacements sous-marins, une alimentation en air extérieur, ont été l'objectif de nombreux concepteurs. Bien avant le lancement du premier sous-marin à propulsion Walter en Allemagne (V 80, en 1940) et l'avènement du premier sous-marin à propulsion par réacteur nucléaire (le USS Nautilus, en 1954), il y a eu, dès le début de la XXe siècle, perspective d'une propulsion à cycle fermé, qui promettait de réaliser le rêve.
- Dans un système à cycle fermé, l'utilisation de carburants et d'oxygène pur est hors de question car le moteur est conçu pour fonctionner en surface à l'aide de l'air ambiant et sous l'eau à l'aide de la technologie à cycle fermé ; en outre, des ballasts doivent être intégrés pour permettre l'exécution de manœuvres en plongée. Le problème principal concerne les gaz d'échappement générés par le moteur, qui sont principalement constitués de monoxyde de carbone (CO), de dioxyde de carbone (CO₂), d'hydrogène (H₂), de vapeur (H₂O), d'azote (N₂) et de traces d'autres hydrocarbures. La majorité du gaz excédentaire, cependant, est constituée de CO₂, qui peut cependant être remplacé par d'autres gaz, comme cela sera expliqué plus loin. L'oxygène requis pour le groupe motopropulseur doit être aussi concentré que possible, afin de garder son petit volume. D'autres possibilités incluent l'oxygène liquide ou gazeux (0₂), le peroxyde d'hydrogène (H₂O₂), le monoxyde d'azote (N₂O), l'acide nitrique (NHO₂) et le tétranitrométhane C(N0₂)₄ ou (CN₄O₈), mais jusqu'à présent, seul l'oxygène a été utilisé avec succès.
- En 1901, le Français George F. Jaubert présente une demande de brevet qui est également déposée en Allemagne la même année. La demande indique que les caractéristiques de cette technique ... sont que le mélange carburant-oxygène est mélangé avec des gaz superflus aspirés d'un épurateur qui a été alimenté par les gaz émanant du cylindre. Jaubert reconnaît rapidement qu'il a été impliqué dans une invention pionnière qui a toute sa place dans la propulsion des sous-marins. En 1905, il dépose une nouvelle demande de brevet : 'Propulsion pour sous-marins, caractérisée par l'utilisation de moteurs à combustion interne à cycle fermé pour la propulsion où, de manière connue, les gaz d'échappement plus ou moins purifiés sont réutilisés pour produire le mélange de combustion après enrichissement en oxygène ou en gaz contenant de l'oxygène'.
- Le 22 Mai 1902, les travaux de construction du sous-marin français Y (Q 37) débutent à Toulon. Lancé le 24 Juillet 1905, le bateau a une longueur de 43,5 m, une largeur de 3 m et un tirant d'eau de 2,8 m, et un déplacement en surface de 213 tonnes. Selon Pesce et Conway, il est équipé d'un moteur diesel de 250 ch pour la propulsion qui fonctionne également pendant que le bateau est en plongée en cycle fermé, offrant une vitesse de 6 nœuds. Malgré le brevet de Jaubert, les progrès de la technologie française à cycle fermé sont lents et généralement infructueux ; en effet, on ne sait pas si le sous-marin Y a déjà navigué en plongée avec son moteur diesel. Quoi qu'il en soit, le bateau ne réussit pas à terminer ses essais et la technologie n'est pas adoptée. Son intention de reconstruction avec un moteur électrique supplémentaire pour la propulsion en plongée est abandonnée à la fin de 1907, et en Mai 1909, le sous-marin lui-même est rayé des listes.
- En 1904, la classe de sous-marins français Guêpe semble prometteuse pour l'avenir. Dix bateaux sont prévus, 20,5 m de long, 2,1 m de large et déplaçant 45 tonnes en surface. La propulsion diesel permettrait à l'engin d'atteindre une vitesse de 9 nœuds en plongée en utilisant un fonctionnement en cycle fermé, à une puissance de 240 ch. Seuls deux de sous-marins de cette classe la Guêpe 1 (Q-49) et la Guêpe 2 (Q-50) sont mis en chantier (à Cherbourg), et la construction est arrêtée en Mars 1908.
- La référence suivante au fonctionnement en cycle fermé se trouve dans une lettre du professeur M. Seruys qui n'est pas datée mais a été composée vers 1914. Il écrit :
    - C'est en 1913 que la firme Sautter-Harlé réalise sous la direction de l'Ingénieur Wisler le premier moteur Diesel pour sous-marins à circuit fermé appliquant le system Jaubert a l'injection d'oxygène...[En 1914 la société Sautter-Harlé, sous la direction de l'ingénieur Wilser, produit le premier moteur diesel à cycle fermé pour sous-marins selon le système Jaubert d'injection d'oxygène ... ]
- Dans les listes de navires de la marine française, cependant, aucun sous-marin de ce type n'est trouvé.
- Les développements en Allemagne se déroulent à peu près simultanément. À Cologne, Paul Winand définit un brevet le 17 Novembre 1903 concernant la 'Procédure de fonctionnement des moteurs à combustion interne pour sous-marins et torpilles, caractérisée par le prélèvement de l'oxygène nécessaire à la combustion à partir de ... du dioxyde d'azote'. Winand obtient un brevet en 1905, selon la spécification pour laquelle 'les moteurs à deux temps sont particulièrement avantageux lorsque des moteurs à combustion interne sont installés dans des sous-marins'.
- Gasmotoren-Fabrik Deutz passe un contrat avec Winand en 1905 concernant le développement de ses futurs brevets, et deux ans plus tard signe un accord avec l'Inspektion des Torpedowesens concernant la construction d'un 'appareil de réduction pour N0₂ ou C(N0₂)₄ et un moteur Diesel qui est censé produire au moins 300 ch en dix heures de fonctionnement continu à 400 tr/min tout en étant complètement scellé de l'atmosphère extérieure. Cependant, bien que cet appareil ait été produit, aucun autre succès n'a été obtenu en ce qui concerne le contrat.
- Le 01 Mars 1918, Oberst van Erckelenz, le 'représentant spécial autorisé' de Gasmotoren-Fabrik Deutz, a une conversation avec le Korvettenkapitän Arno Spindler du Reichsmarineamt (Office naval impérial), dont il fait rapport à Cologne le lendemain. Spindler dit de cette conversation que
   ... la dernière discussion entre GFD et l'U-Boot-Inspektion à Kiel ... eut lieu en Juillet 1914 après que les derniers essais avec l'appareil eurent un résultat défavorable ... L'U-Boot-Inspektion avait exprimé son souhait que il convient d'abord de préciser si les tests doivent être recommencés à partir de zéro ou s'ils doivent être considérés comme complètement terminés. Entre-temps, la guerre a éclaté et une décision sur cette question n'a pas encore été prise.

- Au cours de la conversation, Spindler souligne l'intérêt sous-jacent du Reichsmarineamt pour un moteur standardisé pour les sous-marins et laisse à GFD le soin de poursuivre les travaux si les chances de succès semblent bonnes - mais, 'bien sûr, le plan ne peut être abordé des deux côtés qu'après la guerre'. Les tests n'ont jamais été repris.
- À cette époque, d'autres entreprises travaillent également sur des moteurs diesel à cycle fermé pour les sous-marins. En 1905, MAN Augsburg met un moteur diesel à la disposition de la société Linde de Munich, sur lequel le professeur von Linde effectue des recherches en utilisant un mélange 50/50 d'oxygène et d'azote. Il fait part du succès de ses essais à la Torpedoinspektion, qui lui répond par écrit le 19 Juillet 1905 : Ces données ... sont très intéressantes et prometteuses pour l'utilisation de moteurs à dioxyde de carbone au lieu d'accumulateurs sur les sous-marins en plongée.
- On ne peut pas confirmer si Germaniawerft à Kiel a également étudié la technologie à cycle fermé, bien qu'on puisse supposer qu'ils l'ont fait. En 1913, par exemple, le Marinbaurat (conseiller en construction navale) Berling, responsable de la construction de sous-marins à Germaniawerft depuis 1904, compare les techniques des systèmes de propulsion sous-marine des sous-marins tels qu'on les appelait alors : batteries au plomb et moteurs électriques ; air comprimé (à une pression de 200 atm); chaudières et moteurs à vapeur au sodium; et les moteurs diesel fonctionnant dans un système à cycle fermé.
- Berling base ses calculs sur un sous-marin qui maintient un volume et un déplacement constants (84 m³ et 59 tonnes), et propose les gammes suivantes pour les différents systèmes de propulsion sous-marins :

- Les systèmes à cycle fermé offrent ainsi huit à dix fois plus d'autonomie que les trois autres.
- Berling calcule également les chiffres relatifs d'endurance sous-marine, en supposant une vitesse de 8 nœuds, et a suggéré une supériorité similaire :

- On peut raisonnablement supposer qu'en raison des résultats présentés par Berling en 1913 et de l'essai qui a lieu pendant la Première Guerre mondiale, de bons progrès dans cette technologie sont réalisés, mais en fait ce n'est qu'en 1927 que le Torpedoversuchsanstalt en Eckernförde passe la commande directement liée aux recherches entreprises, et c'est auprès de la Versuchsanstalt für Kraftfahrzeuge der Technischen Hochschule in Berlin pour le développement d'une torpille longue portée à propulsion à cycle fermé. Le moteur qui en résulte, qui utilise du benzène comme carburant, développe une puissance de 230 ch en 1932. Cependant, avec l'émigration du directeur de la Versuchsanstalt, le Dr Kaufmann, en 1933, le travail s'arrête. En 1937, l'OKM a conclu un nouveau contrat avec la société Junkers à Dessau pour le développement d'une torpille à cycle fermé, mais les travaux sur ce projet sont également interrompus avant le déclenchement de la guerre.
- Le 01 Décembre 1940, le Dr H. Drager, de Lübeck, passe une commande de développement d'un moteur diesel à cycle fermé au Forschungsinstitut für Kraftfahrzeugwesen und Fahrzeugmotoren der Technischen Hochschule in Stuttgart (FKFS), à titre d'initiative privée mais certainement aussi en vue aux intérêts commerciaux de son entreprise. FKFS travaille sur le projet pendant trois ans, et en Janvier 1944, il présente son rapport final. Comme on peut le voir dans le rapport, l'OKM a hésité pendant un certain temps en plaçant un ordre de développement, en l'annulant, en offrant à nouveau un soutien à FKFS, puis en se retirant, et ainsi de suite. En Mai 1943, cependant, l'OKM manifeste un intérêt plus positif au moment même où le Wende (tournant) de la guerre des U-Boote démontre que les sous-marins conventionnels ont atteint la limite de leur potentiel. Dans le même temps, les travaux de FKFS sont menés à bonne fin. Le 18 Décembre 1943, OKM/K II, en la personne de l'amiral Fuchs, écrit à la commission de construction navale en proposant un sous-marin d'essai équipé d'un système à cycle fermé :
    L'examen des tests supplémentaires du système à cycle fermé à bord a montré que votre proposition V 80 ne peut pas être réalisée car le compartimentage est beaucoup trop restreint. Je suggère donc, à cette fin, l'utilisation d'un des sous-marins de type XVII actuellement hors service à Germaniawerft. L'étude a montré que cette coque -qui est disponible complète- sera bien adaptée pour tester à bord la technique du cycle fermé. L'U-Boot n'est pas destiné à être équipé pour la ligne de front mais uniquement comme véhicule d'essai flottant capable de naviguer et de plonger, avec tout l'équipement technique et nautique nécessaire mais pas d'armes.

- Au début, tout va vite. Le 21 Décembre 1943, l'OKM reçoit des commandes préalables verbales à Germaniawerft pour le sous-marin d'essai, à Daimler-Benz pour les moteurs MB 501 et à FKFS pour le système à cycle fermé. Le 12 Février de l'année suivante, une commande ferme est passée à Germaniawerft pour l'U-798 (numéro de constructeur G 787), et le 23 Février 1944 les travaux commencent sérieusement. Le 06 Juin 1944, Daimler-Benz présente l'installation du moteur en mode cycle fermé aux représentants de l'OKM, et le 15 Juin, l'U-798 subit des tests de pression. Malheureusement, à partir de cette date, le projet s'évanouit lentement, l'OKM fixant d'autres priorités pour Germaniawerft. Lorsque, le 06 Décembre 1944, on s'aperçoit que près de 100 000 heures de travail supplémentaires sont nécessaires pour l'achèvement de l'U-798, le travail s'arrête complètement. Le 15 Février 1945, le sous-marin est retiré de son poste d'amarrage et en Mai, il est détruit par les bombardements.
- On se souviendra qu'en 1913, Berling avait, à la suite de ses calculs, estimé les portées sous-marines suivantes pour les sous-marins naviguant à une vitesse de 8 nœuds :
    Alimenté par des batteries au plomb et un moteur électrique : 28 nautiques.
    Propulsé par un moteur diesel à cycle fermé : 214 nautiques.
- Le sous-marin le plus répandu de la Seconde Guerre mondiale était le Type VII C, qui, à sa vitesse sous-marine maximale de 7,6 nœuds, avait une autonomie d'environ 22 nautiques.
- Après la guerre, il y a en Norvège des plans provisoires pour convertir le sous-marin Knerter (l'ancien U-4706) en un bateau à cycle fermé. Apparemment, il n'y a pas eu de succès, car les travaux sont interrompus en 1953. En Suède, cependant, des tests réussis sont menés avec un moteur diesel huit cylindres de 1 500 ch utilisant de l'oxygène liquide. Les plans de conversion de six sous-marins de classe U-1 (U-4 à U-9) lancés en 1943-44 en opération à cycle fermé sont annulés après l'inspection des bateaux, et ils sont réintégrés dans la flotte en tant que bateaux de classe Abboren conventionnels - un changement d'avis apparemment provoquée par les perspectives prometteuses offertes par le moteur Stirling (Wikipedia).

Sources : - "THE ENCYCLOPEDIA OF U-Boats From 1904 to the Present" de Eberhard Möller & Werner Brack chez Geenhill Books
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