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Introduction à la propulsion électrique des véhicules sous-marins
La conception de systèmes de propulsion électrique pour les véhicules sous-marins à haute performance exige un équilibre précis de puissance, d'efficacité et de fiabilité dans l'un des environnements les plus impitoyables du monde. Contrairement aux navires de surface, les véhicules sous-marins doivent fonctionner sous une pression hydrostatique immense, dans l'eau salée corrosive et souvent avec une capacité limitée de réapprovisionner l'énergie en milieu de mission. La propulsion électrique est devenue la solution dominante pour les plates-formes sous-marines modernes et les mdash; elle s'étend des petits explorateurs autonomes aux grands sous-marins et les mdash habités; en raison de son fonctionnement silencieux, de son couple élevé à basse vitesse et de sa densité énergétique de plus en plus compétitive par rapport aux systèmes traditionnels de combustion interne ou hydraulique.
Le changement vers la propulsion électrique est entraîné par des avancées rapides dans les chimies de batterie, la technologie de moteur à aimant permanent et les systèmes de commande numérique. Les ingénieurs conçoivent maintenant systématiquement des unités de propulsion qui peuvent fournir une puissance maximale en courtes périodes pour une manœuvre rapide tout en maintenant une excellente efficacité de croisière pour une endurance prolongée.
Composantes essentielles des systèmes de propulsion électrique
Chaque système de propulsion électrique pour véhicules sous-marins est constitué de trois sous-systèmes principaux : le moteur, la source d'énergie et l'électronique de commande.
Moteurs électriques: poussée et efficacité
Pour les véhicules sous-marins, les topologies les plus courantes sont les moteurs sans brosse DC (BLDC) et les moteurs synchrones permanents à aimants (PMSM). Ces conceptions offrent une haute densité de puissance, une excellente efficacité de charge partielle et un entretien minimal parce qu'elles manquent de pinceaux qui portent et produisent des débris. Les moteurs à haute vitesse à faible vitesse sont préférés pour les configurations de conduite directe, éliminant le besoin de réduction des engrenages qui introduisent des pertes mécaniques et du bruit.
Les innovations récentes comprennent l'utilisation de [[[[[]][[[]][[]][[]][]][][[]][[]][[]][]][][[]][[]][][][][][][][][][]][][][][][]][][]][][][]][]][][]][]][]][][]][][][]][][][][]][][][]][]][][][][][][]][]][]][][]][]][]][][]][]][][][][]
Sources d'énergie : Batteries et au-delà
Les batteries au lithium-ion sont la source d'énergie standard pour la plupart des véhicules électriques sous-marins. Leur haute densité énergétique (habituellement 150 à 250 Wh/kg au niveau du pack) permet des durées de mission pratiques de 12 à 48 heures pour les véhicules à moteur à allumage commandé de taille moyenne. Phosphate de fer au lithium (LFP) et ]Les chimies au nickel-argent (NMC) sont couramment utilisées, avec des LFP offrant une meilleure stabilité thermique et des CMN offrant une énergie spécifique plus élevée.
Les nouvelles technologies de stockage de l'énergie, telles que lithium-sulfur et piles à l'état solide[, promettent de doubler ou tripler la densité d'énergie utilisable. Parallèlement, la recherche sur piles à combustible hydrogène[ pour les véhicules sous-marins gagne en traction, en particulier pour les grandes plates-formes sans pilote et habitées qui ont besoin de persistance multi-jours.
Systèmes de contrôle: Précision et optimisation
Les systèmes modernes de contrôle de la propulsion vont bien au-delà de la simple régulation de la vitesse. Ils intègrent des algorithmes de contrôle orienté champ (FOC)[ pour obtenir un contrôle précis du couple et de la vitesse avec un faible ondulation. Les contrôleurs avancés gèrent également le flux d'énergie entre la batterie, le moteur et les charges embarquées, souvent en utilisant le contrôle prédictif du modèle (MPC)[ ou une logique floue[ pour optimiser l'efficacité dans des conditions de charge variables.
De nombreux véhicules à haute performance utilisent maintenant des architectures de propulsion distribuées, où plusieurs propulseurs sont commandés individuellement pour permettre le mouvement holonomique et mdash;surge, emprise, hache, lacet, tangage et roll—sans exiger de gouvernails ou de plans de plongée.Cette approche améliore la maniabilité dans des environnements sous-marins complexes tels que les récifs coralliens, les structures submergées ou les ports encombrés.
Principales considérations de conception
La mise au point d'un système de propulsion électrique efficace exige un équilibre entre les objectifs concurrents.
Densité énergétique et gestion de l'énergie
Le volume fini d'une coque de véhicule impose une limite stricte à la capacité de la batterie. Les concepteurs doivent faire un commerce attentif entre la taille de la batterie, la masse de charge utile et la flottabilité. Les cellules à haute énergie ont souvent une alimentation de pointe plus faible, tant de systèmes intègrent ultracondensateurs ou supercondensateurs[ pour gérer de courtes surtensions pendant l'accélération ou l'évitement des obstacles.
La gestion thermique des batteries est également primordiale. Sous des débits élevés, les piles lithium-ion génèrent de la chaleur qui, si elles ne se dissipent pas, peut conduire à un vieillissement accéléré ou à une fuite thermique. ]Les boucles de refroidissement liquides[ utilisant des réfrigérants d'eau de mer ou diélectriques sont souvent intégrés directement dans l'enceinte de la batterie, en particulier pour les véhicules à plongée profonde où l'eau ambiante est froide et fournit un enfoncement thermique naturel.
Efficacité hydrodynamique
La forme des conduits de la coque et du propulseur affecte de façon considérable la puissance nécessaire pour se déplacer dans l'eau. La séparation du débit des turbulences[ autour des appendices peut gaspiller jusqu'à 30 % de l'énergie propulsive.Les concepteurs utilisent la dynamique du fluide de computation (CFD)[ pour optimiser les formes de coques pour les buses de la faible traînée et pour former les pousseurs pour une poussée maximale par unité de puissance d'entrée. Propulseurs à entraînement rapide[, où le rotor du moteur est intégré dans les parois du conduit, éliminer le moyeu et réduire la turbulence de sillage, améliorant l'efficacité de 10 à 15 % par rapport aux hélices à conduits classiques.
Pour les véhicules qui doivent fonctionner à basse et à haute vitesse, des hélices à pas variables ou des lames à pas contrôlables permettent au système de propulsion de maintenir une efficacité optimale sur une large plage de vitesse. Cependant, ces mécanismes ajoutent complexité et points de défaillance potentiels, tant de concepteurs préfèrent la conduite électrique avec des moteurs à vitesse variable pour la simplicité.
Résistance à la corrosion et résistance au matériau
Les composants sous-marins doivent résister à une exposition constante à l'eau de mer et au mdash; un électrolyte extrêmement agressif.Les aciers inoxydables (surtout les nuances 316L et duplex), [TITANium alliages, et le bronze nickel-aluminium[ sont des étalons pour les arbres, les boîtiers et les hélices.
Les joints et les pénétrations sont une autre vulnérabilité majeure. Les joints de lip, les joints mécaniques de la face[, et les couplages magnétiques[ sont utilisés pour isoler les intérieurs du moteur de l'eau de mer. Les couplages magnétiques permettent la transmission du couple à travers une paroi scellée sans pénétration d'arbre tournant, éliminant la voie de fuite primaire.
Gestion thermique
Dans les véhicules sous-marins, l'eau environnante fournit un excellent dissipateur de chaleur, mais le chemin de transfert de chaleur doit être conçu avec soin. Les plaques froides refroidies par l'eau montées sur des boîtiers et des modules de puissance sont courantes. Pour des conditions extrêmes en mer profonde (pressions supérieures à 1000 bar), certains systèmes utilisent des boîtiers remplis d'huile et de pression où les composants sont immergés dans de l'huile diélectrique qui égalise la pression et conduit la chaleur à la paroi du boîtier.
Réduction du bruit et de la signature acoustique
Pour des applications militaires et scientifiques, la furtivité acoustique est critique. Les moteurs électriques produisent intrinsèquement moins de bruit que les moteurs à combustion interne, mais ils génèrent encore des vibrations à partir des forces électromagnétiques, de la rotation des roulements et de la cavitation. Les concepteurs utilisent des aimants décalés, des profils d'engrenages hélicoïdaux[ (si des rapports sont utilisés), et des technologies avancées de roulement (porteurs magnétiques ou paliers lubrifiés par l'eau) pour minimiser le bruit mécanique. Des techniques actives d'annulation du bruit[, où le système de commande injecte des vibrations en contre-phase, sont également explorées pour les systèmes de prochaine génération.
Progrès technologiques
Ces dernières années, plusieurs innovations ont été mises en place pour repousser les limites de la propulsion électrique sous-marine.
Moteurs à aimant permanent à haute efficacité
L'utilisation d'aimants rare-terre[ (neodymium-fer-boron ou samarium-cobalt) a permis aux moteurs dont la densité de couple dépasse 20 Nm/kg. nouveau -à ventilage fractionnel concentré (FSCW) de réduire les pertes de cuivre et d'améliorer la tolérance aux défauts.
Une étude de 2020 publiée dans IEEE Transactions on Transportation Electrification a démontré un moteur sous-marin de 50 kW avec une densité de puissance gravimétrique de 3,5 kW/kg, bien supérieure aux conceptions conventionnelles.Cette classe de moteurs permet aux petits véhicules aériens de transporter plus de capteurs ou de batteries pour le même volume.
Chimisteries de piles avancées
Tandis que les piles lithium-ion demeurent dominantes, les batteries de nouvelle génération entrent dans les phases prototypes. Les piles lithium-sulfure offrent une densité d'énergie théorique de 500 Wh/kg, avec des paquets pratiques atteignant maintenant 350 Wh/kg. Elles sont plus légères et utilisent des matériaux moins toxiques, mais la durée de vie du cycle demeure un défi (généralement 100 à 200 cycles). Les piles à l'état solide avec des anodes lithium-métal promettent jusqu'à 450 Wh/kg avec une sécurité améliorée et une durée de vie plus longue.
Algorithmes de contrôle intelligents
L'apprentissage automatique transforme le contrôle de la propulsion. Les agents d'apprentissage de la force peuvent apprendre à répartir la vitesse et la puissance de plusieurs propulseurs en temps réel, en s'adaptant à l'évolution de l'hydrodynamique et aux priorités de mission.Ces systèmes peuvent également prédire les défaillances des composants en analysant les spectres de vibration et les signatures actuelles, ce qui permet une maintenance prédictive. Les technologies numériques à double fonction permettent aux opérateurs de simuler les performances de propulsion dans différentes conditions et d'optimiser les paramètres de contrôle avant le déploiement.
Dynamique des fluides informatiques dans le design
Les simulations à haute fidélité peuvent modéliser l'interaction entre la coque du véhicule, les conduits de propulseur et les sillages d'hélices, ce qui permet aux ingénieurs de réduire la traînée et d'améliorer l'efficacité de la poussée avant de construire un prototype.La simulation multiphysique combinant les analyses de dynamique électromagnétique, thermique et fluide aide à optimiser la géométrie du moteur pour les performances électromagnétiques et le refroidissement.
Applications dans le domaine sous-marin
La propulsion électrique permet de nouvelles missions et de nouvelles capacités dans l'ensemble du spectre des véhicules sous-marins.
Véhicules autonomes sous-marins (AUV)
Les véhicules à moteur électrique à batterie sont entièrement équipés pour les missions d'observation, d'inspection et de science. Woods Hole Oceanographic Institution a été le pionnier des véhicules à moteur à longue durée d'utilisation comme les véhicules REMUS et Sentry, qui utilisent des batteries au lithium-ion et des moteurs sans brosse efficaces pour réaliser des missions de 20 heures à des profondeurs de 6 000 mètres.
Véhicules téléguidés
Les propulseurs électriques de classe Work exigent des propulseurs électriques puissants pour manipuler les équipements lourds et maintenir la position dans les courants.Les propulseurs hydrauliques dominent traditionnellement ce domaine, mais les propulseurs électriques tout électrique sont maintenant en train de se développer, entraînés par des améliorations de la technologie des moteurs et des batteries.
Submersibles à équipages et navires militaires
Les sous-marins à équipages, comme les sous-marins de recherche et les sous-marins d'attaque militaire, utilisent de plus en plus la propulsion électrique comme moteur principal. La propulsion indépendante de l'air (AIP)] Les systèmes pour sous-marins conventionnels associent souvent un générateur diesel pour l'exploitation en surface et en plongée avec une grande batterie pour la conduite sous-marine silencieuse.Les sous-marins tout électriques avec piles à combustible ou batteries de pointe sont en cours de développement dans plusieurs pays.
Orientations futures et tendances émergentes
La prochaine décennie apportera de profonds changements à la technologie de propulsion électrique sous-marine.
Stockage d'énergie de prochaine génération
Au-delà des piles, les piles à hydrogène[ avec stockage d'hydrogène à l'état solide (p. ex., les hydrures métalliques) pourraient fournir des densités d'énergie trois à cinq fois plus élevées que celles de l'ion lithium tout en éliminant le besoin de réservoirs d'hydrogène comprimé encombrants. Plusieurs groupes de recherche étudient les piles à combustible à base d'ammonium qui crackent l'ammoniac dans l'hydrogène et l'azote, offrant un combustible liquide sûr à haute densité d'énergie. Le stockage d'énergie supraconducteur pour la puissance d'éclatement dans les applications militaires est également étudié, bien que les exigences cryogéniques demeurent difficiles.
Charges sans fil sous-marines
Les stations d'amarrage montées sur le fond marin ou sur des bouées de recharge sous-marines peuvent transférer des kilowatts de puissance à travers de petites brèches. Les systèmes avancés utilisent un couplage inductif résonant avec alignement automatique et détection d'objets étrangers.Le Laboratoire de recherche Naval a démontré un prototype capable de charger un VMA à 90 % d'efficacité sur un arrêt de 5 cm.
Propulsion complète d'autonomie et de swarm
À mesure que les systèmes autonomes deviennent plus capables, les systèmes de propulsion devront s'adapter aux comportements coopératifs. La propulsion chaude implique des groupes de petits véhicules qui coordonnent leurs mouvements pour réaliser des tâches telles que la cartographie à grande surface ou la recherche de grille. Chaque contrôleur de propulsion doit répondre aux commandes dynamiques du coordonnateur de l'essaim tout en conservant l'énergie.
Conclusion
Les progrès dans les moteurs, les batteries et les systèmes de contrôle continuent de repousser les limites de la capacité d'endurance, de vitesse et de profondeur. Les concepteurs doivent naviguer sur un réseau complexe de compromis impliquant la densité énergétique, l'hydrodynamique, la science des matériaux et l'acoustique pour créer des systèmes qui peuvent fonctionner de façon fiable dans les grands océans. Avec les technologies émergentes telles que les piles à combustible, les piles à combustible, la recharge sans fil et le contrôle intelligent, l'avenir de la propulsion électrique sous-marine promet des capacités encore plus grandes et mdash; missions inimaginables il y a dix ans.