Les véhicules sous-marins autonomes (UVA) sont devenus des plates-formes indispensables pour la recherche océanographique, l'inspection des infrastructures énergétiques en mer, les opérations navales et la surveillance de l'environnement. L'efficacité de toute mission de VA, qu'il s'agisse de la surveillance d'un évent hydrothermal en mer profonde ou de la cartographie d'un écosystème côtier peu profond, dépend de façon critique de la capacité du véhicule à se déplacer avec précision, endurance et furtivité.

Principes fondamentaux de la propulsion des véhicules utilitaires légers

Les propulseurs convertissent l'énergie électrique ou hydraulique en poussée mécanique en accélérant une masse d'eau. La force de réaction propulse le véhicule vers l'avant, vers l'arrière ou dans toute direction souhaitée. Contrairement aux hélices utilisées dans les navires de surface, les propulseurs AUV doivent fonctionner dans un environnement haute pression, corrosif et souvent peu vissible. Ils sont également confrontés à des contraintes uniques : une puissance à bord limitée, des budgets sonores stricts et la nécessité d'une fiabilité extrême sur de longues missions qui peuvent durer des jours ou des semaines.

La physique fondamentale de la performance du propulseur est régie par le principe de l'impulsion : la poussée équivaut au débit massique de l'eau multiplié par le changement de vitesse. Cependant, l'efficacité réelle est influencée par des facteurs tels que la conception de la pale d'hélice, la géométrie du conduit, l'efficacité du moteur et la présence de cavitation.

Les propulseurs sont généralement jumelés avec des ailettes de commande ou des propulseurs verticaux/latérals distincts pour assurer un mouvement de six degrés de liberté (6-DOF). Le choix entre utiliser uniquement des propulseurs pour la commande complète 6-DOF par rapport à combiner des propulseurs avec des surfaces de commande dépend du profil de la mission : les AUVs de levé reposent souvent sur des ailettes pour une croisière horizontale efficace, tandis que les AUV de vol stationnaire (comme ceux utilisés pour l'entretien de la station ou l'inspection étroite) nécessitent plusieurs propulseurs pour le contrôle indépendant de la surtension, de la balance, de la houle, du roulis, du pas et de la lacet.

Types de thrusters utilisés dans les UV modernes

Une large gamme de propulseurs a été développée pour répondre aux diverses exigences des missions AUV. Les principales catégories sont les propulseurs azimuts, propulseurs fixes, propulseurs vectoriels, propulseurs à jante, jets de pompe et propulseurs tunnel. Chaque type offre des avantages distincts en termes de maniabilité, d'efficacité, de bruit et de complexité mécanique.

Thrusters d'azimut

Les propulseurs azimuts (aussi appelés propulseurs rotatifs ou orientables) peuvent tourner à 360° autour d'un axe vertical, éliminant ainsi la nécessité de gouvernails ou d'ailettes de direction séparés. Cette conception offre une maniabilité exceptionnelle à basse vitesse et permet à un VMA de changer rapidement de direction sans modifier la poussée vers l'avant. Les propulseurs azimuts sont courants dans les VAR de classe de travail et dans certains VMA plus grands, où un positionnement précis est requis. La complexité mécanique des joints rotatifs et des ensembles de moteurs peut augmenter le poids et les exigences d'entretien, mais pour les véhicules fonctionnant dans des courants forts ou des espaces confinés, le rendement d'agilité vaut souvent le compromis. Les propulseurs azimuts modernes intègrent des moteurs électriques à haute torque et des boîtes de vitesses compactes pour réduire la taille de l'enveloppe tout en maintenant la fiabilité.

Thrusters fixes

Les propulseurs fixes sont montés en orientation constante, généralement le long des axes longitudinal ou transversal du véhicule. Ils sont le type de propulseur le plus simple et le plus robuste, avec moins de pièces mobiles et un coût de fabrication plus faible. Les propulseurs fixes sont suffisants pour les VA qui fonctionnent en mode «à travers» en utilisant des ailettes de commande pour la direction. Toutefois, ils offrent une capacité limitée de maintenir la position contre un courant ou d'exécuter des mouvements verticaux sans propulseurs supplémentaires.

Thrustères vectorielles

Les propulseurs vectoriaux sont une variante spécialisée qui peut basculer ou pivoter leur axe de poussée dans deux directions (souvent en hauteur et en lacet), donnant au véhicule un haut degré de contrôle sans avoir besoin d'unités de propulseurs séparées. Cette conception est populaire sur les VAV en vol stationnaire et les plates-formes hybrides ROV/AUV. En vectorisant la poussée, le véhicule peut découpler le mouvement de l'orientation du corps, permettant une collecte stable de données même sur les pentes ou dans les flux turbulents.

Thrusters à rum-Driven

Les propulseurs à hélice (aussi appelés propulseurs sans moyeu ou moteur enrim) abritent le rotor moteur dans la jante extérieure de l'hélice, éliminant ainsi le moyeu central et l'arbre. Cette configuration permet une plus grande surface de conduit et réduit la signature acoustique parce que l'arbre et les roulements sont enlevés. Sans un joint d'arbre qui pénètre la coque sous pression, les propulseurs à hélice peuvent obtenir une plus grande profondeur et un entretien plus faible. Ils sont intrinsèquement plus silencieux que les propulseurs conventionnels, ce qui les rend adaptés aux contre-mesures des mines navales et aux études de biologie marine où l'évitement du bruit est primordial.

Pousseurs à pompe

Les propulseurs à jet de pompe utilisent un propulseur fermé à l'intérieur d'un conduit qui accélère l'eau par une buse, plutôt que par une hélice ouverte. Le conduit améliore la poussée à basse vitesse et réduit la cavitation, ce qui est bénéfique pour les VA qui nécessitent une poussée à haute pression pour la station ou la manœuvre dans les courants. Les VA sont couramment utilisés dans les véhicules sous-marins à grande vitesse et les torpilles, mais leurs pertes de poids et de viscosité à des vitesses plus élevées les rendent moins fréquents en endurance.

Thrusters dans les tunnels

Les propulseurs à tunnel sont des propulseurs transversaux montés dans un tube qui traverse la coque du véhicule. Ils fournissent une poussée latérale pour se déplacer latéralement ou pour la commande de cap à vitesse zéro avant. Les propulseurs à tunnel sont généralement à axe fixe et sont utilisés en paires pour obtenir un mouvement de glissement contrôlé. Ils sont relativement simples mais nécessitent une pénétration de la coque et peuvent être une source de traînée lorsqu'ils ne sont pas utilisés.

Considérations de conception pour les thrusters AUV

La sélection des matériaux est critique; l'eau de mer est très corrosive et la biosoudure peut dégrader les performances au fil des semaines.Les matériaux communs comprennent l'acier inoxydable de qualité marine (316L ou duplex), les alliages de titane (Ti-6Al-4V), le bronze en aluminium, les plastiques à haute performance (PEEK, Torlon) et les composites.Les enroulements de stator moteur doivent être isolés contre l'humidité, et les aimants rotor doivent résister à la démagnétisation au cours des cycles de température.

La compensation de la pression est un autre facteur clé. De nombreux propulseurs utilisent des boîtiers remplis d'huile et à compensation de pression pour s'assurer que les pressions internes sont égales à la pression hydrostatique externe, empêchant ainsi la rupture du joint à la profondeur.

L'optimisation de l'efficacité consiste à calculer le pas idéal de la lame, le nombre de lames, la forme du conduit et le dégagement de la pointe. La dynamique des fluides informatiques (CFD) est maintenant la norme pour la conception de la gaine de propulseur et de la géométrie de la lame. Le moteur lui-même devrait fonctionner à son point de pointe dans la plage de vitesse prévue; les moteurs DC sans brosse (BLDC) sont la norme de l'industrie en raison de leur grande efficacité et de leur longue durée de vie.

Impact des thrusters sur la performance des VA

Manutention et contrôle

Les VA équipés de propulseurs à vecteurs multiples ou azimuts peuvent exécuter des manœuvres dynamiques telles que des montées verticales, des traductions latérales et des virages ponctuels – capacités essentielles pour inspecter les structures sous-marines, naviguer dans des espaces confinés ou maintenir une formation précise avec d'autres véhicules. Par exemple, un arrangement à trois tours (deux propulseurs azimut arrière et un propulseur vertical de tunnel) peut fournir un contrôle complet 6-DOF avec seulement trois actionneurs. La capacité de maintenir une position et une profondeur stables malgré les courants croisés permet aux VA de surveiller les VA pour maintenir des profils de couverture et une qualité de données uniformes.

Efficacité énergétique et durée de la mission

Même une amélioration de 5% de l'efficacité de la propulsion peut se traduire par des heures de temps de mission supplémentaires. Les conceptions modernes de propulseurs permettent d'obtenir des performances globales du système de propulsion (moteur + entraînement + hélice) de 55 à 70 %, comparativement à des conceptions plus anciennes qui ont du mal à atteindre 45 %. Des facteurs tels que l'utilisation de rotors légers, de moteurs à couple à faible régime et de profils de gain de gain avancés contribuent à ces gains. Les propulseurs à entraînement à inclinaison, bien qu'ils soient légèrement moins efficaces dans l'hélice elle-même en raison de la traînée de jante, peuvent réduire les pertes du système en éliminant les roulements et les boîtes de vitesses des arbres.

Signature acoustique et vol

Les sources de bruit comprennent les tons électromagnétiques moteurs, les harmoniques à hélices, le bruit de roulement et les bulles de cavitation. Les ingénieurs atténuent ces sources avec des conceptions de lames asymétriques, une commande de moteur précise (communications sinusoïdales) et des supports d'isolement des vibrations. Les propulseurs à hélices sont particulièrement attrayants pour les opérations silencieuses parce qu'ils ne disposent pas d'un train de biseau et n'ont pas de contact avec l'arbre à l'intérieur de la coque. Le plancher à faible bruit permet une meilleure performance sonar et réduit les chances de détection.

Systèmes de contrôle et intégration Thruster

Les VA modernes utilisent une architecture distribuée : un ordinateur central de guidage, de navigation et de commande (GNC) calcule les forces et les moments souhaités, qui sont ensuite attribués à chaque propulseur par l'intermédiaire d'un algorithme d'allocation de propulseur. L'algorithme doit tenir compte des limitations du propulseur (propulseur maximal, temps de réponse, interactions mutuelles) et éventuellement de la redondance. Par exemple, si un propulseur échoue, le système de commande peut redistribuer les commandes de poussée pour maintenir la mission ou au moins tenter une montée en sécurité.

Les systèmes de positionnement dynamique (DP) qui fonctionnent uniquement sur les propulseurs (pas de nageoires) sont plus courants sur les VA en vol stationnaire. Ces systèmes utilisent la rétroaction des capteurs (par exemple, log de vitesse Doppler, navigation par inertie, positionnement acoustique) pour maintenir la position contre les perturbations. La dynamique des propulseurs (temps de montée, dépassement, saturation) doit être bien caractérisée pour éviter les oscillations ou l'instabilité.

Les innovations futures dans la technologie Thruster

La prochaine génération de propulseurs AUV est façonnée par les progrès dans les matériaux, la fabrication et la conception bio-inspirée.Les propulseurs biométiques inspirés par les nageoires pectorales de poisson, les crevettes mantis ou les méduses font l'objet de recherches actives.Ces conceptions peuvent obtenir des manœuvres silencieuses, à haute efficacité et même la récupération d'énergie des courants océaniques.

La fabrication additive (3D) permet la fabrication de géométries complexes de conduits et de lames impossibles à réaliser avec l'usinage classique. L'impression métallique (fusion de lit de poudre laser) peut produire des lames en titane ou en aluminium-bronze avec des canaux de refroidissement internes ou des structures optimisées de réseau qui réduisent le poids sans sacrifier la force.

Les propulseurs de récolte d'énergie qui se doublent en turbines pour recharger les batteries pendant que les VAB dérivent dans un courant sont un concept émergent.En intégrant un mode générateur, un propulseur peut agir comme une turbine hydrocinétique à basse vitesse, prolongeant l'endurance de la mission dans les régions actuelles persistantes.

Les moteurs électriques supraconducteurs pour propulseurs offrent le potentiel de densité de puissance extrêmement élevée et de pertes électriques quasi nulles, mais ils nécessitent un refroidissement cryogénique, ce qui est peu pratique pour la plupart des véhicules sous-marins. Cependant, les systèmes de supraconducteurs à haute température (HTS) qui peuvent être refroidis avec de l'azote liquide sont considérés pour des véhicules sous-marins autonomes très grands (p. ex., sous-marins ou transporteurs de fret en haute mer).

Enfin, la technologie numérique jumelée et les algorithmes de maintenance prédictive sont appliqués aux systèmes de propulseur. Grâce à la télémétrie en temps réel des vibrations, de la température et de la consommation d'énergie, l'ordinateur embarqué de l'UVA peut estimer la durée de vie utile restante et planifier une maintenance proactive, réduisant ainsi le risque de défaillance du propulseur lors de missions critiques.

Conclusion

Les propulseurs sont bien plus que de simples hélices; ce sont des systèmes électromécaniques sophistiqués qui permettent directement le fonctionnement précis, efficace et silencieux des véhicules autonomes sous-marins. Des propulseurs azimuts et vecteurs qui offrent une maniabilité exceptionnelle aux conceptions à jante qui réduisent le bruit et l'entretien, le choix de la technologie de propulseur façonne profondément les capacités de mission d'un VA. En tant que plateaux de densité d'énergie des batteries, l'amélioration de l'efficacité et du contrôle des propulseurs devient le levier principal pour étendre la durée de mission et étendre l'enveloppe des applications possibles.

Pour plus de détails, voir le Woods Hole Oceanographic Institution's panorama of AUV technology, les ressources techniques sur la conception de propulseurs maritimes du Journal of Marine Science and Engineering, et les études de cas sur L3Harris sur la propulsion militaire des AUV.