B, — IMMERSION PAR DES GOUVERNAILS HORIZONTAUX

De même que l'on dirige horizontalement un bateau flottant à la surface, — et aussi, comme nous le verrons, entre deux eaux, — au moyen d'un gouvernail vertical placé, de préférence, à l'arrière, dans le plan de symétrie longitudinal du navire; ainsi encore doit-on, pouvoir analogue, diriger un bateau plongeur dans son plan vertical de plongée au moyen

d'un gouvernail horizontal mobile autour d'un axe perpendiculaire au plan vertical de Tarbre de couche.

Ce procédé, préconisé pour la première fois par les frères Coëssin, en 1809, et un peu plus tard, en 1823, par Montgery, a reçu sa première application pratique en 1872, dans le gouvernail d'immersion de la torpille Whitehead. La torpille automobile à gyroscope moteur et directeur de M. Howell, inventée quelques années plus tard, fut munie, elle aussi, d'un gouvernail horizontal dont l'effet fut reconnu satisfaisant.

Imaginons un bateau sous-marin, ayant une flottabilité positive et muni d'un gouvernail horizontal que, par analogie à ce que Ton fait pour le gouvernail vertical, nous placerons à Tarrière du bateau, et cherchons a priori ce qui va se passer sous l'influence de cet organe.

On voit immédiatement que si nous inclinons vers le bas le gouvernail horizontal, le navire va s'incliner lui-même en dirigeant son avant vers le bas ; sous l'influence de la vitesse propre que lui communique son hélice de propulsion, il va donc tendre à plonger dans la direction oblique de son axe. En même temps la poussée verticale ascendante résultant de la flottabilité crée une force qui tend à ramener le navire à la surface. Il est, dès lors, facile de concevoir un équilibre possible de ces deux forces, ou plutôt de tout le système de forces créé par elles, équilibre qui aurait pour conséquence le maintien du navire en marche dans un plan horizontal sur lequel son axe aurait une légère inclinaison.

Notons ici, en passant, que, en posant a priori le principe de l'immersion par un gouvernail, la nature même de l'action mécanique produite par ce gouvernail nous montre aussitôt l'inclinaison nécessaire de l'axe du bateau sur le plan horizontal. Mais considérons un sous-marin, immergé par un procédé quelconque, que nous savons seulement avoir une flottabilité positive /, et se déplaçant dans un plan horizontal H dont la cote, par rapport à la surface libre xy^ est h. Soient G le centre de gravité et v le centre de carène [fig. 28). Ce centre

de carène est animé de deux vitesses, Tune v, vitesse horizontale du bateau, l'autre ç, vitesse provenant de la poussée /. La résultante ^V de ces deux vitesses sera la trajectoire réelle

FiG. 28.

instantanée du centre de carène, et on voit immédiatement que, si -^v est horizontal, yV sera forcément oblique, et le bateau remontera vers la surface dans sa direction.

Donc un sous-marin à flottabilité positive ne peut pas demeurer dans son plan d'immersion, si son axe est horizontal.

Le seul cas possible est celui de la figure 29, dans laquelle

Fio. 29.

vt* et Y9 donnent un parallélogramme dont la diagonale vV est horizontale.

Appelons 6 Tangle de Taxe du bateau avec le plan horizontal, V sa vitesse propre dirigée suivant yt?, 9 la vitesse verticale qu'il doit à la poussée /, et V sa vitesse résultante horizontale ; nous aurons :

9 zn V siaO ;

d'où, pour déterminer 6 :

inôzzzî.

SIQ

La vitesse résultante sera alor^s :

\ :=zV COSO = ^«2 — ç2.

Ces considérations nous montrent que, pour obtenir une immersion et une route satisfaisante avec un bateau à Ûottabilité positive, le procédé mécanique employé pour vaincre la flottabilité devra être tel qu'il produise par lui-même une inclinaison de Taxe du bateau Tavant en bas. Nous sommes donc conduits directement au gouvernail horizontal, et nous voyons, du même coup, la condamnation du système d'immersion par hélices verticales dont nous n'avions pu que constater

rinsuccès. Dans ce dernier cas, en effet, l'inclinaison qui ne réglait pas les hélices se produisait quand même ; mais alors elle venait jeter une perturbation énorme dans le travail de ces hélices et, en réalité, déséquilibrer le bateau par un jeu de forces inconnues et non mesurables.

Considérons donc un sous-marin AB immergé dans le plan horizontal H de cote h (fi g. 30). Ce sous-marin est muni d'un gouvernail horizontal BC incliné d'un angle w sur l'axe du navire, qui fait avec le plan H un angle 0, et cherchons quel est le système de forces agissant sur ce corps. Nous aurons :

1* La poussée / appliquée au centre de carène y? ^t le

couple Pâsinô, 5 étant la distance ^G du centre de gravité au centre de carène ; cette distance est d'ailleurs, par construction, perpendiculaire à Taxe du navire ;

2° L'effort F normal au gouvernail, qui se décompose en une force verticale ascendante F| et un couple tendant à une rotation autour d un axe parallèle à Taxe de rotation du gouvernail. L'effort normal étant proportionnel à la surface S^ du gouvernail, au carré v- de la vitesse dans la direction de Taxe et au sinus de l'angle d'attaque, nous pouvons écrire :

F = kSh)^ sin (fo - 6),

k étant une force constante expérimentale. Dès lors la force verticale F| résultant de cet effort, et qui n'est autre que la projection de F sur la verticale, aura pour expression :

Fi = kSh)^ sin (w — 6) cos (w — 6) ;

3" La poussée Q de l'hélice, qui donne une composante verticale dirigée vers le bas, et qui a pour valeur Q sin 6;

4* La résistance de leau qui, proportionnelle au carré de la vitesse, et fonction de la forme du navire et de son inclinaison, peut être représentée par une expression de la forme :

Rv^ (6).

En écrivant les équations d'équilibre par rapport au plan vertical, le seul évidemment qui nous intéresse ici, nous aurons d'abord, en annulant la somme des projections, des forces :

f+ kSH^ sin(to — 6) cos(o> - 6) — Q sin 8 — Rv^ (6) =: o.

Exprimons maintenant les mouvements dont la somme, égalée à zéro, nous donnera la deuxième équation d'équilibre.

BATEAUX SOrS-MARIKS. — 11. 4

&0 LES ËATEÀCX SÔL'S-MÂRlNà

Nous avons vu que le poids P donne un couple dont le moment est Pdsin6.

L'effort F sur le gouvernail a pour moment :

F . ^ = *SM sia{w — 6)— ^.

Mais, si nous négligeons la demi-largeur très petite Bc de la palette du gouvernail, nous aurons :

yD = yB cos «u, et en appelant 2/ la longueur du sous-marin :

et par suite :

momF = kSh}^ sin (w -— 6) / coso).

Quant au moment de la résistance de Teau sur la carène, nous ne pourrons que le représenter par — Rîj*^}^(6), et nous aurons pour seconde équation d'équilibre :

Pô sin e — /fS V sin (o> — 6) cos <o — mom Rv«4» (0) = o.

Les équations qui peuvent déterminer w et pour chaque 1

valeur de la flottabilité seront donc : »

f + kSh)^ sin (w — e) cos (w — 6) — Q sin 6 — Rv^ (6) = o PS sine — kS'^vH sin(û) — 8) cosco — momRt?><f (6) = o.

Ces formules compliquées seraient très difficiles, sinon impossibles, à appliquer numériquement; elles contiennent d'ailleurs des coefficients mal connus et même une fonction t{* (6) absolument indéterminée ou, tout au moins, variable d'un instant à l'autre, comme son moment. Voyons cependant ce qu'elles vont nous donner, dans le cas où nous voudrions rendre l'axe horizontal, c'est-à-dire faisons-y :

IMMERSION Et STABILITÉ bl

en tenant compte de cette vérité évidente que ^j; (6) est telle que :

Nous aurons alors simultanément :

f — AS^r^ sin a> coso) tiz o AS^i^^/ sin to cos w =z o,

équations dont les seules solutions seraient :

. eu HZ —

La première nous montre que le bateau devrait avoir une flottabilité nulle et ne pas se servir de son gouvernail horizontal. C'est là une confirmation nouvelle de ce que nous avons établi déjà au sujet de Tinclinaison nécessaire de Taxe

du bateau. Quant à la seconde où w = ^ nous indiquerait un

bateau à axe vertical, elle est évidemment en dehors de la question.

Nous voyons par tout ce qui précède que l'annulation mécanique de la flottabilité / ne s*obtient qu'au prix de la création de tout un système de forces, qui se complique de lui-même de forces étrangères dont chacune fournit un couple de rotation forcément variable, et souvent, suivant une loi inconnue, avec les conditions incessamment changeantes que produit le milieu liquide et mobile dans lequel le sous-marin est immergé et se déplace sous Tinfluence de ses propulseurs. La somme des moments de ces couples doit demeurer nulle à tous les instants, et il suffit qu'à un moment quelconque, l'un d'eux accuse une prépondérance passagère pour que, aussitôt, Tinclinaison de Taxe change, modifiant ainsi les conditions de l'équilibre, qui se trouve momentanément rompu. Ce sera le

52 LES BATEAUX SOUS-MARlNS

rôle du gouvernail horizontal de rétablir cet équilibre ; mais il ne pourra empêcher que, avant que son action se soit fait sentir, le bateau, en vertu de son obliquité, n'ait eu le temps de piquer une embardée qui sera d'autant plus importante que la vitesse et que Tinclinaison seront plus grandes.

Dans la pratique, Tapplication d'un seul gouvernail horizontal à l'arrière n'a pas donné de bons résultats ; le pendule et le piston hydrostatique où le manomètre fournissait des indications si continuellement variables que ni les régulateurs

Fio. 31. — Trajectoire d'un bateau soua-marin.

automatiques, ni les appareils à main n'arrivaient à leur procurer le calme indicateur d'une immersion régulière. La trajectoire du sous-marin était alors une sorte de sinusoïde à cheval [fig, 31) sur le plan d'immersion, mais dont les arcs consécutifs avaient véritablement des flèches trop grandes, si grandes même que le séjour du bord en devenait intenable.

Ce gouvernail horizontal placé à l'arrière avait cependant donné de très bons résultats avec les torpilles automobiles, qui sont de véritables bateaux sous-marins automatiques à flottabilité positive ^ Mais nous avons vu que l'angle 6 d'inclinaison du bateau était défmi par la relation :

sine =2.

Or, si les torpilles sont des engins à grande vitesse horizontale, les sous-marins proprement dits, au contraire, sont des navires à marche lente ; v est alors assez faible et, pour que 9 ou, ce qui revient au môme, / soit une grandeur assez importante, l'angle G grandit dans des proportions normales et, avec

> Les torpilles automobiles Ed. Bara et H. Noalhat.

lui, grandissent les embardées en profondeur et en hauteur que Ton cherche à éviter.

Ajoutons enfin, et la remarque est importante, que, si, par suite d'une mauvaise répartition du lest ou pour tout autre cause extérieure ou intérieure, le bateau prend de la bande sur un bord, TefFet normal sur la palette du gouvernail horizontal donne alors une composante horizontale perpendiculaire au plan de symétrie longitudinal du navire, composante qui a pour effet de modifier sa direction dans le plan horizontal.

Supposons, en eCTet, le gouvernail incliné vers le bas et le bateau penché sur la bande à tribord [fig. 32); l'effort normal F, sur la palette du gouvernail, donnera la composante verticale /^, que nous avons évaluée, et une force horizontale f.^ tendant à faire virer le bateau vers bâbord. Donc, si un sous-marin plonge ou navigue sous son plan d'immersion et donne de la bande sur un bord, il dérive en même temps sur le bord opposé.

Si la palette du gouvernail était inclinée vers le haut, il arriverait, au contraire, que le bateau dériverait du côté où il donne de la bande.

De là des lacets inconnus dans le plan horizontal qui rendraient la route du navire très incertaine. 11 ne faut pas songer cependant à mettre encore devant l'homme de barre une aiguille à roulis qui lui indiquerait d'agir sur le gouvernail vertical pour rétablir la route, ce serait le charger d'un travail absorbant et inutile, car il serait impuissant à réagir à temps et de la quantité voulue, et se fatiguerait, outre mesure, sans profit pour la bonne réalisation de sa tâchée

Fio. 32.

^ On pourrait également corriger ce défaut à l'aide d'un gouvernail double vertical. Ce gouvernail se composerait en principe de deux palettes disposées l'une au-dessus du gouvernail horizontal, l'autre en dessous. Un dispositif

LES BATEAl'X SOUS-UARINS

Il ne faudrait cependant pas conclure de tout cela que l'immersion ne peut se régler d'une façon convenable d'après le principe d'un gouvernail horizontal, bien au contraire; mais

'^c/cec^Lorc^

Fio. 33.

il nous faudra déplacer ce gouvernail pour arriver à un résultat meilleur.

En créant, pour annuler la force/, une force ayant le môme point d'application qu'elle {fig. 33^, il est clair que l'on supprime du coup les couples de rotation qui compliquent si étrangement le problème. C'est ce que l'on réalise en plaçant

spécial permettrait de les incliner constamment en sens inverse Tun de l'autre. Examinons quelle est la réaction de Teau sur Tune de ces palettes, la palette

supérieure, par exemple :

Supposons que le bateau donnant de la bande sur bâbord, on incline la palette comme l'indique la figure 27.

La réaction de Teau sera normale à cette palette et appliquée à son centre d'action que nous supposerons coïncidant avec son axe de rotation 0.

On voit que cette réaction se décompose en deux actions élémentaires, dont 1 une f^ tend à faire rouler le bateau sur tribord et par conséquent à le ramener dans son plan d'immersion normal.

Quant à la force f.,^ elle tend à diminuer la vitesse et à baisser l'arrière du bateau.

11 serait facile de démontrer que la réaction sur la palette A', qui est inclinée en sens inverse, donne deux forces f\ et f\, dont l'une fx se combine avec ^ pour former le couple de bande, et l'autre f^ tend à remonter rarrière du bateau et par conséquent à annuler Teffet de /"a.

Les deux forces f^ et f^ se combinent d*ailleurs pour diminuer la vitesse, mais, comme elles sont très petites à cause du peu d'inclinaison des palettes sur le plan longitudinal vertical, elles deviennent de ce fait à peu près négligeables.

Fifi. 34.

non plus un gouvernail à Tarrière, mais deux paleltes-gouver*

Ifvrectio

nails horizontales symétriques de chaque côté du bateau, à hauteur du centre de carène {fig. 35).

On a parlé aussi de deux gouvernails horizontaux, Tun à

Mitmou^*

FlO. 36.

Tavant, l'autre à Tarrière, que Ion inclinerait en sens inverse [fig. 36).

Il est facile de se rendre compte que cette disposition des

Jkx,ecjUoi

Fio. 37.

gouvernails est impraticable, non seulement à cause des

réacfions brutales de Teau en mouvement venant heurter le gouvernail avant ; mais encore que Taclion de ces gouvernails est d'inégale valeur, il se forme des remous derrière le gouvernail avant qui neutralisent en partie son action, ce qui a pour effet de rendre l'action du gouvernail arrière prépondérante.

Cette disposition ne pouvant assurer la plongée horizontale, peut encore moins déterminer la plongée oblique, l'action du gouvernail avant étant neutralisée complètement par l'action du gouvernail arrière.

L'emploi de deux gouvernails, l'un placé à l'avant, l'autre à l'arrière, entraîne l'obligation non pas de les commander en sens contraire, mais de les animer tous les deux d'un mouvement uniforme, et de les incliner tous deux vers le bas lorsque le bateau doit plonger, et de les relever tous les deux pour revenir à la surface.

Cette disposition réduit de moitié environ l'angle 0, d'un seul gouvernail, mais elle présente l'inconvénient de placer le gouvernail avant à la partie la plus exposée du navire et de gêner considérablement l'installation du tube lancetorpilles.

La solution qui semble devoir prévaloir aujourd'hui, d'une façon probablement définitive, consiste à employer quatre palettes-gouvernails que Ton place symétriquement deux par deux vers l'avant et vers l'arrière de chaque côté du navire {fig, 37). On arrive ainsi, sur des sous-marins dont le tonnage varie de 30 à près de 300 tonneaux, et où la force de flottabilité a des valeurs comprises entre 15 et 100 kilogrammes, et même parfois un peu supérieures à ce dernier chiffre, à obtenir une route sensiblement horizontale, l'axe du bateau étant incliné seulement de 2 à 5°.

Nous ne doutons pas que Ton obtienne Thorizontalité parfaite, en déterminant expérimentalement la position de l'hélice et des quatre gouvernails horizontaux, leurs dimensions respectives et surtout, par l'étude, la construction et l'emploi d'appareils automatiques spéciaux, réglant d'une façon sûre et précise la stabilité d'immersion.

Nous allons revenir sur cette question de la régulation de l'assiette en plongée dans le chapitre suivant.

Principe du régulatetir cTimmersion. — En principe, le régulateur qui actionne le servo-moteur pour la manœuvre d'un gouvernail d'immersion se compose :

1* D'un piston hydrostatique dont nous avons vu précédemment la description ;

2"* D'un lourd pendule suspendu à la partie supérieure de la chambre des régulateurs et pouvant subir de légers déplacements en avant ou en arrière, suivant que le bateau s'incline la pointe en bas ou la pointe en haut.

Action du piston hydrostatique seul. — Supposons, comme pour la théorie faite précédemment au sujet de l'immersion par flottabilité nulle, que le bateau soit au-dessus de son plan d'immersion ; le gouvernail que nous supposerons, par ^ hypothèse, relié à la manette du servo-moteur, s'abaissera au-dessous de son cadre si la pression de l'eau est insuffisante pour faire équilibre à la tension du ressort, et le bateau s'inclinera plus profondément {fig. 38).

Le contraire aurait lieu si le bateau, atteignant une trop grande immersion, la colonne d'eau était prépondérante à la tension du ressort; le gouvernail s'inclinerait au-dessus de son cadre, le bateau se rapprocherait de son plan d'immersion.

En pratique, on a reconnu que le réglage de ce mécanisme n'est pas suffisamment efficace, il ne corrige les embardées que lorsqu'elles ont commencé à se produire et le bateau passe par bonds successifs au-dessus ou au-dessous de son plan d'immersion.

Fio. 38.