Brevet FR2623220A1 — publié le 19890519

L'invention concerne un procédé et un dispositif destinés à briser localement une couche de glace dans les eaux froides. Le problème que s'est posé la demanderesse- est en particulier celui d'un engin submersible qui, étant en immersion sous une couche de glace dont l'épaisseur peut atteindre une valeur de l'ordre du mètre, doit pouvoir briser la glace au-dessus de lui pour émerger. Le problème se pose également, quoique dans des conditions différentes, pour des installations telles que des plates-formes d'exploitation off-shore ou des piles de pont qui ont une partie immergée, donc prise sous la glace à certains mo- ments de l'année, la glace devant pouvoir être brisée lo- calement, par exemple pour protéger la structure ou pour visiter les fondations. Le procédé qui fait l'objet de l'invention se caractérise en ce que dans la zone o l'on veut provoquer la rupture, on soumet la glace à une poussée perpendicu- laire, de manière à mettre la couche de glace en flexion et en ce qu'on augmente la poussée et la flexion jusqu'à rupture. Dans le cas d'un sousmarin, ou d'une installation ayant une partie immergée flottante, la poussée dirigée de bas en haut est produite par la force hydrostatique résul- tant d'une vidange convenable de ballasts. L'invention comprend également le dispositif des- tiné à la mise- en oeuvre du procédé, dispositif caractéri- sé par une protubérance pouvant prendre la forme d'un mât, dont l'extrémité supérieure viendra s'appuyer sur la face inférieure de la couche de glace. Cette protubérance ou ce mât peut être rétractable ou fixe. Dans le cas d'un sous-marin, le mât sera générale- ment rétractable, étant constitué par un système télesco- pique de manière que, lorsque le mât est hors d'action, il -2- se trouve complètement effacé dans la coque sans laisser de saillie qui serait préjudiciable au bon comportement hydrodynamique du sous-marin. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple, permettra de bien com- prendre comment l'invention peut être réalisée. Les figures 1 à 6 sont des vues schématiques repré- sentant les diverses phases de mise en oeuvre de l'inven- tion, dans le cas d'un sous-marin navigant sous une couche de glace. La figure 7 montre en coupe, à plus grande échelle, une réalisation d'un mât télescopique, à l'état rétracté. La figure 8 représente le même mât déployé. La figure 9 est un graphique illustrant la varia- tion de l'effort exerce par le mât pour rompre la glace, en fonction de l'épaisseur de celle-ci, pour différents diamètres du mât. La figure 10 est une coupe transversale du sous- marin avec une réalisation particulière d'un mât secondai- re. La figure 11 montre l'application de l'invention dans le cas d'une plate-forme dont la fondation repose sur le fond de la mer. Les figures 12 et 13 concernent le cas d'une plate- forme flottante. Les figures 14 et 15 montrent deux variantes d'application de l'invention & des plates-formes marines, variantes dans lesquelles l'effort exercé par le mât pour rompre la glace est dirigé de haut en bas. Sur la figure 1, on voit en 1 un sous-marin ou engin submersible, civil ou militaire, habité ou non, qui navigue sous une couche de glace 2. Sur la figure 2, cet engin amorce un mouvement de montée par mise en vidange des ballasts pour venir au con- tact de la glace à rompre. Un premier mât 3 qui est le mat de rupture propre- ment dit, appelé mât principal, est déployé sur le kiosque ou massif 4 de l'engin,'et un deuxième mat 5, qu'on appel- - 3 - lera le mât secondaire, est également déployé vers la poupe de l'engin afin de donner un appui sur la glace et protéger les organes de poupe qui sont fragiles. Les ballasts sont organisés de façon que l'effort ascendant de flottabilité ait sa résultante située près du mat prin- cipal mais un peu décalée du côté du mât secondaire. Cette disposition permet d'une part d'obtenir l'effort maximum disponible pour le mat principal de rupture, d'autre part d'obtenir la stabilité longitudinale de l'engin. Sur la figure 3, on voit que l'engin s'est rap- proché de la glace en montant sous l'effet de la force ascensionnelle créée par le déballastage. Sur la figure 4, le contact a été pris, aussi bien par le mat principal 3 que par le mat secondaire, et l'effort exercé par le mât principal sur la couche de gla- ce la met en flexion de plus en plus forte. Sur les figures 5 et 6, la glace est rompue et le massif est en émersion, ce qui est le résultat cherché. L'émersion pourrait être d'ailleurs poursuivie jusqu'au niveau de flottaison normale, selon l'importance du débal- lastage réalisé. Dans le mode de réalisation que représentent les figures 7 et 8, le mat principal et le mât secondaire sont constitués chacun par un système télescopique. Dans l'exemple illustré, ce système comprend deux éléments, & savoir un cylindre fixe 6 et un piston 7 mobile dans ce cylindre et constituant avec lui un vérin hydrau- lique dont la puissance est suffisante pour équilibrer l'effort de flottabilité éxercé par le sous-marin et dont la course est suffisante pour tenir compte des irrégulari- tés de la sous-face de la couche de glace. Ce vérin est de préférence à double effet pour assurer le retour à la position effacée dans la coque du sous-marin. Le cylindre 6 est raccordé à ses extrémités à des tuyauteries 8, 9 munies de vannes 10, 11 à trois positions pour raccorder ces tuyauteries & l'alimentation en liquide sous pression ou à la vidange. - 4 - Au sommet de la tige du piston, se trouve un patin 12 servant à l'appui sous la couche de glace et qui peut être simplement de forme circulaire. Sous ce patin 12, est fixée une chemise 13 qui peut coulisser dans une enveloppe fixe 14 munie de couronnes d'appui 15, 16 pour un bon guidage de la chemise 13. Le tube-enveloppe 14 est fixé d'une part sur la coque extérieure du sousmarin 17, et, d'autre part, par une bride 18 sur la paroi ou la coque intérieure 19. Le tout est agencé de manière qu'à l'état rétracté, la surface externe du patin 12 affleure exactement la coque extérieure sans saillie nuisible. La chemise 13 protège la tige du piston contre des actions de la glace. D'autre part, l'ensemble de la chemi- se 13 et de l'enveloppe 14, maintenu par les couronnes d'appui 15 et 16 permet d'obtenir un système offrant plus de résistance aux efforts latéraux. Ces efforts latéraux peuvent être provoqués par l'inclinaison de la sous-face de la glace, ou par la non-verticalité du mât principal due & l'assiette de l'engin. On comprend aisément le fonctionnement du disposi- tif. Partant de l'état rétracté que montre la figure 7 pour déployer le mat, on manoeuvre la vanne 10, afin d'admettre le liquide sous pression au-dessous du piston 7, et la vanne 11 pour mettre à la vidange la face opposée dudit piston. Le mat se déploie alors comme le montre la figure 8. Le blocage du mât déployé se fera par simple fer- meture des vannes 10 et 11, ce qui permettra, pendant la durée du déballastage, la mesure continue des efforts appliqués sous la glace par le mat principal (et aussi par le mat secondaire) par simple lecture de la pression hy- draulique à l'intérieur du cylindre 6. Ce système de blocage principal est doublé par un système de blocage de type mécanique qui sera mis en place après le déploiement du mat, mais ne deviendra efficace qu'en cas de chute de la pression hydraulique, par exemple -5- en raison des fuites. Un tel système a été figuré en 21. Il peut compor- ter des verrous 22 mobiles transversalement pour venir s'engager dans des ouvertures pratiquées sur la chemise 13 afin de bloquer celle-ci. Quand on veut à nouveau rétracter le mat, il suffit de mettre la vanne 10 dans la position de vidange, et de placer la vanne 11 dans la position d'alimentation, après avoir débloqué les verrous mécaniques 22. Les courbes-de la figure 9 ont été tracées avec des diamètres différents du patin d'appui 12, diamètres égaux respectivement à 0,5 m, 1 m et 2 m. Les épaisseurs de la couche de glace en mètres ont été portées en abscisses et les efforts en méganewtons nécessaires à la fissuration de la couche de glace ont été portés en ordon- nées. Ces courbes montrent qu'il y a intérêt à réduire la surface d'application de l'effort, c'est-à-dire la surface du patin d'appui 12, pour fissurer une épaisseur donnée de glace en développant un effort aussi limité que possible; ou bien en corollaire, pour fissurer une épais- seur de glace aussi grande que possible en développant un effort donné. La figure 10 montre une réalisation particulière du mat secondaire qui, au lieu d' être constituée par un m&t unique, se compose de deux m&ts 5a, 5b disposés dans un même plan transversal et divergents. Ceci a l'avantage de fournir avec le mât principal un système tripode amé- liorant la stabilité transversale de l'engin en appui sur la glace. La figure 11 illustre une autre application de l'invention. Elle montre une plate-forme 25 qui repose sur le fond de la mer par une fondation 26 dont la partie immergée se trouve sous la couche de glace 2. Pour briser la glace et limiter ou supprimer les efforts exercés par celle-ci sur la structure ou pour per- mettre de visiter la fondation, on peut répartir sur cel- le-ci des mats 3 de mise en pression de la glace. Dans - 6 - cette application, il n'est pas nécessaire que les mats soient télescopiques. Ils peuvent être déployés en perma- nence, comme dans le mode de réalisation représenté sur la figure 11, o chaque mat 3 est supporté par une capacité 27 mobile dans un cylindre fixe 28. Dans ce cas, l'ensem- ble constitué par les mats et les capacités mobiles, sera actionné par simple effet d'Archimède résultant du débal- lastage d'eau stockée dans les capacités 27, sans qu'il y ait besoin de créer une étanchéité entre ces capacités 27 et les cylindres 28. Le déballastage d'eau dans les capa- cités, ainsi que le déballastage ultérieur pour assurer le retour en position initiale, se font à l'aide d'un sys- tème de tubulures 30 comportant des parties flexibles 29, et reliées à des pompes non figurées, installées sur la plate-forme. Alternativement, selon le mode de réalisation non représenté, les capacités mobiles 27 peuvent être soule- vées par effet de piston, à l'aide de l'eau envoyée sous pression dans la partie sous-adjacente des cylindres 28. Il y a lieu, dans ce cas, d'assurer l'étanchéité entre les capacités mobiles 27 et les cylindres 28. La partie de droite de la figure 11 montre la po- sition au repos et la partie de gauche montre la position pour briser la glace. Les figures 12 et 13 concernent le cas d'une plate- forme flottante 25 attachée par des amarres 31 qui sont ancrées sur le fond de la mer. Une plate-forme de ce genre comporte des ballasts dont le remplissage ou la vidange permettent de régler la hauteur de la partie immergée. Sur celle-ci on pourra répartir des mats 3 qui pourront être fixes ou déployables grace à un système télescopique analogue à celui qui a été décrit en regard des figures 7 et 8. La figure 12 montre la plate-forme 25 avec une embase immergée sous la couche de glace qui s'est formée & la surface de l'eau. Quand on veut briser cette couche, on déballaste, après avoir déployé les mats 3, s'ils sont télescopiques. Le déballastage produit une force ascen- -7- sionnelle et les mâts viennent faire pression sur la -glace et la brisent comme expliqué précédemment. Alternativement, on peut équiper la plate-forme 1flottante 25 de chambres déballastables individuellement comme dans le cas de la plate-forme fixe, représentée fi- gure 11. Une disposition additionnelle, avec l'attaque de la glace par un effort dirigé de haut en bas, est repré- sentée sur les figures 14 et 15. La figure 14 montre une plate-forme fixe 25 repo- sant sur le fond de la mer par une fondation 26 et dont la partie immergée se trouve sous la couche de glace 2. Pour briser cette couche, on déploie les mats 3, fixes dans la partie 40 émergée de la plate-forme. Les mâts 3 agissent comme des vérins télescopiques exerçant des efforts verticaux de haut en bas, en brisant la couche de glace localement et protegeant ainsi la plate-forme des effets de glace. La figure 15 montre une plate-forme flottante 25 attachée par des amorces 31 ancrées sur le fond de la mer. Les mâts 3 fixés dans la partie émergée 40 de la plate-forme, permettent d'exercer des efforts verticaux de haut en bas, par remplissage des ballasts et immersion contrôlée de la structure. Les mâts 3 peuvent être fixes ou déployables grâce à un système télescopique analogue à celui qui a été décrit en regard des figures 7 et 8. Il va d'ailleurs de soi que les modes de réalisa- tion décrits n'ont été donnés qu'à titre d'exemple, et qu'ils pourraient être modifiés, notamment par substitution d'équivalents-techniques, sans qu'on sorte pour cela du cadre de l'invention. Par exemple, les vérins hydrauliques décrits pour- raient être remplacés par des vérins de types différents, notamment des vérins mécaniques. D'autre part, pour aider à la rupture de la glace, on peut mettre en oeuvre des moyens additionnels permettant de réduire localement la cohésion et la résistance mécani- que de la couche de glace. Ces moyens peuvent être par _- 8 -- exemple adaptés pour chauffer la glace dans la zone d'action de la ou des protubérances ou mâts. Ils seront, par exemple, constitués par des éjecteurs de vapeur. Ils peuvent aussi être à action physico-chimique, abaissant la température de fusion par exemple, ou encore à action purement mécanique comme par exemple des vibrateurs ou des engins de percussion du genre des marteaux-piqueurs actionnés par l'air comprimé. - 9 - REVENDICATIONS 1. Procédé pour briser localement une couche de glace dans les eaux 'roides, à partir,d'une structure pri- se dans la glace ou immergée sous la glace, caractérisé en ce qu'à partir de cette structure on soumet la couche de glace à une poussée perpendiculaire de manière à mettre cette couche en flexion et en ce qu'on augmente la poussée et la flexion jusqu'à fissuration et rupture. 2. Procédé selon la revendication 1, applicable à un sous-marin ou & une installation ayant une partie immergée, caractérisé en ce que la poussée est dirigée de bas en haut sur la sous-face de la glace et est produite par une force hydrostatique résultant d'une vidange de ballast. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poussée est exercée de haut en bas sur la surface de la glace, depuis une partie émergée. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par la mise en oeuvre de moyens additionnels thermiques, physio-chimiques ou mécaniques, pour réduire la cohésion et la résistance mécanique de la glace. 5. Dispositif destiné à la mise en oeuvre du pro- cédé selon l'une des revendications précédentes, caracté- risé en ce qu'un engin immergé ou une partie immergée ou émergée d'une structure est muni d'une protubérance (3) adaptée pour s'appuyer sur la glace et lui transmettre une poussée verticale à travers une surface d'appui (12) ca- librée. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractéri- sé en ce que la protubérance est en forme de mât. 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la protubérance est reliée à un vérin (6, 7), permettant de la déplacer vers la glace pour la mettre en contact avec celle-ci. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la protubérance ou le m&t est - 10 - constitué par un système télescopique de manière & pouvoir être effacé complètement sous la surface de l'engin ou au contraire être déployé. 9. Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le vérin est de type hydraulique, et est muni de vannes (10, 11) permettant de l'isoler de l'alimentation et de la vidange pour le bloquer en position active. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par un organe de lecture de la pression hydraulique agis- sant dans le vérin et, par suite, de l'effort appliqué sur la glace. 11. Dispositif selon l'une des revendications 7 à , caractérisé en ce que le vérin est muni d'une chemise (13), d'une enveloppe (14) et de couronnes d'appui (15, 16) de manière à assurer la protection du vérin et une plus grande rigidité du mât vis à vis des efforts latéraux. 12. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, ca- ractérisé en ce que la protubérance est reliée à une capa- cité mobile (27) déballastable qui par sa flottabilité produit la poussée sur la couche de glace. 13. Dispositif selon l'une des revendications 5 & , appliqué à un sous-marin, caractérisé en ce que la protubérance principale (3), agencée sur le massif de l'engin, est associé à une deuxième protubérance (5), dis- posée près de la poupe pour servir de point d'appui. 14. Dispositif selon la revendication 13, caracté- risé en ce que la protubérance additionnelle est consti- tuée par deux mâts divergents (Sa, 5b), disposés dans un plan perpendiculaire à l'axe du sous-marin.