Brevet FR2710897A1 — publié le 19950414

La présente invention concerne un véhicule sous-marin autonome utilisant du gaz comprimé comme source d'énergie associé à des surfaces prenant appui sur l'eau. L'idée vient de la constatation que dans le domaine de l'exploration sous-marine, les véhicules utilisés actuellement sont de deux types: - la "torpille" ( ou loco-plongeur) à laquelle s'agrippe un plongeur autonome, pratique d'utilisation mais qui ne comporte pas de carter de protection, fonctionne à l'aide de batteries électriques ( problèmes d'étanchéité et de rechargement ) et ne permet pas le transport de matériel lourd ou volumineux, - le bathyscaphe ( ou sous-marin de poche ), très polyvalent mais d'utilisation lourde et onéreuse. Le véhicule, selon l'invention, permet de remédier à cette alternative en proposant à l'utilisateur un moyen de transport polyvalent à un prix abordable. En effet, l'appareil comporte un grand volume disponible protégé par un nez profilé afin de permettre l'emport de matériel volumineux et/ou de plongeurs autonomes. Les accumulateurs de gaz comprimé permettent de compenser facilement le poids de lourdes charges en gonflant des bouées ou en vidant l'eau des ballasts. Les problèmes d'étanchéité sont considérablement diminués car le gaz est détendu à la sortie des accumulateurs pour être utilisé à une pression supérieure à la pression ambiante. De cette façon, l'eau ne peut pas pénétrer dans le circuit pneumatique. Si cela se produit, on pourra facilement purger le réseau. De plus, le gaz emmagasiné dans les accumulateurs peut également servir à la respiration des plongeurs, ce qui libère leurs mouvements et augmente leur autonomie sous l'eau. On gagne aussi sur le temps de préparation du véhicule car il est plus rapide de remplir un accumulateur de gaz comprimé que de recharger une batterie; d'autant plus qu'il existe des stations de gonflage sur tous les sites de plongée importants. Pour des raisons évidentes de coûts, on utilisera de préférence comme accumulateurs des bouteilles de plongée standards munies du premier étage de détendeur classique. Le gaz comprimé est utilisé de trois façons différentes pour générer le déplacement: - par le remplissage et le vidage de ballasts afin d'engendrer altemativement une flottabilité descendante puis ascendante. Le véhicule plane donc grâce aux surfaces portantes prenant appui sur les masses d'eau situées au dessous puis en dessus de lui, - par son action sur un ou plusieurs vérins pneumatiques entraînant des surfaces propulsives ( ou palmes ), qui elles-mêmes s'appuient sur les masses d'eau situées à 1 arrière du véhicule. Ce dernier peut évidemment être utilisé dans le mode planeur par immobilisation des vénns, - par l'alimentation d'un ou plusieurs moteurs pneumatiques entraînant des hélices. Les surfaces portantes du véhicule type "planeur" sont toutes les surfaces non verticales composant le corps, le nez, les ailes ou ailerons de l'appareil. Celles qui sont orientées vers le haut sont appelées "surfaces portantes ascendantes"; celles qui sont orientées vers le bas sont appelées "surfaces portantes descendantes". De même que pour un planeur aérien, l'accélération produite sur le véhicule dépend de son poids, de son hydrodynamisme global, de l'étendue et de l'orientation de ses surfaces portantes, de la vitesse de déplacement et des turbulences générées par le mouvement. On peut envisager des ailes fixes dont la géométrie permet de générer une poussée vers l'avant aussi bien en phase montante qu'en phase descendante. Une autre solution est d'utiliser des ailes orientables afin d'optimiser la portance selon les circonstances. On peut prévoir sur le "planeur" un système automatique de réglage des ballasts permettant de générer une flottabilité ascendante en dessous d'une profondeur pré programmée, et une flottabilité descendante au dessus d'une certaine profondeur. Pour le second type de véhicule comportant des vérins pneumatiques, on utilise la différence de pression entre les accumulateurs de gaz embarqués et la pression ambiante, ou entre deux accumulateurs de pression différente. La pression d'alimentation est contrôlée grâce à un détendeur réglable. Le cycle de distribution est commandé par une temporisation réglable ou par des capteurs fin de courses. L'évacuation est effectuée dans l'eau à travers un dispositif du type "bec de canard". Les vérins actionnent des surfaces propulsives selon deux types de configurations principales: - la configuration est du type "nageoire" si l'effort est transmis par le vérin à la palme correspondante sous la forme d'un couple dont l'axe est perpendiculaire au déplacement du véhicule, - la configuration est du type "aile" si l'effort est transmis par le vérin à la palme correspondante sous la forme d'un couple dont l'axe n'est pas perpendiculaire au mouvement engendré. I1 est évidemment préférable de monter les ailes par paires. Un mode de réalisation particulier consiste à utiliser un seul vérin pour actionner deux ailes dont les axes de rotations sont parallèle au déplacement du véhicule. Afin de mieux maîtriser le mouvement des nageoires et des ailes, on pourra adjoindre aux vérins des ressorts de rappel, des amortisseurs ( vérins hydrauliques en dérivation par exemple ), et/ou un système de distribution faisant varier la pression d'alimentation pendant le cycle du battement. Les surfaces portantes de l'appareil servent de points d'appui pour reprendre les efforts non propulsifs engendrés. Pour être efficace, une palme doit être souple et/ou articulée sur la structure de la nageoire ou de l'aile. Dans ce cas, on devra prévoir des butées et/ou des ressorts afin d'optimiser l'angle d'incidence de la palme pendant tout le cycle de propulsion. On peut même envisager un système permettant de faire varier la raideur de la palme, soit manuellement, soit à l'aide d'un mécanisme jouant sur la vitesse du véhicule. Le troisième moyen de propulsion envisagé consiste à implanter un ou plusieurs moteurs pneumatiques sur un véhicule quelconque. On commandera la pression d'alimentation des moteurs, et éventuellement leurs directions. Des gouvernails de direction et/ou de profondeur pourront être utilisés sur tous les types de véhicules cités précédemment. De toute façon, l'implantation de ballasts à l'avant de l'appareil permet de piquer ou relever le nez de celui-ci en alourdissant ou en allégeant l'avant. De même, on peut changer de direction en jouant sur un différentiel de propulsion entre deux moteurs ou deux ailes. Sur les véhicules de petites dimensions, le conducteur pourra utiliser ses palmes et jouer avec l'ensemble de son corps ( un peu comme sur les deltaplanes ) pour guider l'engin. Les palmes du ou des plongeurs peuvent aussi servir de moyen de propulsion. Le corps de l'appareil pourra être ouvert sur certaines parties ou totalement fermé. I1 supporte les accumulateurs, les flotteurs, les ballasts et du matériel divers. Il peut aussi renfermer un habitacle étanche contenant de l'air, à la pression ambiante ou atmosphérique. La stabilisation et l'équilibrage du véhicule seront réalisés soit manuellement, soit par un système automatique débrayable de commande des ballasts. Le nez, prépondérant pour l'hydrodynamisme, sera de préférence recouvert d'un matériau transparent afin d'augmenter la visibilité. Des moteurs d'appoint électriques pourront être utilisés. Des systèmes de sécurité sont à prévoir: en particulier le gonflage d'une bouée en dessous d'une certaine profondeur. Quel que soit le véhicule concerné, il faudra faire particulièrement attention au positionnement relatif du centre de gravité par rapport au centre de poussée. Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure 1 représente le véhicule selon l'invention. La figure 2 représente une variante de ce véhicule. La figure 3 représente un éclaté de la même variante. La figure 4 schématise la poussée en phase descendante sur une aile fixe. La figure 5 schématise la poussée en phase ascendante sur une aile fixe. La figure 6 schématise la poussée en phase descendante sur une aile orientable. La figure 7 schématise la poussée en phase ascendante sur une aile orientable. La figure 8 schématise la configuration "nageoire". La figure 9 schématise la configuration "aile". La figure 10 illustre le cycle de propulsion d'une nageoire souple. La figure 11 représente une variante du système d'accrochage des palmes sur les nageoires ou sur les ailes. La figure 12 schématise un dispositif manuel de commande des ballasts. La figure 13 schématise un système débrayable permettant de stabiliser automatiquement le véhicule. La figure 14 schématise un système débrayable permettant de générer altemativement une flottabilité descendante/ascendante. En référence à ces dessins, le véhicule est composé d'un corps (1) sur lequel sont fixées ou articulées les ailes (2) et les nageoires (3), et dont la partie avant forme le nez (4) qui est de préférence recouvert d'un matériau transparent. Le corps (1) contient un ensemble de flotteurs (5), des accumulateurs (6) de gaz sous pression qui alimentent des ballasts (7) permettant de faire varier la flottabilité, ainsi que les passagers et différents matériels. Dans la forme de réalisation selon la figure 1, le véhicule est du type planeur à ailes fixes (2), et possède des gouvemails de direction (8), des gouvernails de profondeur (9), un habitacle étanche (10) et des moteurs d'appoint à hélice (11) pneumatiques et/ou électriques alimentés par des batteries embarquées. Les schémas des figures 4 et 5 montrent ( de façon simplifiée ) comment la géométrie d'une aile fixe peut engendrer altemativement une poussée Sen phase descendante puis en phase ascendante, selon que la flottabilité rest négative ou positive. En fait, tout dépend de l'orientation des surfaces portantes concernées qui génèrent une force résistante due à la pression de l'eau, perpendiculairement à elles- mêmes. Les schémas des figures 6 et 7 permettent de comprendre aisément que des ailes orientables permettent de mieux maîtriser la poussée t La variante selon la figure 2 décrit un véhicule léger utilisant des ailes (2) propulsives, destiné à un ou deux plongeurs autonomes, et dont le corps (1) est ouvert à l'arrière et sur le dessus. A titre d'exemple non limitatif, le véhicule sans les ailes aura des dimensions de l'ordre de 1,7 mètre pour la longueur, de 1,2 mètre pour la largeur et de 0,7 mètre pour la hauteur. Le conducteur, protégé par le nez (4) pendant le déplacement, peut se servir de ses palmes pour guider l'appareil. Dans le plan éclaté de la figure 3, on détaille les composants de la forme de réalisation selon la figure 2. On voit que la structure du corps (1), réalisée avec des tubes mécano soudé, peut se décomposer en trois parties: le nez (4), une zone rigidifiée contenant le système propulsif et une partie arrière entièrement modulable. Celle-ci peut être aménagée avec plusieurs flotteurs amovibles (5), plusieurs bouteilles de plongée standards (6) munies d'un premier étage de détendeur et plusieurs ballasts réglables (7). Ces derniers sont branchés sur le circuit pneumatique et possèdent des vannes de communication avec l'extérieur dans les zones hautes et basses. La configuration proposée ici est composée d'un vérin pneumatique (12) écartant puis rapprochant deux ailes (2) situées de chaque côté de l'appareil. La palme souple (13) est fixée directement sur la structure de l'aile (14). Des ressorts (15) permettent de centrer chaque aile pendant le battement. Deux vérins hydrauliques (16) qui sont reliés chacun à la structure de l'appareil et à une aile. Ceux-ci permettent de commander chaque aile indépendamment de l'autre grâce à des circuits en dérivation contrôlés par des limiteurs de débit réglables (17). Le circuit pneumatique alimenté par les bouteilles de gaz (6) comprimé comprend un distributeur (18), un détendeur réglable (19) fournissant une pression relative supérieure à la pression ambiante, une temporisation réglable (20) commandant le battement et un second étage de détendeur classique (21)) disponible pour le plongeur. Selon une variante non illustrée, la temporisation peut être remplacée par des capteurs fin de course pour contrôler le cycle de battement des ailes. Le distributeur (18) change alors de position chaque fois que le vérin pneumatique (12) arrive en bout de course. La figure 8 schématise la configuration "nageoire" (3) en positionnant la palme (13), la structure de l'aile (14) et le vérin pneumatique (12) par rapport au déplacement du véhicule La figure 9 montre la même chose pour la configuration "aile" (2). La figure 10 illustre le cycle de propulsion d'une nageoire et fait ressortir la nécessité d'avoir une palme souple ou articulée. La variante présentée dans la figure 1 1 présente un exemple de palme (13) articulée sur la structure de l'aile (14). La palme (13) est fixée sur un axe (22) articulé dans la structure de l'aile (14). Deux butées (23) permettent de figer les angles maximum pris par la palme pendant un cycle de battement. Un ressort de rappel (24) permet de freiner la palme avant d'arriver en butée. Un petit mécanisme (25) monté sur la structure de l'aile (14) sert à faire varier la tension du ressort (24) en fonction de la vitesse du véhicule V. Quand la vitesse augmente, la pression de l'eau sur la surface S du mécanisme (25) est plus importante, ce qui fait tourner cette pièce et tendre le ressort (24). On augmente ainsi la "raideur" de la palme, ce qui revient à diminuer son angle d'incidence maximum et permet donc d'optimiser son rendement. Selon une variante non illustrée, on pourra modifier la "raideur" de la palme manuellement depuis l'intérieur du véhicule grâce à un câble relié directement au ressort. La figure 12 schématise un dispositif manuel permettant de commander un ou plusieurs ballasts (7) grâce à un distributeur trois positions (26) ou une vanne complexe. La pression d'alimentation Pa est toujours supérieure à la pression ambiante P1. Les conduites d'arrivée et de retour sont équipées de clapet anti-retour (27) dont la fonction est précisée ci-après. L'évacuation du gaz dans le haut du ballast (7) est contrôlée indirectement à l'aide d'un dispositif schématisé par un distributeur deux positions (28) dont l'évacuation est équipée d'un clapet (29) du type "bec de canard". Cette solution permet d'éviter le piégeage de gaz dans la partie haute quelque soit la position du distributeur trois positions (26). Si le conducteur décide de remplir le ballast (7) d'eau en appuyant sur le bouton R, deux possibilités existent: - la pression Pg du gaz à l'intérieur du ballast (7) est inférieure à la pression ambiante P1. Dans ce cas, l'eau rentre par la ligne L1 dans le bas du réservoir pendant que le "bec de canard" (29) bloque l'aspiration de liquide par le haut. Quand les pressions s'équilibrent, le gaz s'évacue alors par le haut et l'eau continue de pénétrer en bas, - la pression Pg du gaz à l'intérieur du ballast (7) est supérieure à la pression ambiante P1. Dans ce cas, le gaz s'évacue d'abord par le haut, le clapet anti-retour (27) de la ligne L1 empêchant l'eau de sortir. Après l'équilibrage des pressions, le ballast se remplit normalement. Si le conducteur décide de vider les ballasts (7) en appuyant sur le bouton V, trois possibilités existent: - la pression Pg est inférieure à la pression ambiante Pi, elle-même inférieure à la pression d'alimentation Pa. Dans ce cas, le gaz arrive par la ligne L2 alors que le clapet anti-retour monté sur la ligne L3 empêche l'eau de pénétrer. Une fois les pressions équilibrées, le gaz chasse l'eau par la ligne L3, - la pression Pg est supérieure à la pression Pl, mais inférieure à la pression d'alimentation Pa. L'eau commence à s'évacuer tout de suite par la ligne L3 pendant que le gaz arrive par la ligne L2, - la pression Pg est supérieure à P1 et Pa ( suite à un équilibrage en profondeur par exemple). Dans ce cas, l'eau s'évacue par L3 alors que le clapet anti-retour de la ligne L2 empêche le gaz ou l'eau de sortir. Si la pression Pg devient inférieure à la pression d'alimentation Pa, on se retrouve dans le cas précédent. La figure 13 schématise un dispositif débrayable permettant de stabiliser automatiquement le véhicule dans l'eau. Celui-ci est composé du distributeur trois positions (26) cité précédemment, d'une ligne de vidange Lv directement connectée à la pression ambiante P1 et d'une ligne de remplissage Lr comprenant un limiteur de débit réglable (30) et un accumulateur gaz/eau (31). Quand le système est activé, le distributeur (26) est piloté par la différence de pression entre la pression ambiante P1 et la pression P2 de l'accumulateur (31). Si le véhicule descend, P1 augmente plus vite que P2 car l'eau dans la ligne Lr doit comprimer le gaz de l'accumulateur (31) avant de pouvoir équilibrer la pression P1. Ce déphasage permet donc de commander la vidange V. De la même façon, si le véhicule monte, P1 diminue plus vite que P2, d'où le remplissage des ballasts. Une molette sur le limiteur de débit permet de régler le temps de réponse de ce système. La figure 14 schématise un dispositif débrayable permettant de générer alternativement une flottabilité ascendante en dessous d'une profondeur pré programmée et une flottabilité descendante au dessus d'une certaine profondeur. Celui-ci est composé du distributeur (26) cité précédemment et de deux distributeurs deux positions (32) et (33) utilisant un système de tarage réglable. On règle le distributeur de vidange (32) afin qu'il déclenche la vidange V en dessous d'une profondeur correspondante à une pression maxi PM. De même, on règle le distributeur de remplissage (33) afin que le remplissage R se déclenche lorsque la pression ambiante est inférieure à la pression mini programmée Pm. Le véhicule selon l'invention est très polyvalent et permet, suivant la variante retenue, différentes utilisations: - loisirs, - soutien logistique à une palanquée, - transport de matériel sur un site d'exploitation en mer, - océanographie, - véhicule servant à l'exploitation d'un site aquacole, - remorque derrière un autre véhicule ou un plongeur. Selon les variantes utilisant des moteurs auxiliaires à hélice, on pourra même s'en servir comme "bateau" en dehors des sites de plongée. REVENDICATIONS 1) Véhicule sous-marin autonome caractérisé par un corps (1) dont la partie avant forme un nez (4) hydrodynamique, des flotteurs amovibles (5), des accumulateurs de gaz sous pression (6) alimentant des ballasts réglables (7), et des surfaces portantes telles que des ailes (2) ou des ailerons. 2) Véhicule selon la revendication 1 caractérisé par des ailes (2) orientables. 3) Véhicule selon la revendication 1 caractérisé en ce que les ailes (2) comportent des palmes souples (13) propulsives et sont actionnées par des vérins pneumatiques (12) qui sont branchés sur un circuit pneumatique comprenant un distributeur (18), un détendeur réglable (19) régulant la pression d'alimentation des vérins et une temporisation réglable (20) commandant le battement. 4) Véhicule selon la revendication 3 caractérisé par une ou plusieurs nageoires (3) remplaçant les ailes (2), la différence étant que l'effort transmis par le vérin (12) à la palme (13) correspond à un couple dont l'axe est perpendiculaire au déplacement du véhicule. 5) Véhicule selon les revendications 3 et 4 caractérisé par des ressorts (15) centrant les ailes ou les nageoires. 6) Véhicule selon les revendications 3 à 5 caractérisé par des vérins hydrauliques (16) servant d'amortisseurs aux ailes ou aux nageoires, et contrôlés par des limiteurs de débit réglables (17). 7) Véhicule selon les revendication 3 à 6 caractérisé par des palmes articulées (13) sur la structure (14) des ailes ou des nageoires, et des butées (23) figeant les angles maxi des palmes (13) autour de leur axe (22). 8) Véhicule selon la revendication 7 caractérisé par un ou plusieurs ressorts (24) qui permettent de freiner les palmes (13) en fin de course, les butées (23) n'étant alors plus nécessaires. 9) Véhicule selon la revendication 8 caractérisé par un mécanisme (25) permettant d'augmenter la "raideur" de la palme (13) en fonction de la vitesse du véhicule afin de limiter son angle d'incidence et ainsi d'optimiser son rendement. 10) Véhicule selon les revendications 8 et 9 caractérisé par un câble reliant le ressort (24) à une manette située à l'intérieur du véhicule afin de commander manuellement la "raideur" de la palme. 11) Véhicule selon les revendications 3 à 10 caractérisé par des capteurs fin de courses remplaçant la temporisation (20) pour contrôler le cycle de battement. 12) Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par un dispositif de commande des ballasts qui comprend un distributeur trois positions (26) commandé manuellement en mode remplissage ou vidage, des clapets anti-retour (27), et un distributeur deux positions (28) implanté en haut du ballast déclenchant l'évacuation des gaz à travers un "bec de canard" (29). 13) Véhicule selon la revendication 12 caractérisé par un dispositif débrayable de stabilisation automatique qui pilote le distributeur trois positions (26) grâce à un déphasage de pression créé sur la ligne de commande de remplissage par un limiteur de débit réglable (30) et un accumulateur Gaz/Eau (31). 14) Véhicule selon les revendications 12 et 13 caractérisé par un dispositif débrayable qui génère alternativement une flottabilité descendante/ascendante grâce au distributeur trois positions (26) piloté par un distributeur de vidage (32) réglable et un distributeur de remplissage (33) réglable. 15) Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par un habitacle étanche (10). 16) Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par des gouvernails de direction (8) et/ou de profondeur (9). 17) Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par un ou des moteurs pneumatiques (11) à hélice. 18) Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par un ou des moteurs électriques (11) à hélice alimentés par des batteries embarquées. 19) Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par des détendeurs de plongée classiques (21) branchés sur le réseau pneumatique et disponibles pour la respiration des passagers.