La course aux grands fonds. Contribution française de 1950 à 1990
Gérald Boisrayon
Ingénieur général de l’Armement
Ancien directeur des constructions navales
Le 13-03-2019
Jean Pépin-Lehalleur, président de la section Sciences et techniques, présente le conférencier de ce jour, Gérald Boisrayon, ancien élève de l’Ecole polytechnique, ingénieur général de l’Armement et ancien directeur des constructions navales.
C’est pour moi un honneur et un plaisir d’évoquer devant votre assemblée une poignée de souvenirs qui vont de mon entrée en service à Toulon en 1968 jusqu’à mon départ du Service technique des Constructions navales en 1989.
J’ai connu tous les acteurs dont je vous parlerai dans la suite, à commencer par l’ingénieur général Gempp qui fut l’un des acteurs éminents de l’aventure des bathyscaphes et par l’ingénieur général Willm dont Hervé Guillou vient de prononcer l’éloge.
Lorsque André Gempp prit la succession de l’IGA Jaubert à la tête de la Direction des constructions et armes navales de Toulon, il réunit ses ingénieurs de direction et leur tint un discours de bienvenue. Il ressortait de ce discours, fondé sur son expérience personnelle, que la vie professionnelle était semée de hasards qu’il était vain de chercher à prévoir ou à éviter. En conséquence, le nouveau directeur ne voulait à aucun prix entendre parler de plans de carrière, et la sagesse commandait qu’on laisse faire le hasard.
On pourrait en dire de même de la course aux grands fonds marins, dont elle fut par beaucoup d’aspects le fruit du hasard et de la nécessité. André Gempp et Pierre Willm ont marqué les débuts de cette histoire en France. C’est donc par l’évocation de leur action que commence cette présentation, avec le rappel de quelques points d’histoire.
Entre les deux guerres mondiales, la course aux grands fonds et aux fortes altitudes démarre. Sous l’eau, le 15 août 1934, l’américain Beebe atteint 908 mètres de profondeur dans une sphère d’un mètre quarante-cinq de diamètre pendue au bout d’un câble d’acier. Cette minuscule sphère, la Bathysphère, qui contenait deux passagers, tenait du pendule du professeur Tournesol, et la vie de l’équipage ne tenait qu’au bon vouloir du câble à rester intact, ce qui était un pari des plus audacieux.
Dans les airs, le professeur suisse Auguste Piccard atteint le 18 août 1932 l’altitude de 16 900 mètres à bord d’un ballon stratosphérique, le FNRS 1. Ce ballon avait été nommé ainsi car sa construction avait été financée par le Fond National de la Recherche Scientifique belge. Après ce record, le FNRS 1 fut exposé en 1935 à l’exposition universelle de Chicago, pendu au-dessus de la Bathysphère de Beebe. L’idée de construire un dirigeable sous-marin sur le modèle du FNRS 1 prit corps et, en 1937, le FNRS belge accorda à Auguste Piccard un crédit de 25 000 $ pour construire un tel engin, capable d’aller jusqu’à 4 000 mètres de profondeur. Cet engin prit naturellement le nom de FNRS 2.
En 1939, au début de la guerre, les deux hémisphères étaient prêts. La guerre passe. Auguste Piccard revient de Suisse et Max Cosyns, l’ingénieur belge qui le secondait, rentre de Dachau où il avait été interné. En septembre 1748, le FNRS 2, devenu un bathyscaphe, embarque sur un cargo avec Piccard père et fils et Cosyns, puis appareille pour Dakar. Le choix de Dakar avait été dicté pour y trouver des fonds de 4 000 mètres correspondant à l’immersion maximale de FNRS 2 ; et aussi pour profiter de la présence et du soutien de la Marine française qui y avait une base. Le 26 octobre 1948, une première plongée habitée amena Piccard et le professeur Monod à 28 mètres de profondeur. La suite des opérations comportait une plongée à vide à 1 380 mètres, qui eut lieu une semaine plus tard. La sphère se comporta bien, mais le flotteur fut détruit par les paquets de mer au retour en surface, puis pendant le remorquage vers Dakar.
L’expédition de 1948 avait donc été un fiasco, principalement parce qu’Auguste Piccard n‘avait pas compris que la mer n’est pas la stratosphère et que l’environnement y est beaucoup plus rude. Le FNRS belge retira donc ses billes de l’aventure, dont il ne restait plus qu’une sphère d’acier munie d’un hublot en plexiglas. En 1950, le FNRS belge passa un accord avec le CNRS français et la Marine nationale pour faire autour de la sphère d’origine un engin utilisable jusqu’à 4 000 mètres de profondeur.
1. Le bathyscaphe FNRS 3. La conception et la construction de cet engin échurent à la Direction des constructions navales de Toulon et furent confiées à l’ingénieur principal du Génie maritime Gempp, alors chargé de l’entretien des sous-marins.
Un bathyscaphe est un dirigeable dont la source d’énergie est une batterie d’accumulateurs électriques. L’autonomie que procure la batterie n’est pas suffisante pour aller tout seul sur le site de la plongée. On y va donc à la remorque d’un bâtiment qui assure le soutien : stocks d’essence pour le flotteur, stock de grenaille pour le lest, police du plan d’eau pendant la plongée, … La phase du remorquage peut être longue, par des temps pas forcément très sympathiques. Il y a donc intérêt à ce que l’objet remorqué ait un minimum de qualités nautiques. Pour prévenir ce qui s’était passé à Dakar avec le FNRS 2, Gempp donna au flotteur les formes d’un chalutier, ce qui améliora grandement les conditions du remorquage.
Les formes de l’engin, aujourd’hui exposé à Toulon au parc de la Tour royale, près du mémorial des sous-mariniers, sont bien visibles. Dans la partie haute, peinte en jaune, la baignoire permet de prendre les dispositions de plongée à l’abri des vagues et de protéger l’accès à la sphère des paquets de mer. Dans la partie basse, la sphère, également peinte en jaune, abrite l’équipage, avec le hublot en plexiglas que se disputent le pilote et l’observateur scientifique. Entre les deux, peint en rouge, le flotteur contient l’essence et les silos à grenaille. Accrochés à la structure de support de la sphère se trouvent les projecteurs pour éclairer le monde de la nuit et les caméras pour enregistrer ce qui s’y passe.
Gempp acheva les études mais fut nommé à la tête de l’arsenal de Saigon juste avant que les essais ne démarrent. Pierre Willm prit donc la suite et effectua avec le commandant Houot une série de plongées, d’abord devant Toulon le 6 août 1953, puis au large de Dakar le 15 février 1954 où il atteignit la profondeur de 4 050 mètres, record mondial à l’époque. Conformément à l’accord passé avec la Belgique, l’engin fut transféré à la Marine française, qui en assura dès lors l’exploitation pour le compte de la communauté scientifique.
2. Le bathyscaphe Archimède. La fin de la décennie 50 a vu naître la course aux grands fonds. Les sept années d’exploitation du FNFR 3 avaient fait apparaître les limites de cet engin qui n’avait pas spécialement été conçu pour une utilisation par la communauté scientifique. On décida donc de lancer les études et la construction d’un nouveau bathyscaphe, capable d’explorer les fosses les plus profondes, et dont la Marine serait l’opérateur. Pierre Willm avait toutes les compétences pour diriger ce projet. Il en fut donc chargé, d’abord au Service technique des constructions navales à Paris, puis à la Direction des constructions navales de Toulon qui en fut le port constructeur.
Voici les caractéristiques essentielles de l’Archimède : masse à vide, 58 t ; essence, 107 t ; grenaille, 18 t ; soit 200 tonnes de masse en situation de plongée dont la moitié était consacrée à l’essence qui était de l’heptane, « un beau bestiau ! ». Le déploiement de l’engin était assuré par le Marcel Le Bihan, ancien tender allemand qui assurait le remorquage et le soutien. Dans son activité scientifique, l’Archimède fonctionnait par campagnes avec un rythme de deux plongées par semaine. Il emportait un équipage de trois hommes ; un pilote, un observateur, généralement un scientifique, et un navigateur qui mettait en œuvre le sonar de détection lointaine.
L’Archimède a fonctionné jusqu’en 1974, date de l’expédition franco-américaine Famous sur la dorsale atlantique. Après Famous, le Centre National d’Exploitation des Océans (CNEXO), qui assurait le financement des campagnes, décida de se retirer. Comme la Marine ne voulait pas assurer seule la charge financière du bathyscaphe, il fut décidé de le mettre « sous cocon ».
3. La soucoupe Cyana. Il ne reste plus au service de la communauté scientifique française que la soucoupe Cyana. Elle ne plonge qu’à 3 000 m, emporte un pilote et un observateur et n’a pas beaucoup de charge utile. Elle avait été conçue par Cousteau comme un engin de cinéma capable de couvrir toute la Méditerranée, l’aspect scientifique étant secondaire. Entre l’Archimède, qui était un mammouth, et Cyana, qui était une libellule, il fallait trouver un moyen terme qui fut un véritable outil de travail.
4. La genèse du Nautile. Pour combler ce vide, le CNEXO, qui devait prendre le nom d’IFREMER après le rattachement de l’Institut des pêches, se mit à étudier un nouvel engin. Il se tourna vers le ministère de la Défense, qui se retourna vers la Direction des constructions navales, qui se retourna vers le Service technique, qui passa la balle à la section « sous-marins » ; au sein de cette section je fus désigné comme le chef de ce projet.
La soucoupe Cyana était supportée par un bâtiment de servitude de plateforme pétrolière, le Nadir, qui n’exigeait qu’un équipage réduit. Il était logique d’assurer le soutien du Nautile avec ce bâtiment. Comme l’IFREMER n’avait pas prévu de changer le portique de manutention du Nadir, on imposa au nouvel engin une sévère limitation de masse à 17 tonnes en tenue de mise à l’eau. Le reste était à l’avenant : un équipage de 3 hommes, 13 heures de mission, 5 jours de survie et un rythme d’activité forcené. L’immersion maximale de 6 000 mètres avait été choisie pour couvrir 97 % de la surface des océans, ce qui revenait à négliger les grandes fosses du Pacifique, ces fosses n’intéressant que très moyennement la communauté scientifique. Le rythme d’activité demandé était d’une plongée par jour, six jours par semaine, par campagnes de durée unitaire n’excédant pas vingt semaines. Comme l’engin pouvait être manutentionné à la mer, son déploiement pouvait se faire à la vitesse du bâtiment support, et non à la vitesse d’un remorquage, opération lente et périlleuse. On multipliait par dix le nombre de plongées annuelles et la conséquence en était que le coût d’une plongée devenait significativement plus faible.
La limitation de masse était épouvantable. Aucun engin au monde, doté de telles capacités, n’était aussi léger.
Pour ce qui était de l’architecture générale, les seules références valables étaient les sous-marins américains d’exploration Alvin, Sea Cliff, et Turtle. L’Alvin ne plongeait qu’à 3 600 m ; les deux autres à 2 000 m et une refonte en cours devait leur donner la capacité d’aller jusqu’à 6 000 m. Au terme de cette refonte, les engins devaient peser 28 tonnes, à comparer aux 17 tonnes demandées pour le Nautile.
5. La sphère principale. On commence toujours par l’endroit où se tiendra l’équipage. Tous les sous-marins d’exploration profonde sont construits autour d’une sphère principale où se tiennent pilote et navigateur-observateur. Trois places permettant d’embarquer un scientifique, géologue, ichtyologue ou autre, qui aura ainsi le pouvoir d’observer in situ, en temps réel, et de modifier si nécessaire, sur site, le déroulement de la plongée. C’est ce qu’avait fait l’Archimède en 1974 sur la dorsale atlantique lors de l’expédition Famous.
Le diamètre intérieur de la sphère est un élément important du confort de l’équipage. Le diamètre retenu fut celui de la sphère de l’Archimède. Ce diamètre était tout juste compatible avec les moyens de production des brames de titane disponibles en France. Pour obtenir des hémisphères à l’état fini de 62 mm d’épaisseur et de 90 mm d’épaisseur dans les zones renforcées autour des ouvertures, il fallait partir de flans de 104 mm d’épaisseur avant emboutissage, les lingots de départ étant de 7 t. Pour assembler les deux hémisphères et en raison de l’urgence qui empêchait de qualifier un procédé de soudure, on décida d’agir mécaniquement, comme cela avait été fait pour l’Archimède.
On soumit les hémisphères réalisées à des contrôles de qualité très sérieux pour vérifier l’absence de défauts, en particulier une épreuve hydrostatique dans l’un des grands caissons à pression de l’U.S. Navy. Les équipes américaines qui avaient testé les sphères des engins américains furent impressionnées par la légèreté de la sphère du Nautile. Equipée, elle pèse 4 551 kg et déplace 5 960 litres.
6. Les hublots. Dans les années 70, la vision directe sous l’eau était considérée comme indispensable. Il était évidemment exigé que les déformations du hublot sous l’effet de la pression n’altèrent pas ses qualités optiques : distorsion, évaluation des distances et des dimensions par les observateurs. Les hublots de l’Archimède avaient fait leurs preuves au plan mécanique et l’Altuglas M 70 de la société Altulor, ayant fait l’objet d’une étude de caractérisation poussée de la part de l’Etablissement Technique Central de l’Armement, avait montré son excellente répétabilité.
7. Le flotteur principal. Il représente un volume de 6 935 litres, soit 16 % de plus que la sphère principale. Il était exigé une flottabilité du double de celle de la sphère. Le comportement sous pression du flotteur principal est un élément essentiel de la sécurité de l’engin. La qualification du matériau de flottabilité est donc un point fondamental du développement. Le seul matériau disponible sur le marché international était la formule en composite verre-résine développée à la demande de l’U.S. Navy pour la refonte des engins Sea Cliff et Turtle.
Les différents pains qui composent le flotteur sont collés entre eux par des plots de colle. Une fois en plongée, l’eau de mer circule librement entre les pains qui, étant de taille similaire, se compriment de façon homogène.
Contrairement aux sous-marins militaires, où les ballasts sont faits en tôlerie légère et sont soudés sur la coque résistante qui constitue la colonne vertébrale du bâtiment, ici les ballasts sont réalisés à part et accrochés à la charpente extérieure du bâtiment. Ils enserrent la sphère principale et, de ce fait, participent aussi à sa protection contre les chocs en cours de manutention.
8. L’ensemble énergie-propulsion. Les batteries principales sont constituées d’éléments alcalins placés dans des conteneurs en complexe verre-résine. Les éléments sont immergés dans de l’huile pour transformateurs et équilibrés à la pression d’immersion. L’ensemble propulsif principal est constitué d’un moteur synchrone à aimants permanents, en équilibre à la pression d’immersion dans de l’huile, comme ils étaient sur le bathyscaphe Archimède. Le moteur a une puissance de 2 500 W.
9. Les services auxiliaires. A droite, est placée une réserve d’oxygène prévue pour 133 heures de plongée et, à gauche, un conteneur d’électronique. Il existe deux silos à grenaille, placés à peu près au centre du bâtiment, derrière la sphère principale. Ils sont remplis de grenaille de fonte qui peut s’écouler au travers d’un électro-sablier commandé électriquement. En cas de perte du courant, toute la grenaille se vide et le bâtiment s’allège considérablement pour remonter vers la surface. Cette disposition a été reprise de ce qui existait sur le FNRS 3 et l’Archimède qui fonctionnait parfaitement.
10. Les essais. Il s’est passé un peu plus de cinq ans entre l’émission du cahier des charges (avril 1979) et le début des essais en mer. Ces essais ont été articulés en trois campagnes : 1. une campagne par petits et moyens fonds au large de Toulon en décembre 1984 pour vérifier le fonctionnement du matériel jusqu’à 2 400 m ; 2. une campagne devant Toulon à la fin de janvier 1985 après remise en condition avant le départ pour les essais en grands fonds ; 3. une campagne grands fonds dans la fosse de Porto Rico par plus de 6 000 mètres.
Comment une opération d’immersion se déroule-t-elle ? Tout commence par un engin confortablement calé sur son chantier en plage arrière. L’équipage est dans la sphère ; le panneau est fermé ; les équipes de pont prennent place. La première phase de l’opération est la mise à l’eau. Le portique se met en mouvement, l’engin passe le tableau arrière puis, lorsqu’il a complètement débordé, le guindeau prend le relais et le sous-marin entre en contact avec son élément. C’est ici que se situe la partie délicate de l’opération, car on est très proche du tableau arrière sans qu’on puisse encore s’en éloigner. Sur le pont du Nautile un plongeur s’apprête à libérer le sous-marin de la pantoire de hissage. La seconde phase de l’opération est la prise de plongée. Le plongeur décroche la pantoire de hissage et le sous-marin prend son autonomie ; la plongée peut commencer. L’équipage ouvre les purges du ballast et le plongeur vérifie que l’air ne se piège pas dans les superstructures. Encore un dernier remous… et l’aventure commence ! En route vers les grands fonds.
11. La logique de développement.
Le développement du Nautile a démarré au début de l’année 1980, avec l’obligation de conduire en parallèle le développement de la technologie et les études d’architecture. C’est évidemment la pire des situations, car la technologie n’est pas sans incidence sur les choix d’architecture. Les Anglo-Saxons commencent par développer la technologie, puis ils développent le sous-marin Nous, nous avons dû prendre des raccourcis pour respecter les engagements internationaux que l’Ifremer avait pris sans trop se préoccuper de la faisabilité du projet dans les délais impartis.
Le Nautile n’était pas un très grand projet, mais c’était un projet très ambitieux qui comportait une part appréciable de risques techniques. Il n’était pas question de se lancer dans une innovation à tout-va, mais de ne retenir que les innovations techniques indispensables aux missions de l’engin. On a donc commencé par une sérieuse analyse de la valeur du cahier des charges pour l’épurer de tout ce qui n’était qu’accessoire. Ayant fait le bilan de tout ce qui était récupérable dans les projets antérieurs, et au prix d’une éventuelle adaptation, toute l’énergie du développement a été consacrée à l’essentiel : envoyer trois hommes à 6 000 m pendant treize heures, dans d’excellentes conditions de sécurité et d’efficacité, leur permettre de rapporter 200 kg d’échantillons, et d’assurer leur récupération jusqu’à mer force 5. Au cours de la campagne Kaiko au large du Japon, le Nautile a subi les effets d’un typhon qui excédait largement les conditions d’une mer force 5. Ses superstructures ont été en partie détruites, la sphère principale a même connu des déplacements sur son siège, mais aucun des organes de sécurité n’a failli et l’équipage a été récupéré sain et sauf dans un état de fraîcheur variable. Cette aventure japonaise a validé, a posteriori, tous les choix qui avaient été faits au cours du développement.
Le Nautile a été construit au Centre d’études et de recherches techniques sous-marines à la Direction des constructions navales de Toulon. Les plans d’exécution et la construction ont été effectués sous la direction d’une équipe qui avait travaillé sur FNRS 3 avec André Gempp et sur l’Archimède avec Pierre Willm. Son expérience a été inestimable dans le développement du Nautile.
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