Catapultes

Catapultes

Messagepar vigi » Mer 29 Sep 2010 22:43

Les catapultes, l'élément indispensable du porte-avions, sans elles aucun appareil moderne ne pourrait décoller du pont d'envol des porte-avions.
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sources US Navy

D'abord hydrauliques durant la seconde guerre mondiale, un modèle fonctionnant à la vapeur d'eau est rapidement développé au début des années cinquante, afin de permettre de catapulter la nouvelle génération d'appareil embarqué que sont les jets.
Les catapultes à vapeurs sont depuis cette époque les systèmes qui équipe tous les porte-avions dans le monde.
La fabrication et la conception des catapultes modernes est de conception US, le Charles de Gaulle (et avant lui le Foch et le Clémenceau) est équipé de catapultes Made in USA.
Si les catapultes vapeurs ont encore de beau jours devant elles, leurs remplaçantes sont déjà là...les EMALS ou catapultes Électromagnétiques...mais c'est une autre histoire.

Une catapulte se présente sous la forme de deux gros pistons parallèles qui qui se déplace dans deux tubes cylindriques.
Ces deux pistons sont mis en pression grâce à un réservoir de vapeur d'eau douce.
Des usines de désalinisation permettent de produire à partir de l'eau de mer, l'eau douce nécessaire au fonctionnement des catapultes à bord des porte-avions (et accessoirement aux marins du bord de prendre une douche. :mrgreen: )
On voit sur ce schéma ci-dessous, le réservoir de vapeur, les vannes et les commandes d'ouverture/fermeture situées en partie arrière de la catapulte qui permettent d'envoyer la vapeur vers les deux pistons.
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Piston de catapulte:

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Sur la partie supérieure de ces deux pistons est fixé la navette de catapulte qui reçoit la "tow bar" ou "barre de catapultage" situé sur le train avant de l'appareil.
Navette de catapultage et tow bar:

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Photo visible en HD ici



Sur les CVN US ces catapultes mesurent 108 mètres de long et sont capable de propulser à 270 km/h un appareil de 32 tonnes.
Lors d'un catapultage, le pilote encaissent une accélération de 5g.
Elles sont au nombre de quatre et sont numéroté de tribord avant (catapulte 1) à babord arrière (catapulte 4).


Plutôt qu'un long discours sur la cinématique de catapultage, voici en quelques images le déroulement de ce dernier:
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DĂ©roulement du catapultage:
-Une fois l'appareil en place, la "tow bar" abaissée et verrouillée sur la navette de catapultage et le hold-back mis en place.
Image Image
-L'officier catapulte donne l'ordre de mettre en pression la catapulte.
-Cette dernière est mise en pression en tenant compte de la masse de l'appareil catapulté, afin de délivrer la puissance strictement nécessaire au catapultage (ni insuffisant pour éviter le bouillon, ni trop pour éviter de tout arracher).
-Le pilote pousse la manette des gaz Ă  fond.
-L'officier catapulte abaisse son drapeau vert donnant ainsi l'ordre de catapultage.
-La force conjugué des réacteurs de l'appareil plus la vapeur poussant sur les pistons de la catapulte brise l'éprouvette du "hold-back", l'appareil est alors propulsé en quelques mètres à 270 km/h.
-Arrivée en fin de course, la "tow bar" du train avant se libère de la catapulte et pendant que l'appareil prend son envol, les pistons de la catapulte sont freinés par un matelas d'eau qui stoppe ses derniers.

Freins de pistons de catapulte

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On voit en bas à gauche de ce schéma, les deux arrivées d'eau, ces freins de pistons sont constamment alimenté en eau douce afin de toujours maintenir le matelas d'eau qui sert à stopper les pistons.



Les SEM Français sont encore catapultés à l'aide d'élingue de catapultage, le principe reste sensiblement le même qu'avec la "tow bar", à ceci près qu'à chaque catapultage l'élingue est perdu.



Un schéma de principe du circuit d'alimentation et de fonctionnement des quatre catapultes d'un porte-avions de classe Nimitz.

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Re: Catapultes

Messagepar kubica » Mar 2 Nov 2010 18:13

bonjour,merci,votre sujet sur la catapulte a vapeur est très complet.je fais actuellement un dossier sur la catapulte a vapeur dans le cadre de mes études.
j'aurai quelques questions Ă  propos de la catapulte:
pourquoi les 2 catapultes ne sont pas dans l'axe du porte avion?
la vanne de lancement(vanne d'admission de la vapeur) est une vanne papillon??
et surtout,l'eau qui est envoyée dans le belier de freinage tourne le long des parois du cylindre ou reste-t-elle seulement au faond du cylindre??

merci par avance
kubica
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Re: Catapultes

Messagepar vigi » Mar 2 Nov 2010 20:05

kubica a Ă©crit:pourquoi les 2 catapultes ne sont pas dans l'axe du porte avion?


Je ne suis pas sur d'avoir bien compris ta question kubica, mais je vais tenter une réponse.
N'hésites pas à me reformuler ta question si cela n'est pas la réponse souhaité.

Comme on peut voir sur ce schéma, les quatre catapultes sont sur le même axe

Si l'on constate que les deux catapultes avant peuvent envoyer des appareils en même temps, on constate sans difficulté que les rails des deux latérales sont convergentes, donc un catapultage en décalé.
La raison est simple, lors des catapultages, le porte-avions se met "bout au vent" (vent de face) afin de bénéficier d'un vent relatif maximum, il lui suffit alors d'accélérer pour additionner la vitesse du vent plus la sienne pour obtenir la V0 nécessaire au catapultage des avions.
C'est donc pour cela que les catapultes sont sur le même axe qui est également l'axe de la quille du PA, mais effectivement pas celui du pont d'envol. Cela pour que les quatre catapultes bénéficie au mieux du vent relatif.


kubica a Ă©crit:la vanne de lancement(vanne d'admission de la vapeur) est une vanne papillon??


Je ne connais pas assez pour ĂŞtre totalement affirmatif.
Mais au regard de ce schéma ci-dessous d'unes des vannes de catapultes des Nimitz-class.
Je serais plus enclin a penser à un système par piston.
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kubica a écrit:et surtout,l'eau qui est envoyée dans le belier de freinage tourne le long des parois du cylindre ou reste-t-elle seulement au faond du cylindre??


Non, ce n'est le long des parois, mais bien au fond du cylindre, la pointe de piston de catapulte "pénétrant" ce matelas ce qui assure un premier freinage hydraulique, l'arrêt final étant assuré par la butée que l'on voit sur le schéma du frein de catapulte.
Le matelas d'eau est chassé du tube par des orifices en périphérie du frein.

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Voilà en espérant avoir correctement répondu à tes questions.



Si tu le souhaites kubica, tu peux allez te présenter ici ;)
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Re: Catapultes

Messagepar kubica » Mar 2 Nov 2010 20:51

merci pour tes réponses.
oui,tu as parfaitement répondu à la premiere question,le problème était que je n'avais pas remarqué que l'axe de la quille était le même que celui de la catapulte(je trouvais donc bizarre que le P.A doive prendre un angle spécifique par rapport au vent ,pour que les avions décollent face au vent).
merci pour l'explication sur le frein à eau,car malgres de nombreuses recherches,je n'ai trouvé que tres peu d'informations...

pour le freinage: il y a bien un "trou" dans le cylindre avant le belier de freinage pour éviter que l'eau se répande dans le cylindre(qui est horizontale)

->question peut etre indiscrete ,mais: où as-tu toutes ces informations??car j'ai cherché et recherché,j'ai eu l'année derniere pendant quelques temps en ma possession le dossier technique de ces catapultes(prêté par la marine) et pourtant tu m'as apporté des réponse très précises (notamemnt ton schéma de la vanne de lancement est le même que celui que j'avais,mais avec des précisions supplémentaires!)

merci pour tes réponses
kubica
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Re: Catapultes

Messagepar vigi » Mar 2 Nov 2010 21:08

Pour le "souci" de l'eau du frein, lorsque l'eau est "éjecté" par le piston, elle est récupéré en périphérie de la chambre de freinage, en ce sens le schéma est "un peu" faux, puisque l'eau ne jailli pas de manière anarchique comme on le voit ici, mais elle s'évacue via des conduites de récupération.
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Re: Catapultes

Messagepar kubica » Mer 3 Nov 2010 12:13

merci pour tes réponses,ellles me seront sans doute très utiles dans la suite de l'élaboration de mon dossier.
je voulais répondre par message privé,mais je n'ai pas pu...(je dois me présenter en créant un topic a ce sujet??)
en tout cas merci,si j'ai d'autres questions je n'hésiterai pas,et réciproquement,si tu as des questions.
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Re: Catapultes

Messagepar vigi » Mer 3 Nov 2010 19:09

De rien kubica. ;)

Pour ce qui est des messages privés, effectivement, tu dois avoir posté cinq messages avant de pouvoir commencer à en envoyer.
Si tu le souhaites, tu peux effectivement créer ton sujet de présentation dans le chapitre qui va bien, ce serait sympa. :)
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Re: Catapultes

Messagepar vigi » Mer 12 Jan 2011 21:28

thomas a Ă©crit:Bonjour,
tout d'abord merci pour les renseignements, je les avais déjà parcourue et ils m'avaient pas mal aidé, c'est pour cela que je me suis inscrit sur le forum.
Pour en revenir a mes histoires d'admission de vapeur, j'ai lu que :" la quantité de vapeur et donc la force à fournir pour les pistons est calculée au préalables pour chaque type d'avion et selon sa masse au décollage, ainsi que la direction et vitesse du vent et même de la température de l'air"
Auriez vous un exemple précis ou une idée ou je pourrais en trouver un?
J'essaye d'avoir un rendez vous à la Ban de Landivisiau, pensez vous qu'ils pourront également m'éclairer plus précisément,

Merci

Thomas




Ce n'est pas trop la quantité de vapeur qui est réglé mais la pression de cette dernière.

Effectivement, la pression que je vais appeler Pcata est calculé en fonction de plusieurs critères.

Première chose à savoir, la vitesse de décollage de l'appareil... prenons de manière cavalière une vitesse de 140 nœuds (appelons là V1).
A quoi correspond cette vitesse ?
Ces 140 nœuds est la vitesse du vent relatif qui permet à l'avion d'avoir sa portance, en dessous de celle-ci... ben il tombe (ici dans l'eau ou l'Océan si tu préfères. :mrgreen: )

Donc, pour avoir V1, nous allons cumuler plusieurs facteurs.
Le vent relatif, disons 20 nœuds, le porte-avions se met donc bout au vent... nous avons déjà une vitesse de 20 nœuds.

Ben voui, un porte-avions ça a un gouvernail (safran pour les puristes), donc jamais de souci pour ce qui est le sens du vent, il sera toujours de face.

Le PA pousse ensuite sa vitesse de déplacement à 25 nœuds... nous avons maintenant un vent relatif qui va avoisiner les 40 nœuds ( la vitesse du vent n'étant pas constante et stable... on restera sur ce postulat... Et pas 55 nœuds qui serait bien trop optimiste).
De toutes façons, l'opérateur catapulte a la vitesse réelle du vent d'affiché, cela lui permet de régler sa Pcata)

V1 - 40 nœuds = 100 nœuds

Il nous reste donc à "produire" ces 100 nœuds manquants avec la catapulte.

La Pcata va donc générer cette force qui va propulser l'appareil à 100 nœuds avec l'aide du (des) réacteurs de ce dernier.

La Pcata va varier en fonction de la masse de l'appareil (qui est fonction du plein carbu et de l'armement de ce dernier), du type d'appareil ( Pcata différente si c'est un SEM, un Rafale ou un E-2, ils n'ont pas la même masse, la même V1, la même puissance moteur).

Un Rafale de 26 tonnes aura besoin de plus de puissance qu'un Rafale Ă  20 ou 22 tonnes... cqfd.

Pcata est effectivement recalculé constamment pour tenir compte de la vitesse du vent et de celle du PA (chute ou augmentation de ces vitesses).

La température de l'air et le taux d'humidité ont aussi de l'importance.
Tu vas envoyer nettement plus de pression en Océan Indien, qu'au large de Toulon ou de Brest, pour catapulter un Rafale de 20 tonnes.
Un air chaud et humide génère nettement moins de portance, qu'un air plus frais et moins chargé en eau.


Pas sur qu'à Landi tu trouves des spécialistes catapulte, le mieux serait une visite du CdG lors d'un passage à Toulon. ;)
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Re: Catapultes

Messagepar thomas » Mer 19 Jan 2011 11:56

Bonjour,

Sauriez vous quelle est la vitesse que fournit l'avion a l'aide de ses reacteurs pour que je puisse en deduire la vitesse final de la catapulte.
Dans ce topic est Ă©crit qu'une catapultes de 108 metres permet de propulser un avion de 32 tonnes Ă  270 km/h soit 145 noeuds, cad qu'il est possible dans ce cas de catapulter un avion si le porte avions est Ă  " l'arrĂŞt ".
Cependant la catapultes du CdG ne mesure que 75m, peut elle fournir autant de puissance?
De plus, auriez vous des caractéristiques précise sur la longueur, le diametre des cylindres etc..?
thomas
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Re: Catapultes

Messagepar vigi » Mer 19 Jan 2011 15:16

thomas a Ă©crit:Bonjour,

Sauriez vous quelle est la vitesse que fournit l'avion a l'aide de ses reacteurs pour que je puisse en deduire la vitesse final de la catapulte.


Comme je l'ai déjà dit, on touche ici une variable à facteurs multiples.
La vitesse du vent relatif.
La masse de l'appareil catapulté.
La puissance délivré par le dit appareil.
La vitesse du porte-avions.

Tous ces facteurs font que tu n'auras jamais la même pression/vitesse de déplacement de la catapulte...

Je continue de répondre avec ta question suivante. ;)


thomas a Ă©crit:Dans ce topic est Ă©crit qu'une catapultes de 108 metres permet de propulser un avion de 32 tonnes Ă  270 km/h soit 145 noeuds, cad qu'il est possible dans ce cas de catapulter un avion si le porte avions est Ă  " l'arrĂŞt ".
Cependant la catapultes du CdG ne mesure que 75m, peut elle fournir autant de puissance?


C'est bien la capacité de catapulter une masse donnée qui défini le mieux une catapulte de porte-avions. ;)
Les CVN US et le CdG utilise le même type de catapulte (des C-13), seul change le modèle (la longueur).
Un Nimitz-class peut catapulter un appareil de 32 tonnes car il dispose d'une longueur de 99 m (300 pieds), d'une vitesse de déplacement maxi de 32 nœuds (voir sans doute plus +/- 35 nœuds durant un temps défini).

Le CdG n'a pas cette capacité de 32 tonnes pour de simples raisons de physique élémentaire:
a) son pont d'envol est plus court, donc la distance de propulsion est réduite.
b) sa vitesse maximum est de 27 nœuds soit cinq de moins que ses cousins US.
Ces deux points font que le CdG ne peut catapulter 32 tonnes, de mémoire il me semble que ses catapultes sont calibrées pour 25 tonnes

Comme tout élément moteur, une catapulte n'est jamais utilisé au maximum de ses capacités, afin de lui assurer une certaine durée de vie et, d'éviter la casse "mécanique".
On peut raisonnablement penser que les C-13 en ont encore "sous le pied", mais que cette puissance nuirait sans aucun doute à leur fiabilité.


Pour ce qui est du catapultage au mouillage.
La chose est abandonné depuis le début des années 1920 et l'entrée en service des porte-avions.
A l'heure actuelle je ne connais aucun appareil capable de cette performance, que ce soit avec la catapulte ou sans, en utilisant toute la longueur du pont d'envol de la poupe Ă  la proue (ce qu'on appelle "faire un pont droit").
Autre point, en mer, tu as toujours du vent, mĂŞme faible, mais du vent quand mĂŞme.
Maintenir un bâtiment comme un PA sans propulsion dans bout au vent, relève quasiment du miracle... Je te parle même pas si la mer est un peu formé.
Enfin, au risque de me répéter, un catapultage a toujours besoin d'un vent relatif non nul, si il n'existe pas à l'état naturel, c'est le PA qui le génère avec sa vitesse de déplacement, on peut raisonnablement penser qu'avec 20/25 nœuds de vent relatif, on dispose d'une vitesse acceptable pour commencer les opérations de catapultage.

Il y avait eu une étude de faite par un pilote de Bréguet Alizé, ce dernier avait calculé qu'avec une vitesse de 30 nœuds (capacité largement à la portée des Clem' et Foch), un vent nul (météo) et la totalité de la longueur du pont, un Alizé pouvait décoller du PA.
C'est le seul exemple d'appareil moderne que je connaisse et, qui s'approche le plus de ta question de catapultage Ă  "l'arrĂŞt".




thomas a écrit:De plus, auriez vous des caractéristiques précise sur la longueur, le diametre des cylindres etc..?


Là, je crains que ces données soit difficilement accessible aux quidam que nous sommes tous.
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