Petite histoire des sous-marins au travers de la propulsion.

sous-marin le triomphant
image source:
staps.uhp-nancy.fr

Article source:zone.sousmarins.free.fr

1624 Le premier sous-marin est construit par Cornelis Drebbel.
1800 L’ingénieur américain Robert Fulton fut l’un des précurseurs en matière de sous-marin. En 1800, il tenta de vendre au gouvernement français un sous-marin pour couler les bateaux anglais. Mais les français rejetèrent l’offre de Fulton. Nommé le Nautilus, il faisait 6m.50 de long. Il pouvait replier son mât et ses voiles à plat sur le pont, puis plonger à une profondeur de 7,6 m.
1888 L’ingénieur Français Gustave Zédé fabrique le premier sous-marin à propulsion électrique, le Gymnote.
1898 L’ingénieur Irlandais John Philip Holland construit le premier sous-marin véritablement opérationnel et le dote d’un système de propulsion mixte essence-électricité.
1902 Apparition des premiers sous-marins équipés de périscopes.
1906 Les Allemands adaptent le moteur Diesel à leurs sous-marins.
1960 Le premier sous-marin nucléaire lanceur d’engin (SNLE) est construit aux Etat-Unis.
1960 Au début des années 1960, quelques petits sous-marins de poche ont été construits pour la recherche scientifique. Ces petits submersibles sont prévus pour transporter 2 ou 3 personnes.
2000 Les premiers sous-marins réellement AIP (anaérobie).

La véritable histoire Des sous-marins

A l’épreuve du feu : la première Guerre mondiale

En septembre 1914, le sous-marin allemand U9 coule trois croiseurs britanniques en quelques minutes.

C’est pendant la Première Guerre mondiale que les sous-marins ont eu pour la première fois un impact significatif. Les U-boote allemands entrent très tôt en action dans ce qui est appelé la première bataille de l’Atlantique. Ils utilisent de nouvelles tactiques propres aux forces sous-marines et une supériorité numérique afin de remporter les combats. Ce sont plus des submersibles que des sous-marins au sens moderne du terme. Ils opèrent principalement en surface avec des moteurs conventionnels et plongent uniquement pour attaquer. Leur coque a en général une coupe triangulaire avec une quille bien dessinée pour limiter le roulis en surface et une étrave marquée.

Les années folles

De nouveaux types de sous-marins apparaissent pendant l’entre-deux-guerres. Parmi les plus notables, on peut citer les sous-marins porte-avions. Ils sont équipés d’un hangar étanche et d’une catapulte à vapeur pour lancer et récupérer de petits hydravions. Le tandem sous-marin + avion sert d’unité de reconnaissance en avant de la flotte, un rôle essentiel avant l’arrivée du radar. Le premier exemple est le HMS M2 britannique suivi par le Surcouf français, et quelques autres dans la marine impériale japonaise.  On notera que le Surcouf de 1929 est appelé  « croiseur sous-marin ». Il avait une réelle capacité pour engager des navires en combat de surface.

Les sous-marins de la Seconde Guerre mondiale

Allemagne

L’Allemagne a possédé la plus grande flotte sous-marine de la Seconde Guerre mondiale. En effet, comme le traité de Versailles limitait le tonnage de sa marine de surface (la reconstruction de celle-ci n’a commencé en urgence qu’un an avant le début du conflit), cela ôtait tout espoir de pouvoir battre la Royal Navy et surtout la marine française largement supérieure. En conséquence, le haut Commandement allemand stoppa rapidement la construction des navires de surface à l’exception des cuirassés de classe Bismarck et de deux croiseurs, pour allouer le maximum de ressources à la construction des sous-marins qui vu leur tonnage dérogeaient au traité de Versailles. L’expansion des moyens industriels et le début de la production en série prit la majeure partie de l’année 1940. Au final, plus d’un millier de sous-marins seront construits avant la fin de la guerre.

L’Allemagne a utilisé ses sous-marins lors de la seconde bataille de l’Atlantique pour tenter de couper les routes de ravitaillement entre les États-Unis et l’Angleterre. Celles-ci sont alors vitales pour l’alimentation et l’industrie britannique mais aussi pour l’approvisionnement en armement venu des États-Unis. Si techniquement les U-boote ont été constamment améliorés pendant les années de guerre, l’innovation majeure concernera les communications cryptées avec l’invention de la machine Enigma. Elle permettra les fameuses tactiques d’attaques groupées en « horde de loups » initiées par l’amiral Dönitz. Revers de la médaille, Enigma est également à l’origine de la chute des U-boote. Dans un autre domaine, le transport de fret, les allemands ont développé le concept de sous-marin cargo ou ravitailleur. En fait, il s’agissait de pouvoir importer des matières premières rares mais essentielles à leur industrie de guerre et apporter un support logistique aux U-Boot combattants dans des zones lointaines.

Lors de leurs missions, les U-boote opéraient surtout seul en essayant de trouver les convois dans les zones qui leur étaient assignées par le Haut Commandement. Lorsqu’un convoi était repéré, le sous-marin n’attaquait pas immédiatement mais le suivait pour permettre à d’autres sous-marins présents dans le secteur de le rejoindre. Puis, ils attaquaient ensemble de préférence la nuit et en surface. Lors de la première partie de la guerre, les sous-marins remportèrent ainsi de nombreuses victoires. Dans la seconde moitié, l’Allemagne possède une flotte de sous-marins impressionnante mais la supériorité numérique est contrebalancée par l’accroissement du nombre de convois fortement protégés. L’utilisation en masse d’escorteurs, d’avions et l’apparition d’inventions comme le radar et surtout l’ASDIC compromettra le succès des Loups allemands. Le sous-marin étant très vulnérable en surface, les ingénieurs allemands ont alors étudiés un système de propulsion anaérobie (turbine Walter) qui, ajoutée à la propulsion Diesel et électrique, aurait pu permettre au sous-marin de rester plusieurs jours, voire dans les rêves les plus fou des concepteurs, plusieurs semaines de suite en plongée. Ces études ont été interrompues par la fin de la guerre et reprises notamment par l’URSS.

Winston Churchill a écrit que la menace des U-boote était la seule chose qui le faisait douter de la victoire finale des Alliés.

Japon

Le Japon possède à cette époque la flotte de sous-marins la plus hétéroclite du monde. On y trouve les torpilles humaines Kaiten, les sous-marins de poche de classe Ko-hyoteki ou Kairyu, des sous-marins côtiers, des sous-marins de ravitaillement, des sous-marins océaniques souvent dotés d’un avion, les sous-marins de classe I-200 ( la plus grande vitesse en plongée du conflit) et les I-400, des sous-marins pouvant emporter plusieurs bombardiers (les plus grands sous-marins de la WWII).  Ces sous-marins étaient également dotés de la torpille la plus avancée de l’époque la Type 95 surnommée Long Lance à propulsion à oxygène.

Malgré leurs prouesses techniques, les sous-marins japonais n’ont eu que peu de succès au combat. Ils étaient malheureusement utilisés dans des missions offensives contre des navires de guerre plus manœuvrant et bien mieux défendus que les navires de commerce qui étaient les cibles privilégiés des U-boote. Cependant quelques réussites sont notables. En 1942, les sous-marins japonais coulent deux porte-avions, un croiseur et plusieurs destroyers. Ils en endommagent plusieurs autres ainsi qu’un navire de ligne. Ils n’arriveront pas à soutenir ce rythme suite au renforcement des flottes alliées. À la fin de la guerre, les sous-marins seront utilisés pour le transport de ravitaillement vers les différentes îles occupées.

Les premiers modèles japonais n’étaient pas très manœuvrant en plongée. Ils ne pouvaient pas plonger très profond et ne disposaient pas de radar. A la fin du conflit, plusieurs sous-marins japonais seront envoyés à Hawaii pour inspection dans ce que l’on a appelé l’opération Road’s End. Ils seront sabordés en 1946 lorsque l’URSS demandera également à les étudier.

Pendant la WWII, le Japon a coulé environ un million de tonnes de tonnage marchand (184 navires), contre 1,5 million de tonnes pour le Royaume-Uni et ses alliés (493 navires), 4,65 millions de tonnes par les États-Unis (1 079 navires) et 14,3 millions de tonnes pour l’Allemagne (2 840 navires).

États-Unis

Pendant ce  temps, les États-Unis utilisent leurs sous-marins pour attaquer les navires de commerce (ce que l’on a appelé la « guerre de course ») reprenant ainsi à leur compte la doctrine allemande afin de couper le ravitaillement des îles japonaises du Pacifique.

Alors que le Japon dispose des meilleures torpilles de la guerre, les États-Unis ont probablement la plus mauvaise, la Mark 14 à vapeur dont les détonateurs à influence et à contact, ne sont pas fiables. Pendant les vingt premiers mois du conflit, les commandants en chefs des forces sous-marines attribuèrent les ratés des torpilles aux mauvaises tactiques et manœuvres des commandants. Ce n’est qu’à la mi-1943 que des tests sérieux seront enfin réalisés pour vérifier les détonateurs. En septembre 1943, un nouveau modèle de torpille est mis en service, c’est la Mark 18. D’après ses constructeurs elle a fait l’objet de grandes innovations. Elle est supposée ne pas laisser de trace de sillage donc d’être discrète et en plus elle est réputée être extrêmement fiable. Malheureusement la Mk 18 avait pour défaut de parfois décrire des cercles sans prévenir (retour lanceur).  L’USS Tang et l’USS Tullibee seront perdus en 1944 après avoir été touchés par leur propre torpille tirée d’un tube arrière et l’USS Wahoo a été sévèrement endommagé de la même façon.

Pendant la WWII, l’US Navy aura mis en service 314 sous-marins.  Le 7 décembre 1941, 111 bateaux sont opérationnels alors que seulement 38 d’entre eux sont considérés comme « modernes » seuls 23 d’entre eux seront perdus. Plus tard, sur les 203 sous-marins de classe GatoBalao et Tench mis en service, 29 seront perdus. Au total 3 506 sous-mariniers américains trouveront la mort pendant la guerre.

Les défenses anti-sous-marines japonaises s’avérèrent d’abord peu efficaces. Les grenades sous-marines étant souvent réglées à une profondeur trop faible. Cette information sera maladroitement révélée au grand public par le député Andrew J. May dans une conférence de presse en juin 1943. Bien évidemment cette information arriva rapidement aux oreilles de l’amirauté japonaise. Cette boulette occasionnera un changement radical de la tactique japonaise et coûtera aux États-Unis la perte de dix sous-marins et 800 membres d’équipage.

Vers la fin du conflit, les japonais commenceront à utiliser des détecteurs d’anomalie magnétique et des avions pour couler les sous-marins américains.

On respire mieux avec le schnorchel.

Les sous-marins Diesel ont besoin d’air pour faire tourner leurs moteurs en surface et emportent donc d’énormes batteries pour obtenir la capacité de navigation sous-marine. En plongée, ceci limite leur vitesse et leur rayon d’action. Le schnorchel est initialement une invention hollandaise d’avant guerre. Le concept a été utilisé et développé sur les sous-marins allemands pour utiliser les moteurs Diesel juste sous la surface (immersion périscopique) afin d’éviter la détection visuelle et radar, le but étant de recharger les batteries en toute discrétion et renouveler l’air du bord. La marine allemande a également expérimenté des moteurs au peroxyde d’hydrogène en rencontrant de grandes difficultés techniques. Parallèlement les Alliés ont testé différentes techniques pour détecter un sous-marin navigant au schnorchel dont des senseurs chimiques pour « renifler » l’échappement des sous-marins.

Ils naviguent le plus souvent sous l’eau, du sous-marin moderne au rêve de Jules Vernes.

Dans les années 1950, l’énergie nucléaire arrive comme une alternative à la propulsion Diesel-électrique. Des procédés sont également développés pour extraire l’oxygène de l’eau de mer. Ces deux innovations permettront aux sous-marins de rester immergés pendant plusieurs semaines voire plusieurs mois et autoriseront des marées jusque là impossibles. La croisière de l’USS Nautilus au pôle Nord sous la calotte glacière de l’Arctique en 1958 a démontré le considérable potentiel de l’utilisation de l’énergie nucléaire à bord d’un sous-marin réalisant ainsi le rêve de Jules Vernes. La plupart des sous-marins militaires construits depuis cette époque aux États-Unis et en Union soviétique sont propulsés par des réacteurs nucléaires. Les facteurs limitant pour la durée en plongée deviendront alors la quantité de vivres et le moral de l’équipage dans l’espace confiné du bord.

Cependant, les puissances nucléaires, hors Etats-Unis, et les autres pays ont continué à produire des sous-marins Diesel-Electrique. Ces sous-marins que l’on appelle désormais  conventionnels avaient jusque dans les années 90 l’avantage d’être plus silencieux en plongée que les nucléaires, sauf lorsqu’ils utilisaient leur moteur Diesel pour recharger leurs batteries. Mais depuis, les avancées technologiques dans l’atténuation des sons et l’isolation phonique ont diminué cet avantage. Même s’ils sont moins rapides et peuvent emporter moins d’armes, les sous-marins conventionnels demeurent redoutables. De plus, comme ils sont moins chers à la construction et grâce à l’arrivée des sous-marins anaérobie le nombre de ces unités a considérablement augmenté tout comme le nombre d’acquéreurs.

Pendant la guerre froide, les États-Unis et l’Union soviétique ont maintenu de grandes flottes de sous-marins, engagés dans des poursuites de type « chat et souris » avec en guest stars la France et le Royaume Unis. Cette tradition perdure aujourd’hui, sur une échelle plus réduite mais avec de nouveaux joueurs tels que les chinois et les quelques quarante autres pays détenteur d’au moins un sous-marin.

L’Union soviétique a perdu au moins quatre sous-marins pendant cette période : le K-129 en 1968, le K-8 en 1970, le K-219 en 1986 et le Komsomolets en 1989 ; d’autres, comme le K-19, ont été gravement endommagés par des fuites radioactives. A la même époque les États-Unis perdirent deux sous-marins nucléaires : l’USS Tresher et l’USS Scorpion. En France ce sont les drames de la Minerve et de l’Eurydice, deux sous-marins du type Daphné qui endeuillèrent la famille des sous-mariniers.

Depuis la fin de la seconde guerre mondiale la France a conçu et mis en service les sous-marins Diesel-Electrique type Narval, Aréthuse, Daphné, le prototype Gymnote, et les Agosta. Les sous-marins à énergie nucléaire SNLE type le Redoutable puis le Triomphant et les SNA type Rubis.

Depuis l’origine, 1 600 sous-mariniers français ont donné leur vie aux forces sous-marines.

« Lorsqu’un équipage embarque et que le panneau se referme derrière lui, chaque sous-marinier incarne ce qu’un être humain peut donner de meilleur. » Mr FALCO, lors de l’inauguration du Monument National des Sous-mariniers disparus en mer (Nov 2009).

Histoire des sous-marins

  • 1887 : Le premier sous-marin moderne, le Gymnote, est construit par le français Gustave Zédé.

  • 1904 : L’ingénieur français Maxime Laubeuf construit un submersible équipé d’un périscope et qui eut la faveur de la marine de l’époque. Il fonctionnait à la vapeur, mais ne pouvait effectuer que de brèves plongées grâce à sa propulsion électrique, c’est le Narval.

  • De 1914 à 1918 : Les submersibles fonctionnant grâce à une propulsion à moteur diesel, purent être engagés en grand nombre durant la guerre. Très vite les sous-marins disposèrent d’une propulsion mixte : diesel pour la navigation en surface et électrique pour la plongée. Unebatterie d’accumulateurs alimente le moteur électrique. Les accumulateurs sont rechargés par une génératrice entrainée par le moteur diesel, lors des navigations en surface.

  • 1944 : Les U-boot Allemands peuvent continuer à utiliser leur propulsion diesel, lors de faible plongée, grâce à un tuyau d’une quinzaine de mêtres qui débouche à la surface de l’eau (le snorkel), qui alimente en air le moteur diesel

  • Années 1950, Sous-marins à propulsion nucléaire. Les hélices sont entrainées par des turbines à vapeur. Cette vapeur est produite par un réacteur nucléaire à eau et fourni toute l’énergie nécessaire au sous-marin pour qu’il puisse naviguer en plongée durant de très longues périodes.

Technologie des sous-marins

Les sous-marins possèdent :

  • Une coque intérieure, épaisse, conçue pour résister à la pression de l’immersion.

  • Une coque extérieure mince qui assure l’hydrodynamisme (faculté physique à se déplacer rapidement dans l’eau) dans le cas des double-coques.

  • Des ballasts situés entre les deux coques (ou aux extrémités) et dont leur manoeuvre (introduction ou chasse d’eau de mer) permet les manoeuvres du bâtiment (plongée ou remontée).

  • Des centrales inertielles pour assurer la stabilité du bâtiment.

  • Des moyens de communication, utilisant des ondes à très basse fréquence qui pénètrent de quelques mètres sous la surface.

  • De nombreux moyens de détection : périscopes de veille et d’attaque, radars et appareils d’écoute microphonique.

  • Des armes : torpilles sous-marines, missiles aérodynamiques ou balistiques.

La production d’énergie à bord des sous-marins:

Les premiers temps

prop-elec-&-mecanikPropulsion où le moteur électrique est en ligne avec le diesel.

La batterie (rectangle noir) alimente un moteur à courant continu en plongée.

En surface ou au schnorchel le diesel entraîne la ligne d’arbre et le moteur devient générateur pour recharger la batterie.

Aujourd’hui pour les SSK:

Le moteur électrique entraîne la ligne d’arbre via un réducteur. Le diesel entraîne une dynamo ou un alternateur.

La batterie alimente le moteur.

La batterie est rechargée par le groupe électrogène.propulsion-diesel-electriqu

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Propulsion à 2 lignes d’arbres

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La propulsion dite « nucléaire »1ere-prop-nucleaire

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Comment ça marche un sous-marin ?

Article source: netmarine.net

La navigation sous-marine a tenté les hommes depuis des siècles. Les progrès de la technique l’ont rendu possible. Elle obéit à deux grands principes, les principes de Pascal et d’Archimède, qui s’appliquent à tous les corps immergés.

Le principe de Pascalcommen01

Plus on descend, plus la pression augmente.

Sur la surface d’un corps immergé, s ‘exerce une pression, en bars, perpendiculaire à cette surface, dirigée vers l’intérieur et égale au nombre de dizaines de mètres d’immersion.

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Ainsi, à l’immersion de 100 mètres s’exerce une pression de 10 bars (appliquée sur l cm2) par rapport à la pression atmosphérique. Toute augmentation de 10 mètres de profondeur s’accompagne d’une augmentation de pression de 1 bar. Appliqué au sous-marin, ce principe permet de comprendre que les forces croissantes qui s’exercent sur la coque, tendent à l’écraser. La « coque épaisse » abrite le personnel et le matériel. Elle est construite en acier très résistant. Son épaisseur est calculée en fonction de l’immersion maximum prévue par le programme militaire du bâtiment.

Approximativement, pour une augmentation de 100 mètres de la profondeur d’immersion maximale, il faudrait augmenter l’épaisseur de la « coque épaisse » de 10 millimètres afin de compenser les efforts dûs à l’accroissement de la pression. Par contre certains éléments extérieurs du sous-marin, tels les ballasts ou les soutes, sont maintenus pleins de liquide, en communication avec la mer, lorsque le sous-marin est en plongée. Les pressions des deux côtés des parois s’équilibrent. Il n’est pas nécessaire dans ce cas de les construire en tôles épaisses, donc lourdes. Leur épaisseur varie de 5 à 10 millimètres.

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Le principe d’Archimède

Tout corps plongé dans un liquide reçoit de la part de ce liquide une poussée verticale dirigée de bas en haut, égale au poids du volume de liquide déplacé.

Le sous-marin dans l’eau de mer est soumis à deux forces :

– son poids, appliqué au centre de gravité (G), force verticale dirigée de haut en bas. Elle tend à faire descendre le sous-marin.

commen09– la poussée d’Archimède, appliquée au centre du volume immergé (C), force verticale dirigée vers le haut. Elle tend à faire remonter le sous-marin. L’équilibre est obtenu quand le poids de l’eau déplacée, c’est à dire la poussée, correspond au poids du sous-marin. Considérons le sous-marin en surface. Les ballasts sont totalement vides d’eau de mer. La partie supérieure émerge. Le sous-marin flotte, il est donc en équilibre. Le poids du volume d’eau déplacé est bien égal au poids du sous-marin. Si l’on ouvre la purge des ballasts, ils se remplissent d’eau. Le sous-marin s’alourdit et s’enfonce. Le poids du volume d’eau supplémentaire déplacé, qui correspond à une augmentation de même valeur que la poussée, est égal au poids de l’eau contenue dans les ballasts. Un nouvel équilibre statique est donc obtenu. A chaque volume d’eau ajoutée, le sous-marin s’enfonce un peu plus et trouve un nouvel équilibre.

En immersion maximale les ballasts sont totalement pleins d’eau de mer. Si l’on vide les ballasts en remplaçant l’eau de mer par de l’air contenu dans des bouteilles d’air situées à l’intérieur du sous-marin. Le poids du sous-marin diminue du poids du volume d’eau évacué des ballasts : la poussée, que l’on appelle aussi déplacement en plongée, est supérieure au poids du bâtiment. Le sous-marin est « léger », il remonte jusqu’à ce que la valeur de la poussée diminuant avec la hauteur de l’immersion, on obtient un nouvel équilibre poids/poussée.

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On dit que le sous-marin flotte toujours entre deux eaux

Si le poids du sous-marin devenait plus élevé que la poussée qu’il reçoit, il coulerait au fond de la mer et ne pourrait plus remonter (c’est pourquoi dès la conception du sous-marin il faut étudier avec précision son poids pour définir le volume des ballasts et éviter ainsi que le sous-marin ne sombre). Or, le volume des ballasts, arrêté à la construction, est constant. Il faut donc régler le poids du sous-marin lui même en fonction des ballasts pour que l’on puisse toujours obtenir l’égalité Poids=Poussée. Cette opération appelée « la pesée », est réalisée lors des premiers essais à la mer. Mais il ne suffit pas que le sous-marin soit en équilibre statique. Il faut aussi qu’il puisse naviguer droit et qu’il puisse rester dans cette position.

commen03Trois données entrent alors en jeu :

L’assiette d’un sous-marin définit son inclinaison longitudinale. C’est l’angle alpha que fait le fond du sous-marin avec l’horizontale. Elle dépend de la position du centre de gravité c’est à dire de la répartition des poids dans la coque, par rapport au centre de poussée. 
Si le sous-marin est trop chargé à l’arrière, il s’incline, l’angle alpha est positif l’assiette est positive. Inversement s’il est trop chargé à l’avant, l’assiette est négative. Si alpha est nul, le bâtiment est horizontal. Il est en assiette zéro.

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La gîte d’un sous-marin définit son inclinaison transversale. C’est l’angle B que fait l’axe longitudinal du plan transversal avec la verticale. 
Si le sous-marin est trop chargé à bâbord, il s’incline vers la gauche on dit qu’il y a de la gîte sur bahord. De même s’il est trop chargé à tribord, il y a de la gîte sur tribord.commen07

La stabilité d’un sous-marin est la qualité qu’il possède dc revenir en assiette zéro (position 1′ horizontale) et sans gîte, lorsqu’il est écarté de cette position pour une raison quelconque: houle, mouvement de poids à l’intérieur du sous-marin, etc… Pour une meilleure stabilité, il faut abaisser au maximum le centre de gravité et pour cela, il importe de placer les installations les plus lourdes dans les fonds du sous-marin. Ainsi, lorsqu’il navigue, le sous-marin subit constamment des variations de poids, dues notamment à la consommations dc vivres dc carburants (variations en -), ou à des entrées accidentelles d’eau de mer ( variations en +). Il subit aussi des variations de centre de gravité, par exemple si tout l’équipage se déplace en même temps vers l’avant du bateau pour une séance de cinéma On doit donc en permanence effectuer la ‘pesée du sous-marin » c’est à dire l’ensemble des opérations qui concourent à rétablir l’égalité Poids=Poussée, pour faire naviguer le bâtiment en plongée en assiette zéro et sans gîte. Pour cela il dispose dc caisses à eau spécifiques (régleurs, compensateur, caisses d’assiette).

(Source : Plaquette d’information DCN Cherbourg)

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Mise à jour investigation océanographique et oanis, le : 02/03/2013, 18h40.

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