Scaphandre autonome

Le scaphandre autonome, qui offre au plongeur une complète liberté de mouvements, a été mis au point grâce à une suite d'inventions réalisées au cours du XIX^e siècle et de la première moitié du XX^e siècle. Quant aux deux siècles qui ont précédé l'avènement de sa maturité (du XVIII^e siècle jusqu'en 1943) ils ont été essentiellement dominés par les scaphandres à casque, ou « scaphandres pieds lourds », qui reliaient le scaphandrier à la surface par un tube lui fournissant son air. Avant le XVIII^e siècle, l'homme plongeait déjà en apnée, et depuis la nuit des temps, mais il a toujours été limité par la durée et par la profondeur. Les problèmes à résoudre furent les suivants :

• l'approvisionnement en air à bonne pression ;
• le rejet du dioxyde de carbone, asphyxiant pour l'homme ;
• l'augmentation de la pression de l'eau avec la profondeur qui empêche les mouvements d'inspiration (la pression à 10 m de profondeur est le double de la pression atmosphérique) ;
• la mobilité.

Pour résoudre ces problèmes, Léonard de Vinci (1452-1519) imagine un masque avec tuyau amenant l'air au plongeur. Conçue pour des profondeurs ne dépassant pas quelques dizaines de mètres, cette technique est irréaliste car à partir d'un mètre et demi de profondeur la respiration devient irréalisable, la cage thoracique humaine n'ayant en réalité pas la force de vaincre la pression exercée par l'eau, même à une si faible profondeur. Il aura fallu attendre l'avènement de pompes à air (au XVIII^e siècle) pour apporter au plongeur un air se trouvant à la même pression que l'eau environnante.

Le principe des cloches immergeables est ancien et de nombreuses expériences ont été menées. La plongée d’Alexandre le Grand « dans un tonneau de bois recouvert d’une peau d’âne enduite de cire d’abeille » en 325 avant J.-C., en est un parfait exemple. Le principe, était d’immerger un récipient étanche en maintenant l’unique ouverture vers le bas, que pendant la descente l’eau pénètre au fur et à mesure et que l’air prisonnier à l’intérieur du récipient se comprime progressivement. Les inconvénients pour les plongeurs était l’espace étroit, et l’impossible renouvellement de l’air.

La cloche de Edmund Halley (1690) (physicien et astronome qui a découvert le cycle de la comète qui porte son nom) emprisonne de l'air qui est régénéré par un apport de tonneaux d'air[5].On peut supposer, que Halley s’est inspiré des travaux présentés par Denis Papin en 1691 qui conseillait de « presser l’air » par des pompes[6].

John Lethbridge (1715) imagine l'armure de plongée dont une ouverture sert à l'alimentation en air par des soufflets et l'autre à l'évacuation de l'air vicié.

Le Sieur Fréminet conçoit à Paris en 1772 le premier casque de plongée, lié soit à une réserve d'air soit à une pompe le fournissant en surface. Le nom dont il baptise son invention : « machine hydrostatergatique ».

Le mot scaphandre, du grec skaphe (barque) et andros (homme), est utilisé pour la première fois en 1765 par Jean-Baptiste de La Chapelle, dit l'Abbé de la Chapelle (1710-1792), lorsqu'il présente à l'Académie Royale des Sciences une invention dont il est l'auteur. C'est un costume doublé de liège permettant à des soldats ou à des naufragés de flotter sur l'eau et de traverser des cours d'eau. Il en fait la démonstration dans les eaux de la Seine en face de Bercy, commune située actuellement à l'intérieur de la ville de Paris. En 1775, il publie son Traité de la construction théorique et pratique du scaphandre ou du bateau de l'homme[7].

Le scaphandre pieds lourds d'Augustus Siebe (1837) est constitué d'un casque rigide à hublots, alimenté en air par un tuyau relié à une pompe se trouvant en surface, d'une combinaison souple (la première combinaison étanche) et de chaussures lestées. Il permet d'atteindre des profondeurs de 60 à 90 m mais il y peut subir des accidents (section du tuyau, arrivée d'air aléatoire, noyade...) et souffre d'un manque d'autonomie. Les déplacements sont lents ce qui est dû au poids (90 kg au total) et à la position verticale (résistance maximale de l'eau au déplacement). En 1855, Joseph-Martin Cabirol (1799-1874) présente à l'exposition universelle de Paris le premier scaphandre ayant la capacité d'évacuer l'air vicié par le biais d'une soupape à usage manuel située sur le casque à hublots.

À ce stade d'avancement de la technologie (Fréminet, Siebe, Cabirol, ainsi que d'autres inventeurs), stade où l'air est toujours pompé de la surface, le flux d'air est plus ou moins régulier et inadapté aux besoins du plongeur, c'est pourquoi les inventeurs ont de plus en plus recherché un système qui permette au plongeur de :

1. Respirer l'air d'une réserve qu'il transporte sur lui, toujours à la pression de l'eau environnante, selon la profondeur.
2. Débiter l'air de sa réserve uniquement à sa demande, sans qu'un débit continu ne gâche son air pendant les expirations.
3. Évoluer dans le milieu aquatique de la façon la plus libre possible, sans câbles ni tubes le reliant à la surface.

En 1915, pour répondre à une question de l’amiral Boué de Lapeyrère, Auguste Boutan propose un scaphandre de type pied-lourd qu’il met au point avec son frère Louis Boutan, et qui offre au plongeur un système de recyclage et traitement de l’air en circuit fermé, ce qui évite l’alimentation en air depuis la surface. Le scaphandre est accepté par la Marine et produit, mais la nécessité de former les plongeurs à son utilisation en limite l’emploi.

La réussite de ces trois objectifs donne naissance à un modèle de scaphandre à détendeur, le premier de l'histoire, celui de Benoît Rouquayrol et d'Auguste Denayrouze. Cette invention de 1860, le « régulateur » de Benoît Rouquayrol (destiné au sauvetage de mineurs en cas de « coup de grisou » ou de galeries de mine inondées), est adaptée à la plongée avec l'aide d'Auguste Denayrouze en 1864. En réalité un plus ancien brevet de détendeur avait été déposé le 14 novembre 1838 par le docteur Manuel Théodore Guillaumet, originaire d'Argentan. Ce premier détendeur était relié à la surface par une pompe et n'était donc pas autonome, mais son principe de fonctionnement était le même que ceux de Rouquayrol et de Denayrouze et plus tard de Cousteau et de Gagnan. Le détendeur de Guillaumet ne connut pas de suite certainement à cause de l'absence d'un réservoir intermédiaire qui aurait assuré une réserve de sécurité en cas de rupture ou de séparation du tube fournisseur d'air. Rouquayrol et Denayrouse apportèrent cette nouveauté et purent ainsi faire fonctionner leur « appareil plongeur » avec le minimum de sécurité requise. L'appareil plongeur Rouquayrol-Denayrouze fut homologué par la Marine Impériale Française dès 1864 et remporta la médaille d'or à l'exposition universelle de Paris de 1867, mais il ne parvint tout de même pas à résoudre le problème d'une autonomie suffisante (une demi-heure à 10 mètres de profondeur tout au plus) principalement à cause de la limite d'air comprimé que l'on pouvait faire contenir dans les réserves portatives de l'époque (30 à 40 bars de pression, pas plus). Le problème fut résolu en 1943, avec l'invention du scaphandre autonome moderne.

Capitaine Le Prieur et son équipement. Agence Rol sur Gallica.

Jacques-Yves Cousteau en 1948.

Détendeurs, manomètre, profondimètre et direct system

Pendant l'occupation allemande durant la Seconde Guerre mondiale, la France connaît une pénurie d'essence, constamment réquisitionnée par les Allemands. Émile Gagnan (ingénieur chez Air liquide) obtient de la société Piel un détendeur Rouquayrol-Denayrouze qu'il utilise pour faire fonctionner des gazogènes de voiture et dépose un brevet de détendeur miniaturisé en bakélite. Henri Melchior, son patron, pense alors que ce détendeur peut rendre service à son gendre, Jacques-Yves Cousteau, qui cherche depuis déjà 1937 à mettre au point un scaphandre autonome efficace et à débit automatique (ou débit « à la demande »), car celui de l'époque devait être utilisé à la main (« manodétendeur » de Le Prieur). Melchior fait alors les présentations des deux hommes, Gagnan et Cousteau, qui se rencontrent à Paris en décembre 1942.

Jacques-Yves Cousteau adapte le détendeur d'Émile Gagnan à une réserve d'air comprimé et, surveillé par Gagnan et un ami de ce dernier (appelé Gauthier), fait dans la Marne les premiers essais subaquatiques de son détendeur : quand le plongeur est à l’horizontale le détendeur fonctionne correctement, mais quand il est debout il se met en débit continu et quand il est tête en bas c'est l'inverse, l'air arrive difficilement. Cousteau et Gagnan décident alors de ramener l’expiration au niveau de la membrane du détendeur, qui équilibre l’air avec la pression ambiante et ferme le débit pendant l’expiration. Jacques-Yves Cousteau part alors pour Bandol, dans le Var, en ayant commandé à Émile Gagnan de lui envoyer celui qui sera le prototype résultant de la modification accordée. Il le reçoit un matin de juin 1943 à la gare de Bandol et le met tout de suite à l'essai à la plage du Barry, en face de la villa du même nom, qui appartenait à son ami Philippe Tailliez. Cousteau possédait aussi une villa proche de celle de Tailliez, la villa Baobab (à Sanary-sur-Mer), mais cette dernière se trouvait dans une petite crique, à l'abri des regards indiscrets.

Pour l'essai de ce deuxième prototype Cousteau se trouvait cette fois sous la surveillance de son épouse Simone Melchior (qu'il avait épousée en 1937) restée en surface à suivre son époux du regard grâce à un masque de plongée et un tuba. Deux amis de Cousteau l'attendaient sur la plage, Philippe Tailliez et Frédéric Dumas. Ce dernier, excellent apnéiste, devait intervenir immédiatement dans le cas où Simone déclenchait l'alarme. Mais cela ne fut pas nécessaire, car cette fois l'essai fut un succès[8]. En cette même année de 1943, Cousteau et Gagnan brevètent leur « scaphandre Cousteau-Gagnan ». À la fin de la guerre, quelques exemplaires de « Cousteau-Gagnan » ont été construits, des prototypes, mais Cousteau et Gagnan brevètent le « CG45 » en 1945 (« C » pour Cousteau, « G » pour Gagnan et « 45 » pour 1945), qui sera aussi commercialisé sous le nom de « Aqua-Lung » (terme anglais inventé par Cousteau à des fins de commercialisation et qui signifie « poumon aquatique »). En 1946, Air liquide crée une marque de détendeurs et d'équipements de plongée, La Spirotechnique, et, la même année, commence à fabriquer en série et à distribuer le CG45. Plus tard arrive le Mistral (avril de 1955) et autres modèles toujours plus perfectionnés (Royal Mistral, Spiro 8, Cristal…).

La mise au point du scaphandre autonome est donc liée à plusieurs découvertes technologiques :

• l'invention de compresseurs efficaces et de bouteilles de stockage d'air comprimé relativement légères (à partir des lois physiques sur la pression des gaz de Boyle et Mariotte, 1660)
• la mise au point de palmes par le commandant Louis de Corlieu en 1934 (déjà esquissées par Léonard de Vinci) ;
• la mise au point de valves avec détendeur pour les moteurs de voitures au gaz par Émile Gagnan au début des années 1940.

Masque, tuba, ceinture de lest avec ses plombs, bottillons et palmes réglables

Le scaphandrier autonome est habituellement équipé :

• d'un vêtement d'isolation thermique ;
• d'un masque qui entoure les yeux et le nez et qui rend possible la vision nette en plongée tout en permettant de compenser les variations de pression (par équilibrage de la pression de l'air capturé dans le masque) ;
• de palmes pour le déplacement ;

Scaphandre autonome avec stabilisateur dorsal
1) 1^er étage du détendeur
2) Robinet de la bouteille
3) Sangles d’épaules
4) Vessie du stabilisateur
5) Valve de surpression de la vessie et tirette de purge inférieure
6) 2^e étages du détendeur (avec «octopus»)
7) Console (manomètre, profondimètre & compas)
8) Raccordement du boyau-gonfleur d’habit sec
9) Plaque de support (modèle «Lacasse»)
10) Raccordement du boyau et bouton de commande du gonfleur du stabilisateur
11) Embout du boyau de gonflage du stabilisateur et bouton de purge supérieure du stabilisateur
12) Sangle sous-cutale
13) Sangles abdominales

• d'une ou plusieurs bouteilles ; on parle de bloc de plongée ou de mono, bi ou tri pour préciser le nombre de bouteilles ; le bloc contient un mélange gazeux (air, nitrox, trimix, hydreliox) sous pression entre 170 et 300 bar) dont la capacité à la pression atmosphérique peut être de 2, 3, 6, 9, 12, 15, 18 ou 20 litres de mélange. Ces blocs sont en acier, parfois renforcé par du carbone, ou en aluminium ;
• d'un détendeur, qui permet de respirer le mélange gazeux à la pression ambiante ;
• d'un octopus, détendeur de secours permettant de porter assistance à un plongeur en difficulté ;
• d'une stab (abréviation de gilet stabilisateur) reliée à la bouteille via le direct system lui permettant de faire varier sa flottabilité en fonction de la profondeur et de ses besoins.
• d'un manomètre, pour surveiller la pression du mélange gazeux dans le bloc et connaître la quantité de gaz restant ;
• d'instruments de décompression, le plus courant étant l'ordinateur de plongée, mais quelques-uns utilisent encore une montre de plongée et une table de décompression ;
• d'un parachute de palier ;
• d'une ceinture de lest (si nécessaire).

Certains plongeurs utilisent un recycleur dans lequel l'air expiré est traité pour être respirable de nouveau sans danger : le CO₂ est absorbé et l'air expiré est enrichi en dioxygène. L'air circule ainsi en circuit fermé ou semi-fermé (Semi-closed Rebreather, SCR). La première solution ne dégageant aucune bulle en surface, elle est utilisée, entre autres, par les nageurs de combat (mais elle ne permet pas les plongées profondes).

Dans un futur proche, il devrait être possible de voir arriver des scaphandres de plongée utilisant des fluides respiratoires à la place de mélanges gazeux.

Bouteille de plongée, équipée d'un détendeur, d'un manomètre et du direct system

Le scaphandre autonome permet :

• de débiter l'air automatiquement en fonction des besoins du plongeur et non plus de façon continue ;
• de fournir l'air à la bonne pression soit celle correspondant à la profondeur de l'eau, ce qui permet au plongeur d'inspirer sans effort ;
• de se débarrasser facilement du dioxyde de carbone contenu en excès dans l'air expiré.

Le gilet stabilisateur (très souvent abrégé en « stab » ou « gilet » tout simplement, mais aussi appelé Buoyancy Control Device ( BCD ) en anglais, également abrégé en « BC ») permet de changer la flottabilité et de s'équilibrer dans l'eau suivant le principe d'Archimède. La stab peut être gonflée à la bouche ou automatiquement avec le direct system, qui est relié à la bouteille.

L'autonomie de plongée et d'exploration varie de 2 heures à 30 minutes selon un très grand nombre de paramètres :

• le principal d'entre eux est la profondeur (2 heures à 10 mètres et 30 minutes à 60 mètres, sans tenir compte des paliers de décompression).
• la température de l'eau, car dans un environnement froid l'organisme du plongeur a tendance a consommer plus de dioxygène. Les plus basses températures le poussent, même inconsciemment, à débiter davantage d'air de sa réserve.
• la forme physique, car un plongeur ayant un cœur habitué à l'exercice physique aura un rythme cardiaque plus réduit et un rythme de respiration plus bas pour l'obtention d'une même quantité d'effort.
• le sexe, car effectivement les femmes ont une densité inférieure d'os et de muscles que celle de l'homme. Cette masse cellulaire plus réduite que celle de l'appareil locomoteur de l'homme, leur conférant une consommation de dioxygène inférieure, leur confère par là même une autonomie en moyenne supérieure à celle des hommes.
• l'âge, car un organisme plus âgé et usé qu'un autre n'exigera pas la même quantité de dioxygène pour fournir la même quantité d'effort. Très souvent, selon chaque structure légale de plongée, il n'y a pas de limite d'âge pour plonger en scaphandre autonome. Un médecin spécialisé dans le sport ou même dans la plongée sous-marine a très souvent l'entière responsabilité d'accorder ou ne pas accorder au plongeur le certificat médical sans lequel il n'aura pas le droit de plonger en milieu naturel (après visite médicale complète, bien sûr).

Pour ce qui est du déplacement dans l'eau le plongeur obtient un déplacement plus souple et rapide grâce à une bonne connaissance de son propre hydrodynamisme. Ses palmes lui permettent de nager dans les 3 dimensions. Cependant les problèmes inhérents à la pression demeurent.

Depuis la commercialisation par Cousteau et Gagnan de leur invention (en 1946 : premier modèle de détendeur commercialisé, le CG45) des millions de plongeurs autonomes ont plongé et continuent de plonger uniquement pour leur plaisir, dans les mers du monde entier, et en s'adonnant très souvent, par exemple, à la photographie des êtres vivants en milieu marin ou aquatique. Cependant la respiration visible peut effrayer les animaux les plus craintifs.

Le scaphandre autonome s'est rendu très utile dans de nombreux domaines liés au monde aquatique : archéologie sous-marine, biologie marine, entretien et réparation des bouées ou des filets anti-requins à proximité des ports et des côtes, recherche d'objets ou de cadavres chez les divisions fluviales et maritimes de forces militaires, de gendarmerie, de police ou de pompiers, prospection océanographique etc. Les militaires favorisent l'utilisation de recycleurs qui ne produisent pas de bulles.

Dans le domaine du tourisme, et selon chaque structure légale, de nombreux centres de plongée sont autorisés à se constituer en entreprise privée et à offrir, contre rémunération, leurs services aux plongeurs de loisirs.

Dans le domaine véritablement professionnel des travaux publics sous-marins la première entreprise en la matière, utilisant le scaphandre autonome Cousteau-Gagnan, fut créée par André Galerne en 1952. Elle rassemblait les jeunes membres du clan Claude Sommer des Éclaireurs de France à bord d'une péniche en béton située au Pont de Bercy, où se trouve actuellement le ministère des finances.

Dénommée tout d'abord SGTMF pour Société Générale des Travaux Maritimes et Fluviaux, elle devint en 1955 la célèbre SOGETRAM. Il s'agissait d'une entreprise sous forme de SCOOP ou communauté ouvrière, dont la devise type est « un homme, une action ».

• Chronologie de la plongée sous-marine
• Plongée sous-marine – Plongée souterraine
• Scaphandrier – Scaphandre à casque – Homme-grenouille
• Narguilé – Détendeur de plongée – Aqualung
• Musée international de la plongée autonome Frédéric-Dumas