Un concours du Bureau of Reclamation américain (via NASA Tournament Lab et HeroX) pour concevoir un système capable de sceller rapidement un conduit de barrage en cas de défaillance de vanne, sans intervention de plongeur. Notre soumission, HYDRA, a remporté la Phase 1 et poursuit maintenant en Phase 2 avec un prototype fonctionnel.
Quand une vanne de conduit de barrage tombe en panne, l'eau peut s'échapper de façon incontrôlée à des vitesses extrêmes, menaçant la sécurité publique, les réserves d'eau et la production d'électricité. Le Bureau of Reclamation cherchait une solution de scellement temporaire, déployable rapidement, capable de s'adapter à des conduits de 3 à 25 pieds de diamètre, sans jamais s'appuyer sur les grilles anti-débris (trash racks) ni nécessiter l'intervention d'un plongeur.
Autres contraintes clés : déploiement en 1 à 2 jours suivant l'arrivée sur site, aucune intervention de plongeur, une tenue de plusieurs mois à un an, et un système qui doit demeurer amovible pour rouvrir le conduit une fois la réparation complétée. Le concours s'est déroulé en 3 phases (concept, prototype, démonstration en laboratoire) pour une bourse totale pouvant atteindre 575 000 $ US.
HYDRA (Hydraulic Dam Retention Assembly) combine deux sous-systèmes principaux : un Ancrage (Anchor) qui distribue les charges structurelles sur la surface du barrage, et une Vessie gonflable (Bladder) qui arrête l'écoulement de l'eau. Le système se positionne lui-même dans le conduit en se laissant porter par le courant d'aspiration, replié, avant de se déployer contre la paroi et de gonfler pour sceller.
La première version utilisait un système de ressorts bistables pour déployer les deux bras d'ancrage simultanément : le gonflement de la vessie forçait les bras au-delà d'un point de pivot mécanique. En pratique, l'espace disponible rendait l'intégration des ressorts difficile, et des tests à petite échelle (simulant les ressorts avec des bandes élastiques) ont révélé un manque de contrôle — le mécanisme se déployait prématurément, un risque jugé inacceptable, et ne fonctionnait que dans un seul sens (impossible à rétracter proprement).
La deuxième itération est passée à un actionneur pneumatique entraînant une tige métallique, avec un ensemble crémaillère-pignon et une boîte de vitesses sur mesure. Ce système s'est révélé trop complexe à intégrer dans l'espace restreint : la boîte de vitesses occupait presque tout le volume disponible d'un côté, compromettant la symétrie et la distribution des charges de l'ancrage.
Abandonné
Abandonné
Solution finale
La solution finale simplifie radicalement le tout avec un mécanisme à glissière-manivelle (slider-crank), qui réduit le nombre de composants tout en convertissant fiablement le mouvement linéaire de la tige en rotation des bras. Une fois déployé ou rétracté, un verrou dédié maintient l'actionneur pneumatique en place. Des essais à pleine échelle, sur des versions imprimées en 3D et usinées, ont confirmé un déploiement et une rétraction constants et répétables.
Le cadre de l'ancrage est en aluminium (6061-T6, puis 7075-T6 après optimisation) pour son rapport résistance/poids et sa résistance naturelle à la corrosion en milieu submergé. La vessie gonflable est un produit commercial Peterson en nitrile renforcé de nylon balistique. Les câbles reliant la vessie à l'ancrage sont en acier, chacun coté pour 400 lb de tension. Les vis et goupilles sont en acier avec un revêtement anticorrosion, et les composants non porteurs sont imprimés en 3D pour minimiser le poids.
Trois campagnes d'essai distinctes ont validé la conception durant la Phase 2.
Un bassin miniature (boîte en plastique, tuyau PVC de 2 po, façade de barrage imprimée en 3D et grille anti-débris amovible) a permis de tester différentes stratégies de déploiement. L'hypothèse initiale — déployer l'ancrage dans l'espace entre la grille et le barrage — s'est avérée trop complexe à synchroniser sans une multitude de capteurs. L'équipe a plutôt exploité le courant : l'ensemble est guidé dans le conduit, puis retiré et déployé juste après en être sorti. Les tests ont aussi révélé que l'ancrage devait être plus loin de la vessie pour rester centré (la vessie repliée agit comme un frein-parachute qui guide l'ancrage), et que la géométrie de l'ancrage replié devait avoir une pointe arrondie inspirée des coiffes de fusée plutôt que des arêtes carrées, qui accrochaient sur la grille anti-débris.
La vessie a d'abord été testée verticalement sous 5 pieds de colonne d'eau (10 psi), démontrant une réduction de débit supérieure à 99,9%. Un banc d'essai a ensuite permis de tester à l'horizontale sous 10 pieds de colonne (20 psi), avec un périmètre de sécurité de 5 mètres et lunettes de sécurité obligatoires. Le taux de fuite moyen mesuré, sous 3 L/min, confirme une obstruction du débit d'environ 99,9% — au-delà de la cible. L'assemblage vessie-câble est aussi resté solidement en place même après avoir perdu le contact avec la paroi du tuyau, validant la stratégie de transmission des efforts.
Une structure de test sur mesure (cadre en bois 2x4 et panneaux de contreplaqué, surdimensionnée par sécurité, avec un périmètre de 12 pieds) a permis de suspendre un baril de 55 gallons rempli d'eau progressivement, simulant la montée en charge hydrostatique. Un capteur de charge numérique en ligne a enregistré la force en temps réel. Le prototype a soutenu une charge de 100 lb, validant le modèle d'éléments finis (FEA) qui prédit une capacité de 764 lbf pour l'ancrage optimisé.
Le corps central de l'ancrage s'est révélé largement surdimensionné dès le départ (facteur de sécurité de 44). Le bras initial, en aluminium 6061-T6, échouait toutefois sous la charge cible avec un facteur de sécurité de seulement 2,9. La solution a été d'épaissir le bras (0,25 po à 0,3125 po), d'ajouter des raidisseurs, et de passer à l'aluminium 7075-T6 — portant le facteur de sécurité à 17, pour une capacité combinée de 764 lbf, largement au-dessus de l'exigence opérationnelle de 400 lbf.
Le prototype de Phase 2 a été usiné directement à partir des modèles CAO finaux en aluminium 6061-T6, démontrant que la conception est fabricable avec des procédés industriels accessibles. La Phase 3 se déroulera aux installations d'essais hydrauliques du Bureau of Reclamation, où le système complet sera testé sous des conditions représentatives : positionnement assisté par le courant à pleine échelle, performance de l'ancrage sous chargement dynamique, et étanchéité de la vessie sous environ 20 pieds de colonne d'eau en écoulement.
Un point à régler avant la Phase 3 : la vessie commerciale actuelle (cotée à 30 psi) limite la profondeur de déploiement à environ 46 pieds sous des conditions purement statiques. L'équipe travaille avec le fournisseur Peterson pour développer une vessie sur mesure, plus courte et adaptée à une pression plus élevée, ce qui réduirait aussi l'encombrement de l'ensemble replié.
HYDRA a été l'un des 5 gagnants de la Phase 1 (sur environ 390 équipes inscrites), remportant 50 000 $ US, puis a remporté un prix additionnel de 15 000 $ US à la mi-Phase 2. Le projet avance maintenant vers la Phase 3 : une démonstration en laboratoire aux installations du Bureau of Reclamation.
