les Moteurs à compresseur (réillustré le 16 / 11 / 2024 *** *** ***)

Accéder aux hautes altitudes

Les moteurs des avions opérationnels de 1900 à 1943 étaient tous des moteurs à pistons. 
La plupart consommaient de l'essence et étaient à 4 temps. 

Quelques diesels apparurent en Allemagne à la fin des années 20. 
Leur développement ne fut pas aussi grand qu'attendu car le principe même de leur fonctionnement imposait des moteurs très lourds.

Les avions qui volaient à la sortie de la Grande Guerre employaient les moteurs existants pour voler à l'intérieur d'une tranche d'altitude comprise entre le sol et environ 2 000 m (5 000 m pour les chasseurs et les avions de reconnaissance).

Cependant, les constructeurs commençaient à développer des avions de plus en plus fiables. 

Le développement des lignes aériennes consomma rapidement les derniers moteurs issus du conflit au moment exact où se posait concrètement le problème du franchissement quotidien des montagnes.

Traverser une chaîne de montagnes nécessite à la fois qu'un avion ait un plafond suffisant (malgré sa  charge) et que son temps de montée soit court.

Certes, les chasseurs passaient facilement au-dessus des montagnes Européennes, l'excellent chasseur Nieuport 29 C1 de 1920, par exemple, avait un plafond pratique de 8 500 m. 

Mais on savait que même un plafond de cet ordre serait un jour insuffisant, que ce soit pour passer les Montagnes Rocheuses, la Cordillère des Andes ou l'Himalaya.



Le principale problème des moteurs à essence au tout début des années 20 était alors lié à la diminution de la pression atmosphérique (cette force physique qui nous permet de lire l'altitude sur un altimètre).

Cette diminution de pression entraîne une baisse de la résistance à l'air qui, à puissance constante, améliore la vitesse. 

Sauf que, malheureusement, parce que la quantité d'oxygène baisse, la puissance des moteurs baisse également.

Apporter de l'oxygène au moteur

L'idée n'est pas compliquée : Il suffit de comprimer l'air qui arrive au moteur.

On commença à augmenter le taux de compression de certains moteurs (exemple : le moteur Fiat du biplan de chasse Fiat CR-32). 

Mais on se heurtait alors au problème du cliquetis, c'est à dire l'explosion prématurée du mélange air-essence. La réduction de l'avance à l'allumage n'était, dans ce cas, pas une solution viable.

Comme l'essence à fort taux d'octane - seule méthode élégante pour régler cette question - coûtait cher, cette solution n'était pas satisfaisante, sauf dans les pays disposant de pétrole à profusion.

Le compresseur, justement, comprime l'air pour apporter juste ce qu'il faut d'oxygène dans les cylindres pour que les explosions se produisent dans les cylindres (jusqu'à une certaine altitude, toutefois). 



Une nouvelle question fut posée : Le compresseur doit-il être placé en amont ou en aval du carburateur ?

La réponse ne pouvait être qu'expérimentale, mais la concurrence féroce entre les motoristes ne permit de la connaître qu'au milieu des années 30 : 

• Si le compresseur est placé en aval du carburateur, le mélange carburé - gazeux - entre très chaud dans le moteur.
• Ce n'est pas le cas lorsque le compresseur est placé en amont, disposition qui apporte le meilleur rendement du moteur.

Un dernier problème à résoudre problème était de trouver l'énergie nécessaire à faire tourner ce compresseur.

On peut utiliser une partie de la puissance du moteur, mais cela signifie que le moteur sera de toute manière un peu moins puissant.

La solution qui parut la plus simple était d'employer l'énergie "gratuite" fournie par les gaz d'échappement. C'est le principe du turbo-compresseur.

Le premier modèle testé, le turbo-compresseur Rateau était très efficace, mais le concepteur avait - à ce que disait un de ses concurrents - un peu négligé l'aérodynamique interne de son turbo-compresseur, ce qui perturbait son rendement.

Par ailleurs, son principe de construction était trop en avance sur la métallurgie du temps. 

Comme il utilisait les gaz d'échappement pour faire tourner la turbine du compresseur, cette dernière avait du mal à résister à la température de 800° où elle devait fonctionner. 

Malgré l'emploi d'alliages de tungstène, la fiabilité restait douteuse. 

Pour autant, il permit de surpasser les plafonds des meilleurs avions d'environ 2 000 m.


Les compresseurs mécaniques

Les simples compresseurs mécaniques, très courants sur les voitures de sport de l'époque, n'avaient pas ce type de contrainte et on était arrivé à augmenter leur rentabilité énergétique.

A partir de 1931, tous les moteurs d'avions militaires commencèrent à en être équipé.

Ce type de compresseur comprime le mélange d'air d'altitude et de carburant de manière à retrouver la pression du niveau de la mer (voire un peu plus).

Il permet alors de rétablir la puissance des moteurs jusqu'à une altitude nettement plus élevée, là où l'air raréfié réduit la résistance à l'avancement de l'avion. Du coup, la vitesse maximale possible augmente considérablement. 

La faible pression extérieure lors d'un vol à haute altitude favorise également l'éjection des gaz d'échappement, ce qui augmentait encore le rendement.

Différence entre résultats de laboratoire (au sol) et en vol à haute altitude

Les compresseurs étaient nécessairement essayés dans des "laboratoires" où la pression de l'air était diminuée artificiellement au niveau voulu.

Le moteur Hispano-Suisa 12 Ycrs, par exemple, donnait 860 Cv à 3 150 m d'altitude simulée en laboratoire.

Par contre, on s'aperçut que les avions atteignaient toujours leur vitesse maximale nettement plus haut que cette altitude.

Ce fut illustré par le prototype 01 du Dewoitine 510, équipé du moteur 12 Ycrs. 

Dewoitine D 510-01 - Photo modifiée par mes soins à partir du "La Science et la Vie" de Janvier 1935", p. 69. 

Il atteignait 330 km/h au niveau de la mer mais sa vitesse passait d'abord à 386 km/h 4 000 m puis à 402 km/h à 4 800 m d'altitude, soit 1 650 m au dessus de l'altitude maximale de rétablissement de puissance.

A l'altitude officielle de rétablissement (3150 m), il n'atteignait que 372 km/h.

document personnel de l'auteur (créé le 10 01 2012) : courbe vitesse-max / altitude du Dewoitine 510 à moteur HS 12YCrs (données issue du Docavia  les avions Dewoitine (Danel et Cuny)

L'explication en est que l'avion, par la seule vitesse de son déplacement, subit une augmentation de la pression dynamique de l'air qui augmente la pression d'air dans le compresseur, donc la puissance du moteur, jusqu'à ce que soit atteint ce surcroît d'altitude.

Ce phénomène est renforcé parce que :

• L'air en altitude est nettement plus froid que l'air au niveau de la mer, ce qui permet d'augmenter la quantité de mélange introduit dans les cylindres.

• La plus faible pression en altitude aide à vider les cylindres des gaz brûlés par la combustion.

La bonne qualité de l'écoulement de l'air jusqu'au compresseur est donc très importante. 

Le moteur Hispano-Suiza 12 Y 45 des Dewoitine 520 rétablissait la puissance jusqu'à 4 200 m en laboratoire, ce qui se traduisait par une vitesse de 535 km/h à 5 500 m en vol réel.

Ceci était dû à l'excellent compresseur S 39-H3 (voir dans cet article).

Une amélioration dans l'aérodynamique des entrées d'air permit alors de gagner encore 700 m et de passer à 550 km/h. 

Mais, sur le D. 520, si le montage de l'entrée d'air était fait à la va-vite, l'écoulement de l'air était perturbé et le gain d'altitude et de vitesse revenait à ce qui existait avant l'emploi des entrées d'air sophistiquées.

Les compresseurs sophistiqués sont venus de France

En 1936, tous les compresseurs n'avaient qu'un seul étage et une seule vitesse.

La Bataille de France comme celle de Grande Bretagne ne verront que ce type de compresseur chez quelque belligérant que ce soit.

On peut donc introduire une sorte de changement de vitesse de rotation du compresseur.

Dans ce cas, à basse altitude, lorsque la pression atmosphérique naturelle est encore forte, on limite la vitesse de rotation à une relativement faible valeur. Cela permet d'éviter une température exagérée du mélange carburé.

A plus haute altitude, on peut augmenter la compression parce que la température diminue fortement, donc on augmente la vitesse de rotation du compresseur. 

La maison Farman avait créé un compresseur à 3 vitesses qui s'illustra sur le NC 150, bombardier qui volait à 630 km/h en 1940 !

Après l'invention des compresseurs à vitesses multiples, on s'est rendu compte que ceux-ci pouvait entraîner des surchauffes du mélange carburé.

On a donc introduit des systèmes de refroidissement qui constituent les fameux étages.

Nombre de sites Anglo-Saxons attribuent toujours la faiblesse de la Chasse Française de 1940 au manque de compresseurs à double étage sur les moteurs en service.

Très curieusement, ils ne stigmatisent jamais le choix du Morane 406 !

Cet anachronisme est typique de leur méconnaissance (volontaire ?) de l'Histoire : Ils comparent les moteurs Français de 1940 aux moteurs Alliés de 1945 ! 

Ces mêmes commentateurs pourraient tout aussi bien s'étonner que nous n'y ayons pas engagé nos Mirages 2000 ou nos Rafales !

C'est assez piquant, car la technologie fiable du compresseur à double vitesse était celle des établissements Français Farman, dont la licence a été achetée par Rolls-Royce en 1938. 

Elle ne sera appliquée qu'à partir du moteur Merlin XX, qui, lui-même, n'entra en service que bien après la bataille d'Angleterre, vers 1942.


D'ailleurs, leur propre chasseur Curtiss P 40, généralement reconnu comme un bon avion à basse altitude, était universellement évalué comme complètement surclassé à haute altitude.

Cette mauvaise qualité est entièrement due à la très mauvaise qualité du compresseur associé à son médiocre moteur Allison.

Comme le P 40 dut faire face à deux chasseurs exceptionnels au niveau des aptitudes ascensionnelles - le Messerschmitt Bf 109 F (en Europe et en Afrique du Nord) et le Mitsubishi A6 M2 Reisen (dans le Pacifique) - il fut leur souffre-douleur.