Les Moteurs en étoile à refroidissement par air (Révisé le 14 / 09 / 2024 ***)

Une série d'avantages

Le moteur à refroidissement à air est débarrassé des contraintes liées au stockage, à la circulation et au refroidissement des liquides de refroidissement. 

Cela signifie l'abandon des liquides eux-mêmes, avec leur température d'ébullition si difficile à dominer de manière précise. 

Cela signifie aussi un adieu aux pompes, aux durites, donc aux multiples causes de fuites, aux radiateurs si difficiles à étudier, à faire réaliser, qui demandent des études aérodynamiques particulières, qui sont si fragiles et si faciles à obstruer.

Le moteur en étoile : fixe ou rotatif ?

Dans un moteur rotatif, comme les Gnome et Rhône ou aussi les Clerget de la Grande Guerre, le moteur tout entier tournait autour d'un axe lié à l'avion. 

L'hélice était solidaire du moteur. Cela réduisait considérablement la masse du moteur, donc celle de l'avion. 

Par contre, ce moteur tournant se comportait comme un très gros gyroscope, ce qui induisait un couple de renversement considérable qui compliquait énormément le pilotage à chaque changement de direction. 

En pratique, les moteurs rotatifs ne passèrent pas la barrière des 200 Cv.



Les moteurs statiques l'emportèrent alors, avec une étoile, d'abord, puis 2, comme sur le Gnome et Rhône K14, puis plus encore par la suite.

Les plus gros, à ma connaissance, étant ceux du bombardier stratégique à capacité nucléaire Convair B36 hexamoteur de la fin des années 40 (4 étoiles en séries, 71 litres de cylindrée, puissance d'un seul moteur : 4 300 Cv).

Pour avoir une idée du mécanisme, voici le lien d'une vidéo qui se trouve sur le site Wikipedia de langue Anglaise à propos de mon sujet : radial engines.

Le refroidissement :

Tous nos motoristes étaient sortis de la Grande Guerre avec des engins de 300 Cv qui tenaient, au mieux, une cinquantaine d'heures.

Pour tenir compte des désirs de progrès en matière de performances, en même temps que les qualités aérodynamiques et la solidité des avions progressaient, les motoristes avaient commencer par doubler la cylindré des moteurs. 

Bien sûr, les puissances obtenues avaient, en gros, doublé. 

A la fin des années 20, on obtenait alors couramment entre 500 et 650 Cv.

Ce faisant, les ingénieurs avaient été confrontés à des problèmes nouveaux : 

• Évacuation des calories, 
• solidité des vilebrequins, 
• refroidissement des soupapes,
• auto-allumage (= explosions prématurées qui entraînaient une surchauffe des moteurs). 

Quand il fut question d'augmenter les taux de compression pour aller vers les 1 000 Cv, le problème des détonations précoces, que l'on pensait probablement régler en réduisant l'avance à l'allumage, avait fait beaucoup de résistance.

La solution la plus simple était l'utilisation d'une essence à 100 d'octane - donc contenant du tétra-éthyle plomb. 

Malheureusement, ce remède simple, employé par Rolls-Royce dès la fin des années 20 pour mettre au point les moteurs des hydravions Anglais de la coupe Schneider, n'avait pas été ni compris ni acquis chez nous ni, d'ailleurs, en Allemagne.

En conséquence, au début des années 30, avec les moteurs de 1 000 Cv et plus, il était plus que temps de réaliser que le système des improvisations était terminé, il fallait vraiment réexaminer l'ensemble des éléments des moteurs pour que leur mise au point avance. 

Cette remise à plat avait conduit Gnome et Rhône du 14 N de 1936 au 14 R de 1939, qui fut enfin un vrai moteur moderne, absolument comparable - en plus léger - au BMW 801 des FW 190.


a) les ailettes

Pour que le moteur se refroidisse bien, il fallut multiplier les surfaces permettant d'évacuer les calories vers le milieu extérieur. 

C'était le rôle des ailettes de refroidissement dont la finesse et la surface durent augmenter avec la puissance du moteur pour pouvoir en multiplier le nombre.

Les ingénieurs Allemands de Focke-Wulf avaient trouvé une méthode simple pour contrôler la température du moteur très puissant de leur chasseur FW 190 : Ils ajoutèrent un ventilateur dont les pales accéléraient l'entrée de l'air de refroidissement. 

Le résultat fut, bien sûr, excellent.

Le moteur ainsi gréé était le BMW 801 D de 1 000 kg à sec, appartenait à la classe des moteurs développant 1 600 Cv, comme le Gnome et Rhône 14 R.

Moteur BMW 801 D exposé à Duxford (GB) - le ventilateur est ici peint en noir - photo issus de Wikipedia (En)

L'analyse détaillée de la photo du BMW 801 ci-dessus montre, outre le ventilateur en magnésium - très léger - le dessin très intelligent des ailettes des cylindres dont la forme pointue vers l'avant guide l'air de refroidissement vers l'arrière. 

Par ailleurs, les échappements propulsifs, bien visibles à droite du cliché, ne semblent pas être accordés puisqu'ils ne sont pas de longueur identique.


b) l'huile

Les moteurs à refroidissement à air de grande puissance, plus légers et plus simples à fabriquer que les moteurs refroidis par liquide, souffraient de la plus grande disparité de température entre les diverses régions du moteur, les culasses, en particulier, pouvant monter à des niveaux incompatible avec la survie du moteur.

La quantité d'huile était donc importante et cette huile chauffait, elle aussi : il fallait donc un radiateur d'huile. 

L'huile est fondamentale pour le rendement des moteurs à refroidissement à air.

Après la Seconde Guerre Mondiale, le bombardier stratégique Convair B 36, avait ses 6 puissants moteurs disposés en mode propulsif parce qu'ils étaient disposés au bord de fuite de la voilure. 

Les hélices n'alimentaient donc pas en air frais les radiateurs d'huile qui démontrèrent une tendance maladive à fuir, causant d'innombrables d'incendies.



c) le capot NACA 

Certains constructeurs (en particulier Morane-Saulnier) pensaient qu'il suffisait de mettre le moteur en étoile directement à l'air libre, parce que autrement, comme il ne tournait pas sur lui-même, il chaufferait.

Cela peut surprendre de la part de gens qui vivaient de l'aérodynamique et qui devaient bien avoir constaté que le voisinage de plusieurs obstacles abordés simultanément par un même flux d'air augmente la perturbation bien au-delà de ces obstacles. 

Morane-Saulnier 230 ou : comment voler derrière un mur. Photo récupérée sur le site Wikipedia dédié à cet avion
Le capot Nieuport / NACA eut permis de voler à 240 km/h, de monter plus vite et de dépenser moins d'essence. 
Lorsque Détroyat s'attaqua à la coupe Michelin, son Morane 230 fut équipé d'un capot NACA et d'un habitacle fermé : Il gagna !

Un simple anneau comme le Townend de 1925 évitait déjà cela et régularisait l'écoulement, donc diminuait la traînée.

Boeing P 26 de chasse - 375 km/h (?) avec 600 Cv et 2 mitrailleuses légères - l'anneau Townend est parfaitement visible, comme aussi les cables de tension qui ajoutent une bonne dose de traînée superflue

Un capot moteur très sophistiqué équipait déjà dès 1916 tous les chasseurs Nieuport qui avaient suivi le fameux chasseur Bébé Nieuport 11. 

Ce capot dérivait de celui observé en 1913 sur l'avion de course monocoque Déperdussin.

Bébé Nieuport 17 en 1916 - photo récupérée sur le site Aviafrance

Le capot NACA est une copie servile de ces capots des chasseurs Nieuport que les pilotes de chasse américains avaient bien connus. 

Bien que très antérieur, le capot Nieuport était nettement plus aérodynamique que l'anneau Townend Britannique, bien plus simple à fabriquer. 

La prise d'air réduite permettait d'améliorer l'écoulement extérieur et de provoquer une dépression interne qui refroidissait l'air passant autour du moteur, améliorant encore le rendement du système. 

L'air ambiant s'échauffait au passage sur le moteur, donc augmentait de volume et s'en allait par la sortie prévue, en général annulaire. La preuve de la parenté avec le capot Nieuport est donnée par la comparaison visuelle :

Curtiss AT5-A expérimentant le premier capot NACA - photo récupérée sur la page Wikipedia en anglais

Tel qu'il était, la vitesse était augmentée d'un peu plus de 15%, pour un avion volant initialement à 190 km/h.

Nieuport 28 - fin 1917 - la parenté de forme de ce capot avec celui du NACA est évidente. Certes, il n'y a pas la même fente postérieure, mais l'air chaud sortait quand même bien par la fente visible entre la partie inférieur du capot moteur et l'avant du fuselage !

Les Japonais poussèrent les recherches encore plus loin dans le domaine, ce qui culmina - à mon avis - dans le capot du Mitsubishi Raiden dont la maître couple s'installait très progressivement.

Mitsubishi Raiden - 

Sur la photo, il semble évident que les Japonais avaient installé un ventilateur de refroidissement tout à fait comparable à celui du moteur BMW 801D du Focke Wulf 190. 

Par ailleurs, on voit très bien les 4 pipes d'échappements du côté gauche qui suggèrent des échappements propulsifs individuels.


Le cas étonnant (et parfaitement connexe) des Hanriot 110 et 115 :

Ces chasseurs faisait partie des chasseurs du programme de 1930-31 qui insistait (déraisonnablement) sur l’exigence d'une visibilité parfaite des ailiers (mais pas de l'ennemi !).

En accord parfait avec le programme, le bureau d'étude choisit de mettre le moteur à l'arrière et le radiateur puis le pilote à l'avant.

Le premier prototype, le Hanriot 110 fit son premier vol en 1933. Il fut refusé pour performances insuffisantes comme son cadet à moteur 12 Y, plus puissant. 

Hanriot 110  - une voilure immense (24 m² pour une masse au décollage de 1760 kg) mais des innovations remarquables.

Mais, si j'évoque ici cet avion (à moteur Hispano 12 X refroidi par liquide), c'est que son radiateur circulaire Chausson est particulièrement innovant. 

Il a une entrée d'air Pitot qui fera fortune sur 80% des meilleurs chasseurs à réaction des années 50.

Mais, plus encore, il constitue un système à géométrie variable qui associe un capot NACA avec un cône de pénétration qui avance pour réduire l'entrée d'air si le moteur n'est pas assez chaud.

A ma connaissance, ce type de mécanisme préfigure le capot Mercier - mais en sens inverse - et surtout les souris, qui ont orné les Mirage III, F1 et 2000 pour rejeter l'onde de choc supersonique, sont juste des moitiés de ce type de cône.



Le capot Mercier (Source : Les Ailes, 2 Juin 1938 et L'Aéronautique, Décembre 1938) :

L'ingénieur Pierre-Etienne Mercier a dessiné, expérimenté sur l'hydravion LéO H 46, puis breveté pour les deux avions qu'il avait conçus avant la guerre (LéO 451 et SE 100) un capot moteur sophistiqué qui donnait de très bons résultats aérodynamiques. 

On le retrouvait également sur le puissant bombardier quadrimoteur CAO 700.

L'idée initiale reposait sur une analyse critique minutieuse du capot NACA, qui entraînait :

• Une traînée de forme excessive (100 Cx compris entre 13 et 15 contre 5  pour un corps fuselé correct).

•  Un orifice d'entrée de surface considérable (5 fois ce qu'il fallait pour assurer les 7 à 11 m3 nécessaires au refroidissement d'un moteur de 1 000 Cv). 

• Ceci formait devant le moteur un "bouchon turbulent" qui refroidissait essentiellement l'avant des cylindres au prix d'une traînée considérable et de perturbation des qualités de vol.

• L'absence totale de prise en compte de l'échappement du moteur.

• Une vitesse de l'air de refroidissement trop faible.

Le capot Mercier était soigneusement profilé pour obtenir un 100 Cx moitié de celui obtenu avec un capot NACA.

Il utilisait la dépression qui s'installe sur le capot pour aspirer l'air chaud vers l'extérieur, ce qui permettait à l'air frais d'entrer autour de la casserole d'hélice. 

La régulation était faite par le mouvement de l'anneau avant qui dégageait ainsi plus ou moins d'espace pour l'évacuation de l'air chaud.

Le gain, sur le LéO 45-01 atteignait de l'ordre de 30 km/h par rapport à un capot NACA classique (style du capot du Curtiss H 75, par exemple). 

Cela n'avait rien de négligeable !

On avait cru avoir réglé tous les problèmes mais tous les usagers - y compris les Allemands, qui auraient bien voulu l'utiliser sur les moteurs de leur gros Messerschmitt 323 de transport lourd - s'aperçurent à l'usage que le refroidissement y était insuffisamment assuré (cet avion n'étant pas suffisamment rapide).

Le pire défaut de ce système était surtout de rendre les opérations de maintenance particulièrement longues et délicates, ce qui n'était pas du tout acceptable pour un avion militaire. 

Il est certain que ce dernier point pouvait sans aucun doute être résolu, mais le capot Mercier étant sorti au Printemps 1938, le temps manqua pour en définir les faiblesses et  y apporter une solution.

Pour l'ensemble de ces raisons, les LéO 45 perdirent tous leurs capot Mercier après la guerre.