dimanche 29 avril 2012

Les Moteurs en étoile à refroidissement par air (Enrichi 10 / 02 / 2017)


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, 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 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 complique 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 : 4300 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 constructeurs de moteurs 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. On obtenait alors (à la fin des années 20) 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 et auto-allumage (= explosion prématurée). 

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 plomb tétra-éthyle. 

Malheureusement, ce remède simple, employé par Rolls-Royce depuis la fin des années 20 pour mettre au point les moteurs des hydravions 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 leurs mises au point avancent correctement. 

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 faut multiplier la surface qui va servir à évacuer les calories dans le milieu extérieur. C'est le rôle des ailettes de refroidissement dont la finesse doit 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. 



FW 190 A8 - vous voyez les pales du ventilateur et l'arbre porte-hélice et le capot



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) - 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 (ils ne sont pas de longueurs identiques).


b) l'huile

Les moteurs à refroidissement à air de grande puissance, plus légers et plus simples à fabriquer que les moteurs refroidis par liquides, 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 en général importante et cette huile chauffait, elle aussi : il fallait donc un radiateur d'huile. Donc l'huile participait au refroidissement des moteurs à refroidissement à air.

Ce fut, après la Seconde Guerre Mondiale, la plaie du Convair B 36, dont les 6 puissants moteurs - qui n'étaient pas tractifs mais propulsifs - étaient disposés au bord de fuite de la voilure. 

Les hélices n'alimentaient donc pas les radiateurs d'huile qui eurent une tendance maladive à fuir, causant nombre d'incendies.



c) le capot NACA 

Certains constructeurs pensaient qu'il fallait mettre le moteur en étoile directement à l'air libre, parce que autrement, comme il ne tournait pas sur lui-même, il chaufferait...





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 !


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

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 où se trouve sa fiche technique

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


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 - récupéré sur le site wwiivehicles.com 

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.

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 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 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 1000 Cv). 
    • Ceci bloquait 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.



Document de l'auteur - Capot Mercier d'un LéO 45 en 1938











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.


Document personnel de l'auteur -  L'air tourne tout autour du cylindre et est ensuite éjecté vers l'arrière


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 pertinent 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 leurs capot Mercier après la guerre.











6 commentaires:

  1. Merci pour ce bel article et celui sur la série des bloch 15x... Passionant !

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  2. "Le capot NACA est une copie servile de ces capots des chasseurs Nieuport que les pilotes de chasse américains avaient bien connus."
    Hola, vous y allez un peu fort. Il y a autant de points communs entre un capot de nieuport et un naca qu'entre une casserolle et un ordinateur. Le capot du nieuport n'est qu'un carénage destiné à éviter les projections d'huile ou d'essence (ces moteurs n'avaient pas de ralenti autrement que par coupure de l'allumage) et le refroidissement est assuré par la rotation du moteur. L'air ne circule pas à travers le capot contrairement au naca dont l'aérodynamique interne est extrèmement soignée et obéit en plus a des lois relevant de la thermodynamique.
    Contrairement à ce que vous dites, le refroidissement du FW 190 ne fut jamais rellement satisfaisant malgré la soufflante, solution non répandue car gourmande en puissance.
    Le capot mis au point par la naca a été une innovation majeure qui a permit de franchir un cap aux performances, et ce quelque soit la gamme de puissance.

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    1. Le carénage externe du NACA est l'exacte copie de celui du Nieuport 28.

      C'est un point essentiel pour l'aérodynamique générale de la cellule puisque cela réduit drastiquement les interactions nuisibles.

      Ensuite, la petite entrée d'air du Nieuport 28 débouche très correctement sur une sortie de bien plus grande surface qui permet parfaitement l'évacuation de l'air chaud bien plus volumineux, façon convergent-divergent.

      Je ne vois pas ce qui vous permet de dire que l'air ne circulait pas dans ce capot.

      Si cela avait été le cas, l'avion n'aurait pas volé plus de quelques minutes !

      Vous avez peut être un peu oublié que l'anneau Townend, qui fut monté sur le Morane 224 et surtout sur le Boeing P 26, bien qu'aérodynamiquement assez simpliste, était déjà nettement meilleur que le moteur nu que montrent encore aujourd'hui les MS 230 et 317.

      Evidemment, avec un moteur rotatif à une seule rangée de cylindres, on ne pouvait pas installer des guides favorisant le passage de l'air d'une rangée à l'autre.

      Le capot NACA eut cela de bon qu'il s'est peu à peu imposé et a permis des progrès de vitesse important chez les constructeurs qui, jusque là, ne carénaient pas du tout leurs moteurs.

      Et qu'il y ait quelques perfectionnement annexes avec 10 ans de retard, heureusement, quand même.

      Mais ce ne fut pas une révolution fondamentale pour ceux qui travaillaient l'aérodynamique de leurs avions.

      Quant au FW 190 à moteur BMW 801 D, ce fut un avion qui volait, en 1942, à la même vitesse qu'un Spitfire IX de 1943, avec juste 100 Cv de plus et malgré un maître couple considérablement supérieur.

      En plus, il avait une autonomie de 40 % supérieure.

      Je n'ai pas lu de critique Allemande sur la tendance à chauffer du BMW, mais je vous accorde qu'en Libbye et Tunisie comme dans les régions au Sud de l'URSS, ses conditions au décollage en Été n'avaient rien à voir avec celles régnant en Allemagne ou en France, avec de la poussière bien abrasive en plus.

      Cet aspect n'avait peut-être pas été prévu !



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    2. bonjour

      les premiers models de FW ont eut effectivement des probleme de chauffe au niveau de la deuxieme rangée de cylindres mais qui furent finalement resolu

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  3. Pas d'accord, le refroidissement des rotatifs est assuré par le vent relatif du à la rotation du moteur, et il n'y a pas de fonctionnement convergeant divergeant. Le simple positionnement des trous d'aération (on ne peut appeler cela autrement) est du à la nécéssité d'évacuer aussi les gaz d'échappement (qui sortaient des cylindres toujours dans le même secteur angulaire). Il est possible que les cylindres en tournant aient agit comme les pales d'un ventilateur centifuge et aient ainsi participé au renouvellement de l'air sous ce capot, mais c'est bien loin d'un capot naca. Et ce n'est pas parce qu'il y a une vague ressemblance extérieure (ou sont les fentes périphériques sur le Nieuport ?)
    que c'est la même chose et qu'il y a plagiat. Pour savoir si c'est un réel progrés ou pas, jetez donc un oeil sur le mistery ship, et sur ses performances comparées.
    Les problèmes de refroidissement on fallit avoir raison du FW 190, c'est tres bien connu ! Mais il est vrai que les modifications internes du capot et du moteur ne se voient pratiquement pas (hormis les deux bossages permettant d'amener un peu d'air frais sur l'étoile arrière et les fentes verticales à l'arrière). Chaque bureau d'étude a trouvé ses solutions, voyez les rateaux qui sont accrochés sous les ailes des spitfire, et les notion de finesse et de maitre-couple vous paraitront un peu différentes.
    L'anneau townend est une étape vers des capots plus efficaces, et si les MS 315 et 317 (ne pas oublier les 505) se balladent cylindres à l'air comme de vulgaires J3, c'est simplement parce qu'un capot naca est lourd, coute cher (c'est très compliqué à fabriquer), ch... à démonter pour faire l'entretien (fréquent), et qu'ayant été concus comme ça, ce serait les dénaturer de les affubler aujourd'hu d'un capot qu'ils n'avaient pas à l'origine.

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    1. Je suis surpris que vous pensiez que la forme extérieur n'intervienne pas dans le Cx d'une cellule !

      Que la NACA ait réussi à définir des éléments de perfectionnement de ce type de capot ne me choque pas : L'équipe Nieuport fonctionnait à petit effectif en pleine Grande Guerre et était pressée pour sortir quelque chose qui améliore la vitesse des chasseurs Français pour lutter contre les Allemands. Il lui était impossible d'en faire la théorie.

      La NACA ne s'est pas servie que chez nous, elle a allègrement recopié les travaux Allemands sur les profils d'ailes.

      Elle a été une des premières agences fédérales et a permis aux USA de rattraper leur retard technologique sur l'Europe.

      A propos du FW 190, les problèmes de refroidissement qui sont parvenus jusqu'à moi concernaient les premiers prototypes, avec en plus les très hautes températures au niveau du pilote. Mais Galland ne l'évoque même pas.

      Mais cela fut fréquent un peu partout (voir le Thunderbolt).

      Aux USA, le capot NACA ne suffisait pas aux gros PW 2800 et la solution fut en partie trouvée dans l'essence à 150 d'octane.

      Le MS 230, si mes souvenirs sont exacts, avait bénéficié d'un capot NACA et d'une conduite intérieure bien profilée pour courir la coupe Michelin dans les années 30. Cela aurait économisé pas mal d'essence si cela avait été généralisé...

      La notion d'accès montre l'antagonisme entre les désirs des mécaniciens et la survie des pilotes. Le NACA pouvait être découpé en quartiers plus manipulables, en tout cas, c'est ce que j'ai vu étant petit, au tout début des années 50.

      Le Mystery ship vous plait. Il a ces multitudes de haubans que j’exècre et qui traînent beaucoup que ce que l'on croyait alors...

      Il a 400 Cv, 1000 kg et vole à 380 km/h. J'imagine qu'il fallait un super pilote à bord car je l'imagine très, très délicat à haute incidence.

      Mais le fini extérieur était vraiment superbe, jouant un rôle important dans ses performances.

      Mais si cet avion a fait connaître le capot dont nous discutons, ce n'est pas lui qui a servi aux essais.

      Deux mauvais exemples inverses : Le Bernard 40, hydro à flotteurs d'entraînement à la coupe Schneider, 900 Cv, 400 km/h et le Gourdou GL 30 qui allait quasiment aussi vite avec 380 Cv - et un train rentrant - dans le début des années 20.

      Tous les deux ont des carénages bizarres, sûrement moins efficaces.

      Un perfectionnement utile vint plus tard (des USA) : Les volets de capots.

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