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ensemble des systèmes qui permettent aux navires et bateaux de se déplacer De Wikipédia, l'encyclopédie libre
En construction navale, la propulsion désigne l'ensemble des systèmes qui permettent aux navires et bateaux de se déplacer. Elle est effectuée par un propulseur entraîné par un moteur. Le propulseur peut être :
Un système de propulsion répond à plusieurs objectifs :
Un certain nombre de constructions flottantes ne disposent pas de système de propulsion autonome et ont besoin d'une intervention externe pour se déplacer. C'est le cas des barges fluviales : elles étaient autrefois halées par des chevaux marchant le long des berges d'un canal, parfois par des personnes quand le bateau était suffisamment léger. Pour ce type de propulsion, la corde de halage était portée par un mât placé à peu près au premier tiers du bateau[1] ; ce mât s'appelle l'arbouvier (de "arbre").
Des bateaux ou des bacs ont aussi été propulsés par un manège de chevaux ou de bœufs embarqués, le manège actionnant des roues à aubes ou une chaîne de touage.
Dans cette expression, le terme « propulsion » désigne en fait le moteur et non le propulseur. Les Anglais utilisent l'expression plus exacte « human powered ». La propulsion est humaine quand une personne utilise ses mains (et ses pieds) comme propulseur pour se déplacer dans l'eau ou sur l'eau.
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Ce type de halage humain a perduré jusqu'à la généralisation des moteurs thermiques sur les bateaux fluviaux (en France, on l'appelait "Halage à la bricole").
Utilisation d'une perche, ou d'un aviron quand la profondeur est suffisamment faible (image ci-contre à droite).
La force musculaire est probablement la première force motrice utilisée sur un navire, comme sur la barque solaire de Chéops avec son système d'aviron.
De manière générale, ce type de propulsion consiste à actionner une rame formée d'un manche et d'une pelle immergée ; la rame peut soit être reliée au bateau par un ou deux tolets, une dame de nage ou une engoujure, soit être tenue à deux mains. L'action effectuée consiste en un va-et-vient régulier, en alternant une phase de poussée pelle dans l'eau et une phase de retour pelle hors de l'eau, ou en alternant des phases de poussée entièrement dans l'eau pour la godille.
L'action de la pelle dans l'eau est de deux sortes : avec la godille, la pelle agit comme une aile, avec un angle d'incidence réduit maintenant un écoulement attaché sur les deux faces de la pelle; avec l'action de ramer, la pelle pousse l'eau directement vers l'arrière du bateau, en écoulement complètement décroché.
Applications :
L'hélice peut être actionnée par un levier ou un vilebrequin : premiers sous-marins autonomes à énergie musculaire, le Turtle, le Nautilus de Robert Fulton ou grâce à un pédalier, comme sur une bicyclette. Ce dernier système est utilisé par quelques engins de vitesse de type hydroptère et surtout par des petites embarcations de bord de plage de type pédalo, l'hélice étant alors parfois remplacée par une roue à aubes.
L'hélice est actionnée grâce à un pédalier : engin de vitesse Decavitator, vitesse 18,5 nœuds.
La propulsion à voile consiste à utiliser la force du vent (le moteur) pour propulser un voilier, le plus souvent grâce à des voiles (le propulseur). Les nombreuses combinaisons de formes et de dispositions de voiles ont donné naissance à une grande variété de gréements, mais aussi à des formes de coques spécialement étudiées pour ce type de propulsion.
De même que la pelle d'une rame, une voile peut fonctionner de deux façons :
Afin de porter la voilure, il y a besoin d'un support surélevé (en général un mât), d'un moyen d'établir la voilure (drisses) et de l'orienter par différents cordages (écoutes). Selon le type voile, il peut y avoir besoin d'espars supplémentaires, comme une bôme ou un whishbone pour une grand'voile, un tangon pour un foc ou un spinnaker. Les différentes formes de voiles et la façon de les établir sur un ou plusieurs mâts permettent de caractériser les gréements.
Deux types de gréements, opposés par leur origine géographique, ont fini par se combiner pour obtenir la voilure idéale en matière d'efficacité et de souplesse :
Si les premiers voiliers ne comportaient qu'une seule voile, la combinaison de plusieurs voiles en les répartissant en hauteur et en longueur permet d'améliorer la manœuvrabilité du bateau et d'adapter la voilure aux conditions de navigation. La combinaison de différentes formes de voiles sur un seul bateau survient avec les caraques ; les vaisseaux construits par la suite montrent une grande inventivité dans les gréements. Actuellement[Quand ?], les gréements se sont à nouveau simplifiés et n'intègrent plus que deux ou trois voiles, souvent en matériaux synthétiques.
Les voiles, du fait de leur caractère très économique et de l'autonomie qu'elles permettent, étaient utilisées sur la plupart des navires même après l'arrivée de la vapeur, jusqu'à la fin du XIXe siècle, où la navigation à voile atteignit son apogée technique avec des quatre-mâts et cinq-mâts de plus de 100 m de long menés par des équipages réduits. Par la suite, le besoin de vitesse et de régularité d'exploitation, l'autonomie permise par le Diesel, et le droit du travail imposant trois bordées au lieu de deux, entraînèrent sa disparition pour les navires de guerre d'abord, et de commerce ensuite. Les derniers grands voiliers marchands, qui avaient résisté sur les cargaisons lourdes au long cours, comme les nitrates du Chili, disparurent en quelques années dans la décennie 1950 (naufrage du Pamir en 1957). Quelques utilisations de niche subsistèrent jusque dans les années 1970. De nos jours, les voiles restent utilisées sur les petits voiliers et sur certains yachts de luxe, pour la navigation de plaisance (loisir) ou sportive.
Il a existé des systèmes expérimentaux où l'énergie du vent était captée par une hélice aérienne (assez proche dans ses caractéristiques d'une hélice d'éolienne).
Une voile « libre » n'est pas établie sur un gréement ; c'est une voilure souple reliée au bateau par un câble en tension. Sa forme (type parapente) doit lui procurer la stabilité aérodynamique nécessaire à son maintien dans l'air. Un cerf-volant de traction a été mis au point par la firme allemande SkySails afin de permettre des économies de combustible qui pourraient aller de 10 à 30 %. Les essais réels ont eu lieu en sur le Beluga Skysails de type cargo (132 mètres de long, 9 770 tonnes). La surface de l'aile qui vole entre 100 et 300 mètres d'altitude est de 160 m2, la force de traction étant de l'ordre de 5 tonnes. La vitesse de route de ce navire est de 15,5 nœuds soit un Nombre de Froude de 0.22. À cette vitesse la traînée relative est de l'ordre de 0.0025, ce qui donne une traînée (résistance à l'avancement) de l'ordre de 25 tonnes. La traction de la voile vaut alors 20 % de la traînée.
Les limitations du système sont un angle mort de 50° de part et d'autre de la direction d'où vient le vent et la vitesse du navire est inférieure à 16 nœuds.
La propulsion motorisée consiste à actionner un propulseur grâce à un moteur. Ce système était introduit au début du XIXe siècle avec la machine à vapeur actionnant une roue à aubes, l'énergie étant fournie par la combustion du charbon. Les premiers travaux et applications pratiques, furent réalisés par l'Américain Robert Fulton dès 1803. Depuis, d'autres systèmes, plus efficaces, ont été créés.
Dans toute propulsion motorisée, on peut distinguer quatre fonctions principales :
Carburants fossiles (charbon, fioul lourd, gazole, essence), énergie nucléaire, électricité, (énergie musculaire). Stockage à bord.
Le moteur est chargé de transformer l'énergie primaire du combustible en énergie mécanique et / ou électrique, parfois hydraulique. Les deux principales catégories sont les moteurs à combustion externe (chaudières et machines ou turbines à vapeur) et ceux à combustion interne (moteurs Diesel, moteurs à essence et turbines à gaz).
Ce système est le plus ancien. Il se caractérise par sa division en deux parties : la chaudière produit de l'énergie en chauffant de l'eau en vapeur grâce au combustible ; le moteur transforme cette énergie calorique en travail mécanique.
Les chaudières sont constituées d'un corps étanche, parcouru par des tubes de chauffe où circule le liquide à chauffer, qui entoure un foyer où a lieu la combustion. Les premiers modèles créés sont assez simples du fait des limitations de la métallurgie de l'époque, les tubes de chauffe sont en cuivre et les pressions internes très faibles. L'utilisation de l'acier permettra par la suite d'augmenter très fortement le rendement en augmentant les pressions en jeu et récupérant la plus grande partie de l'énergie créée, par des techniques très raffinées. À la fin du XIXe siècle, le charbon commence à céder la place au mazout en tant que combustible, ce qui permet de diminuer la main-d'œuvre nécessaire au fonctionnement, en supprimant les hordes de chauffeurs qui alimentaient les chaudières à la pelle et de simplifier le stockage du combustible, maintenant liquide. L'apogée de cette technologie survient dans les années 1920. Après la Seconde Guerre mondiale, elles furent définitivement supplantées du fait de leur rendement inférieur, mais leur fonction de production de vapeur se retrouva alors dans les réacteurs nucléaires qui présentent l'avantage d'utiliser un carburant quasiment inépuisable ; voir l'article Énergie nucléaire.
Le moteur peut être une machine à vapeur ou une turbine à vapeur :
Les systèmes à combustion externe permettent d'atteindre de grandes puissances (70 MW) avec des carburants de basse qualité, mais avec une grande consommation (380 kg/MWh) et une faible efficacité thermique. Ils sont aussi très longs à mettre en route (4 h) et demandent beaucoup d'espace. Ils sont encore typiquement utilisés pour des applications spécialisées : sur les bâtiments militaires en utilisant l'énergie nucléaire pour une meilleure autonomie, et sur les transporteurs de gaz liquéfié où il est possible de réutiliser le gaz des soutes.
Issu des travaux de François Isaac de Rivaz, puis de Rudolf Diesel, le moteur à combustion interne finit par atteindre des puissances acceptables pour son utilisation navale, avant la Première Guerre mondiale. Sauf pour les plus petits bateaux, ils sont de type Diesel. Ils permettent des rendements importants, et par là une consommation moindre, mais nécessitent des carburants moins grossiers, faisant appel au raffinage des produits pétroliers. On distingue :
Après la Seconde Guerre mondiale, les turbines à gaz dérivées des réacteurs d'avion s'ajoutèrent à la liste. Il s'agit en général de turbines aéronautiques « marinisées » (ajout d'un arbre et matériaux résistants à la corrosion). Elles peuvent procurer une grande puissance (jusqu'à 43 MW) pour une faible masse (rapport poids/puissance d'approximativement 1,2 à 4 kg/kW) et permettent aussi des temps de démarrage extrêmement courts, de l'ordre de deux minutes, d'où leur application fréquente sur les navires militaires pour des accélérations rapides. À cause d'un débit d'air très important, les turbines demandent des gaines de passage d'air d'admission et d'échappement de grandes dimensions. Elles sont surtout très coûteuses à l'achat et en exploitation car elles consomment plus (250 à 300 kg/MWh) et exigent un carburant de très bonne qualité.
Dans les années 2000, le taux de soufre maximal autorisé dans le fioul lourd utilisé par les navires civils est de 3,5 %. L’Organisation maritime internationale a adopté le la date du pour la généralisation du seuil maximal de soufre à 0,5 %[2] et en 2019 le maximum toléré est de 1,5 %. Les marines de guerre de l'OTAN s’imposent un taux de soufre de 0,1 % depuis environ 1980[3].
Les bâtiments à propulsion nucléaire utilisent un ou plusieurs réacteurs nucléaires. La chaleur produite est transmise à un fluide caloporteur utilisé pour générer de la vapeur d’eau actionnant :
Environ 400 navires à propulsion nucléaire existent dans le monde, très majoritairement militaires, surtout des sous-marins, mais aussi des porte-avions et des croiseurs, et quelques navires civils (brise-glaces). Des cargos nucléaires ont également été expérimentés dans les années 1960 et 1970 (l’américain NS Savannah, l’allemand Otto Hahn et le japonais Mutsu), mais leur exploitation ne s’est pas avérée rentable et, ces expériences ont été abandonnées.
Les coûts d’investissement et d’exploitation de la propulsion nucléaire ne la rendent véritablement intéressante que pour un usage militaire et particulièrement pour les sous-marins. Cette énergie apporte :
La propulsion nucléaire apporte donc aux sous-marins un avantage déterminant, au point que l’on peut qualifier les sous-marins classiques de simples submersibles.
L'énergie mécanique étant produite, il reste à la transmettre aux propulseurs. Historiquement la méthode utilisée était la plus simple : un arbre moteur entraînant directement l'arbre d'hélice ou de roue. Cependant la satisfaction de plusieurs besoins a pu entraîner une certaine complexité de transmission.
Ces deux systèmes sont généralement inclus dans le boîtier du réducteur.
Dans ce cas les moteurs principaux agissent comme générateurs d'électricité (à la manière d'un groupe-électrogène alors dédié quasi exclusivement à la propulsion) et les arbres d'hélice sont entraînés par des moteurs électriques (parfois immergés). Si les principes généraux de transmission électriques existent depuis environ 1940, l'évolution très récentes de l'électronique de puissance fait naître énormément de nouveautés techniques. La fusion technique du pod avec elle est récente et développée vers 1990. Globalement la transmission électrique a de plus en plus d'avantages avec l'évolution technique. Elle a un dispositif concurrent qui est peu employé sur les navires pour des raisons de pollutions, la transmission hydrostatique (ou dite aussi hydraulique) avec des avantages mécaniques assez similaires aux transmissions-électriques qui :
La propulsion électrique plus silencieuse est utilisé en phases de plongée, grâce à l'emploi d'accumulateurs sur les sous-marin (diesel-électrique) depuis 1935 (en phase de schnorchel le bruit est élevé car des moteurs-diesel recharge les batteries). Ces sous-marin de guerre, encore utilisés, ont un arbre d'hélice. Leurs moteurs électriques propulsifs sont internes au sous-marin. Sur les sous-marin d'exploration, il y a autant de propulseurs électriques externes, comme des POD que de propulseurs à moteur-électrique interne. Sur les sous-marin nucléaires plusieurs solutions se présentent : le moteur propulsif interne peut être à turbine à vapeur ou électrique et des Pods électriques externes existent aussi.
Le dispositif terminal de poussée transforme une énergie mécanique, en force motrice axiale (dans l'axe du navire). Dans la quasi-totalité des systèmes, la force propulsive est exercée à l'arrière du navire. En effet, la vitesse, les vagues ont tendance à relever la proue. D'autre part, le volume d'eau déplacé par la poussée de la coque limite les turbulences de l'eau sous sa moitié arrière, régularisant les forces propulsives, diminuant les vibrations et améliorant ainsi l'efficacité globale. Dans le cas le plus général, un arbre long (voire plusieurs), presque parallèle à la coque (incliné vers l'arrière entre 4 et 10°) permet de décaler la source de l'énergie mécanique primaire (intérieur) du dispositif de poussée (extérieur). Sur les navires modernes, entre ces deux pôles mécaniques (énergie mécanique primaire et énergie mécanique de poussée), des innovations technologiques se glissent (transmissions mécaniques, électriques ou hydrauliques). Si en général, les dispositifs terminaux de poussée fonctionnent par action directe sur l'eau, comme en aviation, une partie importante de la poussée peut aussi être créée par l'accélération d'une masse fluide canalisée dans une tuyère (poussée de réaction).
La roue à aubes est le premier système à avoir été historiquement employé, pour la navigation fluviale ou côtière avec machine à vapeur, et pour les premiers transatlantiques. Mais la faible efficacité de la roue, son encombrement latéral, sa vulnérabilité (navires de guerre) ont entraîné son remplacement par les systèmes à hélice. Ce propulseur n'est plus utilisé que pour quelques embarcations en eaux intérieures : les ferrys du lac Léman, par exemple.
L'hélice est actuellement[C'est-à-dire ?] le propulseur le plus employé. Placée en général à l'arrière du navire, elle tourne autour d'un axe horizontal ou peu incliné. La « vitesse totale » des pales (somme de la vitesse de rotation et de la vitesse d'avance) génère une poussée qui fait avancer le navire.
Le pod se définit par opposition au cas le plus général où l'hélice est entraînée par un arbre moteur long traversant la coque par un palier étanche; simple palier terminal d'arbre d'hélice parfois complété par un second externe (l'hélice se trouve en porte à faux au bout de l'arbre moteur). Le "Pod" ne comporte par d'arbre long traversant la coque. Une excroissance de la coque appelée nacelle de pod tient très solidement une hélice alors qu'un dispositif mécanique interne apporte l'énergie de rotation entraînant l'hélice. Cette nacelle est le plus souvent verticalement pivotante pour servir à la rotation efficace du navire. Ces pods peuvent porter une hélice dite « tractrice » située sur l'avant de la nacelle, soit une hélice propulsive. Il peut présenter aussi deux hélices, montées en tandem, une à l'avant et l'autre à l'arrière, ou bien deux hélices contrarotatives.
Enfin, la manière dont l'énergie mécanique parvient à l'arbre de l'hélice distingue deux types de pods très différents qui s'opposent.
Direction; la nacelle peut être fixe, mais elle est le plus souvent orientable. Pour les pods fixes, un petit gouvernail en arrière de l'hélice assure la direction du navire.»»
Ce sont des hélices semi-immergées, au profil de pale particulier pour éviter la « ventilation » du profil. Dans cette configuration l'arbre de transmission sort du tableau arrière au-dessus de l'eau ; il n'y a pas de gouvernail, c'est l'orientation latérale de l'arbre porte-hélice qui assure la manœuvrabilité (poussée vectorielle). Ce système est employé sur des bateaux rapides (plus de 30 nœuds).
L'hélice est placée dans un conduit; l'eau est pompée sous la carène et expulsée au niveau du tableau arrière, à l'air libre. L'orientation du jet est contrôlée dans le plan latéral pour assurer la direction et dans le plan vertical pour obtenir l'inversion du sens de poussée (marche arrière), remplaçant ainsi le gouvernail et l'inverseur.
Ce type de propulseur a d'abord été utilisé sur les petites embarcations portuaires très maniables sous la marque Schottel[4]. Il est souvent utilisé (à partir de 25 nœuds) sur les navires à passagers, et c'est le système le plus utilisé à grande vitesse (plus de 30 nœuds) : yachts rapides, ferrys à grande vitesse (NGV), hydroptères à vocation militaire. Les hydrojets sont montés sur des engins de loisir de type jet-ski ou motomarine à la place des hélices pour des raisons de sécurité.
Ils sont toujours installés par paire. Ils tournent selon un axe vertical, les pales agissant comme des foils ; La capacité d'ajuster très rapidement la direction du flux d'eau rend ce système particulièrement intéressant pour les remorqueurs, mais sa complexité le handicape au bénéfice des Z-drive, ou propulseurs azimutal.
Enfin, les propulseurs transversaux ou « pousseurs » (« bow thruster » et « stern thruster » en anglais) sont des hélices agissant dans le sens transversal dans un tunnel traversant la coque pour assister et faciliter les manœuvres des navires surtout dans la navigation fluviale et dans les approches portuaires. Ils peuvent être entraînés par moteur Diesel, mécaniquement ou par un système hydraulique, ou par un système électrique.
Les engins à très faible tirant d'eau (hydroglisseurs) et ceux qui se déplacent au-dessus de l'eau (navires à sustentation, à coussin d'air aéroglisseurs et avions à effet de sol) font appel à des propulseurs aériens :
Les moteurs utilisant une membrane ou nageoire biomimétique sont aujourd'hui développés et commercialisés. L'utilisation d'une membrane en matière souple permet d'obtenir un mode de propulsion au bruit réduit ainsi que sans danger de coupure ou déchiquetage (présent avec des hélices standards). La startup française FinX a développé un moteur de ce type allant jusqu'à 120kW de puissance utilisant une membrane ondulante. .
Le halage animal a été progressivement remplacé par une traction mécanique pouvant être produite de différentes façons :
L'avantage d'une barge non propulsée est de permettre une certaine flexibilité et plus de rentabilité dans les opérations : pendant que la barge effectue les opérations de chargement et déchargement au port (ce qui prend du temps), le remorqueur peut être libéré pour un autre déplacement. Le système remorqueur et barge est encore utilisé sur les lacs et grands fleuves, et en haute mer pour amener les plates-formes pétrolières à leur lieu de fonctionnement. Certains navires sont également transformés en fin de vie en leur retirant leur appareil propulsif devenu obsolète, et en les convertissant en barges mobiles ou fixes ; c'est le cas notamment pour certains pétroliers qui servent d'unités de stockage flottantes.
La propulsion magnétohydrodynamique est basée sur la force de Laplace : si on fait passer un courant électrique dans un corps soumis à un champ magnétique, alors ce corps est soumis à une force. Or l'eau de mer est conductrice. En théorie, il suffit donc de mettre un (gros) aimant dans un navire, puis de faire circuler un courant électrique dans l'eau soumise au champ magnétique créé, pour mettre l'eau en mouvement par rapport au navire, c'est-à-dire (symétriquement), pour mettre le navire en mouvement par rapport à l'eau. Ceci sans pièces mobiles, donc sans bruit, sans tourbillons, et sans avoir besoin de canaliser l'eau à l'intérieur du navire. Les gouvernails sont également superflus : il suffit de changer le sens du courant (ou du champ magnétique, si on utilise un électro-aimant) pour inverser la force d'un côté du navire et ainsi l'orienter. Le courant doit être en phase avec le champ magnétique, donc continu si l'aimant est permanent et fixe, mais par ailleurs de nombreuses configurations sont envisageables (notamment avec un électro-aimant).
Cependant, les inconvénients ne sont pas bien maîtrisés : risques électriques et magnétiques, électrolyse de l'eau de mer (perte de rendement électrique et risque de production de produits nocifs pour la vie et agressifs pour le matériel, comme le chlore et l'hydrogène), nécessité d'aimants puissants, poussées faibles par unité de surface, etc. Ce procédé reste donc expérimental. Au début des années 1990, Mitsubishi réalisa un bateau, le Yamato 1 utilisant la propulsion MHD. Il fonctionnait grâce à des aimants supraconducteurs refroidis à l'hélium et pouvait se déplacer à 15 km/h.
D'abord mis en scène par Tom Clancy dans son roman d'espionnage The Hunt for Red October, le mode de propulsion MHD a plus tard été dévoilé au grand public dans l'adaptation du roman au cinéma À la poursuite d'Octobre rouge en 1990[5].
La propulsion à réaction : sur un principe similaire à celui de l'avion à réaction, des bulles de gaz sont éjectées dans une tuyère ; l'expansion de fluide ainsi provoquée produit une poussée vers l'avant. Le gaz peut être produit soit par de l'air compressé, soit par réaction chimique de l'eau avec un « carburant » comme le sodium ou le lithium. Les résultats à ce jour sont peu encourageants en raison d'une très faible efficacité, du danger des produits mis en œuvre, et de la nécessité d'un système auxiliaire pour démarrer.
La propulsion par nageoire, battement ou oscillation d'hydrofoil[6]. Les expérimentations sur les sous-marins de course à propulsion humaine donnent de plus en plus de résultats satisfaisants.
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