Enconstruction navale, lapropulsion désigne l'ensemble des systèmes qui permettent auxnavires etbateaux de se déplacer. Elle est effectuée par unpropulseur entraîné par unmoteur. 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 desbarges fluviales : elles étaient autrefoishalées par deschevaux 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 unmanège de chevaux ou de bœufs embarqués, le manège actionnant desroues à aubes ou une chaîne detouage.
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 "Halageà 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 labarque solaire de Chéops avec son système d'aviron.
De manière générale, ce type de propulsion consiste à actionner unerame formée d'un manche et d'une pelle immergée ; la rame peut soit être reliée au bateau par un ou deuxtolets, unedame de nage ou uneengoujure, 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 uneaile, avec unangle 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, leTurtle, leNautilus deRobert 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 typepédalo, l'hélice étant alors parfois remplacée par une roue à aubes.
L'hélice est actionnée grâce à un pédalier : engin de vitesseDecavitator, vitesse 18,5 nœuds.
La propulsion à voile (égalementpropulsion vélique[2] oupropulsion éolienne[3]) consiste en l'utilisation de la force duvent (le moteur) pour propulser unvoilier, le plus souvent grâce à desvoiles (le propulseur). Les nombreuses combinaisons de formes et de dispositions de voiles ont donné naissance à une grande variété degréements et 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 unmât), d'un moyen d'établir la voilure (drisses) et de l'orienter par différentscordages (écoutes). Selon le type voile, il peut y avoir besoin d'espars supplémentaires, comme une bôme ou un whishbone pour une grand'voile, untangon pour un foc ou unspinnaker. Les différentes formes de voiles et la façon de les établir sur un ou plusieurs mâts permettent de caractériser lesgréements.
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 lescaraques ; 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 duXIXe 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 troisbordées 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 duPamir en 1957). Quelques utilisations deniche subsistèrent jusque dans les années 1970. De nos jours, les voiles restent utilisées sur les petits voiliers et sur certainsyachts de luxe, pour la navigation deplaisance (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. Uncerf-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 leBeluga Skysails de typecargo (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 duXIXe siècle avec lamachine à vapeur actionnant uneroue à aubes, l'énergie étant fournie par la combustion ducharbon. Les premiers travaux et applications pratiques, furent réalisés par l'AméricainRobert Fulton dès1803. 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 ducombustible enénergie 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 etturbines à gaz).
Ce système est le plus ancien. Il se caractérise par sa division en deux parties : lachaudière produit de l'énergie en chauffant de l'eau envapeur 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 unfoyer où a lieu lacombustion. Les premiers modèles créés sont assez simples du fait des limitations de lamétallurgie de l'époque, les tubes de chauffe sont encuivre 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 duXIXe siècle, lecharbon commence à céder la place aumazout en tant que combustible, ce qui permet de diminuer la main-d'œuvre nécessaire au fonctionnement, en supprimant les hordes dechauffeurs qui alimentaient les chaudières à la pelle et de simplifier le stockage du combustible, maintenant liquide. L'apogée de cette technologie survient dans lesannées 1920. Après laSeconde Guerre mondiale, elles furent définitivement supplantées du fait de leur rendement inférieur, mais leur fonction de production de vapeur se retrouva alors dans lesréacteurs nucléaires qui présentent l'avantage d'utiliser un carburant quasiment inépuisable ; voir l'articleÉnergie nucléaire.
Le moteur peut être unemachine à vapeur ou uneturbine 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 lestransporteurs de gaz liquéfié où il est possible de réutiliser le gaz des soutes.
Issu des travaux deFrançois Isaac de Rivaz, puis deRudolf Diesel, lemoteur à combustion interne finit par atteindre des puissances acceptables pour son utilisation navale, avant laPremière Guerre mondiale. Sauf pour les plus petitsbateaux, ils sont de typeDiesel. Ils permettent des rendements importants, et par là une consommation moindre, mais nécessitent des carburants moins grossiers, faisant appel auraffinage des produits pétroliers. On distingue :
Après laSeconde Guerre mondiale, lesturbines à gaz dérivées desréacteurs d'avion s'ajoutèrent à la liste. Il s'agit en général de turbinesaéronautiques « 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 desoufre maximal autorisé dans lefioul 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 %[4] et en 2019 le maximum toléré est de 1,5 %. Lesmarines de guerre de l'OTAN s’imposent un taux de soufre de 0,1 % depuis environ 1980[5].
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 dessous-marins, mais aussi desporte-avions et descroiseurs, et quelques navires civils (brise-glaces). Descargos nucléaires ont également été expérimentés dans les années 1960 et 1970 (l’américainNSSavannah, l’allemandOtto Hahn et le japonaisMutsu), 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 une très grande autonomie permettant d’éviter en opérations la contrainte du ravitaillement en combustible, qui se traduit par un retour à un port ou un ravitaillement en mer. Sur les porte-avions, l’espace libéré par l’absence de soute à combustible permet de consacrer plus de volume au stockage du carburant et des munitions des aéronefs. Ce type de propulsion est en outre totalement indépendant de l’atmosphère. Pour comparaison, les sous-marins classiques sont contraints de remonter en surface (ou à l’immersion périscopique en utilisant unschnorchel) pour alimenter les moteurs Diesel en oxygène et ainsi recharger leurs batteries électriques, après quelques dizaines d’heures de plongée aux moteurs électriques (quelques jours pour ceux dotés de propulsionAIP), ce qui les rend détectables et vulnérables ; les sous-marins à propulsion nucléaire peuvent eux rester plusieurs mois en plongée, préservant ainsi leur discrétion. Ils peuvent également soutenir durablement des vitesses importantes en plongée qu’un sous-marin classique ne pourrait maintenir plus de quelques dizaines de minutes sans entièrement décharger ses batteries.
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'ungroupe-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 dupod 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, latransmission 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 lessous-marin (diesel-électrique) depuis 1935(en phase deschnorchel 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 laproue. 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 deréaction).
Laroue 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 àhélice. Ce propulseur n'est plus utilisé que pour quelques embarcations en eaux intérieures : les ferrys dulac Léman, par exemple.
L'hélice estactuellement[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.
Lepod se définit par opposition au cas le plus général où l'hélice est entraînée par unarbre 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[6]. 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 oumotomarine à la place des hélices pour des raisons de sécurité.
Ils sont toujours installés parpaire. Ils tournent selon un axe vertical, les pales agissant comme desfoils ; 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 desZ-drive, ou propulseurs azimutal.
Enfin, lespropulseurs 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 desnavires surtout dans la navigation fluviale et dans les approches portuaires. Ils peuvent être entraînés parmoteur Diesel, mécaniquement ou par un systèmehydraulique, ou par un systèmeélectrique.
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'airaéroglisseurs etavions 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[7].
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 auport (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 lesplates-formes pétrolières à leur lieu de fonctionnement. Certains navires sont également transformés enfin 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 certainspétroliers qui servent d'unités de stockage flottantes.
La propulsionmagnétohydrodynamique est basée sur laforce de Laplace : si on fait passer un courant électrique dans un corps soumis à un champmagnétique, alors ce corps est soumis à uneforce. Or l'eau de mer estconductrice. 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 lechlore et l'hydrogène), nécessité d'aimants puissants, poussées faibles par unité de surface, etc. Ce procédé reste donc expérimental. Au début desannées 1990,Mitsubishi réalisa un bateau, leYamato 1 utilisant la propulsion MHD. Il fonctionnait grâce à des aimants supraconducteurs refroidis à l'hélium et pouvait se déplacer à15 km/h.
D'abord mis en scène parTom Clancy dans son roman d'espionnageThe Hunt for Red October, le mode de propulsion MHD a plus tard été dévoilé au grand public dans l'adaptation du roman au cinémaÀ la poursuite d'Octobre rouge en 1990[8].
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 lesodium ou lelithium. Les résultatsà ce jour[Quand ?] 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[9]. Les expérimentations sur lessous-marins de course à propulsion humaine donnent de plus en plus de résultats satisfaisants.
