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Technique des avions: 3°partie

Moteurs à piston

Le moteur à pistons continue à dominer la période. Les avions à réaction ne sont qu'une note en bas de page de l'histoire aéronautique de la guerre. Ils ne prennent de l'importance qu'à cause de leur rôle après la Seconde Guerre. Le moteur à piston d'un avion est fondamentalement semblable à celui d'une voiture. Il doit, si possible, concentrer plus de puissance dans un poids et un volume aussi faible que possible. La durabilité sera en général sacrifiée aux performances: un avion revenant à sa base après chaque mission, il peut être plus souvent et plus longuement entretenu qu'un moteur de voiture ou de char.
En vol, le problème numéro un du moteur est le refroidissement. S'il est insuffisant, le moteur s'enflamme et l'avion est perdu. Deux arrangements se partagèrent les faveurs des motoristes de l'époque: le moteur en étoile et celui en ligne, avec la méthode de refroidissement associée, respectivement par air et par liquide. Le cas le plus simple est le moteur en étoile: les cylindres (contenant En haut, le moteur en étoile 'Cyclone', utilisé notamment sur le B-17 et en bas le 'Allison', utilisé sur les P-40 et les Airacobra.les pistons) sont disposés en étoile autour de l'arbre qu'ils font tourner et qui fait tourner l'hélice. Ces cylindres sont exposés à l'air extérieur, accéléré par l'hélice, qui les refroidit par contact direct, généralement aidés par des ailettes de refroidissement (qui augmentent la surface de métal conducteur de chaleur en contact avec l'air froid). L'avantage du système est sa simplicité (aucun circuit de refroidissement à prévoir) et sa robustesse (pas de rupture du système de refroidissement à craindre). Il est également moins encombrant car il n'y pas de tuyauterie et de radiateur supplémentaires. L'inconvénient du moteur en étoile est sa traînée: les anfractuosités d'un moteur ne sont pas aérodynamique et donc une partie de la puissance du moteur est perdue pour faire pénétrer un nez quasiment plat dans l'air. Un autre inconvénient est que le nombre de cylindres que l'ont peut placer en étoile n'est pas infini. Il y a donc là un facteur limitatif de la puissance totale. Le problème fut, partiellement, résolu en créant des moteurs à double étoile (une deuxième étoile de cylindres derrière la première mais décalée pour profiter de l'air passant dans les interstices). La qualité du refroidissement n'est pas la même et il fallait parfois ajouter un système complémentaire de refroidissement par liquide.
Le moteur en ligne par contre peut être aussi aérodynamique que possible: ses cylindres sont placés l'un derrière l'autre (de multiples configurations sont possibles, la plus courante étant le V). Le refroidissement se fait grâce à un liquide (eau, glycol, huile, ....) qui circule autour des cylindres et emmagasine leur chaleur puis va se refroidir dans un radiateur où il entre en contact avec de l'air froid prélevé à l'extérieur par une prise d'air. Le radiateur n'est pas très aérodynamique, mais il peut être placé ailleurs que sur le nez de l'avion et sa forme peut être dessinée assez librement, deux facteurs de réduction de traînée comparé au moteur en étoile. Si le nombre ou la taille des cylindres augmente, il suffit d'augmenter la taille du radiateur pour pouvoir évacuer l'excédent de chaleur. Le refroidissement du moteur étant plus élaboré qu'un flux d'air extérieur, il y avait parfois moyen de tirer plus de puissance d'un moteur grâce au refroidissement par liquide.
L'inconvénient est double: les tuyauteries du liquide de refroidissement et le radiateur ont un coût en place et en poids outre leur coût de fabrication. Le second inconvénient, encore plus grave pour un avion de guerre, est sa fragilité: si un projectile ennemi fait un trou à un endroit quelconque dans la tuyauterie de refroidissement, tout le moteur grille et l'avion est perdu. Le moteur en étoile lui était capable d'encaisser beaucoup plus de coups: les projectiles ne pouvaient mettre les cylindres hors service qu'un par un (cfr. la capacité du Thunderbolt et du Hellcat d'encaisser des coups). L'avantage aérodynamique du moteur en ligne fut érodé pendant la guerre quand les ingénieurs apprirent à utiliser le flux d'air de refroidissement pour accroître la poussée vers l'avant.
Pendant la guerre, le moteur en ligne est dominant parmi les avions à hautes performances en Europe, mais les Japonais et les Américains préférèrent en général de moteur en étoile dans le Pacifique.
Alors que les moteurs de 1935 développaient moins de 1000 CV, ceux de 1945 pouvait atteindre ou même dépasser 2000 CV. Il n'y a pas de révolution technologique majeure pour expliquer ce progrès. Ce sont des améliorations de détail successives qui l'explique. L'un des axes de ces améliorations concerne les alliages légers, utilisés en quantité plus grande à l'intérieur du moteur.
L'hélice fit également des progrès pendant la guerre. Alors qu'elles étaient presque unanimement bipale et en bois jusque vers 1935, elles deviennent tripales, quadripales et certains avions montèrent jusqu'à cinq pales (comme le Spitfire XIV) pendant le conflit.


Turbocompresseur

Les proportions du mélange air-essence, dont la combustion actionne les pistons d'un moteur d'avion, étaient assez constantes (environ 15 parts d'air pour une de carburant). Au décollage la proportion de carburant était augmentée ("mélange plus riche") pour augmenter la puissance (et accroître le refroidissement: l'excédent de carburant étant un excellent refroidisseur). Cette solution ne pouvaient être employée pendant le reste du vol car la consommation aurait été trop élevée et cela aurait encrassé le moteur (la proportion de carburant imbrûlée augmente rapidement avec la richesse du mélange). Plus l'altitude augmente, plus diminue la pression atmosphérique et d'autant moins d'air arrive aux pistons. Pour maintenir la richesse du mélange constante, il faut diminuer la quantité de carburant et donc accepter une diminution du rendement du moteur.
La solution consiste à comprimer l'air qui servira au mélange air-essence et ainsi augmenter artificiellement la quantité d'air utilisable. C'est le rôle des turbocompresseurs. Ceux de la guerre étaient actionnés par les gaz d'échappement du moteur. Il pouvait avoir un ou plusieurs étages (plus il y a d'étages, plus il peut comprimer d'air et donc augmenter la puissance du moteur). L'accroissement de puissance ainsi obtenu ne se limitait pas au vol en altitude (quoique c'était là qu'il était le plus essentiel), mais aussi à des hauteurs plus faibles.
Comme toute solution miracle, le turbocompresseur n'était pas si miraculeux que ça. Il avait aussi de sérieux inconvénients: marier un moteur avec des compresseurs pouvait être compliqué et coûteux en temps et en ressources lors de la mise au point ou de la fabrication. Le compresseur en lui même est très encombrant et pèse lourd. Il altérait parfois les performances de l'avion à basse altitude si le gain de puissance ne compensait pas l'accroissement de poids et de traînée.
Ce fut la firme Rolls Royce qui lança la mode des moteurs turbocompressés en gagnant pendant plusieurs années de suite la coupe Schneider (la plus prestigieuses des compétitions aéronautique internationale de l'entre-deux-guerres) à partir de 1931. De ces moteurs de compétition, dériva le moteur Merlin, celui qui équipera le Spitfire.


Carburateur

Pendant la phase de réarmement de la Luftwaffe, les motoristes allemands (Daimler Benz, Junkers) concentrèrent leur efforts sur l'injection directe (l'air et l'essence sont envoyés directement dans les cylindres dans les proportions adéquates, sans passer par un carburateur jouant le rôle de mélangeur). L'exercice était difficile à réussir à cause de la précision à obtenir, mais il en valait la peine. Il permettait notamment d'éviter les flotteurs dans le carburateur (les flotteurs déterminaient la proportion air-essence du mélange en s'enfonçant plus ou moins sur le carburant liquide). Pendant la bataille d'Angleterre, les Spitfire ne pouvaient exécuter certaines manoeuvres pour éviter que les flotteurs ne coupent purement et simplement l'alimentation des cylindres alors que les Bf-109 ne connaissait pas une telle limitation.


Carburant

Malgré le nom de "moteur à explosion", le mélange air-essence ne doit pas exploser, mais seulement brûler rapidement. S'il explose prématurément ou trop brusquement en pénétrant dans les cylindres, il détériore le moteur et ne fournit pas le travail attendu. Les moteurs d'avions étaient beaucoup plus poussés que les moteurs de voitures ou de char et donc le mélange était soumis à une température et une pression plus élevées. Le résultat pouvait être l'explosion spontanée redoutée. Pour résoudre le problème, apparaît dans les années 30 le carburant à haut indice d'octane (en gros, de l'essence "plombée"), qui explose à des pressions et des températures beaucoup plus élevées que le carburant classique. Cela permit de pousser les moteurs encore un peu plus et de tirer plus de chevaux d'un moteur de poids équivalent.

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