Modes de propulsion des engins marins

Les engins marins (bateau de plaisance, navire scientifique, de pêche ou de commerce, bâtiment militaire, sous-marin, drone) font appel à différents modes de propulsion pour se déplacer sur ou sous les mers :

• l’utilisation d’une force naturelle à l’état brut (courant par exemple comme le Polar Pod de Jean-Louis Etienne) ;
• l’utilisation d’un système mécanique et aérodynamique embarqué transformant une énergie extérieure (voile et force du vent) ;
• l’utilisation d’un système mécanique embarqué transformant lui-même une énergie embarquée (aviron et force musculaire, hélice et force du moteur, etc.)

Ce mode de propulsion repose sur le recours à la force musculaire humaine pour se déplacer sur l’eau :

• perche en appui sur le fond quand la profondeur le permet ;
• rame, aviron ou pagaie : utilisation d’une force motrice en appui sur l’eau ;
• hélice : elle peut être soit immergée (actionnée par un système de pédalier, comme sur un pédalo par exemple) ou soit aérienne (exemple de l’hydroptère Decavitator dont le déplacement sur l’eau est assuré par une hélice aérienne reliée à un pédalier).

Le remorquage

​À partir de la terre ou en mer, le remorquage a de tout temps été un moyen de propulsion et le reste aujourd’hui. Divers moyens existent :

• le touage (traction sur une chaîne immergée) ;
• le halage (traction de navire par des chevaux dans le passé ;
• des locomotives aujourd’hui) ;
• le poussage.

Exemples : halage par locomotives dans les écluses du canal de Panama, remorquage d’un navire en avarie pour une opération de sauvetage en mer, remorquage de grands bâtiments lors de leur entrée dans un port.

La propulsion vélique

Elle consiste à utiliser la force du vent (moteur) pour propulser un engin grâce aux voiles (propulseurs). Le principe de fonctionnement d’une voile dépend de l’allure du navire, c'est-à-dire de l’angle entre la direction du navire et celle du vent.

Lorsque le navire remonte au vent (l’angle direction navire/direction vent diminue), l’écoulement de l’air le long de la voile crée une différence de pression entre les deux côtés de la voile : il y a création d’une dépression du côté de la voile situé sous le vent qui « tire » le navire et lui permet de remonter au vent (c’est le même phénomène, appliqué à une aile, qui permet à un avion de voler).

Afin d’améliorer les performances des bateaux (et leur permettre d’atteindre 4 à 5 fois la vitesse du vent), les architectes navals jouent sur la forme du bateau et des voiles, sur les types de composants à utiliser. Ils prennent aussi en compte le phénomène de gîte : la force du vent sur la voile possède une composante perpendiculaire à l’axe du navire qui peut faire pencher ce dernier sur le côté. On règle entre autres ce problème avec des quilles ou des contrepoids. Lorsque la direction du navire est proche de celle du vent, celui-ci pousse via les voiles le navire.

Exemples d’applications : bateaux de course (monocoques ou multicoques), engins de plage (dériveur, planche à voile, kitesurf).

La propulsion à réaction hydrojet

C’est un système de propulsion maritime à réaction : l'hélice est placée dans un conduit, l'eau est pompée sous la carène du navire et expulsée au niveau du tableau arrière, à l'air libre. L'orientation latérale du jet détermine la direction imprimée à l’embarcation. Verticalement, une inversion du sens de poussée permet la marche arrière. Ainsi le jet remplace tout à la fois le gouvernail et l'inverseur. Ce type de propulseur a d'abord été utilisé sur les petites embarcations portuaires très maniables.

Avantage : la sécurité, pour les scooters des mers de loisir par exemple.
Exemples : yachts rapides, ferries à grande vitesse (NGV), hydroptères militaires, scooters des mers.

​La propulsion motorisée, qui consiste à actionner un propulseur grâce à un moteur, est la plus répandue.

La propulsion motorisée

​La propulsion motorisée est la plus répandue. Elle consiste à actionner un propulseur grâce à un moteur. Le moteur est chargé de transformer l’énergie primaire du combustible en énergie mécanique et/ou électrique. Il est couplé à une ou plusieurs hélices, appareils de propulsion. Le système avance perpendiculairement à la rotation des hélices grâce aux pales orientées suivant un angle optimisé qui prennent appui sur l’eau.

A l’heure actuelle, la quasi-totalité des carburants utilisés par les navires sont des dérivés du pétrole : les « Heavy Fuel Oil » (HFO) et les « Marine Gas Oil » (MGO).

On distingue les moteurs à combustion interne (moteurs diesel, moteurs à essence et turbines à gaz) des moteurs à combustion externe (chaudières et machines à vapeur).

• Dans un moteur à combustion interne, l'énergie thermique dégagée par la combustion est transformée en énergie motrice mécanique directement à l'intérieur du moteur. Ces moteurs navals sont le plus souvent diesel, ou essence pour de petite embarcation.
  Exemples : navires marchands de plus de 100 m de long (moteur diesel deux-temps), navires militaires nécessitant une accélération rapide (turbines aéronautiques).
• Dans un moteur à combustion externe, l'énergie est transportée par un fluide caloporteur à l'extérieur de celui-ci comme dans un ensemble chaudière, turbine à vapeur ou moteur Stirling. Ce système permet d’atteindre de grandes puissances (70 MW) avec des carburants de basse qualité, mais avec une grande consommation et une faible efficacité thermique. Ils sont très longs à mettre en œuvre (4h) et demandent beaucoup d’espace.
  Exemples : bâtiments militaires, transporteurs de gaz liquéfié où il est possible de réutiliser le gaz des soutes.

Le moteur diesel

Le moteur est alimenté par un groupe électrogène dédié proportionnel à la puissance du moteur. La puissance est de 10 kW à plus de 50 kW (tension d’utilisation 400V triphasé). Cette solution est adaptable sur de grands de bateaux, en fonction des besoins.

• Avantages : autonomie (groupe électrogène), forte puissance et couple disponible en permanence, complément d’utilisation en électricité pour le service de bord.
• Inconvénients : installation complexe et coûteuse, pas adaptée aux petits bateaux.

Le moteur électrique

Un nombre croissant de constructeurs de petites unités utilise la propulsion électrique à bord de leur bateau, motivés par des raisons techniques, environnementales, de confort et de sécurité. Les récentes avancées technologiques, essentiellement des batteries (au lithium par exemple) permettent cette évolution.

• Avantages : confort d’utilisation (absence de bruit, de vibrations et d’émissions, etc.) et peu d’entretien.
• Inconvénients : autonomie limitée, poids des batteries.

Le moteur hybride

D’une puissance de 3 kW à 10 kW (de 24 V à 84 V), la propulsion est assurée soit par un moteur électrique (alimenté par le parc de batteries dédiées), soit par le moteur thermique classique. Le moteur thermique sert aussi de générateur de courant.

• Avantages : autonomie, peu d’entretien, davantage de confort d’utilisation en électrique et solution adaptable sur tous types de moteurs.
• Inconvénients : surcoût (par rapport à un moteur thermique classique) et encombrement de l’installation.

Par rapport à ces carburants, le GNL présente l’intérêt d’éliminer la quasi-totalité des émissions d’oxydes de soufre et de particules fines et de réduire celles de CO2 d’environ 25%. Il est à ce titre présenté par l’AFG comme le plus « propre » des carburants fossiles pour la propulsion marine et fluviale (en attendant l’hydrogène et le stockage d’électricité).

Le moteur GNL

Le GNL est de plus en plus adopté comme carburant pour navires en raison de son fonctionnement efficace et de sa combustion plus propre. Refroidi à -162°C pour être liquéfié, il occupe moins de volume et permet ainsi un stockage et un transport plus faciles à bord des navires. Utilisé dans des moteurs spécialement adaptés, il produit moins de polluants que les carburants traditionnels, réduisant les émissions de CO2, de soufre, et d'oxydes d'azote. L'adoption mondiale du GNL dans le transport maritime s'accélère, notamment dans les grandes flottes commerciales, en réponse aux régulations environnementales internationales et à la demande croissante de solutions plus écologiques.

La propulsion nucléaire

La propulsion nucléaire des navires requiert un réacteur nucléaire qui alimente en vapeur une turbine. L’énergie mécanique de la turbine est alors utilisée pour faire tourner l’arbre d’hélice du navire, soit de façon directe par l’intermédiaire d’un réducteur (on parle alors de propulsion turbo-mécanique), soit en passant par l’intermédiaire de l’électricité (on parle alors de propulsion turbo-électrique). En complément, la vapeur produite par le réacteur fournit l’électricité et l’eau douce du bord.

• Avantages : très grande autonomie, discrétion (ex : sous marin), vitesse dans la durée.
• Inconvénients : compétences spécifiques, coûts d’investissement sur la durée.

Exemples : sous-marins (États-Unis, Chine, Russie, Royaume-Uni, France), certains porte-avions ou porte-aéronefs à propulsion nucléaire (États-Unis et France) comme le Charles de Gaulle par exemple, quelques grands bâtiments de combat ou de soutien (américains ou russes uniquement), des navires brise-glace russes.

Les Grecs construisent les premières galères propulsées par rames en – 3000 avant JC

Les premières pirogues, taillées dans des arbres résineux pour chasser ou pêcher, ont été construites il y a 10 000 ans (Néolithique).

La rame

Les Grecs construisent les premières galères propulsées par rames en – 3000 avant JC et les Phéniciens les premières birèmes, galères à deux rangs de rames de chaque côté, en – 1000 avant JC. Elle coexiste avec la voile jusqu’au au milieu du Moyen Âge.

La voile

Dès l’apparition des premières embarcations, les navigateurs constatent qu’en déployant une peau de bête, ils peuvent utiliser la force du vent comme propulseur. Les Égyptiens en ont une parfaite maîtrise : ils réalisent vers 600 avant notre ère une première circumnavigation (navigation autour d’un lieu) autour de l'Afrique.

La caravelle est la première découverte capitale en technologie maritime européenne. En Espagne et au Portugal, les plus vieilles caravelles recensées datent du début du XIII^e siècle. Ces premières caravelles étaient de petits vaisseaux à trois mâts de cinquante tonnes pouvant accommoder un équipage de cinq à six hommes. En Chine dès la fin du XIII^e siècle des embarcations de volume 20 fois supérieur à celui des caravelles naviguaient.

La vapeur

Le moteur à vapeur apparaît après la révolution industrielle : il convertit l’énergie thermique sous forme mécanique. Le premier véhicule à propulsion mécanique est testé en 1790 aux États-Unis pour du transport fluvial. L’événement devait annoncer l’avènement d’une nouvelle ère : celle de la mécanisation des systèmes de transport maritimes. Les premiers navires à vapeur apparaissent dans les années 1840 pour les traversées océaniques. Les chaudières à mazout s’imposent dans les années 1920.

Le nucléaire

Les premiers navires utilisant la propulsion nucléaire apparaissent dans les années 50. La France lance son projet « cœlacanthe » en 1959 permettant ainsi à ses sous marins de naviguer longtemps en toute discrétion.

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.

Inconvénients (à ce stade des développements) : faible rendement, danger des produits mis en œuvre, nécessité d'un système auxiliaire pour démarrer.

La propulsion magnétohydrodynamique repose sur le fait que l'eau de mer est conductrice.

La propulsion magnétohydrodynamique (MHD)

Cette propulsion, fondée sur la force de Laplace (force qui apparaît lorsque l’on fait circuler un champ électrique dans un corps soumis à un champ magnétique) repose sur le fait que l’eau de mer est conductrice. Le procédé consiste à mettre un aimant sur le bateau et à faire circuler un champ électrique dans l’eau soumise à un champ magnétique que l’on aurait créé.

Avantages : pas de pièces mobiles (hélices) donc moins de tourbillons et de bruit.
Inconvénients : procédé expérimental, limites pas encore toutes maîtrisées (risques électriques et magnétiques, aimants puissants, électrolyse de l’eau de mer, etc.)

Expérimentations : dans les années 1990, Mitsubishi conçoit le Yamato1, démonstrateur à propulsion MHD. Grâce à des aimants supraconducteurs refroidis à l'hélium, il pouvait se déplacer à 15 km/h.

La propulsion solaire

Un chantier naval allemand de Kiel a construit le multicoque TÛRANOR à propulsion solaire, en septembre 2010, sous pavillon Suisse. Les principaux objectifs de PlanetSolar sont de démontrer le potentiel des énergies renouvelables et photovoltaïques, en participant au développement technologique des énergies renouvelables.

Le tout électrique

La plupart des industriels du secteur de la défense s’orientent vers des navires tout électriques, avec des puissances de plus 20 MW pour la propulsion et pour l’armement. Pour y parvenir, ils doivent faire face à 3 ruptures technologiques : utilisation de la supraconductivité pour les moteurs de propulsion, stockage de l'énergie et mise en œuvre de système de pilotage temps réels du flux d'énergie vers la propulsion et le système d'armes.