Moteur radial

En 1903-1904, Jacob Ellehammer utilisa son expérience dans la construction de motocyclettes pour construire le premier moteur radial refroidi par air au monde, un moteur à trois cylindres qu'il utilisa comme base pour un modèle à cinq cylindres plus puissant en 1907. Celui-ci fut installé dans son triplan et effectua un certain nombre de courts sauts en vol libre.

Parmi les premiers moteurs radiaux, on trouve le trois cylindres Anzani , initialement conçu en configuration « ventilateur » W3, dont un exemplaire équipait le Blériot XI de Louis Blériot lors de sa traversée de la Manche . Avant 1914, Alessandro Anzani avait développé des moteurs radiaux allant de trois cylindres (espacés de 120°) – suffisamment anciens pour avoir été utilisés sur quelques exemplaires français du célèbre Blériot XI, sortis de l'usine Blériot d'origine – à un imposant moteur à 20 cylindres de kW) , dont les cylindres étaient disposés en quatre rangées de cinq.

La plupart des moteurs radiaux sont refroidis par air , mais l'un des plus performants des premiers moteurs radiaux (et le premier modèle « stationnaire » conçu pour les avions de combat de la Première Guerre mondiale) fut la série Salmson 9Z, composée de moteurs radiaux à neuf cylindres refroidis par eau, produits en grande quantité. Georges Canton et Pierre Unné brevetèrent le modèle original en 1909 et le proposèrent à la société Salmson ; ce moteur était souvent connu sous le nom de Canton-Unné.

De 1909 à 1919, le moteur radial fut éclipsé par son proche parent, le moteur rotatif , qui se distinguait du moteur radial dit « stationnaire » par le fait que le carter et les cylindres tournaient avec l'hélice. Son concept était similaire à celui du moteur radial ultérieur, la principale différence résidant dans le fait que l'hélice était boulonnée au moteur et le vilebrequin à la cellule. Le problème du refroidissement des cylindres, un facteur majeur des premiers moteurs radiaux « stationnaires », fut résolu par la génération d'un flux d'air de refroidissement propre au moteur.

Durant la Première Guerre mondiale, de nombreux avions français et alliés furent équipés de moteurs rotatifs Gnome , Le Rhône , Clerget et Bentley , dont les modèles les plus performants atteignaient kW) , bien qu'aucun de ceux dépassant kW) ne connut le succès. Dès 1917, le développement des moteurs rotatifs accusait un retard par rapport aux nouveaux moteurs en ligne et en V, qui, dès 1918, développaient jusqu'à kW) et équipaient la quasi-totalité des nouveaux avions de combat français et britanniques.

La plupart des avions allemands de l'époque utilisaient des moteurs à six cylindres en ligne refroidis par eau. Motorenfabrik Oberursel produisait des copies sous licence des moteurs rotatifs Gnome et Le Rhône, tandis que Siemens-Halske fabriquait ses propres modèles, dont le moteur rotatif Siemens-Halske Sh.III à onze cylindres. Ce dernier présentait une particularité pour l'époque : la transmission se faisait par un train d'engrenages coniques situé à l'arrière du carter, sans que le vilebrequin ne soit fixé à la structure de l'avion. Ainsi, les composants internes du moteur (le vilebrequin, entièrement interne et « flottant » dans ses paliers, avec ses bielles et ses pistons) tournaient en sens inverse du carter et des cylindres. Ces derniers, comme les moteurs rotatifs allemands classiques à hélice , tournaient toujours dans le même sens que l'hélice, celle-ci étant solidement fixée à l'avant du carter.

À la fin de la guerre, le moteur rotatif avait atteint les limites de sa conception, notamment en ce qui concerne la quantité de carburant et d'air pouvant être aspirée dans les cylindres par le vilebrequin creux. Parallèlement, les progrès réalisés en métallurgie et en refroidissement des cylindres permirent finalement aux moteurs radiaux stationnaires de supplanter les moteurs rotatifs. Au début des années 1920, Le Rhône convertit plusieurs de ses moteurs rotatifs en moteurs radiaux stationnaires.

En 1918, les avantages potentiels des moteurs radiaux refroidis par air par rapport aux moteurs en ligne refroidis par eau et aux moteurs rotatifs refroidis par air qui avaient équipé les avions de la Première Guerre mondiale étaient reconnus, mais restaient lettre morte. Les ingénieurs britanniques avaient conçu le moteur radial ABC Dragonfly en 1917, mais n'étaient pas parvenus à résoudre les problèmes de refroidissement. Ce n'est que dans les années 1920 que Bristol et Armstrong Siddeley produisirent des moteurs radiaux refroidis par air fiables, tels que le Bristol Jupiter et l' Armstrong Siddeley Jaguar .

Aux États-Unis, le Comité consultatif national pour l'aéronautique (NACA) nota en 1920 que les moteurs radiaux refroidis par air pouvaient améliorer le rapport puissance/poids et la fiabilité. Dès 1921, l'US Navy annonça qu'elle ne commanderait plus que des avions équipés de moteurs radiaux refroidis par air, et d'autres forces aériennes navales suivirent son exemple. Le moteur J-1 de Charles Lawrance fut développé en 1922 grâce à un financement de la Marine. Utilisant des cylindres en aluminium avec des chemises en acier, il fonctionna pendant une durée sans précédent de 300 heures, à une époque où l'autonomie standard était de 50 heures. À la demande de l'Armée de terre et de la Marine, la Wright Aeronautical Corporation racheta la société de Lawrance, et les moteurs suivants furent construits sous le nom de Wright. Les moteurs radiaux redonnèrent confiance aux pilotes de la Marine effectuant des vols long-courriers au-dessus de l'eau.

Le moteur radial J-5 Whirlwind de Wright , d'une puissance de kW) , conçu en 1925, était largement considéré comme « le premier moteur d'avion véritablement fiable » . Wright chargea Giuseppe Mario Bellanca de concevoir un avion pour le mettre en valeur ; le résultat fut le Wright-Bellanca WB-1 , qui effectua son premier vol la même année. Le J-5 équipa de nombreux avions de pointe de l'époque, notamment le Spirit of St. Louis de Charles Lindbergh , à bord duquel il réalisa la première traversée transatlantique en solitaire

En 1925, la société américaine Pratt & Whitney fut fondée, concurrençant les moteurs radiaux de Wright. Le premier moteur proposé par Pratt & Whitney, le R-1340 Wasp , fut testé la même année, inaugurant une gamme de moteurs qui, pendant les 25 années suivantes, comprenait le Pratt & Whitney R-1830 Twin Wasp , un moteur à 14 cylindres en double rangée . Le Twin Wasp est le moteur à pistons d'aviation le plus produit de l'histoire ; près de 175 000 exemplaires furent construits.

Au Royaume-Uni, la Bristol Aeroplane Company se concentrait sur le développement de moteurs radiaux tels que le Jupiter, le Mercury et le Hercules à soupapes à manchon . L'Allemagne, le Japon et l'Union soviétique commencèrent par construire des versions sous licence des moteurs radiaux Armstrong Siddeley, Bristol, Wright ou Pratt & Whitney avant de produire leurs propres versions améliorées. La France poursuivit le développement de divers moteurs rotatifs, mais produisit également des moteurs dérivés de modèles Bristol, notamment le Jupiter.

Bien que d'autres configurations à pistons et les turbopropulseurs aient pris le relais dans les avions à hélices modernes , Rare Bear , un Grumman F8F Bearcat équipé d'un moteur radial Wright R-3350 Duplex-Cyclone , reste l'avion à pistons le plus rapide .

125 334 exemplaires du moteur américain Pratt & Whitney R-2800 Double Wasp , à double rangée de 18 cylindres, d'une cylindrée de 2 800 pouces cubes ⁽ 46 litres) et d'une puissance comprise entre 2 000 et 2 400 ch (1 500 à 1 800 kW), ont équipé les avions monomoteurs américains Vought F4U Corsair , Grumman F6F Hellcat et Republic P-47 Thunderbolt , ainsi que les bimoteurs Martin B-26 Marauder , Douglas A-26 Invader et Northrop P-61 Black Widow , etc. Le Twin Wasp , moteur radial à double rangée de 14 cylindres de la même entreprise, de plus petite cylindrée (30 litres), a servi de moteur principal pour les B-24 Liberator , PBY Catalina et Douglas C-47 , chaque modèle figurant parmi les appareils les plus produits de tous les temps pour chaque type de cellule.

Les moteurs radiaux à double rangée Wright Cyclone équipaient les avions de guerre américains : le Twin Cyclone , d’une cylindrée de près de 43 litres et à 14 cylindres , propulsait le Grumman TBF Avenger monomoteur, le North American B-25 Mitchell bimoteur et certaines versions du Douglas A-20 Havoc , tandis que l’imposant Duplex-Cyclone , à double rangée de près de 55 litres et à 18 cylindres, équipait le Boeing B-29 Superfortress quadrimoteur et d’autres appareils.

Le bureau d'études soviétique Shvetsov OKB-19 était la seule source de conception pour tous les moteurs radiaux produits en usine par le gouvernement soviétique et utilisés dans ses avions de la Seconde Guerre mondiale, à commencer par le Shvetsov M-25 (lui-même basé sur la conception du Wright Cyclone 9 américain ) et en poursuivant avec la conception du Shvetsov ASh-82, un moteur radial à quatorze cylindres de 41 litres de cylindrée destiné aux chasseurs, et du massif Shvetsov ASh-73, un moteur radial à dix-huit cylindres de 58 litres de cylindrée en 1946 - le moteur radial de plus petite cylindrée conçu par le Shvetsov OKB pendant la guerre était le Shvetsov M-11 , un moteur radial à cinq cylindres de 8,6 litres de cylindrée de conception nationale.

Plus de 28 000 exemplaires du moteur allemand BMW 801 de 42 litres de cylindrée, 14 cylindres et deux rangées , développant entre 1 560 et 2 000 ch (1 540 à 1 970 hp, ou 1 150 à 1 470 kW), ont propulsé le Focke-Wulf Fw 190 Würger monoplace et monomoteur allemand , ainsi que le Junkers Ju 88 bimoteur .

Au Japon, la plupart des avions étaient propulsés par des moteurs radiaux refroidis par air, tels que le Mitsubishi Zuisei à 14 cylindres (11 903 exemplaires, par exemple le Kawasaki Ki-45 ), le Mitsubishi Kinsei (12 228 exemplaires, par exemple l' Aichi D3A ), le Mitsubishi Kasei (16 486 exemplaires, par exemple le Kawanishi H8K ), le Nakajima Sakae (30 233 exemplaires, par exemple le Mitsubishi A6M et le Nakajima Ki-43 ) et le Nakajima Homare à 18 cylindres (9 089 exemplaires, par exemple le Nakajima Ki-84 ). Le Kawasaki Ki-61 et le Yokosuka D4Y étaient de rares exemples d'avions japonais à moteur en ligne refroidi par liquide à cette époque, mais ils furent par la suite modifiés pour accueillir des moteurs radiaux, donnant naissance aux Kawasaki Ki-100 et Yokosuka D4Y3 .

En Grande-Bretagne, Bristol produisait à la fois des moteurs radiaux à soupapes à manchon et des moteurs à soupapes à champignon classiques : parmi les modèles à soupapes à manchon, plus de 57 400 moteurs Hercules équipaient les Vickers Wellington , Short Stirling , Handley Page Halifax et certaines versions de l’ Avro Lancaster ; plus de 8 000 moteurs Bristol Perseus, pionniers en la matière, étaient utilisés sur différents types d’appareils ; et plus de 2 500 moteurs radiaux britanniques de série à soupapes à manchon, les Bristol Centaurus , les plus gros moteurs de série à cylindrée produits par la firme Bristol, équipaient les Hawker Tempest II et Sea Fury . Les moteurs radiaux à soupapes à champignon de la même entreprise comprenaient : environ 32 000 Bristol Pegasus utilisés dans les Short Sunderland , Handley Page Hampden et Fairey Swordfish et plus de 20 000 exemplaires du Mercury à neuf cylindres de l'entreprise, datant de 1925, qui ont été utilisés pour motoriser les Westland Lysander , Bristol Blenheim et Blackburn Skua .

Dans les années précédant la Seconde Guerre mondiale, face à la nécessité croissante de véhicules blindés, les concepteurs durent se confronter au problème de leur motorisation et se tournèrent vers les moteurs d'avion, notamment les moteurs radiaux. Ces derniers offraient un meilleur rapport puissance/poids et étaient plus fiables que les moteurs en ligne classiques disponibles à l'époque. Ce choix présentait toutefois un inconvénient : montés verticalement, comme sur les chars M3 Lee et M4 Sherman , leur diamètre relativement important conférait au char une silhouette plus haute que les modèles équipés de moteurs en ligne.

Le Continental R-670 , un moteur d'avion radial à 7 cylindres qui a volé pour la première fois en 1931, est devenu un moteur de char largement utilisé, étant installé dans le M1 Combat Car , le M2 Light Tank , le M3 Stuart , le M3 Lee et le LVT-2 Water Buffalo .

Le Guiberson T-1020 , un moteur d'avion diesel radial à 9 cylindres, a été utilisé dans le M1A1E1 , tandis que le Continental R975 a été utilisé dans le M4 Sherman , le M7 Priest , le chasseur de chars M18 Hellcat et l' obusier automoteur M44 .

Plusieurs entreprises continuent aujourd'hui à fabriquer des moteurs radiaux. Vedeneyev produit le M-14P, un moteur radial de kW) équipant les avions de voltige Yakovlev et Sukhoi . Le M-14P est également utilisé par les constructeurs d' avions amateurs , tels que le Culp Special et le Pitts S12 « Monster » et le Murphy « Moose » . En Pologne, WSK PZL Kalisz produit le moteur Shvetsov ASh-62 . Une version à injection directe a également été développée . Des moteurs 7 cylindres de kW) et des moteurs 9 cylindres de kW) sont disponibles chez l'Australien Verner Motor ( République tchèque) fabrique plusieurs moteurs radiaux d'une puissance allant de kW) . Des moteurs radiaux miniatures pour modèles réduits d'avions sont disponibles chez OS Engines , Saito Seisakusho (Japon), Shijiazhuang (Chine), Evolution (conçu par Wolfgang Seidel, Allemagne, et fabriqué en Inde) et Technopower (États-Unis).

Les systèmes de refroidissement liquide sont généralement plus vulnérables aux dommages de combat. Même des dommages mineurs causés par des éclats d'obus peuvent facilement entraîner une perte de liquide de refroidissement et, par conséquent, une surchauffe du moteur, tandis qu'un moteur radial refroidi par air peut être largement insensible aux dommages mineurs. Les moteurs radiaux ont des vilebrequins plus courts et plus rigides ; un moteur radial à un seul banc de cylindres ne nécessite que deux paliers de vilebrequin, contre sept pour un moteur en ligne à six cylindres refroidi par liquide et de rigidité similaire.

Alors qu'un moteur radial à une seule rangée permet à tous les cylindres d'être refroidis de manière égale, il n'en va pas de même pour les moteurs à plusieurs rangées où les cylindres arrière peuvent être affectés par la chaleur provenant de la rangée avant et le flux d'air étant masqué.

Un inconvénient potentiel des moteurs radiaux réside dans l'augmentation considérable de la traînée due à l'exposition des cylindres au flux d'air . La solution a consisté à ajouter des capots spécialement conçus, munis de chicanes pour forcer l'air à circuler entre les cylindres. Le premier capot efficace pour réduire la traînée sans nuire au refroidissement du moteur fut l' anneau Townend britannique , également appelé « anneau anti-traînée », qui formait une bande étroite autour du moteur, recouvrant les culasses et réduisant ainsi la traînée. Le Comité consultatif national pour l'aéronautique (NACA) a étudié le problème et développé le capot NACA , qui réduisait encore la traînée et améliorait le refroidissement. Depuis, la quasi-totalité des moteurs radiaux d'avions utilisent des capots de type NACA.

Alors que les moteurs en ligne refroidis par liquide sont restés courants dans les nouveaux modèles jusqu'à la fin de la Seconde Guerre mondiale , les moteurs radiaux ont ensuite dominé jusqu'à ce qu'ils soient supplantés par les moteurs à réaction, le Hawker Sea Fury et le Grumman F8F Bearcat de la fin de la guerre , deux des avions à moteur à pistons de série les plus rapides jamais construits, utilisant des moteurs radiaux.

Les moteurs à double rangée de cylindres commencèrent à se généraliser dans les années 1930, lorsque la taille et le poids des avions augmentèrent au point que les moteurs à simple rangée de la puissance requise devinrent tout simplement trop volumineux. Ces moteurs à double rangée souffraient souvent de problèmes de refroidissement au niveau de la rangée arrière de cylindres, mais divers déflecteurs et ailettes permirent de les résoudre en grande partie. L'inconvénient résidait dans une surface frontale relativement importante qui devait être dégagée pour assurer un flux d'air suffisant, ce qui augmentait la traînée. Ceci engendra d'importants débats au sein de l'industrie aéronautique à la fin des années 1930 quant à la possibilité d'utiliser des moteurs radiaux pour les avions à grande vitesse tels que les chasseurs modernes.

La solution fut introduite avec le moteur radial BMW 801 à 14 cylindres en étoile. Kurt Tank conçut un nouveau système de refroidissement pour ce moteur, utilisant un ventilateur à grande vitesse pour souffler de l'air comprimé dans des canaux acheminant l'air vers le centre des rangées de cylindres. Là, une série de chicanes dirigeait l'air sur l'ensemble des cylindres. Ceci permettait d'ajuster le capot moteur au plus près du corps, réduisant ainsi la traînée, tout en assurant (après de nombreux essais et modifications) un refroidissement suffisant à l'arrière. Ce concept de base fut rapidement copié par de nombreux autres constructeurs, et de nombreux avions de la fin de la Seconde Guerre mondiale renouèrent avec la conception radiale, tandis que des modèles plus récents et beaucoup plus imposants commencèrent à apparaître. On peut citer, par exemple, le moteur Bristol Centaurus équipant le Hawker Sea Fury et le Shvetsov ASh-82 du Lavochkin La-7 .

Pour une puissance encore supérieure, l'ajout de rangées de cylindres supplémentaires n'a pas été jugé envisageable en raison de la difficulté à assurer le flux d'air nécessaire aux rangées arrière. Des moteurs plus gros ont été conçus, principalement refroidis par eau, bien que cela ait considérablement accru la complexité et éliminé certains avantages de la conception radiale refroidie par air. La BMW 803 , qui n'a jamais été mise en service, en est un exemple.

Une étude approfondie sur l'écoulement de l'air autour des moteurs radiaux, menée aux États-Unis à l'aide de souffleries et d'autres systèmes, a démontré qu'un flux d'air important était possible grâce à une conception soignée. Ceci a conduit au développement du R-4360 , doté de 28 cylindres disposés en quatre rangées en épi de maïs . Le R-4360 a équipé de gros avions américains après la Seconde Guerre mondiale . Les États-Unis et l'Union soviétique ont poursuivi leurs expérimentations sur des moteurs radiaux de plus grande envergure, mais le Royaume-Uni a abandonné ces conceptions au profit de versions plus récentes du Centaurus et d'une transition rapide vers les turbopropulseurs tels que l' Armstrong Siddeley Python et le Bristol Proteus , qui produisaient aisément une puissance supérieure aux moteurs radiaux, sans leur poids ni leur complexité.

Les gros moteurs radiaux ont continué d'être construits pour d'autres applications, bien qu'ils soient aujourd'hui rares. Citons par exemple le moteur diesel Zvezda M503 de 5 tonnes, doté de 42 cylindres disposés en 6 rangées de 7, d'une cylindrée cubes) et développant une puissance kW) . Trois de ces moteurs ont été utilisés sur les vedettes lance-missiles rapides de la classe Osa . Autre exemple : le Lycoming XR-7755 , le plus gros moteur à pistons jamais construit pour un avion aux États-Unis, avec 36 cylindres pour une cylindrée totale d'environ 127 litres ( ⁷ 750 pouces cubes) et une puissance de 5 000 chevaux (3 700 kilowatts).

Bien que la plupart des moteurs radiaux aient été conçus pour l'essence, il existe également des moteurs radiaux diesel. Deux avantages majeurs plaident en faveur des moteurs diesel : une consommation de carburant plus faible et un risque d'incendie réduit.

Packard

En 1928, Packard conçut et construisit un moteur d'avion diesel radial à quatre temps , à neuf cylindres et d'une cylindrée de 16,06 litres (980 pouces cubes) , développant . Le 28 mai 1931, un Bellanca CH-300 , propulsé par un DR-980 et emportant 481 gallons de carburant, piloté par Walter Edwin Lees et Frederick Brossy, établit un record de durée de vol de 84 heures et 32 ​​minutes sans ravitaillement. Ce record tint 55 ans, jusqu'à ce qu'il soit battu par le Rutan Voyager .

Bristol

Le prototype Bristol Phoenix de 1928-1932 a été testé avec succès en vol dans un Westland Wapiti et a établi des records d'altitude en 1934 qui ont duré jusqu'à la Seconde Guerre mondiale.

Clerget

En 1932, la société française Clerget développa le 14D, un moteur diesel radial deux temps à 14 cylindres . Après une série d'améliorations, le modèle 14F2 développait en 1938 une puissance kW) à 1 910 tr/min en régime de croisière, avec un rapport poids/puissance proche de celui des moteurs à essence contemporains et une consommation spécifique de carburant réduite d'environ 80 % par rapport à un moteur à essence équivalent. Durant la Seconde Guerre mondiale, les recherches se poursuivirent, mais aucune production en série ne put avoir lieu en raison de l'occupation nazie. En 1943, le moteur développait plus de kW) grâce à un turbocompresseur . Après la guerre, Clerget fut intégrée au groupe SNECMA et envisageait de développer un moteur diesel à 32 cylindres de kW) , mais en 1947, la société abandonna le développement des moteurs à pistons au profit des turbines émergentes.

Nordberg

La société américaine Nordberg Manufacturing Company a développé et produit , à partir de la fin des années 1940, une série de gros moteurs diesel radiaux à deux temps destinés à la production d'électricité, principalement dans les fonderies d'aluminium , et au pompage de l'eau. Ces moteurs se distinguaient de la plupart des moteurs radiaux par leur nombre pair de cylindres disposés en une seule rangée et par leur double bielle maîtresse, une caractéristique inhabituelle. Des variantes fonctionnant au gazole, à l'essence ou à des mélanges des deux ont été construites. Plusieurs centrales électriques utilisant un grand nombre de ces moteurs ont été réalisées aux États-Unis

EMD

Electro-Motive Diesel (EMD) a construit les moteurs « pancake » 16-184 et 16-338 pour une utilisation marine.

Zoche

Les moteurs aéro-diesel Zoche sont des prototypes de conception radiale qui possèdent un nombre pair de cylindres, soit quatre, soit huit ; mais cela ne pose pas de problème, car ce sont des moteurs à deux temps , avec deux fois plus de temps moteurs qu'un moteur à quatre temps par rotation du vilebrequin.

Un certain nombre de moteurs radiaux fonctionnant à l'air comprimé ont été conçus, principalement pour être utilisés dans les modèles réduits d'avions et dans les compresseurs de gaz.

Plusieurs moteurs de modélisme à quatre temps multicylindres en configuration radiale ont été commercialisés, à commencer par le FR5-300 « Sirius », un moteur radial à cinq cylindres de 50 cm³ (3,0 pouces ^{cubes ) produit par la firme japonaise} OS Max en 1986. La firme américaine Technopower fabriquait déjà des moteurs radiaux de modélisme à cinq et sept cylindres de plus petite cylindrée dès 1976, mais le moteur d'OS fut le premier moteur radial produit en série dans l'histoire de l'aéromodélisme . Depuis, la firme japonaise concurrente Saito Seisakusho a produit son propre moteur radial à quatre temps à cinq cylindres de taille similaire, concurrençant directement le modèle d'OS. Saito a également créé une série de moteurs radiaux de modélisme à trois cylindres fonctionnant au méthanol et à l'essence, d'une cylindrée allant de 15 cm³ (0,90 pouce cube ) ^à 74 cm³ (4,50 pouces cubes). (75 cm³ ⁾ de cylindrée, également disponibles en version à allumage commandé jusqu'à 84 cm³ de ^cylindrée pour une utilisation avec de l'essence. La société allemande Seidel fabriquait autrefois des moteurs radiaux radiocommandés « grands » (à partir de 35 cm³ de cylindrée) à sept et neuf cylindres ^, principalement pour l'allumage par bougie de préchauffage, avec un moteur radial expérimental à quatorze cylindres en double rangée en cours d'essai ; la société américaine Evolution commercialise désormais les moteurs radiaux conçus par Seidel, leur fabrication étant réalisée en Inde.