Propulsion (navire)

Halage (par des humains) d'un navire, du temps des Gaulois.

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").

L'embarcation à droite est déplacée par une perche en présence de petits fonds, mais l'aviron sert aussi de godille en eaux libres.

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.

Une pagaie double pour kayak

Applications :

• La godille consiste à actionner un aviron à l'arrière du bateau, par un mouvement oscillant dans le plan transversal. La godille est très pratiquée pour la propulsion des annexes, pour sa simplicité (un seul aviron qui pivote dans une échancrure du tableau arrière), son rendement (la pelle travaille en faible incidence, comme un profil d'aile) et ses avantages en manœuvre d'accostage (pas d'encombrement latéral comme pour les rames). On peut godiller debout ou assis, d'une seule main. La godille était utilisée notamment en Bretagne par des passeurs (ou des passeuses, comme à Lanildut en Finistère), sur des barques plutôt lourdes, pour transporter plusieurs personnes d'une rive à l'autre.
• La pagaie, où une rame est actionnée sur le côté du bateau, sans point d'appui, ce qui nécessite l'emploi des deux mains. Elle est utilisée sur les pirogues et canoës (où chaque pagayeur ne pagaie que d'un côté), sur les kayaks (où le rameur pagaie des deux côtés alternativement), et en secours sur certains dériveurs.
• La nage où les rameurs, assis et faisant face à l'arrière de l'embarcation, actionnent l'aviron, articulé sur un pivot, par traction ; on le trouve sur les bateaux du même nom. Ce système fut le plus utilisé de façon historique, conjointement à la voile, en particulier pour la guerre navale. Les galères naviguant en croisière grâce à leur voilure, utilisaient au combat la force combinée de plusieurs rangs de rameurs, répartis des deux côtés sur plusieurs étages, ce qui permettait d'atteindre des vitesses et une maniabilité nécessaires aux manœuvres d'éperonnage, et de s'affranchir de la dépendance au vent quand la situation tactique l'exigeait.
• La vogue où le ou les rameurs, debout et faisant face à l'avant de l'embarcation, actionnent l'aviron, également articulé sur un pivot, par poussée. Ce système est principalement utilisé autour de la Méditerranée sur des bateaux de relativement petite taille.

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.

• Différents types de propulsion humaine
• 
  Kayakiste avec une pagaie
• 
  Aviron olympique, utilisant la nage
• 
  Gondole de venise, où l'on vogue
• 
  Un pédalo au lac de Donkmeer, Pays-Bas

De même que la pelle d'une rame, une voile peut fonctionner de deux façons :

1. La voile peut être placée à peu près perpendiculairement au vent, qui la « pousse » et fait ainsi avancer le bateau. Dans ce cas, l'écoulement est dit « décroché » et le rendement est moyen; c'est le type de fonctionnement de tous les voiliers quand ils suivent une route parallèle au vent dite « vent arrière ».
2. La voile peut être placée avec un angle d'incidence plus faible avec le vent (moins de 20°) ; dans ce cas, le vent agit sur la voile comme sur une aile d'avion, l'écoulement est dit « attaché » sur les deux faces de la voile. Il se produit une dépression relative « sous le vent » (côté bombé) de la voile qui s'ajoute à la pression relative du côté « au vent » pour propulser le bateau. Quand le vent vient de côté la force exercée par la voile n'est pas dans l'axe du bateau. La composante transversale de cette force est une force de dérive (dérapage latéral) qui doit être compensée par la portance d'un plan anti-dérive quille ou « dérive ». La force du vent entraîne une gîte (inclinaison latérale) qu'il faut limiter par l'effet d'un lest fixe et/ou du déplacement latéral du poids de l'équipage ou d'une masse mobile (ballast).

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.

Détail du gréement d'un grand voilier à Amsterdam.

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 :

• le type dit latin, et son dérivé aurique, où la voile est au repos alignée dans l'axe du bateau est originaire des contrées méditerranéennes, adapté aux changements d'allures et à celles proches du vent, nécessaire dans ces mers resserrées.
• Le type dit carré est originaire des pays nordiques et océaniques, où la voile est perpendiculaire à l'axe du navire, plus adapté aux grandes distances avec un vent sur l'arrière.

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, 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 XIX^e 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.

• Des gréements à voiles « rigides » ont été utilisés sur de voiliers de course type catamaran, notamment de type Classe C (mini Coupe America). Ce sont généralement des mâts-ailes profilés comportant des parties mobiles faisant office de volets de courbure, profilées elles aussi. Une mécanique complexe permet de positionner les différents éléments pour obtenir une voilure à simple ou double fente présentant des coefficients de portance élevés.

Le Buckau, équipé de deux rotors Flettner, c.-à-d. deux mâts rotatifs.

• Un système expérimental a été le rotor à effet Magnus (image ci-contre du Buckau de Flettner) : Sur le Buckau, deux mâts rotatifs créent un effet Magnus pour créer une portance, à la manière d'une voile.
• La turbovoile n'utilise pas l'effet Magnus mais est une voile rigide épaisse à aspiration d'extrados. L'Alcyone ou le Baden-Baden ont mis en pratique ce système qui cependant n'a pas connu d'application commerciale, malgré un bon rendement, en raison de la complexité de la machinerie requise et de sa fragilité, nécessitant une coque spécialement conçue.

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 est actuellement en mise 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 décembre 2007 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.

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).

Chaudière du HMS Warrior

Le Turbinia, lancé au Royaume-Uni en 1897, fut le premier navire à turbine à vapeur.

Chaudières du HMS Warrior

Rotor d'une turbine Parsons, provenant du destroyer polonais ORP Wicher.

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 XIX^e 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 :

• La machine à vapeur est une machine alternative. La détente de la vapeur est utilisée dans des cylindres, en poussant un piston ; ce mouvement rectiligne était alors transformé en une rotation par l'intermédiaire d'une bielle, qui agissait sur un arbre. La métallurgie progressant et la pression des vapeurs produites augmentant, on fit passer alors la vapeur par plusieurs détentes, dans plusieurs cylindres successifs, donnant naissance aux machines à double, puis triple expansion.
• La turbine à vapeur est une machine rotative qui permit une utilisation plus souple et efficace de la vapeur, le mouvement circulaire supprimant beaucoup de pertes par frottement mécanique et permettant d'atteindre plus facilement des vitesses de rotation supérieures. À l'aube du XX^e siècle, les premiers travaux furent réalisés par le Britannique Charles Algernon Parsons et déboucha sur le navire expérimental Turbinia, qui atteignit 34 nœuds en 1897. Comme la machine à vapeur, on perfectionna de façon très poussée l'utilisation maximale de la vapeur par l'utilisation de groupe de turbines, travaillant dans des gammes de pressions décroissantes et entraînant le même arbre. L'usage des turbines finit par remplacer totalement les machines à vapeur à piston, entre les deux guerres mondiales.

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.

Un moteur Diesel en train d'être installé sur l'USCGC Bertholf

Turbine à gaz

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 :

• Le moteur Diesel deux-temps : C'est l'application la plus courante sur les navires marchands à partir de 100 m de long. Ces moteurs peuvent fournir une grande puissance (80 MW). Leur consommation spécifique (170 kg/MWh) est la plus faible de celle des moteurs thermiques, ceci venant du cycle Diesel deux temps, du faible régime et des effets d'échelle (fort volume, faible surface de frottement). Ils tournent entre 80 et 180 tours par minute, permettant un entraînement direct du propulseur. Ils peuvent aussi utiliser des carburants de basse qualité. En revanche, ils occupent une place importante (celle d'une petite maison). Leur rapport poids/puissance est de l'ordre de 30 à 45 kg/kW ; leur masse élevée demande du temps pour monter en température (2 heures).

• Le moteur Diesel quatre-temps : Il tourne à vitesse intermédiaire (400-800 tr/min) ou élevée (>1 000 tr/min) et nécessite un réducteur pour diminuer le régime (la vitesse de rotation) de l'hélice. Il offre une plus grande flexibilité mais est moins efficace qu'un moteur deux-temps et consomme plus (220 kg/MWh). Sa taille plus petite permet l'implantation de plusieurs moteurs, ce qui est utile pour assurer une certaine redondance et mieux gérer les pannes. Ces moteurs sont aussi utilisés pour la production électrique sur la plupart des navires (groupe électrogène). La puissance maximale par moteur est de l'ordre de 28 MW. Le rapport poids/puissance d'un Diesel semi-rapide est de 12 à 18 kg/kW, et de 2,5 à 4 kg/kW pour un Diesel rapide.

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 27 octobre 2016 la date du 1^er janvier 2020 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].

Le réacteur à eau pressurisée du cargo américain NS Savannah

Le brise-glaces russe à propulsion nucléaire NS 50 Let Pobedy (« Les 50 ans de la victoire »), mis en service en 2007, est le plus gros brise-glaces du monde.

Le SNLE-NG Le Téméraire, de la Marine Nationale française.

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 :

• des turbines couplées aux hélices de propulsion (propulsion à vapeur);
• des turbines couplées à des alternateurs alimentant en énergie électrique tout le bâtiment, et éventuellement des moteurs électriques de propulsion (propulsion électrique).

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 :

• Une très grande autonomie permettant d’éviter en opérations la contrainte du ravitaillement en combustible (retour à un port ou ravitaillement à la 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.
• Une propulsion totalement indépendante de l’atmosphère.
  • Alors que les sous-marins classiques sont contraints de remonter en surface (ou à l’immersion périscopique en utilisant un schnorchel) pour alimenter les moteurs Diesel en air (oxygène) et, ainsi recharger leurs batteries électriques, après quelques dizaines d’heures de plongée aux moteurs électriques (quelques jours pour ceux dotés de propulsion AIP), les rendant ainsi détectables et vulnérables, les sous-marins à propulsion nucléaire peuvent rester plusieurs mois en plongée, préservant ainsi leur discrétion.
  • Ils peuvent également soutenir dans la durée 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.

• Désaccouplement. Un système d'embrayage est utilisé pour accoupler ou désaccoupler le moteur de la ligne d'arbre.
• Inverseur. Pour une hélice à calage fixe, on obtient la marche arrière en inversant le sens de rotation de l'arbre.

Ces deux systèmes sont généralement inclus dans le boîtier du réducteur.

• Réduction. Les moteurs peuvent avoir une vitesse de rotation trop grande pour un fonctionnement optimal du propulseur. Le réducteur comporte un système d'arbres et d'engrenages; le rapport entre le nombre de dents déterminant la différence de vitesse des deux arbres.
• boîtiers à plusieurs entrées/sorties. Cela permet à plusieurs moteurs d'entraîner un seul arbre ou inversement. On peut alors mixer différents types de moteurs pour utiliser au mieux leurs avantages. Par exemple, les turbines à gaz sont en général combinées avec des moteurs Diesel de différentes façons :
  • CODAG, pour COmbined Diesel And Gas (Combinaison Diesel et gaz) : La vitesse de croisière est assurée par les moteurs Diesel s, plus économiques, tandis que des turbines à gaz permettent d'obtenir une puissance additionnelle pour les accélérations : utilisé sur les navires de guerre.
  • COGOG, pour COmbined Gas Or Gas (Combinaison Gaz ou Gaz) : la vitesse de croisière est assurée par des turbines à gaz de grande puissance ; en cas de sprint, c'est une autre turbine qui est utilisée à la place.
  • Il existe sur le même modèle des configurations CODOG ou COGAG, plus rares cependant.

• Par ligne d'arbre :

Montage classique : moteur sensiblement horizontal-ligne d'arbre-hélice,

Montage avec angulation en sortie de réducteur; l'arbre est incliné de 8 ou 10 degrés vers le bas.

Montage avec forte angulation ou « V-drive »; le renvoi d'angle est placé devant le moteur, l'arbre passe sous le moteur.

• Par un ou deux renvois d'angle :

Moteurs hors-bord (moteur à vilebrequin vertical, arbre vertical, renvoi d'angle, hélice),

Transmission Sail-drive, un ou deux renvois d'angle selon la position du moteur, vertical ou horizontal, hélice sous la coque.

Transmission Z-drive, deux renvois d'angle, embase et hélice au tableau arrière (vedettes)

Transmission Z-drive, deux renvois d'angle, hélice sous la coque. L'hélice peut éventuellement être orientée sur 360°, d'où son emploi fréquent sur les remorqueurs pour la manœuvrabilité ainsi procurée.

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 :

• supprime les longs arbres moteur, permet de placer les moteurs Diesel à différents endroits du navire,
• supprime les bruits importants se propageant tout le long des longues transmissions mécaniques, les harmoniques de couplage, et fréquences-propres d'arbres moteur. Ces diminutions intrinsèques simplifient donc grandement les dispositifs antivibratoires, les suspensions et les écrantages atténuateurs (bruit aériens rayonnés); simplifiant l'insonorisation de la machine (compartiment machines) (isolation phonique),
• l'équilibrage du navire plus aisé (centrage des masses),
• libère les volumes qui étaient traversés par les lignes d'arbre,
• supprime le passage de coque complexe avec étanchéité dynamique (palier étanche), etc.,
• diminue énormément l'inertie de la chaîne cinématique de propulsion (arrêt et inversions de sens beaucoup plus rapide),
• supportent mieux les vibrations d'hélices, les variations brusques de vitesse (exemple sur les brise-glaces),
• accentue aussi la mobilité par la possibilité de changement brutaux de l'orientation de l'hélice si couplé à un pod, "nacelle" extérieure à la carène. Ce système permet, outre une orientation sur 360°, une meilleure efficacité grâce à la possibilité de placer l'hélice à l'avant du pod ou d'en mettre deux contrarotatives (augmente l'efficacité).

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.

Roues à aubes du Murray Princess à Mannum

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 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.

• Nombre de pales. Les hélices peuvent posséder 2 à 3 pales (petites embarcations), 4 pales (la plupart des navires de commerce) ou jusqu'à 7 ou 8 pales (sous-marins).
• Pas fixe. Dans sa forme la plus simple et la plus courante, sa géométrie est fixe; on parle d'hélice « à pas fixe' ».
• Pas variable. Si le pas (le calage des pales) peut être modifié, on parle d’« hélice à pas variable ». Dans ce cas le calage, c'est-à-dire l'orientation des pales, peut être ajustée afin d'assurer une efficacité optimale à des vitesses différentes. Ce système, qui présente l'inconvénient d'être assez complexe (et donc plus cher) est utilisé sur les remorqueurs et les chalutiers pour améliorer leurs performances en traction, et également sur des cargos.
• Inversion de pas. La mécanique de variation du pas permet également d'inverser la poussée (pour obtenir la marche avant ou la marche arrière) au niveau de l'hélice sans inverser le sens de rotation de l'hélice.
• Hélice à pales repliables. Utilisées sur les voiliers pour réduire la traînée de l'hélice sous voiles. Il existe aussi des hélices à mise en drapeau.
• Nombre d'hélices. Les navires à passagers doivent avoir au minimum deux propulseurs, et donc au minimum deux hélices. On parle d'« hélices jumelles », quand deux hélices sont placées de part et d'autre, à l'arrière du navire. Ce système améliore la manœuvrabilité (poussée différentielle) et la flexibilité d'emploi du navire. D'autres configurations à trois ou quatre hélices sont possibles, notamment sur les grands navires militaires (porte-avions et croiseurs) et les navires de croisière.
• Hélices contra-rotatives. Quand les hélices sont placées l'une derrière l'autre hélices à contre-rotation elles tournent en sens contraire. L'hélice arrière récupère en la redressant une partie de l'énergie dissipée en rotation par l'hélice avant. Les torpilles utilisent souvent cette configuration qui est chère et complexe pour des puissances élevées. On trouve aussi des systèmes ou l'hélice arrière est libre et d'un diamètre supérieur à l'hélice avant. Dans ce cas l'hélice arrière récupère l'énergie de rotation de l'eau mise en mouvement par l'hélice motrice (dans le disque de diamètre de l'hélice motrice) et fournit une poussée supplémentaire en extrémité de pale (disque de diamètre supérieur à l'hélice motrice). Les gains de ce système sont de l'ordre de 8 %.

• Tuyère de traction ou tuyère Kort. Il est possible d'adjoindre une tuyère à l'hélice ; dans la plupart des cas, la tuyère est utilisée pour augmenter la force de la traction à faible vitesse (sur les remorqueurs et chalutiers). Certaines de ces tuyères permettent aussi d'orienter le flux d'eau
• Tuyère de « discrétion ». Montée sur certains sous-marins, la tuyère limite les sur-vitesses en bout de pale, ce qui retarde l'apparition de la cavitation et du bruit associé. Dans le cas des sous-marins ce type de propulseur est aussi dénommé pompe-hélice. En plus de la tuyère il existe un système d'aubes à l'entrée de la tuyère qui donne un mouvement de pré-rotation au flux d'eau en amont de l'hélice. Ce système permet d'augmenter le rendement du propulseur seul comparé à une hélice simple. Par contre son coût, sa masse et le rendement global du système en font un propulseur non utilisé dans la propulsion civile.

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.

• Le plus ancien comporte une transmission perpendiculaire à l'hélice verticale, de manière très comparable à un moteur hors-bord. C'est le propulseur azimutal qui date de 1960. Tous les types de moteurs étant la plupart du temps à axe horizontal, il y a donc deux renvois d'angles à 90° (très souvent des engrenages coniques). Schématiquement ces trois axes ressemblent un peu à la lettre Z, si bien que très souvent les marins les nomment « Z Drives ». Au départ ces systèmes ont été développés pour les remorqueurs.
• Une seconde technologie, plus moderne (inventée vers 1995), nécessite une forte évacuation calorifique, un moteur électrique étanche sur un arbre moteur très court tenant l'hélice, a été développé par la société ABB. Depuis 2010 les navires de croisière en ont fait leur dispositif principal de propulsion. L'évolution technologique permet maintenant de tels rendements qu'ils peuvent dépasser toutes les autres dispositions. La puissance atteinte sur une seule hélice dépasse 20 MW pour les plus puissants (voir le Harmony of the Seas).

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.

Propulseurs cycloïdal, système de pales verticales sous la coque (Voith-Schneider).

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.

• Différentes hélices de manœuvre
• 
  Dessin des hélices verticales et horizontales du Turtle de 1775
• 
  Hélices doubles montées sur pods
• 
  Hélice et gouvernail d'un navire cargo moderne
• 
  Hélice en tuyère

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 :

• Hélice fixe libre ou carénée, une surface de gouverne étant disposée dans le flux ;
• Hélice libre ou carénée, pivotante (poussée vectorielle) ;
• Réacteur (très rarement utilisé pour cause de rendement économique très faible, ou seulement comme appoint au décollage pour des avions à effet de sol comme les Ekranoplans).

• Kenneth Rawson et Eric Tupper, Basic Ship Theory [détail des éditions]
• Dominique Paulet et Dominique Presles, Architecture navale, connaissance et pratique [détail des éditions]
• Prof. Anthony Molland, Ship Resistance & Propulsion, notes de cours, M. Eng Ship Science, Université de Southampton
• Amis des Grands Voiliers - Sail Training Association France, Grands Voiliers Infos, Lyon, Imprimerie Veoprint, 2017, 43 p.
  n°82 Été 2017. La propulsion à voile dans la Marine de guerre, par Gérard Gachot, pp.26 à 28

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• http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/modes-de-propulsion-des-engins-marins

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