Dans le monde de la navigation, et plus particulièrement celui des multicoques, la performance et l'efficacité de la propulsion sont des enjeux cruciaux. Le choix et le réglage de l'hélice constituent un levier d'optimisation souvent sous-estimé, dont l'impact sur l'autonomie, la vitesse et même la durabilité du moteur est considérable. Il suffit de découvrir l’espace multicoque d’un grand salon comme le Salon International du Multicoque pour se faire une idée relativement précise de la tendance côté moteur. Cet article explore en détail le fonctionnement des hélices, les paramètres qui les définissent, et les considérations spécifiques à la motorisation des catamarans, qu'elle soit thermique ou électrique.
Les Tendances Actuelles en Matière de Motorisation des Multicoques
Le paysage de la motorisation des multicoques a connu des évolutions notables au fil des décennies. Aujourd'hui, la plupart des constructeurs ont opté pour des moteurs diesel plutôt puissants - en tout cas plus qu’il y a 20 ans. On trouve donc plus de chevaux sous les capots… pour propulser des voiliers plus lourds (plus larges, plus hauts, plus équipés), mais également pour assurer de longues traites au moteur par vent faible. En gros, un catamaran de 12 tonnes est propulsé par deux moteurs de 30 chevaux, soit 5 chevaux par tonne. Il s’agit évidemment d’une moyenne - laquelle n’a pas beaucoup évolué depuis longtemps.
Les moteurs hors-bords, plébiscités sur les unités jusqu’à 35 pieds autrefois, ont quasiment disparu - entre autres parce que les catamarans habitables de moins de 35 pieds ne sont plus légion. Néanmoins, un moteur hors-bord convient parfaitement à une unité - trimaran ou catamaran - jusqu’à deux à trois tonnes. Son avantage principal réside dans sa facilité d’entretien et son faible coût. Quant aux trimarans, ils se contentent eux-auss aussi d’un seul moteur - hors-bord jusqu’à 30/35 pieds, diesel inboard au-dessus.
Autre constat important : les constructeurs adoptent en grande majorité des embases saildrive - soit un mécanisme à engrenages qui s’accommode d’une pente de carène quasi nulle. Du coup, il devient possible de placer les moteurs où on veut… et de bénéficier d’une propulsion horizontale. Les lignes d’arbre, plébiscitées il y a quelques décennies, sont placées le plus près possible de la poupe afin de réduire la pente de l’arbre. Et les moteurs étaient bien forcés de suivre ce décalage vers l’arrière. Cette transmission reste la norme au-dessus de 75 chevaux.
La propulsion électrique est bien dans l’air du temps… mais tarde à équiper nos multicoques de manière généralisée. Cependant, des initiatives comme celle de Lagoon, qui a lancé un catamaran hybride - générateurs et moteurs électriques - en 2006, montrent la voie. Deux diesels représentent un gros poste financier en cas de remplacement - 20 000 à 35 000 euros pour les puissances les plus courantes, 20 à 40 CV. Mais ils assurent sécurité, facilité de manœuvre au port… et énergie à bord.
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Principes Fondamentaux de la Propulsion par Hélice
Le rôle fondamental des hélices dans un moteur thermique est de permettre au bateau d'avancer en transposant l’énergie fournie par le moteur à l’élément liquide. Une hélice, c'est une vis qui avance dans l'eau. Théoriquement, la propulsion est le résultat de la différence de vitesse entre la masse d'eau aspirée et celle repoussée. Le mouvement des pales dans l'eau génère une dépression sur l'extérieur du profil (ou extrados) en même temps qu'une surpression de l'autre côté (ou intrados). L’eau est comprimée par l’hélice et s’évacue du bord d’attaque vers le bord de fuite en créant une sorte de vis sans fin. Les pales de l'hélice tournent vers le bas, poussant l'eau vers l'arrière. L'eau s'engouffre derrière les pales pour combler le vide ainsi créé. Cela génère une différence de pression entre les deux faces de chaque pale : une poussée positive sur la face inférieure et une traction négative sur la face supérieure. L'hélice est ainsi à la fois poussée et tirée à travers l'eau.
La force réellement transmise à l'hélice est la résultante vectorielle du couple et de la poussée, moins les pertes de friction, de rotation et d'axe… pour faire simple. La géométrie de l'hélice détermine combien d'eau elle « empoigne » à chaque tour, à quelle vitesse elle peut le faire, et avec quel rendement. Le moteur fournit une puissance ; l'hélice traduit cette puissance en poussée. Si la traduction est mauvaise, peu importe la qualité du moteur : vous perdez des watts en turbulences, en cavitation, ou en régime trop bas.
Les Paramètres Clés d'une Hélice et Leur Influence
Une hélice se lit comme une carte d'identité technique. De nombreuses caractéristiques définissent une hélice. Sur son moyeu figurent généralement deux ou trois chiffres - par exemple 14 × 19 ou 3 × 13 × 17 - qui désignent respectivement le nombre de pales, le diamètre et le pas, tous deux exprimés en pouces. Les dimensions standard sont généralement gravées à l'arrière du moyeu ou entre les pales d’hélices. Elles indiquent clairement le diamètre et le pas, en pouces.
Le Diamètre
Le diamètre représente la distance entre les extrémités opposées des pales en rotation. Il détermine la surface d’appui et donc la poussée. C'est le cercle imaginaire décrit par les extrémités des pales en rotation. Plus le diamètre est grand, plus l'hélice déplace d'eau par tour, ce qui augmente la poussée disponible à bas régime. En contrepartie, elle sollicite davantage le moteur. Plus le diamètre est grand, plus l'hélice délivre de couple mais sollicite aussi davantage le moteur. Le diamètre doit donc être adapté à la puissance du moteur. Les bateaux lourds ou à déplacement bénéficient de grands diamètres ; les coques planantes et légères préfèrent des diamètres plus contenus pour atteindre leur vitesse de pointe. Sur les bateaux hors-bords, certains motoristes proposent des embases spéciales avec un rapport de démultiplication plus élevé pour permettre de monter des hélices de plus grand diamètre. Les remorqueurs ou pousseurs des ports montent généralement des hélices à très fort diamètre, capables de délivrer un maximum de couple lors de l’assistance des gros navires.
Le Pas (Pitch)
Le pas de l’hélice (pitch en anglais) est sans doute la notion la plus importante. C’est la courbure des pales de l’hélice, qui représente la distance parcourue par celle-ci lors d’une rotation complète. Le pas est la distance théorique parcourue par l'hélice en un tour complet, à la façon d'une vis dans un matériau solide. C'est le paramètre qui a le plus d'influence sur la vitesse de pointe. Un pas long favorise la vitesse, un pas court améliore l'accélération et la poussée à bas régime - idéal pour le remorquage ou les bateaux chargés. Le pas est le paramètre sur lequel vous allez jouer. Les pas sont généralement exprimés en pouce. Pour faire simple, plus un pas est petit et plus votre moteur tournera vite. Un petit pas entraîne donc un gros régime moteur et facilite le déjaugeage de votre embarcation. Mais la consommation s’en ressentira et votre vitesse de pointe sera réduite. En augmentant le pas, vous ferez baisser votre régime moteur. Celui-ci consommera moins et vous gagnerez en vitesse pure. Cependant, vous mettrez plus de temps à déjauger. Les petits pas sont souvent favorisés pour les sports nautiques comme le ski ou le wakeboarding. Un pas court favorise l’accélération et le couple à bas régime. Un pas long privilégie la vitesse de pointe.
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Le Nombre de Pales
Le nombre de pales détermine l’équilibre entre vitesse, accélération, confort et consommation. Les hélices ont généralement 3 ou 4 pales. Plus il y a de pales, meilleur est le rendement car la surface totale des pales augmente.
- Deux pales : C'est le choix des voiliers et de certaines petites applications. C'est très efficace en rendement pur - moins de pales, c'est moins de surface mouillée donc moins de traînée quand l'hélice est à l'arrêt - mais ça vibre davantage et la poussée est moins linéaire. Les hélices à deux pales (repliables) des voiliers favorisent la (faible) traînée sous voile.
- Trois pales : Les hélices à trois pales sont les plus répandues en plaisance. Elles offrent le meilleur compromis entre le confort et la performance. C’est donc le bon choix dans l’immense majorité des cas. Sa traînée réduite lui permet d’atteindre une vitesse de pointe élevée avec une consommation maîtrisée.
- Quatre pales : On trouve des hélices 4 pales chez certaines marques, telle Honda. Elles sont proposées comme apportant plus de stabilité à haut régime, notamment dans les virages, en évitant la cavitation. C’est particulièrement vrai sur les semi-rigides. Les hélices 4 pales offrent une surface de contact plus importante qui améliore l’accélération, réduit les vibrations et stabilise le bateau en virage. Elles procurent plus de poussée à bas régime, moins de vibrations et une meilleure tenue en marche arrière, au léger détriment de la vitesse maximale. Les 4 pales sont également recommandées sur les bateaux puissants destinés aux sports nautiques, car elles offrent un peu plus d’accroche à bas régime.
- Cinq pales et plus : Cinq pales sont réservées à des applications très spécifiques, où la réduction des vibrations prime sur tout autre critère. Les sous-marins possèdent des hélices destinées à tourner à faible régime en évitant la, bruyante, cavitation qui les rend détectables. Ils montent des hélices à six ou huit pales. Certaines de ces hélices sont montées dans des tunnels pour limiter encore les effets de la cavitation, comme dans une propulsion jet.
Autres Caractéristiques Avancées
- Le Cup : Le "cup" est une petite lèvre située sur le bord de fuite de la pale d'hélice. Il permet à l'hélice de mieux retenir l'eau, améliorant ainsi la tenue du bateau dans l'eau. Cette lèvre augmente artificiellement le pas de l'hélice. Ce dispositif est indiqué pour les bateaux à plus fort déplacement : en ajoutant du cup, on cumule les avantages d'un pas faible (couple, poussée optimisée à bas régime) tout en bénéficiant d'une vitesse plus élevée aux régimes supérieurs. Pour la plaisance et les petites unités, le cup retarde la cavitation à basse vitesse et permet de transmettre plus de puissance à bas régime. Le cup est particulièrement accentué sur certaines hélices de hors-bords.
- Le Skew : Le "skew" correspond à la courbure de la surface de l'hélice. On peut dire de façon simplifiée que le skew, c'est lorsque les pales d'une hélice sont courbées. Le skew permet d'augmenter considérablement la surface des pales par rapport à la surface du diamètre de l'hélice. Une hélice à fort skew produit moins de bruit. Les sous-marins, recherchant la discrétion, utilisent des hélices à fort skew. Elles possèdent une forme de banane très caractéristique.
- Le Rake (Calage) : L'angle d'attaque, aussi appelé calage ou "rake", est l'orientation de la pale de l'hélice par rapport au moyeu. Lorsque le calage varie le long de la pale, on parle de vrillage. Le calage varie de 5 à 20° en plaisance et jusqu'à 30° en compétition. Plus une hélice possède un grand angle d'attaque, plus elle va faire lever l'avant du bateau et aider au déjaugeage.
- Sens de Rotation : Les hélices ont aussi un sens de rotation (vu de face de l'arrière vers l'avant du bateau). Elles sont repérées par les mentions RH (tourne à droite) ou LH (tourne à gauche). Cela revêt moins d'importance sur un cata, dont les coques sont forcément assez éloignées, et certains constructeurs ne s'embarrassent pas de telles précautions. Cela facilite pourtant les manœuvres surtout en battant arrière. Votre montage est cependant cohérent si vos arbres tournent bien en sens inverse et conformément à l'orientation du pas des hélices. Votre solution n'est pas idiote et devrait sensiblement améliorer les choses, puisque un pas à droite ramène naturellement la poupe babord en battant arrière… Le léger décalage babord de votre axe d'hélice amplifie encore l'effet.
Le Glissement (Slip)
Le Glissement (ou slip) est la différence de distance axiale parcourue entre le Pas théorique et le Pas réel lors d'un tour complet de l'hélice. Un glissement supérieur à 20% indique souvent que votre choix d'hélice n'est pas optimal, soit parce que le pas est inadapté, soit parce que le nombre de pales est insuffisant.
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