Développements précoces
Le principe utilisé pour utiliser une hélice à vis est dérivé du sculling. Dans le sculling, une seule lame est déplacée à travers un arc, d’un côté à l’autre en prenant soin de continuer à présenter la lame à l’eau à l’angle effectif. L’innovation introduite avec l’hélice à vis a été l’extension de cet arc de plus de 360 ° en fixant la pale à un arbre rotatif. Les hélices peuvent avoir une seule pale, mais en pratique il y en a presque toujours plus d’une pour équilibrer les forces en jeu.
L’origine de l’hélice à vis commence avec Archimède, qui a utilisé une vis pour soulever l’eau pour l’irrigation et le renflouement des bateaux, si célèbre qu’elle est devenue connue sous le nom de vis d’Archimède. C’était probablement une application du mouvement en spirale dans l’espace (les spirales étaient une étude spéciale d’Archimède) à une roue à eau segmentée creuse utilisée pour l’irrigation par les Égyptiens pendant des siècles. Léonard de Vinci a adopté le principe de conduire son hélicoptère théorique, dont les croquis impliquaient une grande vis de toile au-dessus de la tête.
En 1661, Toogood et Hays proposèrent d’utiliser des vis pour la propulsion au jet d’eau, mais pas comme hélice. Robert Hooke en 1681 a conçu un moulin à eau horizontal qui était remarquablement similaire à l’hélice à axe vertical Kirsten-Boeing conçue près de deux siècles et demi plus tard en 1928; deux ans plus tard, Hooke a modifié la conception pour fournir une puissance motrice aux navires dans l’eau. En 1693, un Français du nom de Du Quet inventa une hélice à vis qui fut essayée en 1693 mais abandonnée plus tard. En 1752, l’Académie des Sciences de Paris décerne à Burnelli un prix pour la conception d’une roue à hélice. À peu près au même moment, le mathématicien français Alexis-Jean-Pierre Paucton, a suggéré un système de propulsion par eau basé sur la vis d’Archimède. En 1771, l’inventeur de la machine à vapeur James Watt, dans une lettre privée, suggéra d’utiliser des « rames spirales » pour propulser les bateaux, bien qu’il ne les utilisât pas avec ses machines à vapeur, ni ne mit jamais en œuvre l’idée.
L’une des premières utilisations pratiques et appliquées d’une hélice a été sur un sous-marin baptisé Turtle qui a été conçu à New Haven, Connecticut, en 1775 par David Bushnell, étudiant et inventeur de Yale, avec l’aide de l’horloger, graveur et fondeur de laiton Isaac Doolittle, et avec Ezra Bushnell, frère de Bushnell, et Phineas Pratt, charpentier et horloger du navire, construisant la coque à Saybrook, Connecticut. Dans la nuit du 6 septembre 1776, le sergent Ezra Lee pilote Turtle lors d’une attaque sur le HMS Eagle dans le port de New York. Turtle a également la particularité d’être le premier sous-marin utilisé au combat. Bushnell décrivit plus tard l’hélice dans une lettre d’octobre 1787 à Thomas Jefferson: « Une rame formée sur le principe de la vis était fixée à l’avant du navire, son axe entrait dans le navire et, tourné dans un sens, ramait le navire vers l’avant, mais tourné dans l’autre sens, le ramait vers l’arrière. Il a été fait pour être tourné par la main ou le pied. »L’hélice en laiton, comme toutes les pièces en laiton et mobiles de Turtle, a été fabriquée par le « mécanicien ingénieux » Issac Doolittle de New Haven.
En 1785, Joseph Bramah d’Angleterre proposa une solution d’hélice consistant en une tige traversant l’arrière sous-marin d’un bateau attaché à une hélice à aubes, bien qu’il ne l’ait jamais construite.
En février 1800, Edward Shorter de Londres proposa d’utiliser une hélice similaire fixée à une tige inclinée vers le bas temporairement déployée depuis le pont au-dessus de la ligne de flottaison et ne nécessitant donc aucune étanchéité à l’eau, et destinée uniquement à aider les voiliers à voile. Il l’a testé sur le navire de transport Doncaster à Gibraltar et à Malte, atteignant une vitesse de 2,4 km / h (1,5 mph).
En 1802, l’avocat et inventeur américain John Stevens construisit un bateau de 7,6 m (25 pieds) avec une machine à vapeur rotative couplée à une hélice à quatre pales. L’engin atteignit une vitesse de 6,4 km/h (4 mi/h), mais Stevens abandonna les hélices en raison du danger inhérent à l’utilisation des machines à vapeur à haute pression. Ses navires suivants étaient des bateaux à roues à aubes.
En 1827, l’inventeur tchèque-autrichien Josef Ressel avait inventé une hélice à vis dotée de plusieurs pales fixées autour d’une base conique. Il avait testé son hélice en février 1826 sur un petit navire à propulsion manuelle. Il réussit à utiliser son hélice à vis en bronze sur un bateau à vapeur adapté (1829). Son navire, Civetta de 48 tonneaux bruts, atteint une vitesse d’environ 6 nœuds (11 km/h). Ce fut le premier navire conduit avec succès par une hélice à vis d’Archimède. Après un accident d’une nouvelle machine à vapeur (soudure de tuyaux fissurés), ses expériences ont été interdites par la police austro-hongroise comme dangereuses. Josef Ressel était à l’époque inspecteur forestier pour l’Empire autrichien. Mais avant cela, il a reçu un brevet austro-hongrois (licence) pour son hélice (1827). Il meurt en 1857. Cette nouvelle méthode de propulsion était une amélioration par rapport à la roue à aubes, car elle n’était pas aussi affectée par les mouvements du navire ou les changements de tirant d’eau que le navire brûlait du charbon.
John Patch, un marin de Yarmouth, en Nouvelle-Écosse, a mis au point une hélice à deux pales en forme d’éventail en 1832 et en a fait la démonstration publique en 1833, propulsant une chaloupe à travers le port de Yarmouth et une petite goélette côtière à Saint John, au Nouveau-Brunswick, mais sa demande de brevet aux États-Unis a été rejetée jusqu’en 1849 parce qu’il n’était pas citoyen américain. Sa conception efficace a suscité des éloges dans les milieux scientifiques américains, mais à cette époque, il existait plusieurs versions concurrentes de l’hélice marine.
Propulseurs à vismodifier
Bien qu’il y ait eu beaucoup d’expériences avec la propulsion à vis avant les années 1830, peu de ces inventions ont été poursuivies jusqu’à l’étape des tests, et celles qui se sont révélées insatisfaisantes pour une raison ou une autre.
En 1835, deux inventeurs britanniques, John Ericsson et Francis Pettit Smith, ont commencé à travailler séparément sur le problème. Smith a été le premier à obtenir un brevet d’hélice à vis le 31 mai, tandis qu’Ericsson, un ingénieur suédois doué travaillant alors en Grande-Bretagne, a déposé son brevet six semaines plus tard. Smith construisit rapidement un petit bateau modèle pour tester son invention, qui fut d’abord démontrée sur un étang de sa ferme de Hendon, puis à la Royal Adelaide Gallery of Practical Science à Londres, où elle fut vue par le secrétaire à la Marine, Sir William Barrow. Après avoir obtenu le patronage d’un banquier londonien nommé Wright, Smith construisit ensuite un 30 pieds (9,1 m), 6 chevaux (4.5 kW) bateau-canal de six tonnes burthen appelé Francis Smith, qui était équipé d’une hélice en bois de sa propre conception et présenté sur le canal de Paddington de novembre 1836 à septembre 1837. Par un accident fortuit, l’hélice en bois de deux tours fut endommagée au cours d’un voyage en février 1837 et, à la surprise de Smith, l’hélice brisée, qui ne comportait plus qu’un seul tour, doubla la vitesse précédente du bateau, passant d’environ quatre milles à l’heure à huit. Smith déposera par la suite un brevet révisé en fonction de cette découverte accidentelle.
Entre-temps, Ericsson construisit un bateau à vapeur à vis de 14 m (45 pieds), le Francis B. Ogden en 1837, et présenta son bateau sur la Tamise à de hauts membres de l’Amirauté britannique, dont l’arpenteur de la Marine Sir William Symonds. Bien que le bateau ait atteint une vitesse de 10 milles à l’heure, comparable à celle des bateaux à aubes existants, Symonds et son entourage n’étaient pas impressionnés. L’Amirauté a maintenu l’opinion que la propulsion à vis serait inefficace en service océanique, tandis que Symonds lui-même croyait que les navires à vis ne pouvaient pas être dirigés efficacement. À la suite de ce rejet, Ericsson construisit un deuxième bateau à propulsion par vis, le Robert F. Stockton, et le fit naviguer en 1839 aux États-Unis, où il allait bientôt devenir célèbre en tant que concepteur du premier navire de guerre à propulsion par vis de l’US Navy, l’USS Princeton.
Apparemment conscient de l’opinion de la Royal Navy selon laquelle les hélices à vis s’avéreraient impropres au service en mer, Smith décida de prouver que cette hypothèse était fausse. En septembre 1837, il prit la mer avec son petit navire (maintenant équipé d’une hélice en fer d’un seul tour), allant de Blackwall, à Londres, à Hythe, dans le Kent, avec des arrêts à Ramsgate, Douvres et Folkestone. Sur le chemin du retour à Londres le 25, l’engin de Smith a été observé en train de progresser dans des mers orageuses par des officiers de la Royal Navy. L’intérêt de l’Amirauté pour la technologie a été ravivé, et Smith a été encouragé à construire un navire de taille réelle pour démontrer de manière plus concluante l’efficacité de la technologie.
Le SS Archimedes a été construit en 1838 par Henry Wimshurst de Londres, en tant que premier navire à vapeur au monde à être entraîné par une hélice à vis.
Archimède a eu une influence considérable sur le développement des navires, encourageant l’adoption de la propulsion à vis par la Royal Navy, en plus de son influence sur les navires commerciaux. Les essais avec l’Archimède de Smith ont conduit à la célèbre compétition de tir à la corde en 1845 entre le HMS Rattler à vis et le bateau à aubes HMS Alecto; le premier tirant le second vers l’arrière à 2,5 nœuds (4,6 km / h).
Il a également eu une influence directe sur la conception d’un autre navire innovant, le SS Great Britain d’Isambard Kingdom Brunel en 1843, alors le plus grand navire du monde et le premier navire à vapeur à vis à traverser l’océan Atlantique en août 1845.
Le HMS Terror et le HMS Erebus ont tous deux été fortement modifiés pour devenir les premiers navires de la Royal Navy à avoir des moteurs à vapeur et des hélices à vis. Tous deux ont participé à l’expédition perdue de Franklin, vue pour la dernière fois par les Européens en juillet 1845 près de la baie de Baffin.
Conception de l’hélice à vis stabilisée dans les années 1880.
Propulseurs sans arbre
Les hélices sans arbre central sont constituées de pales d’hélice fixées à un anneau faisant partie d’un moteur électrique en forme de cercle. Cette conception est connue sous le nom de propulseur à jante et a été utilisée par certains petits navires robotisés autoguidés. Un bateau avec ce type d’hélice est connu sous le nom de navire de surface dévissé.
Propulseurs d’avionsmodiFier
La forme de voilure torsadée des hélices d’avions modernes a été mise au point par les frères Wright. Alors que certains ingénieurs antérieurs avaient tenté de modéliser des hélices à air sur des hélices marines, les Wrights se sont rendu compte qu’une hélice à air (également connue sous le nom de vis à air) est essentiellement la même qu’une aile, et ont pu utiliser les données de leurs expériences antérieures en soufflerie sur les ailes. Ils ont également introduit une torsion sur la longueur des lames. Cela était nécessaire pour que l’angle d’attaque des pales soit maintenu relativement constant sur leur longueur. Leurs pales d’hélice d’origine n’étaient qu’environ 5 % moins efficaces que l’équivalent moderne, quelque 100 ans plus tard. La compréhension de l’aérodynamique des hélices à basse vitesse était assez complète dans les années 1920, mais les exigences ultérieures pour gérer plus de puissance dans un diamètre plus petit ont rendu le problème plus complexe.
Alberto Santos Dumont, un autre pionnier, a appliqué les connaissances acquises par ses expériences avec les dirigeables pour fabriquer une hélice avec un arbre en acier et des pales en aluminium pour son biplan 14 bis. Certaines de ses conceptions utilisaient une feuille d’aluminium pliée pour les lames, créant ainsi une forme de profil aérodynamique. Ils étaient fortement sous-empilés, ce qui, plus l’absence de torsion dans le sens de la longueur, les rendait moins efficaces que les hélices Wright. Néanmoins, c’était peut-être la première utilisation de l’aluminium dans la construction d’une vis à air.