La traction par hélices : du vent à tous les sens du terme ?

La propulsion par hélices ? Le chemin de fer ne connaît pas. Il l’a pourtant essayée, mais sans plus. Appliquée à des véhicules terrestres, la propulsion par hélices est tout à fait justifiée quand, d’une part, on a l’intention d’atteindre de grandes vitesses parce que la puissance est désormais là, et quand, d’autre part, il se pose un problème insurmontable de transmission. C’est pourquoi, dans l’histoire du chemin de fer, il y a eu, dans quelques rares pays précurseurs comme le Royaume-Uni, l’Allemagne ou la France, des essais de propulsion par hélice. Mais sans réel succès.

La propulsion par hélice offre un avantage considérable par rapport à la propulsion par roue. C’est celui de prendre appui sur un fluide, qu’il s’agisse d’un liquide comme dans le cas d’un navire, ou d’un gaz, comme dans le cas d’un avion. Or l’eau et l’air, comme tous les fluides, sont déformables et cette qualité permet un déplacement libre, ou presque, des pales de l’hélice lorsqu’elle tourne à faible vitesse. Quand la vitesse de rotation augmente, la possibilité de déformation du fluide est moindre et le fluide offre une résistance dont la composante fait que l’hélice a tendance à se déplacer en fonction de l’inclinaison des pales. Plus la vitesse de rotation augmente, plus forte est cette résistance.

Au contraire, dans le cas d’une roue sur un support solide, route ou rail, il n’y a pas de déformation sinon infime, et l’adhérence de la roue sur la route (très forte) ou sur le rail (moindre), s’oppose à la rotation de la roue. Dans le cas d’utilisation de moteurs, comme les moteurs à explosion et à combustion interne, il y a une vitesse minimale en dessous de laquelle le moteur cale. Ce n’est pas le cas des moteurs à vapeur ou électriques qui exercent, à vitesse nulle, un effort maximal, ce qui les rend particulièrement intéressants pour le chemin de fer qui demande le décollage de très lourdes charges à l’arrêt, puis le mouvement initial à très faible vitesse.

Quand il a fallu abandonner la locomotive à vapeur, et partout où une électrification n’était pas rentable, les ingénieurs des chemins de fer ont essayé le moteur diesel, mais ont immédiatement trouvé, avec lui, le problème du calage à basse vitesse, et l’impossibilité de démarrer progressivement un train à vitesse nulle. Il a fallu alors interposer des transmissions permettant au moteur diesel de tourner au ralenti, et d’accélérer avec une locomotive et un train à vitesse nulle et croissant très progressivement. Deux transmissions se sont montrées aptes : la transmission électrique et la transmission hydraulique.

Or la transmission hydraulique utilise la possibilité de déformation d’un liquide (en général de l’huile), c’est-à-dire qu’elle utilise une hélice. Les ingénieurs du chemin de fer, et aussi, d’ailleurs de l’automobile qui rencontrait le même genre de problème, ont donc songé à utiliser l’hélice seule, immergée dans le fluide le plus courant et le plus simple à trouver : l’air ambiant. On peut toujours admirer, aujourd’hui, l’automobile dite « à traction aérienne Hélica » (série D.21 no 1 type 8HP) du magnifique musée des Arts et Métiers de Paris : on dirait un avion sans ailes… mais l’engin a roulé et n’a jamais volé.

Le « wagon-obus » de George Bennie en 1925.

Cet ingénieur écossais peut être considéré comme un des pionniers de l’autorail à hélice, même s’il conçoit son véhicule comme circulant suspendu à un monorail. Il imagine des autorails à hélice, liés à un rail supérieur par des bogies à galets de roulement montés sur billes. Un autre rail inférieur sert à limiter, d’une part, les débattements du véhicule, et soulager partiellement le rail supérieur du poids des autorails qui, pourtant, ne pèsent que 12 tonnes.

Le « wagon-obus » (sic) Bennie comprend deux hélices, une avant et une arrière, chacune actionnée par un moteur électrique alimenté par un système de captage classique ferroviaire du type frotteur et conducteur. Il est possible de monter un moteur de type aviation si nécessaire. La vitesse escomptée est de 200 km/h avec un moteur de 200 chevaux, et de 48 km/h avec un moteur de 80 chevaux, ce dernier cas étant prévu pour une version urbaine ou à courte distance.

Un point très intéressant est que le système Bennie, vu les avantages de la propulsion par hélice, accepte les fortes rampes et peut suivre les dénivellations du terrain, donc il demande peu ou pas d’ouvrages d’art. Les frais de traction sont moindres que ceux des trains classiques, vu la légèreté des véhicules. La grande vitesse offerte permet d’escompter de grands bénéfices. Le système Bennie, toutefois, n’eut aucun succès auprès des compagnies de chemins de fer ou des municipalités, et ne fut jamais réalisé autrement que sous la forme d’une voie d’essais construite à Milngavie, près de Glasgow, et sur les emprises d’une ligne de chemin de fer classique du London & North Eastern Railway. Comme pour l’ « aérotrain » de Jean Bertin, le problème de son incompatibilité avec le chemin de fer existant, donc du coût de la reconstruction intégrale d’un futur réseau ferré, a eu raison de l’avenir de l’engin.

Les premiers essais d’hélices en Allemagne.

Pendant la Première Guerre mondiale, un centre d’essais pour la navigation aérienne, situé à Berlin, construit, pour faire des essais aérodynamiques, une voiture de chemin de fer propulsée par un moteur d’avion et des hélices aériennes. Soyons bien clairs : ces premiers véhicules allemands à hélice et circulant sur des rails sont uniquement des bancs d’essais de moteurs d’avion. Cette technique permet des essais de moteurs d’avion en toute sécurité et facilement enregistrables et maîtrisables, sans risques techniques et humains. Le but visé n’est pas ferroviaire.

Cependant, les expériences faites avec cet engin montrent que ce mode de propulsion présente des avantages, même dans la pratique de l’exploitation ferroviaire. En 1919, des essais sont entrepris avec des autorails à hélice sur le réseau des chemins de fer allemands, mais ces essais n’ont aucune suite immédiate. Décidément, l’hélice n’est pas faite pour le chemin de fer, ni le chemin de fer pour l’hélice…

La « Deutsche Reichsbahn » n’a pas oublié, pour autant, l’intérêt offert par la propulsion de véhicules de chemins de fer par hélice aérienne. Quelques ingénieurs, certes peu nombreux, estiment toujours que cette technique mérite l’attention à cause de sa simplicité de réalisation. Elle conduit à des frais d’établissement si minimes, par rapport à la propulsion par roues motrices, que le réseau allemand s’intéresse aux recherches de cette nature pour des raisons économiques et techniques d’exploitation. Les temps du lendemain du traité de Versailles sont très durs pour les Allemands et des économies s’imposent.

En 1924, les essais sont repris par une société d’études sur la technique des transports, de création postérieure, pour créer un véhicule approprié de construction légère. Il s’agit non seulement de créer un véhicule de faible poids, mais également de faible résistance par tonne remorquée. Les procédés de construction employés pour obtenir un coefficient de résistance particulièrement faible devaient conduire à une révolution complète dans les méthodes de construction des véhicules.

Le 8 octobre 1930, un prototype est présenté, connu sous le nom de « Zeppelin sur rails » (« Schienenzeppelin ») que l’ingénieur Franz Kruckenberg a obtenu de construire dans les ateliers de Hanovre-Leinhausen. L’autorail est présenté le 18 octobre 1930 et essayé sur la ligne en cours de construction reliant Hanovre à Celle.

Le « Zeppelin sur rails » : un succès d’estime seulement.

Certainement, il s’agit d’un engin bien exceptionnel, que cet engin à hélices conçu par l’ingénieur allemand Franz Kruckenberg et qui ressemble plutôt à un dirigeable sur rails, comme son nom l’indique en langue allemande ! L’autorail de Kruckenberg crée la sensation dès ses premiers essais. Il ne faut que 66 secondes, après le démarrage, pour qu’il atteigne 100 km/h sur une distance de 985 m. Deux minutes après le démarrage, la vitesse est de 150 km/h. Kruckenberg pense atteindre 180 km/h et triomphe avec un record à 230 km/h, battu le 21 juin 1931, confirmant les possibilités de l’engin.

L’obtention d’une telle vitesse exige tout d’abord que l’on donne à la caisse une forme rigoureusement conforme à celle des filets d’air, de manière à vaincre dans les meilleures conditions possibles la résistance de l’air. En outre, le corps du véhicule est abaissé sur le rail, au point que les roues ne font saillie que d’environ 50 cm en dessous de la carrosserie également très surbaissée. On a ainsi essayé de construire un véhicule de vitesse aussi léger que possible. L’autorail, qui mesure 26 m en longueur, ne pèse, en effet, que 18,5 t à vide, et comporte 12 places assises. Il est prévu qu’en service courant le véhicule puisse transporter de 40 à 50 voyageurs.

La classique construction ferroviaire, avec un châssis supportant une caisse, a laissé la place à une conception de type aéronautique : ici la caisse est une poutre cylindrique en acier et en d’autres métaux légers. L’entrée est située vers le centre du véhicule et se trouve hermétiquement fermée durant la marche. Un moteur d’avion BMW de 500 ch. est placé à l’arrière et actionne l’hélice. Le tout roule sur deux essieux très espacés, puisque situés à 19,60 m l’un de l’autre. Le conducteur peut toutefois orienter, avec un volant, les essieux en fonction des courbes : encore une tâche supplémentaire à faire accepter sur le plan syndical ?

L’hélice est disposée en arrière et en haut, à l’extrémité arrière de la carrosserie. L’axe de l’hélice est légèrement incliné de manière à ce que la poussée de l’hélice contribue aussi à plaquer l’appareil sur les rails. Non seulement elle pousse l’autorail en avant, mais elle l’applique aussi sur les rails. À 150 km/h, la consommation est de 60 litres aux 100 km, ce qui est très peu si l’on songe à la capacité de 40 places offertes et à la consommation d’une grosse voiture automobile de l’époque qui dépassait 20 litres. Pour une vitesse de 150 km/h et sans vent de face, la puissance développée pour la propulsion est de l’ordre de 200 ch. La consommation est alors de 60 litres de carburant type aviation au 100 km.

Le moteur actionne en même temps un compresseur d’air, et aussi deux générateurs qui chargent une batterie d’accumulateurs. Celle-ci, placée dans la pointe arrondie du véhicule, alimente les installations de ventilation et d’éclairage, et fournit le courant à un moteur électrique, qui sert de propulseur en cas d’arrêt du moteur principal – sage précaution…

Des plots de caoutchouc viennent compléter le travail de la suspension par ressorts, et sont disposés entre la partie non suspendue et la caisse du véhicule. Pour le freinage, il existe un frein actionné à l’air comprimé à serrage extérieur, agissant sur des couronnes de frein spéciales. Un frein à main agit par blocs de frein sur les bandages – ce dernier utilisé comme frein d’immobilisation.

L’avenir de l’autorail à hélices, d’après les ingénieurs allemands des années 1930.

À l’apparition de tout nouveau moyen de transport, on se pose la question de savoir, dans quelle proportion probable, il empiètera sur le trafic de ce qui existe déjà. Or, il apparaît qu’il y a dans le nouvel autorail à hélice autre chose qu’une simple voiture d’essai ou un véhicule concurrent de la locomotive classique à vapeur ou électrique. La locomotive à vapeur est une source d’énergie très sûre, mais, au point de vue purement thermique, elle est d’un mauvais rendement. Dans la période d’après-guerre, on est bien parvenu, par la construction de nouveaux types de locomotives, à abaisser notablement la dépense de chaleur nécessaire pour obtenir une puissance utile donnée au crochet de traction.

Malgré tout, la locomotive moderne n’utilise le pouvoir calorifique du charbon, de la grille au crochet de traction (en tenant compte de la résistance de l’air), que dans la proportion maximale de 7 à 9 %. En outre, la vitesse jusqu’ici obtenue semble déjà se rapprocher de sa limite extrême. D’après le règlement des Chemins de fer du « Reich », seules des vitesses ne dépassant pas 100 km/h environ sont normalement autorisées pour des raisons de sécurité, vitesses que, dans des conditions particulièrement favorables, les services administratifs du réseau peuvent élever jusqu’à 120 km/h.

Les ingénieurs allemands de l’époque estiment que si l’on tient compte de la concurrence qui est faite aux chemins de fer par les automobiles et les avions, il faut réaliser de plus grandes vitesses sur rails, si l’on veut conserver la clientèle. Bien que l’autorail à hélice en soit encore à la période des premiers essais, ils pensent déjà conclure que, selon toute vraisemblance, des véhicules exceptionnellement rapides et légers pourront être plus ou moins prochainement substitués à la locomotive à vapeur partout où la mise en circulation de trains légers extra-rapides et fréquents se trouvera justifiée.  C’est ainsi que, par exemple, le trajet Berlin-Hambourg, de 300 km en chiffres ronds, à l’époque couvert par les trains rapides en trois heures et demie, pourrait être réalisé en deux heures par l’autorail à hélice.
Mais, avant qu’on puisse estimer jusqu’à quel point l’autorail à hélice pourra être introduit dans le service de chemins de fer, les ingénieurs de la « Deutsche Reichsbahn » pensent qu’il faut compléter les essais faits jusqu’alors sur une ligne presque droite, sans courbe sensible, par d’autres essais faits sur des voies comportant de nombreuses courbes. Seuls ces essais montreront jusqu’à quel point l’autorail à hélice peut être mis en service d’une manière générale sur des lignes existantes.
Toutefois, il ne faut pas perdre de vue les grosses difficultés qui se présentent pour l’emploi d’un véhicule rapide, circulant à 200 km/h, par exemple, concurremment avec les autres trains du trafic normal, en raison des méthodes et des règles qui régissent actuellement l’exploitation des chemins de fer. Les voies actuelles sont, en effet, construites pour des vitesses de 100 à  120 km/h. C’est pour ces vitesses que sont établies les courbes, les entrées en gare, les sorties des gares et les appareils de voie. L’ensemble de la signalisation a été étudié de même pour satisfaire à ces vitesses. La distance du signal avancé devra être évidemment plus grande avec un véhicule marchant plus vite.
Un autre gros obstacle qui s’oppose à l’utilisation d’un véhicule marchant à 200 km à l’heure est la limite de capacité de la voie. L’horaire d’une ligne est déterminé par le train le plus lent qui circule sur cette ligne. Il est déjà aujourd’hui très difficile, sur une ligne où circulent des trains faisant en moyenne 60 km/h, de faire passer un train tracé à 100 km/h. Ici, il s’agirait, avec un horaire fixe, de faire circuler des trains légers et des autorails à la vitesse de 200 km/h. Il faudrait donc pour cela une voie spéciale avant que l’autorail à hélice trouve son emploi courant. En quelque sorte, les ingénieurs de la Deutsche Reichsbahn des années 1930 avaient déjà compris que l’on ne pouvait circuler à grande vitesse sans un nouveau réseau de lignes spéciales à grande vitesse. Le « Schienenzeppelin » ou « Zeppelin sur rails » n’a pu échapper à cette règle : il aurait fallu lui construire un réseau de lignes spéciales à très grande vitesse comme on l’a fait pour le « Shinkansen » japonais ou le TGV français, ou l’ICE allemand, mais un demi-siècle plus tard.

L’autorail à hélices du réseau du Nord en France.

Le réseau français du Nord, peu avant la Seconde Guerre mondiale, est intéressé par des autorails à grande vitesse, et se laisse convaincre d’essayer un prototype construit par la firme Decauville. Dénommée « rame automotrice réversible », c’est un autorail formé de deux caisses indépendantes, dessinées dans un style général très futuriste avec ses petites cabines de conduite de style très aviation, perchées sur le toit, et ses deux hélices. L’arrondi supérieur des baies vitrées est la seule concession au style Nord classique du réseau. Chaque élément de la rame, conçue par l’ingénieur Lucien Dumas, comporte un moteur diesel allemand CLM-Junkers 8 DV120 à 2 temps de 500 ch à 1500 tr/min […] et une hélice d’avion Ratier (française) à pas variable.  

Prévu pour circuler à ce que l’on appelle, à l’époque déjà, la « très grande vitesse » (pour 160 à 180 km/h !) , l’appareil a une longueur totale de 44,300 m, pèse 50 tonnes environ, repose sur quatre bogies. Chacun des deux vilebrequins des moteurs travaille dans un sens opposé et actionne un ensemble différent. Le vilebrequin du haut actionne l’hélice Ratier à trois pales et pas variable, tandis que celui du bas actionne, discrètement et très classiquement, un des essieux d’un bogie, ceci par l’intermédiaire d’une boîte de vitesses classique de type automobile. Les hélices sont entraînées d’une manière permanente, mais l’effort au démarrage est surtout fourni par les roues, et dès que l’hélice prend le dessus, l’effort de traction aux roues est coupé par une roue libre, ou, au choix du conducteur, par un débrayage commandé manuellement.

Afin de pouvoir obtenir l’arrêt de la rame sur la distance de couverture des signaux, et malgré les grandes vitesses pratiquées, le freinage habituel sur les essieux est complété par un freinage sur l’air, obtenu en inversant rapidement le pas des hélices de façon à leur faire exercer un effort retardateur. C’est surtout ce point qui sera le plus décevant lors des essais entrepris en 1939 entre Paris et Compiègne, les hélices se montrant aussi peu capables d’entraîner le lourd autorail que de le retenir… Il faut donc bien croire que le succès de l’autorail Kruckenberg était dû à sa légèreté, et à un rapport poids-puissance très favorable, alors que l’autorail Decauville, véhicule traditionnel et lourd, certes beaucoup plus exploitable en milieu ferroviaire qu’une simple construction d’aluminium et de toile, n’avait aucune chance par manque de « prise » dans l’air des hélices aux vitesses ferroviaires qui sont plus basses que celles des avions : il aurait fallu multiplier les hélices.  Decauville étudie, d’ailleurs, un carénage des hélices qui aurait augmenté leur rendement en canalisant l’air, sans compter que ce carénage aurait amélioré la sécurité, ces hélices étant très dangereuses dans les gares et ayant d’ailleurs tendance à faire voler les chapeaux que la mode imposait à l’époque, et à éparpiller les journaux sur les quais…

La puissance de cet autorail n’est pas en cause, avec 1000 ch. pour les deux éléments, et un poids de 50 tonnes : on peut comparer ces données avec l’autorail « ABL » de Renault qui lui aussi dispose de 1000 ch. et pèse 99 tonnes. C’est bien la propulsion par hélices qui vient de montrer ses limites. La Seconde Guerre mondiale, on s’en doute, vient écarter toute opportunité de poursuivre les essais. Cet autorail est garé au dépôt du Landy, servant de local annexe pour le personnel avant d’être ferraillé. L’hélice était arrivée au terme de son aventure ferroviaire.

Trente ans après : aux États-Unis, on ose tout ….

Aux États-Unis, on ose tout, quitte à faire du « Make America Great Again » (avec ou sans une casquette rouge), et, en 1966, l’ingénieur de la « General Electric » Donald C.Wetzel n’installe pas des hélices sur un autorail, mais carrément deux réacteurs. Il fallait oser… mais, aux USA, les Donald osent tout.

Les essais donnent un 183.68 mph (295.6 km/h) entre Butler, Indiana, et Air Line Junction, Ohio. D’autres sources indiquent une vitesse de 315 km/h, chose tout à fait possible, mais sans doute non « officielle » car bien au-dessus des limites offertes par la voie en matière de sécurité. L’autorail, un respectable Budd du New-York Central un peu ancien, devient célèbre alors sous le nom de « M-497 », ou aussi de « Black Beetle » (scarabée noir), fut ensuite oublié et ferraillé en 1984. Il était pourtant l’engin moteur ferroviaire de 5 000 ch le moins cher des USA, disait Donald !

Le turbotrain, lointain descendant de l’autorail à hélices ?

Si l’on reste dans ce cadre technique du chemin de fer classique sur sa voie à deux files de rails en acier, la seule alternative issue de l’hélice qui s’est présentée à la fois comme durable, exploitable et fiable, a été offerte par la turbine à gaz, notamment avec les essais entrepris par les Chemins de Fer Fédéraux suisses en 1942, utilisant le principe de la turbine à gaz connu dans son principe depuis plus d’une décennie à l’époque.

Quel est le principe de la turbine à gaz ? Elle n’est pas, à vrai dire, une évolution de l’hélice et du moteur d’avion, car elle vient du moteur diesel. Pour augmenter la puissance d’un moteur diesel sans entraîner, en même temps, un accroissement exagéré de son poids, des ingénieurs ont eu l’idée d’introduire dans les cylindres de l’air légèrement comprimé. Le poids d’air, étant plus important, se traduit par une quantité plus grande de combustible brûlé, donnant donc une augmentation de puissance très sensible avec une forte augmentation de la valeur du couple développé à bas régime.

Mais il faut un compresseur pour assurer cette compression de l’air extérieur entrant dans le moteur. C’est pour actionner le compresseur d’air qui assure cette suralimentation qu’on emploie une petite turbine à gaz mise en action par le gaz d’échappement du moteur. Ce qui a le mérite d’utiliser une énergie habituellement perdue, et de ne pas demander un accessoire supplémentaire à la fois lourd, complexe, et délicat.

Dans la locomotive à turbine à gaz, l’accessoire devient le principal.

Avec la locomotive à turbine à gaz, la turbine est alimentée par les gaz provenant d’une chambre de combustion que traverse de l’air comprimé fourni par un compresseur. Le mélange gazeux est à 600° environ. La turbine tourne à vitesse à peu près constante et entraîne le compresseur d’air qui l’alimente et une génératrice de courant pour actionner les moteurs électriques de traction.

Ce mécanisme, qui est relativement simple, absorbe une puissance considérable puisque les 10.000 chevaux (mesures d’époque) de la turbine ne donnent que 1.400 chevaux à la jante. La puissance est presque entièrement absorbée par le compresseur, qui envoie dans la chambre de combustion une quantité d’air beaucoup plus forte que ne l’exigerait la combustion du mazout, mais dont l’excédent est absolument nécessaire pour maintenir la température de la turbine qui, au-dessus de 600 degrés, serait vite détériorée. Le seul problème posé dans les années 1940 à 1960 est la réalisation même de la turbine, qui devra supporter des températures plus élevées pour mieux utiliser les gaz et éviter cette considérable perte de puissance, issue du compresseur, pour les refroidir. Les progrès de l’aviation, utilisatrice de turbines, permettront de le résoudre une vingtaine d’années plus tard.

Le réveil de la traction par turbines.

En France, la technique est proposée par Guy Sénac (ingénieur en chef honoraire du Département Construction de la SNCF). Un autorail SNCF d’essais, à moteur diesel et à deux caisses est doté, à titre d’essai, d’un turbomoteur « Turmo III C3 » prêté par le Service Technique Aéronautique et essayé, au préalable, au Centre d’Essais des Propulseurs de Saclay de juillet à décembre 1966. Le turbomoteur est installé au début de 1967 sur l’autorail, la transformation étant terminée pour avril. Rappelons que cet engin X-4365+XR-8579 est le premier à porter le nom de « Train à Grande Vitesse » (TGV).

À la veille du choc pétrolier de 1973, la SNCF compte sur la turbine pour les TGV de ses lignes nouvelles à grande vitesse. Sur ces lignes sans caténaires devaient rouler, à 260 km/h, des rames TGV propulsées par turbines à gaz. Mais, le changement du prix du pétrole affectera d’autant plus la traction par turbines qu’elle est le mode qui offre le rendement le plus bas. Même en tenant compte des rendements des centrales thermiques (0,376) ou hydrauliques (0,515) et des lignes haute tension (0,94) pour la traction électrique ferroviaire, on arrive encore, pour celle-ci, à 0,295 en 1 500 v et 0,40 en 25 000 v. Mais la traction à turbines à gaz parvient au mieux à 0,22 avec les « Turmo XII », et même à 0,25 à la jante.

Avec l’abandon du TGV à turbines à gaz (nous reviendrons sur cette aventure lors d’un prochain article) au grand désespoir de Guy Sénac, la limitation du parc des « Éléments à turbine à gaz » (ETG) à 14 exemplaires construits, et celle du parc des « Rames à turbine à gaz » (RTG) à 41 exemplaires construits, avec l’absence de toute construction de matériel à turbine à gaz après 1976, on peut penser que ce mode de traction, même s’il a connu en France un développement exceptionnel par rapport à celui d’autres réseaux mondiaux, a connu un sort marginal. La traction diesel classique n’a pas été détrônée par les turbotrains et toute pratique technique liée à l’aviation a été oubliée au profit de la traction diesel classique et surtout de la traction électrique.