Rolls-Royce Merlin

Le Merlin naît sous le nom de PV-12 (Private Venture, douze cylindres) parce que l'Air Ministry ne le finance pas. Rolls-Royce dispose du Kestrel en service et de l'énorme Buzzard au-dessus, et estime que la génération suivante de chasseurs aura besoin d'un moteur de la classe des 1 000 ch : plus gros qu'un Kestrel, bien plus petit qu'un Buzzard. Les études commencent en 1932 et le premier moteur tourne le 15 octobre 1933.

Il est conçu autour d'un refroidissement par évaporation, où le liquide bout et où la vapeur est condensée dans le revêtement même de l'avion. Rolls-Royce avait déjà essayé le principe sur le Goshawk et en connaissait les défauts : condenseurs vulnérables, système sensible à l'assiette, et une seule balle suffisait à le vider. Lorsque l'éthylène glycol devient disponible depuis les États-Unis, le moteur est repris autour d'un circuit liquide sous pression classique, au mélange eau-glycol 70/30, et l'appareillage évaporatif disparaît définitivement.

Le PV-12 vole pour la première fois le 21 février 1935 sur un biplan Hawker Hart, et les débuts sont difficiles. La première culasse (dite ramp head, à soupapes inclinées par rapport à l'axe du cylindre) refuse de donner la puissance attendue et est abandonnée au profit d'une culasse plate à soupapes parallèles dérivée de celle du Kestrel. Les moteurs de développement Merlin C, E, F et G se succèdent rapidement ; le Merlin G passe son essai de type à 1 030 ch en 1936 et devient le Merlin II.

Deux avions ont alors déjà été dessinés autour de lui. La spécification F.10/35 de l'Air Ministry donne le Hurricane et le Spitfire, tous deux conçus pour recevoir le PV-12 et tous deux inconstruisibles sans lui. Un moteur qui n'avait reçu aucun argent public devient celui dont dépend la défense aérienne britannique, et les problèmes de fiabilité qui l'ont accompagné pendant trois ans doivent être résolus sur une chaîne de production déjà lancée.

Le Merlin est un V12 à 60° de 7,14 US gal, d'un alésage de 137,2 mm et d'une course de 152,4 mm, chiffres qui n'ont jamais changé en dix-sept ans de production. Le rapport volumétrique reste de 6:1, faible pour un moteur atmosphérique et volontairement : la charge du Merlin arrivait déjà comprimée, et le rapport devait lui laisser de la place.

Chaque rangée reçoit un arbre à cames en tête commandant quatre soupapes par cylindre, deux d'admission et deux d'échappement, à tiges d'échappement remplies de sodium pour évacuer la chaleur de la culasse. Les blocs-cylindres sont en alliage d'aluminium à chemises acier, montés sur un carter d'aluminium en deux parties portant un vilebrequin à sept paliers. La lubrification est à carter sec, avec une pompe de pression et deux pompes de récupération, de sorte que le moteur conserve sa pression d'huile dans les assiettes qu'un chasseur adopte réellement.

Le refroidissement se fait par un mélange sous pression de 70 % d'eau et 30 % d'éthylène glycol. Le glycol élève le point d'ébullition, ce qui permet de faire travailler le radiateur plus chaud, donc de le faire plus petit : un radiateur plus petit, c'est moins de traînée, et sur un chasseur c'est de la vitesse. Il est aussi inflammable et, sur un avion touché, comptait parmi les raisons les plus fréquentes de l'arrêt d'un Merlin.

À partir de 1940, le moteur est de plus en plus livré non pas nu mais en groupe motopropulseur : moteur, bâti, capots, radiateur et accessoires formant un ensemble interchangeable qu'une escadrille pouvait déposer et remplacer d'un bloc. Le Beaufighter II puis le Lancaster en utilisent une version entièrement normalisée, et c'est la raison pour laquelle un changement de Merlin sur un terrain dispersé se comptait en heures et non en jours.

Ce que la conception n'avait pas, c'est l'injection. Cette seule absence a produit le défaut le plus célèbre du Merlin, et le remède est décrit plus bas.

Tout ce que le Merlin a gagné, il l'a gagné par son compresseur. Un moteur à pistons perd de la puissance en altitude parce qu'il y a moins d'air à brûler ; un compresseur remet cet air, et la qualité avec laquelle il le fait décide de l'altitude à laquelle le moteur sert à quelque chose.

Les Merlin II et III portaient un compresseur centrifuge monoétage à une seule vitesse, entraîné à rapport fixe. Compétent et rigide : la pleine puissance arrivait à une altitude et retombait de part et d'autre. En 1938, Stanley Hooker, jeune mathématicien fraîchement arrivé à Derby, analyse l'entrée d'air et le diffuseur et découvre que les pertes ne sont pas dans la roue mais dans les conduits qui l'entourent. Redessiner l'entrée fait passer l'altitude de rétablissement d'environ 16 000 ft à plus de 19 000 ft, sans carburant supplémentaire, sans masse supplémentaire et sans toucher aux pièces tournantes, sans doute le travail d'ingénierie le plus rentable jamais effectué sur le Merlin.

Packard V-1650-7

Les travaux de Hooker ouvrent deux voies. Le Merlin XX de 1940 introduit un entraînement à deux vitesses : le compresseur peut être démultiplié pour le décollage et la montée, puis surmultiplié pour l'altitude, ce qui donne au moteur deux altitudes de rétablissement au lieu d'une. Le Merlin 45 de 1941 porte le compresseur monoétage amélioré sur le Spitfire V.

L'étape décisive est le Merlin 61. Essayé au banc à partir de 1941, il place deux roues en série (la première empruntée au Vulture, la seconde au Merlin 46) avec un échangeur refroidi par liquide entre le second étage et les cylindres pour refroidir la charge que la compression avait échauffée. Deux vitesses et deux étages ensemble donnent au moteur environ 300 ch de plus à 30 000 ft qu'un Merlin 45. Monté sur le Spitfire, il produit le Mk IX, plus rapide d'environ 59 kt que le Mk V en altitude : c'est le moteur biétage, et non la cellule, qui a répondu au Focke-Wulf Fw 190.

L'autre moitié de l'histoire du Merlin est dans le réservoir. Avec l'essence à 87 octane disponible en 1938, le Merlin III était limité à +6¼ lb de pression d'admission et à 1 030 ch ; c'est la détonation, et non la structure du moteur, qui fixait le plafond. À partir de l'hiver 1939, l'essence à 100 octane arrive des États-Unis, des Antilles et de Perse, et pendant le premier semestre 1940 la RAF y convertit ses escadrilles de Hurricane et de Spitfire. Les mêmes moteurs, autorisés à +12 lb en régime d'urgence limité à cinq minutes, donnent 1 310 ch à 9 000 ft, près de 30 % de puissance en plus pour un changement de carburant et un régulateur de pression modifié.

Le schéma se répète. À partir de mars 1944, les Spitfire IX à Merlin 66 volent en opérations avec du carburant d'indice 150, teinté en vert vif, et sont autorisés à +25 lb : 2 000 ch au niveau de la mer, tirés des mêmes 7 US gal qui en donnaient 1 030 en 1938. L'additif qui l'a permis n'allait pas de soi : un surcroît de plomb tétraéthyle encrassait gravement les bougies, et 2,5 % de monométhylaniline s'est révélé la meilleure réponse.

Le défaut le plus fameux du Merlin appartient également à ce chapitre. Son carburateur S.U. était à flotteur, et sous facteur de charge négatif le carburant quittait les gicleurs : pousser sur le manche coupait le moteur, et si le pilote insistait, la cuve noyée le faisait ensuite tourner assez riche pour le caler de nouveau. Un Messerschmitt Bf 109E, à injection directe, piquait simplement pour s'échapper. Les pilotes de la RAF apprirent à effectuer un demi-tonneau avant de suivre, ce qui coûtait des secondes dont ils ne disposaient pas.

La solution vient de Beatrice Shilling, ingénieure au Royal Aircraft Establishment de Farnborough. Sa réponse n'est pas un système d'injection mais une rondelle métallique percée d'un trou calibré, montée dans la conduite d'essence, limitant le débit à un peu plus que ce dont le moteur avait besoin à pleine puissance et supprimant donc la moitié « noyage » de la panne. Les escadrilles en sont équipées à partir du début de 1941, et le restricteur du R.A.E. devient universellement connu sous le nom de Miss Shilling's orifice. C'était un palliatif, et personne ne l'ignorait : les carburateurs suivants déplacent la sortie sur le côté de la cuve pour assurer un débit égal quel que soit le signe du facteur de charge, le carburateur à pression Bendix-Stromberg de 1943 injecte l'essence à 5 psi dans l'ouïe du compresseur sur les Merlin 66, 70, 76, 77 et 85, et la série 100 reçoit enfin un carburateur-injecteur S.U.

La production du Merlin fut un programme national plutôt qu'une usine. Rolls-Royce le construit à Derby, dans une usine de l'ombre à Crewe à partir de 1939 et à Hillington près de Glasgow à partir de 1940 ; la Ford Motor Company le construit à Trafford Park, à Manchester. Les chiffres habituellement cités sont de 32 377 moteurs à Derby, 26 065 à Crewe, 23 675 à Glasgow et 30 428 chez Ford, environ 112 000 en Grande-Bretagne, auxquels Packard ajoute 55 523 exemplaires à Détroit.

Les totaux avancés pour le programme diffèrent selon ce que l'on compte. Le chiffre généralement donné pour le Merlin est de 149 659 ; les sources qui additionnent tous les moteurs construits sous licence et de développement atteignent environ 168 000. FLYPEDIA retient le chiffre le plus bas, le plus couramment cité, et signale l'écart plutôt que de trancher en silence.

Les deux approches britanniques étaient réellement différentes. Rolls-Royce travaillait par ajustements, des monteurs qualifiés sélectionnant et appariant les pièces ; Ford, chargé de construire le même moteur, commence par redessiner l'intégralité des plans avec des tolérances plus serrées, afin que n'importe quelle pièce aille sur n'importe quel moteur sans retouche. Les deux ont livré, et la querelle sur la bonne méthode a survécu au moteur.

La production de Hillington dépasse 400 moteurs par mois en mars 1942, avec un record de 100 moteurs terminés en une seule journée. Une grande part de cette main-d'œuvre était féminine, recrutée et formée à partir de 1940, et l'usine de Glasgow est devenue l'une des illustrations classiques de la production de guerre britannique. La fabrication se poursuit après la guerre pour les versions civiles et de transport, et cesse en 1950.

En 1940, la capacité britannique est le facteur limitant, et la réponse consiste à construire le Merlin aux États-Unis. Rolls-Royce et la Packard Motor Car Company concluent un accord en septembre 1940, adossé à une commande d'environ 130 millions de dollars, et le premier moteur construit par Packard tourne en août 1941. Les Merlin américains portent la désignation V-1650 dans le service américain et poursuivent la numérotation Rolls-Royce à partir du 28 dans le service britannique.

Packard ne s'est pas contenté de copier les plans. L'entreprise réétudie le moteur pour une production de masse par une main-d'œuvre n'ayant jamais construit de moteur d'aviation : normalisation des tolérances afin que les pièces soient interchangeables sans ajustage, passage aux filetages américains, et remplacement du régule cuivre-plomb britannique par un alliage argent-plomb à revêtement d'indium. Le résultat est un moteur rapide à construire et réparable partout, et Rolls-Royce reprend en retour plusieurs de ces modifications.

La première version, le V-1650-1 ou Merlin 28, reprend le compresseur monoétage à deux vitesses du Merlin XX et équipe le Curtiss P-40F ainsi que des Lancaster III. Les versions les plus importantes sont les biétage V-1650-3 et V-1650-7, construits pour le Mustang.

Packard a livré 55 523 Merlin, soit environ un tiers de la production totale. Le cas est rare dans l'histoire des moteurs d'aviation : non pas une seconde source pour une conception vieillissante, mais la fabrication simultanée d'un moteur de première ligne sur un autre continent, les deux chaînes s'échangeant leurs améliorations tout au long de la guerre.

À l'été 1940, le Merlin III est le seul moteur du Fighter Command. Tous les Spitfire I et tous les Hurricane I qui livrent la bataille d'Angleterre en sont équipés, de même que le Defiant et le Battle. Ses 1 030 ch n'ont rien d'exceptionnel, le Daimler-Benz DB 601 du Bf 109E est globalement comparable, et l'écart tactique entre eux tient à des détails : injection contre carburateur à flotteur, et 100 octane contre 87.

La seconde guerre du moteur est l'offensive de bombardement. Le Merlin XX et ses équivalents construits par Ford propulsent le Halifax puis, à partir de 1942, l'Avro Lancaster, qui en emporte quatre. Le seul Lancaster a absorbé des dizaines de milliers de Merlin, et comme un bombardier vole longtemps à puissance élevée continue, ce sont les bombardiers, plus que les chasseurs, qui ont révélé les limites d'endurance du moteur et motivé les travaux sur les paliers, les soupapes et le liquide de refroidissement du milieu de la guerre.

Le de Havilland Mosquito constitue le troisième cas, et le plus exigeant. Construit en bois et désarmé, il ne dépendait que de sa vitesse : il reçoit donc les moteurs biétage dès leur apparition (Merlin 61, 72/73, 76/77) et reste plus rapide que la plupart des chasseurs monoplaces jusqu'à l'arrivée des réacteurs.

En service, le Merlin était entretenu plutôt que ménagé. Les archives d'escadrille montrent des changements de moteur traités comme du travail courant, effectués dehors par mauvais temps avec un portique et une petite équipe, ce que le groupe motopropulseur normalisé rendait possible. Voilà, plus que n'importe quel chiffre de mérite, ce à quoi un moteur produit à six chiffres doit exceller.

L'application la plus lourde de conséquences du Merlin n'est pas britannique. Le North American Mustang avait été conçu pour la RAF autour d'un Allison V-1710 à compresseur monoétage : rapide et endurant à basse altitude, inutile au-dessus de 15 000 ft environ, là où se livrait la guerre des bombardiers.

Le 30 avril 1942, Ronald Harker, pilote d'essai de Rolls-Royce, vole sur un Mustang I à Duxford et rédige un rapport soutenant que cette cellule mérite un Merlin 61. Tous les moteurs de la série 60 étaient réservés à la production des Spitfire IX, mais Harker et Ray Dorey, au centre d'essais en vol de Rolls-Royce à Hucknall, obtiennent l'accord pour un petit programme de conversion. Cinq cellules sont prises en compte et le premier Mustang X décolle de Hucknall le 13 octobre 1942.

Aux États-Unis, la même conclusion est tirée en parallèle : le XP-51B, à moteur Packard V-1650-3, vole le 30 novembre 1942. La transformation est totale. Le Mustang à Merlin conservait sa puissance aux altitudes où la mission d'escorte se déroulait réellement, en y ajoutant l'allonge exceptionnelle et la faible traînée de la cellule d'origine. À partir de la fin 1943, il peut accompagner les bombardiers de la 8e Air Force jusqu'au cœur de l'Allemagne et combattre une fois sur place, ce dont aucun autre chasseur allié n'était alors capable.

C'est la démonstration la plus nette de ce que cette encyclopédie affirme au sujet des moteurs. Rien de structurel n'a changé sur le Mustang ; un autre groupe motopropulseur a changé ce à quoi l'avion servait.

Une population de Merlin en état de marche existe encore. Le Battle of Britain Memorial Flight de la Royal Air Force met en œuvre des Spitfire, des Hurricane et le Lancaster PA474, quatre Merlin sur cette seule cellule, et les fait voler chaque année pendant une saison de présentations publiques. La Shuttleworth Collection d'Old Warden fait voler un Sea Hurricane et un Spitfire Vc, et des flottes comparables volent aux États-Unis, au Canada, en France et en Australie.

Les maintenir en vol relève d'une industrie spécialisée plutôt que du loisir. Les intervalles de révision se comptent en quelques centaines d'heures ; vilebrequins, blocs-cylindres et carters de compresseur sont des pièces à durée de vie limitée sans source de production, si bien que le stock de pièces survivantes est fini et de plus en plus refabriqué d'après les plans d'origine. Les exploitants actuels utilisent de l'essence aviation additivée plutôt que du carburant de guerre, à des pressions d'admission très inférieures aux régimes de guerre, ce qui explique en partie qu'un Merlin préservé dure bien plus longtemps qu'un Merlin opérationnel.

Les exemplaires statiques sont fréquents dans les musées, et plusieurs sont conservés en état de fonctionnement sur remorque ou bâti d'essai afin que le public puisse en entendre un en charge. C'est la forme honnête de la préservation pour un moteur : une cellule se comprend sur une photographie, mais un Merlin, il faut le démarrer.

Le Merlin n'a survécu que de quelques années à la guerre, et c'est le réacteur qui l'a achevé, non un défaut de conception. L'attention de Rolls-Royce s'était déjà déplacée : l'entreprise qui construisait le Merlin construisait aussi le Welland et le Nene, et les dernières versions du Merlin étaient certifiées pendant qu'on dessinait les avions de ligne à turbines.

Sa carrière d'après-guerre est civile et militaire de transport. Les séries 500, 600 et 700 sont construites pour l'aviation commerciale et le transport militaire : l'Avro Lancastrian et l'Avro York, l'Avro Tudor, et le Canadair North Star, dont les échappements non silencieux ont fait l'un des avions de ligne les plus bruyants jamais mis en service. Des Merlin ont aussi propulsé des types étrangers reconstruits, notamment l'Hispano Aviación HA-1112 qui a fourni au cinéma d'après-guerre ses Bf 109, et le CASA 2.111 dérivé du Heinkel He 111.

La production s'arrête en 1950. Ce qui a survécu tient moins au moteur qu'à la méthode : une conception sur fonds propres portée au double de sa puissance initiale à cylindrée constante, en s'attaquant à l'admission et au carburant plutôt qu'à la taille, et un programme industriel qui a prouvé qu'un moteur de précision pouvait être produit à six chiffres sur deux continents à la fois.

La postérité culturelle est réelle également. Le son du Merlin fait partie du petit nombre de bruits mécaniques qu'un public non spécialiste reconnaît sans qu'on le lui dise : c'est pourquoi presque tout meeting aérien qui en possède un le fait tourner, et pourquoi les musées qui en détiennent un le maintiennent en état de démarrer.