Le terme de vapeur vive désigne des modèles réduits de loisir ou d'étude, animés par une machine à vapeur. Il s'agit le plus souvent de modèles réduits de locomotives à vapeur, de bateaux à vapeur ou de locomobiles. « Vapeur vive » désignant aussi la vapeur produite sous pression, non encore utilisée pour produire un effort mécanique. La vapeur utilisée alors s'appelle la « vapeur détendue ».
Fonctionnement général
Mécanique
Le fonctionnement d'une machine à vapeur vive modèle est proche de celui d'une machine réelle. Les composants mécaniques sont parfois sur-dimensionnés par rapport à l'échelle du modèle, afin de permettre un meilleur fonctionnement, un meilleur entretien, une meilleure utilisation. Pour un petit modèle, la simplicité de fabrication des composants prime le rendement. On trouve comme modèles pour débuter, des machines monocylindre qui nécessitent une aide pour démarrer.
Alimentation en énergie
La vapeur est produite à partir d'eau et d'une source de chaleur qui peut varier suivant l'échelle choisie. Dans le cas des petites échellesJusqu'au 1:22,5 pour les trains., on utilise comme carburant des liquides (alcool à brûler, éthanol...), du butane, ou de l'électricité (résistance chauffante qui chauffe directement l'eau). Pour les échelles plus importantes, on utilise des combustibles utilisés sur des modèles réels, comme le charbon, le gazole, l'essence ou le gaz propane.
Commandes
Les commandes de machines à vapeur vive sont multiples : À pied d'œuvre : la machine est commandée directement par le chauffeur. Ce type de commande est possible sur une machine fixe, ou sur une machine mobile que le chauffeur peut suivre (à pied, assis dessus, rayon d'action réduit...). À distance : la machine est pilotée à distance, du fait de sa mobilité et de sa taille trop peu importante pour embarquer le chauffeur. Par télécommande, où un système de servomoteurs actionne les différentes commandes de la machine. Par la commande transmise via un fil, ou par la voie dans le cas des trains.
Histoire
La vapeur vive est née avec la locomotive à vapeur. Les premiers modèles réalisés furent des modèles d'étude pour les ateliers et les écoles d'ajusteurs.
En France, de 1880 aux années 1930, la maison Radiguet et Massiot fabrique des jouets à vapeur viveMachines à Vapeur-Editions SAKER, page 94. Dans les années 1950, on trouve des machines à vapeur de la marque JC (Jean Comby) commercialisées avec les bateaux à vapeur NOVA.
Avant l'apparition du moteur à combustion interne, on trouve quelques réalisations d'avions à vapeur FLYING STEAM ENGINES, sur le site flysteam.co.uk.
Il y eut des réseaux ferroviaires dès 1894 dans des jardins publics aux États-Unis (Cagney) et en 1904 (Miniature Railways Ltd) en Angleterre pour amuser le publicréférences historiques 7"1/4 Gauge society Ltd. En 1927, le Romney Hythe and Dymchurch"Romney Hythe and Dymchurch", réseau ferroviaire en 15"() d'écartement est fondé. Il se situe dans le Sud de l'Angleterre dans le Kent, non loin de Douvres et fonctionne encore de nos jours. Walt Disney a construit le Carolwood Pacific Railroad en 1950.
Dans le modélisme naval, à la fin des années 1930, il est à noter l'influence de Gem Suzor (président du Model Yacht Club de Paris), qui réalisait des bateaux à vapeur à vaporisation instantanéeBateaux à vapeur à vaporisation instantanée.
Il existe de nombreux fournisseurs de plans, fonderies et modèles en Europe, et quelques artisans en France.
Revues En Angleterre, on trouve une des plus anciennes revues sur le sujet, fondée en 1898, Model Engineer magazine. En France, des revues spécialisées sur la vapeur vive sont créées dans les années 1970, Mécanique et Modèles, Mini Ingénieur Vaporiste et en 1977 la revue l'Escarbille publiée par la Confrérie des Amateurs de Vapeur<ref>http://www.cav-escarbille.com/index.htm</ Confrérie des Amateurs de Vapeur</ref>.
On retrouve aussi des informations sur de belles réalisations dans des revues spécialisées sur le modélisme naval.
Utilisation
Le passe-temps de la vapeur vive est particulièrement populaire au Royaume-Uni, aux États-Unis et en Australie. L'utilisation majoritaire de la vapeur vive est faite pour l'extérieur. Les matériels sont très majoritairement fabriquées par leurs propriétaires, bien qu'il existe une production industrielle pour les plus petites échelles, le modélisme naval et les jouets techniques (marques Wilesco, Mamod...).
Trains Pour le train de jardin à vapeur vive, la notation des échelles est traditionnellement en mesures anglo-saxonnes, du fait de l'origine de la pratique de la vapeur vive ferroviaire : on compte le nombre de pouces à l'échelle par pied réel. Les échelles les plus courantes sont : I (1:32)Normalisée par le MOROP et la NMRA, II (1:22,5), 1/2" (1:24), 3/4" (1:16), 1" (1:12), 1-1/2" (1:8), 2-1/2" (~1:5) et 3" (1:4). À partir du 3/4" (1:16), les modèles réduits sont assez volumineux et puissants pour tracter une masse importante, à commencer par le chauffeur.
Les principaux écartements rencontrés sont : . L'échelle réelle de réduction est obtenue en divisant l'écartement des rails du modèle réel reproduit par l'écartement du modèle en réduction. Pour des raisons de compatibilité des matériels et des réseaux de modèles réduits, l'écartement des rails est normalisé7"1/4 gauge societyInformations disponibles auprès de la Confrérie des Amateurs de Vapeur.
Il existe cependant des modèles réduits de trains à de petites échelles, à l'échelle 0 (1:48 aux États-Unis), ou à l'échelle 00Présentation sur le site du fabricant Hornby de la locomotive Mallard à l'échelle 00 (1:76) fonctionnant à la vapeur vive. (1:76 en Grande-Bretagne), mais qui restent rares.
Les types de générateurs de vapeur (chaudière) sont principalement de type «tube à fumée» (voir Chaudière. Les moteurs utilisés sont de tous types, à simple ou double expansion pour les plus complexes.
Bateaux Pour le modélisme naval, le combustible utilisé est généralement le gaz propane ou butane. Les modèles évolués sont équipés d'un régulateur automatique du brûleur en fonction de la pression de la chaudière ainsi que d'un circuit d'alimentation en eau commandé par servomoteur (Bypass) et à distance.
Les types de générateurs de vapeur (chaudières) sont de type tube à fumée, à eau et à vaporisation instantanée.
Le modèle le plus simple, qui est aussi un jouet, est surnommé le « POP POP ».
Les moteurs utilisés sont de tous types, à simple, double ou triple expansion ou turbines à vapeur.
À noter qu'avant les années 1940, avant l'apparition des moteurs à combustion interne assez puissants, il existait des compétitions de bateaux à vapeur
Machines agricoles et routières Ce sont des reproductions fidèles ou non des machines utilisées dans les fermes agricoles (locomobile), chantiers de construction, fêtes foraines, etc. avant l'apparition du moteur à combustion thermique.
Il existe aussi des reproductions de camions à vapeur et d'automobiles.
Les types de chaudières sont de type tube à fumée principalement.
Types de machines Le générateur de vapeur Sur les modèles les plus simples, le rendement global n’étant pas une préoccupation, on ne produit que de la vapeur saturée sans surchauffe. Les chaudières sont très simples et ne comportent généralement qu’un tube foyer, sans tubes de retour ni économiseur.
Sur les modèles plus complexes, les chaudières sont de type tube à fumée (usage ferroviaire) ou tube à eau (usage marin), il existe aussi des générateurs à vaporisation instantanés, système presque abandonné de nos jours car assez délicat à mettre au point, malgré son avantage poids/puissance (usage marin ou aéronautique).
Les modèles les plus évolués (locomotives compound) sont équipés de tubes de surchauffe plongés dans les gaz de combustion, voire directement dans le foyer, la température de la vapeur étant plus élevée, une huile dite de surchauffe (d'un grade SAE 800-1000) doit être utilisée pour la lubrification du moteur.
Le générateur de vapeur (chaudière) doit comporter obligatoirement des organes de sécurité suivant : un niveau d'eau permettant de contrôler la quantité d'eau dans le générateur. une soupape de sécurité permettant de limiter la pression dans le générateur. accessoirement un manomètre.
Le générateur de vapeur est dimensionné pour délivrer un débit de vapeur suffisant à l'alimentation du moteur et les autres équipements, il permet si possible un nettoyage aisé. La vaporisation de l'eau impose des dimensions minimales des générateurs (cf. études de Clément Ader sur la miniaturisation des générateurs de vapeur) afin que l'eau puisse rester au contact des plaques du générateur sans être remplacée par la vapeur (effet de cavitation néfaste). C'est pour ces raisons que les dimensions du modèle réduit ne sont pas parfaitement identiques au modèle reproduit.
Pour la vaporisation instantanée, le même principe que le générateur Serpollet est utilisé, la régulation est faite par l'introduction d'eau.
Les moteurs
Les machines monocylindre Ces machines peuvent nécessiter une aide pour démarrer si le piston est sur un de ses points morts. Les machines monocylindres peuvent généralement fonctionner dans les deux sens sans dispositif particulier, en les poussant simplement dans le sens désiré.
Les machines bicylindres Les machines bicylindres simple expansion ont des embiellages décalés de 90° pour permettre un démarrage en toutes positions. Les machines bicylindre compound (double expansion) sont généralement utilisées pour des applications marines. Il existe des reproductions de moteur tri-compound (triple expansion).
Les machines à cylindre(s) oscillants L’ensemble piston/cylindre est monté sur pivot et fonctionne comme un système à bielle de longueur variable. La rotation du cylindre par rapport à sa plaque support assure la distribution de la vapeur par ouverture ou fermeture de lumières. Ce système est le plus simple qui existe pour les machines à vapeur, mais n’est pas représentatif des modèles grandeur réelle. Il s’utilise parfois dans des machines où les cylindres sont cachés, comme en produit par exemple la société allemande Regner dans sa série Easy line.
Les turbines Rare dans le monde du modélisme, elles sont de conception assez simple, à un seul étage, le nombre de buses d'alimentation de la turbine est variable.
La distribution de la vapeur Afin notamment d’améliorer le fonctionnement aux diverses allures et d’assurer une inversion de marche aisée, des systèmes complexes de distribution à bielles ont été développés pour les machines grandeur, le plus utilisé étant la Distribution Walschaerts. On trouve aussi parfois une distribution de type Stephenson. Ces systèmes étant complexes, sur les modèles de base on trouve souvent des distributions simples dites à excentrique. Dans ce cas, l’inversion de sens de marche, si elle existe, est faite en inversant la distribution de vapeur à l’aide d’une vanne à quatre voies.
Le condenseur Utilisé principalement sur les modèles de bateaux, il permet de récupérer l'eau afin d'augmenter l'autonomie. Un bon condenseur permet en outre de gagner de la puissance en créant du vide à la sortie du moteur (gain en pression).
Matériaux de fonctionnement Le combustible On a longtemps utilisé des combustibles liquides, principalement de l'alcool dénaturé qu’on faisait simplement brûler sous la chaudière, qui ne comporte pas alors de chambre de combustion ou foyer. À la suite de divers accidents (renversement du réservoir), ce système a parfois été remplacé par des capsules comportant un combustible gélifié (alcool solidifié, type allume-barbecue solide). L'usage de l'essence est maintenant totalement abandonné, son usage comporte des risques d'explosion et d'incendie en cas de renversement.