36th AMERICA’S CUP en 2021: Pilotage des foilers

Dans les précédents articles, les études ont porté dans un premier temps sur la réalité de la navigation d’un Foiler et la découverte de l’AC75 avec principalement le passage de la configuration Archimédienne à la configuration Foiler pour analyser par la suite les paramètres de vol de l’AC 75 Néo-Zélandais.

A la suite de quoi nous avons passé au crible la flotte composée d’un Defender et de trois Challengers. La première confrontation sur l’eau étant lors de l’America’s Cup World Series qui se disputera à Cagliari durant quatre jours en Avril 2020.

Nous allons maintenant vous proposer dans ce nouvel article, écrit par Jean Sans, Expert Maritime et Robert Lainé, ancien Directeur Technique d’Airbus, deux analyses sur les Foilers :

       I –  L’homme confronté à la technique du pilotage des Foilers (Jean SANS  18/03/2020)

       II –  Méthodologie de développement du pilote automatique d’un voilier type « Foiler » (Robert LAINÉ 18/03/2020)

 

I – L’HOMME confronté à la TECHNIQUE de LE PILOTAGE des FOILERS (J. SANS)

1-         Préambule

Sur un « bon vieux » voilier Archimédien, même à pleine vitesse sur des surfs sous spinnaker asymétrique par 35 nœuds, il suffit de 3 cerveaux : Le barreur, l’équipier à la Grand-Voile et celui qui est à l’écoute de spinnaker.

Le barreur ressent son bateau sous ses pieds (ou sous son cul, s’il est assis) et au toucher de barre (molle, dure, neutre…)

Les deux équipiers perçoivent la vitesse, lisent les pennons, le refus du bord d’attaque du spinnaker… autant d’informations visuelles, physique qui sont automatiquement traduites en réaction : angle de barre, choquer, border etc.

Sur un petit bateau, le reste de l’équipage peut contribuer à conserver une gîte qui limite la dissymétrie de la carène.

Mais dans tout cela, point de connexion électronique, juste un sens marin très développé.

Et si une faute est commise, généralement une anticipation avec un peu en retard, il est souvent possible de la réparer. Il peut aussi arriver que la récupération soit impossible.

 

 

 

 

 

 

 

 

En fait en Archimédien, le temps disponible entre la perception, la décision et l’action est suffisamment grand pour que le système fonctionne. La vitesse du bateau, qui reste raisonnable, bien que 16, 20 nœuds paraissent la quintessence, contribue à rendre le pilotage possible par l’homme.

Les pilotes automatiques, de plus en plus sophistiqués s’en sortent pas mal, dans le sens où ils assurent la poursuite fiable d’un cap.

En fait il faut dissocier deux choses lorsque l’on suit une route (un cap). Il y a l’objectif final : le cap à suivre pendant « x heures » et la performance du bateau à l’instant « t ».

Si le pilote convient très bien pour l’objectif « Cap », on sait que le barreur est bien meilleur pour obtenir la quintessence de son bateau à chaque longueur parcourue. Ce sont que des dixièmes de nœuds mais c’est important en régate.

Le pilotage d’un voilier Archimédien est plus facilement contrôlable (homme et/ou machine[1]) parce que le bateau évolue en deux dimensions et que sa forme en tant que modèle hydrodynamique lui fournit une stabilité de route plus facilement contrôlable.

Avec un Foiler, on change de monde et surtout d’environnement, puisque le « bateau » quitte l’environnement Archimédien pour entrer dans un environnement totalement discontinu.

Pour un Foiler, on se base beaucoup sur le Vol des avions.

[1] Par le mot « machine », il faut comprendre : pilote automatique, des capteurs électroniques, etc.

En théorie, les équations de vol sont identiques pour un avion comme pour un Foiler, avec toutefois une différence majeure qui se trouve être le milieu dans lequel l’élément sustentateur évolue.

Les ailes de l’avion se trouvent en permanence dans un milieu continu (l’air : 1.025 kg/m3), les foils du Foiler rencontrent un fluide totalement discontinu qui passe de l’eau homogène à de l’eau contenant des bulles d’air et même au remplacement de l’eau par l’air, ce qui perturbe l’écoulement et la portance du profil du foil.

Le ratio de 1000 entre l’air 1.025kg/m3 et l’eau 1025 kg/m3 constitue un « obstacle » incontrôlable à 100%.

Ensuite le Foiler introduit une dimension complémentaire : l’altitude de vol. On passe en évolution 3D, c’est-à-dire que l’on se trouve obligé de contrôler 6 degrés de liberté (3 translations et 3 rotations) alors qu’en mode Archimédien (2D) on ne gère que 4 degrés de liberté (2 translations et 2 rotations).

Certes en Archimédien le bateau « monte et descend », mais il le fait « au gré de l’état de la mer », ce qui est incontrôlable.

En réalité en 3D, seul les contrôles directs des 3 rotations (Tangage, Roulis, Lacet) et de la translation verticale (Altitude de vol) sont nécessaires. En effet la translation latérale correspond à la dérive qui est incontrôlable et la translation longitudinale relève de la vitesse et du cap à suivre.

Le mode « Vol », possède un corolaire qui est de conserver une altitude la plus constante possible.

Cette stabilité en altitude repose sur la portance des ailes (foils).

Cette portance dépend de deux paramètres :

  • La vitesse dans le fluide (eau pour un foil)
  • La portance du profil des foils, cette dernière s’écroulant brutalement dès que l’angle d’incidence du foil flirte avec le 12 ou 15°.

Ajoutons que deux phénomènes parasites : la ventilation et la cavitation peuvent instantanément réduire la portance à « zéro », pour peu que les conditions physiques soient réunies.

Cet écroulement instantané de la portance est lié au fait que les Foils évoluent dans un milieu discontinu.

2-         L’Homme ou la Machine

L’homme est-il capable de piloter un Foiler ?

Ce qui est certain et admis, c’est que le pilotage « manuel » ne peut plus se faire sans assistance technique (efforts nécessaires pour la manœuvre des appendices, des voiles, etc.).

Ce qui est aussi certain, c’est que plus la vitesse est importante, plus le temps de pilotage durant lequel l’attention du pilote (mais aussi de l’équipage) est maximale est court.

Ce qui est aussi vrai, c’est que piloter un Foiler ne sera pas ouvert à tout le monde.

Pour prendre un exemple plus courant : Piloter un Foiler revient à conduire à grande vitesse sur une route verglacée ou l’anticipation en termes de pilotage représente la clef de la trajectoire de la voiture.

Un retard décisionnel de 0.1 (ou même moins) seconde suffit pour toucher la barrière de sécurité !

Le pilotage d’un Foiler est un enchainement de séquences :

Manœuvre d’empannage sur la route à suivre : la vitesse du vent apparent chute, de fait la vitesse du Foiler chute aussi, donc la portance du foil diminue et l’altitude de vol décroit.

Réaction, le pilote (ou l’équipage) augmente la cambrure du profil du foil (avec le Flap) ou l’incidence du foil, la portance revient, le Foiler reprend de l’altitude MAIS l’empannage termine sa transition, le nouveau cap redonne du vent apparent ET comme la cambrure (ou l’incidence) est élevée, la portance du foil « explose » (carré de la vitesse), le Foiler est subitement sustenté… comme simultanément l’assiette a été contrôlé avec le PHR… ce dernier sort de l’eau et le bateau plonge dans la mer… se bloque irrémédiablement.

L’enchainement des évènements tel qu’ils sont présentés ci-dessus, parait confus, mais c’est volontaire, afin de montrer que toutes ces manœuvres et décisions se déroulent en moins de 2 secondes… durant ce laps de temps, le cerveau doit identifier, quantifier, hiérarchiser des informations de très faibles intensités (accélérations en 3D, angles, etc.), les interpréter et décider des opérations à réaliser immédiatement en les ajustant en permanence à la configuration du moment (boucle fermé).

Les dernières vidéos de AMERICAN MAGIC ou de INEOS (ci-dessous)

A priori en régate, remplacer l’homme par la machine parait aberrant, car autant faire des régates avec Virtual Skipper. Pourtant la complexité du Foiler amènera à accepter cette aide.

En fait, toute cette analyse met en évidence que bien que l’Homme ne soit pas intrinsèquement le point faible des « sorties de route », elle montre simplement que dans le temps impartit par la vitesse de l’engin, il est impossible à l’Homme de gérer les décisions et manœuvres appropriées. Non pas qu’il ne sache pas comment faire, mais ses moyens sensoriels ne lui permettent pas de dominer la situation.

Par exemple, le cerveau humain perçoit très mal les accélérations dans un plan horizontal. L’important n’est pas la perception de la vitesse par elle-même, mais la perception de l’instant ou le Foiler commence son accélération (ou sa décélération). Cette perception de l’accélération, sera l’origine d’une série d’action à engager afin que les équations de vol à venir restent opérantes.

Si le pilote ne perçoit pas ou alors identifie cette accélération avec un très léger temps de retard, les actions mise en œuvre ne s’opposeront pas à une sortie de route.

Mais identifier l’accélération ne suffit pas, encore faut-il que son identification corresponde ou s’intègre dans une manœuvre structurée, qui correspond à des équilibres en vol à venir dans les secondes qui suivent.

Ce qui sous-entend l’existence d’un domaine de vol prédéfini lié à cette manœuvre.

A cet instant la « Machine » intervient.

 

3-         Le Pilotage d’un Foiler

Avant de parler de pilotage il faut préciser ce que l’on entend par « pilotage ».

Il y a trois modes possibles de pilotage :

  • Le pilotage manuel assuré par un barreur et des équipiers. Ce type de pilotage concerne l’instant « t », il optimise les performances du bateau en fonction du vent à l’instant et de l’état de la mer rencontré et en maintenant une altitude et une assiette de vol correcte. Le cap à suivre est sous-jacent dans le sens ou il reste l’objectif global. Cela signifie que le cap à un instant peut être différents du « cap objectif ». Ce type de pilotage convient pour certaines utilisations de Foilers et reste limité à des bateaux de petites dimensions.

 

  • Le pilotage manuel assisté. Il faut entendre par « assisté » une assistance intellectuelle, c’est-à-dire une aide à l’analyse, à la décision et à l’action.

Les ordres donnés par le pilote vers les actionneurs des appendices transitent par un calculateur qui impose ses propres actions permettant d’assurer le contrôle de la plateforme (voir organigramme en page suivante). On parle de « Boucle Court Terme ».

La « Boucle Court Terme » génère un pilotage fin, longueur après longueur de bateau.

L’assistance fournie peut être graduée en fonction des prescriptions sportives.

 

Le pilotage automatique assure la gestion du Cap[1] imposé ET le vol à une altitude choisie la plus constante possible, sans pour autant optimiser les performances du bateau. On parle alors de « Boucle Long Terme ».

 

3-1             Le pilotage Manuel assisté

Actuellement les Foilers sont plus ou moins équipés de systèmes d’assistance au pilotage.

Dans le domaine de l’assistance continue (asservissement du Foil central), le plus abouti est le Moth. Mais la technique utilisée sur ce monocoque Foiler n’est pas transposable sur un Foiler offshore, ou même sur un AC75 à cause de l’effet d’échelle.

En effet sur un Moth le skipper pèse plus lourd que le bateau, il peut donc jouer le rôle d’un funambule pour maintenir le centrage du poids idéal et ajuster manuellement avec le Plan Horizontal Arrière.

L’idée est donc de concevoir une sorte de « shadow » système qui agit entre les ordres du pilote et les informations fournies par les capteurs vers les commandes des actionneurs des appendices afin d’arriver à obtenir l’objectif souhaité.

Il faut comprendre que ce système ne pilote pas le bateau (au sens de cap global à suivre), mais assiste le skipper dans ses décisions sur tous ces courts moments qui se suivent et se répètent d’ailleurs à l’infini pour maintenir le Foiler en Vol (réglage des voiles, réglage des flaps, réglage du PHR).

Ce système devient un « directeur de vol ».

Il est indépendant de la trajectoire générale (par exemple le cap pour aboutir à un waypoint distant de 50 ou 200 milles). Sa fonction est, si on simplifie, de maintenir le Foiler au-dessus de l’eau à une altitude la plus constante possible.

 

Il devra gérer :

  1. Des éléments mécaniques qui contrôlent la Micro-Trajectoire[2] (évolution en 3D)
  2. La puissance du « Moteur » : vitesse du Foiler (soit la vitesse du fluide qui passe autour des Foils).
  3. Le Lift des foils : la portance disponible.

Ces 3 paramètres possèdent chacun des arborescences, liées entre elles par des « ponts ».

C’est cette osmose qui rend le « directeur de vol » très complexe.

 

Dans la pratique que devient la relation entre le pilote et le « Directeur de Vol » ?

Le directeur de vol assiste le pilote dans sa tâche de pilotage en mode manuel assisté.

Ainsi, lorsque le pilote lance sur une route définie (cap), une manœuvre et/ou une modification de trajectoire à un instant « t », il n’agit pas directement sur ces actionneurs (flaps, vérins, etc.) mais il fournit au « directeur de vol » une intention qui peut être : un cabré, un piqué, une modification très temporaire de la route, une modification de puissance, etc.

Cette intention est analysée par le « directeur de vol », comparée aux domaines possibles de vol du Foiler, aux conditions extérieures de l’instant, aux paramètres instantanés de vol du Foiler. A l’issue de l’analyse, les informations sont envoyées aux appendices, au contrôle de la puissance.

Le système est tel que les résultats sont comparés en permanence aux consignes à atteindre (boucle fermée) et tout cela s’enchaine, s’adapte au fur et à mesure que le Foiler se déplace en 3D (Vol).

Il me semble clair que très rapidement les Foilers seront pilotés activement par des processeurs. Pour le moment c’est pratiquement interdit par les règles de course et de classe, mais vu le gain de vitesse et surtout de sécurité à attendre de l’automatisation du pilotage des Foilers, ce n’est qu’une question de temps avant que ces barrières tombent.

L’Ultim « Edmond de Rothschild » s’est déjà affranchi des règles de la classe Ultime, d’autres suivront. Coté America Cup (AC), ce type de pilotage assisté est interdit en course, mais il a été utilisé pour mettre au point les algorithmes de pilotage et entraîner les équipages à essayer de faire aussi bien que le processeur !

Comment le pilote agit ?

On peut imaginer de multiples systèmes.

En aéronautique on demande au pilote de suivre l’imagerie renvoyée sur un écran en agissant sur le « manche ».

Un exemple d’écran de contrôle « aviation »

Cela parait simple, la réalité est quand même plus complexe car le paramètre puissance (c’est-à-dire la vitesse) disponible est très difficile à maitriser. Il n’y a pas de manette de gaz sur un voilier.

En effet, la force propulsive vélique découle de la projection sur la trajectoire du Foiler, du vecteur portance vélique des voiles.

Ce vecteur propulsif est potentiellement moins important que la portance aérodynamique de la voile qui dans le cas d’un Foiler travaille en régime laminaire.

Cela rend le Foiler sous motorisé, malgré une surface de voile importante. Une grande partie de le portance aérodynamique est « convertie » en dérive (d’où le risque de chavirage).

 

3-2       Le pilotage en mode « pilote automatique (PA) »

En mode pilotage automatique, le skipper passe théoriquement intégralement la main à la « machine ».

Le skipper fixe trois paramètres :

  • Le Cap
  • La Vitesse
  • L’altitude vol

 

En pratique fixer le Cap et le tenir ne pose pas de problème. Les Pilotes Automatiques existants réalisent très bien cette fonction.

C’est beaucoup plus compliqué pour que le pilote automatique respecte la Vitesse et l’Altitude de Vol.

Avec ces deux paramètres étroitement liés, la nature même du Foiler apparait en vraie grandeur.

En mode Foiler, l’Altitude de Vol, c’est-à-dire l’âme même du Foiler, est intrinsèquement liée à la vitesse. Certes on peut compenser une baisse de vitesse momentanée par une augmentation du cambrage du foil (Flap) ou si cela est techniquement possible par une augmentation de l’incidence du Foil.

Mais cette adaptation est très limitée, car à trop en faire, on risque le décrochage.

La deuxième solution serait d’accélérer pour retrouver plus de portance, mais un système vélique n’a pas vraiment de réserve de puissance disponible qui plus est, instantanément.

De plus les Foilers naviguant avec un vent apparent supérieur au vent réel, un déséquilibre des deux vecteurs, vent vitesse et vent réel, impose une adaptation immédiate du réglage des voiles, ce qui est compliqué, même si les Foilers évoluent pratiquement en permanence en régime laminaire.

En fait autant, le réglage des Flaps ou même directement de l’incidence des foils ou du PHR peuvent être asservis, donc intégré dans un soft qui gère le vol, autant, en mode PA, le réglage (et l’adaptation) de la vitesse parait très difficile, voire impossible à réaliser.

Un ordre de grandeur :

Une baisse de vitesse de 25 à 24 nœuds soit 4%, produit une chute de la portance (à incidence égale) de 7.8%.

 

3-3       L’acquisition des données nécessaires au « Vol »

Il y a deux familles de données :

  • Les données internes au Foiler
  • Les données relatives à l’environnement.

Les données internes :

Ce sont celles qui sont collectées à partir des capteurs installés sur les appendices, les équipements, les structures.

Les données externes :

Pour certaines données l’acquisition ne pose pas de problèmes :

  • Les données GPS
  • Le cap
  • L’anémomètre, la girouette
  • Le speedomètre (pour le régime archimédien)
  • Les accélérations dans les 3 axes (accélérations linéaires et en rotations)
  • Les assiettes (TRIM) longitudinale et transversale

 

Pour d’autres cela peut devenir très compliqué

  • L’altitude de vol est très difficile à quantifier car la plateforme n’est pas toujours horizontale et aussi parce que la surface de l’eau est loin d’être un plan.
  • L’état de la mer devant « l’étrave ». Des systèmes embarqués de reconnaissances et de quantifications des formes du plan d’eau (situé devant le Foiler) par caméra numérique ou balayage laser existent.

Ces technologies embarquées sont souvent encore à l’état de prototypes, mais demandent des moyens techniques à la fois hors de prix et/ou énergivore.

Il est évident qu’une bonne connaissance du terrain dans lequel le Foiler évoluera dans une ou deux secondes est indispensable. A 30 nœuds un Foilers parcourt 15,4 m à la seconde, cela suppose une très grande réactivité du système de détection et d’analyse.

Seul les Foilers motorisés peuvent passer en force, un Foiler vélique est handicapé par sa sous- motorisation (le vecteur portance des voiles n’est dans la sens de la trajectoire) et aussi par le manque de réactivité des voiles et des systèmes mécaniques (et humain ?) qui règlent les différentes voiles.

 

4-         Conclusion

Le pilotage d’un Foiler parait être étroitement lié aux capacités neuronales du pilote (et de l’équipage).

En effet le nombre d’informations à ordonner, à traiter ainsi que les décisions à prendre, en un temps hyper court, parait dépasser les capacités du cerveau humain.

Il faut noter que l’élément qui parait rendre inopérant les résultats des décisions prises par le pilote, est uniquement temporel.

Certaines personnes possèdent des capacités neuronales plus développées que d’autres, comme c’est le cas pour les capacités physiques. Mais il est certain que c’est la vitesse et l’afflux de données à traiter qui sature les « capacités du cerveau ».

Les neurosciences peuvent-elles nous aider à développer nos capacités cérébrales, voire à en créer de nouvelles et combler ce déficit décisionnel ?

On lit des communications scientifiques qui évoquent des recherches de techniques biomédicales regroupées sous le terme de « neuro-amélioration ». Surprenant, est-ce une nouvelle forme de dopage ?

Cela me rappelle une lecture de jeunesse, « Le meilleur des mondes » d’Aldous HUXLEY ou l’auteur, en évoquant les « bébés éprouvettes » recommandait, pour la formation des pilotes d’avion de combat, de retourner tous les jours l’éprouvette afin de les habituer à avoir la tête en bas…

Par Jean Sans.

 

II – Méthodologie de développement du pilote automatique d’un voilier type « Foiler » (R. LAINÉ)

Une fois posée la problématique du pilotage automatique d’un Foiler, il faut aborder la question suivante : comment développer efficacement le pilote automatique ?

1-     Les bases du pilotage d’un Foiler

1.1   Cas d’étude simple

Prenons comme cas d’étude, un Foiler équipé de 4 foils porteurs (2 foils dans l’axe essentiellement pour pouvoir tenir l’assiette longitudinale et l’altitude et 1 foil de chaque côté pour contrer la force aérodynamique de la voilure et assurer la stabilité latérale).

Le foil arrière fera aussi office de safran, bien que ceci puisse aussi être assuré par le foil avant et même partiellement par les foils latéraux.

Ce type de plateforme est plus stable que celle des AC75, et étant plus stable elle sera plus « facile » à piloter.

Pour simplifier la propulsion sera assurée par une aile unique, dont la portance (réglage de l’incidence) sera régulée par rotation autour de l’axe vertical.

Pour maintenir l’équilibre stable en vol il faut deux conditions :

  • Que la somme vectorielle des forces qui interagisse sur le Foiler soit nulle.
  • Que la somme des moments de chacune des forces (ci-dessus) par rapport à un point quelconque soit aussi nulle.

Les forces sont celles générés par les foils, la voile, la gravité qui s’exerce sur la masse totale du Foiler.

Si ces deux équilibres sont rompus, le Foiler va : ou accélérer, ou ralentir, ou monter, ou descendre, ou tourner, ou chavirer etc. En fait, le déséquilibre (la variation d’une seule force suffit pour causer ce déséquilibre) va amener le Foiler à se mouvoir selon un ou plusieurs des 6 degrés de liberté.

Il faut aussi garder à l’esprit que la vitesse du Foiler est le paramètre déterminant dans l’équilibre du vol. La raison est que la portance « hydrodynamique » d’un foil ou « aérodynamique » d’une voile varie avec le carré de la vitesse.

Passer de 10 à 12m/s augmente la portance de 44% alors que la vitesse n’augmente que de 20%.

Mais une fois l’équilibre du Foiler atteint à l’instant « t », il faut l’adapter immédiatement et rapidement aux variations du vent (force et direction) comme aux conditions de mer et implicitement aux conditions de portance et cela à l’instant suivant « t’ » (t’= t + ε).

En effet si aucune action n’est lancée dès que le Foiler rencontre une vague, il va buter dedans, donc ralentir et obligatoirement retomber brutalement derrière la vague.

Comme il est impossible de maîtriser les fluctuations du vent et les vagues, il ne reste comment variable d’ajustement que l’incidence de la voile par rapport au vent afin de maintenir la vitesse (qui assure la portance), et l’incidence des foils pour maintenir le Foiler hors de l’eau.

Ces multiples réglages en permanence interconnectés, devront être continuels et d’autant plus rapide que la vitesse du Foiler sera élevée.

 

         1.2     Quelques ordres de grandeur

Chiffrage de l’ordre de grandeur des variations de portance nécessaires afin de suivre la surface de la mer à une altitude la plus stable possible.

 

Hypothèse d’un cas théorique :

  • Houle sinusoïdale dont l’amplitude est h =1m (soit 2 m entre le haut et les creux) avec une longueur d’onde L=100m

 

  • Foiler : longueur 20m, masse 6500 kg, inertie au tangage 200 000 kg·m²

 

  • Vitesse du Foiler face à la houle : Vx=20 m/s (40 nœuds).

 

La période de houle vue par le Foiler est égale à :

T = L/Vx = 5s, ce qui correspond à une pulsation ω = 2*PI / T = 1,256 rd/s.

 

Sur la base d’un Vol à une altitude constante au-dessus de la surface de l’eau, en « épousant » la houle, le centre de gravité suivra une variation temporelle verticale de la forme :  z = h * Sinus (ω * t)

L’accélération verticale au centre de gravité est donc de la forme :  γz = -h * ω2 * Sinus (ω * t).

La valeur maximale de cette accélération sera de : h * ω2 = 1,579 m/s2 Soit γzMax= 0.16 g.

On revient maintenant à la portance effective des foils :

  • Sur eau plate, pour extraire le Foiler de l’eau, il faut produire une portance Fz = 6500 * 9,81 = 63765 N.
  • Pour « escalader » la houle il faut une portance Fzmax = 6500 * (9.81+1,579) = 74 028 N
  • Pour « descendre » la houle il faut une portance Fzmin = 6500 *(9.81-1,579) = 53 501 N

 

On remarque que dans ces conditions le pilote automatique devra changer l’incidence des foils afin d’obtenir une variation cyclique de portance totale de ± 10 263 N avec une période de 5s.

 

Toujours dans ce cadre de houle théorique, il faut s’intéresser à la rotation en tangage (autour de l’axe transversal) nécessaire pour que l’avant et l’arrière du Foiler conservent une altitude constante par rapport à la surface de l’eau.

  • La pente maximale de la houle est égale à : h * (2*PI / L) = 0.1256 radians
  • L’accélération angulaire maximale sera : w’’ = 0.1256 * ω2 = 0.198 rd/s2
  • Le couple de tangage nécessaire pour obtenir cette accélération angulaire est égal à :

C = I * w’’, ou I est le moment d’inertie du Foiler (ou quadratique) en tangage.

Cela donne : C = 39 600 N.m.

Sur ce modèle de Foiler, équipé d’un foil AV et d’un Foil AR, la distance entre foils est de 15m.

Dans cette condition de vol, la différence de portance à appliquer entre les foils AV et AR sera de 63200 / 15 = 2 640 N, différence qui devra être décalé de 1/4 de période par rapport à la houle.

On voit dans cette hypothèse relativement simple (une « bonne houle mathématique »), que le pilotage des foils porteurs AV et AR apparait déjà complexe puisqu’il faut appliquer sur ces foils AV et AR des variations alternatives d’incidence synchrones afin de faire monter et descendre le Foiler. Et ces manœuvres doivent être répétées toutes les 5 secondes (Période de la houle : T = L/Vx = 5s).

Mais tout ce calcul n’est valable que dans l’hypothèse où la vitesse reste constante pendant tout le cycle de 5s (Période de la houle).

1.3     La relation entre portance et trainée

Toute variation de la portance d’un foil est réalisée soit par changement de son angle d’incidence soit par sa cambrure, avec comme corollaire que cette modification de portance se traduit par une variation de la traînée correspondante du foil.

Le problème est que la relation entre la traînée et la portance n’est pas linéaire. Autour du point moyen de portance, la traînée varie pratiquement avec le carré de la portance.

Autrement dit : lorsque l’on demande un surcroît de portance, la traînée augmente plus qu’elle ne diminue lorsqu’on impose une réduction de portance.

Au total, si la portance varie cycliquement (nécessaire pour suivre la surface de la houle), la traînée totale sera nettement supérieure à la traînée qui correspondrait à la portance moyenne sur eau plate. Il faut donc prévoir que la voilure puise fournir la surpuissance nécessaire pour compenser la variation de traînée. Mais si on garde en permanence cette surpuissance, il y aura une survitesse dès que le Foiler rencontrera une ou deux vagues moins hautes que les précédentes. On comprend qu’il devient donc nécessaire de moduler la puissance de la voilure en fonction de la hauteur de la houle.

1.4     Voir avec un « œil » d’avance…

La problématique est la suivante : La surface de la mer n’est pas une onde sinusoïdale théorique donc la pente de cette surface va être mathématiquement imprévisible. Quelle sera la forme de la surface de la mer lorsque le Foiler escaladera la houle et franchira la crête ?

Mesurer à l’instant « t » la hauteur de vol au-dessus de l’eau à l’avant et à l’arrière, est nécessaire, mais ces paramètres ne sont utiles qu’à cet instant « t ».

Extrapoler à partir des derniers instants pour anticiper la situation à l’instant « t + 1 » revient à faire un pari très incertain dès que la mer est très agitée et encore plus au sommet de la vague qui peut présenter une discontinuité notoire.

Donc, pour assurer la stabilité de vol, la connaissance de la pente de la houle devant le bateau et de l’autre côté de la ligne de crête est indispensable afin d’anticiper la rotation en tangage nécessaire en plus de l’accélération verticale à donner pour éviter de planter le nez du Foiler dans la houle.

On comprend que toute observation prise au niveau du pont ne donnera pas d’information sur ce qui se passe de l’autre côté de la crête de la houle, il faut élever l’élément détecteur pour voir l’état réel de la mer.

Apparaît ainsi la nécessité de disposer sur le mât d’une caméra, ou d’un LIDAR (télédétection par laser) ou encore d’un radar afin de cartographier la forme de la houle que le Foiler va rencontrer à « t+ 1 », de l’autre côté de la crête.

 

BILAN :

Les actions nécessaires au pilotage en 3 dimensions nécessitent que le pilote et ses équipiers traitent et interprètent dans un espace-temps hyper court le « volume » d’informations qui vont affluer en régime continu depuis les divers capteurs.

Le temps de réponse moyen d’un humain est de 0.2s (à 40 nœuds, soit 20 m/s cela représente du déplacement de 4 m).

Les calculs présentés ci-dessus montrent que le pilotage nécessite des ajustements cycliques des réglages dont la période est de 5 secondes. Cela induira que l’humain aura un retard de phase d’au moins 15° dans chacune de ses décisions.

Force est d’en déduire que le pilotage entièrement manuel est en pratique impossible.

Mais cela sous-entend aussi que les données collectées par les capteurs soient cohérentes et surtout fiables, ce qui n’est pas évident à réaliser lorsque les capteurs sont implantés sur une plateforme très peu stable.

Par exemple, prenons cette plateforme de 20 m équipée d’un mat de 25 m, où est installé en tête de mat, une source détectrice qui vise à 75 mètres devant l’étrave (angle plongeant de 71°).

Un moment de tangage de 1°, génère à 75 mètres un « glissement » de la visée de l’ordre de 7 mètres. Et encore cette hypothèse ne prend pas en compte la déformation du mat que ce soit en dévers, en cintrage.

Il faudra que le capteur soit gyrostabilisé ou plus probablement qu’il intègre une centrale inertielle pour corriger les données des mesures.

Cela montre que la fiabilité des données reçues devra être excellente si on veut un vol stable sans incident.

 

  • Quid d’un système de pilotage ?

Les Modes de réglage des incidences

Un Foiler lorsqu’il est en vol dépend de deux paramètres :

  • La vitesse de vol (puissance vélique)
  • La portance fournit par les foils (Lift)

La vitesse de vol :

Sur un Foiler vélique, la puissance disponible peut-être modulée en ajustant l’angle d’incidence sur la voile par rapport au vent apparent.

Le pilote dispose de deux méthodes, soit agir sur le réglage de l’écoute de voile soit modifier le cap du bateau.

La première méthode demande beaucoup d’énergie et son temps de réponse est très important.

La seconde méthode en agissant sur la barre est par contre très réactive et surtout peu énergivore.

Le pilote automatique devra donc conçu sur ces deux bases :

  • Agir sur la barre pour les ajustements rapides et de faible amplitude de l’incidence de la voilure.
  • Activer des vérins ou des motorisations puissants afin de border/choquer le plan de voilure, lorsque le réglage doit être plus important.

La modulation de la portance :

Trois méthodes sont possibles :

  • Soit on agit directement sur l’orientation du foil autour d’un axe perpendiculaire au profil.

Cette rotation peut être réalisée avec un vérin, mais cela demande de l’énergie. Il aussi possible d’utiliser un système de « Trim-tab » très peu énergivore (système utilisé sur certains avions pour l’empennage arrière).

  • Soit on agit sur la forme du profil du foil. On utilise alors un volet de bord de fuite qui modifie la cambrure du foil
  • Soit on agit sur le cabrage de la plateforme. C’est plus délicat et l’amplitude de la modification de l’incidence est plus faible. En fait on utilise le plan régulateur arrière pour enfoncer ou soulever l’arrière du Foiler.

Il faut garder à l’esprit que le temps de réponse de tous ces actionneurs doit être inférieur à 0.1s afin de maîtriser le Foiler lorsqu’il est lancé à 20 m/s (40 nœuds) dans une houle raisonnable.

3-     Méthodologie de développement

On aura compris que l’enjeu majeur du pilotage automatique d’un Foiler se situe dans la variabilité de l’environnement dans lequel le Foiler évolue, c’est à dire la variabilité du vent et surtout celle de la surface de la mer.

A partir de ce constat, deux options sont envisageables pour développer un pilote automatique.

3.1   Cycle de développement classique dans le nautisme

On conçoit et calcule le bateau, sa voilure, ses foils avec les connaissances du moment ;

  • On demande à des électroniciens et informaticiens de concevoir un pilote automatique et d’évaluer la puissance nécessaire pour le rendre opérationnel.
  • On lance une campagne d’essais en mer sur le premier bateau afin d’ajuster les paramètres du pilote automatique et vérifier son comportement dans des conditions plus ou moins représentatives mais en préservant le matériel.
  • En cas de désordres ou de bugs, retour à la case conception afin d’envisager une autre combinaison du trinôme : FOILS-VOILURE-PILOTE, etc. Cette opération n’est pas évidente car n’ayant que quelques cas de test, il est complexe de déduire toutes les bonnes évolutions à réaliser.
  • Au final, le meilleur réglage possible est mis en place pour différentes conditions sélectionnées, en intégrant les limites à ne pas dépasser.

Comme on n’a pas pu explorer physiquement tous les cas possibles, on peut être conservateur et rester loin des limites afin d’assurer la sécurité, ou alors être plus joueur en faisant des hypothèses sur la marge restante au-delà de ce qui a été réellement essayé.

  • Il arrive qu’à la fin le bateau soit ce que les anglo-saxons appellent un « lemon» (un « loupé »), reste alors à trouver un client pour le racheter, et concevoir le bateau suivant sur la base des leçons apprises…

3.2   Cycle de développement des systèmes complexes

Le Foiler est compris comme étant un système complexe car les interactions sont trop imbriquées pour être traitées de manière isolée, par exemple, le bateau d’un côté, ses foils d’un autre côté, idem pour la voilure, le pilote automatique et l’énergie.

  • Dans ce cas on commence par développer un simulateur numérique de l’environnement que verra le bateau. Ceci permettra de simuler tous les états possibles de la mer et du vent. Sur ce simulateur d’environnement on greffera un modèle numérique du système complexe, dans notre cas le Foiler ;
  • Ensuite on développe un modèle numérique du Foiler qui comprend bien sûr les modèles de coque, de voilure, des foils, le calculateur du pilote et ses algorithmes ainsi les vérins de réglage. Étant donné la vitesse de l’engin, il faudra porter une grande attention à ce que ce modèle numérique soit bien représentatif de la vitesse des actionneurs permettant d’ajuster les incidences sur les foils et la voilure ;
  • On mène des campagnes d’essais sur le simulateur complet (environnement + Foiler) pendant lesquelles on va explorer aussi bien les conditions normales que les conditions limites et dégradées, conditions que l’on espère ne jamais rencontrer. Tout ceci afin de déterminer en toute sécurité le comportement du Foiler, les efforts sur les points critiques et la stabilité du pilote automatique dans ces conditions extrêmes ;
  • Si ce n’est pas concluant, on retourne à la case développement du modèle numérique du Foiler pour changer coque, foils, voilure, vérins et les algorithmes du pilote, pour ensuite repartir sur une nouvelle campagne d’essais sur le simulateur. Cette boucle est répétée autant de fois que nécessaire pour trouver le design optimum, sans faire prendre de risque à un équipage, ni avoir à fabriquer coque, foils, voilure, etc ;
  • Un fois que l’on a exploré tout le domaine d’environnement, on est sûr d’avoir identifié tous les efforts induits aussi bien par l’environnement que par le pilote automatique (les changements rapides d’incidence sur les foils induisent des efforts dynamiques conséquents) et on peut passer en toute sérénité à la conception détaillée du bateau et ses appendices. On aura aussi identifié l’énergie nécessaire à tout instant pour les actionneurs, ce qui permettra d’optimiser sa génération et son stockage.
  • La fabrication du bateau et du pilote automatique se font alors sur la base de spécifications claires et validées par les essais sur simulateur. De même écrira le manuel d’utilisation qui comportera des procédures claires à suivre en mode dégradé. Un entraînement de l’équipage sur le simulateur leur donnera confiance dans les capacités du bateau.
  • Les essais à la mer porteront essentiellement sur la vérification que le Foiler réalisé se comporte bien comme prévu. On ne cherche pas à aller aux limites qui ont déjà été explorées sur le simulateur.

4-     Conclusion

L’arrivée des Foilers dans le monde de l’hyper compétition va contraindre ces équipes à basculer dans un environnement proche des industries de pointe, lequel utilise déjà largement la méthodologie de développement des systèmes complexes.

Les Nouveaux Zélandais ont déjà utilisé une telle méthodologie pour mettre au point les AC de la génération précédente, gageons que tous les challengers font de même sur les AC75.

Finalement faire des simulations avant de construire un bateau coûte probablement moins cher que d’avoir à en faire un second pour corriger les défauts du précédent.

Franchir le pas de la simulation est surtout faire un pas intellectuel qui sort les concepteurs de leur zone de confort.

Par Robert Lainé.

 

 

Retrouvez les articles précédents :

 

 

 

 

 

 

 

AMERICAN MAGIC : Une seconde pour décider…

Spectaculaire accident de « La Mule », l’AC75 d’entraînement du challenger de la Coupe de l’America du Team American Magic. Aussi fascinant que peuvent être ces nouvelles « bêtes de course », l’AC75 demande aux équipages des temps de réactions toujours plus courts. Retour et analyse sur cet incroyable incident survenu le 12 février 2020 à 11H07 précise.

Vidéo du TEAM American Magic

 

Sortie d’empannage, avec le bateau légèrement enfoncé sur l’arrière.

Chronomètre « -1 s »

Correction obligatoire du TRIM avec le Plan Horizontal de Régulation (PHR) afin de retrouver une assiette horizontale.

 

 

 

Chronomètre « 0 »

Le bateau accélère, la portance augmente et le bateau s’élève sur l’eau.

La trajectoire est « propre », parallèle au plan d’eau.

Mer plate, vent 10/12 Nœuds

L’altitude de vol devient trop importante (Voir le safran et le PHR qui sont presque hors de l’eau)

 

 

 

Chronomètre « +1 s »

Le TRIM devient alors légèrement négatif.

Trop de correction en sortie d’empannage ???

DECISION du PILOTE

Il faut corriger le TRIM avec le Plan Horizontal de Régulation (PHR) implanté en extrémité du safran afin de redresser l’étrave.

 

 

 

 

 

Chronomètre « + 2s »

Le PHR est hors de l’eau.

L’AC75 est hors CONTROLE

La suite devient inévitable, il suffit d’attendre 2 ou 3 secondes.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Chronomètre « + 5s »

Crash de l’AC 75

Le contrôle « humain » atteint sa limite, l’équation, perception, décision, action, contrôle, correction devient trop complexe à résoudre dans le temps imparti d’une seconde.

 

 

Retrouvez les articles précédents :

https://www.uncl.com/2019/03/14/techniques-innovations/36th-americas-cup-en-2021-analyse-de-la-stabilite-du-nouvel-ac-75-nz/

https://www.uncl.com/2017/12/01/techniques-innovations/nouvel-ac-75-nz-jean/

https://www.uncl.com/2018/01/10/techniques-innovations/nouvel-ac-75-nz-jean-vol/

https://www.uncl.com/2018/04/09/techniques-innovations/le-nouvel-ac75-nz-par-jean-sans-configuration-archimedienne-a-une-configuration-foiler/

Par Jean Sans, Février 2020 : www.experts-yachts.fr

Classe « Ultim 32/23 » : GITANA se retire de la Classe et vise le Trophée Jules VERNE

QUAND LE PRINCIPE DE RÉALITÉ S’IMPOSE

Par Jean SANS – 23/01/2020.

Après avoir publié quelques articles sur les Foilers et les nouveaux AC75, sur le site de l’UNCL, j’évoquais en Octobre 2018 par un titre prémonitoire : « VOLER sur des FOILS, mais surtout PILOTER, telle est la QUESTION ».

La découverte du vol sur des foils

Cette technique du Vol sur Foils est restée très longtemps confidentielle car étant l’apanage de quelques amateurs éclairés. Il faut ajouter que les matériaux disponibles ne permettaient pas cette évolution. Le vol des MOTH nous a montré des images impressionnantes, et c’est « apparemment » facile hors l’agilité du pilote (barreur ?).

Tout parait simple, aucune énergie additionnelle, juste le vent et la mer, un système d’asservissement très simple (mais intelligent) associé à la dextérité d’un pilote funambule.

Pourtant l’expérience montre que la réalité du pilotage des Foilers apparait beaucoup plus complexe lorsque le bateau (Foiler) pèse 7 tonnes (IMOCA) ou 15 Tonnes (Trimaran « Ultim 32/23 »). Il apparait que les masses en mouvement, leurs inerties, la vitesse, le bruit et les mouvements de la plateforme liés au pilotage de ces Foilers ont un effet négatif sur les temps de perception des évènements et de l’environnement, ce qui complique et altère les capacités de réactions et de décisions des pilotes.

Une régate en Moth dure une heure environ, l’engin fait 130 kg avec le pilote. Le pilote est « le cerveau » de l’asservissement. Cela signifie qu’à tout instant, à chaque modification de l’environnement et de la position dans l’espace (3 Dimensions) de l’engin (peut-on parler de bateau ?), il doit modifier de manière corrélée :

  • L’énergie disponible et nécessaire (manœuvre des voiles)
  • La trajectoire longitudinale de l’engin (le cap)
  • L’assiette longitudinale afin d’être parallèle au plan d’eau (tangage)
  • L’assiette transversale (gîte, stabilité)

Certes le pilote est aidé par un système mécanique de détection de l’assiette et de l’altitude de vol, système qui commande l’incidence du foil central horizontal installé à l’extrémité de la dérive. Mais, il reste au pilote à contrôler manuellement (aussi en s’aidant de son poids) le plan horizontal arrière (PHR) implanté à l’extrémité du safran (Range d’orientation de -3 à +3° environ).

Sur un Moth, le pilote (barreur) est un véritable funambule hyper concentré, ce qui est inimaginable sur un ULTIME, ou même en IMOCA avec un équipage réduit et sur des durées de navigation de plusieurs dizaines de jours.

La Classe AC 75 en autorisant un système d’asservissement (qui n’est pas intégral), mais qui intègre implicitement un équipage surentrainé, des conditions météorologiques encadrées, des régates diurnes et surtout de courte durée (45 minutes), permet d’assurer des conditions quasi permanentes de VOL fiables.

 

Le rejet de la réalité

La volonté de battre des records montrent que dans un sport mécanique (même en Athlétisme, si on considère l’homme comme une machine biomécanique), on se trouve rapidement devant un mur.

Au début les progressions sont rapides, puis, l’évidence montre qu’il faut améliorer le support.

Dans un premier temps, la recherche et l’utilisation de nouveaux matériaux permettent de réaliser des grands pas en avant. Je citerais par exemple le passage des mats en bois aux mats en alliage d’aluminium, puis en stratifié carbone.

Pour les régates, une fois que les équipes techniques ont créé toutes les améliorations possibles attachées au régime archimédien dans lequel évoluent les bateaux, il faut tenter de franchir un pas encore plus important, non pas en améliorant l’existant, ce qui est physiquement impossible, mais en changeant de milieu.

Ce sera l’abandon du mode « ARCHIMEDIEN » pour le mode « VOL 3D ». A ce moment on entre dans un domaine relativement inconnu pour des voiliers, bien qu’au début des années 1900 un bateau à moteur ait réellement volé de manière contrôlée.

La Voile (la régate) est un sport-aventure entre l’homme et la nature (la mer, les conditions météorologiques). Toutes les aides extérieures ou mécaniques sont interdites ou encadrées.

Tant que l’on est en régime Archimédien, les aides mécaniques sont faciles à contrôler et à limiter. Cela devient plus compliqué lorsque les moyens de communications évoluent « à la vitesse de la lumière » ; MOITESSIER signalait sa position en envoyant deux pavillons du code international des signaux dans son mat lorsqu’il croisait un navire marchand (« Signalez ma position au LLOYDS de Londres »), aujourd’hui le poste communication satellitaire est un budget très conséquent pour un IMOCA durant le Vendée Globe.

En mode « VOL » c’est le pilotage du Foiler qui devient le problème. En effet maintenir un engin de 15 tonnes à 1,5 à 2 mètres d’altitude au-dessus de l’eau et cela 24H sur 24 en limitant les asservissements, donc en pilotage manuel ou semi manuel est une gageure.

Le débat est engagé depuis plus de deux ans pour les « Ultim 32/23 ». Tous les acteurs sont conscients que créer un système d’asservissement sur les ULTIMES représente des dépenses très importantes. Mais ces engins ne peuvent réellement naviguer (plutôt voler) autour du monde sans cette technologie. C’est la raison du retrait de Gitana de la Classe « Ultim 32/23 ».

Et même ainsi équipés, ce ne sera pas une promenade de santé, car voler à 35/40 nœuds, « tous temps », même avec un CONTROLEUR de VOL (voir ci-dessus) demandera une qualification et des compétences réservées à peu de Marins.

FIN

 

 

Les Foils vus par Jean SANS – Partie 3 : Et si les monocoques se rêvaient à voler ?

Par Jean SANS – cet article est une version revisitée et complétée, notamment dans ses conclusions, de la Partie 2 de l’étude, éditée le 22 janvier 2016 sur www.uncl.com.

Dès que l’on parle de foils sur un voilier, on se met à rêver d’une coque en lévitation au dessus des flots.

Si la phase vol, avec bien sur la phase préalable de décollage, est assez facile sur un multicoque, on comprend rapidement que c’est pratiquement impossible sur un monocoque lesté, surtout s’il est équipé d’une quille.

01.Foils_Part2_Img1_MothFoilerJe pense que le Moth Foiler est le seul monocoque qui vole réellement et qui peut régater, c’est à dire évoluer librement sur un parcours entre deux ou trois bouées. Pour voler, il faut quitter le régime archimédien, donc soulever et extraire la carène de l’eau. Cela signifie qu’il faut créer une force verticale supérieure au poids du bateau et de son équipage en utilisant la portance générée par les foils.

Je rappelle les caractéristiques de base d’un Moth Foiler :

  • Longueur de Coque 3.55m,
  • Surface de Voile : 8m2,
  • Poids gréé : 25kg,
  • Déplacement en navigation : 130 kg avec un barreur de 90 kg et des extra, comme 5 litres d’eau dans le bateau par exemple.

Cela signifie que la force verticale est d’environ 60 daN par foil en « T ». Le deux foils en « T » sont régulés mécaniquement (orientation d’un volet sur le bord de fuite), sans aucune énergie électrique. C’est une « vulgaire » canne articulée et immergée à l’étrave qui traine dans l’eau et assure cette fonction de régulation.

Le barreur est un funambule dont le comportement en navigation est plus proche de celui d’un surfeur que de celui d’un navigateur sur un bateau comme on l’entend communément. En comparaison, les utilisateurs de 49ersfont figure de « retraités de la marine ».

03.Foils_Part2_Cz-Cx

Conclusion : le Moth Foiler vole, c’est une réalité, mais la transposition de ce « vol intégral » sur un monocoque lesté, même classé dans la catégorie « super light boats », a toutes les chances de demeurer une utopie.

Pourtant, le Quant 23 qui n’est pas exactement un monocoque, bien qu’il y ressemble, vole aussi (un monocoque doit posséder une carène dont le creux ne diminue pas lorsque l’on se rapproche du plan de symétrie de la carène). En fait, le QUANT 23 possède une architecture de catamaran, comme le montre la vue de droite ci-dessous :

06.Foils_Part2_Quant23_2ter

 

10.Foils_Part2_ScowBoat2L’architecture navale est quand même une science extraordinaire, car avec des matériaux plus performants que ceux de l’époque, les architectes auraient pu imaginer des foils et faire voler les Scows.


Alors pourquoi des foils sur un quillard et quel(s) effet(s) sur le bateau ?

Contrairement au Moth dont les deux foils se situent dans le plan de symétrie du bateau et assurent une poussée sensiblement verticale, les foils sont implantés latéralement sur un monocoque lesté.

Que se passe-t-il lorsque le foil est actif ?

Dans un premier temps, regardons l’équilibre sous voiles d’un voilier SANS foil :

Foils3_Equilibre_sous_voiles

Foils3_Equilibre_sous_voiles_2

 

 

 

 

 

 

 

 

Au regard des forces en présence :

  • En transversal, seules les forces Fc et Rt sont prises en compte.
  • Ces forces génèrent la gite du bateau.

 

 

Lorsque l’on regarde l’équilibre du bateau en transversal, les forces appliquées sur un bateau dépourvu de foil sont les suivantes :

  • Une composante de la portance « anti-dérive Rt » générée par le voile de quille et aussi le safran.
  • Une composante de la « force vélique Ft » qui fait giter le bateau :
    • Lorsque le bateau est en équilibre à un angle de gîte, la composante anti-dérive Rt et la composante de la force vélique Ft sont égales et parallèles.
    • Dans ce cas les couples Ft * z et P *y sont égaux.
  • La force verticale P (dirigée vers le bas) correspond à la masse du bateau, du mât, de l’équipage, de la quille inclinable, des ballasts liquides etc. Cette force correspond au déplacement en navigation du bateau et s’applique au centre de gravité général qui est légèrement excentré par rapport au plan de symétrie du bateau.
  • La force verticale Fa (dirigée vers le haut) est produite par la poussée d’Archimède. Cette force s’applique au centre de carène (centre de gravité du volume immergé). Lorsque la densité de l’eau est 1, ce volume est égal au déplacement du bateau en navigation.Le parallélogramme dessiné à droite montre le polygone vectoriel des forces en présence. Comme le bateau est en équilibre, le polygone vectoriel est obligatoirement fermé.

Que devient cet équilibre lorsqu’un foil est déployé ?

Foils3_Equilibre_sous_voiles_avecFoil

Constat : une nouvelle force PF (portance du foil) apparaît. Cette nouvelle force possède une composante verticale. Dans l’exemple ci-contre, j’ai volontairement dessiné la portance verticale.

Nous passons en transversal de 4 à 5 forces, mais comme le bateau est en équilibre statique, le polygone vectoriel doit être fermé.

Cette nouvelle force PF est verticale (enfin sa composante), on doit donc l’intercaler verticalement entre l’extrémité de FFa et le début de Ft.

Comme Ft et Rt sont obligatoirement parallèles, on obtient PF + FFa = P, ce qui signifie que la poussée d’Archimède diminue.

Conclusion : le bateau flotte « plus haut », son déplacement archimédien diminue.

La limite de l’exercice se situe au moment où le foil sort de l’eau, alors le bateau retombe !

Mais une force PF qui « allégerait » le bateau de 10 à 15% devrait normalement améliorer les performances et cela malgré le trainée induite du foil. C’est ce qui fait cogiter les Architectes.

 

 

Sur un bateau équipé d’une Canting Keel, l’effet est identique (voir ci-dessous).

 

Foils3_Equilibre_sous_voiles_avecFoil_kanting

 

 

Transposition du Moth au monocoque lesté

Le MOTH parvient à « voler » malgré sa largeur assez réduite. C’est un bateau extrêmement léger équipé de plates-formes latérales sur lesquelles le barreur est installé. Le rapport de masse entre barreur et bateau est pratiquement de 3.5 à 1. Le barreur peut donc facilement faire gîter le bateau au vent. Du fait de la contre gîte, la force vélique pointe vers le haut, ce qui diminue la pression sur le foil porteur.

Il faut bien comprendre que maintenir le bateau contre gîté sera la condition sine qua non pour obtenir d’abord le décollage, puis et surtout le vol, c’est à dire la coque entièrement extraite de l’eau.

Alors pourquoi essayer de mettre un ou des foils sur un voilier monocoque lesté ?

Oublions tout d’abord l’idée de copier le MOTH et installer un foil en « T » en bout de quille. En effet, faire contre-gîter un voilier lesté est déjà un rêve, ensuite lui ajouter des plans porteurs symétriques dont l’envergure serait supérieure à la largeur du bateau relève du cauchemar. On peut néanmoins améliorer la performance d’un voilier « lourd « , non pas en le sortant complètement de l’eau, mais en diminuant son volume immergé comme nous venons de le voir graphiquement.

Le décalage du foil sous le vent, et donc de la portance, paraît dans un premier temps être le bénéfice immédiat apporté par le foil. Il est incontestable que le couple de redressement augmente sous l’effet du foil et plus on va vite plus il augmente. On se dit immédiatement que le foil apporte un gain de puissance phénoménal.

Deux calculs rapides à 13 nœuds et à 17 nœuds sur un 53’ (déplacement 9000 Kg) équipé d’un foil type  « DSS » de 1.75 m2 avec bras de levier entre le centre de carène et le centre d’application de la portance du foil de 2.5m :

  • A 13 nœuds (6.68 m/s)
    • la portance est de 1400 daN (approximativement 1.4T)
    • le couple de redressement créé de 3500 m * daN
  • A 17 nœuds (8.74 m/s)
    • la portance est de 2400 daN (approximativement 2.4T)
    • le couple de portance créé de 6000 m * daN

Pour information le couple de redressement de ce bateau à 15 ou 20° de gîte avec l’équipage au rappel est de l’ordre de 7500 m*daN.

La vitesse augmente de 31% et le couple de redressement de 71%. Certes c’est une démonstration relativement théorique, mais l’ordre de grandeur de l’effet physique est réaliste. On voit donc, en première approche, que la puissance disponible, c’est à dire la capacité du bateau à porter de la surface de voilure augmente significativement car le foil excentré augmente le couple de redressement. La réaction première est de dire : augmentons la surface de voilure.

C’est là que le bas blesse, car si effectivement il y a création d’un couple de redressement additionnel par le foil, il y a surtout, du fait de la composition des forces dans l’équilibre transversal du bateau (voir le polygone vectoriel), une diminution non négligeable de la poussée archimédienne, donc un soulèvement du bateau… Son déplacement archimédien diminue bien que son déplacement réel ne change pas, la masse du bateau en mouvement ne changeant pas.

Les deux phénomènes sont très imbriqués. Il est acquis que le foil améliore le couple de redressement. Il est démontré que la poussée d’Archimède diminue puisque la somme de cette poussée et de la portance du foil doit être toujours égale au poids du bateau.

Dans ces conditions, la vitesse du bateau augmente (moins de surface mouillée, meilleure aptitude au planning).

Si la vitesse du bateau augmente, la portance vélique augmente (avec, ne l’oublions pas, le carré de cette vitesse), la composante transversale (Ft) de la portance augmente donc de fait, et corolairement le couple de chavirage. Ce couple de chavirage est équilibré par le supplément de couple de redressement généré par le foil puisque la vitesse aidant, la portance du foil a aussi augmenté.

On comprend ainsi que les deux couples s’équilibrent (je pousse…tu t’opposes) et que le phénomène prépondérant qui va permettre d’augmenter significativement la vitesse est la sustentation du bateau et son extraction de l’eau. La quintessence de cet effet étant atteinte lorsque la coque est entièrement hors de l’eau comme sur le MOTH.

Cette transition entre le régime archimédien et le régime « vol intégral », dans lequel toute la carène est subitement hors de l’eau, est très violente. Elle se traduit quasi instantanément par une vitesse multipliée par trois ou quatre, sans aucune progressivité. Certes la perception doit être plus soft sur un monocoque lesté, mais l’effet doit être presque identique à celui que l’on perçoit sur un sportboat quand on enroule la bouée de près et que le spi asymétrique se gonfle par 30 nœuds.

Quels sont les ordres de grandeur possibles pour la portance d’un foil ?

La portance d’une forme aéro ou hydrodynamique est calculée par la formule suivante :

P = ½ * ρ * Cz * S * V2 (Force en Newton).

  • V = vitesse de la forme (ici le foil) dans le milieu (eau). Elle s’applique en m/s (7.2 m/s pour 14 nœuds)
  • S = Surface projetée du foil en m2,
  • ρ = masse volumique de l’eau en kg/m3, soit 1025 kg/m3
  • Cz = coefficient de portance (par exemple 0,35)

On constate que deux paramètres sont prépondérants, la vitesse d’évolution du foil dans le fluide (l’eau) car elle s’exprime au carré dans la formule et le Cz (coefficient de portance) qui est relativement instable.

La vitesse d’évolution du foil correspond à la vitesse du bateau.

On perçoit facilement qu’un déplacement lourd, qui ne peut en aucun cas planer, ne pourra pas atteindre une vitesse stabilisée suffisante (elle doit l’être afin de déclencher la phase décollage) qui permettra d’obtenir un « allègement » significatif du bateau. Certes, sur ce type de bateau on peut augmenter l’angle d’incidence afin d’augmenter la portance (force verticale), mais corolairement la trainée s’amplifiera (vecteur dirigé vers l’arrière, donc frein). Le ratio Portance / Trainée est alors trop défavorable.

Le Cz, (Coefficient de Portance), dépend à la fois du profil aérodynamique (généralement des profils NACA), de l’homogénéité du fluide et de l’angle d’incidence, c’est à dire du calage du foil (comme on oriente une voile en la bordant plus ou moins).

L’architecte recherchera le meilleur compromis Portance / Trainée en calant le foil sur le bateau (il fixe l’angle d’incidence). On pourrait imaginer que le calage puisse être réglable comme c’est le cas sur les AC 72, AC45 et sur le MOTH, mais c’est compliqué techniquement (la méthode appliquée sur le MOTH n’est pas transposable). Ensuite le pilotage devrait être asservi, ce qui complexifie encore l’idée. Usuellement le Cz est de 0.30 à 0.35.

Portance (lift)ρCzS m2V en NœudsV m/sV2
78 daN10250.31.2042.064.23
313 daN10250.31.2084.1216.97
704 daN10250.31.20126.1838.19
957 daN10250.31.20147.2051.87
1411 daN10250.31.20178.7576.48

 

Évolution du ratio Déplacement / Longueur

Continuons avec le voilier de 53’ de déplacement 9000 kg et de LFLOT=16 m. Le Ratio Déplacement / Longueur en unités homogènes est égal à DLR (racine cubique du déplacement) / LFLOT, soit :

  • En navigation archimédienne : DLR Archimédien = (9000)1/3 / 16 = 1.300
  • En prenant en compte un « lift » qui soulage le bateau de 1000 kg et en considérant que LFLOT diminue de 30%, ce ratio devient :

DLF Foiler = (8000)1/3 / (16*0.7) = 1.780

On constate qu’avec l’action du foil le bateau tend de plus en plus vers un déplacement léger, donc potentiellement plus rapide. Pour s’en convaincre imaginons qu’au portant, il soit possible d’alléger le bateau d’une tonne ! Et aussi de diminuer la surface mouillée, etc …

Foils3_PhotoBanquePo

En regardant cette photo sur laquelle j’ai surligné le foil, on imagine que l’on pousse un objet (le bateau) vers le haut (flèche rouge) et que cette poussée maintient le bateau en équilibre grâce au couple de chavirement, tout en le soulevant.

Quel avenir pour les foils sur un monocoque ?

La réponse est compliquée tant elle dépend de paramètres que l’architecture navale ne maitrise pas entièrement. On peut imaginer trois groupes de réponses :

  • Les réponses scientifiques qui relèvent du domaine de l’architecture :
    • quel type de déplacement pour le monocoque ?
    • Quel type de voilier (prototype, racer-cruiser) ?
    • Quel type de foil ?
  • L’introduction du foil dans les règles de classe :
    • autorisée ou refusée (évolution d’un monotype),
    • taxation dans le cas de règle de jauge pour la course à handicap, telle l’IRC,
    • règles de classe rendant contraignante l’implantation de foils.
  • L’implantation dans le bateau :
    • le coût du foil et du puits,
    • le volume pris dans le bateau,
    • le poids,
    • les impacts dans les calculs de structures.

Le voilier de régate de demain sera-t-il proche de ce dessin du Cabinet FARR YACHT DESIGN ?

Foils3_FYD

Comment une jauge doit taxer un ou plusieurs foils ?

Toute règle de jauge, possède une philosophie qu’elle applique dans ses orientations et ses choix. Par exemple on peut rappeler les grandes lignes de cette philosophie dans le cas de l’IRC :

  • L’IRC n’interdit rien pour peu que le flotteur reste un monocoque et respecte certaines règles de sécurité,
  • L’IRC ne pénalise jamais un équipement, comme elle ne tient pas compte de son utilisation aléatoire,
  • L’IRC taxe le plus équitablement possible chaque équipement et/ou chaque paramètre qui sont reconnus comme étant des éléments qui favorisent un gain de vitesse. Mais elle peut « favoriser » le développement d’un élément ou d’un équipements comme cela a été le cas avec le spinnaker asymétrique
  • Le calcul de chaque taxation ne prend pas en compte la performance de l’équipement et/ou du paramètre au sens du VPP (Velocity Prediction Program). Par exemple l’IRC (comme toutes les jauges) taxe la surface d’une voile, mais en aucun cas ne prend en compte le volume de la voile, le tissu etc.
  • L’IRC ne taxe pas l’intelligence des architectes. Libre à eux de dessiner des appendices innovants, des carènes performantes, etc.
  • L’IRC ne taxe pas le savoir-faire des skippers.

Ceci dit, deux méthodes sont envisageables pour taxer les foils, et c’est vrai pour tout équipement :

Méthode 1

On recherche un algorithme avec l’espoir qu’il simulera et évaluera le plus justement possible l’apport de performances qu’apportent les foils. Un tel algorithme,  obligatoirement compliqué, devra prendre en compte la carène, la voilure, évidemment le ou les foils (dont le profil NACA utilisé) et faire évoluer ces volumes et ces masses dans deux fluides totalement différents (leurs masses volumiques sont respectivement de 1.025 kg/m3 et 1025 kg/m3 soit un ratio de 1000) sans que la position du bateau soit définie parfaitement et constante …  Une sorte de VPP-FOILS.

En supposant qu’elle aboutisse, cette méthode permet de concevoir un produit (un foiler par exemple) et d’en connaître les performances afin de proposer ce produit à un éventuel client. Mais cette méthode n’est pas une jauge, elle est simplement un outil d’évaluation.

Pour pouvoir être utilisé comme une Jauge, il faut que le potentiel de vitesse calculé pour chaque bateau en fonction de sa forme, de ses foils, de sa voilure soit converti en un coefficient qui traduira cette prédiction de vitesse. Au final cet outil de simulation scientifique évaluera et notera, le travail de l’architecte, comme le bassin de carène le fait pour une maquette.

Méthode 2

Cette approche est totalement différente. Elle considère que le foil (sa partie active) est l’élément principal du calcul. Elle limite les mesures du foil à son envergure active (Ev) et à la largeur de sa corde (Co). Ensuite elle calcule la surface active (S) du foil (Ev * Co).

Les paramètres généraux du bateau permettent aussi de calculer sa vitesse archimédienne potentielle, mais aussi son aptitude au planning (ratio déplacement/longueur, ratio surface/déplacement, etc). En combinant ces deux entités on peut déterminer une Vitesse potentielle de Planning (Vp). Mais en aucun cas ce n’est pas une analyse « VPP » de la carène.

Je rappelle que deux bateaux peuvent avoir des dimensions et des ratios identiques et avoir des vitesses très différentes, la différence revenant au génie de l’architecte.

A partir des 3 paramètres suivants :

  • (S) corrélé par un calcul de l’élancement du foil (Ev² / S). (S) résulte du choix de l’architecte
  • (Cz) 0.35 par exemple, la jauge fixe cette valeur de manière pragmatique. elle est évolutive dans le temps
  • (Vp), vitesse détude fixée par la jauge d’après les paramètres de base du bateau,

on calcule le potentiel de portance de ce bateau : P = ½ * ρ * Cz * S * Vp2

Ce potentiel de portance représente la valeur théorique de « l’allègement » du bateau à la vitesse d’étude (Vp). Tout ou partie de cette portance peut-être prise en compte dans le calcul de la taxation des foils. A partir de cette évaluation, un coefficient multiplicateur est intégré dans la formule de Jauge.

Avec cette méthode, c’est l’architecte qui est responsable des performances du dessin des foils et de leurs implantations sur le bateau. C’est lui qui connaît exactement le potentiel de vitesse de son projet à toutes les allures. Il utilise à la fois les VPP et les outils de CFD, donc il est à même de dessiner un foil optimum, dont la forme mais surtout le calage (incidence) et le profil (NACA) seront en accord avec le bateau qu’il dessine.

L’architecte a évidement rapidement une idée de la taxation de son foil par la jauge. Enfin presque, car s’il sait que la surface et l’allongement sont pris en compte, il ne connaît pas exactement la vitesse potentielle de planning (Vp) utilisée par la jauge. Toutefois il a une idée de cette vitesse, à partir de ses VPP.

En fait cette méthode de taxation des foils est identique à celles utilisées par les toutes les jauges pour taxer, par exemple, les voiles. On mesure chaque voile, on calcule la surface et on introduit la racine carrée de cette surface en la corrélant par un facteur d’élancement dans la formule de jauge.

A aucun moment une jauge, quelle qu’elle soit, ne prend en compte dans ses calculs les profils de la voile, le ronds de guindant, les angles d’attaque, etc. Même les jauges qui utilisent des VPP prennent le foc comme une forme triangulaire. Aucun artifice (par exemple les rentreurs de pont d’amure de focs) n’est introduit dans le modèle de calcul.

Cette Méthode 2 laisse l’imagination (l’architecte) dessiner les appendices sans autre contrainte que de savoir que seuls la surface et l’allongement seront utilisés pour taxer l’utilisation de foil(s).

Conclusion

L’apparition des foils est intéressante, car elle ouvre la porte de l’innovation dans l’architecture navale et donc la conception des voiliers racer-cruiser.

Rendre les monocoques plus « funs » et plus vivants en utilisant des appendices qui devraient rester abordables financièrement est une évolution de l’histoire des régates qu’il faut saisir.

Quand je vois le travail qui a été réalisé et qui évolue toujours sur les MOTH et d’autres supports, je me dis que beaucoup de choses restent à inventer sur les monocoques lestés.

Est-ce donc irréaliste  de penser que les Monocoques lestés puissent rêver de s’extraire quelque peu des flots ?

 

 

Jean SANS – 7 juin 2016.

 

Les Foils vus par Jean SANS – Partie 2

Dans le Guide IRC 2016 publié par l’UNCL en Décembre dernier, Jean SANS proposait un article technique sur les foils, leur apparition sur les monocoques, notamment les quillards, IMOCA ou IRC. Cette étude, complétée depuis par l’auteur et illustrée de nouveaux exemples, est la suite d’un premier article publié l’an dernier sur www.uncl.com. Elle annonce un des angles de recherches futures pour l’IRC.

Dès que l’on parle de foils sur un voilier, on se met à rêver d’une coque en lévitation au dessus des flots.

Si la phase vol, avec bien sur la phase préalable de décollage, est assez facile sur un multicoque, on comprend rapidement que c’est pratiquement impossible sur un monocoque lesté, surtout s’il est équipé d’une quille.

01.Foils_Part2_Img1_MothFoilerJe pense que le Moth Foiler est le seul monocoque qui vole réellement et qui peut régater, c’est à dire évoluer librement sur un parcours entre deux ou trois bouées. Pour voler, il faut quitter le régime archimédien, donc soulever et extraire la carène de l’eau. Cela signifie qu’il faut créer une force verticale supérieure au poids du bateau et de son équipage en utilisant la portance générée par les foils.

Je rappelle les caractéristiques de base d’un Moth Foiler :

  • Longueur de Coque 3.55m,
  • Surface de Voile : 8m2,
  • Poids gréé : 35kg,
  • Déplacement en navigation : 130 kg avec un barreur de 90 kg et des extra, comme 5 litres d’eau dans le bateau par exemple.

Cela signifie que la force verticale est d’environ 60 daN par foil en « T ». Le deux foils en « T » sont régulés mécaniquement (orientation d’un volet sur le bord de fuite), sans aucune énergie électrique. C’est une « vulgaire » canne articulée et immergée à l’étrave qui traine dans l’eau et assure cette fonction de régulation.

Le barreur est un funambule dont le comportement en navigation est plus proche de celui d’un surfeur que de celui d’un navigateur sur un bateau comme on l’entend communément. En comparaison, les utilisateurs de 49ersfont figure de « retraités de la marine ».

03.Foils_Part2_Cz-Cx

Conclusion : le Moth Foiler vole, c’est une réalité, mais il est impossible de transposer ce « vol » sur un monocoque, même classé dans la catégorie « super light boat ».

Pourtant, le Quant 23 qui n’est pas exactement un monocoque, bien qu’il y ressemble, vole aussi (un monocoque doit posséder une carène dont le creux ne diminue pas lorsque l’on se rapproche du plan de symétrie de la carène). En fait, le QUANT 23 possède une architecture de catamaran, comme le montre la vue de droite ci-dessous :

06.Foils_Part2_Quant23_2ter

 

10.Foils_Part2_ScowBoat2L’architecture navale est quand même une science extraordinaire, car avec des matériaux plus performants que ceux de l’époque, les architectes auraient pu imaginer des foils et faire voler les Scows.


Alors pourquoi des foils sur un quillard ?

Contrairement au Moth dont les deux foils se situent dans le plan de symétrie du bateau et soulèvent le bateau et son équipier verticalement tel un ascenseur, sur un monocoque lesté, le foil quitte le plan de symétrie du bateau pour devenir un appendice latéral.

L’action des foils sur un Moth est « symétrique » et ainsi assez proche du vol d’un avion (les deux ailes portent le fuselage). Sur un monocoque lesté, l’action du foil sera excentrée, donc entièrement asymétrique.

Lorsque le foil est actif, La composante verticale (lift – en bleu ci-dessous) créée, est toujours sensiblement verticale, mais son point d’application est excentré par rapport au centre de carène. Ainsi sont générés :

  • Un couple de redressement, comme le fait l’équipage au rappel,
  • Un cabrage du bateau : l’assiette longitudinale augmente, l’étrave se soulève.

13.Foils_Part2_Foils_IMOCA_DSSLes deux types de foil actuellement présent sur des monocoques, sont ceux conçus pour les IMOCA (dessin de gauche) et les foils transversaux, sensiblement horizontaux nommés « DSS » pour Dynamic Stability System (Photo de droite).

Le foil IMOCA (ci-dessous actif en position basse, la flèche rouge représentant la portance) est un appendice en forme de « L » orienté vers l’extérieur. La complexité de la règle de jauge IMOCA est la cause du dessin complexe du foil. Cette complexité résulte d’une règle de classe qui limite le nombre d’appendices à 4.

14.Foils_Part2_Foil_IMOCA_ActifAfin de respecter cette règles, les architectes regroupent sur un même appendice, la fonction dérive sur sa partie verticale (La quille pendulaire nécessite que le bateau soit équipé d’une ou deux dérives) et la fonction foil sur sa partie horizontale, association inévitablement contradictoire.

Évaluation de la portance du foil (flèche rouge ci-contre) :

P = ½ * ρ * Cz * S * V2 (Force en Newton).

Je rappelle que 10N = 1 daN (sensiblement 1 kg dans le langage courant).

  • V = vitesse du bateau en m/s,
  • S = Surface du foil en m2 (1,20 m2),
  • ρ = masse volumique de l’eau en kg/m3, soit 1025 kg/m3
  • Cz le coefficient de portance (0,3).

 

Portance (lift)ρCzS m2V en NœudsV m/sV2
78 daN10250.31.2042.064.23
313 daN10250.31.2084.1216.97
704 daN10250.31.20126.1838.19
957 daN10250.31.20147.2051.87

Une surface de1.20 m2 représente un foil de 2.2m X 0.55m, ce qui est assez encombrant. En supposant que l’on souhaite créer, sur un monocoque lesté,  une architecture équivalente au Moth en utilisant 2 foils latéraux et un foil sur le safran (chaque foil faisant 1.2m2), au mieux à 14 nœuds on obtiendra une poussée verticale de 2871 daN. On comprend pourquoi il est un peu utopique de penser qu’un monocoque lesté type IMOCA puisse « voler ».

J’ajoute que dans le petit temps, le foil est totalement inopérant, car la vitesse du bateau est trop faible pour générer une portance utilisable. En revanche, la dérive est indispensable et doit être en position basse. Ainsi le foil se retrouve obligatoirement immergé et génère de la trainée parasite (frein).

Le système DSS est « plus intelligent » car il se rétracte entièrement dans la coque et ainsi n’offre plus de trainée parasite lorsqu’il n’est pas utilisé. Toutefois le Foil IMOCA évoluant plus profondément n’est pas perturbé par l’effet de surface. En d’autres termes le fluide qui l’entoure est plus homogène (pas de bulles d’air qui perturbent l’écoulement) que dans le cas du DSS.

Si on revient à l’IRC, la règle de jauge est beaucoup plus ouverte, dans le sens où elle n’interdit aucun type ou nombre d’appendices. Il est donc possible d’avoir sur un même bateau, deux safrans, une quille pendulaire, une dérive et deux foils latéraux. La seule « contrainte » sera le prix à payer en termes de taxation du TCC et aussi bien sûr la conception et la fabrication des foils.

Sur un 100’ (30,48m) le DSS augmente le TCC de 50/1000 soit 2 minutes par heure. Sur un 40’ (12.18m) un DSS serait taxé de 29/1000, soit 1.40 minutes par heure.


Quel gain ?

Au final, et c’est la seule question que le propriétaire ou le skipper se pose, qu’est ce qu’un (ou plusieurs) foil peut apporter en termes de gain de performance à son bateau :

  • Lorsque le foil est actif, c’est à dire lorsque la vitesse du bateau est telle qu’elle produit suffisamment de portance sur le foil, la portance crée un couple de redressement au même titre qu’un équipage au rappel, un ballast liquide intérieur ou même une quille pendulaire.
  • En contrepartie le foil, comme tout profil hydrodynamique immergé, génère de la trainée (drag) et donc freine le bateau. Il y aura donc un compromis propulsion/frein à prendre en compte.
  • Le foil permet d’augmenter le cabrage du bateau aux allures portantes principalement pour les bateaux équipés de spinnakers asymétriques.

16.Foils_Part2_Wild-Oats-XI-Brett-Costello-lr_DSSIl faut aussi considérer la carène à laquelle le foil est destiné. Le DSS ou équivalent est destiné à une carène étroite. Je me souviens des runs sous spis asymétriques en Melges 24 avec 30/35 nds de Mistral et tout l’équipage agglutiné dans le balcon arrière pour éviter l’enfournement. On peut constater que sur des carènes dessinées par les mêmes architectes, le phénomène est identique (photo ci-contre : le 100 pieds australien Wild Oats XI).

Le DSS sous le vent cabre le bateau. Il réduit l’asymétrie de la carène ET fait déjauger le bateau, ce qui limite les risques d’enfournement. Dans ces conditions, le gain de vitesse obtenu à voilure constante est notable. La carène est plus équilibrée (moins de gite) et l’assiette longitudinale est meilleure. Ce gain de vitesse permet de sacrifier quelques dixièmes de nœuds à la trainée générée par le foil.

 


Quelques difficultés quand même …

On remarquera que le plan général du foil DSS est sensiblement horizontal lorsque l’assiette transversale du bateau est de 0°. Sur les IMOCA en revanche, le plan porteur pointe vers le haut d’une dizaine de degrés. La portance hydrodynamique est sensiblement perpendiculaire au plan porteur. Mais cette force se situe dans l’espace, c’est à dire en 3 dimensions. Elle possède donc 3 composantes :

17.Foils_Part2_PositionFoil_Gite

  • Le Lift (Cz) que l’on recherche, puisque cette force génère un couple de redressement,
  • Le Drag (Cx) dirigé vers l’arrière du bateau puisqu’il est un frein à la vitesse,
  • Le composante latérale. Elle est perpendiculaire à l’axe du bateau. Elle devient une force anti dérive lorsqu’elle est dirigée vers l’axe de bateau (cas N°1 ci-dessous), mais qui peut augmenter la dérive (cas N°2 ci-dessous) lorsqu’elle est dirigée vers l’extérieur. Le passage du cas N°1 au cas N°2 dépend uniquement de la gîte.

Conséquences : Plus la gîte augmente, plus la dérive augmente. Au portant cela peut être acceptable, mais on peut être dubitatif sur l’utilisation d’un foil au près. Certes le couple de redressement augmente, mais les forces parasites générées ternissent quelque peu le bilan.

 

Un autre point délicat se situe dans le contrôle du TRIM longitudinal. Á moins d’avoir des usines à gaz destinées à régler l’angle d’incidence en fonction de l’assiette du bateau (c’est le cas des anciens AC 72 dont les régates duraient 45 minutes), il faut déplacer longitudinalement le poids de l’équipage pour ajuster l’angle d’incidence. C’est la solution employée sur un monocoque, mais elle manque de souplesse et de finesse d’ajustement. Un préréglage du plan porteur pour le largue dès la stratification et possible mais ce préréglage ne sera pas optimum pour la navigation au près.

Les mouvements incontrôlables du bateau à cause des vagues, génèrent aussi les risques suivants :

  • Si l’angle d’incidence passe au-dessus du foil, la portance hydrodynamique s’inverse et le couple de redressement se transforme instantanément en couple de chavirage ! Cela se traduit immédiatement par un pivotement du bateau autour du foil, le résultat doit être surprenant.
  • Si l’angle d’incidence dépasse les 15°, Le foil décroche instantanément. C’est surement un peu moins pire que dans le cas précédent mais il est certain que les performances attendues ne sont plus au rendez-vous.

Des Chiffres

Infiniti-53Farr111À partir des dessins du nouvel Infinity 53 figurant sur la plaquette de Farr Yacht Design, il est amusant de faire quelques calculs afin d’obtenir des ordres de grandeur non dénués d’intérêt. Sur la base d’une vitesse du bateau de 14 Nds au portant et d’un LIFT Cz de 0.3, ce qui est réaliste compte tenu du fait que le foil est près de la surface de l’eau, le couple généré par le foil DSS équivaut à environ 70% de celui généré par le poids du bateau en navigation avec son équipage au rappel et sa quille angulée à environ 30°.

Calcul de la portance du foil à 14 nœuds :

P = ½ * ρ * Cz * S * V2

  • V : vitesse en m/s (7,2 m/s pour 14 Nds),
  • S : Surface du foil en m2 (1,21 m2 dans le cas présent : 2.2 X 0.55m)
  • ρ : masse volumique de l’eau en kg/m3(1025 kg/m3),
  • Cz : = le coefficient de portance (0,3).

On obtient P = 9644 Newtons soit 964 daN (approximativement 1000 kg).

19.Foils_Part2_Plan_ForcesEn prenant comme déplacement complet du bateau, le déplacement IRC avec équipage et armement, soit 9000 kg, on peut en déduire :

  • Le couple généré par le foil : Cfoils = 964 * 2.75 (distance entre le centre de portance du foil et le centre de carène) soit 2651 daN.m.
  • Le couple généré par le bateau (avec quille angulée à 30° et équipage au rappel) : Rm = 8800 * 0,7 (distance entre le centre gravité et le centre de carène) soit 6160 daN.m.
  • On voit que le foil augmente de 43% le couple de redressement (Rm) : Rm passe ainsi de 6160 daN.m à 8811 daN.m.

 

20.Foils_Part2_Dessin_Forces_Couple

On voit ci-dessus que les quatre forces (Équipage, Ballast liquide, Poids du bateau, Foil) génère un couple autour du centre de carène. Ce couple redresse le bateau.


Quels Résultats ?

C’est plus compliqué à inventorier. La règle IRC n’est pas une jauge basée sur les performances effectives des bateaux à chacune des allures mais sur les paramètres et équipements susceptibles d’être, à un moment donné, des facteurs de vitesse propres à chaque bateau. Les foils sont des équipements qui peuvent améliorer les performances dans certaines conditions d’allures et de vent, comme c’est le cas pour une quille pendulaire, des ballasts latéraux, une grand-voile à corne, un gréement réglable en tension, un mât carbone, du Rod, etc.

Le problème réside en ce que la taxation inhérente à l’installation d’un foil est appliquée même quand le foil reste dans sa boite à malices et donc n’est pas utilisé. On « transporte » des millièmes pour rien du tout …

L’IRC va inscrire à son calendrier de recherches 2016 la refonte des taxations de tous les équipements dont le but est d’augmenter la puissance disponible des bateaux. Cette démarche est indispensable car, par exemple, si les résultats de l’action d’un foil et d’un ballast liquide sont presque semblables, leurs niveaux individuels de performances sont bien différents.

Historiquement, il faut se rappeler que les ballasts liquides sont apparus il y a plusieurs décennies avec Pen Duick V, puis sur les Mini-Transat, les IMOCA, les Figaro, les VOR et aussi sur quelques IRC. Rapidement, les quilles pendulaires ont remplacé les ballasts liquides, les cantonnant très souvent au contrôle de l’assiette longitudinale du bateau. Aujourd’hui les foils arrivent et, si les technologies, les matériaux et les innovations architecturales le permettent, les foils se développeront.

Une combinaison des 3 systèmes existe déjà sur quelques rares bateaux IRC, tout cela reste embryonnaire. Toutefois des idées presque identiques flottent dans certains cabinets d’architectes qui officient en IRC. Rien n’est donc figé, tout est à construire et à inventer.

Jean SANS – Janvier 2016

 

De l’utilisation des FOILS en architecture navale : 1ère Partie

Depuis des lustres, on a imaginé utiliser des foils porteurs sur les bateaux dans le but de sortir la coque hors de l’eau et de réduire ainsi la résistance à l’avancement de la coque. Les travaux sur les ailes d’avions, donc sur la portance, ont montré que la portance d’une aile est proportionnelle à sa surface alaire et au carré de sa vitesse de déplacement (la forme du profil, l’environnement, l’incidence ont aussi une influence). De là, l’idée d’installer des “ailes sous-marines” (foils) sur un navire a vite effleuré l’esprit des ingénieurs et des architectes navals.

La lecture de la formule de la portance …

Formule_Portance_800

… montre qu’à fluide (eau de mer dans notre cas), surface (S) et forme (Cz) du foil identiques, la portance est 4 fois plus grande à 16 nœuds qu’à 8 nœuds (V est exprimé en m/s). La difficulté première pour un navire sera d’atteindre une vitesse qui générera suffisamment de portance pour soulever la coque hors de l’eau. Ajoutons que pour compliquer les choses, contrairement à un avion, un navire change de milieu conceptuel entre le moment où il flotte (il est alors “Archimédien”) et le moment où il vole lorsqu’il est en appui sur ses foils et que sa coque ne touche plus l’eau. En fait c’est encore plus compliqué que cela.Pour un navire motorisé, c’est presque trop simple. Il suffit d’avoir une vitesse de propulsion (moteur + hélice) pour que la surface active, associée à un profil adéquat du foil, génère une force ascensionnelle (portance) supérieure à la masse du bateau. Ainsi la coque du bateau sort de l’eau.

Hydro_Motor_800

Dans ces conditions, la carène n’a plus de fonction “archimédienne”, elle sert uniquement de “contenant” (passagers, moteur, carburant etc).Le navire se comporte comme un avion, puisqu’il est “porté par ses ailes”, les foils. Il est facile de comprendre que la vitesse du navire augmente au fur et à mesure que la coque sort de l’eau. Il n’y a plus de centre de carène. L’équilibre étant fonction de la position relative entre le centre de gravité du navire et la résultante de la portance des différents foils. Cet équilibre se gère comme sur un avion avec des gouvernes.Sur un voilier c’est beaucoup plus compliqué car la propulsion longitudinale n’est plus obtenue par une hélice mais par un ensemble de voiles. Cette propulsion vélique va introduire un paramètre complexe : le couple de chavirement. En fait la force propulsive possède une composante latérale qu’il va falloir gérer : la composante parallèle à l’axe du voilier fournissant la vitesse du voilier.On peut classer les voiliers en deux types :

  1. Les multicoques pour lesquels c’est la géométrie de la plateforme qui permet de contrecarrer le couple de chavirage.
  2. Les monocoques pour lesquels c’est le couple généré par le produit du déplacement par la distance entre le centre de gravité et le centre de carène qui va s’opposer au couple de chavirement. Dans cette catégorie il y a deux familles de voiliers :
      • les dinghies pour lesquels le poids de l’équipage est important et créé le couple qui s’oppose au chavirement.
      • les voiliers à déplacement, dessinés avec des lests plus ou moins lourds. Dans ce cas c’est la masse du lest qui contribue pour une grande part au couple qui s’oppose au chavirement.

Dinghy_Oracle_800

 

Sur le Moth on comprend très bien que le déport de barreur, donc de sa masse (flèche rouge), et de la distance sensiblement horizontale (flèche bleue) entre sa position et le centre de portance du foil, génère le couple qui empêche de chavirer.Sur le catamaran (AC72), ce sont les foils sous le vent qui servent de pivot au couple de chavirement. Le centre de gravité de l’AC72 est sensiblement entre le pied de mat et la coque au vent. La masse de l’équipage déplace un peu le centre de gravité de la plateforme et du gréement qui est pas définition dan le plan de symétrie du catamaran.Dans ces deux cas, la surface de la dérive ou la partie verticale du foil encore immergée, combinée avec l’augmentation de vitesse, suffit à générer une force antidérive suffisante pour réaliser des performances correctes au près.Pour un voilier monocoque à déplacement les choses se compliquent car si on veut de la puissance (P) il faut de la surface de voilure afin de générer de la force propulsive (P= F * V). Et rien n’étant jamais gratuit, la force propulsive créée par la voilure va produire évidemment une force dans l’axe du voilier, celle qui donne la vitesse, mais aussi une force non négligeable qui va vouloir faire chavirer le voilier !Pour contrecarrer ce couple de chavirage et de fait augmenter la puissance, l’architecte va déplacer au vent le centre de gravité du voilier en utilisant une quille pendulaire souvent accompagnée de ballasts liquides. Pour ajouter à la complexité du problème, l’utilisation d’une quille pendulaire diminue la surface antidérive, ce qui oblige à mettre en place des dérives.L’équation commence à être compliquée pour installer des foils. On comprend facilement qu’extraire entièrement la coque de l’eau, comme le fait le Moth, est surement impossible pour un monocoque à déplacement si on souhaite que les performances au près soient correctes, de plus en prenant l’exemple d’un IMOCA, le tirant d’eau est de 4.5 mètres.

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Des essais réels ont été réalisés il y a pas mal d’années, en utilisant des foils assemblés sur un bras transversal. Ce prototype est un dinghy, ses performances en régime archimédien sont surement très faibles (ni quille, ni dérive).

Si on fait le bilan, pour un monocoque lesté, imaginer sustenter entièrement le monocoque sur deux foils principaux et le safran (3 points) est illusoire. Alors pourquoi utiliser des foils ? Pour améliorer les performances de trois manières :

    • Augmenter, en plus du travail de la quille pendulaire, le couple qui s’oppose au chavirement… Ce qui revient à augmenter la puissance , donc in fine la vitesse.
    • Soulager la carène c’est à dire la sustenter vers le haut, ce qui revient à diminuer la surface mouillée… Et donc à augmenter la vitesse à puissance identique
    • Créer de la portance antidérive en plus de la portance verticale de manière à supprimer les dérives transversales. Cette portance antidérive dépend du dessin du foil.

Il est évident que la conception d’un foil qui remplit ces 3 fonctions ne sera pas une entreprise simple. Comme il est évident que les performances finales seront bien moins spectaculaires pour un monocoque à déplacement que pour un vrai foiler qui passe du régime archimédien à un régime de vol, entièrement sustenté.

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Banque Populaire VIII – Image 3D www.jpepron.com

Les performances annoncées et les simulations réalisées pour un IMOCA prévoient un gain de 5 jours sur le Vendée-Globe. Rapporté au dernier Vendée-Globe (28600 milles parcourus en 78J 2H, soit une moyenne de 15.3 nds) cela conduirait à boucler le Tour du Monde en 73J 2H. Sur la base d’une distance parcourue identique, la moyenne passerait à 16,3 nds. Calculs éminemment théoriques, je le concède.

WildOats_800

En 2013 et 2014, une expérimentation a été réalisée sur WILD OATS XI (Foil DSS, Dynamic Stability System). Techniquement la mise en place n’a pas entrainé de désordre. Toutefois WO est un voilier totalement différent des IMOCA. C’est un voilier de 100’, étroit (BAU 5.91m), de 32 tonnes de déplacement.Le foil est latéral, sa principale fonction est d’accroitre le couple de redressement. La fonction sustentation paraît minimale quand on voit la position très reculée du foil. Elle permet toutefois de déjauger la carène.Cette carène de REICHEL-PUGH est de la même famille que le MELGES 24 (mêmes architectes) et un des points forts du MELGES était de se cabrer au portant sous spi asymétrique par 30 nds de vent. Le foil doit très bien remplir cette fonction.

Cruiser_Foil_DSS_800

Ici une application DDS sur un racer-cruiser. Notons que la jauge IRC autorise les foils. Elle les taxe en conséquence mais ne les pénalise pas.

Force est de constater que la conception des foils sur un monocoque à déplacement n’a pas la même finalité que sur un “foiler pur”, dont le but est d’équiper un voilier de foils assurant une sustentation totale afin de sortir du régime archimédien et passer en régime “vol”.Pour autant il ne faut pas rejeter cette technologie, elle évoluera avec les différents essais.Elle dépend aussi des recherches sur les formes de foils et aussi sur le pilotage de l’incidence. La technique du Moth, très “agricole” mais d’une fiabilité et d’une efficacité à toute épreuve, est très peu transposable sur un monocoque de 12, 14, 20 ou 30 m !Jean Sans le 19/01/2014

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