Le nouvel AC 75 NZ vu par Jean SANS

La vidéo des NZ est à la fois surprenante et très riche d’enseignements. Il est évident que nous souhaiterions déjà en savoir plus. Bien qu’il n’y ait pas beaucoup de données techniques à l’exception de la mention d’une vitesse de 22 nds lorsque le bateau est sustenté sur son foil central (sous le vent) et celui accolé au safran, il est possible d’analyser les images vidéo et d’en extraire quelques idées et réalités.

 

Ajoutons que quelques datas ont été communiquées par différentes sources :

  • Longueur Hors Tout : 75′ (22.86 m)
  • Longueur de Coque : 68′ (20.72 m)
  • Bau Maximum : 5.30 m
  • Déplacement en régate : 7000 kg
  • Équipage 10 à 12 : soit une moyenne de 850 kg à 1020 kg.

Premières impressions

Bien que ce bateau ressemble à un MOTH, car il est entièrement sustenté sur deux foils en T, ce n’est pas, au moins dans sa configuration optimale (1 seul foil sous le vent + 1 foil en extrémité du safran) un foiler symétrique, comme l’est le MOTH.

Dans cette configuration, la force verticale correspondante au déplacement de 7000 kg, se répartie sur les deux foils en T (Central et safran). On en déduit que pour que l’équilibre soit respecté, la portance fournie par ces deux foils sera égale[1] (7000 daN) et opposée (verticale).

[1] Pour simplifier la lecture j’ai pris 1kg = 1daN = 10N

Transversalement, le couple de chavirage (produit pas la force vélique) s’équilibre avec le couple de redressement (Déplacement X distance horizontale CG, Centre de portance).

Le bateau se comporte comme un dériveur, bien qu’il ne soit plus archimédien.

Tout repose sur :

  • L’équilibre Couple Vélique / Couple de redressement

Le couple Vélique est instable à cause de l’irrégularité du vent.

Le couple de redressement est presque constant, en fait il dépend des variations de la gîte du bateau, par contre la masse du bateau est stable.

 

 

 

 

  • La portance fournie par les foils.

La portance est directement liée à la vitesse (et aussi un peu à la gîte). Exactement au Carré de la vitesse V2., ce qui amplifie les effets générés par l’irrégularité de la vitesse.

Toutefois, comme le bateau n’est plus en régime archimédien, il n’est plus soumis aux perturbations créées par l’effet des vagues sur sa carène.

On peut dire que les foils évoluent dans un fluide qui s’apparente à celui que rencontre (à la masse volumique près) une aile d’avion dans l’air.

 

 

 

 

Navigation sur deux foils centraux + le foil du safran

C’est évidemment l’allure la plus stable (le bateau est posé en 3 points), si la force vélique l’est aussi. Par contre lorsque le vent devient instable, et augmente (risée), le couple de chavirement nécessairement augmente, cela de traduit par deux évènements :

  • le foil au vent sort de l’eau, puisque tout l’appui est reporté sur le foil sous le vent,
  • la vitesse du bateau augmente (plus de vent, moins de trainée dans l’eau), la portance suit.

Un nouvel équilibre se met en place.

La gestion de la décélération éventuelle, qui se traduira par l’immersion brutale du foil au vent, si il n’est pas encore entièrement relevé, devra être bien gérée. Dans le cas ou le foil au vent est en position haute, la gestion par l’équipage sera plus complexe.

 

Quelle vitesse ?

Les dessins reconstruits à partir de images de la vidéo, permettent d’avoir une idée de la surface active de foils centraux en T  ainsi que la surface du foil équipant le safran.

  • Foil central : Envergure : 3,9 m – Corde moyenne : 0,55   –  Surface évaluée : 2,14 m2
  • Hypothèse du centrage des poids (répartition des 7000 kg sur les foils centraux et le foil du safran :
    • 80% sur le ou les foils centraux actifs
    • 20 % sur le foil du safran.

La charge du foil central sera donc de :

  • Phase 1 – décollage, le bateau s’appuie sur les deux foils : 2800 daN
  • Portance du foil en prenant en compte son inclinaison : 2873 daN (28730 N)
  • Phase 2 – navigation optimum (appui sur un foil) : 5600 daN
  • Portance du foil en prenant en compte son inclinaison : 5747 daN (57470 N)

 

Portance (en N) = 0,5 * 1025 * Cx * Surface active  (m2) *  V2  (vitesse en m/s)

Cx =0,38 (évaluation du coefficient de portance des foils de bateaux)

1025 = masse volumique d’un m3 d’eau de mer

Soit pour la période de navigation optimale (sur un seul foil central) :

57470 = 0,5 * 1025 * 0,38 * 2,14 * V2

V2 = 57470 / (0,5 * 1025 * 0,38 * 2,14) = 137,90

V= 11,74 m/s ou 22,82 Nds

 

Pour la phase de décollage (appui sur les deux foils centraux), le calcul est identique et donne :

V= 8,30 m/s ou 16,14 Nds

La portance sur le foil associé au safran est plus faible que le 20% théorique, cela donnerait du cabrage au bateau, ce qui ne devrait pas être un handicap dans la phase de décollage.

 

Quelle stabilité ?

Le bateau étant faiblement lesté, le centre de gravité  avec l’équipage qui manœuvre se situe à environ 1,6 à 1,8 m du fond de la carène. Le franc-bord en régime archimédien est de l’ordre de 1,2m. Une analyse de la stabilité (régime archimédien) en utilisant un modèle volumique (en bleu) proche du dessin de la vidéo NZ, donne un Avs de 60 à 65° et un Moment de redressement maximum de 5 T.m à 19° de gîte. Ce qui permet de naviguer afin de préparer la sustentation intégrale.

Mais lorsque le bateau est posé sur son foil latéral sous le vent et contrôlé par le foil qui équipe le safran, nous ne sommes plus dans un calcul de stabilité hydrostatique, mais dans une phase d’équilibre en vol.

Tout reposera alors sur :

  • Le contrôle de la portance, c’est à dire du trim longitudinal du bateau et aussi du réglage de l’angle d’incidence du foil. Ce contrôle doit être réalisé en temps réel et en continu. Comment… ? Centrale à inertie, etc.
  • Le contrôle de la surcharge du moment vélique… même question ?

 

La période de « roulage », c’est à dire le passage de la navigation archimédienne afin d’atteindre la vitesse de décollage, à la sustentation hors de l’eau, le bateau risque de manquer de stabilité. Il peut être envisagé de fabriquer les foil en acier, mais un ballastage liquide latéral dégressif au fur et à mesure que le bateau s’élève peut être une solution technique. Le devis de poids autorise l’utilisation de cette technologie.

 

Instabilité, risques de « chavirage » :

 

Finalement cet AC75, lorsqu’il navigue sur son foil sous le vent (et celui du safran) se comporte comme un dériveur.

Le risque n’est pas le chavirage (capsize) mais ce que l’on nomme communément le dessalage. C’est à dire cette gîte ou le bateau redevient archimédien avec une vitesse nulle, et ou l’équipage tente de le redresser (position Upright – gite 0° -) en s’installant sur la dérive.

Sur ce bateau, il est prévu de remplacer l’action des équipiers pour redresser le bateau, par la manœuvre du foil au vent. Je rappelle que le support de ce foil est en acier (masse 1000 kg).

Les calculs montrent que l’angle de chavirage (Avs) se situe à un angle de gîte de 65 à 75 ° suivant le devis de poids. Reste qu’un dessalage aura des effets pour le moins négatif sur les résultats de la régate.

Quelques calculs :

Devis de poids.

Les NZ annoncent un déplacement de 7T en régime archimédien pour cette coque de 68’. C’est un déplacement léger (DLR IRC =21). Par comparaison en VOLVO 70 a une DLR de 45 pour un déplacement de 14T (avec une  quille/bulbe de 6500 kg). Il ne faut pas oublier qu’avant de voler, le bateau doit acquérir la vitesse de décollage, comme un avion qui roule sur la piste, d’où l’importance d’une carène rapide. De plus les 3 foils en T représentent dans la phase de « roulage » une trainée importante sous l’eau, ce qui accentue l’importance de la carène.

 

La masse des deux foils centraux est d’environ 2000 Kg, ce qui laisse 5000 kg pour le reste des composants du bateau. J’ai chiffré la masse du gréement, voiles, mât à 800 kg, c’est surement exagéré, 500 kg paraissent plus raisonnables.

Les manœuvres des foils

Point N°1 : Il faut de l’énergie pour manœuvrer les deux foils centraux et le foils équipant le safran. On comprend facilement que les foils centraux consommeront 90% de l’énergie. Les solutions « coureurs cyclistes » ou « winchmen » ne fonctionnent plus. Rappelons que Christopher FROOME a été estimé à 0,436 kW/h lors du Tour de France. Cela ne fait jamais de 2 kW/h pour une régate de 5 heures. Pour arriver à manœuvrer les foils centraux, il faudra plus que le Top Ten du Tour de France cycliste sur le pont, ou dans les soutes. L’AC75 NZ n’est plus un « engin de plage » comme l’était le catamaran de la dernière AC.

Les manœuvres de foils de cet AC 75 NZ, demanderont :

  • de l’énergie,
  • des temps de réponse rapides,
  • une fiabilité mécanique, électrique et électronique importante

Pour manœuvrer un foil central de la position navigation (bâbord amure) à la position relevée au vent Tribord amure (cas d’un virement de bord), un rapide calcul montre qu’il faut disposer de :

  • Couple : 1000 kg X 2,15 (bras de levier au début de la manœuvre) = 2150 daN.m
  • Angle à parcourir : 66° environ
  • Temps de manœuvre : 10 secondes
  • Vitesse angulaire : 0,105 rad/s
  • Puissance nécessaire : 2,25 kW

Sur l’hypothèse de 100 virements de bord dans une régate la consommation est de 225 kW, ce qui n’est pas négligeable. Il faut évidemment ajouter les autres manœuvres.

J’exclue d’utiliser comme source d’énergie primaire, un moteur thermique qui fonctionnerait en permanence. Ce moteur étant associé à une génératrice, un stock de batteries tampons et les moteurs électriques accouplés aux organes mécaniques.

De même, je pense qu’un système hydraulique (vérin linéaire ou rotatif) n’est pas approprié, car les déplacements linéaires ou angulaires sont difficiles à contrôler. De plus l’hydraulique impose de la tuyauterie, une réserve d’huile importante et surtout une pression du fluide à 80 ou 100 Bars.

Naturellement la technologie « tout électrique » s’imposera. Ainsi le moteur électrique de chaque système mécanique sera associé à une vis à bille (faible frottement, excellent rendement, réversibilité, masse). C’est par exemple une technologie très utilisée sur les avions pour la commande de sortie de volets hypersustentateurs.

Un des avantages de vis à bille est d’être réversible, cela se traduit par deux transformations de mouvement :

  1. la vis est motrice et l’écrou se déplace en translation
  2. l’écrou est moteur (translation) et la vis est entrainée en rotation.

Cela permet de « laisser tomber » par gravité le foil lorsqu’il est position haute et de récupérer l’énergie électrique fournie par le moteur électrique qui devient génératrice. C’est toujours cela qui est gagné, et c’est gratuit.

Quid des batteries : Oublions la technologie « au plomb ». Un rapprochement avec les initiateurs des Formules E (Formule 1 électrique). Ces voitures (250 km/h) sont équipé d’un pack batterie au Lithium avec contrôleur et charger de 150 à 200 kW/h, pour un poids unitaire de 320 kg. Le poids de 640 kg, 700 avec la structure de stockage dans le bateau, ne pose pas de problème, car il faut atteindre un déplacement de 7000 kg.

On constate que la proposition des NZ développera le travail neuronal des équipes.

 

Une question de matériaux

Un bateau archimédien est un engin relativement soft. Les efforts ne sont pas d’une violence extrême. Dès que l’on aborde la navigation dans deux configurations très différentes ou la vitesse archimédienne peut être multipliée par deux et où apparaissent des pics de sollicitations violent, le choix des matériaux devient prépondérant.

Sur ce type de bateau, les actions mécaniques sur les foils sont du même type que celles auquel est soumis un train d’atterrissage. A 25 nds, l’eau est un obstacle solide, combiné à des décélérations très fortes, les lois de la dynamique génèrent des sollicitations destructrices. Sur ce bateau, du fait qu’il n’y a pas de lest sous forme de bulbe, il n’y a pas de problème de devis de poids pour ne pas dépasser les 7000 kg. Les concepteurs n’ont aucun intérêt à utiliser des matériaux de faibles densités (type composite carbone) dans la fabrication des supports des foils centraux. Cette démarche n’est évidemment pas valable pour la conception du safran et de son foil et « T » associé.

Reste alors les matériaux métalliques à haute limite élastique (environ 2000 MPa). Ce sont des aciers, mais la contrepartie d’une limite élastique élevée se trouve dans une très grande sensibilité à la corrosion sous tension. La moindre piqure de rouille peut générer une fissure qui se développera ultra rapidement. Sur le train d’atterrissage, ces aciers sont cadmiés et peints et surtout inspectés avant chaque décollage. Il existe aussi des « inox » qui atteignent 1700 MPa de limite élastique, mais ces inox sont très chers. Déjà que le forgeage est complexe, l’usinage de finition, est loin d’être une opération aisée. Les poutres qui font office de support s des foils centraux sont encastrées dans la coque. Le moment de flexion à l’encastrement est de l’ordre de 30T.m.

J’exclue les alliages de Titane, bien que certaines nuances arrivent à 1200 MPa, parce la densité du Titane est bien inférieure à celle des Aciers et corolaire son Module de Young est 30% moins élevé que celui de l’Acier. Cela signifie que sa déformation élastique sera bien supérieure à celle de l’acier, ce qui poserait des problèmes pour un bateau qui s’appuie sur foil par l’intermédiaire d’un bras de 3,6m en porte à faux.

 

Conclusion

L’idée paraît géniale, ce sera un bateau ludique ou il faudra maitriser les compétences techniques et le savoir faire des équipages. Le bateau sera difficile à maitriser et nous assisterons à des figures de voltiges impressionnantes.

Pour autant, il ne faudra pas négliger le développement de la carène, car avant de voler il est nécessaire de décoller et celui qui décollera le plus vite prendra un ascendant sur son adversaire. Ces quelques secondes bien capitalisées seront complexes à reprendre. C’est un peu comme le premier virage en Formule 1.

Les conceptions mécaniques, électriques et électroniques rassembleront des pools d’ingénieurs (y compris les Architectes Navals) de haut niveau.

N’est ce pas le but de la COUPE ?

 

Jean SANS – 30 Novembre 2017

PS : Configuration pour les manœuvres de port (stabilité archimédienne maximale)

 

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

 

Jean SANS

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