Pilotage de haut vol : les foils par Jean Sans

VOLER sur des FOILS, mais surtout PILOTER, telle est la QUESTION

 

Introduction de Jean-Philippe Cau, Président de l’UNCL

La Course au Large a toujours mêlé performance sportive et performance technique. Depuis Éric Tabarly, la France est le chaudron de grands marins de très haut niveau et d’écuries professionnelles à la pointe. Le route du Rhum 2018 rassemble un plateau de compétences qui donne le vertige.

Les sponsors ne s’y sont pas trompés, il y a tellement à raconter que tout le monde y retrouvera son compte. CQFD.

À l’heure où les bateaux s’envolent, nous sommes tous conscients qu’une nouvelle ère s’ouvre.

Mais cela pose questions, nous pose questions. D’ailleurs le monde se pose des questions, évidemment pas exactement les mêmes mais pour notre part, l’UNCL, avec l’expertise de Jean Sans, se propose en diffusant cette synthèse, de poser, sur la base des bonnes données, les bonnes questions.

L’analyse de Jean n’est ni une thèse de doctorat physique, ni les foils pour les nuls, mais une vraie synthèse scientifique sur des éléments déjà connus et médiatisés. Très peu de gens sont capables de cet exercice, ce qui en fait sa richesse.

Pour votre information, Jean œuvre depuis l’origine et depuis plus de trente ans pour l’IRC.

L’article est disponible en format téléchargeable pour que vous puissiez l’imprimer et l’étudier de près… Cela en vaut vraiment la peine :

La découverte du vol sur des foils

Cette technique est restée très longtemps confidentielle car étant l’apanage de quelques amateurs éclairés.

Le vol des MOTH nous a montré que c’était impressionnant, et apparemment facile hormis 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 apparait beaucoup plus complexe lorsque le bateau (Foiler) pèse 7 tonnes (IMOCA) ou 15 Tonnes (Trimaran ULTIME).

Il semble que les masses en mouvement de ces foilers dépassent les réactions des pilotes.

 

Au commencement était…

L’idée de quitter le mode archimédien, où le bateau trace son sillon dans l’océan et évolue porté par des plans porteurs ne date pas d’aujourd’hui.

Mais les initiateurs de cette méthode ont rapidement compris qu’il fallait d’abord décoller avant de trouver un régime de vol plus ou moins stable et s’appuyant sur l’eau.

On remarque que tout cela est apparu dans les années 1890 / 1910, en même temps que les premiers avions, et les moteurs thermiques de plus en plus puissants et légers.

Je dirais même qu’un foiler se comporte comme un hydravion.

Avant de voler en appui sur ses ailes ou sur ses foils, il faut quitter le mode « archimédien » et pour cela il faut de la puissance, beaucoup de puissance.

L’analogie avec l’avion continue. Les premiers vols, étaient des sauts de puces : on décollait et on franchissait une certaine distance à une altitude incertaine et on se reposait tant bien que mal.

Au tout début du XXième siècle, eurent lieu les premiers vols motorisés contrôlés, cela signifiait que le pilote décollait d’un point A, effectuait un vol plus ou moins long en contrôlant sa route et son altitude et revenait se poser au point A.

 

En fait, on avait inventé le gouvernail (qui existait déjà depuis plusieurs siècles sur les navires) et on était capable de faire varier l’incidence de la voilure afin de voler, de décoller et d’atterrir, mais aussi de conserver une altitude la plus constante possible.

Aujourd’hui tout cela parait évident mais l’était beaucoup moins lorsque l’aérodynamique était balbutiante.

Le plus amusant est que tous les ingénieurs passionnés d’avions, mais aussi les « merveilleux fous volants sur leur drôles de machines[1] » se jettent sur les travaux en hydrodynamique qu’Osborne REYNOLDS (ingénieur Anglais 1842 -1912) avait réalisés en 1883 pour les navires. Ces travaux ont été immortalisés sous le nom de Nombre de Reynolds.

[1] Film de 1965 retraçant de manière humoristique cette période.

Ce Nombre de Reynolds est un nombre sans dimension, il correspond au rapport entre les forces d’inertie des molécules d’un fluide et les forces de viscosité de ce même fluide.

Il dépend du profil du corps, de la vitesse de déplacement et de la viscosité du fluide.

 

Le plus surprenant est que Reynolds réalisera l’ensemble de ses études pour les navires et particulièrement les hélices, donc pour l’eau comme fluide. Tout ce travail sera transposé sur des ailes et les fuselages d’avions, que ce soit en mode subsonique et supersonique, 70 ans plus tard.

 

Mais revenons aux foils

La partie aérodynamique des foils a rapidement été résolue. Naturellement il y a eu des évolutions dans le choix des profils, mais les ingénieurs disposent maintenant d’une littérature très complète (profils NACA, GOE, SOKOLOV, EPLLER etc.).

Un foil est une aile et sa portance dépend évidemment de sa forme (symétrique, épais, cambré etc.) mais cette portance est étroitement liée à l’angle d’incidence, c’est-à-dire l’angle entre la direction du fluide et la corde de profil de l’aile.

Pour chaque profil, la zone de portance maximale correspond à un angle d’incidence très précis. La portance est relativement proportionnelle à l’angle d’incidence jusqu’à une valeur maximale. Mais quelques degrés en plus et c’est le décrochage pratiquement immédiat, c’est-à-dire une portance nulle.

On remarque que la phase de progression presque linéaire de la portance s’accompagne de l’augmentation de la trainée (élément « négatif »).

 

La marge de réglage pour obtenir la portance maxi est très étroite. Certains profils sont plus tolérants que d’autres, mais c’est un compromis, qui se traduit par des performances plus faibles.

 

En résumé, l’objectif est :

  • De choisir un profil qui produit de la portance, n’oublions pas que c’est la portance qui extrait le bateau du régime archimédien et le fait « voler » en appui sur ses foils, le fluide étant l’eau.
  • De contrôler l’angle d’incidence afin de ne pas décrocher et de voir la portance chuter, ce qui se traduirait par un passage brutal du régime foiler au régime archimédien. La vitesse peut alors chuter de 60% à 70%. Ce changement hydrodynamique peut se traduire par un chavirage.

 

Il est aussi possible que suite à un effet de tangage, le bateau se retrouve avec une assiette longitudinale négative, c’est-à-dire qu’il se met subitement à piquer du nez.

Alors la direction du fluide qui attaque l’intrados du foil change de côté et attaque l’extrados. Cela inverse immédiatement la direction de la portance, et le foil plonge (il agit alors comme les barres de plongée d’un sous-marin), ce qui n’est ni très agréable, ni l’effet recherché.

 

Quand le pilotage d’un foiler devient alors très complexe.

Sur un voilier archimédien le barreur gère la trajectoire (safran) et régule la portance de la Grand-voile. Son équipier (par exemple sur un dériveur) régule la portance du foc et assure l’assiette transversale et longitudinale du bateau.

Mais le bateau reste en permanence dans le domaine archimédien, il prend toutefois quelques libertés lorsqu’il plane, mais encore faut-il que la carène s’y prête.

Les réactions peuvent alors devenir plus sournoises.

Sur un foiler, il faut en plus s’occuper du Foil.

Plusieurs voies seront explorées avec plus ou moins de succès.

En courses « OPEN » (années 80), les foils étaient installés avec une incidence fixe par rapport à la géométrie du multicoque (Voir « PAUL RICARD » par exemple)

On a vite compris que ce n’était pas vraiment la solution.

L’Hydroptère a amélioré ce système en ajoutant un plan porteur horizontal réglable sur le safran central, mais les déboires ont été nombreux. En fait la stabilité de vol était trop tributaire du pilotage.

 

 

 

 

 

 

Forts de ces expériences, les ingénieurs se sont orientés vers les foils « auto régulés », puis rapidement vers des foils à régulation contrôlée.

L’auto régulation implique une forme de foil en V plus ou moins immergée entre le mode archimédien et le mode foiler.

Avec un foil (ou plusieurs) en V, l’effet du lift en soulevant le bateau provoquera la sortie partielle du foil, cela se traduira par une diminution de la surface active, donc une diminution de la portance, donc un effet de « descente » du bateau… Ce qui augmente la surface active, donc le lift… On crée ainsi une régulation quasi automatique de l’altitude du vol. C’est cet effet « d’ascenseur » qui est sensé générer une hauteur de vol plus ou moins constante par modulation de la surface active.

Lorsque l’incidence du foil est fixe, l’équipage utilise l’assiette longitudinale (TRIM) du bateau afin de l’ajuster finement.

Mais dès que le bateau est grand, cette solution n’est plus utilisable.

La vitesse étant une composante de l’effet « lift », elle intervient nécessairement, ce qui impose de modifier l’incidence afin de voler à une altitude constante. On voit que l’auto régulation n’est pas la quintessence pour assurer un vol stable.

 

L’encombrement, le poids des foils auto régulés et les efforts en présence, imposent des structures internes très robustes.

 

 

Enfin les foils en « V » autorisent une altitude de vol assez faible (à cause du « V »), ce qui augmente les risques d’enfournement et les coups de freins générateurs de contraintes lors de l’auto régulation.

 

 

 

 

 

 

 

Les IMOCA sont les « grands consommateurs » de foils « V ».

Qu’ils soient nommés « DALI » ou autrement, la forme de ces foils dépend étroitement de la règle de Classe des IMOCA.

[1] « DSS » = nomme un foil droit ou courbe sensiblement horizontal (comme une aile d’avion)

Les Règles de Classe limitent le nombre d’appendices et le nombre de degrés de liberté de chaque appendice.

Nombre d’appendices : maximum 5, soit 2 foils (ou dérive), 2 safrans, 1 voile de quille.

Degrés de liberté :

  • Pour les foils / dérive : 2, une translation de haut en bas et vice-versa et une rotation d’avant en arrière et réciproquement limitée à 5°,
  • Pour le voile de quille : une rotation avec l’axe dans le plan de symétrie,
  • Pour les safrans : une rotation qui permet de gouverner le bateau (une rotation pour relevage du safran est autorisée si elle ne contribue pas à améliorer la performance du safran).

Il est donc interdit de créer un plan porteur horizontal sur les safrans, ce qui est un sérieux handicap.

Ces contraintes conduisent les architectes à rivaliser d’idées pour trouver le foil du type « mouton à 5 pattes », c’est-à-dire à la fois :

  • foil auto régulateur (« V ») afin de limiter l’utilisation du contrôle de l’incidence et d’amortir

    Winglet (anti vortex)

    les effets des modifications de trim (cabrage, piqué, gite) et aussi de la dérive,

  • foil horizontal (DSS) car c’est la forme qui génère le plus de portance,
  • Dérive s’il est implanté sous le fond du « V » ou sous le « DSS,
  • Winglet anti vortex.

 

Ce cahier des charges est quand même très complexe.

 

Traduction en navigation : un IMOCA s’élève en appui sur son foil sous le vent, sur sa quille pendulaire qui du fait de son axe incliné fournit un peu de portance malgré son profil symétrique, et sur la partie arrière de la surface de sa carène.

 

 

L’assise du bateau sur l’eau en mode Foiler

Quel que soit le type de bateau, le point important est la surface d’assise sur l’eau en mode foiler.

En effet on peut assimiler chaque plan porteur au contact avec l’eau comme un point unique.

Pour qu’un solide soit automatiquement stable, il suffit de 3 points d’appui.

Les paysans avaient rapidement découvert que pour fabriquer un tabouret pour traire les vaches, 3 pieds suffisaient afin d’avoir une bonne stabilité quand on est assis.

Pour un foiler, la règle est identique (!).

 

 

 

 

L’avantage du multicoque se situe dans sa forme naturelle qui génère un triangle dont la base arrière est importante (distance entre les safrans).

Pour un Monocoque c’est plus compliqué à cause de sa largeur et de son ratio Largeur / Longueur.

  • S’il est équipé de 2 safrans, la configuration plan porteur sur chaque safran + un plan porteur sur le foil sous le vent (la quille au centre ou basculée au vent) est réalisable pour des bateaux ayant un ratio BMAX / LH de 0.45 environ. Le Mini SEAIR 747 qui fait 6.5 X 3.0 en est l’exemple (voir ci-dessous à gauche).

 

 

 

 

 

  • S’il est équipé d’un seul safran, la configuration devient : deux plans porteurs très écartés et très en avant + un plan porteur horizontal sur le safran (voir ci-dessus à droite),

Mais il y a toujours des exceptions à la règle, voir le MOTH.

LOA 3.55m, SVoile : 8m2, Poids gréé : 35kg,

Déplacement en navigation 115 kg avec un barreur de 80 kg

  • plan porteur principal symétrique en « T » au centre.
  • plan porteur secondaire symétrique en « T » sur le safran.

 

Pour l’équilibre… un skipper funambule.

Cela fonctionne très bien, mais ce n’est pas transposable.

Enfin presque…

La régulation contrôlée de l’altitude de vol devient indispensable dès que l’on utilise des plans porteurs horizontaux. Le foiler se pilote alors comme un avion.

Exemple de plan porteur central en « L » sur un multicoque.

Cela signifie qu’il doit exister un ou plusieurs systèmes de commande qui permettent de modifier l’équilibre du foiler lorsqu’il est en vol.

La carène évolue relativement près de la surface de l’eau.

Le trim (tangage) dépend du contrôle de l’équilibre longitudinal du foiler. C’est ce que l’on nomme « centrage » sur un avion, c’est-à-dire le mouvement du foiler autour de son centre de gravité suivant l’incidence de son empennage arrière.

La modification de l’incidence sur les foils centraux agit sur la valeur de la portance, mais en aucun cas ne permet de contrôler la trajectoire de vol.

 

Conditions d’équilibre longitudinal

Le point d’équilibre est le Centre de Gravité du bateau. Le foiler pivote en permanence autour de ce point.

Il y a trois couples :

  • le couple créé par la force propulsive des voiles. C’est un couple à piquer autour du CG,
  • le couple créé par le LIFT (portance) des foils (de sens contraire au précédent). C’est un couple à cabrer autour du CG,
  • le couple généré par le calage du foil horizontal qui équipe le safran est soit un couple à cabrer, soit un couple à piquer.

 

Le contrôle de ce couple (plan porteur du safran) permet d’équilibrer la somme des couples générés par la force vélique et la force de portance.

Cela correspond à la régulation contrôlée.

Ci-contre : plan porteur escamotable verticalement sur un safran et fletner pilotant la rotation du safran.

 

 

 

 

 

 

 

 

Cet équilibre n’est possible que si le Centrage du bateau est un Centrage Arrière, c’est à dire que son centre le gravité en navigation se situe en arrière du centre de portance des foils avant.

Ce qui correspond à l’équilibre :           Mt Vélique = Mt Lift + Mt Empennage AR.

 

Conditions d’équilibre transversal

Les conditions d’équilibre longitudinales sont, dans la forme, identiques à celles d’un avion (à l’exception de la hauteur de la force propulsive).

Sur un foiler, la composante transversale de la force propulsive existe toujours (réminiscences du mode archimédien). Cette composante devra être prise en compte si on ne veut pas chavirer.

Cela implique que les trois forces suivantes doivent être concourantes :

  • poids du bateau,
  • poussée produite par les foils,
  • poussée produite par la voilure (sa composante transversale).

Cette relation est très complexe à obtenir en permanence car un paramètre est totalement indépendant du pilote : La vitesse du vent réel qui est une des composantes du vent apparent.

 

Mise en œuvre afin d’assurer les conditions de vol.

Le nombre d’appendices et leurs degrés de liberté dépendent essentiellement des règlements des Classes.

Certaines Classes, dont la Classe IMOCA, imposent les règles restrictives.

À l’opposé, d’autres Classes laissent toutes libertés.

Revenons aux moyens à mettre en œuvre afin d’assurer de bonnes conditions de vol en prenant l’exemple des trimarans « ULTIME » :

  • Deux plans porteurs horizontaux à l’arrière solidaires des safrans (coque centrale et flotteur sous le vent). Le plan porteur implanté sur le safran de la coque au vent est relevé.

Ce plan porteur horizontal aura un profil symétrique car sa portance devra alterner, soit vers le haut, soit vers le bas afin de générer le couple à piquer ou le couple à cabrer de la plateforme.

Deux méthodes alternatives sont utilisées :

  • le safran ne possède que le mouvement de rotation conventionnel (axe vertical) et le plan porteur est équipé d’un volet qui s’oriente par exemple de -20° à +20°, ce qui permet d’inverser le sens de la portance. C’est efficace car l’angle de réglage important du volet permet d’obtenir une grande sensibilité de la portance. Par contre, c’est plus complexe en termes d’ingénierie.

  • le plan porteur, qui est aussi symétrique, est fixe sur le safran. L’obtention de l’inversion de la portance est réalisée avec la rotation du safran autour d’un axe perpendiculaire au plan de symétrie du flotteur ou de la coque centrale (ce système fonctionne un peu comme le TRIM d’un moteur hors-bord). Le système mécanique apparait comme moins souple à gérer que la technique du volet de bord de fuite.

 

  • Un appui principal sur la coque sous le vent (foil en « L »). La « puissance » du Lift se trouve dans ce foil. Il sera donc animé du maximum de possibilités de réglage :
    • un réglage de l’angulation transversale de l’intérieur vers l’extérieur et vice et versa (nommé le « Cant »),
    • un réglage de l’angulation d’avant en arrière et vice versa pour modifier l’angle d’incidence (nommé le « Rake »),
    • un réglage de l’orientation (axe vertical, nommé « Yaw »).

Ces réglages sont utilisés pour moduler la « puissance » de la portance et indirectement de diminuer la trainée.

Au final chaque foil possède 4 degrés de libertés (3 rotations Ox, Oy, Oz et une translation Ty)

Chaque mouvement (hors translation), sera obtenu par un vérin électrique ou hydraulique car les forces en présence sont importantes et les bras de levier pour les appliquer sont de faible dimension.

 

Les moyens technologiques afin d’obtenir ces mouvements

La règle 52 « ENERGIE MANUELLE » des RCV (World Sailing) précise que « les voiles, les appendices mobiles de coque doivent être réglés et manœuvrés uniquement par la force fournie par l’équipage ».

Par réalisme, les règlements de Classes amendent obligatoirement cette règle.

Sur un foiler de 30 mètres, les masses en mouvement et la vitesse de déplacement engendrent des efforts très importants et nécessitent des temps de réaction qui dépassent les capacités de l’équipage.

L’industrie produit des actionneurs (combinaison d’un vérin hydraulique et de son système de contrôle). Certains possèdent aussi leur source d’énergie intégrée.

Ces équipements sont nombreux notamment dans le domaine aéronautique.

Sur les foilers, les courses de vérins nécessaires sont relativement faibles 100 à 350 mm.

À la vitesse à laquelle le bateau vole au-dessus de l’eau, le contrôle du foil et des plans porteurs arrière est essentiel. Ce contrôle doit être réactif, précis et fiable.

Ce qui vient d’être énoncé pose déjà un problème car si mécaniquement cette technologie est connue et universellement utilisée, son implantation sur un bateau impose aux responsables des Classes une réflexion et une rédaction de la règle 52 (ci-dessus) très précise.

 

Du concept de « boucle ouverte » ou de « boucle fermée »

Ce sont les concepts de base pour toute action mécanique.

La « Boucle ouverte » (BO) est la solution la plus simple : il s’agit d’une régulation sans aucun contrôle, ni retour d’information entre l’entrée (ce que l’on souhaite obtenir) et la sortie du système (ce qui est réellement réalisé).

Exemple : Un mobile possède une vitesse de 1m/s.

La consigne à réaliser est un déplacement de 100m.

En boucle ouverte, vous actionnez le moteur pendant 100s.

Normalement au bout de ces 100s, le mobile est arrivé à destination, sauf s’il y a du vent de face.

En « boucle ouverte », vous supposez que tout s’est correctement déroulé, ce qui n’est pas le cas dans cet exemple.

La « Boucle fermée » (BF) est beaucoup plus subtile.

Le principe est le suivant :

La consigne que l’on souhaite atteindre, ici 100m, est constamment comparée à la valeur effective à l’instant T.

On a ajouté un comparateur qui calcule en permanence la différence entre l’objectif à atteindre et la route réellement parcourue.

C’est uniquement lorsque cette différence est nulle que le système est stoppé.

La « Boucle fermée » correspond à l’homme, nous nous déplaçons en permanence en « boucle fermée ».

 

La « Boucle fermée », est-elle l’unique clef d’un vol stable pour un foiler ?

Il apparait rapidement que ce n’est pas en installant des boucles fermées sur tous les actionneurs (vérins de commande) que les problèmes de la stabilisation du vol seront résolus. Et cela simplement parce que le nombre de réglages est trop important pour que le pilote puisse les contrôler de manière cohérente et adéquate.

Un actionneur (par exemple un vérin hydraulique ou électrique de barre franche) peut très bien fonctionner en boucle ouverte (BO), on considère alors qu’il réalise ce qu’on lui impose, sans contrôle du résultat, ou alors fonctionner en boucle fermée (BF), les informations de mouvement lui sont envoyées tant que la consigne recherchée n’est pas réalisée.

Les pilotes automatiques de nos bateaux en BF sont préférables à ceux en BO, bien que ces derniers donnent satisfaction. Mais nous sommes en mode archimédien où les vitesses sont faibles et l’influence du milieu plus stabilisée.

Sur un foiler, il ne faut pas raisonner en contrôlant chaque actionneur, mais en contrôlant des groupes d’actionneurs.

Il faut gérer des sous-ensembles, par exemple pour le foil qui possède 3 degrés de liberté (3 rotations possibles) en plus de sa translation verticale, ce foil sera équipé de 3 actionneurs hydrauliques.

Que chaque actionneur remplisse les consignes qui lui sont imposée ne suffit pas. Il faut nécessairement qu’elles correspondent de manière cohérente à ce que l’on attend du foil à cet instant.

En fait le problème est inversé.

Devant une situation, le pilote décide d’une réaction immédiate.

Cette réaction suppose que des consignes différentes soient immédiatement envoyées à chacun des actionneurs tant que la fin de la demande du pilote (sa réaction) n’est pas validée.

C’est sur la demande en tant que telle, que se trouve reportée la « boucle fermée ».

Les BF de chaque actionneur sont évidemment nécessaires, mais le fondamental se trouve dans le contrôle de la demande du pilote. Tant que les consignes liées à cette demande ne sont pas atteintes, les différents actionneurs doivent être indépendamment alimentés en information (l’incidence d’un volet est augmentée, celle d’un autre volet l’est moins, etc.)

Au final entre le pilote qui agit sur le joystick pour déclencher sa réaction et les actionneurs du sous-ensemble, il y aura obligatoirement un algorithme qui calculera, transmettra, contrôlera la réalisation de l’action. Le tout en Boucle Fermée.

Ce principe est appliqué sur les voitures avec l’ESP et l’ABS.

Confronté à un évènement inattendu et imprévisible, le chauffeur réagit en agissant sur le volant. Réceptionnant ces informations, les deux algorithmes de l’ESP et de l’ABS agissent en freinant indépendamment les roues afin de corriger la trajectoire de la voiture.

Tout se fait sans autres interventions du pilote, que la trajectoire qu’il transmet par la rotation du volant et la pression sur la pédale de frein et/ou de l’accélérateur.

 

Sur un foiler c’est encore plus complexe car la demande du pilote ne concernera pas le foil seul (et ses actionneurs) mais le mouvement de la plateforme dans son ensemble, c’est-à-dire son vol en 3D alors que pour une voiture on évolue en 2D.

 

En conséquence l’algorithme gérera l’ensemble des actionneurs en tenant compte du souhait du pilote mais aussi des paramètres extérieurs (vent, angle par rapport au vent, état de la mer, vitesse, gite, trim, etc). L’algorithme devient le DIRECTEUR de VOL.

Perception et Réaction du pilote versus Réaction de l’Algorithme.

Confronté à un évènement, un incident, une modification durant le vol, le temps de perception d’analyse et de réponse du pilote est largement supérieur à celui des capteurs et des analyses de l’algorithme ad-hoc.

On peut ajouter qu’il n’est pas évident que la réponse (sa réaction) du pilote soit la plus appropriée pour contrecarrer cet évènement et cela bien qu’elle paraisse logique à première vue.

Exemple : Choquer la grand-voile en cas de survente parait être la réaction logique de l’équipage, mais bien souvent cela ne suffit pas pour éviter un départ au lof. L’algorithme, par l’intermédiaire des informations reçues en continue des capteurs (gîte et trim du bateau, accélération du vent, angle de barre, etc.), anticipera l’évènement et agira sur les actionneurs dédiés au pilotage.

Pour autant le pilotage sans aide d’algorithme est possible. La preuve est fournie par les pilotes d’avions de voltige où l’ensemble des manœuvres qu’ils initient sont exclusivement manuelles, sans aucun contrôle ni aide à la décision.

Il ne bénéficie que d’informations visuelles (afficheurs sur le tableau de bord, visualisation de la trajectoire) et de la perception de son corps des mouvements de l’avion.

Une seule limite lui est imposée, c’est le temps de pilotage, donc de concentration.

Sur un foiler, le temps de navigation, de vol est très long (surtout en solitaire). Ajoutons que contrairement à la voltige aérienne le fluide dans lequel évolue le foiler est beaucoup moins homogène que celui qui entoure l’avion ainsi que la régularité de la puissance disponible.

Le niveau de technicité d’un foiler modifie la navigation et principalement son contrôle, les règles du domaine archimédien ne sont plus applicables au mode foiler.

 

Quel niveau d’aide autorisé au sens de la règle 52 « ENERGIE MANUELLE » des RCV ?

Il y a quatre niveaux d’autorisation.

Niveau 0 : Tous les actionneurs fonctionnent en « boucle ouverte ».

C’est le cas des voiliers en général.

Quand un équipier actionne le vérin de hale-bas, c’est une « boucle ouverte », dans le sens où c’est la perception de l’équipier qui lui conseille d’actionner la pompe hydraulique ou le palan. Quand il lit l’anémomètre, c’est lui qui interprète la lecture.

La seule intervention d’un algorithme apparait dans un logiciel de navigation et de routage qui utilise les données immédiates (anémomètre, vitesse, angle par rapport au vent, fichier météo, etc.) afin de proposer des prédictions de route à 12, 24, 36 heures.

Niveau 1 : Les actionneurs fonctionnent indépendamment en « boucle fermée ».

Les AC75 (catamaran ou foiler à venir) fonctionnaient sur ce principe.

Le navigateur et le barreur disposent d’un certain nombre de schémas de navigation préétablis qui correspondent chacun à des préréglages et des actionneurs.

Le navigateur et le barreur choisissent le schéma le plus approprié au segment de navigation à réaliser. Ils disposent uniquement de la possibilité d’ajuster certains réglages sur des plages très limitées afin d’affiner les paramètres de vol.

Mais tout repose sur le paramétrage des schémas de navigation identifiés préalablement et sur les équipiers.

Les réglages de la voilure sont manuels (BO), avec des winches, des palans ou même des vérins.

Niveau 2 : C’est le fonctionnement du vol du MOTH.

Sur un MOTH, il y a un plan porteur principal central et un plan porteur arrière (profil symétrique) qui se trouve à l’extrémité du safran (qui agit comme un empennage arrière d’un avion).

La portance assurant le vol est intégralement fournie par le plan porteur principal.  Cette fonction est intégralement asservie (BF) par l’utilisation d’une « canne de détection » articulée et située à l’étrave. Ce palpeur traine dans l’eau et renseigne de la hauteur de vol et de la vitesse.

Cette information est transmise par des jeux de bielles et de renvois à un volet du plan porteur principal (portance).

Sur certains modèles de MOTH, le pilote dispose d’une commande complémentaire de puissance de la portance en pré-orientant le voile de la dérive (sorte de réglage de la quête de la dérive). Mais cette régulation est entièrement automatique.

Le corps du safran est articulé en plus de l’axe vertical, autour d’un axe transversal, ce qui a pour effet de permettre au plan porteur arrière de générer une portance vers le bas ou vers le haut. Suivant le sens de la portance, le MOTH se cabre ou pique du nez. Il conserve ainsi une assiette longitudinale presque en permanence horizontale.

Mais c’est le pilote qui assure le contrôle manuel du plan porteur arrière et qui affine les conditions de vol (gite, survente etc).

Le MOTH est un mauvais exemple de monocoque sur foil car l’équilibre latéral n’existe que parce que le barreur est un funambule.

Cette configuration est impossible à imager sur un monocoque qui souhaiterait voler dans une configuration identique intégralement au-dessus de l’eau.

Le classement en Niveau 2 est justifié par le fait qu’il y a toute une partie de la gestion du vol qui est entièrement automatisée. Le palpeur avant et ses organes de transmission représentent une sorte d’algorithme mécanique autonome.

Niveau 3 : L’ensemble des actionneurs fonctionnent indépendamment en « boucle fermée » MAIS ces actionneurs sont regroupés en entités (par exemple tous ceux dédiés à un foil, tous ceux dédiés au safran, etc).

Chaque actionneur appartenant à une entité reçoit en continu des informations de position. Ces consignes sont gérées en continu par un asservissement en boucle fermée afin que l’entité réponde à sa mission. Toutes ces entités sont gérées par un algorithme général qui contient les équations de base de vol.

Cet algorithme général intègre les paramètres extérieurs (vent réel, vent apparent, cap, vitesse, etc.) ainsi que l’assiette de la plateforme et les réglages de voilure (trimaran par exemple).

Cet algorithme général fournit à chaque entité un objectif, à charge de chaque entité d’utiliser son algorithme propre pour fournir aux actionneurs qui la composent les consignes nécessaires et de lui rendre compte en continu de l’avancement de la consigne.

La réponse à la question Quel niveau d’aide autorisé au sens de la règle 52 dépend des règlements édictés par les Classes ou les Organisateurs.

Cela pourrait se résumer en une alternative : Régater avec ou sans « Intelligence Artificielle » ?

En d’autres mots, si on se limite aux Niveaux 1 et 2, il faut admettre et c’est d’autant plus vrai en navigation en solitaire :

  • que le pilote limitera volontairement l’utilisation optimale de son bateau. On parle de 50 à 60% pour un ULTIME naviguant en solitaire,
  • que dans certains cas, même en pilotage manuel, le pilote sera « dépassé » par la puissance de la machine et la subira sans pouvoir en reprendre le contrôle,
  • que même en régime volontairement « dégradé », le risque de perte de contrôle du bateau et d’un éventuel crash reste important,
  • que le mythe de la navigation facile par beau temps n’existe plus à cause du vent apparent généré par la navigation sur foils (dernièrement un kite sur foil a navigué à 24 nœuds par un vent réel de 6 nœuds).

Par contre si le Niveau 3 est la règle, c’est le mode sportif qui est alors dégradé car ce sont les performances des algorithmes et des asservissements qui deviennent prépondérantes.

 

Cruel dilemme ?

 

Enfin qu’en est-il de l’énergie ?

Hormis le MOTH, tous les autres Foilers sont très voraces en énergie électrique et donc pour les foilers transocéaniques en énergie fossile.

On s’éloigne beaucoup du concept de sport propre qui souhaite être souvent attaché à la course offshore.

 

Jean SANS

14 Octobre 2018

Le Nouvel AC75 NZ par Jean Sans : configuration Archimédienne à une configuration Foiler

Version 3.2 (Suite du papier 2.1du 12/12/2017 & 2.2 du 10/01/2018)

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/

Préambule :

Mes deux précédents papiers du 12 décembre 2017 et du 10 Janvier 2018 étaient basée sur la vidéo d’excellente qualité produite par TEAM NZ, (image de synthèse), qui présentait les grandes lignes du nouveau AC75.

J’ai décortiqué les images pour en déduire les plans du bateau et surtout pour le dimensionner (c’est le plus important).

En m’appuyant sur des calculs basés sur les très rares paramètres connus, à savoir un déplacement archimédien d’environ 7000 kg et une vitesse annoncée de 22 nœuds sur un seul foil central et le plan porteur arrière, j’ai imaginé ce que pourrait être ce bateau révolutionnaire.

Pour la première fois on nous propose de faire régater, d’une configuration Archimédienne à une configuration Foiler un monocoque de 20 mètres et de 7 tonnes.

Tout simplement cela signifie qu’il sera nécessaire de générer une portance verticale de 70000 Newtons (soit en langage courant 7 tonnes de portance verticale). Ce qui est loin d’être évident.

D’autant plus qu’il ne suffit pas de décoller, il faut ensuite évoluer car c’est une régate.

Si on se réfère à l’histoire, les premiers vols des  frères WRIGHT ont réellement préfiguré ce que serait un avion parce qu’ils avaient aussi inventé les moyens techniques permettant de contrôler leur avion, c’est à dire, décoller, virer, atterrir.

Pour l’AC75, le problème est identique : voler, OK c’est assez « facile », mais prendre un départ de régate, virer une bouée et répondre à un engagement présente d’autres difficultés.

Si on ajoute que pour être performant, il faudra voler à une altitude relativement constante en permanence, on conçoit que les difficultés ne sont pas mineures.

 

La transition Archimédienne / Foiler :

Avant d’aborder l’analyse des règles de classe de l’AC75 fournies par TEAMS NZ, il faut présenter les particularismes de ces deux modes de navigation.

https://drive.google.com/file/d/1jlbGdGZ-XERd63SGESoMamTgGZdRiPZJ/view

Navigation Archimédienne : Le voilier est un monocoque, sa stabilité (ne pas chavirer) dépend essentiellement de la position verticale de son centre de gravité.

En d’autre terme, cela dépend de la surface situé sous la partie positive de la courbe. La stabilité est proportionnelle à cette surface.

L’obtention de la vitesse dépend entre autres de la surface de voile. La surface de voile se traduit par une force propulsive (qui permettra peut-être de décoller) et une force latérale, qui va générer la gite et au pire provoquer le chavirage.

 

 

Navigation Foiler : C’est un domaine proche du vol d’un avion.

 

Conditions d’équilibre longitudinal

Le point d’équilibre est celui de l’application du Centre de Gravité du bateau.

Pour synthétiser il y a trois couples:

  • Le couple créé par la force propulsive des voiles. C’est un couple à piquer autour du CG.
  • Le couple créé par le LIFT (portance) des Foils (de sens contraire au précédent). C’est un couple à cabrer autour du CG.
  • Le couple à Cabrer ou à Piquer dépend du calage du foil qui équipe le safran. Ce couple va permettre d’équilibrer la somme des couples vélique et portance.

Cette synthèse est correcte à condition que le « Centrage du bateau soit un Centrage Arrière », c’est à dire que le centre de Gravité du bateau soit en arrière du centre de portance des foils.

Soit :    Mt Vélique = Mt Lift + Mt Empennage AR.

 

 Conditions d’équilibre transversal

Les conditions d’équilibre longitudinales sont, dans la forme, identiques à celle d’un avion (à l’exception de la hauteur de la force propulsive).

Sur un foiler, la composante transversale de la force propulsive existe toujours (réminiscences du mode Archimédien). Cette composante devra être prise en compte si on ne veut pas chavirer.

Cela implique que les trois forces  suivantes:

  • Poids du bateau
  • Poussée produite par les foils
  • Poussée produite par la voilure (composante transversale).

Doivent être concourantes

Cette relation est très complexe à obtenir en permanence car un paramètre est totalement indépendant du pilote : La vitesse du vent réel.

On comprend que les critères de stabilité relatifs aux deux modes (Archimédien et Foiler) sont différents.

Cela va rendre chaque mode problématique, tout comme la transition entre ces deux modes.

Les règles de Classe AC 75 (publication TEAM NZ) :

C’est un texte très complet (63 pages) qui est allé très loin dans les détails.

Le but recherché étant de limiter les interprétations de la règle en cas d’incertitude sur la compréhension de certaines parties du texte.

Ces cas d’incertitudes déstabilisent les TEAMS, car elles interrompent momentanément leurs travaux ou les orientent sur des analyses erronées.

La règle paraît très ouverte malgré le fait qu’elle impose une monotypie à restriction.

Les objectifs des Règles de Classe AC 75 sont :

  • D’avoir des bateaux puissants qui ne chavirent pas latéralement lorsqu’ils naviguent en mode Archimédien ou Foiler.
  • D’avoir des bateaux qui ne risquent pas de chavirer longitudinalement.
  • D’avoir des bateaux ayant un potentiel de vitesse assez proche.
  • De fournir des équipements de base comme le mat, les bras des foils et leurs système de commande (vérin de relevage et descente du Foil) afin que les TEAMS ne se lancent pas dans des recherches compliquées et chères mais aussi risquées mécaniquement donc moins fiables.
  • Limiter les caractéristiques des matériaux et les techniques de mise en œuvre.

De ces quatre items, vont découler des prescriptions que les TEAMS devront respecter.

Toutefois les TEAMS gardent une grande liberté d’action puisqu’ils ont à concevoir:

  • La coque du bateau en respectant une longueur comprise entre 20.6 et 20.7m et une largeur minimale pour le BMAX de 4.8m et de 4m pour  le tableau arrière.
  • les Foils et les volets de bord de fuite (flaps) qui leur sont associés
  • l’attache des Foils sur les bras
  • les systèmes de commande mécanique ou électrique des volets de bord de fuite
  • le safran (avec ses deux axes de rotation vertical et horizontal), son plan porteur arrière
  • les voiles, bien qu’il y ait des prescriptions à respecter.

Le devis de poids de base détaille les différents postes du bateau :

 

La lecture des « CLASS RULES AC 75 – REGLES de CLASSE AC75 » montre que TEAM NZ souhaite que les bateaux soient réellement sûrs dans les deux modes de navigation, Archimédien et Foiler.

 

 

 

 

 

 

En mode Archimédien, le risque est le chavirage latéral car le bateau dont le ratio BMAX / LH minimale est de 0.23 (un JPK 10.10 possède un ratio de 0.33, un IMOCA qui est certes un plus lourd -7800 kg- à un ratio de 0.31) n’a pas de bulbe alors que sa conception est plutôt basée sur une stabilité de poids.

En effet en mode Archimédien, il sera nécessaire de produire de la puissance pour atteindre la vitesse de décollage afin de s’extraire de l’eau. C’est dans cette condition de navigation que le risque de chavirage sera maximale.

Le lest se résumera aux foils (Bras + Wings) immergé, soit 2350 kg, soit un ratio Lest / Déplacement de 31%.

Les Règles de Classes imposent deux prescriptions importantes

  • que le centre de gravité de l’ensemble (Bras + Wings) soit au moins à 3.5 m du centre de rotation du bras. Comme c’est TEAM NZ qui fournit le bras, tout laisse à penser que la masse de ce dernier sera la plus faible possible (composite Carbone) et que les TEAMS devront fabriquer des Wings dont une partie des matériaux auront une masse volumique élevée (acier ou plomb). Que les centre de gravité de la coque + safran + mat + Bowsprit + Grand-voile (3720 kg) soit à moins de 2.9m de la flottaison Archimédienne. La conception de la coque est basée sur une monotypie à restriction très contraignante. Pas moins de 25 articles devront être respectés par les designers des TEAMS. Les Règles imposent un volume de coque minimal de 70 m³ dont 40 m³ de volumes étanches, ce qui traduit encore la volonté de garder les bateaux à flot en cas de chavirage ou de capsize.
  • que la position longitudinale de l’ensemble coque + safran + mat + Bowsprit + Grand-voile + Foils (sans l’équipage) soit situé entre 9 m et 9.6 m du point de référence situé sur la verticale du tableau arrière. Que le centre de portance des foils soit situé entre 10 et 12 m du même point de référence sur le tableau arrière.

Ces deux ensembles de prescriptions traduisent bien, pour l’item (1) la volonté d’éviter les chavirages en mode Archimédien et pour l’item (2) de s’assurer d’un centrage arrière (le centre de gravité du bateau avec l’équipage est constamment en arrière du centre de portance en mode Foiler ce qui limite les possibilités de Capsize par l’avant).


  •  Item (1)                                                                                                                                                             Class Rules (position Docking)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Afin d’assurer la stabilité transversale j’avais fixé la masse du Foil (Bras + Wing + Flap) à 1750 kg. Pour arriver à cette masse j’avais considéré que le Bras était en fabriqué en composite Carbone et le Wing en acier, dans le but d’attribuer deux fonctions au Wing : générer de la « Portance » (foil) pour décoller et assurer la fonction « Bulbe » pour conserver de la stabilité latérale lorsque la puissance demandée est maximale.

Cette option à deux inconvénient, elle impose de fabriquer un ensemble Coque / Pont / Mat plus légère et surtout elle surenchérit la fabrication du Wing en imposant pratiquement un usinage 3D sur une machine-outil.

Il faut aussi bien voir qu’en mode Archimédien, le centre de gravité des Foils (Bras + Wing) se situe à environ 1.5 m sous la flottaison, ce qui est loin d’être usuel sur un bateau de 20 mètres.

Les Règles de Classes précisent pour chaque « Foil » (Bras et foil porteur) que le Bras est fourni et que la masse totale  de l’ensemble, énuméré ci –dessous, ne doit pas dépasser 1175 kg:

  • Bras (Foil Arm)         Foil  (Foil Wing) : plan porteur
  • Flap                          Liaison d’assemblage mécanique entre le Bras et le Foil

 

Dans le dessin ci-dessous je n’ai pas pris volontairement la partie du bras (longueur 0.285 m) à l’intérieur de la coque (accrochage du vérin de commande).

Arm:

Longueur 4.4 m

Corde moyenne 0.52

Section moyenne des profils:

NACA 0012-64 = 0.0244 m²

Volume évalué: 110 dm³

Approximation avec une fabrication en structure carbone ;

Masse = 220 kg

Foil + Flap + Liaison:

Longueur 4 m

Corde moyenne 0.52m

Profil 12% (section : 0.0224 m²)

Masse Foil à respecter = 1175 – 220 = 955 kg

 

La construction géométrique du barycentre (position du Centre de Gravité de l’ensemble Bras + Foil) montre qu’avec cette distribution des masses (220 kg et 955 kg) on est largement au delà du cercle de 3.5 m imposé par les Règles de Classe.

En translatant parallèlement le segment de droite oblique de la cible verte à l’intersection avec le rayon de 3.5 m imposé, on obtient une masse du bras de 440 kg, ce qui impose une masse du Wing + Flap de 735 kg.

Il faut attendre de connaître exactement la masse complète du Foil-Arm pour déterminer celle du Foil-Wing + Flap.

Sur cette base le couple maxi pour relever le Foil (Arm + Wing + Flap) est de 1175 * 3.5 = 4.1 T.m.

Avec l’hypothèse d’un bras plus léger (220 kg) : le couple maximal nécessaire pour relever le Foil sera de 1175 * 3.905 = 4.588 T.m

En fait les TEAMS vont travailler sur la conception des éléments suivant :

  1. La liaison entre le Bras et le Wing, sachant que c’est une liaison à 90° dans laquelle devront s’encastrer l’extrémité du Bras et le Wing. Pour le Wing le problème sera plus complexe car le Wing se partagera en deux demi-plans porteur, évidemment fabriqué avec des fibres continues, mais dans cette zone le moment fléchissant de chaque demi-plan porteur sera maximal.
  2. L’intégration des flaps et des commandes de ces flaps, qu’elles soient mécaniques ou électriques. Les commandes électriques devraient toutefois avoir les faveurs des TEAMS, car l’amplitude angulaire de 122° entre la position « Docking » et la position « Relevage intégral » ne sera pas simple à gérer.
  • Item (2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il semble que la partie porteuse des Foils (Wings) doit être symétrique, ce qui interdit l’ajout d’un Winglet a l’extrémité intérieure du Foil, ce Winglet permettant d’améliorer la stabilité transversale en mode Foiler.

 

Le système de relevage des Foils (FCS : Foil Cant System)

Le FCS assure la rotation des Foils (Bras + Wing + Flap) autour d’un axe longitudinal, parallèle à l’axe longitudinal du bateau ainsi que celui du safran autour d’un axe transversal (contrôle de l’incidence de l’empennage arrière).

Dans mon précédant papier je suggérais, qu’il serait nécessaire de détacher le vérin pour passer de position Docking à Navigation et vice-versa. En fait les CLASS RULES ne parle à aucun moment de la position « Docking ». Cela signifie que le vérin assurera l’ensemble du mouvement des foils depuis la position ou le bras est « vertical » (ex position « Docking ») à la position la plus élevée (rotation de 120°)

Autre précision des Règles de Classe AC 75: Le FCS sera équipé d’un dispositif du type « fusible » si un équipage est tenté d’utiliser un des Foils comme élément améliorant le moment de redressement.

En fait le Foil est prévu pour avoir uniquement trois positions : position « Docking », position intermédiaire (largeur maximale) et position haute, soit environ 120° entre les positions extrêmes.

Le FCS, qui est fourni par TEAM NZ, comportera une batterie intégrée. Il est autorisé d’ajouter des batteries supplémentaires.

La source électrique utilisé par le FCS sera suffisante pour couvrir une régate.

L’hydraulique sera utilisée comme source d’énergie pour alimenter des pompes hydrauliques nécessaire à la manœuvre des voiles, mais avec deux restrictions :

  1. Uniquement avec les mains…. Donc plus de vélo sur le pont.
  2. Sans utiliser d’accumulateurs d’énergie.

Enfin les systèmes d’asservissement en « boucle fermé » sont interdits (Feedback).

 

Le passage du mode Archimédien au mode Foiler : « décollage »

Le calage initial des Foils (angle d’incidence) est défini par le TEAM.

Il devient ainsi fixe durant toute une régate car le FSC ne permet pas de modifier l’inclinaison longitudinale de l’axe de rotation du Foil.

La navigation en mode archimédien est un élément important, on évoque que le bateau décollerait avec 9 nœuds de vent.

La puissance (voiles) sous-entend que le bateau possède un RM1° important (raideur).

Il sera donc nécessaire de jouer dans un premier temps avec les deux positions (« Docking » et « Intermédiaire ») pour obtenir un couple de redressement qui permette d’utiliser la puissance fournie par les voiles.

On utilisera surement au début le foil en position « Docking », comme quille verticale et le foil « intermédiaire » au vent comme « quille pendulaire ».

Pour  contrôler les intentions « à cabrer » ou « à piquer » il faut jouer (en utilisant le FCS) sur la rotation autour d’un axe transversal de l’empennage fixé au bas du safran :

L’empennage arrière est un profil symétrique.

  1. Si on donne à l’empennage arrière une incidence positive (sens horaire), cette action provoque un couple antihoraire et au final une action « à piquer ».
  2. inversement si on donne à l’empennage arrière une incidence négative (sens antihoraire), cette action provoque un couple horaire et une action « à cabrer ».

Mais avant de réguler l’assiette (position par rapport au plan d’eau) de vol, il faut décoller.

L’élévation à réaliser est faible : environ 1.3 mètre.

Cette condition impose de quitter le mode Archimédien avec une pente très faible, si on ne veut pas crever la surface.

En mode Archimédien, la vitesse va progressivement augmenter puis se stabiliser (vitesse cible des polaires de vitesses).

Pour que la vitesse augmente, le bateau doit « s’alléger », c’est à dire qu’il doit être progressivement sustenté vers le haut par les Foils.

Alors le cycle Augmentation de Vitesse  = Augmentation de la Portance s’amorce et s’entretien.

A condition que le pilote possède les moyens de moduler la Portance ce qui revient à rechercher une méthode pour que les Foils génèrent une portance significative à la vitesse archimédienne.

Les flaps appelés aussi volets de courbure permettent d’augmenter la portance (mais aussi la Trainée).

L’aviation a développé des centaines de modèles volets, dont la cinématique est de plus en plus complexe.

Sur les AC72 un vérin hydraulique générait le pivotement de la cage contenant le Foil, autour d’un axe transversal.

Ainsi le pilote agissait directement sur l’angle d’incidence de la partie active du foil.

La méthode est simple, la mécanique aussi, l’ensemble  fonctionne correctement, car la portance à générer est sans commune mesure ce qui est nécessaire sur AC 75 de 7 Tonnes.

 

 

 

 

 

 

Les Flaps seront-ils le secret de certains TEAMS ?

Rapidement après le premier vol d’un avion, le Volet de bord de fuite (Flap) a été inventé.

Pendant des décennies, le fonctionnement des flaps utilise des système de bielles, de câbles, des vérins hydrauliques et depuis 20 ans les commandes de vol électriques associées à des vis à billes assurent ce fonctionnement. Mais la philosophie générale est toujours basée sur les volets que l’on déploie ou oriente mécaniquement.

Exemple de foils monoblocs et déformables.

(Morphing wing)

 

https://youtu.be/TfHUZ2C3HyA

https://youtu.be/RU78lAJRIsQ

https://youtu.be/bC5BUuDFhmg

 

 

Conclusion :

Ces CLASS RULES AC 75 sont un modèle de genre. Précisions, inventivité, création, innovation.

Il est certain que le bateau volera, mais faute d’avoir vu un démonstrateur (8m, 10 , ou 12m) il est difficile d’imaginer le binôme Conditions Météorologiques / Propension à Décoller.

Comment se dérouleront les Matches Race ? That is the question!

 

Jean SANS

 

Le nouvel AC 75 NZ par Jean SANS: Le Vol

Préambule

Mon précèdent papier du 12 décembre 2017 était la traduction de la vidéo (image de synthèse), d’excellente qualité de TEAM NZ, qui présentait les grandes lignes du nouveau AC75.
Les plans ont été déduits et dimensionnés (c’est le plus important) à partir des images. Les calculs ont été réalisés en utilisant les très rares paramètres connus, à savoir un déplacement archimédien d’environ 7000 kg et une vitesse annoncée de 22 nœuds sur un seul foil central et le foil arrière.
Ce papier n’était que le résumé technique des plans reconstitués et des calculs mais aussi de mon imagination.
En effet, le passage d’une configuration Archimédienne à une configuration Foiler n’est pas simple, surtout pour un monocoque de 75’. Il ne suffit pas de décoller, il faut ensuite évoluer.
Et si on se réfère à l’histoire, les premiers vols des frères WRIGHT ont réellement préfiguré ce que serait un avion parce qu’ils avaient aussi inventé les moyens techniques permettant de contrôler leur avion, c’est à dire, décoller, virer, atterrir.
Pour l’AC75, le problème est identique : voler, OK c’est assez « facile », mais prendre un départ de régate, virer une bouée et répondre à un engagement présente d’autres difficultés.
Si on ajoute que pour être performant, il faudra voler à une altitude relativement constante en permanence, on conçoit que les difficultés ne sont pas mineures.

Quelques hypothèses nouvelles depuis mon dernier papier
Cet AC75 évolue donc dans deux configurations, la première est Archimédienne, la deuxième est le vol en appui sur des plans sustentateurs (Foiler).

D’abord la configuration Archimédienne
J’élimine la configuration « Dock Configuration » où le bateau est pris en charge par les « tenders ». Dans cette configuration le bateau est évidemment archimédien.
Ensuite avant de voler il faut nécessairement se mettre en bout de piste et lancer l’engin pour s’extraire de l’eau, comme l’avion roule sur la piste et décolle. Pour cela dans les deux cas il faut une vitesse cible (VR puis V2 pour les avions, vitesse qui dépend de la masse au décollage et de la surface alaire).
Dans cette phase préparatoire, l’AC 75 devra avoir une bonne stabilité.
L’étude présentée dans le premier papier prenait d’hypothèse que les bras des deux foils centraux seraient fabriqués en acier et que la partie foil serait en composite carbone.
Les devis de poids supposés, et les calculs de stabilité montraient que la surface sous la courbe de stabilité devait être augmentée. Cela signifiait qu’il était nécessaire de « descendre les poids des appendices », sans pour autant installer un bulbe.
J’ai donc inversé les matériaux : bras des foils en composite Carbone (monolithique) et foil en Acier (soit une masse de 1750 kg), j’ai imaginé le safran, auquel est fixé le plan porteur horizontal, en Acier. Mais cette dernière option peut évoluer.
Ainsi on obtient, un Moment de redressement maximal de 17.2 T.m (Tonnes*mètre) à 50° de gîte (courbe ci-dessus).

Ensuite la configuration Foiler
Lorsque la vitesse est atteinte, il faut donner une impulsion «  à cabrer » afin d’augmenter l’angle d’incidence des deux foils latéraux et « faire décoller l’AC75 ».
Rapidement le bateau va s’extraire du régime Archimédien. Il devient alors nécessaire de contrôler l’AC75 afin d’obtenir un vol stable (hauteur constante par rapport à l’eau) quel que soit la trajectoire de l’AC75. Je reviendrai sur la notion de vol dans le prochain paragraphe.
A ce stade :

  • Appui sur les deux foils centraux + le plan porteur arrière

Ce sera la configuration Régate de l’AC75.
Normalement il ne devrait jamais retrouver la configuration Archimédienne durant toute la régate.


Puis arrive le passage en configuration « FOILER Optimale », c’est à dire :

  • Voler » sur 1 seul foil central + le plan porteur AR 

Cette action demande des moyens techniques.
En effet, il faut relever le foil au vent, ce qui nécessite de l’énergie. La masse du foil et de son bras et de 1750 kg et son centre de gravité est éloigné de 3.8 m de son centre de rotation.

Quelques chiffres
Couple pour soulever le foil au vent : 17500 N * 3.867 m = 67670 m.N
Bras de levier minimal durant la rotation pour réaliser cette opération : 0.630 m
Force nécessaire à exercer sur ce bras de levier : 67670 / 0.630 = 107400 N
Angle à Parcourir : 65°
Temps de manœuvre : 10 secondes
Vitesse angulaire : 0.113 rad/s
Puissance nécessaire : 7673 Watts (7.6 kW)
Chaque manœuvre demande 7600 W * (10 sec) = 76000 Joules, soit 76000 / 3600 = 21 Wh.
À chaque virement de bord dans une régate (2 manœuvres de foils TB et BB), la consommation est donc de 42 Wh, soit avec un rendement électrique de 0.7 : 60 Wh.

Soit près de 6.0 kWh pour 100 virements dans la journée (2 régates).

Pour information, actuellement il faut compter 85 kg de batterie pour 10 KWh (batterie Lithium).

Étudions maintenant la navigation de l’AC75.

En navigation
Ce bateau (qui devient un avion) possède 3 configurations de navigation.
Configuration 1 (mode Archimédien)
C’est le moment où il faut quitter le ponton et rejoindre la zone où se dérouleront les régates. Les foils sont repliés sous la coque, le bateau est remorqué (à couple) par un ou deux semi-rigides.
La stabilité est maximale.

 

Configuration 2 (mode Archimédien)
Le bateau est toujours Archimédien, les foils sont déployés pour être en configuration « régate ».

L’équipage est au vent, ce qui explique que le CG (Centre de gravité soit excentré).
Le bateau se place dans une position de navigation qui produit le maximum de vitesse (16 nœuds environ) afin d’accéder au domaine de vol en s’appuyant sur les 2 foils.
Configuration 3 (passage du mode Archimédien au mode Foiler)

Dans cette configuration, si les conditions météorologiques le permettent, le bateau passe alors en Configuration 4 pour naviguer sur un seul foil et le plan porteur du safran.

Configuration 4 (passage au mode Foiler « optimum »)

Cette opération sera la plus délicate, car l’AC75 passera d’un appui sur 3 points à un appui sur 2 points

  • Les deux foils latéraux produisent le « LIFT » équivalent au Déplacement d’environ 7000kg, répartit sur les 2 foils.
  • Lors du passage en configuration 4, ce « LIFT » de 70000 N, devra pratiquement s’appliquer sur un seul foil latéral.
  • Un plan en « T » en extrémité de safran permet de contrôler l’assiette longitudinale et à maintenir l’altitude de vol, c’est à dire environ 1mètre. Il apporte une portance de 10 à 15% environ.>

Contrairement à ce qui se dit, le foil relevé, qui se trouve au vent, n’augmente pas la stabilité car il y a un foil de chaque côté (BB et TB). La résultante des masses de ces deux foils est même sous le vent, car le bras de levier du foil actif est plus important que celui du bras qui est relevé !!!
En fait c’est l’équipage qui produit le déplacement (très faible) au vent du centre de gravité du bateau.

En 3 D on obtient la configuration de navigation suivante:

La représentation 3D met en évidence l’asymétrie totale de cette configuration.
Les points d’appui (sustentation et contrôle) sont sur une droite, alors que sur les AC45, ils étaient en triangle (deux « T » sur les safrans et un foil en « L ».sous le vent).
Cette configuration compliquera le pilotage…

De la stabilité longitudinale théorique (mode avion)
L’AC75, tant qu’il vole sur ses deux foils latéraux en étant contrôlé par l’empennage arrière est assez proche de la configuration d’un avion.
Dans un premier temps, la propulsion ne sera pas prise en compte
L’étude porte sur les ailes et l’empennage arrière.

Les deux ailes sont calées avec un angle d’incidence « fixe » par rapport au corps de l’avion.
Le trait horizontal gris représente une parallèle à la piste.
Le 
Centre de Portance CP (point rouge ci-dessus) d’un profil est le point de sa corde autour duquel le moment résultant des efforts aérodynamiques appliqués au profil est nul.
La Portance (LIFT) verticale et la Trainée horizontale s’appliquent en ce point.

Mais en plus de la Portance et de la Trainée l’effet de la distribution asymétrique des pressions sur la surface de l’aile, génère un moment de rotation à piquer autour de ce Centre de Portance.
Ce moment de rotation sera noté Mo sur le dessin.

Le Centre de Portance (CP} évolue en position longitudinale en fonction de l’incidence du profil.
Il recule lorsque l’angle d’incidence augmente.
Le CP varie en position sur une plage de 30 à 50% de la corde du profil.

Au final un profil cambré d’une aile est pratiquement toujours instable en tangage à cause du Moment « piqueur ».

L’empennage arrière horizontal contrôle cette instabilité en tangage.

L’empennage horizontal est utilisé pour compenser cette tendance à « piquer ».
La partie verticale de l’empennage contrôle la trajectoire.
La particularité de l’empennage horizontal réside dans son calage « déporteur ». Ce qui signifie qu’il génèreune portance dirigée vers le bas.

Le pilote ajustera l’intensité de cette portance, pour contrôler le tangage.
En fait on rend l’empennage arrière plus moins efficace.
À cause de sa mobilité longitudinale, le Centre de Portance (CP) ne peut pas être pris comme référence pour étudier la stabilité longitudinale d’un avion.
Pour réaliser ces calculs, on utilise le Centre Aérodynamique du profil (Aussi appelé « FOYER ») qui est indépendant de l’angle d’incidence. Ce foyer se situe à environ 25% du bord d’attaque.

Pour garder une trajectoire rectiligne constante, il faut que :

La somme des Moments des forces autour du CG (centre gravité) de l’avion soit nulle.(1)

Soit l’égalité algébrique suivante :
P * (bras de levier portance empennage) – Mo – (Bras de levier portance Aile) * LIFTaile = 0
Dans la configuration ci-dessus le CG (avion) est en avant du « foyer », donc toujours en avant du Centre de Portance quel que soit sa position en fonction de l’angle d’incidence.

Vol stable
Le CG est situé en avant du « foyer ».On parle de Centrage avant.
C’est la « déportance » (P est dirigée vers le bas) de l’empennage arrière (profil symétrique) qui assure la stabilité du vol.
Le pilote (automatique ?) va moduler la valeur de cette portance (P) en jouant légèrement sur l’incidence aérodynamique de ce plan arrière.

La règle étant lorsque l’équation (1) ci-dessus est vraie:

  • P diminue, donc le couple par rapport à CG diminue et l’avion « pique du nez »
  • P augmente, le couple augmente et l’avion se « cabre ».

Le bras de levier étant tellement grand entre l’empennage arrière et le CG, que les variations d’incidence à générer sur l’empennage arrière (donc de sa portance) sont très faibles. Un fletner sur le bord de fuite assure cette fonction pour une consommation d’énergie minimale.

>Pour autant, il faut gérer de manière équilibrée cette succession de « piqué / cabré » afin de ne pas générer des oscillations longitudinales incontrôlables.

Vol instable

La position du « CG avion » se situe en arrière du foyer. On parle de Centrage arrière.

Comme l’empennage arrière est monté déporteur (c’est à dire qu’il exerce une poussée vers le bas, le contrôle par l’empennage horizontal devient impossible).
Les couples créés autour du CG par la portance et par l’empennage arrière se retrouvent dans le même sens.
L’avion se cabre est n’est pas récupérable.

Si le CG est légèrement en arrière du « foyer », la situation est alors ambiguë, car la position longitudinale de la portance évoluant, le CG peut se retrouver en avant (donc en configuration stable), mais la situation peut se dégrader et il est alors possible de retrouver une configuration instable.

S’assurer d’un CG en avant du « foyer » permet d’être certain d’avoir toujours un vol stable. Mais il ne faut pas exagérer, car plus le CG est avancé, plus la portance de l’empennage arrière doit alors être importante. Cela impose de voler avec une incidence élevée de cet empennage horizontal, donc de voler avec de la trainée (Frein).

Dans le cas d’un FOILER, la motricité (le moteur) complique l’équilibre longitudinal. Lorsque l’on observe le dessin en 3D en haut de la page 5, il y a la poussée des voiles qui se décompose en Vp (force propulsive dirigée vers l’avant) et une force latérale qui fait giter le bateau.
La force VP est située à environ 12 mètres de la flottaison en navigation archimédienne et légèrement plus haute lorsque l’AC75 sera sur ses foils.
Vp crée un couple très important qui aura tendance à faire plonger le bateau sur le nez.

Ci-contre :
Forces et Moment en présence dans le cas d’un centrage avant. Le CG du bateau est en avant du Foyer et donc du Centre de Portance dynamique des foils.
On visualise très bien que dans cette configuration « centrage avant », le couple vélique est dans le même sens que celui généré par la portance.
Le seul couple antagoniste est alors fournit par l’empennage arrière.

Il faudra braquer fortement (incidence) cet empennage donc générer une trainée très importante.

Ce n’est pas le cas pour l’équilibre longitudinal de l’avion, car la poussée moteur ou la traction de l’hélice est réalisée pratiquement dans le plan horizontal du Centre de Portance ou alors avec un bras de levier peu important (cas des réacteurs sous les ailes).

La position du centre vélique élevée, impose obligatoirement un « centrage arrière ».

L’AC75, qu’il soit sur ses deux foils latéraux ou sur un seul foil (sous le vent) se trouvera ainsi dans un équilibre autour du CG (centre de gravité), soit :

Le couple Vélique et le couple Portance sont opposés.

L’empennage arrière qui peut générer une portance vers le haut ou vers le bas permettra d’assurer l’équilibre entre ces deux couples.

Il est évident que la position de G se situera dans une plage longitudinale.

Mt vélique = Mt Lift + Mt Empennage

Dans cette hypothèse, le calage initial du foil (angle d’incidence) est défini et fixe.
Lorsqu’il faut contrôler un cabrage intempestif :

  1. on place l’empennage arrière en « piqué ». Cette action provoque une diminution de l’angle d’incidence et donc la baisse du Moment LIFT.
  2. inversement l’empennage arrière en « cabré » provoquera une augmentation de l’angle d’incidence et donc une augmentation du Moment LIFT.

L’autre solution est de modifier les portances en modifiant l’incidence des foils avants et réguler avec l’empennage arrière.

Cette méthode est viable sur un petit foiler mais pratiquement impossible techniquement sur un AC75 car cela revient à faire pivoter, autour de l’axe horizontal perpendiculaire à l’axe du bateau, des deux bras oscillants des foils avant.
Toutefois on arrive au même résultat, en modifiant la cambrure des foils avant avec des volets sur leurs bords de fuite. La trainée est surement plus élevée que dans le cas d’une variation d’incidence, mais mécaniquement cette opération est relativement facile à mettre en œuvre.

Mais il faut aussi prendre en compte l’équilibre transversal produit pas la voilure
En supposant que l’équilibre longitudinal soit sous contrôle, il faut aussi considérer que la poussée vélique produit une force perpendiculaire à la trajectoire du bateau. Cette force peut provoquer le chavirage. Elle produira aussi de la gîte et de la dérive.
Cette force est environ 5 à 6 fois plus forte que la force propulsive. Son point d’application est au centre vélique soit environ à 12 ou 13 mètres des foils.

Condition d’équilibre transversal :

Les trois forces :

  • Poids du bateau
  • Poussée produite par les foils
  • Poussée produite par la voilure.

Doivent être concourantes.

Cette relation est très complexe à obtenir en permanence car un paramètre est totalement indépendant du pilote :La vitesse du vent réel.
Les variations de vitesse (et d’angle) du vent réel influent sur la gite, et sur la vitesse du Foiler, donc sur la poussée produite par les Foils.

Certes, il est possible d’adapter la navigation à une chute de la vitesse du vent réel en modifiant la voilure et le cambrage des foils, mais c’est une opération complexe qui demande des temps de réaction très courts.

La situation est plus compliquée lorsque le vent réel augmente.
Il est possible d’ajuster la voilure en diminuant sa performance.
Par contre il sera impossible de limiter les performances du foil sous le vent.

Modifier le TRIM longitudinal du Foiler en jouant sur l’empennage arrière aura un influence très faible sur l’angle d’incidence (donc sur la poussée produite) du foil sous le vent. L’augmentation de poussée du foil, va se matérialiser par une augmentation de la dépression sur l’extrados. Cela provoquera un phénomène de ventilation et le décrochage brutal du foil.
Le résultat se traduira par une chute du bateau (il pivote brutalement autour du foil sous le vent).

Sur un petit Foiler, comme le MOTH par exemple, le pilote compensera en permanence ces variations de vitesse du vent et du bateau en jouant sur la position transversale du centre de gravité [Bateau + pilote]. Le pilote sera constamment en mouvement vers l’avant ou l’arrière pour assurer l’équilibre longitudinal et transversalement pour assurer l’équilibre transversal.

Ce mode de navigation est impossible sur un Foiler de 7000 kg de déplacement.

La solution passera surement par l’installation d’un Winglet à l’extrémité du foil.

La charge sur le Winglet qui est créée par le dérapage sous le vent du Foiler permettra de faire basculer la direction de la poussée générée par le foil (voir ci-dessus la flèche qui montre la rotation de cette direction).

De plus le Winglet génèrera, de fait, une force antidérive qui s’ajoutera à la composante antidérive produite par le foil. Le Winglet limitera aussi le Vortex en extrémité du foil.

Il est aussi possible de modifier l’angle du dièdre du foil, c’est à dire son « ouverture ». Plus l’angle du dièdre est « ouvert » plus la poussée du foil se rapproche de la verticale et vice-versa.
Toutefois cette opération est mécaniquement complexe, à cause des efforts créés l’encastrement du bras de liaison et aussi par l’énergie nécessaire pour faire pivoter le bras autour de son axe longitudinal.

De la fragilité de l’équilibre et de la stabilité du vol

On perçoit donc que la mise au point de l’AC75, comme son pilotage sera compliqué. De plus contrairement aux Foilers de record, dont la plage d’utilisation est très courte, l’AC75 devra « VOLER » et surtout « EVOLUER dans cette configuration » pendant toute la régate. Un retour dans le domaine Archimédien sera sûrement fatal.

Mais avant de « VOLER » il faut décoller (Take Off)

L’AC75 possède un avantage par rapport aux autres foilers, c’est qu’il peut choisir sa « piste de décollage ». Celle-ci correspondra à sa meilleure polaire de vitesse dans les conditions du moment.

Il peut ainsi bénéficier d’une piste assez longue afin de décoller progressivement.

En effet, l’élévation à réaliser est faible : environ 1.3 mètre. Cette condition impose de quitter le mode Archimédien avec une pente très faible, si on ne veut pas crever la surface.

D’après la surface des foils identifiés sur la vidéo, la vitesse doit être d’environ 16 nœuds pour voler sur les deux foils centraux.
La question qui se pose est : Est-il possible d’atteindre un vitesse suffisamment proche des 16 nœuds, afin de s’extraire progressivement du mode Archimédien ?

Le DLR (ratio Déplacement/LWL) est de 21, ce qui montre que nous sommes en présence d’un déplacement très léger. Le ratio [Déplacement/surface de voile] est de 0,78, ce qui est favorable.

Mais il y a la trainée cumulée des deux [Bras + Foils], du safran et de l’empennage arrière.

Cette trainée est plus importante que celle d’une quille conventionnelle à bulbe.

Seul un VPP très optimisé peut dire si avec tous ces éléments perturbateurs, il est possible d’atteindre une vitesse qui permet de soulever progressivement l’AC75.

La méthode (éventuelle) :

  1. En mode Archimédien, conserver en jouant sur l’empennage arrière une assiette horizontale, c’est à dire avec l’angle d’incidence initial du calage des foils (avoir le moins de trainée possible). La portance soulève progressivement le bateau.
  2. Lorsque la vitesse augmente, le pilote augmente la portance sur les Foils avant en modifiant la cambrure. Il génère un couple qui cabre le Foiler.
  3. Avec l’empennage arrière horizontal (« T »), il limite de cabrage afin d’obtenir un passage « soft » du mode Archimédien au mode Foiler. Mais attention de ne pas « crever la surface ». Ce moment du pilotage sera le plus sensible, car il faudra arrondir la trajectoire afin de conserver les foils dans l’eau…
  4. Les plans sustentateurs de l’AC75 évoluent dans l’eau comme ceux d’un avion dans l’air, à la différence de la masse volumique des deux fluides.
  5. Si tout se passe bien, le pilotage à suivre consistera à gérer les deux équilibres (Longitudinal et Transversal).

De l’équipage

Il est prévu un équipage de 10, cela risque d’être nécessaire.
On peut imaginer la répartition suivante :

  • Un Barreur qui assure la trajectoire du Foiler.
  • Un Pilote qui gère le vol afin de ne jamais revenir en mode Archimédien (décollage et ensuite le vol stable).
  • Un Navigateur qui fait la stratégie sur l’eau.
  • Plusieurs « Motoristes » qui s’occupent du Moteur (réglage des voiles) afin d’assurer une vitesse qui permet de voler en permanence sur deux foils ou un foil. Les « Motoristes » devront être en communication permanente avec le Pilote.
  • Deux « Mécaniciens » qui assurent les mouvements des bras lors de manœuvres (virements de bord, Empannage)

De la mécanique assurant les manœuvres des Foils centraux et arrière

Plusieurs solutions mécaniques sont possibles, il en est de même des sources d’énergie.

Sources d’énergie

Deux sources d’énergie seront utilisées :

  • L’électricité stockée sous forme de batteries probablement au Lithium.
  • L’hydraulique produite par une pompe entrainée par un moteur électrique. Je ne pense pas que l’on utilise une pompe mécanique (moulin à café), pour des raisons de vitesse de déplacement des foils et surtout d’effort à produire pour soulever le foils (10 T).

Le système hydraulique impose 4 systèmes en série :

Batterie + Moteur électrique + Pompe hydraulique + vérin hydraulique.

Soit le produit de 4 rendements qui même s’ils sont chacun égal à 0.9, génère un rendement final de 0.66.

Il faut aussi ajouter la réserve d’huile nécessaire, car l’huile s’échauffe ce qui oblige à travailler avec un volume important d’huile afin de la laisser refroidir.

Systèmes mécaniques

Plusieurs systèmes sont envisageables :

  • Vérins hydrauliques
  • Vérins à vis à billes à commande par moteur électrique.
  • Système « roue et vis sans fin » entrainé par un moteur électrique (avec un réducteur)

Conclusion

L’histoire des Foilers propulsés par des voiles a été plus souvent écrite par des Ingénieurs que par des Architectes Naval qui sont naturellement très attachés au domaine Archimédien.
C’est encore plus vrai pour des Foilers monocoques, car le respect des critères de stabilité limite les initiatives architecturales.

L’idée de TEAM NZ est intéressante, car elle permettra de faire réfléchir et de mettre en concurrence des équipes multidisciplinaires compétentes et à priori disposant de moyens financiers.

Il me paraît certain qu’après la prochaine AC, nous aurons une vision des Foilers Monocoques à voiles très différentes de ce qu’elle est aujourd’hui.

Lorient le 8 Janvier 2017
Jean SANS

Il était une fois les Jauges!

L’Histoire des Jauges

 

Racontée en 2 parties d’après une présentation de Jean Sans.

Chaque sport a ses caractéristiques. On dit du rugby que c’est un sport de voyous pratiqué par des gentlemen. On pourrait dire de la voile que c’est un sport de gros bras pratiqué par des intellectuels. Car s’il faut du muscle pour border les écoutes, il en faut aussi du jus de crâne pour zigzaguer astucieusement sur le plan d’eau!
Mais avant même d’attaquer les bouées, il faut résoudre la quadrature du cercle : comment faire régater ensemble de manière équitable 2 engins différents afin d’évaluer leurs vitesses potentielles et leur attribuer, à chacun un handicap qui équilibre les chances ? Et quand on l’a fait pour deux bateaux, il faut le faire pour tous les bateaux à travers un système utilisable en toutes circonstances. Pas simple …

Pour en savoir plus, le livre est disponible dans la boutique.

 

Des origines à la jauge RORC

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De la jauge RORC à aujourd’hui

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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

A chaque virement de bord dans une régate (2 manœuvres de foils TB et BB), la consommation est de 22500 J X 2, soit avec un rendement électrique de 0.7 : 18 Wh. Soit près de 2 kWh pour 100 virements dans la journée (2 régates); Il faut évidemment ajouter les autres manœuvres.

J’exclus 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 160 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 chargeur de 50 à 60 kWh, pour un poids unitaire de 320 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 – 12 Décembre 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.

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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.

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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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- Image en introduction : Banque Populaire VIII – Image 3D www.jpepron.com