Des hydrofoils a la portee de tous claude tisserand véliplane IV sous voilure rigide Juillet 2005





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CHAPITRE 1


HISTOIRE DES BATEAUX A AILES MARINES


Les bateaux à moteur :
Cette histoire est déjà très ancienne, mais combien peu connue Il semblerait que le premier bateau à ailes marines soit celui du Comte de LAMBERT qui aurait fonctionné en .... 1897.
L'année suivante, l'italien FORLANINI faisait décoller un énorme bateau à ailes marines qui, d'après une photo de l'époque, devait mesurer au moins 20 mètres de long. On ne dispose d'aucun renseignement sur les moteurs de ces 2 premiers bateaux, qui étaient sans doute à vapeur.
Par la suite, on voit apparaître de nombreux prototypes de bateaux à ailes marines parmi lesquels on peut citer celui du Dr Alexander GRAHAM BELL qui aurait atteint 60 nœuds dès 1918 ! (équipé de moteurs d'avion).
C
Photo C. TISSERAND
e n'est qu'après la seconde guerre mondiale que l'on voit apparaître les vedettes à ailes marines maintenant classiques, type "Aliscafo" que l'on voit naviguer en grande quantité de nos jours entre les Iles Italiennes, sur les lacs Italiens et Russes.

Ces vedettes transportent 50 à 100 passagers, naviguent aisément à une quarantaine de nœuds, et cela même par mer agitée. Elles constituent une solution rationnelle, sûre, rapide et peu coûteuse par rapport aux engins à coussin d'air qui, en dépit d’une manne gouvernementale inépuisable, sont en voie de disparition.

Un engin russe remarquable


Un engin Russe remarquable


Les bateaux à voiles:




S
Le véritable ancêtre des voiliers à hydrofoils (Baker 1950) extrait de Hydrofoil Sailing
i on excepte quelques tentatives sans doute peu fructueuses, il semble à peu près incontestable que le véritable "inventeur" du voilier à ailes marines est l'Américain BAKER qui, en 1950, expérimentait avec succès son premier modèle, un tout petit monocoque pourvu d'une longue poutre transversale, supportant des ailes marines. Cet engin, remarquable de simplicité, aurait atteint 20 nœuds dès cette époque. C'est alors que se produisit un phénomène tout à fait extraordinaire, presque inconcevable en France: les professionnels de la Marine Nationale Américaine (U.S. NAVY ) s'intéressèrent aux travaux de cet amateur et réalisèrent en collaboration avec lui un nouvel engin, le MONITOR, qui atteignit en 1956 la vitesse fantastique de 30,4 noeuds.

B
MONITOR
ien sûr, cette collaboration n'était pas désintéressée puisqu'un tel engin, naviguant silencieusement à grande vitesse, pouvait à la rigueur être considéré comme une arme…! Sans doute cette arme fut-elle vite reconnue comme très aléatoire, car ce merveilleux prototype, qui avait coûté plusieurs centaines de milliers de dollars, fut rapidement abandonné et on n'entendit pratiquement plus parler de lui.
Qu'était au juste le MONITOR ? Essentiellement un monocoque de 7 m de long, pourvu d'une grande poutre transversale tubulaire portant des ailes marines "en persiennes". L'arrière était supporté également par des ailes marines "en persiennes" servant en même temps de gouvernail (cette disposition, dite "configuration Avion", sera examinée en détail dans les chapitres techniques). Cet ensemble, déjà fortement autostable par nature (voir chapitre III), était complété par un système assez évolué de compensation automatique basé sur la traction des haubans qui donnait à l'engin l'assiette parfaitement horizontale que l'on peut admirer sur la photo ci-dessus.

Mis à part son prix, cet engin paraissait très réussi. Sans doute avait-il quelques difficultés à décoller et sa stabilité à basse vitesse devait réserver des surprises! Ceci n'explique en rien son abandon total et le peu de retentissement qu'ont eu dans le monde ces expériences. Il est possible que les origines para-militaires de l'engin aient découragé les amateurs de prendre le relais.
Pourtant la formule était "dans l'air" puisque les années Soixante virent apparaître en divers points du monde, souvent sans qu'il y ait aucune relation entre les créateurs, un certain nombre de voiliers à ailes marines: on ne citera ici que les expériences ayant eu au moins un commencement de succès. Bien d'autres expériences furent sans doute tentées, mais leur insuccès les maintinrent dans l'anonymat.
LA PERIODE 1960 - 1970 :




Les travaux de Donald J. NIGG (U.S.A.)
A l'inverse de BAKER qui obtint le soutien de l'US NAVY, D.J. NIGG est le symbole même de l'amateur, concevant et construisant ses engins avec ses seuls moyens personnels: ces engins étaient même d'une simplicité déconcertante et leurs performances pourtant extraordinaires.

L
FLYING FISH
es premiers engins de NIGG virent le jour en 1963. Ils étaient constitués par 3 petits flotteurs reliés entre eux par une structure en T, la barre du T étant placée à l'arrière. Sous ces trois flotteurs, étaient fixées des ailes marines: 2 à l'arrière, 1 à l'avant. (C'est la configuration "canard" sur laquelle on reviendra en détail dans les chapitres techniques).

Ces engins (car il y en eut en fait plusieurs), longs de 5 m environ, larges de 4 à 5 m, ont démontré rapidement leurs possibilités de vitesse considérables (15 à 20 nœuds dès 1964), ainsi que leur remarquable stabilité. Le dernier modèle, Flying Fish, réalisé en 1968, aurait atteint des vitesses proches de 30 nœuds, soit pratiquement autant que le MONITOR, avec une structure à la portée d'un amateur, dépourvue de tous dispositifs subtils. de réglages ou de compensation automatique.
Les travaux de P. HANSFORD et J. GROGONO ( Gde Bretagne) :
A
ICARUS 1ere version
vec ces 2 chercheurs Anglais, on voit apparaître en 1967-1968, une série de recherches particulièrement réussies, consistant en l'adaptation d'ailes marines à des coques de catamaran. Il s'agit là d'un très bel et très rare exemple de collaboration entre 2 chercheurs : leurs travaux, sur des bateaux différents, ont été rigoureusement parallèles et menés en parfait accord.
J. GROGONO s'est attaché à adapter des foils sur un catamaran "de série" le Tornado (6,10 m de long, dénommé ICARUS). Ses premiers essais, fortement influencés par les idées de NIGG, étaient axés sur une configuration "canard" c'est-à-dire où les foils arrière sont plus importants que les foils avant, et où la direction est assurée par l'ensemble avant. .
Cette direction de recherche, poursuivie jusqu'en 1971, a probablement posé bien des problèmes pratiques de repliage des foils puisque, dès 1972, on retrouve lCARUS pourvu de foils à configuration "avion", identiques à ceux de MAYFLY, le catamaran de P. HANSFORD : cette disposition comporte 2 foils avant prédominants et 1 foil arrière ou empennage, beaucoup plus petit, solidaire du gouvernail , le total repliable par rotation.

C'est avec cette nouvelle disposition qu' ICARUS a pu obtenir, en 1972 et 1973, deux magnifiques secondes places au championnat du Monde de vitesse (21,6 nœuds en 1972 - 20 nœuds en 1973).
De son coté, P. HANSFORD avait, dès 1968, réalisé entièrement un petit catamaran de 4,50 m de long, MAYFLY, équipé d'ailes marines à configuration "avion". Il semble avoir rapidement trouvé une solution très heureuse et les modifications qu'il devait effectuer par la suite ne devaient plus porter que sur des détails : les plus importantes ont consisté à remplacer les deux empennages arrière, fixés sur les 2 coques, par un empennage unique, fixé au centre entre les coques, et à simplifier la forme de celui-ci.
MAYFLY remplaça ICARUS au championnat du Monde de vitesse en 1974 (3ème avec 19,4 nœuds) et en 1975 (2ème avec la même vitesse). En 1976, MAYFLY a battu ICARUS avec 21,1 nœuds contre 20,7.

Il est intéressant de noter que ces 2 catamarans, très différents par leur taille, mais identiques quant à leurs ailes marines, ont réalisé des performances extrêmement proches. Ceci montre combien, avec cette formule, la taille n'est pas un élément dominant dans les résultats obtenus.


Les travaux de D. KEIPER (U.S.A.)




D
WILLIWAW (d’après Hydrofoil Sailing )
. KEIFER est le réalisateur du plus grand voilier à ailes marines (dénommé WILLIWAW) ayant existé jusqu'à présent : il s’agit d’un trimaran de 9,3 m de long, habitable, qui réussit la traversée du pacifique, de Californie à Hawaï, sans aucun problème particulier.
Son système d'ailes marines est extrêmement complexe, partiellement inspiré du Monitor.
En dépit de sa taille, ce bateau décolle effectivement et aurait atteint une vingtaine de nœuds . Cependant, ses ailes marines sont utilisées très souvent seulement à titre de stabilisateur, en ne gardant immergée que l’aile sous le vent et en relevant l'autre.

Les travaux de l'auteur: (France)
C'est également pendant cette décennie, plus précisément en 1964-1966, que je commençais mes premières recherches sur les voiliers à ailes marines, qui se sont traduites par les essais du Véliplane I en été 1966.




C
VELIPLANE 1 (1966) à noter l’utilisation quasi « familiale » de l’engin
'était un trimaran de 4,50 m de long, 4 m de large, équipé d'ailes marines à configuration "avion". Cet engin a fonctionné très honorablement, dès ses premiers essais, et les vitesses atteintes, de l'ordre de 15 nœuds, démontraient déjà largement les possibilités de la formule. Ces essais furent relatés dans la revue "Nautisme" de Novembre 1966, dans l'espoir de susciter un certain intérêt pour la formule, alors rigoureusement inconnue en France ... espoir totalement déçu, pour longtemps encore. Je reviendrai plus longuement, au chapitre IV, sur l'histoire de l'évolution du Véliplane, des origines à nos jours : une histoire qui paraîtra infiniment plus laborieuse, plus hésitante que celles de mes confrères anglo-saxons, que je viens de transcrire en m'inspirant directement de l'ouvrage de J. GROGONO, D.J. NIGG et A. ALEXANDER "Hydrofoil Sailing". C'est sans doute parce que je connais infiniment mieux mes difficultés que les leurs!


LA PERIODE 1970 - 1976 :
On pourrait penser qu'à l'issue des succès incontestables obtenus pendant les deux décennies précédentes, les voiliers à ailes marines commençaient à connaître un réel développement et que les chercheurs auraient réussi à créer de véritables "écoles" au moins dans leur pays.
En fait, il n'en est rien: les imitateurs de NIGG aux U.S.A. sont restés très peu nombreux et ne semblent pas avoir rencontré de grands succès.
Les disciples d' HANSFORD et GROGONO en Gde BRETAGNE se comptaient sur les doigts de la main, sans réussir à se hisser à la hauteur de leurs "maîtres".
En France, l'auteur de ces lignes est resté quasiment le seul adepte de la formule jusqu'en août 1976, date de la sortie de la maquette du PEN DUICK VII, qui peut être considéré comme le descendant direct de la lignée des Véliplanes et qui est très semblable au Véliplane IV sorti exactement en même temps.
Pourtant, depuis 1972 existe un élément essentiel de propagande pour ces engins: il s'agit du championnat du Monde de Vitesse à la Voile (assorti du ''Record du monde") organisé par John PLAYER (cigarettes), tant en Angleterre qu'aux U.S.A.
Mais paradoxalement, cette épreuve de vitesse pure, chronométrée sur une base de 500 m, n'a pas été dominée à cette époque par les voiliers à ailes marines, mais par 2 grands multicoques : en 1972, 73, 75 et 76 par CROSSBOW, prao de 20 m de long ne pouvant naviguer que sur un seul bord (chronométré à 31,9 nœuds en 1976) et, en 1974, par BRITISH OXYGEN, catamaran de 25 m de long, coulé dans la Transat 1976 sous le nom de KRITER III. De tels bateaux se sont imposés du fait de leur taille et de leur technologie très évoluée, mais surtout par suite d'un règlement de course qui permettait à CROSSBOW, bateau infirme et véritable "Dahu des mers" puisqu'il ne pouvait naviguer que sur un seul bord, d'y participer (à noter que cette anomalie se perpétue avec ENSTA !).
Si on excepte ces premières places qui peuvent paraître assez peu justifiées, les secondes places ont toujours été détenues par des voiliers à ailes marines beaucoup plus petits, à l'exception de 1974 où cette seconde place est revenue à CLIFTON FLASHER, autre prao ne naviguant que sur un seul bord et pourvu de voiles rigides.
En 1972 : second : ICARUS à 21 nœuds

1973 : second : ICARUS à 20 nœuds

1974 : troisième : MAYFLY à 19 nœuds

1975 : second : MAYFLY à 19,1 nœuds

1976 : second : MAYFLY à 21,1 nœuds

on notera cependant l’absence de réels progrès durant ces 5 années !

On notera aussi que les vitesses obtenues par les voiliers à ailes marines dans cette course sont nettement moins élevées que celles annoncées précédemment: c'est qu'il s'agit là de vitesses moyennes sur 500 m, donc beaucoup plus difficiles à obtenir qu'une vitesse de pointe enregistrée quelques instants sur un speedomètre. Par ailleurs, les conditions de la course ne sont pas toujours les conditions optimales pour ce type de bateau.
On constatera enfin que, parmi les voiliers à ailes marines ayant participé honorablement à cette course, on retrouve essentiellement les "vétérans" des années soixante qui persévèrent encore: ICARUS, MAYFLY et, moins brillamment, Véliplane III (15,9 noeuds en 1975 - le Véliplane IV, trop jeune, ne participait pas en 1976).
DE 1976 A NOS JOURS :
Durant cette période ont voit apparaître une nouvelle catégorie de voiliers à hydrofoils, bien plus évoluée : les voiliers à ailes entièrement immergées….

Ces engins peuvent se rattacher à deux grandes familles :

- les engins à palpeurs poussés, système Hook ou Ketterman, du nom de Greg Ketterman qui créa le célèbre LONGSHOT qui détint un temps le record de vitesse à 37 nœuds en 1990 et qui donna lieu à une exploitation commerciale sous le nom de TRIFOILER (fabrication Hobie cat). Comme on peut le voir sur la photo ci-contre, l’incidence des foils avant est commandée par un palpeur en forme de patin glissant à la surface de l’eau et directement relié aux flotteurs latéraux portant des foils en T ou en L ; ainsi, lorsque l’engin est enfoncé, le palpeur tend à cabrer et augmente l’incidence du foil, et inversement.




TRIFOILER

MOTH



  • les engins à palpeurs tirés, type « Bradfield », du nom de leur créateur, Sam Bradfield, qui au cours de sa longue carrière engendra un grand nombre d’engins dont le niveau d’immersion des foils est commandé par un palpeur constitué d’une simple baguette courbée, trainant vers l’arrière et nettement moins influencée par l’état de surface que le palpeur poussé. C’est notamment la technologie du Moth à foils, du Scat et de bien d’autres.



SCAT



Ce rapide historique des voiliers à ailes marines ne peut manquer d'attirer l'attention, hélas, sur les réelles difficultés inhérentes à la formule qui expliquent la diffusion très restreinte de ces recherches et le petit nombre de chercheurs qui y restent accrochés. On trouvera pourtant dans les chapitres techniques du présent ouvrage le moyen de surmonter une grande partie de ces difficultés.
Il est en effet permis d'affirmer à ce jour, en 2005, que la grande majorité des défauts de jeunesse de la formule est maintenant dominée et que les grands espoirs nés dans les années soixante sont maintenant sur le point de se concrétiser. Il suffit pour s'en convaincre de remarquer l'intérêt subit des professionnels pour la formule, après avoir laissé le champ libre aux amateurs pendant 20 ans !
CHAPITRE II
HYDRODYNAMIQUE


1.- HYDRODYNAMIQUE DES BATEAUX CLASSIQUES -
Un bateau classique ou "corps flottant" est maintenu à la surface de l'eau par la très fameuse "poussée d'Archimède" qui, comme chacun sait, est égale au poids de l'eau déplacée. Tant que le corps flottant est immobile, il n'y a pas de problèmes. Par contre, dès que ce corps flottant (ou coque) se déplace, l'eau s'oppose à ce déplacement en exerçant une résistance qui, faible d'abord, s'accroît très rapidement avec la vitesse.
Quelles sont les causes de cette résistance ?
1°- Des forces de frottement qui sont dues à l'adhérence (ou viscosité) de l'eau sur la surface mouillée de la coque. Ces forces sont évidemment proportionnelles à cette surface mouillée et varient en outre, mais de façon assez mal connue, en fonction de la vitesse et de l'état de cette surface: en effet, on considère généralement que les forces de frottement de l'eau sur une surface diminuent lorsque celle-ci est plus lisse (tous les marins savent bien qu'une coque couverte d'herbe ou de coquillages n'avance plus !).

Dans ce cas, l'écoulement des filets d'eau au contact de la surface, ou "couche limite", est parfaitement régulier (on dit que la couche limite est laminaire).
Cependant, il existe des théories plus modernes qui font état de cas où la résistance de frottement diminue lorsque cette couche limite n'est plus laminaire, mais turbulente, c'est-à-dire que les filets d'eau au contact de la coque sont tourbillonnants. Il serait dans ce cas souhaitable de disposer en certains endroits de la coque des aspérités destinées à provoquer cette turbulence.
Il existe même des théories, encore moins vérifiées, qui sont axées sur l'observation de certains animaux marins (dauphins surtout) et selon lesquelles la peau de ces animaux serait constituée de façon à supprimer (ou à diminuer fortement) les forces de frottement dans l'eau. Les auteurs de ces théories se gardent bien, naturellement, d'avancer la moindre explication de ce phénomène qu'ils appellent "fait d 'observation" !
En bref, ces phénomènes sont très complexes et finalement mal connus. Ils sont de toutes façons relativement secondaires, dans le cas des grandes vitesses qui nous intéresse ici.

2°- La 2ème cause de résistance à l'avancement, qui devient rapidement beaucoup plus importante que la précédente, est constituée par tous les phénomènes liés au sillage du bateau.

Le sillage d'un bateau comprend en fait deux parties:
- Un système de vagues partant de l'étrave, qui est un phénomène d'onde provoqué par le "choc" de l'avant du bateau. Cette onde est tout à fait comparable à l'onde de choc produite par un avion volant au-delà de la vitesse du son.
- Un système de vagues d'arrière, qui est avant tout un phénomène de turbulence (ou tourbillon) provoqué par la trop brusque "fermeture" de l'eau après le passage du bateau.
Le système de vagues d'étrave, comme tout phénomène d'onde, est une succession de vagues dont l'espacement (longueur d'onde) et l'amplitude sont fonction de la vitesse du bateau. A basse vitesse, cet espacement est faible et il existe tout le long du bateau un nombre de vagues plus ou moins important et d'amplitude décroissante. La résistance due à ces vagues est alors peu importante. Les autres forces résistantes (forces de frottement, turbulence arrière) restent prédominantes.


Système de vagues d’étrave

Turbulences


P
Bateau à la vitesse critique
ar contre, lorsque la vitesse du bateau augmente, l'espacement entre les vagues s'accroît, ainsi que leur amplitude. A partir d'une certaine vitesse, cet espacement atteint la longueur du bateau: il n'y a plus alors que la vague d'étrave, suivie par une 2ème vague se situant à l'arrière du bateau (les autres étant derrière le bateau).

On atteint alors la vitesse critique: en effet, si la vitesse augmente encore, la 2ème vague va se détacher de l'arrière du bateau, qui va prendre la position cabrée d'un bateau grimpant sur une vague (alors qu'il était resté horizontal jusque là). Il est donc dans la position d'un bateau condamné à gravir éternellement une forte pente.


Bateau ayant atteint sa vitesse limite


La résistance à l'avancement s'accroît alors très brusquement à tel point qu'aucun bateau à voile n'est capable de la vaincre. Seuls de puissants bateaux à moteur peuvent dépasser cette vitesse critique (ce qui justifie la préférence de ce terme à celui de "vitesse limite")
A titre indicatif, on se bornera à estimer la vitesse critique d'un bateau par la formule empirique suivante

_

Vc = k V L
k = 2,5 à 3 suivant la forme du bateau.
L = longueur à la flottaison en mètres.
Vc= vitesse critique en nœuds .
soit pour un bateau de 9 m à la flottaison : Vc = 7,5 à 9 nœuds .
On voit d'après cette formule que la vitesse critique ne croît que comme la racine carrée de la longueur et donc qu'une amélioration de cette vitesse ne peut être obtenue qu'au prix d'une forte augmentation de longueur.
Sans vouloir entrer dans le détail de ce phénomène, on comprendra qu'il n'existe pratiquement pas d'autre solution pour atteindre de grandes vitesses sur un petit voilier, que d'abandonner la solution de la coque à déplacement au bénéfice d'un système planant, c'est-à-dire où la sustentation de la coque est assurée par le déplacement de celle-ci.
Le cas le plus courant est celui des bateaux planant à la surface de l'eau:
Ces bateaux sont très répandus puisque la plupart des dériveurs rentrent dans cette catégorie. C'est aussi le cas du ski nautique, de la planche à voile et de tous les bateaux à moteur rapides.
La sustentation de la coque en mouvement est alors due à l'inertie de l'eau qui est chassée latéralement sous la coque, ce qui provoque une pression tendant à la faire sortir de l'eau.

Cette sustentation a un très mauvais rendement qui pourrait se comparer, en aéronautique, au fameux "vol du fer à repasser".
Il s'en suit que le plané d'un voilier ne peut être obtenu ainsi que par vent fort, aux allures portantes et très souvent en s'aidant des vagues pour assurer le "déjaugeage". Les vitesses atteintes restent très limitées et très irrégulières: elles ne dépassent guère les 12 à 13 noeuds, pour un bon dériveur moyen. De plus le contact avec une surface souvent très agitée rend ce genre de navigation très pénible.

2. HYDRODYNAMIQUE DES BATEAUX A HYDROFOILS
2.1.- Généralités -
Ces bateaux ne méritent plus vraiment ce nom puisque leur coque n'est plus qu'un accessoire comparable au train d'atterrissage d'un avion ou aux flotteurs d'un hydravion. Eh effet, ces engins sont sustentés entièrement par la portance hydrodynamique de leurs ailes marines ou hydrofoils, qui se comportent dans l'eau exactement comme les ailes d'un avion dans l'air.
Ces engins ne connaissent évidemment pas la vitesse critique des bateaux à déplacement. De plus, leur surface mouillée, déjà faible dès que la coque est hors de l'eau, se réduit encore progressivement au fur et à mesure que le bateau accélère puisque, dans la plupart des cas, cette accélération se traduit par la sortie d'une portion croissante des ailes marines.
Par ailleurs, ils sont, jusqu'à un certain point, insensibles à l'état de la surface de l'eau car leurs ailes ne prennent pas appui sur la surface, mais sous la surface.
Ils présentent cependant des inconvénients non négligeables tels que :
- de mauvaises performances lorsque le vent est trop faible pour leur permettre de décoller (ceci peut être pallié par l'utilisation d'ailes repliables),
- une structure relativement complexe, de technologie plus aéronautique que marine,
- un tirant d'eau relativement important (ceci peut être pallié par l'utilisation d'ailes repliables),
- des risques graves en cas de choc à grande vitesse avec des corps flottants.


2.2.- Principe de l'aile marine ou hydrofoil:
L'hydrofoil est, comme une aile d'avion, un plan se déplaçant dans un fluide avec une vitesse V et faisant avec la direction du déplacement un angle θ dénommé angle d'incidence. Ce fluide (l'eau) étant différent de l'air, en particulier par sa densité et sa compressibilité, il en résulte des différences qui jouent davantage sur les coefficients que sur la forme même des phénomènes qui restent très comparables .
Fondamentalement, la portance d’une aile est la réaction du déplacement vers le bas d’une masse d’eau par un plan pourvu d’une certaine incidence.


Déviation = Action

Portance = Réaction


Le schéma ci-dessus permet une fois pour toutes de « tordre le coup » d’une antienne répétée à l’envie dans la plupart des traités de vulgarisation aérodynamique, comme quoi « la portance est due à la courbure de l’aile qui induit un trajet plus grand des molécules sur l’extrados que sur l’intrados d’où une dépression à l’extrados » etc.. etc.. on a tous lu ça bien des fois ! comme si une aile parfaitement plate et sans épaisseur ne portait pas ! (et, par parenthèse, selon ce principe idiot, une voile ne devrait pas porter non plus, puisqu’elle n’a pas d’épaisseur…et que dire des profils symétriques des ailes d’avions !)
Plus classiquement, on considère la "Portance" d'une aile marine comme la Résultante de l'ensemble des pressions et des dépressions qui s'appliquent sur l'aile se déplaçant dans l'eau avec un certain angle d'incidence. Cette "portance", ou plus exactement cette RESULTANTE s'exprime sous la forme:

R = K . S . V²
o
résultante

portance

portance

résultante
ù : K est un coefficient intégrant un grand nombre de paramètres tels que propriétés du fluide, forme de l'aile, angle d'incidence, etc.

S est la surface de l'aile.

V est la vitesse du déplacement.
La PORTANCE proprement dite est la composante perpendiculaire à la direction du déplacement (en pratique, composante verticale)

La composante dirigée vers l’arrière est appelée TRAINEE


trainée


trainée


2.3.- Répartition des pressions sur l'aile marine :

Il importe de considérer avec beaucoup d'attention la répartition des pressions sur l'aile marine. Celle-ci varie très fortement en fonction de la forme du profil (ou section) choisie.

Ainsi, pour un profil en arc de cercle, la répartition des pressions est sensiblement celle -ci :


Zone de dépression

Zone de pression


On remarque que, à la partie inférieure de l’aile (intrados) la "pression est sensiblement identique en tous points .

Par contre, à la partie supérieure (extrados) cette pression est de sens opposé : c’est une dépression . En chaque point du profil, cette dépression est évidemment perpendiculaire à la surface (il en est ainsi de toute pression ou dépression, au sein d'un fluide). On remarque aussi que la valeur de cette dépression (exprimée par la longueur des vecteurs) n'est pas uniforme : elle est plus forte à la partie avant de l'aile.

Enfin, on remarque que la somme des dépressions sur l'extrados (surface de la courbe enveloppe) est très supérieure à la somme des pressions sur l'intrados .
De ceci, on retiendra 2 conclusions essentielles :

- la dépression de l'extrados est plus importante que la pression de l'intrados.

- la dépression de l' extrados est plus importante sur la partie antérieure de l’aile.
Examinons maintenant cette répartition des pressions sur un profil type "aviation" avec bord d' attaque arrondi :


Zone de dépression

Zone de pression


On remarque , par comparaison avec le profil précédent :

  • que la répartition des pressions à l’intrados n’a pas changé

  • que la répartition des pressions à l’extrados est par contre très différente, avec une très forte « pointe » de dépression immédiatement derrière le bord d’attaque.


On comprendra aisément que cette zone mérite une attention toute particulière car c'est d'elle que dépend l'essentiel de la portance de l'aile. Le respect du profil, le fini de la surface, devront donc être particulièrement soignés dans cette zone.


    1. le rendement de l'aile marine :


Polaire - finesse - Allongement - pertes marginales –
Nous avons vu qu' une aile se déplaçant dans l'eau avec une vitesse V et une incidence θ, engendrait une"portance" appelée plus exactement RESULTANTE, pour réserver le terme de Portance à la composante verticale de cette force.

Examinons maintenant l'évolution de cette Résultante lorsqu'on fait varier l'angle d'incidence:

Pour chaque angle d'incidence, de 0° à 90° on représente la Résultante correspondante par un vecteur : ceci permet de tracer une courbe-enveloppe dénommée POLAIRE qui est la caractéristique d’un profil donné:


Portance

CZ

Trainée CX

Résultante pour une incidence de 30°


160

140

120

100

80

60

40

20


10 20 40 60 80 100 120 140



10°

15°

20°

30°

40°

60°

Finesse maxi

Angles d’incidence

70°

80°


Observons cette courbe :
- la projection de la Résultante sur l'axe vertical est dirigée vers le haut: c'est donc bien une portance (ou CZ). La projection sur l'axe horizontal est dirigée vers l'arrière (sens inverse du déplacement): il s' agit donc d'une résistance à l' avancement, dénommée traînée (ou CX).
- la résultante passe par un maximum pour une incidence de 10°à 15°, elle décroît ensuite brusquement entre 15° et 20°, pour rester ensuite sensiblement identique en valeur absolue entre 20° et 90° (aile perpendiculaire à l'axe du déplacement = cas d'une voile au vent arrière).
- bien entendu, l'orientation de cette résultante suit plus ou moins l'orientation de l'aile: elle est donc dirigée d'autant plus vers l'arrière que l'angle d'incidence est fort: il s'en suit que la traînée augmente avec l'angle d'incidence.

- en ce qui concerne la portance, on constate qu'elle augmente jusqu'à 10°-15°, puis décroît plus ou moins vite jusqu'à être nulle à 90° d'incidence.
Or, ce qui nous intéresse, pour un voilier à hydrofoils, comme pour un planeur, n'est pas l'angle de portance maximum (15°) mais l'angle fournissant le meilleur rapport Portance/Traînée (ou Finesse): c'est l'angle correspondant au point de tangence de la courbe avec le rayon issu de l'origine : ici 5° environ ; en l'appelle angle de finesse maximum.

- à l’angle de finesse maximum (5°), la portance est de 96 tandis que la traînée n’est que de 10, soit une finesse de 96/10 = 9,6. Ainsi, pour une portance de 100 kg, la traînée sera inférieure à 10 kg.
- on retiendra de cette courbe, qui est en fait très théorique, la notion d’angle de finesse maximum, qui est pratiquement toujours compris entre 3° et 5° .

Cette finesse de l’aile est un élément primordial dans le fonctionnement d’un voilier à hydrofoils : elle est fonction :

  • du choix du profil,

  • de l’allongement de l’aile A ; A = L ²/ S (L = longueur de l’aile ; S= surface )

  • de la qualité de la réalisation (respect du profil, finition de la surface, organes parasites etc.)

En ce qui concerne le choix du profil, il ne fait pas de doute qu’un bord d’attaque arrondi , type « aviation », a une meilleure finesse, même dans l’eau, qu’un profil à bord d’attaque tranchant, type arc de cercle ou dérivé. Nous verrons plus loin que c’est généralement ce 2ème type de profil que l’on choisit pourtant dans la plupart des cas.


mauvais

P
tourbillons

bon
ourquoi l'allongement de l'aile a t-il une influence sur la finesse de celle-ci ? Ceci est dû aux phénomènes de pertes marginales : en effet, à l'extrémité de l'aile, la zone de haute pression de l'intrados est au contact de la zone de dépression de l'extrados; il s'en suit une fuite de l'eau de l'intrados vers l'extrados ayant pour effet d'une part d'égaliser les pressions et donc de supprimer la portance dans cette zone, d'autre part de créer un tourbillon, dit tourbillon marginal. Il s’en suit une réduction de la finesse.
C'est pourquoi il est souhaitable d'avoir une aile aussi étroite que possible, principalement à son extrémité. Cela conduit en général à adopter une extrémité de forme elliptique, de préférence à une extrémité droite.

On peut aussi, pour limiter ces pertes marginales, disposer une cloison en bout de l'aile, qui tend à isoler l'intrados de l'extrados.
Dans la pratique, la finesse des hydrofoils courants est de l'ordre de 5 à 6 seulement, du fait des difficultés pratiques de réalisation d'ailes à grand allongement.


2.5.- Les principaux systèmes d'ailes marines
2.5.1.- Les ailes marines entièrement immergées -
Dans ce cas, et surtout si elles sont immergées à une profondeur suffisante de l'ordre de 2 fois leur largeur, leur comportement ne pose pas de problème hydrodynamique particulier et se rapproche beaucoup des données théoriques précédemment énoncées. Leur rendement est alors maximum : ce sont sans conteste les meilleures ailes marines possibles.
2.5.2.- Les ailes marines perçant la surface : type Véliplane 3 et Hydroptère
Nous verrons plus loin que, pour des raisons de stabilité uniquement, on est souvent amené à adopter sur les voiliers des ailes marines perçant la surface, c'est-à-dire des ailes très inclinées, qui ne sont entièrement immergées que lorsque le bateau est à l'arrêt, et qui sortent progressivement de l'eau lorsque celui-ci accélère et se soulève. Ceci présente l'avantage considérable de réduire la surface mouillée quand le bateau accélère.


Cette disposition pose cependant sur le plan hydrodynamique de très sérieux problèmes :
- à basse et moyenne vitesse, et sous réserve d'un profil à bord d'attaque tranchant, les inconvénients de cette formule restent faibles, sinon que la partie située immédiatement sous la surface ne bénéficie pas d'un bon rendement,
- à grande vitesse (disons, au-delà de 15 nœuds), il peut se produire, surtout par mer agitée, le redoutable phénomène de Ventilation de l'aile (qu'il ne faut pas confondre avec la Cavitation qui se produit à vitesse beaucoup plus élevée et pour des ailes, ou des pales d'hélice, entièrement immergées).
En effet, la présence d'une forte dépression à l'extrados de l'aile est susceptible de provoquer une aspiration de l'air en provenance de la surface avec pour conséquence une chute totale de la dépression et une forte baisse de la portance.
Pour lutter contre ce phénomène, on est conduit:
1° à adopter des profils à bord d'attaque aussi tranchant que possible, du genre arc de cercle ou dérivé. De tels profils ont des finesses plus faibles que les profils type "aviation", mais ne comportent pas la forte "pointe" de dépression de ces derniers, ce qui réduit l'aspiration de l'air.

Par ailleurs, tout bord d'attaque arrondi perçant la surface (proue de navire par exemple) provoque une forte gerbe d'eau et une tendance au décollement des filets d'eau. Ceci, dans le cas d'une aile marine, ne manque pas de déclencher l'entrée d'air.
2° à placer à intervalles réguliers sur l'extrados de l'aile, des cloisons (ou "fences") destinées à bloquer, ou tout au moins à freiner, les entrées d'air qui pourraient se produire malgré tout.

Les ailes perçant la surface ayant un niveau d'immersion constamment variable, il est impossible de se contenter d'une seule cloison, placée juste sous la surface : il faut en prévoir 2 ou 3 au minimum.
2.5.3.- Les ailes « en persienne » type Monitor
Il s’agit d'un système comportant un nombre plus ou moins important de plans superposés, plus comparables à un "store vénitien" qu'à une « persienne ». Ces plans peuvent être soit horizontaux, soit inclinés (type Monitor) .
Ce système présente l'avantage de pouvoir faire varier la surface totale immergée (par sortie d'un ou plusieurs plans) tout en gardant en permanence des plans entièrement immergés ne risquant pas les phénomènes de ventilation : c'est donc un système fortement autostable et d'un rendement très honorable sous certaines conditions: ces conditions sont que l'écartement entre les plans soit aussi grand que possible et en tous cas jamais inférieur à la largeur des plans, afin de limiter au maximum les interactions entre ceux-ci.

Ceci conduit, si l'on veut disposer de 3 ou 4 plans successifs, à un dispositif très encombrant et très difficile à réaliser mécaniquement.



2.5.4.- L'aile « en escalier » type Véliplane IV




Il s'agit d'un dispositif composite, intermédiaire entre les 3 types d'ailes marines précédemment décrits.
Elle comprend 2 parties :

- un plan supérieur de type "perçant la surface",

- un plan inférieur, plus petit et décalé par rapport au précédent (d’ou le nom "en escalier") de façon que son extrémité inférieure dépasse celle du plan supérieur. Ce plan est placé de façon à ne pas percer la surface.

Dans la pratique, le plan inférieur est relié au plan supérieur par 2 supports dont l'un est situé au milieu du plan inférieur, l'autre à son extrémité (le support du milieu ayant la largeur de l'aile inférieure).
. Avantages du système :
- le plan inférieur n'est pratiquement jamais amené à percer la surface (sauf accident) : il est donc à l'abri de la ventilation et peut être équipé d'un profil à haut rendement avec bord d’attaque arrondi,

- toute la moitié inférieure de ce plan est totalement dégagée de l'influence du plan supérieur (à la différence de l'aile en persienne classique),

- le support central de cette aile, qui est fixé à l'extrémité de l'aile supérieure, constitue une fermeture totale du bord marginal, supprimant complètement les pertes marginales du plan supérieur.

- si, à la suite d'un accident (passage d'une vague), le plan inférieur vient à percer la surface, le support central constitue encore une cloison parfaite, supprimant toute ventilation de l'extrémité inférieure de ce plan.
. Inconvénients du système :
- la moitié supérieure du petit plan est soumise à l'interaction du plan supérieur,

- les supports présentent une traînée non négligeable et sans effet porteur,

- la réalisation est délicate.

2.6.- Exemple pratique de calcul des surfaces d'un bateau à ailes marines -
On a vu plus haut que la portance ou résultante R d'une aile marine est une fonction simple de la forme :

R = K . S .V ²

(on peut confondre dans la pratique Portance et Résultante pour des finesses supérieures à 6)
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