Vitesse aéronautique & Foils

Avancer, reculer ou plus généralement se déplacer, tout cela nécessite une ou des forces, et en engendre éventuellement d'autres. Nous allons voire lesquelles s'appliquent au déplacement d'un bateau.



A - Principes fondamentaux

La découverte de certains principes élémentaires marins sont apparus très vites aux premiers navigateurs, comme la célèbre poussée d’Archimède.

 La poussée d'Archimède est la force subit par un objet plus ou moins immergé dans un fluide (liquide ou gaz) soumis à un champ de gravité. Cette force est due à l'augmentation de la pression du fluide avec la profondeur : la pression étant plus forte sur la partie inférieure d'un objet immergé que sur sa partie supérieure, il en résulte une poussée globalement verticale vers le haut. C'est à partir de cette poussée qu'on définit la flottabilité d'un corps. Pour résumer, nous avons l'attraction terrestre représenté par le vecteur Fp, la poussée d’Archimède représentée par le vecteur Fa, le tout s'appliquant au solide V1. Ces 2 vecteurs se compensent se qui permet l'objet de flotter.

 Concernant les bateaux à voile surtout, le vent est aussi un moteur de force, que l'on nomme force ou poussée vélique. Elle est crée par la dépression engendrée par l'air passant à l'intérieur de la voile (intrados) et celle passant à l'extérieur (intrados). Cette force est généralement perpendiculaire à la voile. 

Cependant, cette force ferait avancer le bateau en crabe dans certaine configuration (près et travers), si cette force n'était pas compensé par une autre à savoir la force antidérive. La dérive est la partie immergée d'un navire qui se prolonge. Pour plus de stabilité est est généralement positionné au centre du bateau. Cette force antidérive annule la force dérive et donc le bateau va droit.

 

► Puis, nous avons la portance : c'est la force subit par un corps dans un écoulement d'eau (ou d'air). Le principe de fonctionnement de la portance est relativement le même que celui de la force vélique : le fluide rencontre la dérive (et même la coque) et se sépare en 2, l'un passant par l'intrados (allant plus vite) et l'autre par l'extrados (allant moins vite). La dépression qui en résulte est une force vers l'avant et le haut. Dans le cas d'une dérive, cette force est très faible mais est plus grande dans le cas des trimarans ou catamarans par exemple.

Les points de contact avec l'eau (la coque, dérive ...) ont donc une incidence sur le comportement du bateau. Ainsi, les coques qui ont tendance à « écarter » l'eau ralentissent le bateau car la résistance est plus grande. Celles qui optimisent au mieux cette contrainte sont celles qui « s'appuient » sur l'eau.

Afin d'illustrer le phénomène de cavitation, qui vous a été expliqué dans la partie I.1, nous avons réalisé en laboratoire l'expérience suivante:

Expérience:

--> Nous avons fait chauffer un bécher à moitié rempli d'eau sur une plaque chauffante, jusqu'à une température de 50 degrés. Cette température est de loin inférieure à la température d'ébullition de l'eau (fixée à 100°C).

-->On place le bécher directement sur le support de la pompe à vide, et on commence à aspirer l'air à l'intérieur.

--> Observation de l'eau dans la cloche à vide.

Résultats:

nous avons suivi le protocole de l'expérience, mais le résultat n'a pas été concluant. Nous pouvons supposer que la cloche à vide n'a pas été assez étanche et la baisse de pression de l'air pas assez importante.

Résultats attendus:

--> Une dépression se créée alors au bout d'un moment, ce qui fait bouillir l'eau: ce résultat indique qu'un changement de pression diminue la température d'ébullition. L'eau qui bout à une température inférieure à 100°C illustre la cavitation.

Interprétation:

Le même phénomène se produit au niveau des hélices des bateaux à moteur (cf. photo ci-contre), ... les sur les foils des hydroptères. Ce phénomène a pour conséquence une dégradation importante des plans porteurs.

Comment l'hydroptère a-t-il pu battre tous les records de vitesse des voiliers?

                           L'hydroptère détenteur du record de vitesse des voiliers est celui d’Alain Thébault, et ne doit son succès ni à une chance soudaine, ni au hasard, ni à une météo subitement favorable. Son record résulte d'un calcul de dimensions, d'orientation de voilure et de matériaux, qui se réglèrent, se choisirent et s'affinèrent au fil d'essais, et souvent des destructions de bateau. En effet, si l'hydroptère parvient aujourd'hui à gérer l'incroyable résistance que lui opposent le vent et la mer, c'est grâce à de nombreux essais, preuve s'il en fallait que ce bateau n'a pas été inventé subitement, ou ses proportions idéales devinées du premier coup. Cette partie passera en revue tous les aspects de l’hydroptère qui lui ont permis de gagner de la vitesse.

    ►  Arrêtons-nous dans un premier temps sur le poids du voilier et les matériaux utilisés dans sa conception. Le carbone, matériau prisé pour sa légèreté et sa solidité relatives aux autres matériaux, constitue la majorité du bateau. Son envergure a été repensée, et les flotteurs sont liés à la coque centrale de manière solide et offrant le moins possible de prise au vent.

Son envergure est de 24 mètres, et il mesure 18 mètres de long, néanmoins des dimensions moins équilibrées auraient certes offert un meilleur profil, mais également de plus grands risques de déviation, freinage ou de retournement de l'hydroptère par le vent. Le poids du carbone est également un avantage, car  il est suffisant pour permettre, lorsque le bateau a décollé, une stabilité relative confortée par la présence des flotteurs, mais également assez léger pour ne pas empêcher la coque centrale de se dés-immerger.

                 Dans la partie I.2 sont rappelées les forces de frottement de l’eau sur le bateau, et il est dit que la construction du bateau doit être faite en prenant en compte ces frottements, afin de les minimiser.

            L’utilisation de carbone dans la grande majorité de l’hydroptère est donc un choix réfléchi, qui doit permettre au bateau d’allier solidité extrême et le plus de légèreté possible.

                          Surface des voiles de l'hydroptère :

                             Grand-voile: 165 m²    

                                   ►Grand-voile 1ris: 138.5 m²

                                   ►Grand-voile 2ris: 110 m²

                             Surface du génaker: 184 m²

                             Surface du Solent: 94 m²

   ►   Examinons les flotteurs. Comme sur tout trimaran, une de leurs fonctions premières est d'assurer une quasi-complète stabilité à la coque principale; ce n'est toutefois pas la seule utilité importante des flotteurs de l'hydroptère. Leur fonction est également de maintenir les plans porteurs en « V » de chaque côté du bateau afin qu'ils soient solidaires du reste du voilier et puissent s'orienter aussi fluidement que possible.

La présence des « passerelles » entre flotteurs et coque principale est donc presque exclusivement destinée à soutenir les foils en « V ». Elles doivent être assez légères pour ne pas déséquilibrer le bateau lorsqu'il décolle [tirant d'eau] lorsqu'il arrête de gîter, mais également assez solides pour permettre au bateau de résister à la force de pression de l'eau considérable, qui sans cette solidarité disloquerait le bateau, le retournant ou déchirant un des bras du voilier.

  ►L’hydroptère nécessite un équipage précis pour fonctionner dans son optique de record de vitesse. Cet équipage doit comporter suffisamment de personnes pour pouvoir régler la plupart des problèmes bénins qui pourraient survenir pendant une traversée, mais également être suffisamment peu nombreux pour ne pas trop alourdir le bateau par son nombre de personnes. L’hydroptère a un équipage de 8 personnes, nombre qu’il conserve depuis 2009.

   ►    Une autre technologie nautique de pointe mise en exergue par l'hydroptère est la disposition des foils. Ils sont placés de manière originale (cf. ci-dessus). Ils sont placés de manière originale (cf. ci-dessus).

              Les foils de l'hydroptère 1,0 ont été remplacés par des pièces de métal plus larges avec l’hydroptère.ch, qui sont plus utiles car plus aisées à déplacer en fonction des étapes de « décollage » de l'appareil. Ces plans porteurs sont de deux natures différentes, en ‘’V’’ et en ’’T’’, est les uns pallient les inconvénients des autres, et vice-versa. En effet, l’observation d’une vidéo de l’hydroptère « décollant » permet de constater que le foil en « T » permet une stabilité plus grande que celle qu’apporteraient les deux foils en « V », et la présence des foils en V permet une minimisation de la destruction en cas

d’avarie, car ils sont plus faciles à rétracter, et donc à protéger. (cf. schéma de droite, représentant l'hydroptère sur mer calme, avec les foils en V (présentés en orange) repliés)

Foils en V (orange) repliés





  ►   La jonction mécanique au-dessus du plan porteur en « T », a un poids important, qui est toutefois en partie compensée grâce aux foils en « V » : en effet, le poids de tout l’hydroptère, au lieu d’être concentré sur ce foil « central » du bateau, est réparti sur celui-là et sur les plans porteurs en  « V », qui sont plus longs et permettent au bateau de prendre une vitesse de pointe supérieure à celle des autres bateaux dotés de plans porteurs « conventionnels ».

  ►  Le plan porteur en "T" est assez petit sur l’hydroptère, en effet, il constitue une sorte de dérive pour le bateau. Que ce dernier soit immergé ou qu'il ait décollé, sa surface est identique. Il est également appelé "empennage" du bateau (confer figure ci-contre, représentant - à l'envers- le foil en "T" de l'hydroptère). Le plan porteur "T" de l'hydroptère a un régulateur d'angle d'incidence, c'est-à-dire qu'il peut s'orienter pour faire face à différents types de sollicitation du bateau: en cas d'accélération, de maintien de la vitesse, de décéleration... Cet angle variable lui permet d'être plus fluide par rapport aux moments de navigation de l'hydroptère. S'il n'en était pas équipé, l'hydroptère pourrait chavirer, ou tomber de côté lorsqu'il perd de sa vitesse.



  ►  L’écrêteur est l’autre technologie « de pointe » dont dispose l’hydroptère, en ce qui concerne son profil de rapidité. Son autre nom est ‘’amortisseur d’efforts’’, et il a été inventé par André Sournat. Sur la photo, l’écrêteur est le vélin hydraulique encadré en marron, à côté d’Alain Thébault.

Comme expliqué plus haut, l’hydroptère est un bateau porté par la pression dynamique de l’eau sur ses foils (la dépression s’effectue au-dessus de ces foils, et il y a suppression sur le dessous de ces mêmes foils).  Ces derniers subissent donc une pression très importante (confer plus haut, d’où l’importance d’une construction en carbone). L’écrêteur est là pour limiter cette pression sur les foils.

L’écrêteur agit en permettant au foil de s’incliner légèrement lorsque la valeur de portance dépasse la limite fixée par l’équipage ; cette méthode permet de repousser les limites de la pression que sont capables de supporter les deux plans porteurs en « V ».

         Conclusion:    Fort de ces améliorations et équilibré aussi bien dans ses matériaux que dans sa voilure, l’Hydroptère d’Alain Thébault est au jour d’aujourd’hui le bateau à voile le plus rapide du monde.  Nous pouvons conclure que cette vitesse est due à des innovations techniques, des proportions bien choisies et des matériaux adaptés.

Notes :

-l’Hydroptère dont parle cette partie est bien « L’hydroptère » d’Alain Thébault (y compris les mesures de sa longueur, de son poids et de ses voiles)  . La seule référence à l’hydroptère.ch -  un prototype d’hydroptère réalisé par quelques ingénieurs en vue de réaliser un Hydroptère Maxi – est faite lorsqu’on parle du « repliage » des foils en V.

 Nous avons passé notre après-midi du 15 octobre 2011 aux portes ouvertes de l'école Centrale de Nantes, afin de pouvoir observer le bassin de carène dont dispose cette école.

Nous avons commencé notre visite par les locaux du bassin, une sorte de salle qui en comporte deux! L'un est assez long et étroit et une cabine au-dessus du bassin peut suivre l'avancée d'un prototype ou d'une maquette grâce à des rails.

Le second bassin est plus grand, et est doté d'un batteur métallique constitué d'une quarantaine de panneaux qui sont articulés de manière à créer, selon les besoins de l'expérience, des vagues plus ou moins régulières, hautes, ou symétriques.

L'expérience à laquelle nous avons pu assister permettait de nous rendre compte des possibilités offertes par ce batteur métallique, l'intervenant - un professeur de l'école centrale responsable du bassin, monsieur F. Bonnefoy- nous montrant différentes vagues dont la longueur d'onde, la hauteur pouvaient différer.

Cette expérience a mis en évidence, entre autres, la possibilité de créer en "laboratoire" des houles qui apparaissent en situation réelle, comme la houle gaufrée (qui entraîne un risque d' instabilité pour la navigation), permettant ainsi à tous les constructeurs de bateaux de la côte ouest de venir tester leurs maquettes afin d'éliminer ou de corriger les défauts de celles-ci, limitant les risques et le budget.

[photos]

Né en 1962, Alain Thébault a passé son enfance à Notre-Dame des Carnes, près de Pont-l'Abbé.

Il décida de naviguer suite à la victoire de Eric Tabarly sur la route du Rhum, une course de voiliers qui prt de Saint-Malo et arrive en Guadeloupe.

 En 1983, il rencontre les concepteurs du bateau Paul Ricard, d'Eric Tabarly; à cette occasion, il emmeène ses croquis d'hydroptère et fait la rencontre de ce dernier .

 1994 est l'année du premier "vol" du trimaran l'Hydroptère. En 2005, il bat (avec l'Hydroptère) le record de la traversée de la Manche, qu'il effectue en 34 minutes. Sa moyenne est de 33 noeuds toutes les 24 secondes.

En 2007, il bat le record absolu de vitesse sur mile nautique, avec une moyenne de 41, 69 noeuds.

 En 2009, Alain Thébault et son Hydroptère atteignent la vitesse de 51.36 noeuds, qu'ils maintiennent sur 500 mètres. Sur mille nautique, la vitesse atteinte est de 50.17 noeuds.

notes: un mille marin correspond à 1852 mètres ; un noeud marin est l'équivalent d'une vitesse de 1.852km/h.