EP0694008B1

EP0694008B1 - Hydroptere a voile

Info

Publication number: EP0694008B1
Application number: EP94913156A
Authority: EP
Inventors: André SOURNAT; Alain De Bergh; Alain Thebault; Philippe Perrier; Vincent Lauriot-Prevost; Marc Van Peteghem
Original assignee: Dassault Aviation SA; Architecture Navale MVPVLP
Current assignee: DE BERGH, ALAIN; PERRIER, PHILIPPE; SOURNAT, ANDRE; THEBAULT, ALAIN; Dassault Aviation SA; Architecture Navale MVPVLP
Priority date: 1993-04-13
Filing date: 1994-04-12
Publication date: 1997-01-02
Anticipated expiration: 2014-04-12
Also published as: WO1994023989A2; DE69401350T2; AU6541394A; FR2703975A1; WO1994023989A3; US5673641A; FR2703975B1; DE69401350D1; NZ265077A; EP0694008A1; AU680245B2

Abstract

L'invention concerne un hydroptère à voile présentant un ensemble avant comportant des plans porteurs avant qui sont au moins partiellement immergés et un plan arrière totalement immergé. Les plans porteurs avant (43, 44) sont tels que la résultante des efforts verticaux: diminuent lorsque ledit ensemble est soumis à une translation verticale vers le haut, avec une caractéristique de pilonnement F; augmentent lorsque ledit ensemble avant est soumis à un mouvement de tangage à cabrer, avec une caractéristique d'incidence A. Le plan arrière (46) présente une caractéristique d'incidence R telle que: R (d-g) - Ag + F(g2+r2) > 0, d désignant la distance entre le plan arrière (46) et le foyer de pilonnement, g désignant la distance entre le centre de gravité et le foyer de pilonnement, et r désignant le rayon de giration de l'hydroptère.

Description

La présente invention a pour objet un hydroptère à voile du type présentant un ensemble avant comportant des plans porteurs avant au moins partiellement immergés, et un plan arrière totalement immergé.
Le principe consistant à assurer l'équilibrage du poids d'un bateau par un effet de portance hydrodynamique produit par la vitesse de l'eau agissant sur des éléments en forme d'aile immergées, semi-immergées ou traversant la surface ae l'eau, par opposition à la seule utilisation de l'effet archimédien des volumes immergés, est assez ancien, et on a vu naviguer dès le début du vingtième siècle des bateaux à moteur équipés de ce genre de dispositif.
Le premier dépôt de brevet concernant un hydroptère remonte à 1869 et est dû à l'inventeur français FARCOT.
En 1909, un engin à moteur, le "motoscaphe" est construit par Roger RAVAUD.
En 1911, un autre bateau à moteur et à foils est construit par l'italien FORLANINI et présente des plans porteurs disposés en échelle.
En 1907, CROCCO et RICALDONI ont fait fonctionner un appareil monoplan muni d'ailes en V perçant la surface. La surface immergée varie automatiquement en fonction du poids et de la vitesse, ce qui procure à l'engin une caractéristique donnée de pilonnement ainsi qu'une stabilité de fonctionnement. Cette disposition d'ailes en V perçant la surface qui a été employée très largement sur les hydroptères dits de première génération, présente le défaut de donner aux ailes une tendance à suivre les ondulations de la houle, ce qui rend un tel navire inconfortable. En outre, dès que la houle dépasse des creux de 1,5 m, il est nécessaire de réduire la vitesse de l'hydroptère dans des proportions très importantes.
Ce principe d'ailes en V a donc été abandonné dans les hydroptères dits de deuxième génération qui présentent des ailes simples totalement immergées et à incidence variable, et qui sont commandés par un système automatique en fonction de la vitesse de l'assiette et de la hauteur de l'engin, un système de régulation envoyant les corrections nécessaires aux ailes portantes. De tels hydroptères à moteur dits de deuxième génération sont apparus dans les années 60 et ont été surtout utilisés à des fins militaires. De par leur conception, ces hydroptères sont instables, la stabilité n'étant obtenue qu'en dynamique, grâce à un système de régulation spécifique.
En ce qui concerne les hydroptères à voile, des engins de course ont déjà été construits qui permettent d'atteindre des vitesses élevées dans des conditions de mer calme. Par contre, ces engins présentent des problèmes importants de stabilité et sont pratiquement inutilisables en présence de houle.
Les brevets US-5 054 410 (SCARBOROUGH) et US 3 789 789 (CLEARY) décrivent des hydroptères à voile présentant un plan porteur avant partiellement immergé et un plan porteur arrière, et un dispositif de compensation dynamique, ce qui fait que ces hydroptères ne sont pas intrinsèquement stables. Dans le brevet US 5 054 410, le plan porteur arrière est totalement immergé, et l'hydroptère n'est pas intrinsèquement stable, la stabilité étant obtenue de manière purement dynamique. Dans le brevet US 3 789 789, le plan porteur arrière n'est pas totalement immergé, ce qui fait qu'en fonctionnement sur foils, il vient à la surface de l'eau et travaille non plus comme une aile portante, mais comme un patin ou un ski nautique, imposant à l'arrière une altitude de vol fixe.
On connaît également un hydroptère à stabilisation dynamique de l'article de Neil BOSE "Model Tests for a wind-propelled hydrofoil trimaran" paru dans HIGH-SPEED SURFACE CRAFT vol. 20, N°10, oct.1981, London p28-31. Cet hydroptère est équipé d'un foil arrière qui, comme les foils avant, présente une forme de V, les pointes du V traversant la surface, ce qui fait qu'il n'est pas totalement immergé.
La présente invention se propose pour but de réaliser un hydroptère à voile qui soit intrinsèquement stable.
L'idée de base de l'invention consiste à partir d'un type d'hydroptère à voile connu présentant un ensemble avant comportant des plans porteurs avant qui sont au moins partiellement immergés, et un plan arrière totalement immergé, ce dernier ne présentant pas de ce fait, de caractéristique de pilonnement.
L'objet de la présente invention est la reconnaissance du fait qu'une disposition particulière des éléments d'un hydroptère à voile de ce type est susceptible d'assurer la stabilité longitudinale de celui-ci, et plus particulièrement une stabilité longitudinale compatible avec des conditions de navigation à forte houle.
La présente invention concerne ainsi un hydroptère à voile du type précité caractérisé en ce que les plans porteurs avant sont tels que la résultante des efforts verticaux :

diminuent lorsque ledit ensemble avant est soumis à une translation verticale vers le haut, ladite résultante ayant une caractéristique de pilonnement F,
augmentent lorsque ledit ensemble avant est soumis à un mouvement de tangage à cabrer, avec une caractéristique d'incidence A,

{C = R (d-g) - Ag + F(g}^{2} {+r}^{2}) > 0

d désignant la composante horizontale de la distance entre le plan arrière et le foyer de pilonnement de l'ensemble avant,
g désignant la distance entre le centre de gravité de l'hydroptère et le foyer de pilonnement de l'ensemble avant,
et r désignant le rayon de giration de l'hydroptère.

La définition de ces termes est donnée dans la suite de la description.
La condition de stabilité selon l'invention assure que, à partir d'une position d'équilibre, tout écart de cette position, combinaison quelconque d'un mouvement de tangage et d'un mouvement de pilonnement, produit une variation des efforts hydrodynamiques qui tend à ramener l'engin dans sa position d'équilibre.
L'hydroptère est avantageusement du type multicoque, avec une coque centrale et deux flotteurs latéraux, les plans porteurs avant étant supportés par les flotteurs latéraux et convergeant symétriquement en direction de la coque centrale.
L'hydroptère peut alors comporter des poutres reliant la coque centrale et les flotteurs latéraux qui sont supportés par des tirants fixés sur la coque centrale et il comporte des redans s'étendant depuis la proue de la coque centrale jusqu'à au moins le point de fixation de chaque tirant sur la coque centrale, ledit point de fixation de chaque tirant étant disposé au-dessus de la base du redan. Ceci permet que, lorsque l'hydroptère embarque un paquet de mer, le redant dévie celui-ci des points de fixation des tirants, ce qui évite de produire un effort instantanné de déstabilisation de l'hydroptère.
Le plan arrière est avantageusement monté à l'extrémité inférieure d'un safran disposé verticalement. Le plan arrière peut être symétrique de part et d'autre du safran. Selon un mode de réalisation préféré, le plan arrière est monté sur un axe de rotation vertical lié à un système de déclenchement de telle sorte qu'il est susceptible de s'effacer en rotation lorsqu'il est soumis à un couple supérieur à une valeur nominale donnée. Le montage du plan arrière peut être effectué par l'intermédiaire d'un tube de torsion maintenu par un galet, lequel est susceptible de s'effacer en comprimant un ressort de manière à limiter les efforts de torsion à ladite valeur nominale.
L'hydroptère peut également comporter un dispositif de mise en rotation du safran comprenant un levier d'entraînement commandant un volet mobile lié mécaniquement à une extrémité du safran opposée à son axe de rotation. Il peut comporter, entre le levier d'entraînement et le volet mobile un dispositif d'entraînement comprenant un mécanisme bielle-manivelle d'amplification de bras de levier, ainsi qu'un tube de torsion reliant le mécanisme bielle-manivelle ou levier d'entraînement. Il peut comporter également une boîte à ressort disposée entre le levier d'entraînement et le safran, de telle sorte que le tube de torsion ne retransmet d'effort que lorsque l'effort résistant du safran dépasse le tarage de la boîte à ressort. De la sorte, lorsque l'effort résistant du safran est inférieur au tarage de la boîte à ressort, le levier d'entraînement entraîne directement le safran, alors que le mécanisme bielle-manivelle d'amplification et le volet mobile entrent en action pour des valeurs supérieures.
Un mode de réalisation avantageux de l'hydroptère consiste à pouvoir régler le calage du plan arrière autour d'un axe horizontal transversal de façon à choisir les conditions d'assiette et d'enfoncement de l'hydroptère qui permettent d'obtenir les meilleures performances. Ce réglage ne participe pas directement à la stabilité puisque la position dudit plan horizontal est habituellement fixe et ne fait l'objet que de réglages ponctuels en fonction de l'évolution des conditions de navigation.
L'hydroptère peut également comporter un dispositif de relevage du safran et/ou des plans porteurs avant, ce qui permet de mettre l'hydroptère dans une configuration qui est celle d'un trimaran classique.
L'hydroptère peut également comporter un ballast d'eau destiné à déplacer le centre de gravité vers l'arrière lorsqu'il navigue à vitesse élevée.
Dans la mesure où le remplissage du ballast ne doit se faire qu'à partir d'une certaine vitesse, une réalisation avantageuse du système de remplissage consiste en un tube plongeant sous la surface de l'eau et dont l'orifice inférieur est orienté vers l'avant de façon à ce que le ballast se remplisse automatiquement sous l'effet de la pression dynamique de l'eau. Par exemple, un tel tube immergé permet de remplir un réservoir situé à 1,30 m au-dessus de la surface de l'eau à partir d'une vitesse de 10 noeuds.
De façon à diminuer la résistance hydraulique représentée par le tube immergé, un mode de réalisation avantageux de l'invention consiste à placer ce tube à l'intérieur du safran de façon à ce que son orifice inférieur se situe dans la partie basse du bord d'attaque du safran, partie qui est toujours immergée lorsque l'hydroptère fonctionne par portance hydrodynamique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins qui représentent :

les figures 1 et 2, des hydroptères à moteur de l'art antérieur, respectivement de première et de deuxième génération,
les figures 3 et 4, des vues générales d'un hydroptère selon l'invention, respectivement de côté et de dessus,
les figures 5a et 5b, des vues partielles d'un hydroptère selon l'invention, respectivement de côté et d'avant,
les figures 6a et 6b respectivement, en vue de côté et en vue d'avant, la mise en place de redans de protection selon l'invention,
les figures 7 et 8 un dispositif de commande du safran selon un mode de réalisation préféré de l'invention,
les figures 9a et 9b, un dispositif de relevage des plans porteurs avant, respectivement en position déployée et en position repliée,
et la figure 10, une variante du plan porteur arrière.

La figure 1 représente un schéma d'un hydroptère du type RHS 160 de la firme CANTIERE NAVAL TECNICA SpA. qui comporte des ailes avant 21 en forme de V, un plan avant 23 et un élément de support vertical 22. Un ensemble arrière comporte deux ailes 24 des éléments de support verticaux 25 et des bras de support 26. Ce bateau présente deux moteurs diesel 29, une boîte de vitesse 30, des arbres de transmission 28 et des hélices de propulsion 27 situées à la base des renforts 25. Ainsi qu'il a été dit ci-dessus, la présence d'ailes en V à l'avant et l'arrière de l'hydroptère a pour effet que la surface immergée varie automatiquement en fonction du poids et de la vitesse, ce qui fait que les ailes suivent les ondulations de la houle et que le navire est particulièrement inconfortable en cas de mer forte.
Un hydroptère de deuxième génération conçu par la firme BOEING est représenté à la figure 2. Le plan avant 14 est relié à la coque du navire par une traverse verticale 12 et le plan arrière 7 est relié à la coque par une traverse centrale 16 et deux traverses latérales 15. Les traverses 15 servent aux commandes des dérives arrière. Le dispositif comporte un accéléromètre vertical 1, un boîtier de jonction arrière 2, une commande de dérive arrière 3, une commande de direction 4, un boîtier de jonction avant, une commande de dérive avant 6, un accéléromètre latéral 7, des sondes 8 de détection de hauteur des vagues, un tableau 9 de commande automatique ACS, un ordinateur 10, et un tableau 11 de contrôle de position. L'ensemble des plans porteurs d'un tel hydroptère ne présente pas de stabilité propre, celle-ci n'étant obtenue que de manière dynamique par le système de régulation mentionné ci-dessus.
Il n'existe pas actuellement d'hydroptère présentant des caractéristiques intrinsèques de stabilité permettant la navigation par forte houle. Les conditions à remplir sont encore plus difficiles pour les hydroptères à voile qui ne disposent pas d'une puissance motorisée importante. En outre, une structure auto-stable présente l'avantage d'une simplicité de construction, ce qui évite les problèmes de fiabilité lors de traversées longues et difficiles.
Comme représenté aux figures 3 et 4, l'hydroptère selon la présente invention se présente sous la forme d'un trimaran présentant une coque centrale 40 et deux flotteurs latéraux 41 et 42 reliés à la coque centrale par des poutres 37 et 38, lesquelles se divisent, au voisinage de la coque 40, en deux bras 61 et 63 pour la poutre 37, et 62 et 64 pour la poutre 38. Les plans porteurs avant sont constitués de deux foils 43 et 44 fixés aux bords internes des flotteurs 41 et 42 et qui sont dirigés l'un vers l'autre en direction de la coque centrale (voir également la figure 5b).
Le plan porteur arrière 46 est un profil horizontal fixé à la partie inférieure d'un safran 45 constituant le gouvernail de l'hydroptère.
A la figure 4, le repère 60 désigne la cabine de pilotage, les repères 65 et 66, les espaces situés entre les bras, respectivement 61, 63 et 62, 64.
La ligne de flottaison de l'hydroptère au repos a été figurée par le repère 50.
Plus particulièrement sur les figures 3 et 4, on voit que les foils avant 43 et 44 présentent, à partir de leur emplanture, une première partie trapézoïdale s'évasant depuis les flotteurs 41 et 42 jusqu'à une partie de largeur maximale située approximativement au niveau de la ligne de flottaison 50 lorsque l'hydroptère est au repos. Ensuite, les foils se poursuivent vers le bas par une deuxième partie trapézoïdale allant se rétrécissant et se prolongent par des plans porteurs de faibles dimensions ou ailerons 47 et 48 disposés horizontalement.
Ces ailerons 47, 48 présentent avantageusement une corde c' inférieure ou égale à celle (c) de l'extrémité distale des foils 43 et 44 et dont l'envergure e est au moins égale à trois fois cette corde c', cette envergure e s'étendant suivant une direction sensiblement horizontale en direction du plan de symétrie de l'hydroptère (voir fig. 4 et 5b).
En outre, comme le montre particulièrement la figure 5b, les poutres 37 et 38 sont soutenues par des bras de renfort jumelés 51 et 52 situés en-dessous des bras 61 à 64 et qui sont fixés entre une partie de la coque située au-dessus de la ligne de flottaison 50 et l'extrémité distale par rapport à la coque des bras 61 à 64, et de manière à dégager les espaces 65 et 66.
Nous allons maintenant définir les conditions de stabilité d'un hydroptère tel que représenté aux figures 3, 4, 5a et 5b.
On désigne par d la composante horizontale de la distance entre l'axe transversal du plan arrière 46 et le foyer de pilonnement qui est situé au droit des foils avant 43 et 44.
On désigne par g la distance entre le centre de gravité de l'hydroptère et le foyer de pilonnement, cette distance étant comptée positivement pour un centre de gravité G situé en arrière de ce foyer de pilonnement.
On désigne par r le rayon de giration de l'hydroptère qui est défini comme la longueur dont le carré est égal au rapport entre le moment d'inertie de l'hydroptère dans une rotation autour d'un axe transversal passant par le centre de gravité, et la masse de l'hydroptère.
On désigne par foyer de pilonnement P, le point d'application des variations d'efforts verticaux engendrés par un mouvement de translation verticale de l'hydroptère sans variation de vitesse ni d'assiette à partir d'un état d'équilibre.
On désigne par F la caractéristique de pilonnement qui est le rapport entre la variation de la résultante des efforts verticaux et la longueur du déplacement vertical qui engendre cette variation. En d'autres termes, il s'agit de la dérivée de la portance de l'hydroptère en fonction de son enfoncement. La caractéristique de pilonnement est comptée positive pour une résultante des efforts verticaux orientée vers le bas, lorsque l'engin subit un déplacement vers le haut.
On remarquera que, étant donné que seul le plan avant présente une variation de surface des plans porteurs immergés en fonction des déplacements verticaux de l'hydroptère, la caractéristique de pilonnement F est due uniquement à la présence des foils avant 43 et 44 et il en résulte que le foyer de pilonnement P est situé dans le plan vertical moyen de ces foils avant 43 et 44.
La caractéristique d'incidence A d'un plan porteur est définie comme le rapport entre la variation de la résultante des efforts verticaux engendrés par un mouvement de rotation autour d'un axe transversal et l'angle de rotation correspondant exprimé en radians. En d'autres termes, c'est la dérivée de la portance en fonction de l'assiette. La caractéristique d'incidence A est comptée positive pour une variation de résultante des efforts verticaux orientée vers le haut pour un mouvement à cabrer.
Les plans porteurs avant ou foils 43 et 44 présentent une résultante des efforts verticaux qui diminuent lorsque l'ensemble avant est soumis à une translation verticale vers le haut, cette résultante présentant une caractéristique de pilonnement F positive. La résultante des efforts verticaux augmente lorsque ledit ensemble avant est soumis à un mouvement de tangage à cabrer. L'ensemble avant présente une caractéristique d'incidence A. Enfin, le plan arrière présente également une caractéristique d'incidence R, mais présente une caractéristique du pilonnement nulle.
La caractéristique de stabilité de l'hydroptère est donnée par la relation suivante ${C = R (d-g) - Ag + F(g}^{2} {+r}^{2}) > 0$
La condition de stabilité selon l'invention assure que, à partir d'une position d'équilibre, tout écart de cette position, combinaison quelconque d'un mouvement de tangage et d'un mouvement de pilonnement, produit une variation des efforts hydrodynamiques qui tend à ramener l'engin dans sa position d'équilibre. En particulier, si on considère une immersion momentanée due à la houle, des plans porteurs avant 43 et 44, la portance de ceux-ci tend à augmenter brusquement, d'où soulevement de l'avant du bateau et cabrage de celui-ci. Dans cette configuration, le plan porteur arrière compense ou surcompense ce phénomène, et l'augmentation de sa portance a pour effet de contrecarrer le cabrage de l'avant de l'hydroptère, d'où limitation par compensation de l'effet de tangage. Par contre, comme le plan porteur arrière ne présente pas de caractéristique de pilonnement, l'effet de stabilisation qu'il procure est tel que l'hydroptère n'est pas amené à suivre les mouvements de la houle. Cet inconvénient des hydroptères de première génération est donc évité.
Il en résulte que la combinaison de plans porteurs avant présentant une caractéristique de pilonnement ainsi que de cabrage, et d'un plan arrière présentant seulement une caractéristique de cabrage a permis de définir des conditions de stabilité qui n'auraient pas pu être obtenues avec d'autres configurations connues.
La taille du foil arrière 46 est limitée vers les valeurs supérieures par la trainée qu'il produit et les conséquences qui en résultent pour les performances du bateau.
On remarquera que les caractéristiques hydrodynamiques d'ailes immergées ou semi-immergées ou bien traversant la surface de l'eau peuvent être déterminées par des moyens connus, en particulier par des mesures en bassin de carène sur des maquettes à échelle réduite ou non, par des calculs d'écoulement par ordinateur, par des mesures d'efforts sur un prototype. On se reportera en particulier à l'ouvrage de S.F. HOERNER intitué "Résistance à l'avancement dans les fluides" édité en 1965 par Gautier-Villard à Paris.
L'évaluation de la masse, de la position du centre de gravité des moments d'inertie de l'hydroptère peut également être effectuée par des méthodes connues.
La détermination en tant que telle de ces différentes caractéristiques fait donc partie du travail habituel de conception d'un engin de type à portance hydrodynamique. Dans sa forme la plus générale, l'invention ne concerne pas un type particulier de plans porteurs, mais une disposition relative desdits plans porteurs entre eux et surtout par rapport au centre de gravité de l'engin, qui assure que l'équilibrage de la masse de l'hydroptère et des efforts de propulsion par des efforts de portance hydrodynamique est stable et permet à l'hydroptère de se maintenir dans un état d'équilibre sans système de régulation.
Un mode de réalisation avantageux de l'hydroptère consiste à pouvoir régler le calage du plan arrière autour d'un axe horizontal transversal de façon à choisir les conditions d'assiette et d'enfoncement de l'hydroptère qui permettent d'obtenir les meilleures performances. Ce réglage ne participe pas directement à la stabilité puisque la position dudit plan horizontal est habituellement fixe et ne fait l'objet que de réglages ponctuels en fonction de l'évolution des conditions de navigation.

Exemple d'application

L'hydroptère est composé d'un ensemble de deux plans porteurs 43 et 44 situés symétriquement par rapport au plan de symétrie de l'engin et appelés "foils avant" et d'un plan porteur arrière 46 totalement immergé et appelé "foil arrière". Le foil arrière est situé 4 m en arrière de la ligne joignant les foils avant (d=4m). Le centre de gravité de l'engin est situé à 0,65 m en arrière de la ligne joignant les foils avant (g=0,65m). Le rayon de giration r de l'engin en ordre de marche autour de l'axe de tangage est de 2,1 m. La masse de l'engin en ordre de marche est de 400 kg.
Les études et les essais effectués sur les foils avant 43 et 44 ont montré que la composante verticale de l'effort que chaque foil développe varie en fonction de l'assiette du foil, de son niveau d'immersion et de la vitesse de l'engin. Cet effort est correctement représenté pour chaque foil par les formules suivantes :
pour une immersion de 0,850 m, (et une surface projetée verticalement égale à 0,53 m² pour chaque foil) ${Fa1 = 750 x a x v}^{2};$
pour une immersion de 0,450 m, ${Fa2 = 370 x a x v}^{2};$

où a est l'assiette (ou incidence) de fonctionnement du foil exprimée en radians
v² est le carré de la vitesse de l'engin exprimée en m/s ; les efforts Fa1 et Fa2 sont exprimés en N.

Les études et les essais effectués sur le foil arrière 46 d'envergure 1,5 m et de surface 0,34 m² montrent que l'effort vertical qu'il développe peut s'exprimer correctement par la formule suivante : ${Fr = 660 x b x v}^{2}$
où b est l'incidence du foil arrière exprimée en radians, l'effort Fr est exprimé en N.
Le foil arrière étant réglable en incidence par le pilote de l'engin, l'incidence b est indépendante de l'assiette a de l'engin mais il faut considérer que leurs variations intantanées sont identiques.

Caractéristique de pilonnement F

En supposant que la composante verticale des efforts appliquées aux foils avant varie linéairement en fonction de l'immersion, on peut déduire que la caractéristique de pilonnement pour l'ensemble des deux foils avant vaut : $F=2 x (Fa1-Fa2) / (0,850 - 0,450)$
${F=2 x (750 x a x v}^{2} {- 370 x a x v}^{2}) / (0,850 - 0,450)$
${F = 1900 x a x v}^{2}$

Application numérique

On peut attribuer à chaque paramètre les valeurs suivantes, indépendantes du niveau d'imersion :

g = 0,65 m
r = 2,10 m
d = 4 m
F = 1900 x a x v²
R = 660 x v²

Par ailleurs, pour l'immersion de 0,85 m on a : ${A = 2 x 750 x v}^{2} {= 1500 x v}^{2}$
et pour l'immersion de 0,45 m on a : ${A = 2 x 370 x v}^{2} {= 740 x v}^{2}$
L'application à la relation d'équilibre C donne :
pour l'immersion de 0,85 m : ${C = R x (d-g) - Axg + F x (g}^{2} {+r}^{2}) {= (660 x v}^{2} {) x (4-0,65) - (1500 x v}^{2}) x 0,65 {+ (1900 x a x v}^{2} {) x (0,65}^{2} + 2,12) {C = (1236 + 9180 x a) x v}^{2} > 0$
pour l'immersion de 0,450 m : ${R x (d-g) - Axg + F x (g}^{2} {+ r}^{2} {) = (660 v) x (4 - 0,65) - (740 v}^{2} {) x 0,65 + (1900 x a x v}^{2} {) x (0,65}^{2} {= 2,1}^{2} {) C = (1730 + 9180 x a) x v}^{2} > 0$
La condition est donc satisfaite dans les deux cas d'immersion, pour toute valeur de l'assiette a. La valeur numérique du terme C diminue lorsque l'immersion augmente. En d'autres termes, et ceci est valable dans tous les cas, si la condition est satisfaite pour l'immersion maximale (c'est-à-dire lors du déjaugeage) elle est toujours satisfaite quelle que soit l'immersion et donc la vitesse de l'engin.

Contre-exemple

Supposons que le centre de gravité de l'engin se situe à 1,80 m en arrière des foils avant et qu'il navigue avec une assiette de 3,5 degrés (0,06 radians). L'application de la relation d'équilibre avec

g = 1,8 m
a = 0,06 rd

{R(d-g) - Ag + F(g}^{2} {+ r}^{2} {)= 660 x v}^{2} {(4 - 1,8) - 1500 v}^{2} {x 1,8 + 1900 a v}^{2} {(1,8}^{2} {+2,1}^{2} {) (1452 - 2700 + 872)v}^{2} {= -376 v}^{2} < 0

La condition n'est pas satisfaite.
A titre de règle de conception, on peut remédier à des instabilités :

en augmentant la taille du plan porteur arrière 46,
en disposant celui-ci plus à l'arrière,
en avançant le centre de gravité,
en augmentant l'assiette de l'ensemble avant,
en diminuant la profondeur d'immersion de l'ensemble avant,
en augmentant le rayon de giration r

Le comportement dynamique de l'ensemble poutre 37, 38 et foils principaux 43, 44 est très sensible à la raideur en flexion et en torsion de cette poutre (voir fig. 4)
Pour assurer une rigidité satisfaisante tout en maintenant un objectif de poids minimum, la solution retenue consiste à reprendre cette poutre 37, 38, de chaque côté de la coque principale 40, par deux ferrures d'appui 57, 58 au niveau de la coque 40 et deux tirants 51, 52 repris juste au-dessus de la ligne de flottaison 50.
Ce principe d'attache présente l'inconvénient que, si ces tirants 51, 52, viennent au contact de l'eau, il se produit un freinage important. Il est donc peu employé sur les multicoques classiques mais est, en revanche, bien adapté à l'hydroptère qui sort sa coque de l'eau à grande vitesse et peut donc maintenir les tirants 51 et 52 hors du contact de l'eau, sauf si la mer est très agitée, conditions dans lesquelles, ces coups de frein brutaux, qui sont susceptibles d'en résulter, sont dangereux.
Pour limiter ces effets de choc de la mer sur les ferrures 57, 58 de reprise des tirants 51 et 52, ceux-ci sont placés à l'intérieur de volumes 55, 56 rapportés sur la coque et comportant des redans 53, 54.
Les volumes en question jouent donc un double rôle :

carénage des ferrures 57 et 58
sustentation supplémentaire par double effet : portance dynamique sur les redans 53, 54 et effet de volume 55, 56.

Comme le montrent les figures 6a et 6b, la coque 40 présente, de part et d'autre, des redans 53 et 54, sensiblement horizontaux . Les bras 51 et 52 de maintien des poutres 37 et 38 sont fixés à la coque 40 en des points 57 et 58 qui sont disposés au-dessus des plans des redans 53 et 54 et protégés par les redans 55, 56. Il en résulte, que, en présence de houle, la présence des redans 53 et 54 détournent les paquets de mer des ferrures d'appui 57 et 58, ce qui empêche que soient générées des forces d'enfoncement de l'hydroptère qui seraient susceptibles de freiner brutalement et de déstabiliser celui-ci.
Le principe du plan porteur arrière 46 en forme de T peut entraîner un problème de stabilité instantanée à vitesse élevée en cas de mer houleuse. En effet, lorsque la vitesse augmente, la coque 40 s'élève de plus en plus au-dessus de la surface de l'eau, et le plan porteur arrière 46 est susceptible de s'en approcher dangereusement. La force de portance qu'il est capable d'exercer lorsqu'il est suffisamment immergé peut dans ce cas, disparaître brutalement. Il est alors possible, à grande vitesse, d'équilibrer le bateau par les seules forces d'inertie massique. Comme ce type d'équilibre n'est à utiliser que dans certaines conditions de navigation, il est prévu à l'arrière du bateau un ballast 80 alimenté par une perche de ravitaillement escamotable 81 de manière à pouvoir vider et remplir avec de l'eau de mer, le ballast 80 qui permet d'éviter de grever les performances du bateau à faible vitesse. On remarquera que ce type de ballastage est connu en soi mais n'a pas été associé jusqu'à présent aux conditions de stabilité d'un plan porteur arrière. Plus particulièrement, étant donné que la valeur du terme C de la condition de stabilité augmente avec la vitesse, le déplacement vers l'arrière du centre de gravité G à grande vitesse ne présente pas d'inconvénient tant que C reste positif.
Dans la mesure où le remplissage du ballast ne doit se faire qu'à partir d'une certaine vitesse, une réalisation avantageuse du système de remplissage consiste en un tube plongeant sous la surface de l'eau et dont l'orifice inférieur est orienté vers l'avant de façon à ce que le ballast se remplisse automatiquement sous l'effet de la pression dynamique de l'eau. Par exemple, un tel tube immergé permet de remplir un réservoir disposé à 1,30 m au-dessus de la surface de l'eau à partir d'une vitesse de 10 noeuds.
De façon à diminuer la résistance hydraulique représentée par le tube immergé, un mode de réalisation avantageux de l'invention consiste à placer ce tube à l'intérieur du safran de façon à ce que son orifice inférieur se situe dans la partie basse du bord d'attaque du safran, partie qui est toujours immergée lorsque l'hydroptère fonctionne par portance hydrodynamique.
Comme indiqué ci-dessus, la structure de redans 53 et 54, telle que décrite joue, outre le rôle de carrénage des ferrures de fixation des bras 51, 52 le rôle d'une sustentation supplémentaire par effet de portance dynamique et par un effet d'accroissement de volume de la coque.
En se reportant aux figures 7 et 8, on va maintenant décrire le mécanisme d'actionnement du safran 45 et du plan porteur arrière 46.
L'ensemble safran 45-plan porteur arrière 46 est normalement fixé au tableau arrière du bateau par quatre fixations A à démontage rapide, un axe horizontal d'articulation B en permettant le relevage. Après démontage des fixations A, ce relevage peut s'effectuer par traction sur une balancine B', le verrouillage en position haute pouvant être assuré par deux bielles D disposées en V. A faible vitesse, l'ensemble est relevé et un safran annexe de petit temps est mis en place sur le tableau arrière.
En cours de navigation, le safran 45, et son plan porteur 46 étant en position abaissée, un mécanisme est prévu pour effacer le plan porteur arrière 46 en cas d'engagement de celui-ci dans un orin ou tout autre obstacle. Cet effacement s'effectue autour d'un axe de rotation vertical E. Le plan porteur arrière 46 est maintenu en position par un système à déclenchement à friction lié au plan porteur arrière 46 par un tube F' (tube de torsion).
Comme représenté à la figure 8, ce système comporte une came G' maintenue en rotation par un galet H qui s'efface en comprimant un ou plusieurs ressorts I limitant les efforts de torsion aux valeurs choisies. Le retour dans l'axe est obtenu par la stabilité naturelle en rotation du plan porteur arrière 46 qui est due à la symétrie de sa position nominale qui est stable en raison des efforts hydrodynamiques, ou bien manuellement, en agissant sur la came G si la vitesse du bateau est insuffisante.
Le dispositif comporte également un système d'assistance du safran permettant de manoeuvrer celui-ci au-delà d'un seuil d'effort donné. La barre ou le pilote automatique entraîne l'ensemble safran 45-plan porteur arrière 46 autour de son axe vertical O par l'intermédiaire d'une bielle J attaquant un levier K libre en rotation autour de l'axe O. Ce levier K entraîne en rotation le safran 45 par l'intermédiaire d'une boîte à ressort L. Lorsque l'effort résistant du safran 45 est inférieur au tarage de la boîte à ressort L, l'entraînement s'effectue de manière directe. Par contre, si l'effort résistant du safran dépasse le tarage de la boîte à ressort, un moment différentiel apparaît entre le levier K et le safran 45. Cette rotation est transmise à un volet V situé verticalement à l'extrémité arrière inférieure du safran 45 et au-dessus du plan porteur 46, par l'intermédiaire d'un tube de torsion P. Ce moment de rotation est amplifié dans le rapport du bras de levier produit par un système bielle-manivelle N-Q. Ceci entraîne un braquage du volet V qui est articulé sur le safran 45 et le fait tourner de manière à annuler le moment différentiel entre le levier K et le safran 45, ce qui constitue un système mécanique asservi.
Comme représentés aux figures 9a et 9b, les foils principaux 43, 44 qui sont articulés sur les poutres principales respectives 37 et 38, s'appuient sur une contre-fiche briseuse 73, 74. La manoeuvre de cette contre-fiche est assurée par un vérin hydraulique 71, 72 qui prend appui sur une ferrure rapportée sur le foil principal ainsi que sur un des montants de la contre-fiche. En position relevée, l'extrémité 47, 48 des foils principaux 43, 44 vient se loger dans les espaces 65 et 66 (voir fig. 4).
Selon la figure 10, le plan porteur arrière, qui reste totalement immergé dans des conditions normales de navigation, présente un plan porteur dont les deux bras extérieurs 46, 46', forment un V dirigé vers le bas, d'un angle a par exemple égal à 10°. Ainsi qu'il a été dit ci-dessus, lorsque la vitesse augmente, la coque 40 s'élève de plus en plus au-dessus de la surface de l'eau, le plan porteur arrière étant alors susceptible de s'en approcher dangereusement. La forme en V dirigée vers le bas des deux bras 46, 46' vise à éviter une disparition brutale de la portance du plan porteur 46' lorsqu'il vient accidentiellement franchir la surface de l'eau. Par contre, dans des conditions normales de navigation, il est totalement immergé et ne présente pas de caractéristique de pilonnement.
A la figure 9a, on a représenté un aileron vertical 100 dirigé verticalement et disposé à l'extrémité inférieure des foils avant 43, 44 à la naissance des ailerons horizontaux 47, 48. Ces ailerons verticaux 100 ont pour fonction de permettre d'auto-stabiliser latéralement l'hydroptère à vitesse élevée, lorsque les foils avant sont très peu immergés.

Claims

Hydroptère à voile présentant un ensemble avant comportant des plans porteurs avant qui sont au moins partiellement immergés, et un plan arrière totalement immergé et ne présentant de ce fait pas de caractéristique de pilonnement, les plans porteurs avant (43, 44) étant tels que la résultante des efforts verticaux :
- diminue lorsque ledit ensemble avant est soumis à une translation verticale vers le haut, ladite résultante ayant une caractéristique de pilonnement F

- augmente lorsque ledit ensemble avant est soumis à un mouvement de tangage à cabrer, avec une caractéristique d'incidence A, caractérisé en ce que le plan arrière (46) est tel qu'il présente une caractéristique d'incidence R de manière) satisfaire la relation suivante : ${R (d-g) - Ag + F(g}^{2} {+ r}^{2}) > 0$

d désignant la composante horizontale de la distance entre le plan arrière (46) et le foyer de pilonnement de l'ensemble avant

g désignant la distance entre le centre de gravité de l'hydroptère et le foyer de pilonnement de l'ensemble avant

et r désignant le rayon de giration de l'hydroptère.
Hydroptère selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est du type multicoque avec une coque centrale (40) et deux flotteurs latéraux (41, 42), lesdits plans porteurs avant (43, 44) étant supportés par les flotteurs latéraux (41, 42) et convergeant symétriquement en direction de la coque centrale (40).
Hydroptère selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des poutres (37, 38) reliant la coque centrale (40) et les flotteurs latéraux (41, 42) et qui sont supportés par des tirants (51, 52) fixés sur la coque centrale (40), et en ce qu'il comporte des redans (53, 54) s'étendant depuis la proue de la coque centrale jusqu'à au moins le point de fixation (57, 58) de chaque tirant (51, 52) sur la coque centrale (40) ledit point de fixation (57, 48) de chaque tirant (51, 52) étant disposé au-dessus des redans (53, 54).
Hydroptère selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le plan arrière (46) est monté à l'extrémité inférieure d'un safran (45) disposé verticalement et est symétrique de part et d'autre du safran (45).
Hydroptère selon la revendication 4, caractérisé en ce que le plan arrière (46) est monté sur un axe de rotation vertical (E) lié à un système à déclenchement (G', H, I) de telle sorte qu'il est susceptible de s'effacer en rotation lorsqu'il est soumis à un couple supérieur à une valeur nominale donnée.
Hydroptère selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit montage est effectué par l'intermédiaire d'un tube de torsion (F) maintenu par un galet (H), lequel est susceptible de s'effacer en comprimant un ressort (I) de manière à limiter les efforts de torsion à ladite valeur nominale.
Hydroptère selon une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de mise en rotation, autour d'un axe vertical, du safran (45) comprenant un levier d'entraînement (K) commandant un volet mobile (V) lié mécaniquement à une extrémité du safran (45) opposé à son axe de rotation.
Hydroptère selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte entre le levier d'entraînement (K) et le volet mobile (V), un dispositif d'entraînement comprenant un mécanisme bielle-manivelle (N, Q) d'amplification du bras de levier, ainsi qu'un tube de torsion (P) reliant le mécanisme bielle-manivelle (N, Q) au levier d'entraînement (K).
Hydroptère selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une boîte à ressort (L) disposée entre le levier d'entraînement (K) et de telle sorte que le tube de torsion (P) ne retransmet d'effort que lorsque l'effort résistant du safran (45) dépasse le tarage de la boîte à ressort (L).
Hydroptère selon une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que les plans porteurs avant (43, 44) se prolongent par des ailerons horizontaux (47, 48) ayant une corde (c') inférieure ou égale à celle (c) de l'extrémité distale des plans porteurs avant (43, 44), et une envergure (e) au moins égale à trois fois leur corde (c').
Hydroptère selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que le plan porteur arrière (46) est réglable en rotation autour d'un axe horizontal transversal.
Hydroptère selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de relevage du safran (45) et/ou des plans porteurs avant (43, 44).
Hydroptère selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un ballast d'eau (80) destiné à déplacer le centre de gravité (G) vers l'arrière lorsque l'hydroptère navigue à vitesse élevée.
Hydroptère selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit ballast d'eau (80) est alimenté automatiquement en eau par un tube plongeant sous la surface de l'eau et dont l'extrémité est orientée vers l'avant.
Hydroptère selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit tube d'alimentation du ballast d'eau (80) est disposé à l'intérieur du safran et a son orifice inférieur situé dans la partie inférieure basse du bord d'attaque dudit safran.
Hydroptère selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plan porteur arrière comporte deux bras latéraux (46, 46') formant un V incliné vers le bas.
Hydroptère selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plans porteurs avant (43, 44) présentent, à une extrémité inférieure, un aileron vertical (100) destiné à permettre une auto-stabilisation latérale à vitesse élevée.