Brevet FR2342522A1 — publié le 19770923

La presente invention concerne un dispositif de commande pour un hydroptère, et en particulier un dispositif permettant d'empêcher les ailes d'un hydroptère de recevoir la lame par le travers en cas de mer très agitée. Comme on le sait, dans un hydroptère marin du type à ailes immergées, la coque de l'embarcation est soulevée hors de l'eau au moyen d'ailes qui sont portées par des béquilles et qui traversent l'eau au-dessous de sa surface. En passant à travers l'eau, et en supposant qu'une vitesse suffisante a été atteinte, les ailes créent une portance suffisante pour soulever la coque au-dessus de la surface de l'eau, et par conséquent éliminer la résistance normale rencontrée par la coque du navire lorsqu'il se déplace dans l'eau. Dans le cas habituel, il y a des ailes avant et des ailes arrière, respectivement équipées de volets de commande similaires à ceux qui sont utilisés sur les aéronefs. L'autre élément essentiel est le gouvernail, qui traverse ou est immergé dans l'eau et se trouve soit à l'avant soit à l'arrière de l'embarcation, suivant sa construction. Dans la plupart des hydroptères, les volets servent surtout à faire monter ou descendre l'embarcation et à commander l'embarcation sur son axe de tangage et sur son axe de roulis, mais ils peuvent également servir, conjointement avec le gouvernail, à faire pencher le navire sur son axe de roulis au cours d'un virage. Lorsqu'un hydroptère se déplace par mer très agitée, les vagues risquent de devenir notablement plus hautes que ne le permet la hauteur des béquilles. Dans ces conditions, les ailes risquent, de temps en temps, de monter au travers du creux des vagues. Lorsque cela se produit, la portance des ailes, suivant cellesdes ailes qui sont immergées, diminue brutalement et l'embarcation accélère rapidement vers le bas Parfois, une aile ne retrouve pas immédiatement sa portance en rentrant dans l'eau, et il en résulte un choc violent de la coque et de 11 eau, ou claquement. Les accélérations qui sont liées à de tels mouvements des ailes et à de tels claquements sont très déconcertantes pour les- passagers et gênent souvent le travail normal de l'équipage.Par ailleurs, dans le cas où c'est un dispositif de propulsion à jet d'eau et à turbine à gaz qui est utilisé pour propulser l'hydroptere, de tels mouvements des ailes risquent également d'avoir pour résultat que 1' "écope" d'entrée d'eau reçoit la lame par le travers, ce qui provoque l'arrêt des moteurs. Dans le passé, il a été imaginé des dispositifs "antitravers" dans lesquels des flotteurs palpeurs sont placés à l'avant de I'hydroptère et commandent l'angle des ailes à l'aide d'une tringlerie mécanique pour faire suivre par l'embarcation la montée et la descente de la surface de l'eau. De tels dispositifs ont apparemment pour objectif de maintenir les ailes à la même profondeur au-dessous de la surface de l'eau. En tout cas, ur dispositif mécanique de ce type est encombrant et n'est pas 3atisfaisant pour autant. Dans un autre dispositif "anti-travers", une ailette de commande est montée sur des volets. Dans ce dispositif, l'ailette de commande réagit directement à la profondeur d'immersion. Dans d'autres types encore de dispositifs "anti-travers", la hauteur des vagues est déterminée et les fonctions normales de commande sont modifiées de façon soit à empêcher les vagues de déferler sur la coque de l'embarcation, soit de façon à empêcher les ailes de recevoir la lame par le travers. Tous ces dispositifs, s'ils sont peut-être efficaces pour réduire partiellement les effets de la prise des lames par le travers, sont basés sur la présomption que la hauteur des vagues restera dans des iimites prédéterminées, et né sont pas pour autant satisfaisants dans la pratique réelle. Conformément à la présente invention, il est procuré un dispositif de commande pour un hydroptère comportant des ailes avant et des ailes arrière ainsi que des volets de commande sur les ailes, dispositif qui comprend un moyen destiné à émettre un signal de hauteur dont l'amplitude indique la hauteur instantanée de la coque de l'hydroptère au-dessus de la surface de l'eau, un moyen destiné à émettre un signal de référence dont l'amplitude indique la hauteur maximale approchée de l'embarcation au-dessus de l'eau sans que les ailes reçoivent la lame par le travers, un moyen destiné à comparer le signal de hauteur et le signal de référence, et un appareil accouplé au moyen de comparaison et destiné à manoeuvrer les volets de commande pour faire descendre les ailes dans l'eau lorsque le signal de hauteur est au moins égal, ou supérieur au signal de référence.Comme on le verra, le moyen de comparaison des signaux est séparé et distinct du dispositif de commande normal de l'hydroptère. Sur ce point, le signal de sortie du moyen de comparaison prend le pas sur les fonctions normales de commande. Sur les planches de dessins annexées La Figure 1 est une vue de coté de l'hydroptère avec lequel l'appareil selon l'invention peut être utilisé La Figure 2 est une vue de dessous de l'hydroptere de la Figure 1, montrant les positions des volets sur les ailes avant et arrière de l'embarcation, ainsi que les positions de différents palpeurs de mouvement ; et La Figure 3 est un schéma simplifié du dispositif de commande de l'hydroptère des Figures 1 et 2, incorporant le dispositif "anti-travers" selon l'invention. L'hydroptère qui est représenté sur les dessins, et en particulier sur la Figure 1, comporte une coque 10 qui peut être munie d'une hélice ou d'un organe similaire, et d'un moteur intérieur, non représentés, afin de pouvoir se déplacer a la surface de l'eau comme un navire a déplacement classique. Sur la coque est monté pivotant un gouvernail, ou béquille avant (12), qui peut tourner autour d'un axe vertical afin de diriger l'embarcation lorsqu'elle est portée par ses ailes. On peut également faire pivoter le gouvernail 12 vers le haut dans la direction de la flèche 14 pour dégager la surface de l'eau lorsque l'embarcation est utilisée comme un navire a déplacement classique.A l'extré- mité inférieure du gouvernail 12 est montée une aile avant 16 (Figure 2) qui porte sur son bord de fuite des surfaces ou volets de commande 18 qui sont reliés entre elix et fonctionnent en synchronisme. Dans la partie areere de l'embarcation, des béquilles 2t et 22 sont montées sur la coque 10 de façon à pouvoir pivoter autour d'un axe 21. On peut faire tourner les béquilles 20 et 22 vers le bas jusque dans la position en trait plein représentée Figure 1 pour que le navire se déplace en étant porté par ses ailes, ou bien on peut les faire tourner vers l'arrière dans la direction de la flèche 24 et jusque dans la position en trait interrompu lorsque l'embarcation est utilisée comme un navire à déplacement classique. Entre les extrémites inférieures des béquilles 20 et 22 se trouve une aile arrière26 qui porte, sur son bord de fuite, deux volets tribord 28 et 30 et deux volets bâbord 30 et 32. Les deux volets tribord et les deux volets bâbord fonctionnent normalement en synchronisme, mais chaque volet bâbord ou tribord est de préférence équipé d'un dispositif séparé de manoeuvre hydraulique, ainsi que d'un dispositif électrique asservi séparé pour des raisons de redondance et de sécurité. Un dispositif 33 de propulsion à jet d'eau et à turbine à gaz est monté entre les béquilles 20 et 22 et est relié à la coque 10 de façon à pouvoir pivoter autour d'un axe 21 ; ce dispositif 33 donne à l'embarcation une poussée vers l'avant lorsqu'elle est portée par ses ailes. Le gouvernail 12 et les béquilles 20 et 22 étant rentrés, l'embarcation peut se déplacer en étant portée par sa coque. Cependant, lorsque l'embarcation est portée par ses ailes, on fait tourner vers le bas le gouvernail 12 avec son aile 16 et les béquilles 20 et 22 avec leur aile 26, pour les amener dans la position représentée en trait plein sur la Figure 1, et on les verrouille en place. Pour faire porter l'embarcation par ses ailes, le pilote fixe la profondeur voulue des ailes, d'une manière qui sera décrite plus loin, et il pousse vers l'avant la manette des gaz L'embarcation accélère donc, et la coque dégage l'eau et continue a s'élever jusqu'à ce qu'elle se stabilise à la profondeur d'ailes voulue Le processus d'" amrrissage" normal consiste simplement à réduire les gaz et à laisser le navire se déposer sur sa coque à mesure que la vitesse diminue. Comme le montre la Figure 2, des palpeurs destinés à produire des signaux électriques indicatifs du mouvement de l'embarcation sont montés sur la coque. Ainsi, à la proue de l'embarcation se trouve un palpeur 36 de hauteur, à ultra-sons, qui produit un signal électrique proportionnel à la hauteur de la proue au-dessus de la surface de Ileau quand le navire est porte par ses ailes. De plus, à la proue du navire se trouve un accélromètre vertical avant 35 qui produit un signal électrique proportionnel à l'accélé- ration verticale. Sur la coque, à la partie supérieure du gouvernail 12, est monté un accéléromètre latéral 38 qui, bien entendu, produit un signal électrique proportionne a l'accélération latérale de l'embarcation. A la partie supérieure de la béquille tribord 20 est monte un accéléromètre vertical tribord arrière 40, et à la partie supérieure de la béquille bâbord 22 est monté un accéléromètre vertical bâbord arrière 42.Un gyroscope vertical 44, ou bien deux gyroscopes verticaux, est (sont) monté (s) dans l'embarcation, de préférence près de son centre de gravité, pour produire des signaux proportionnels à l'angle que fait l'embarcation avec la verticale par rapport à son axe de roulis et à son axe de tangage. Enfin, un gyroscope 45 de vitesse d'embardée est prévu dans la partie avant de llembarcation. Dans l'hydroptère particulier qui est représenté ici, la hauteur de la coque au-dessus de liteau est commandée par les volets avant 18. Pour soulever la coque hors de la surface de l'eau, on fait tourner vers le bas les volets avant, ce qui augmente la portance exercée par l'aile avant 16 et fait sortir la coque de l'eau. Pour éliminer ou réduire au minimum les mouvements de tangage, on utilise non seulement les volets avant mais aussi les volets arrière. Cependant, les volets avant et arrière agissent dans des sens opposés de façon à corriger tout tangage. Par exemple, si la proue de l'embarcation venait à s'enfoncer, on ferait tourner vers le bas le volet avant 18 et en même temps on ferait tourner vers le haut les volets arrière 28 à 32 de façon à produire un moment compensant le moment de tangage du aux vagues ou à des causes similaires.La compensation du mouvement autour de l'axe de roulis est obtenue exclusivement à l'aide des volets arrière 28 à 32, mais dans ce cas les volets tribord se déplacent dans la direction opposée à celle des volets bâbord de façon à corriger les mouvements de roulis intempestifs. Pour faire virer l'embarcation, on commence par placer les volets arrière de façon à faire pencher l'embarcation autour de son axe de roulis, et alors on fait tourner le gouvernail 12 pour accompagner le mouvement. La Figure 3 représente un schéma simplifié du dispositif de commande de l'hydroptère des-Figures 1 et 2, incorporant le dispositif anti-travers selon l'invention. Les commandes de la cabine de pilotage comportent un signal sur le conducteur 66, venant d'un générateur 68 de signal de profondeur. De plus, un signal de virage sur le conducteur 70 provient de la barre 72 dans la cabine de pilotage. Le signal qui provient du palpeur 36 de hauteur, proportionnel à la hauteur réelle, est comparé au signal voulu sur le conducteur 66 dans un amplificateur 74 d'erreur de profondeur. Si les deux signaux qui arrivent dans l'amplificateur 74 ne sont pas les mêmes, un signal est émis sur le conducteur 76 et est appliqué à un dispositif asservi de commande des volets avant, entouré de traits interrompus et identifié par le repère numérique 78 sur la Figure 3.Le dispositif asservi 78 fait tourner vers le bas ou vers aoit le haut le volet avant 18 de l'aile 16, suivant que la coque/monter ou descendre. Le dispositif asservi 78 de commande des volets avant comporte un amplificateur asservi 48 auquel sont appliqués des signaux d'entrée, y compris celui qui passe dans le conducteur 76. Le signal de sortie de cet amplificateur asservi sert à commander une vanne asservie 50 qui, à son tour, commande un dispositif de manoeuvre 52 qui est relié au volet 18. Quand le volet 18 tourne vers le haut ou vers le bas, son mouvement mécanique est transformé en un signal électrique proportionnel par un transducteur de position 54. Ce signal électrique est renvoyé à l'entrée de l'amplificateur asservi 48 par l'intermédiaire d'un modulateur à réaction 56 et d'un circuit démultiplicateur 58. On se rendra compte immédiatement que, en réponse à un signal d'erreur à la sortie de l'amplificateur asservi 48, le volet 18 sera amené à tourner vers le haut ou vers le bas jusqu'à ce que l'entrée de signal d'erreur de l'amplificateur 48 soit annulée par le signal de réaction provenant du circuit démultiplicateur 58.Etant donné que tous les dispositifs asservis de commande des volets sont les mêmes, on ne décrira ici en détail que le dispositif asservi 78 de commande du volet avant. Lorsque l'on veut faire tourner l'embarcation autour de son axe d'embardée, un signal sur le conducteur 70, proportionnel à la position de la barre par rapport au point mort, est appliqué à un amplificateur 80 de dérive de roulis, dans lequel il est comparé à un signal sur le conducteur 82, provenant du gyroscope vertical 44, signal qui est proportionnel à l'angle de roulis de l'embarcation par rapport à la verticale. Au début d'un virage, et en supposant que l'eau dans laquelle l'hydroptère se déplace est lisse, le signal sur le conducteur 82 sera égal à zéro ou pratiquement égal à zéro.L'amplificateur de dérivée de roulis compare le signal sur le conducteur 82 avec le signal sur le conducteur 70, et en supposant que les deux ne sont pas les mêmes, comme c'est le cas dans les conditions qui viennent d'être décrites, un signal de sortie apparaît à la sortie de l'amplificateur 80 et est appliqué aux dispositifs asservis 84 et 86 de commande des volets bâbord intérieur et extérieur, qui ont la même construction que le dispositif 78 déjà décrit. En même temps, il est appliqué sous une forme inversée aux dispositifs asservis 88 et 90 de commande des volets tribord intérieur et extérieur, qui sont eux aussi les mêmes que le dispositif 78 déjà décrit. Le résultat, bien entendu, est que l'une des paires de volets arrière tourne vers le bas tandis que l'autre paire tourne vers le haut en faisant pencher l'embarcation sur son axe de roulis. Cet effet se poursuit jusqu'à ce que l'angle de roulis, détecté par le gyroscope 44, soit tel que le gyroscope émette un signal qui annule le signal de barre sur le conducteur 70. Cependant, en même temps, le signal sur le conducteur 82, qui est proportionnel à l'angle de roulis, est lui aussi appliqué au dispositif asservi 92 de commande du gouvernail. Ceci fait tourner le gouvernail 12 après que l'embarcation a commencé à pencher sur son axe de roulis, en faisant tourner l'embarcation dans la direction dans laquelle l'embarcation a été amenée à pencher. Ainsi donc, si l'embarcation penche vers la droite en réponse à un signal venant de la barre 72, le gouvernail 12 tourne ensuite de façon à diriger l'embarcation vers la droite. Au moment où l'embarcation tourne, le gyroscope 45 de vitesse d'embardée émet sur le conducteur 94 un signal qui est proportionnel à la vitesse de rotation autour de l'axe d'embardét. Ceci est utilisé dans le dispositif asservi 92 de commande du gouvernail pour limiter la vitesse de virage. Il en est de même pour l'accéléromètre latéral avant 38 qui émet sur le conducteur 96 un signal proportionnel à I'accélération latérale. Ce signal est appliqué au dispositif asservi 92 de commande du gouvernail afin de limiter l'accélération latérale. Ainsi donc, si l'embarcation est en train de virer dans une position dans laquelle elle se présente latéralement à la direction d'un grand vent et des vagues qui l'accompagnent, le gyroscope 45 de vitesse d'embardée et l'accéléromètre latéral 38 détectent la poussée venant de l'embar- cation et limitent la vitesse de virage.Bien entendu, après que le virage voulu a été exécuté et que la barre 72 est revenue dans sa position de point mort, le signal sur le conducteur 70 redescend à zéro, et alors on inverse les positions des volets-arrière de façon à faire revenir l'embarcation dans une position verticale par rapport à l'axe de roulis. A ce moment-là, le signal de sortie du gyroscope vertical 44, sur le conducteur 82, descend à zéro, le gouvernail est centré et l'embarcation est de nouveau stable. Les autres actions de commande ont surtout pour but d'éliminer ou de réduire au minimum les effets indésirables de tangage et de roulis. L'accéléromètre avant 35 détecte l'accelEra- tion à la proue, soit vers le haut soit vers le bas, et produit un signal électrique qui commande le volet avant 18 de façon à contrecarrer le mouvement de l'embarcation autour de l'axe de tangage. Le signal de sortie de l'accéléromêtre avant 35 est toutefois combiné, dans un amplificateur incorporé 100, à un signal proportionnel au signal de roulis élevé au carré, tel qu'il provient du circuit 98, et avant que le signal combiné soit appliqué au dispositif asservi 78 de commande du volet avant. C'est pour cette raison que, au cours d'un virage et tandis que l'embarcation penche sur son axe de roulis, et pendant l'effet normal de roulis par mer très agitée, le mouvement de roulis produit une composante d'accé- lération verticale qui doit être prise en compte. Un signal proportionnel à l'angle-de l'embarcation sur son axe de tangage :provient du gyroscope vertical 44 sur le conducteur 102. Ce signal est appliqué à un amplificateur 104 de dérivée de tangage qui produit un signal de sortie qui varie en fonction de l'angle de tangage par rapport à l'horizontale, et en fonction de la vitesse de variation de cet angle de tangage. Le signal de sortie de l'amplificateur 104 de dérivée de tangage est alors appli qué à tous les dispositifs asservis de commande de volets, et est également appliqué, sous forme inversée, au dispositif asservi 78 de commande du volet avant de façon à permettre une commande différentielle. Ce signal sert à augmenter la stabilité, à permettre une navigation sans heurt par mer agitée, et à permettre une commande automatique de l'assiette. Supposons que l'embarcation roule sur son axe de roulis un signal est émis sur le conducteur 82 et est encore appliqué à l'amplificateur 80 de dérivée de roulis. Dans ces circonstances, le signal sur le conducteur 82 commence par augmenter dans une direction ou polarité, puis revient à zéro et augmente dans l'autre direction ou polarité, et revient de nouveau à'zéro tandis que l'embarcation roule d'un bord sur l'autre. Ceci produit encore à la sortie de l'amplificateur de dérivée de roulis un signal qui varie en fonction de l'angle de roulis ainsi que de la vitesse de variation de l'angle de roulis. Ce signal est appliqué aux dispositifs asservis bâbord et tribord de commande des volets arrière de façon à réaliser un effet différentiel qui contrecarre le mouvement de roulis.En d'autres termes, un signal d'une polarité donnée est appliqué aux dispositifs asservis de commande des volets bâbord, tandis qu'un signal de polarité inverse est appliqué aux dispositifs asservis de commande des volets tribord de façon à provoquer la rotation des volets bâbord et tribord respectifs dans des directions opposées de façon à contrecarrer le mouvement de roulis. Le signal de sortie de l1accéléromètre vertical bâbord 42 est appliqué aux deux dispositifs asservis 84 et 86 de commande des volets bâbord intérieur et extérieur, et a pour effet de faire varier la position des volets bâbord arrière de façon à contrecarrer toute accélération verticale ou élévation à bâbord. De même, le signal de sortie de llacceleromètre vertical tribord 40 est appliqué aux deux dispositifs asservis 88 et 90 de commande des volets tribord intérieur et extérieur de façon à réaliser le même effet et à contrecarrer les accélérations verticales à tribord du navire. Le dispositif de commande normal qui a été décrit jusqu'à présent est essentiellement le même que celui qui est représenté et décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3.886.884. Le dispositif anti-travers selon l'invention est également repré senté Figure 3 et comporte un comparateur ou circuit logique 110 auquel est appliqué le signal de sortie du palpeur 36 de hauteur sur le conducteur 112. Dans le comparateur 110, le signal de hauteur sur le conducteur 112 est comparé à deux signaux D et E qui proviennent de générateurs de signaux 113 et 115 et qui cheminent sur les conducteurs 114 et 116. Lorsque le signal sur le conducteur 112 est égal ou supérieur au signal de référence D sur le conducteur 114, des signaux de sortie sont émis par le comparateur 110 sur les conducteurs 118 et 120. Le signal sur le conducteur 118 est appliqué au dispositif asservi 78 de commande du volet avant pour faire tourner vers le haut le volet avant 18.En même temps, le signal sur le conducteur 120 est appliqué à tous les dispositifs asservis 84 à 90 de commande des volets arrière pour les faire tourner vers le bas. Par suite, l'embarcation tangue vers le bas et la portance des ailes diminue au point que l'embarcation descend immédiatement vers la surface de liteau. Les signaux sur les conducteurs 118 et 120 subsistent jusque ce que le signal de hauteur sur le conducteur 112 diminue jusqu'à la valeur d'un second signal de référence E sur le conducteur 116. Lorsque cela se produit, les signaux de commande sur les conducteurs 118 et 120 tombent à zéro et le fonctionnement normal (tel qu'il est décrit ci-dessus) reprend. Le fonctionnement de l'invention peut sans doute être le mieux compris à partir de la Figure 1, sur laquelle la crête 121 dlune vague est représentée touchant le bas de la coque 10. Ceci peut faire émerger soit les ailes avant 16 soit les ailes arrière 26 à travers le creux d'une vague, par exemple le creux de vague 122 près de l'aile avant 16. Le signal de référence D, par exemple, peut être proportionnel à la distance D représentéeFigure 1. De cette manière, lorsque le palpeur 36 de hauteur détecte que la hauteur de la proue est telle que l'aile 16 se trouve juste audessous de la surface de l'eau, le comparateur 110 émet les signaux sur les conducteurs 118 et 120 pour faire descendre immédiatement les ailes. Ensuite, au moment où le palpeur de hauteur détecte une hauteur prédéterminée E qui est plus faible que la hauteur D, les fonctions normales de commande reprennent. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande pour hydroptère comportant des ailes avant et arrière et des volets de commande sur lesdites ailes, ledit dispositif comprenant un moyen destiné à émettre un signal de hauteur dont l'amplitude indique la hauteur instantanée de la coque de l'hydroptère au-dessus de la surface de l'eau, un moyen destiné à émettre un signal de référence dont l'amplitude indique la hauteur maximale approchée de l'hydroptère au-dessus de l'eau sans que les ailes reçoivent la lame par le travers, un moyen destiné à comparer ledit signal de hauteur et ledit signal de référence, et un appareil accouple audit moyen de comparaison et destiné à manoeuvrer lesdits volets de commande de façon à faire descendre l'hydroptère vers la surface de l'eau lorsque ledit signal de hauteur est égal ou supérieur audit signal de référence. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que ledit appareil qui est accouplé audit moyen de comparaison manoeuvre lesdits volets de commande de façon à les faire tourner pour reduire la portance lorsque ledit signal de hauteur est égal ou supérieur audit signal de référence. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen permettant de comparer ledit signal de hauteur à un second signaL de référence dont l'amplitude est moindre que celle dudit signal de référence mentionné en premier lieu, et un moyen permettant auxdits volets de commande de tourner de façon à rétablir la portance lorsque ledit signal de hauteur est égal ou inférieur audit second signal de référence. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits volets de commande sont normalement commandés par des signaux électriques normaux de commande provenant de la barre de l'hydroptereS hn générateur de signal de profondeur et de palpeurs de position et de mouvement, ledit moyen de comparaison intervenant pour émettre un signal de commande prioritaire qui ne prend le pas sur lesdits signaux de commande normaux-que lorsque ledit signal de hauteur est égal ou supérieur audit signal de référence. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits volets de commande sont commandés par des dispositifs asservis comportant chacun un amplificateur asservi, et par des moyens destinés à appliquer lesdits signaux de commande normaux etlesditE signaux de commande prioritaires aux entrées desdits amplificateurs asservis.