Brevet FR2538772A1 — publié le 19840706

L'invention concerne les navires à voiles et plus particulièrement des navires à voiles à hydroptères ayant des voiles alaires. Au fil des ans, un effort continu a porté sur l'amélioration des performances des navires à voiles. Les navires à voiles anciens étaient limités à une navigation sensiblement par vent arrière. La possibilité de naviguer sensiblement contre le vent s'est accrue avec la lente évolution de la conception des coques, des voiles et du gri t. Avec l'avènement de voiliers louvoyants, il est devenu possible de naviguer perpendiculairement au vent ou même légèrement contre le vent. Cependant, les navires louvoyants exigeaient des moyens destinés à résister à la dérive sous le vent et au moment de chavirage résultant de la composante latérale de la force engendrée par la voile. Plusieurs tentatives ont porté sur lwaméliora tion de la conception des voiliers dans les domaines des vitesses possibles et de l'aptitude à naviguer dans la direction du vent. Des hydroptères ont été utilisés pour soulever la coque hors de l'eau et réduire ainsi notablement la traînée hydrodynamique tout en résistant à la dérive sous le vent. Diverses configurations d'hydroptères ont été étudiées pour accroître la vitesse et améliorer la stabilité au moyen d'hydroptères totalement immergés ou d'hydroptères inclinés, traversant la surface. Cependant, de telles conceptions ont conduit à des réalisations présentant une tralnée excessive aux faibles vitesses et exigeant des vents forts et de grandes vitesses pour soulever la coque hors de l'eau.Aux vitesses plus élevées, la plupart des voiliers à hydroptères ont pour inconvénient le risque d'une ventilation par l'air de l'hydroptère avant sous le vent, faisant perdre à l'hydroptère sa portance et provoquant sa brusque submersion, ce qui a pour résultat de faire chavirer le navire en lui faisant piquer du nez. Des améliorations apportées à la possibilité d'un voilier de naviguer plus directement dans le vent provien- nent de l'utilisation de voiles alaires et d'ailes rigides qui utilisent des profils d'hydroptères plus efficaces. De plus, diverses voiles non verticales ont été étudiées pour réduire le moment de chavirage. Des voiles alaires et des ailes rigides développent une portance sous des angles d'attaque inférieurs à ceux qu'il est possible d'obtenir avec une voile bermudienne classique, et permettent aux voiliers d'être dirigés jusqu'à 130 plus près du vent. Des formes d'hydroptères symétriques sont fixes et simples, mais développent une portance d'environ 10 % inférieure à celle d'une voile bermudienne de même dimension. Des profils d'hydroptères asymétriques peuvent développer jusqu'à 50 % de plus de portance qu'une voile bermudienne de même dimension, mais leur dissymétrie doit être inversée lorsque le voilier vire de bord ou change de direction, et les mécanismes qui ont été étudiés à cet effet sont complexes et lourds.Au cours des dernières années, des améliorations ont été apportées aux performances des voiliers à hydroptères. Cependant, les voiliers à hydroptères ont eu un succès mitigé, en raison des inconvénients concernant la commande, la stabilité et le rendement aéro/hydrodynamique. L'invention a pour objet un voilier à hydroptères qui ne présente pas les inconvénients mentionnés précédemment. L'invention a pour autre objet un voilier à hydroptères à grande vitesse dont les caractéristiques de performances sont améliorées. Le voilier à hydroptères selon l'invention comprend des hydroptères avant et arrière traversant la surface et une voile alaire dissymétrique. Les deux hydroptères ont une configuration en arche retournée, une section qui correspond approximativement à un segment circulaire (c'est-à-dire un arc délimité par une corde), des allongements élevés (envergure2/surface) et sont reliés entre eux au moyen de plaques de pont et de tubes de coque. La voile alaire comporte une armature supérieure rigide symétrique unique et une armature inférieure articulée dissymétrique en deux sections. L'armature inférieure comporte deux sections symétriques qui sont main tenues de façon à exécuter un mouvement relatif limité l'une par rapport à l'autre. Une voile-chaussette est fortement tendue entre les armatures supérieure et inférieure, la partie avant de l'armature inférieure étant mobile par rapport à la voile-chaussette. a voile alaire est portée par un mat central qui est monté en porte-àfaux et peut tourner. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure 1 est une vue de dessus du voilier à hydroptères selon l'invention la figure 2 est une élévation du voilier de la figure 1 la figure 3 est une vue de face du voilier de la figure 1 la figure 4 est une vue en perspective de l'armature inférieure en deux parties de la voile alaire de la figure 1 ; et la figure 5 est une coupe suivant la ligne 5-5 de la figure 2. Les dessins, et plus particulièrement les figures 1, 2 et 3, représentent un voilier 10 à hydroptères, par exemple un prao (c'est-à-dire un navire pouvant naviguer aussi bien vers l'avant que vers l'arrière) ayant un hydroptère avant 12, un hydroptère arrière 14 et une voile alaire 16 qui est inclinée dans la direction du vent. Les hydroptères 12 et 14 ont une section en segment circulaire présentant des bords avant~et arrière effilés afin de se comporter aussi bien dans un sens que dans l'autre. Chacun des hydroptères 12 et 14 est un hydroptère à allongement élevé, traversant la surface, ayant un profil en arche retournée ou sensiblement en U.La surface inférieure de chacun des hydroptères 12 et 14 est équipée de deux talons 18 qui produisent une portance latérale de dérive aux vitesses élevées, les talons ayant un profil sensiblement dissymétrique comme montré sur la figure 1. Les talons 18 sont largement espacés et dimensionnés de manière que, lors que le navire s'incline, le talon restant dans l'eau assure la portance convenable dans la direction du vent. Des plaques 20 d'extrémité, disposées aux extrémités inférieures des talons 18, accroissent l'efficacité de ces derniers, en protègent les extrémités et assument la fonction de patins grossiers pour l'échouage. Les hydroptères 12 et 14 sont reliés entre eux par des éléments 22 et 24 de coque qui sont parallèles et espacés. Chacun des éléments 22 et 24 de coque, par exemple un tronçon de tube d'aluminium à paroi mince, est obturé par un bouchon 26 d'extrémité tel qutun chapeau profilé en fibres de verre ou un butoir en matière plastique. Une plaque 28 de pont est reliée aux extrémités de l'hydroptère 12 et aux tubes 22 et 24 de coque. Une plaque 30 de pont est montée entre les extrémités de l'hydroptère 14 et des tubes 22 et 24 de coque. Dans la forme préférée de réalisation, les hydroptères 12 et 14 et les plaques de pont 28 et 30 sont constitués de fibres de verre et sont réalisés de façon à s'enrouler autour des tubes de coque 22 et 24 et à y être reliés par des rivets, par exemple.L'hydroptère 12 et la plaque de pont 28, et l'hydroptère 14et la plaque de pont 30 ont des configurations similaires et sont interchangeables. Une voile alaire 16 est montée sur les plaques de pont 28 et 30 et sur le tube 22 de coque sous le vent au moyen d'une armature 32 et d'un support de mit 42. L'armature 32, par exemple, une armature tétrahédrique rigide, comprend des entretoises 34, 36, 38 et 40. Une extrémité de chacune des entretoises 34 et 36 est montée sur la plaque de pont 28 et les autres extrémités de ces entretoises sont fixées au support 42 du mat. Une extrémité de chacune des entretoises 38 et 40 est montée sur la plaque de pont 30, et les autres extrémités de ces entretoises sont reliées au support 42 du mât. L'extrémité inférieure du support 42 est reliée au tube de coque sous le vent 22. Un pont 44, par exemple en polypropylène léger, est tiré sur l'armature tétrahédrique 32 et forme un pont incliné pour un navigateur. Le pont 44 est fixé aux tubes 22 et 24 de coque par des barreaux 46, par exemple des barreaux de butée qui sont fixés aux tubes de coque.De plus, le pont 44 est fixé au moyen de cordons 48 qui sont enfilés dans des entretoises 34, 36, 38 et 40. Comme décrit ci-après, la voile alaire 16 est montée sur un mât 50 qui lui-même est monté de façon à tourner sur le support 42. La voile alaire 16 est un profil d'aile dissymétrique ayant une envergure d'environ 3,3 à 3,6 mètres et elle comprend une armature supérieure unique 52 et une armature inférieure 54 en deux parties articuléés. Les armatures 52 et 54 sont portées par le mât 50, par exemple un mât en aluminium de 4,2 mètres, sans étai, tournant librement, d'un diamètre de 17,5 cm. Comme montré sur la figure 4, l'armature inférieure articulée 54 comprend une partie avant 56- et une partie arrière 58. Dans la forme de réalisation représentée à titre d'exemple, l'armature supérieure 52 et l'armature inférieure 54 sont creuses et scellées pour pouvoir flotter et elles sont constituées de fibres de verre. Une voile-chaussette 60, composée d'une matière élastique telle que celle vendue par E. I. du Pont de Nemours & Co. sous la marque "Dacron", est fortement tendue entre l'armature supérieure 52 et l'arma- ture inférieure 54. L'armature supérieure 52 est calée sur le mât 50. Les parties 56 et 58 de l'armature inférieure sont articulées librement autour du mât et peuvent tourner sur 30C hors de plan pour donner à la voile alaire 16 la dissymétrie souhaitée. Les parties 56 et 58 de l'armature inférieure sont en porte-à-faux par rapport au mât 50, la partie 58 ayant un espar 72 destiné à s'opposer aux charges en porte-à-faux. Comme montré sur la figure 4, la partie arrière 58 est découpée pour former des pattes avant 62 qui sont reçues librement dans des encoches 64 formées dans la partie avant 56.Un trou 66, dimensionné pour recevoir librement le mât 50, est formé à travers une portion arrière de la partie avant 56, au niveau. des encoches 64 et dans les pattes 62 de la partie arrière 58, les parties avant et arrière étant maintenues afin de pivoter de façon limitée autour du mât. Il convient de noter que la partie arrière 58 présente une portion découpée sensiblement précise 68 afin que la partie avant 56 et la partie arrière 58 puissent tourner l'une par rapport à l'autre. Le mât 50 est reçu dans le support 42 dans lequel il peut tourner librement. Pour maintenir le centre aérodynamique de portance directement au-dessus du centre hydrodynamique de traînée du voilier 10~lorsque le navire fait voile de niveau, le mât 50 est incliné dans la direction du-vent, par exemple, de 360. Etant donné que la voile alaire 16 est inclinée, il est généralement engendré une portance verticale utile qui réduit la charge apparente du voilier et réduit également la traînée hydrodynamique. La voile alaire 16 est équilibrée de façon à ne pas produire de couple élevé ni de forces d'inclinaison. De plus, la voile alaire tourne juste en avant de son centre de portance aérodynamique qui est en retrait du bord avant de la partie avant 56, d'environ un tiers de la longueur de l'armature inférieure 54, afin que la voile alaire 16 turne librement lorsqu'elle n'est pas surveillée. Ainsi qu'on peut mieux le voir sur la figure 5, la voile alaire 16 est un profil d'aile dissymétrique à nez épais présentant une surface arrière légèrement concave 67 située sur le côté sous pression du profil d'aile. Bien que d'autres formes, en section, de profil d'aile puissent être utilisées, cette forme préférée de profil d'aile donne une poussée relativement élevée et une traînée relativement faible, même sous de très petits angles d'attaque. Dans la forme de réalisation représentée, l'armature supérieure 52 comporte une forme de profil d'aile symétrique avec une corde relativement petite. Comme indiqué précédemment, l'armature supérieure 52 est calée de manière à tourner avec le mât 50 qui est monté de façon à pouvoir tourner dans le support 42. Les parties 56 et 58 de l'armature inférieure 54 sont des éléments symétriques qui sont articulés librement autour du mât 50, les parties pouvant être tournées hors de plan,de chaque côté, pour donner la dissymétrie souhaitée à la voile alaire 16.La voile-chaussette 60 est fortement tendue sur l'armature supérieure 52 et elle est fixée à la partie arrière 58 de l'armature inférieure 54. Bien que la voile-chaussette 60 soit maintenue sous une forte tension, elle peut tourner librement autour de la portion avant de la partie avant 56 de l'armature inférieure 54. La tension exercée sur la partie coulissante 80 de la voile-chaussette 60 est maintenue par un laçage inférieur 79 qui glisse librement sur la portion inférieure arrondie de la partie avant 56 de l'armature. La voile alaire 16 est ainsi articulée. Etant donné que l'armature inférieure 54 possède une corde relativement grande, sa forme dissymétrique influence la forme de la voile alaire 16, sauf à l'extrémité supérieure. Pour minimiser la traînée induite par l'apparition de tourbillons d'extrémité, il est prévu une plaque 70 d'extrémité de flèche et l'armature supérieure 52 de forme elliptique. La plaque 70 d'extrémité de flèche empeche l'air de s'écouler du côté sous pression vers le côté en dépression de la voile alaire 16. L'armature supérieure 52 constitue un bout d'aile de forme elliptique qui crée la moindre traînée induite. L'utilisation d'une plaque 70 d'extrémité de flèche et d'une armature supérieure elliptique 52 accroît l'allongement apparent de la voile alaire 16 et réduit donc la valeur globale de la traînée induite. Les performances du voilier 10 sont telles que l'on obtient un mode flottant de O à 3,5 noeuds, un mode hydrodynamique de 3,5 au 44 noeuds et un mode en hydroplanage de 14 à 35 noeuds. Des vents d'au moins 6 noeuds sont nécessaires pour provoquer un décollage hydrodynamique La conception du voilier 10 est telle que, lorsque la vitesse augmente, les hydroptères 12 et 14 soulèvent davantage le voilier au-dessus de l'eau, et une proportion croissante de la portance des hydroptères est générée par la pression d'hydroplanage sur la face inférieure de chaque hydroptère Même si, à des vitesses élevées, les faces supérieures ou en dépression des hydroptères 12 et 14 ventilent et perdent de la portance hydrodynamique, il subsiste une portance drhydroplanage résiduelle suffisante pour maintenir la stabilité au tangage.Par exemple, à une vitesse de 27 noeds, la portance d'hydroplanage entre pour environ 80 % de la portance totale. Des arêtes ou grilles d'air 74 sont prévues sur la face en dépression de chacun des hydroptères 12 et 14 pour minimiser la ventilation. Dans les formes de réalisation représentées, chacun des hydroptères 12 et 14 présente une courbure peu profonde afin qu'une grande surface d'aile reste immergée, même à de faibles profondeurs d'immersion. La configuration géométrique de chacun des hydroptères 12 et 14 est telle que l'aire de la section augmente progressivement du bas vers le haut de l'hydroptère. Autrement dit, la flottabi- lité de l'hydroptère, la longueur de sa corde et l'aire de sa section augmentent du centre vers les extrémités. Cette confi-guration géométrique des hydroptères 12 et 14 produit un moment de redressement d'intensité croissante lorsque les hydroptères sont soumis à du roulis ou du tangage, conférant ainsi au voilier 10 une stabilité dynamique au tangage et roulis. Le navigateur commande les mouvements de lacet (direction de marche) du voilier 10 en faisant varier l'angle de roulis par des changements de position du corps et/ou des changements de l'angle d'attaque de la voile alaire 16. Lorsque chaque hydroptère 12, 14 approche de la surface libre de l'eau, l'effet de proximité de surface réduit la portance et la traînée d'environ 50 %, et une large surface d'aile est nécessaire pour compenser la réduction de portance.Des angles d'attaque, produisant de la portance, sont compris entre -40 à environ 150, mais la plage la plus efficace est comprise entre 0 et 50, les valeurs de 10 à 20 étant optimales. A des vitesses plus faibles, la configuration en arche retournée des hydroptères 12 et 14 est similaire à celle d'une configuration "en V" classique traversant la surface par le fait qu'elle produit des forces latérales de dérive pour s'opposer aux forces latérales induites par la voile. Cependant, cet effet disparaît aux vitesses supérieures, car la partie immergée des hydroptères 12 et 14 est presque plane et horizontale. Les talons 18 produisent la portance latérale de dérive aux vitesses élevées. Le voilier 10 est commandé au moyen d'une paire de rênes 76 et 78 qui sont fixées aux deux côtés de la voile alaire, aux extrémités avant et arrière de l'armature inférieure 54. Le voilier 10 est de préférence piloté alors que le navigateur est en position debout, partiellement soutenu par un trapèze 81, comme montré sur la figure 3. La performance maximale exige de piloter le voilier 10 redressé d'un angle d'attaque constant, en tangage, de 20 et d'incliner de façon appropriée, au vent apparent, la voile alaire 16. Le voilier 10 est un prao commandé par roulis et il peut être piloté dans .un sens ou dans l'autre. Lorsque le voilier 10 est maintenu de niveau, comme montré sur la figure 3, il file en ligne droite. Lorsque le voilier 10 est incliné par roulis sur un côté, le centre de poussée de la voile alaire 16 se déplace vers ce côté davantage que le centre de traînée des hydroptères 12 et 14, provoquant un mouvement de lacet du voilier et son virage dans une direction opposée à celle du roulis. A des vitesses de navigation dépassant environ 3,5 noeuds, un roulis au vent fait naviguer le voilier 10 vent largue, et un roulis sous le vent fait venir le voilier au lof. Lorsqu'un tube de coque est dans l'eau alors que le voilier se déplace à moins d'environ 3,5 noeuds, le processus de commande par roulis est inversé. Un roulis au vent fait venir le voilier au lof et un roulis sous le vent fait naviguer le voilier vent largue. En manipulant les rênes 76 et 78, le navigateur peut changer la direction de la voile alaire 16.De plus, lorsque le sens du voilier 10 est inversé, le navigateur peut également inverser la dissymétrie de la voile alaire d'un côté vers l'autre. Le sens du voilier 10 est plus aisément inversé lorsque la course du voilier est amenée ptrpendiculairement au vent réel, et la voile alaire 16 tourne librement pour ralentir le mouvement vers l'avant du voilier. Le navigateur relâche alors les-rênes 76 et 78 de commande de la voile alaire sur un côté de la voile 16, passe à l'autre extrémité du navire 10, prend les rênes de commande sur l'autre côté de la voile alaire, tire sur elles fortement pour inverser la dissymétrie de ladite voile alaire, et navigue en sens opposé. Lorsque le voilier 10 se déplace dans un sens, l'hydroptère 12 est l'hydroptère avant et l'hydroptère 14 est l'hydroptère arrière.Lorsque le voilier 10 se déplace en sens opposé, l'hydroptère 14 est -l'hydroptère avant et l'hydroptère 12 est l'hydroptère arrière. Etant donné que le mât 50 peut tourner librement dans le support 42, le navigateur peut changer aisément le sens de la voile alaire 16. De plus, le navigateur peut inverser la dissymétrie de la voile alaire 16 et modifier les faces sous pression et sous dépression de la voile en faisant varier les positions relatives de la partie avant 56 et de la partie arrière 58 de l'armature inférieure 54. Une autre forme de réalisation de la présente invention sera à présent décrite. Cette forme de réalisation comprend un navire à hydroptères propulsé, comportant des hydroptères avant et arrière 12 et 14 traversant la surface, à allongement élevé, qui ont une configuration en arche retournée analogue à celle montrée sur la figure 3. Des moyens sont prévus pour relier entre eux les hydroptères avant et arrière, ces moyens étant analogues à ceux montrés sur les figures 1 et 2. Aucune voile n'est utilisée. Par contre, des moyens de propulsion sont montés sur le navire à hydroptères pour le propulser aussi bien vers l'avant que vers l'arrière. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au navire décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Navire à voile à hydroptères, caractérisé en ce qu'il comporte des hydroptères avant et arrière (12, 14) traversant la surface, à allongement élevé, ayant chacun une configuration en arche retournée, des moyens (22, 24) reliant entre eux les hydroptères, et une voile (16) montée sur les moyens de liaison et pouvant tourner librement par rapport à ces derniers. 2. Navire selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des hydroptères avant et arrière présente une section qui correspond approximativement à un segment circulaire, l'aire et la longueur de la corde de la section de chaque hydroptère augmentant du centre vers les extrémités de ce dernier. 3. Navire selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des hydroptères avant et arrière comporte deux talons (18) montés sur sa -surface inférieure. 4. Navire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le navire est un prao et en ce que les moyens à voile comprennent un mât (50) monté en porte-à-faux sur les moyens de liaison et incliné d'un angle de 15 à 450 par rapport à ces derniers, une armature supérieure (52) portée par le mât, une armature inférieure articulée (54-) montée sur le mât et guidée de façon à pouvoir pivoter par rapport à lui,et une voile-chaussette (60) tendue entre l'armature supérieure et l'armature inférieure, le mât étant monté de façon à pouvoir tourner sur les moyens de liaison, l'armature supérieure étant filée de façon à ne pas pouvoir se déplacer par rapport au mât. 5. Navire selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'armature inférieure articulée comprend une partie avant (56) et une partie arrière (58),.an moins l'une desdites parties étant montée de façon à pouvoir pivoter sur le mât. 6. Navire selon la revendication 5, caractérisé en ce que la voile-chaussette est fixée à l'armature supérieure et à la partie arrière de l'armature inférieure, la partie avant de l'armature inférieure étant en contact avec la voile-chaussette et guidée pour pouvoir se déplacer de façon limitée par rapport à cette voile-chaussette. 7. Navire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens à voile comprennent une voile- alaire qui présente un profil d'aile dissymétrique, et des moyens destinés à inverser la dissymétrie de ce profil, une première face de la voile alaire constituant une face sous pression et la face opposée de la voile alaire constituant une face en dépression lorsque les moyens de changement de profil sont dans une première position, ladite première face de la voile alaire constituant une face en dépression et la face opposée constituant une face sous pression lorsque les moyens de changement de profil sont dans une seconde position. 8. Navire à voile, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de flottaison (12, 14), un mât (50) monté de façon à pouvoir tourner sur les moyens de flottaison, une armature supérieure (52) montée sur l'extrémité supérieure du mât et fixée à ce dernier afin de ne pas pouvoir tourner par rapport à lui, une armatureiinférieure articulée (54) montée sur l'extrémité inférieure du mât, une voile-chaussette (60) tendue entre les armatures supérieure et inférieure et présentant un profil d'aile, l'armature inférieure articulée étant guidée de façon à pouvoir se déplacer par rapport au mât, la forme du profil d'aile étant définie par la position de l'armature inférieure par rapport à l'armature supérieure. 9. Navire à voile selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'armature inférieure comprend une partie avant (56) et une partie arrière (58) qui sont guidées chacune de façon à pouvoir effectuer un mouvement limité de pivotement par rapport au mat, la position de la partie avant par rapport à la partie arrière détermi rant la forme du profil d'aile. 10. Navire à voile selon la revendication 9, caractérisé en ce que la voile-chaussette est fixée à l'armature supérieure et à la partie arrière de l'armature inférieure, la partie avant de l'armature inférieure étant en contact avec la voile-chaussette et guidée de façon à pouvoir exécuter un mouvement limité par rapport à ladite voile-chaussette. 11. Navire à voile selon la revendication 4, caractérisé en ce que le roulis du navire autour de son axe longitudinal provoque une modification de la direction du déplacement du navire. 12. Navire à voile selon la revendication 11, caractérisé en ce que, lorsque l'on provoque un roulis du navire dans une direction, le centre de portance aérodynamique du navire se déplace dans cette direction davantage que le centre de-traînée hydrodynamique du navire 13. Navire à hydroptères, caractérisé en ce qu'il comporte des hydroptères avant et arrière (12, 14) traversant la surface, à allongement élevé, ayant une configuration en arche retournée, des moyens (22, 24) reliant entre eux les hydroptères, et des moyens de propulsion montés sur le navire afin de le propulser aussi bien vers l'avant gué vers l'arrière.