Brevet FR2567095A1 — publié le 19860110

La présente invention a pour but de rendre possible la réalisation de bateaux ayant les qualités suivantes - Rendement énergétique très élevé, défini par exemple, par le produit charge utile x vitesse, rapporté à la consommation kilométrique, cette caractéristique étant, de plus, obtenue avec une vitesse de croisière elle-même élevée. - Très grande légèreté. - Possibilité d'une très grande autonomie. - Bas prix de revient (pour un modèle et une dimension déterminés) obtenu grâce à des formes très simples permettant de "mécaniser", et même d'automatiser la construction, ce qui aura pour conséquence d'élargir le marché, de permettre une fabrication en série... d'abaisser le prix de revient, etc... - Sécurité très élevée, notamment grande réserve de flottabilité par de nombreux caissons totalement étanches. - Confort élevé obtenu, même dans le cas de petits bateaux légers, par la diminution des rebondissements sur la crête des vagues à grande vitesse, et par la faible inclinaison latérale en cas de vent latéral ou en cas de vagues se présentant parallèlement à l'axe longitudinal du bateau. - Vitesse maximum et de croisière pouvant être élevées. - Pour les petits bateaux : faible poids à vide et garage aisé. - Si possible, sur certaines versions, très faible tirant d'eau en charge. La gamme de qualités énumérées ci-dessus est rendue possible selon 1' in- vention - Par l'application (très inhabituelle pour des bateaux à propulsion mécanique) d'une formule de coque trimaran avec la coque centrale beaucoup plus développée que les deux coques latérales (situées de part et d'autre de la coque principale). - Par des particularités nouvelles de construction expliquées en détail plus loin dans le texte. - Par l'adaptation à des utilisations de navires ne nécessitant pas des possibilités très importantes de charge utile (relativement à leurs dimensions géométriques). Les bateaux de la formule nouvelle selon l'invention peuvent bénéficier de tout ou partie des perfectionnements décrits dans le présent brevet. Les coques trimarans (généralement de formes hydrodynamiques entièrement galbées et réalisées avec précision) sont très connues pour leur utilisation sur un grand nombre de voiliers de haute compétition, et parfois utilisées sur des voiliers de plaisance. Par contre, dans le domaine des bateaux à propulsion mécanique "commer- cieux", où il n'existe pas le même besoin de contrer le fort couple de renversement latéral dû au vent frappant les voiles des voiliers (sous n'importe quelle incidence) on ne trouve pas de constructeur de trimaran opérationnel (en particulier avec les types de structures, les méthodes de construction, les matériaux proposés plus loin dans ce texte). Il n'existe pas non plus de projet d'application de ce type de bateau (qui reste essentiellement un bateau) pouvant s'acquitter de tâches précises, énumérées à la fin de ce texte et quasiment impossibles à réaliser aussi efficacement, avec des bateaux traditionnels.La complexité structurale, la charge utile modérée et le très grand encombrement des trimarans, ont sans doute contribué au fait que les concepteurs de bateaux n'ont jamais cherché à développer des bateaux utilisant cette formule. Il est intéressant, cependant, de citer l'existence de bateaux catamarans, destinés au transport de passagers ou de petit fret, dans lesquels la "charge utile" est généralement disposée dans des cabines ou soutes bâties sur le pont reliant les deux coques,(d'où un centre de gravité placé relativement haut). Il y a également des catamarans munis de jupes souples à l'avant et à l'arrière, et d'une soufflante créant un coussin d'air entre les coques (ce système permet des "navires" rapides, mais gros consommateurs d'énergie et de charge utile très limitée). La nouvelle formule de bateau très performant, où la charge utile, le volume disponible, ainsi que la répartition de ce volume sont sensiblement sacrifiés à l'amélioration des performances, du rendement énergétique, à la sécurité, et à la simplicité de fabrication, a imposé la recherche d'une grande finesse hydrodynamique et d'une très grande légèreté. Une grande légèreté a comme conséquences de diminuer la quantité de matière premières à acheter, à façonner et à assembler (d'où un faible prix de fabrication). Le tirant d'eau sera également abaissé (ceci peut s'avérer très utile sur les versions de bateaux destinés aux loisirs en particulier). Description de la coque principale Nous avons déjà vu que cette coque, destinée à accueillir la charge utile est volontairement privilégiée par la taille par rapport aux deux autres, dont le rôle est surtout d'assurer la stabilité de l'ensemble. Une conséquence importante du fait de "concentrer" la poussée hydrostatique sur la coque principale d'un trimaran, au détriment des deux autres coques est de réduire (pour des coques homothétiques) le rapport surface mouillée totale sur volume total d'eau déplacé (par l'ensemble des trois coques), la traînée hydrodynamique se trouve ainsi légèrement réduite. La coque principale, pour présenter (à volume déplacé donné) le maître couple immergé le plus faible possible, sera très longue. Elle aura surtout, à hauteur de la ligne de flottaison, un rapport longueur/largeur extrêmement élevé, limité seulement par des considérations d'habitabilité minimum. La résistance à l'avancement sera ainsi encore minimisée. Cette coque étroite, qu'elle soit en matière plastique renforcée (composite) ou en métal (alliage d'aluminium, en particulier) sera, de préférence, pour faciliter la fabrication, de section constante (avec des génératrices parallèles), donc "cylindrique" sur la plus grande longueur possible. Les flancs de la coque seront plans sur la plus grande hauteur possible et sur la même longueur que précédemment. La section du fond de coque pourra présenter des formes diverses : en arc de cercle, ellipsoldale, en V plus ou moins ouvert ou presque plat avec des angles arrondis, etc...Le rapport, longueur de la portion de coque à section constante à la longueur totale, résultera d'un choix entre le gain en facilité de construction et une légère augmentation de la valeur de la résistance hydrodynamique, les compromis les plus courants se situeront entre les 2/3 et les 3/4 de la longueur de coque immergée. Le dièdre formé par les deux flancs plans de la coque sera situé généralement entre 0 et 400. Nous avons vu que la coque principale est très longue ; ceci n'est, bien sûr, pas favorable à la résistance à la flexion verticale dans le plan de symétrie. Pour obtenir, malgré tout, une grande solidité avec un faible poids, la coque aura un pontage sur toute la longueur (de façon à réaliser, en fait, une poutre caisson), et une hauteur importante pour favoriser le moment d'inertie d'une section de cette poutre caisson. Dans les cas réels, les contours des diverses ouvertures (de surface mini male) indispensables, pratiquées dans le pont (semelle supérieure du caisson coque) seront renforcés ; le prolongement des flancs de la coque vers le haut pour former les côtés de la cabine, participera au renforcement du caisson coque. Dans le but d'atteindre la plus grande légèreté possible, cette coque sera réalisée, de préférence Soit en alliage d'aluminium, soit en matériaux composites (résines renforcées par des fibres de verre, de carbone, etc...) Dans le cas de réalisations en alliage léger, des techniques élaborées, telles que le fraisage dans la masse dans des tôles épaisses de grandes dimensions pour réaliser des renforts intégrés, pourront être utilisées. Cette dernière technique de construction donnant son rendement maximum pour des panneaux d'alliage presqu'aussi longs que la coque elle-même, il serait intéressant de développer une nouvelle machine à fraiser, posée et fixée sur les grandes tôles épaisses à fraiser et déplaçable après avoir terminé tout le travail de fraisage réalisable à chaque positionnement. Les grandes tôles épaisses, beaucoup plus grandes que la fraiseuse elle-même, seront disposées sur un sol plat prépare avec soin. Dans le cas d'une réalisation en matériaux composites, on essaiera de réaliser la coque en une seule pièce ou, si cela n'est pas possible, on réalisera des sous-ensembles de coque de la plus grande dimension que permettront la technologie et les installations dont on dispose. Chaque fois que cela est envisageable, le cloisonnement interne et les différents niveaux de planchers seront intégrés à la structure de la coque caisson. - Description des flotteurs latéraux La coque principale, en raison de son étroitesse et de sa grande hauteur, ne possède aucune stabilité latérale propre (axe de roulis). La stabilité du bateau est assurée par deux flotteurs latéraux. Ces derniers sont maintenus par la structure de liaison à la coque principale à une hauteur telle relativement à cette dernière, qu'ils participent, lorsque le bateau est chargé à la charge utile (plus exactement avec une charge dans la plage de charge utile) pour laquelle il a été dimensionné, à environ un huitième chacun de la poussée hydrostatique totale, dans le cas d'un petit bateau. Pour un gros bateau, cette part de poussée hydrostatique pourra être sensiblement plus faible encore pour obtenir un compromis (stabilité en roulis, confort, performances) proche de l'op timum. La part de volume du flotteur, normalement non immergée (le bateau chargé) doit permettre une importante plage de variation pour la valeur de la charge utile, tout en conservant une marge de stabilité en roulis très importante (pour assurer une totale sécurité). La partie supérieure des flotteurs sera souvent partiellement submergée par les vagues ; elle sera donc soigneusement profilée (comme tout le flotteur) pour présenter une très faible traînée hydrodynamique. Les flotteurs seront d'ailleurs (comme la coque principale) longs, de faible section et de faible largeur. Selon les dimensions des bateaux et selon les nombreuses variantes possibles, les flotteurs pourront être utilement exploités, en y disposant des réservoirs de carburant, des soutes et, éventuellement, des réservoirs ballasts (de même que dans la coque principale) vidangeables pour alourdir à volonté (tout en baissant leur centre de gravité) les bateaux très légers, lorsque ceux-ci navigueront avec une charge utile très faible, et avec peu de carburant à bord; cela afin d'accroiftre la stabilité par mauvais temps.La quantité d'eau introduite dans les ballasts situés dans chacun des flotteurs pourra ne pas être identique pour compenser un couple latéral perturbateur permanent (dû au vent, par exemple). Pour améliorer la stabilité de roulis des bateaux naviguant avec une charge utile très faible (dans ce cas, les flotteurs sont presque entièrement sortis hors de 1 'eau et seul leur fond de coque, souvent de section en V serré, se trouve encore immergé), on pourra munir chaque flotteur dans leur partie la plus basse, de petits ailerons porteurs, dont la portance dynamique s' annulera dès que l'un d'entr'eux sera sorti hors de l'eau par une faible inclinaison latérale du bateau. L'équilibre des moments antagonistes créés par chaque aileron porteur est ainsi rompu en faveur de l'aileron toujours immergé du côté de l'inclinaison du bateau. Le moment résultant ainsi créé tend à s'opposer à cette inclinaison.Les petits ailerons pourront également être contrôlés en incidence par des servo-moteurs, eux-mêmes contrôlés par une centrale inertielle. Les deux flotteurs peuvent être reliés à la coque principale par différents types de structure de liaison. La structure de liaison (ou sa partie la plus basse) sera le plus possible dégagée de la crête des vagues. Elle sera soit une poutre caisson cantilever de fortes épaisseur et largeur, avec bords d'attaque et de fuite profilés, ressemblant à une courte aile d'avion, soit une structure en treillis. Définition et description des applications possibles Les applications de cette formule de bateau sont nombreuses ; cette formule est particulièrement adaptée aux utilisations suivantes - Transport de passagers, de fret et de colis de valeurs élevées. - Ravitaillement de plateformes pétrolières en mer. - Tous types de pêches. - Recherche et sauvetage maritime (grâce aux qualités de vitesse, stabilité, insubmersibilité). - Garde-côtes, douanes. - Recherches océanographiques. - Bateau station météo (confort apporté par la stabilité). - Applications militaires : en ce qui concerne ces applications l'étroitesse de la coque n'est pas un handicap. En effet, l'armement des bateaux de guerre consiste de plus en plus souvent en des missiles (de toutes tailles) stockés et tirés verticalement. les missiles, même sur un petit bateau, pourront être disposés verticalement dans la coque principale, sur une (ou plusieurs) rangées. Généralement, c'est le diamètre des missiles, lorsque ces derniers sont disposés en une seule rangée, qui détermine la largeur de la coque principale et, en partie, toutes les autres caractéristiques. Par ailleurs, d'autres points importants sont à considérer a) Grande stabilité (relativement à son tonnage) du bateau, ce qui favorise les opérations de tirs. b) Vitesse très élevée, avec faible consommation. Mais également, et ceci sera peut-être encore plus spectaculaire : possibilites de grandes accéléra tions. Les qualités de vitesse et d'accélération pourront être mises à profit pour améliorer. les effets de surprise, et comme moyen d'esquive. Le blindage et l'armement défensif pourront être allégés ce qui, de nouveau, améliorerait les qualités de vitesse et d'accélération. La configuration et les perfectionnements divers exposés ci-dessus permettront donc l'apparition de nouveaux types de bateaux de guerre. - Bateaux de loisirs pour particuliers Pour cette dernière catégorie, en particulier, surtout en versions monoplaces, la formule de bateau trimaran à propulsion mécanique, avec les configurations particulières des divers éléments, ainsi qu'avec les procédés de construction exposés ci-dessus, il devient possible de construire des bateaux à la fois très bon marché et utilisables même par conditions météorologiques très mauvaises. Pour améliorer encore les capacités d'utilisation par mauvais temps de ces très petits bateaux, il est possible, et particulièrement souhaitable, de les munir d'une cabine entièrement fermée ; le bateau sera aussi ainsi plus pratique et même aérodynamique. Bien sur, cette coque doit être la plus légère et la plus petite possible, ce qui est réalisable de la manière suivante. La hauteur de cette "mini" cabine sera faible, tout en permettant un pilotage de l'intérieur en position assise avec une garde au toit d'une vingtaine de centimètres. Cette faible hauteur, outre un faible poids et une faible prise au vent, aura pour avantage de permettre un pilotage en position debout avec la tête (volontairement) entièrement à l'extérieur, dans le but d'assurer une visibilité accrue, quand cela s'avère nécessaire. Dans ce demier cas, la cabine n'est plus entièrement fermée. La partie supérieure de la cabine est donc ou vrable. Elle est constituée d'un toit glissant vers l'arrière sur deux rails parallèles horizontaux (voir Fig. 1). Ce toit glissant est totalement étanche et inviolable en position fermée.En raison de la disposition de la porte d'accès (voir Fig. 1), le toit glissant se trouve, en réalité, intégré à celle-ci, et est destiné à être utilisé lorsqu'elle est fermée. La largeur de la cabine à hauteur des coudes et des épaules (en position pilotage assis) pourra être volontairement modérée (60 cm environ sur un bateau monoplace) pour assurer un maintien aisé de la position du passager dans le plan de symétrie, en présence de roulis. La station debout du pilote pourra elle-même être optimisée, en la transformant en position légèrement inclinée vers l'arrière, avec le dos maintenu par un dossier lui-même légèrement incliné vers l'arrière, ceci dans le but d'améliorer le calage latéral du pilote, qui ne peut (sur un très petit bateau de la formule ci-dessus) assurer sa propre stabilité en écartant les jambes. (Voir Fig. 1 et Fig. 2). Pour des raisons d'accessibilité vers l'avant de la cabine, le dossier sera réalisé en deux parties symétriques (montées sur charnières accrochées sur les parois de la cabine) pouvant être repliées vers l'avant. Pour permettre la station debout, l'assise du siège est relevable. La forme d'une coupe horizontale de cette cabine (à hauteur du bas du pare-brise, par exemple) présentera de préférence un aspect fuselé, arrondi à l'avant, effilé à l'arrière, pour des raisons aérodynamiques, esthétiques et d'habitabilité, le vaste pare-brise est galbé. I1 assure un vaste champ de visibilité. La coque,le pontage et la cabine pourront être soit construits en une seule opération, soit collés, soit soigneusement assemblés par n'importe quel procédé assurant solidité et étanchéité. Une telle mini cabine améliorera de fa çon considérable le confort et la sécurité, et autorisera aux plus petits bateaux des possibilités de navigation en haute mer, jusqu'ici réservées. exclusivement à des bateaux de taille nettement plus importante. La structure de liaison des flotteurs sera conçue structuralement comme une aile d'avion ; elle affectera, vue de face, une forme en arc de cercle, avec les extrèmités dirigées vers le bas. La partie centrale de cette structure (démontable) traversera la cabine juste sous le pare-brise, sous forme d'un longeron avant. Un longeron arrière traversera également la cabine, mais à une hauteur plus basse que son homologue avant. En effet, les structures de liaison ayant un profil proche de celui d'un profil d'aile d'avion auront une incidence positive, de façon à créer une légère portance à grande vitesse (effet de sol); les figures 1 et 2 en annexe illustrent la nouvelle formule de bateau à haut rendement et la cabine applicables à des bateaux monoplaces selon la formule ci-dessus.Mais la forme très étroite de la coque principale à flancs plans ainsi que les proportions générales des coques et de l'ensemble, restent valables pour toutes les autres applications quelle que soit leur taille. Les deux figures sont à l'échelle un trentième. La figure nO 1 représente une possibilité de réalisation de bateau selon la formule et les principes décrits ci-dessus vue de profil. La figure nO 2 représente lamême réalisation vue de face (face avant pour la moitié gauche du dessin, face arrière pour la moitié à droite du plan de symétrie sur le même dessin). Sur chacune des deux figures, se trouve dessinée, en surimpression, la silhouette du pilote, dans les deux positions : assise et debout. Sur la figure 1, on distingue clairement la forme du pare-brise et le principe de la porte d'accès (a), qui occupe la partie supérieure de la cabine et une partie de son bord arrière effilé. Cette porte doit être basculée sur le côté (charnières disposées sur la partie rectiligne inférieure (b) de la porte) pour permettre l'accès à l'intérieur de la cabine. Le dossier incliné "rabat table" en deux parties vers 1 'avant est repéré par la lettre (c). Le poste du pilote est installé entre les longerons avant et arrière (sections hachurées) de la structure de liaison des flotteurs. L'accès est facilité par des marchepieds intérieurs non représentés ; le longeron arrière peut être utilisé comme marchepied. Le siège relevable est représenté dans sa position relevée en trait pointillé. A la porte d'accès est intégré le doit ouvrant (d) capable de coulisser vers 1 'arrière sur des petits rails horizontaux. Ce toit ouvrant n'est représenté qu'en position fermée. Le pilotage en position debout se fait à l'aide d'un levier latéral non représenté. A l'extérieur, il y a deux marchepieds : l'un est encastré dans la cabine à hauteur du pont arrière (e), l'autre est situé sur la face supérieure de la structure de liaison (f).Le système de propulsion, qui peut être quelconque, n'est pas représenté. Ud système de propulsion, avec moteur dans la coque accouplé à une pompe créant un 'hydrojet", serait particulièrement avantageux : centre de gravité abaissé, diminution du tirant d'eau déjà très faible. Les plans de jonction des deux structures de liaison démontables des flotteurs sont représentés sur la figure 2 par la lettre (g), les petits ailerons stabilisateurs (h) (facultatifs) ne sont représentés que sur la figure 2. Dans l'exemple de réalisation représenté sur les deux figures ci-jointes, les dimensions mentionnées pour avoir une idée plus précise des diverses proportions des éléments constitutifs sont les suivantes - Longueur à la ligne de flottaison ............... 415 cm - Largeur totale............. ................... totale 280 cm - Hauteur max................ ................... max 156 cm - Largeur de la coque principale à hauteur des pieds 22,5 cm Largeur des flotteurs ................... ....... 18 cm - Le dièdre formé par les 2 flancs plans de la coque est de 2407. R E V E N D I C A T I O N S 1) - Bateaux de formule nouvelle à usages de loisirs, commercial, scientifique ou militaire à propulsion mécanique, caractérisés par une disposition trimaran, avec une coque principale centrale, très étroite, très longue, dont la section a une forme et une surface constantes sur une très grande longueur de coque (elle-même située entre les blocs avant et arrière profilés). Cette portion de coque est donc "cylindrique". Les flancs sont plans sur cette longueur, et sur une hauteur également importante (10 à 80 pour cent environ de la hauteur de la coque), ceci dans le but de simplifier la fabrication. Cette coque principale assure environ les trois quarts de la flottabilité totale normaie pour les petits bateaux et de 80 à 90 pour cent de la flottabilité totale environ sur les très gros bateaux.Le rapport longueur sur largeur à la ligne de flottaison dans l'exemple traîté dans le texte principal vaut 18,44 , cette valeur ne constitue cependant qu'un ordre de grandeur optimal dans le cas traité. Uhe très grande légèreté étant recherchée parallèlement à la formule décrite cl-dessus, par des procédés de construction nouveaux et des matériaux performants, des réservoirs ballasts sont prévus dans les trois coques, pour alourdir et équilibrer les bateaux (lorsqu'ils sont très peu chargés) tout en améliorant le confort. Les réservoirs ballasts seront remplis d'une manière différentielle lorsqu'il sera nécessaire de compenser un couple perturbateur permanent. 2) - Bateaux selon la revendication (1), caractérisés par les faits - Que les coques d'équilibrage (flotteurs latéraux) facilement démontables sur les petits bateaux sont reliées à la coque principale par une structure de liaison constituée d'un caisson épais (rigidité en torsion) profilé comme une aile d'aivon (légère protance aérodynamique, faible coefficient de traînée aérodynamique) - Que la structure de liaison vue ci-dessus est disposée largement au-dessus de la ligne de flottaison normale. - Que les coques d'équilibrage sont construites selon les mêmes principes que la coque principale (grande longueur, flancs plans sur un grand pourcentage de leur surface latérale). Le rapport longueur, largeur de ces coques est proche ou même légèrement supérieur à celui de la coque principale. - Que la partie supérieure de ces flotteurs, susceptible d'être recouverte par moment par la crête des vagues, est aussi soigneusement profilée comme la partie inférieure (sans angle saillant) pour diminuer leur traînée hydrodynamique. 3) - Bateaux selon les revendications (1) et (2): caractérisés par le fait oue la coque principale est conçue comme un caisson, que l'on peut considérer ur le plan de la résistance structurale comme fermé, avec une section transversale verticale dans la région centrale de cette coque, présentant un rapport hauteur sur largeur très élevé. Le moment d'inertie de cette section, par rapport à un axe horizontal passant à mi-hauteur et dans le plan de la dite section, est également très élevé. Les ouvertures indispensables dans la paroi su supérieure (semelle) étant réduites au minimum indispensable avec leurs contours renforcés par des renforts intégrés à la masse. 4) - Bateaux selon les revendications (1), (2) et (3), munis sur la face externe des flotteurs (à 1 'opposé de la coque principale) de petits ailerons stabilisateurs, immergés à faible profondeur, soit fixes et porteurs, soit contrôlés en incidence par un gyroscope, fournissant une référence d'horizon tau lité à une boucle d'asservissement. 5) - Bateaux selon les révendications (1), (2), (3) et (4), caractérisés par le fait que, lorsqu'ils sont réalisés en alliages d' aluminium. ils peuvent être assemblés à partir de très longues tôles épaisses, fraisées dans la masse. Pour les très grands bateaux, le fraisage des très grandes tôles est effectué en fixant la machine-outil à la tôle, et en déplaçant la machine à plusieurs reprises, la longueur des tôles pouvant atteindre ou dépasser les quatre cinquièmes de la longueur du bateau. 6) - Bateaux selon les revendications (1), (2), (3), (4) et (5), en versions militaires, caractérisés par un armement principal essentiellement constitué de missiles stockés et tirés dans des silots verticaux, eux-mêmes contenus dans la coque principale étroite, généralement disposés en une seule rangée (mais pas obligatoirement) pour réaliser les bateaux ayant la coque la plus étroite possible (c'est la taille et la puissance des bateaux qui seront généralement adaptées aux dimensions, diamètre en particulier, des missiles). 7) - Bateaux selon les revendications (1), (2), (3), (4), (5) et (6) en versions monoplaces, dotés d'une " cabine, caractérisée par sa forme et la disposition de ses éléments principaux, en particulier la porte d'accès qui occupe la plus grande partie du haut de la cabine, et de sa face arrière en 'bord de fuite:! : cette porte d'accès intègre un toit ouvrant destiné à être ouvert (lorsque la porte est en position fermée) pour permettre un pilotage en position debout, en ayant (volontairement) la tête à l'extérieur pour améliorer la visibilité, lorsque la nécessité s'en fait sentir. Le siège est relevable. La position dite debout est, en réalité, légèrement inclinée vers l'arrière, grâce à un dossier (pliable), lui-même incliné en arrière. Cette "mini" cabine est destinée à améliorer le confort, à rendre le bateau plus pratique, à amé-liorer ses capacités de navigation en haute mer par mauvais temps, voire même améliorer la traînée aérodynamique de l'ensemble.