Brevet FR2607102A1 — publié le 19880527

La présente invention concerne la configuration et l'util isation d'engins de locomotion @us par le vent et se dépl açant sur des surfaces solides ou liquides. Dans les engins de locomotion connus,tels que voiliers, mono ou multicoques,chars à voiles,la voilure est soumise h une force sensiblement horizontale,dont l'axe est situé à une hauteur liportante par rapport i la surface d'appui.Il r en résulte que la voilure exece sur la structure de ces en- gins,outre l'effort utile de propulsion,des efforts prasi- tes extrèmement importants,qui compliquent la réQ1isation de ces structures et contribuent h leur alourdissement.biême dans le cas des engins les plus perfectionnés actuellement connus tels que trimarans et catamarans,les diffèrentes coques sont reliées par des bras rigides qui sont soumis N des efforts considérables du fait du haubnnage et des inégalités de la surface de la mer. Ces efforts sont bien entendu reportés sur les coques elles-mêmes. La présente invention a pour but d'éviter ces inconvén ients en rapprochant l'axe de la force horizontale exercée par le vent de la surface d'appui et en libérant le mouvement relatif des différents éléments d'appui .les uns par rapport aux autres A cet effet,selon une première cractéristique de l'inv ention,la voilure est constituée par une série voiles rect angulaires fixéessur une poutre composée réalisée au moyen de profilés tels que cornières ou tubes,d'axe horizontal,et de section rectangulaire. Une telle poutre laisse passer le vent presque librement. Chaque voile est tendue entre deux montants verticaux fixés sur la poutre. Sous l'effet du vent, chaque voile est gonflée,et prend une forme voisinne de celle d'une portion de cylindre dont le plan de symétrie contien drait l'axe longitudinal de la poutre. Pour éviter le dével loppement ce tourbillons nuisibles au rendement aérodynamique de ces voiles,selon une autre car-ctéristique de l'invention, les faces horizontSles,supérieure et infèrieure,parzllèles au vent,sont réalisées sous forme de surfaces continues de sorte que ces surfaces affectent la forme d'une aile d'avion. Selon une autre caractéristique de l'invention,lz surface de chaque voile est modifiée par enroulement et déroulement autour des montants verticaux réalisés sous forme de deux tambours. Le gonflement.'u=^ teilepeut s'effectuer dans un sens ou dans l'autre par rapport au plan passant par ses axes de fixation .I1 en résulte que la poutre peut occuper deux positions symétriques par rapport au vent relatif.;es deuxpositions optimales correspondent au cas ou la direction du vent relatif est sensiblement parralèleX bord d'attaque de lavoile gonflée dans un sens ou dans l'autre. Selon une autre caractéristique de l'invention,la poutre composée est reliée au niveau de chacune de ses extrémités b: -un flotteur dans le cas de l'engin nautique -une roue dans le cas de l'engin terrestre -un patin pour l'utilisation sur la glace -un ski pour l'utilisation sur la neige Chacun de ces éléments:flotteur,roue,patin,ski,a une A reo- tion préférentielle de déplacement.C'est l'axe longitudinal des flotteurs,patins ou skis.C'est la trace du plan de la roue sur le sol.Du point de vue de l'invention ces éléments présentent - des analogies mécaniques suffisantes et seront désignés collectivement sous le nom de patin. Selon une autre caractéristique de l'invention,les i:iaisons entre poutre;et patins comportent au minimum un,au maximum trois degrés de liberté.Le premier degré de liberté,obligatoire, correspond à une rotation du patin autour d'un axe vertical ou légèrement incliné.Le second degré de liberté correspond à une rotation autour d'un axe horizontal perpendiculire à longitudinfil du patin.Il est obligatoire pour la roue et conseillé dans les autres cas.le troisième correspond à une rotation autour d'un axe horizontal parraléle i l'axe du patin. Il n'est envisageable que dans le cas du flotteur ou du ski. Le point de liaison entre poutre et patin sera choisi de façon que la résultante des forces s'exerçant sur le patin tende à l'orienter dans le sens du déplacement Du fit du second degré de liberté,la poutre pourrait basculer.Selon une autre carictéristique de l'invention,l'organe assurant l'équilibre est un balancier constitué par tii ou des solides,poutres composées par exemple disposées en V, reliés à la poutre portant la voilure,et dont l'extrémité est équipée d'un patin doté comme précédemment d'au minimum un,au maximum trois degrés de liberté. Le patin du balancier peut se trouver du côté du bord d'attaque de la voile ou du cYté opposé.Sauf dans le cas de voiles pouvant être indifféremment attaquées d'un côté ou de l'autre,une fois le côté choisi, il ne peut plus être modifié, et l'engin évoluera toujours avec le patin du balancier au vent ou sous le vent ,par rapport à la poutre,selon le côté initialement choisi. Sans sortir du cadre de l'invention, on peut donner b la poutre et aux branches du V formant balancier une forme d'arche pour augmenter la garde au sol.3n peut également,si la surface comporte des inégalités gènantes pour le confort réaliser la liaison des patins sous forme de suspensions télescopiques. Pour diriger l'engin, et orienter la voilurebon agit, selon une autre caractéristique de l'invention, sur la rotation des patins autour del9raxe vertical,soit en exerçant un couple sur cet axe de rotation, soit dans le cas des flotteurs en utilis-nt des safrans disposés a l'arrière de chacun des flotteurs. La commande de rotation des patins est assurée depuis le poste de pilotage,soit par des moyens mécaniques,commande par cables, par exemple,soit par l'intermédiaire de servomoteurs. Il est possible d'orienter la voilure et de diriger'; l'engin en agissant uniquement sur les patins situés aux extrémités de la poutre.A cet effet,l'angle d'orientation donné à chacun des patins est la somme de deux angles,selon une autre caractéris- tique de l'invention,le premier de ces angles ètant dit angle de direction,et l'autre angle d'embardée.Ces deux angles sont règlés séparément.X'angle d'orientation donné au premier patin est égal à l'angle de direction aumenté de l'angle d'embardée. L'angle d'orientation donné vu second potin est égal à l'angle de direction diminué de l'angle d'embardée. L'action sur l'angle d'orientation modifie de la même manière 1 trajectoire des patins,donc celle de ltengin. L'action sur l'angle d'embardée s'opère par oscillation, @@@@@@ de la valeur zéro qui est la valeur normale lorsque la voilure est correctement orientée par rapport au vent relatif, cet angle varie dans un sens,revient à zéro,repart dans l'autre sens puis revient à zéro.L'effet de cette oscillation est que les patins ont fait une embardée dans des sens opposés,ce qui a modifié la distance entre leurs trajectoires normalement pararelles et par conséquent lorientation de la voilure. Le patin situé à l'extrémité du balancier peut:. ne pas outre sollicité,et"suivre le mouvement".Cependant,il peut être utile,nottament pendant les maneevres de virement de bord ou d'empannaged'utiliser ce patin pour"aider le mouvement".Dans la pratique,les changements de direction et d'orientation de la voilure'. seront obtenues en agissantsimultanément sur l'angle de direction ,sur l'angle d'embardée et sur l'orientation du patin d'extrémité du balancier. L'angle de direction et l'angle d'embardée peuvent être commandés par un seul et même levier. Grace à des biellettes articulées,on peut faire en sorte que le déplacement do l'extrémité du levier dans une direction horizontale corresponde à une modification de l'angle de direction de marche,et que le déplacement dans une direction verticale corresponde à une modification de l'angle d'embardée. Selon une autre caractéristique de l'invention,le réglage de la direction de marche et de l'orientation de la voilure peuvent être effectués automatiquement: -soit tl,l'angle d'un patin par rapport au nord magnétique -soit A2,l'angle de l'autre patin -soit O,l'angle du vent relatif par rapport à l'axe horizontal perpendiculaire à l'axe de la poutre -soit Bl,l'angle du premier patin par rapport à l'axe de la poutre -soit B2,l'angle du second patin L'angle O a deux valeurs optimales :±t et do selon le sens dt gonflement de la voilure. Le signal d'embardée E est émis à intervalles d- T secondes. I1 a pour forme : E= k ( Oi - Oc )cos ( B1 - B2) sin u t Dans cette formule: -Oi est la valeur de Oau début de l'intervalle T -k est une constante -u est une constante -t est la variable temps Au cours de l'intervalle T le signal d'embardée a pour valeur: -de O à 2Pi la valeur donnée par la formule ci-dessus 2 Pi u -de u à T la valeur O Pi = 3,14159.... Le signal commandant l'orientation du premier patin est la somme du signal d'embardée et du signal d'un régulateur PID comparant It avec la consigne de direction Le signal commandant l'orientation du second patin est la différence entre. le signal d'un régulateur comparant t2 avec la consigne de direction et le signal d'embardée. Les lois mathématiques précédemment décrites sont parmi les plus simples de celles capables d'assurer la fonction. D'autres lois plus élaborées assurant les corrections de direction et d'orientation de la voilure sans utilisation d' oscillations peuvent également outre utilisées. La configuration et l'utilisation des enginsqui font l'objet de la présente inventionseront décrits plus en détail à l'aide des dessins annexés dans lesquelS : -la figure 1 est une vue en perspective de la poutre supportant la voilure -la figure 2 est une vue de dessus de la structure formée par la poutre et le balancier -la figure 3 est une vue de face de cette meme structure -la figure 4 est une coupe verticale de la liaison entre la structure et un patin -la figure 5 est une coupe verticale perpendiculaire à la précédente -la figure 6 est une vue de dessus de la structure et des patins -la figure 7 est une représentationdes vitesses et des forces mises en jeu lors de l'utilis tion de l'engin -la figure 8 est une coupe verticale de la poutre portant la voilure -la figure 9 illustre par des vues instantanées successives l'évolution de l'engin aux différentes allures de marche -la figure 10 est une vue illustrant la modification d'orientation de la voilure par action a patins situés aux extrémités de la poutre supportant la voilure -la figure 11 est une vue illustrant la modification d'orientation de la voilure par action du patin situé 9 l'e::trémité du balancier -la figure 12 est une vue en perspective de la tringlerie de commande d'orientation des patins situés aux extrémités de la poutre -la figure 13 est une vue de dessus des diffèrentes vitesses et angles intervenant dans le fonctionnement du pilote automatique Selon la figure 1 ,la poutre supportant la voilure est une poutre composée formée d'élémentsprofilés longitudinaux tels que 1 ,transversaux tels que 2, obliques tels que 3,et de haubans tels que 4 et 5 ,de pivots verticaux 6 et 7s situés aux uxtré- mités de la poutre,et d'élémentsprofilés tels que s et 9 assurant la liaison entre les pivots et la poutre composée. Selon les figures 2 et 3 ,le pivot 10 est rendu solidaire de la poutre portant la voilure par l'intermédiaire de deux poutres composées formant un V . Chacune de ces deux poutres sont elles-memes formées d'éléments profilés tels que 11 , 12 13 * Selon les figures 4 et 5,le patin 14 est articulé sur le pivot 6 par l'intermédiaire de la pièce 17 dont la partie cylindrique tourne à l'intérieur de la cavité correspondznte pratiquée dans le pivot 6 et de la bague de friction 18 rde l'axe l9solidaire de 17 tourillonant dans les chapes. 20 et 21 elles-mêmes solidairesdu patin 14.le patin 14 possède par rapport au pivot solidaire de la structure deux degrés de liberté: -rotation autour de l'axe zz' vertical -rotation autour de l'axe horizontal yy' qui est perpendiculaire à l'axe longitudinal du patin 14 Selon la figure 6 ,la structure formée par la poutre portant la voilure et des poutres en V formant balancier repose sur les patins 14,15 et 16respectivement par l'intermédiaire des pivots 6 ,7 et l0.1 > s articulations entre 7 et 15 d'une part,l0 et 16 d'autre part sont identiques à l'articulation entre 6 et 14 précédemment décrite. Selon la figure 7 ,la vitesse relative de l'air par rapport à l'engin résulte de la composition vectorielle de la vitesse du vent par rapport à la surface et de l'opposé de la vitesse de déplacement de l'engin VR = N - V3 La figure 7 représente également schématiquement une vue de dessus de la série de voiles telles que 22 et 23. Le vent relatif VR exerce sur cette série de voiles une pression dont 1 résultante horizontale est 2f. Cet effort est reporté également sur chacun des patins 14 et 15 nar l'intermediai~e des pivots 6 et 7. Au niveau du patin 14,la force f se décompose en une force de propulsion p et une force d tendant à faire dériver le patin de sa trajectoire. Selon la figure 8 la voile 22 est fixée sur les éléments 1 de la poutre au moyen des tambours 25 et 24. Au repos,la voile est enroulée sur le tambour 24 dont la rotation autour des axes 26 et 27 est assurée par des moyens tels que pignon et vis tangente, chaîne et roue dentée etc...,non représentés sur la figure.La voile 22 est munie à son bord de fuite d'une latte 28 sur laquelle sont fixées des écoutes 29 , j et 31.w La voile est bordée ou choquée par rotation dans un sens ou dans l'autre du tambour 25 .La rotation de ce tambour est assurée par des moyens similaires à ceux dont peut être muni le tambour 24.Par conjugaison de la rotation des tambours 24 et 25 ,on règle la surface active de la voile et s tension Pour améliorer le rendement de la voile et réduire la trainée due aux éléments constituant les faces horizontales supérieure et infèrieure de la poutre,ces faces sont équipées respectivement d'habillages 30 et 31 donnant B ces faces l'allure générales d'ailes d1avion.Les bords de fuite de ces ailes repères 32 et 33 peuvent être articuldes à la manière d'ailerons pour augmenter en cas de besoin le poids apparent de l'engin et assurer sa stabilité. Selon la figure 9 ,l'engin est représenté aux difçèrentes allures: -33 = vent de travers ed4= vent 3/4 arrière -35 = arrière sur un bord -36 = empannage -37 = arrière sur l'autre bord -38 = 3/4 arrière *39 = travers -40 = au prés -41 = vent debout -42 =au près -43 = vent debout -44 = au prés 45 = vent debout -46 = au près Au cours de ces évolutions, le potin du balancier est toujours sous le vent par rapport à la poutre. Selon la figure 10 , les lignes 47 et 48 représentent respectivement les trajectoires des patins 14 et -15 au cours d'un changement d'orientation de la voilure Selon la figure 11 , la ligne 49 représente la trajectoire du patin. 16 au cours d'un.changement d'orientation de la voi- lurex melon la figure 12,les axes 50 et 51 entrainent la rotation des patins 14 et 15 par l'intermédiaire de liaisons mécaniques non représentées sur le dessin * La rotation des axes 50 et 51 est assurée par les biellettes 52,53,54,55,lelevier 56,les rotules mobiles dans l'espace 57,58,59,et la rotule 60fixée à la structure de l'engin.En déplaçant l'extrémité 61 du levier 56 dans le sens horizontal, on fait tourner les patins dans le mtme sens déplaçant cette extrémité dans le sens verticil, on les fait tourner dans des sens opposés. Selon la figure 13 ,les différents angles et vitesses intervenant dents le fonctionnement du pilote vutomatique sont représentés, La description précédente est indépendante de la taille donnée aux engins.Cette taille peut aller de celle d'un jouet à celle d'engins transocéaniques en passant par celle de modèles réduits et d'engins de plage. 1. Engin mû par le vent , se déplaçant sur une surface liquide , comportant une structure portant la voilure et au moins trois flotteurs , chaque flotteur ayant par rapport à la structure au moins un degré de liberté correspondant a une rotation autour d'un axe sensiblement vertical solidaire de la structure et au maximum trois , les deux derniers correspondant à des rotations par rapport 9 un axe horizontal perpendiculaire au grand axe du flotteur et par rapport I un axe parrallele au grand axe du flotteur. 2. Engin selon la revendication I caractérisé en ce que la voilure est constituée par une série de voiles soutenues par une poutre composée reposant sur deux des flotteurs , un troisiéme flotteur servant 1' équilibrage. 3. Engin selon la revendication I caractérisé en ce que la direction de son deplacement et l'orientation de sa voilure par rapport au vent relatif sont reglées simultanément en agissant de maniere coordonée sur la rotation des flotteurs , soit en exerçant sur ces flotteurs un couple d'axe sensiblement vertical , soit par l'intermddiaire de safrans équipant ces flotteurs. 4. Engin selon les revendications I t 3 caractérisé en ce que deux des flotteurs sont utilisés pour regler la direction au moyen de rotations de même valeur , et l'orientation de la voilure au moyen de rotations oscillatoires et opposées.