Brevet FR2612150A1 — publié le 19880916

L'invention a pour objet une embarcation à voile à ailes partiellement immergées, du type prao, et concerne plus précisément la structure des ailes portantes, leur montage et la commande de leur incidence. Il est connu d'équiper des bateaux à voile d'ailes immergées qui sont en mesure de porter seules la totalité du bateau pour autant que la vitesse de ce dernier, par rapport à l'eau soit suffisante. La sustentation étant alors assurée par de faibles surfaces immergées, la résistance à l'avancement est très basse et le bateau prend rapidement de la vitesse. La principale difficulté à surmonter réside dans le fait d'atteindre une vitesse suffisante pour déjauger le bateau. Pour atteindre cette vitesse il faut au moins que la force propulsive de la voile, c'est-à-dire la composante vers l'avant de la force du vent sur la voile soit supérieure à la trainée des ailes. Cette traînée, ou résistance à l'avancement est proportionnelle au poids du bateau et de son équipage mais inversement proportionnelle à la finesse des ailes.C'est pourquoi la recherche d'une réduction du poids et de l'amélioration de cette finesse est une nécessité si l'on veut obtenir le déjaugeage avec des vents de force moyenne. Pour obtenir des vitesses élevées, il convient de rechercher un bon aérodynamisme de l'ensemble de l'embarcation, car la résistance aérodynamique n'est plus négligeable quand on atteint des vitesses de quelques dizaines de kms/heure Enfin, il ne faut pas oublier que par faible vent, le bateau ne pourra évidemment pas déjauger. Il faut donc que les coques procurent de bonnes performances, au moins comparables à celles d'une planche à voile, poùr que l'embarcation reste agréable par faible vent. On aura avantage à utiliser des coques différentes suivant la force du vent comme on utilise des planches à voile différentes suivant la force du vent. Par faible vent, on choisira des coques longues et effilées et qui n'auront pas besoin d'être robustes. Par grand vent, le déjaugeage étant facile, on préférera des coques robustes, mais petites et aérodynamiques. En résumé, on veut donc réaliser - un ensemble léger - des coques de bonnes performances - un ensemble aérodynamique - des coques interchangeables - des ailes de grande finesse. Le prao permet de réaliser les trois premières conditions. Pour des raisons connues (rapport volume/surface en particulier) pn peut le construire plus léger qu'un catamaran. On obtient cependant une bonne stabilité à l'arrêt ou en cas de difficultés. On peut obtenir de bonnes vitesses, en particulier en naviguant avec le flotteur auxiliaire déjaugé, ce qui est relativement facile. On choisit la formule du prao avec flotteur situé "au vent" qui donne au pilote une position plus favorable que le flotteur "sous le vent". On peut facilement réaliser un ensemble aérodynamique, car le vent arrive toujours du même côté de l'embarcation. Le prao présente un avantage supplémentaire très important : il vire de bord avec vent de travers et repart en sens inverse, l'avant devenant l'arrière et inversement. Il en résulte que si des saletés sont accrochées à l'aile (algues, branches, papiers etc...) elles auront les meilleures chances de s'en détacher à chaque virement de bord. Pour que les coques soient facilement interchangeables, on réalise un bâti-support qui comporte à la fois les fixations amovibles nécessaires pour la coque principale et le flotteur et les joints de fixation des ailes, et supporte la plate-forme sur laquelle se tient le pilote. En ce qui concerne les ailes, l'obtention d'une finesse hydrodynamique élevée nécessite entre autres choses un grand allongement. On sait par exemple que les planeurs ont des ailes beaucoup plus allongées que les avions et obtiennent de ce fait une meilleure finesse. Pour une aile immergée dans l'eau, les dimensions de l'aile sont beaucoup plus réduites que dans l'air, et il n'est pas très facile, même avec les matériaux modernes, d'obtenir à la fois de grands allongements et la résistance mécanique nécessaire. La solution adoptée est celle d'une aile en boucle, c'est-à-dire complètement fermée, et appuyée en deux points sur le bâti tout en permettant son pivotement et ainsi son réglage d'incidence. Ce double appui aux extrémités de la boucle est favorable à la robustesse. D'autre part, l'aile est précontrainte avant son installation sur le bateau pour améliorer encore sensiblement sa résistance à la flexion. I1 est prévu deux systèmes complètement séparés de réglage de l'incidence des ailes. Le premier système permet de donner une incidence différente aux deux ailes au repos. Le deuxième système permet en marche comme à l'arrêt, de faire varier simultanément l'incidence des deux ailes de la même valeur. La présente invention a donc pour objet une embarcation à voile du type prao, équipée d'ailes ayant une structure et une forme particulières, et dont le montage sur le bâti les rende aptes à assurer une bonne portance même à vitesse moyenne, ces ailes étant à incidence réglable, c'est-à-dire permettant à un utilisateur d'augmenter notablement à une vitesse donnée, la portance de celles-ci et d'obtenir en conséquence un déjaugeage rapide entraînant une forte diminution de la résistance à l'avancement, et donc une augmentation de vitesse permettant de ramener ensuite l'incidence des ailes à une valeur plus faible. Selon l'invention concernant une embarcation à voile du type prao, c'est-à-dire constituée par une coque principale, par un flotteur destiné à être situé "au vent" par rapport à la coque principale, et par un bâti-support les reliant, la structure ainsi réalisée étant symétrique par rapport à un plan médian perpendiculaire à la coque et au flotteur, et portant à sa partie supérieure un gréement, ladite embarcation comporte au moins deux ailes immergées disposées symétriquement de part et d'autres du plan médian qui forment chacune une boucle s'étendant sous l'embarcation du bord extérieur de la coque principale au bord extérieur du flotteur, la boucle étant attelée au bâti-support par des fixations pivotantes autour d'un axe horizontal parallèle au plan médian, des moyens de manoeuvre et de réglage étant en outre prévus pour assurer le pivotement de chaque boucle et le réglage de l'angle d'incidence de chaque aile. Cette aile en boucle complètement fermée peut avoir des formes multiples chaque fois mieux adaptées à un but différent. Vue de face, elle peut avoir la forme sensiblement elliptique, ou bien se rapprocher dans sa partie inférieure d'une forme en V etc... Vue de dessous, elle peut avoir une largeur constante, ou bien s'élargir progressivement à partir du centre en se rapprochant des fixations pivotantes. Selon une caractéristique importante de l'invention, l'aile en boucle est précontrainte. Elle est fabriquée en deux parties, une partie supérieure, appelée plus loin "poutre" et une partie inférieure appelée plus loin "aile", l'ensemble assemblé constituant la boucle. La partie supérieure étant hors de l'eau, il est facile de lui conférer une excellente rigidité sans poids excessif par une forme appropriée en tube, ou en V ou en double T et des sections relativement importantes. La partie inférieure est dans l'eau, assure la portance et doit avoir un grand allongement pour obtenir une grande finesse hydrodynamique. Elle est donc obligatoirement étroite et peu épaisse et toute amélioration de sa construction permet d'augmenter les performances de l'em- barcation. Quand on se rapproche des axes, on peut épaissir légèrement et progressivement l'aile sans grand inconvénient, car l'aile prenant progressivement une inclinaison importante par rapport à l'horizontale contribue moins dans cette partie à la portance et sortira d'ailleurs de l'eau à grande vitesse. En définitive, le calcul détaillé des efforts et en particulier des moments de flexion en chaque point de l'aile pour toutes les inclinaisons possibles du bateau, montre que les moments de flexion les plus dangereux pour la résistance de l'aile sont les moments positifs dans la partie proche de son milieu (en appelant positifs les moments de flexion qui tendent la fibre intérieure de la boucle). On a donc intérêt à créer des moments de flexion négatifs au repos dans cette partie centrale, par une précontrainte judicieusement calculée. La partie supérieure, dite "poutre" est construite assez rigide pour être beaucoup moins déformable que l'aile. L'aile est construite à des dimensions et formes judicieusement calculées, puis pliée à force comme un arc que l'on bande, ses extrémités venant alors en appui contre les faces internes des extrémités de la partie supérieure dite poutre . Les deux parties (aile et poutre) sont ensuite fixées ensemble, par exemple par boulonnage,pour constituer ensemble la boucle complètement fermée. On effectue ensuite le montage sur le bateau. Suivant une autre caractéristique de l'invention, on peut alléger l'aile en la construisant creuse ou avec une âme légère en mousse ou balsa, car on diminue peu la résistance à la flexion en supprimant la matière proche du centre d'inertie de la section. Selon une autre caractéristique particulière de l'invention la partie centrale du bati-support reçoit une plate-forme transversale symétrique par rapport au plan médian dans laquelle est emplanté le mât d'un gréement du type planche à voile, la plate-forme étant équipée d'une glissière située dans le plan médian pour le positionnement du mât et le bâti-support étant fixé à la coque principale et au flotteur, par l'intermédiaire de poteaux et/ou d'éléments de fixation amovibles. Selon une autre caractéristique de l'invention les moyens de manoeuvre des boucles d'aile sont constitués d'un arbre de commande s'étendant longitudinalement à l'embarcation, et d'un levier de commande dudit arbre, manoeuvré par le pied du pilote, l'arbre reliant les deux poutres des boucles d'aile par l'intermédiaire d'attaches munies de plusieurs perçages à des distances différentes du plan médian pour le réglage de l'écartement desdites attaches et dz l'inclinaison des ailes. Selon un mode avantageux de réalisation le levier de commande pivote autour d'un axe vertical et porte un étrier entraînant l'arbre par l'intermédiaire d'un axe vertical, l'extrémité du levier, du côté opposé à l'axe s'engageant dans une alvéole d'un secteur cranté solidaire du bâti. D'autres caractéristiques particulières et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre d'une forme de réalisation prise à titre d'exemple non limitatif et faisant référence aux dessins annexés qui représentent: Figure 1 une vue du dessus de l'embarcation dont on a retiré le gréement Figure 2 une vue de côté de l'embarcation selon la figure 1 ; Figure 3 une vue en bout de l'embarcation avec son gréement; Figure 4 une vue en coupe selon IV-IV de la figure 3. En se reportant aux figures on vboit un voilier qui comporte une coque 2 ou flotteur principal, un flotteur secondaire 3 de plus petite dimension parallèle au flotteur principal et un bâti-support 1 les reliant. On voit plus précisément a' la figure 1 que ce bâti-support est constitué de deux longerons 23 disposés respectivement sensiblement au-dessus de la coque 2 et du flotteur 3, et de deux traverses 24 reliant lesdits longerons de part et d'autre d'un plan transversal médian 25. La partie centrale du bâti-support 1 reçoit également une plate-forme transversale 26, en appui sur les longerons, symétrique par rapport au plan médian 25, sur laquelle l'utilisateur se tient debout. Le bâti-support 1 est fixé aux flotteurs 2 et 3 par des poteaux 28, des éléments de fixation amo vibles 29 étant prévus à leurs extrémités pour permettre le démontage et/ou le remplacement des flotteurs. Cette structure du type prao est conçue pour naviguer le flotteur secondaire 3 toujours placé "au vent". I1 s'ensuit une construction symétrique par rapport au plan médian 25 perpendiculaire aux flotteurs 1 et 2 pour permettre au bateau de naviguer toujours sur le même bord, mais dans deux sens de marche. A cette structure de base est associée un gréement 10 semblable au gréement d'une planche à voile c'est-à-dire possédant un mât 11, une voile 15 et un wishbone (ou étrier) 14, le mât étant attelé à la planche 26 au moyen d'une articulation souple 27 du genre à rotule, permettant sa rotation libre autour d'un axe vertical et son inclinaison par rapport à cet axe. L plate-forme est équipée d'une glissière 12 située dans le plan médian 25 munie de pièces de positionnement non représentées, permettant de positionner le mât plus ou moins loin du centre de l'embarcation afin notamment de prendre en compte la force du vent. En outre, le grée ment 10 est relié à une extrémité de la planche 26 par l'attelage de gréement 13. Ce dernier est avantageusement relié à un point du wishbone 14 proche du centre de poussée de la voile 15. Au-dessus de chacune des traverses 24 est prévue une poutre rigide 20 en forme de U renversé dont la partie horizontale se trouve au-dessus et à quelque distance de la traverse. La poutre se prolonge de part et d'autre de la partie horizontale par des jambes verticales qui s'étendent sensiblement jusqu'à hauteur des flotteurs. A chacune de ces poutres 20 est fixée une aile 21 formant urie boucle s'étendant sous l'embarcation, du bord extérieur de la coque 2 au bord extérieur du flotteur 3,dont les extrémités sont fixées solidement aux jambes verticales de la poutre. Avantageusement chaque aile 21 est précontrainte puis placée à force comme un arc avant d'engager ses extrémités en appui contre la face interne des jambes de la poutre ou elles sont bou lonnées. La poutre 20 et l'aile inférieure 21 forment une boucle d'aile fermée et rigide désignée dans son ensemble par la référence 4,qui peut être montée sur l'embarcation. A cet effet sont prévues des potences latérales 30 soli daires du châssis-support au niveau des traverses 24. La boucle 4 est raccordée aux deux potences latérales par des axes horizontaux de fixation 5, parallèles au plan médian. On peut ainsi modifier l'angle d'incidence de l'aile 21. Des dérives 22 sont en outre prévues à la base ou en plusieurs points des ailes 21. Cette aile 21 présente une section particulière illustrée à la figure 4. Elle est avantageusement constituée d'une âme 31 en matière légère, mousse ou balsa ou d'une âme creuse, et d'une partie externe 32 réalisée à partir de matériaux composites (résines époxy ou polyesters armés de fibres de carbone, verre, kevlar etc...). La liaison entre l'extrados et l'intrados est réalisée par une longueur et une épaisseur suffisantes de matière aux bords d'attaque et de fuite 33, des perçages de liaison pouvant en outre être réalisés à intervalles réguliers dans l'âme légère. Les fibres composites constituant le tissu qui sert à réaliser cette partie externe sont évidemment positionnées de la façon la plus favorable pour augmenter la résistance de l'aile à la flexion. Il apparaît néanmoins intéressant de donner à cette aile 21 une épaisseur progressivement accrue de bas en haut dans la zone CD proche des axes de fixation 5. Deux boucles d'aile 4 sont ainsi montées pivotantes au niveau des deux traverses 24, autour des axes 5. Leur mouvement de pivotement est simultané grâce à un arbre de commande 6 qui s'étend longitudinalement à l'embarcation et qui relie les deux poutres 20 l'une à l'autre par l'intermédiaire d'attaches 7. Celles-ci comportent des perçages à des distances différentes du plan médian de l'aile permettant de régler indépendamment l'inclinaison de chaque boucle 20, 21 par rapport audit arbre, en modifiant l'écartement des attaches. L'arbre 6 qui passe au-dessus de la planche 26 est déplaçable longitudinalement grâce à un levier de commande 8 manoeuvré par le pied du pilote. A cet effet le levier 8 fait pivoter autour d'un axe vertical 16 un étrier 34 portant lui-même un axe vertical 19 tourillonnant sur l'arbre 6. On comprend que le mouvement de pivotement du levier 8 et de l'étrier 34 autour de l'axe 16 entraine ainsi le déplacement longitudinal de l'arbre 6 dans un sens ou dans l'autre, de chaque côté du plan médian 25. L'extrémité opposée du levier 8 est engagée, grâce a la flexibilité de l'arbre 6, dans une des alvéoles d'un secteur cranté 9 monté sur la plate-forme 26, qui l'immobilise dans la position recherchée. La pression du pied du pilote sur le levier le fait se dégager du secteur cranté et lui permet de le manoeuvrer.On notera que des rondelles 17 en matériau souple sont interposées sur l'axe 16 entre sa butée et l'étrier, et permettent justement, du fait de leur souplesse, une certaine inclinaison du levier 8 pour qu'il puisse échapper au secteur cranté 9. De même le levier de commande 8 comporte-t-il un dispositif de réglage du positionnement en hauteur de l'arbre 6, qui est constitué par des empilements de rondelles 18 montées sur l'axe 19 et pouvant se placer à volonté en tout ou partie au-dessus ou au-dessous de l'arbre de commande, pour régler la force de levage du levier 8 par l'arbre flexible 6. On a noté précédemment que les flotteurs 2 et 3 étaient symétriques par rapport à un plan médian transversal 25. Par contre ils sont dissymétriques par rapport à un plan vertical longitudinal passant par le milieu de leur largeur, cette dissymétrie pouvant apparaître aussi pour le bâti-support 1. Comme il apparaît sur la figure 3, ils ont ainsi un profil plus aérodynamique par rapport au vent apparent, qu'avec un tracé symétrique. On a indiqué précédemment que les flotteurs 2 et 3 étaient fixés au bâti support 1 par l'intermédiaire d'éléments de fixation amovibles 29. Cela permet de changer de coque principale ou de flotteur. Quand le pilote navigue avec un vent de vitesse suffisante, il peut rechercher le déjaugeage et le décollage de l'embarcation en modifiant l'incidence des ailes 21 à l'aide de l'arbre de commande 6, sachant que la portance augmente en même temps que l'angle d'incidence. En cours de navigation en position décollée, il pourra modifier ou réduire cette incidence pour trouver les conditions idéales de vitesse. On a en général intérêt à avoir plus d'incidence sur l'aile avant que sur l'aile arrière. C'est pourquoi on règle avantageusement avant le départ, une incidence opposée de chacune des ailes 21, à l'aide des attaches 7. Ainsi quel que soit le sens du départ l'angle d'incidence de l'aile avant sera-t-il correct. L'aile 21 de faible largeur et de structure précédemment décrite en référence à la figure 4 forme donc une boucle dont les contraintes de flexion, en chacun de ses points, pour chaque inclinaison du bateau ont été déterminées. La précontrainte de l'aile permet de la faire travailler dans les meilleures conditions. En ce qui concerne le pilotage de l'embarcation, on notera que l'attelage 13 du gréement au bâti-support supprime presque totalement l'effort qui consiste à résister à la poussée latérale du vent. Le fait de pouvoir déplacer, grâce à la glissière 12, le point de pivotement du mât, permet au pilote de trouver la meilleure position pour manoeuvrer le bateau et d'utiliser cet attelage. Il peut virer de bord en déplaçant le centre de voilure par rapport au centre de dérive ce qui évite l'emploi d'un gouvernail. REVENDICATIONS 1.- Embarcation à voile à ailes immergées, du type prao, constituée par une coque principale (2), par un flotteur (3) destiné à être situé "au vent" par rapport à la coque principale, et par un bâti-support (1) les reliant, la structure ainsi réalisée étant symétrique par rapport à un plan médian (25) perpendiculaire à la coque et au flotteur, et portant à sa partie supérieure un gréement (10), caractérisée en ce qu'au moins deux ailes immergées (21) sont disposées symétriquement de part et d'autre du plan médian (25) et forment chacune une boucle (4) s'étendant sous l'embarcation du bord extérieur de la coque principale (2) au bord extérieur du flotteur (3), en ce que la boucle (4) est attelée au bâti-support (1) par des fixations pivotantes (5) autour d'un axe horizontal parallèle au plan médian et en ce que des moyens de manoeuvre (6, 8) et de réglage (7) sont prévus pour assurer le pivotement de chaque boucle et le réglage de l'angle d'incidence de chaque aile. 2.- Embarcation selon la revendication 1, caractériséeen ce que la partie centrale du bâti-support (1) reçoit une plate-forme transversale (26) symétrique par rapport au plan médian (25) dans laquelle est enplanté le mât (11) d'un gréement (10) du type planche à voile et sur laquelle se place le eilote. se place le Embarcation selon la revendication 2, carac- térisée en ce que la plate-forme (26) est équipée d'une glissière (12) située dans le plan médian (25) pour le positionnement du mât. 4.- Embarcation selon la revendication 1, caractériséeen ce que le bâti-support (1) est fixé à la coque principale (2) et au flotteur (3), par l'intermédiaire de poteaux (28) et/ou d'éléments de fixation amovibles (29). 5.- Embarcation selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le gréement (10) est relié à au moins une extrémité de la plate-forme (26-) par un attelage de gréement (13), fixé en un point du wishbone (14) proche du centre de poussée de la voile (15). 6.- Embarcation selon la revendication -1, caractériséeen ce que une poutre rigide (20) en forme montée au-dessus du bâti (1), sert de support à l'aile (21) avec laquelle elle forme une boucle d'aile fermée (4) montée sur des potences latérales (30) par l'intermédiaire des fixations pivotantes (5). 7.- Embarcation selon les revendications 1 et 6, caractérisée en ce que chaque aile (21) est précontrainte et pliée à force comme un arc, ses extrémités venant en appui contre la face interne de la poutre (20) à laquelle elles sont fixées. 8.- Embarcation selon les revendications 1 et 7, caractérisée en ce que chaque aile (21) est creuse ou constituée d'une âme (31) en matière légère et d'une partie externe (32) réalisée à partir de matériaux composites, une longueur et une épaisseur de matière suffisantes étant prévues aux bords d'attaque et de fuite (33). 9.-Embarcation selon les revendications 1 et 7, caractérisée en ce que chaque aile (21) présente une épaisseur progressivement accrue de bas en haut dans la zone CD proche de ses extrémités. 10.- Embarcation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de manoeuvre des boucles d'aile (4) sont constitués d'un arbre de commande (6) s'étendant longitudinalement à l'embarcation, et d'un levier de commande (8) dudit arbre, manoeuvré par le pied du pilote. 11.- Embarcation selon les revendications 1 et 10, caractérisée en ce que l'arbre (6) relie les deux poutres (20) des boucles d'aile (4) par l'intermédiaire d'attaches (7) munies de plusieurs perçages à des distances différentes du plan médian (25) pour le réglage de l'écartement desdites attaches et de l'inclinaison des ailes (21). 12.- Embarcation selon les revendications 1 et 10, caractérisée en ce que le levier de commande (8) pivote autour d'un axe vertical (16) et porte un étrier (34) entrainant l'arbre (6) par l'intermédiaire d'un axe vertical (19). 13.- Embarcation selon la revendication 12, caractérisée en ce que l'extrémité du levier (8), du côté opposé à l'axe (16) s'engage dans une alvéole d'un secteur cranté (9), solidaire du bâti (1). 14.- Embarcation selon les revendications 12 et 13, caractérisée en ce que des rondelles (17) en matériau souple sont interposées sur l'axe (16) entre sabutée et l'étrier (34). 15.- Embarcation selon les revendications 10 et 12, caractérisée en ce que l'arbre de commande (6) est réglable en hauteur par rapport au levier (3) par un empilement de rondelles (18) montées sur l'axe (19). 16.- Embarcation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le bâtisupport (1), la coque principale (2),le flotteur (3) et la plate-forme (26) sont dissymétriques par rapport à un plan vertical longitudinal passant par le milieu de leur largeur.