Brevet FR2627449A1 — publié le 19890825

Voilier muni d'un dispositif de sustentation et anti-gîte La présente invention concerne le domaine de la construction des bateaux à voiles, et a pour objet un voilier muni d'un dispositif de sustentation et anti- gîte. Actuellement, avec les-voiliers classiques de type mono- ou multicoques, la poussée aérodynamique du vent sur les voiles est sensiblement normale à ces der- nières et généralement fortement oblique par rapport à l'axe du bateau, de sorte qu'est créé un couple de gîte sous le vent très important devant être équilibré par le couple des forces de poids dans lequel entre en ligne de compte le poids du bateau, le poids de la quille, sou- vent très lourde, et le poids des passagers qui sont parfois placés en rappel. Sous l'effet de ces différents poids et de la composante verticale de la poussée aéro- dynamique sur les voiles, la ou les coques ont tendance à s'enfoncer dans l'eau, de sorte qu'en tous cas un im- portant volume de carène est immergé, ayant pour conse- quence une trainée hydrodynamique formant le principal frein à l'avancement du bateau. En outre, tout accroissement de la poussée aérodynamique a pour effet une augmentation correspon- dante de la vitesse et entraîne une obligation d'augmen- ter de manière correspondante les poids de rappel anti- gîte. L'accroissement de la trainée hydrodynamique s'effectue alors pour deux raisons, à savoir, du fait de l'accroissement de la vitesse, et de celui du volume de carène, ce qui a pour conséquence que le gain réel de vitesse en déplacement est relativement faible en compa- raison de l'accroissement de la poussée aérodynamique. Pour obvier à ces inconvénients, il a été pro- posé de remplacer les voiles fixées habituellement au mât des voiliers par des gréements en forme d'ailes montés en tête de mât et manoeuvrables à partir du pont au moyen de cordages. Ces gréements ont pour but d'assurer simultanément la propulsion et d'agir sur le gîte d'un bateau et donc de limiter le poids de la quille, mais réalisent un report des forces agissant sur le mât en tête de ce dernier, de sorte que sa section doit être maintenue très forte, notamment au niveau de son encastrement sur le pont. En outre, ces gréements ne permettent pas de réduire de manière importante le volume de carène immergé et la traînée hydrodynamique. La présente invention a pour but de pallier tous ces inconvénients en assurant une quasi suppression du volume de carène immergé, et donc de la traînée, tout en compensant le couple de gîte, de manière à réaliser un allègement considérable du voilier qui peut évoluer alors à grande vitesse en planant à la surface ou au- dessus de la surface de l'eau selon la force du vent. Elle a, en effet, pour objet un voilier mono- ou multicoques pourvu d'au moins un mât de fixation d'une ou de plusieurs voiles, d'une dérive et d'un gou- vernail, caractérisé en ce qu'il est muni d'un disposi- tif de sustentation et anti-gîte relié à la tête du mât avec possibilité de pivotement limitée autour de cette dernière. L'invention sera mieux comprise grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non li- mitatifs, et expliqués avec référence aux dessins sché- matiques annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue en élévation frontale d'un voilier conforme à l'invention; la figure 2 est une vue en élévation latérale du voilier suivant la figure 1; la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 1 d'une variante de réalisation de l'invention, et la figure 4 est une vue analogue à la figure 2 du voilier suivant la figure 3. Conformément à l'invention et comme le mon- trent plus particulièrement, à titre d'exemple, les figures 1 et 2 des dessins annexés, le voilier, du type catamaran, qui est pourvu d'un mât 1 de fixation d'une ou de plusieurs voiles 2, d'une dérive 3 et d'un gouvernail 4, est muni d'un dispositif de sustentation et anti-gite 5 relié à la tête du mât 1 avec possibilité de pivotement limitée autour de cette dernière. Le dispositif de sustentation et anti-gite 5 est avantageusement constitué sous forme d'une aile reliée à la tête du mât 1 au moyen d'un bras 6 solidaire à une extrémité de l'infrastructure de l'aile et pourvu à son autre extrémité d'une tête pivotante coopérant avec un logement de forme correspondante de la tête du mât 1 à la manière d'une rotule, le logement réalisant une limitation dudit pivotement du bras 6 autour de trois axes orthogonaux passant sur la tête du mât 1. Conformément à une caractéristique de l'inven- tion, le dispositif de sustentation ou aile 5, est pour- vu sur la partie arrière de son intrados d'un ensemble dérive 7 gouvernail 8. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, le dispositif de sustentation ou aile 5 est muni sur son bord de fuite arrière de deux volets réglables 9 de profondeur et d'inclinaison. Le pivotement du bras 6 dans le logement de la tête du mât 1 peut également être commandé au moyen de câbles (non représentés) reliés, d'une part, aux extré- mités de l'aile 5 et, d'autre part, à des moyens d'ac- tionnement mécanique, électro-mécanique ou autre, prévus sur le pont du voilier. Ces moyens d'actionnement peu- vent être constitués par des treuils mécaniques ou électro-mécaniques, ou encore par des vérins mécaniques, hydrauliques ou pneumatiques à actionnement manuel ou motorisé.Grâce à ces modes de réalisation, le bras 6 et l'aile 5 sont articulés à la tête du mât 1 suivant trois axes orthogonaux permettant leur orientation dans toutes les directions utiles, à savoir une rotation complète autour de l'axe du mât 1 permettant à l'aile ou dispositif 5 de se placer nez au vent à-la manière d'une girouette, cet alignement étant assuré par la poussée du vent sur l'intrados de l'aile 5 et sur son plan de dé- rive 7 - gouvernail 8, une inclinaison à gauche ou à droite pouvant aller jusqu'à 90 par rapport à l'axe du mât 1, entraînant l'inclinaison Cl de l'aile 5, pa'r action sur les câbles correspondants reliés à l'aile 5 ou sur les volets 9 et une inclinaison par rapport au sens d'avancement du voilier, créant l'angle d'attaqueT de l'aile 5 par rapport au vent relatif horizontal VR, également par action sur les volets 9 ou sur des câbles correspondants reliés à l'aile 5. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, le bras 6 est fixé à l'aile 5 sur l'axe longitudi- nal 10 de cette dernière en un point T réglable sur le- dit axe 10, ce point T étant situé en avant des centres de gravité et de poussée de l'ailé 5. Ainsi, il est as- suré que l'aile 5 se présentera en toutes circonstances le nez au vent et avec son intrados tourné vers le mât 1. La commande des mouvements du gouvernail 8 et des volets 9 est avantageusement réalisée au moyen de tringles 11 qui sont actionnées par des moteurs linéai- res tels que des vérins 12 électriques ou pneumatiques, commandés à partir du pont au moyen d'un boîtier à mani- pulateur du type "manche à balai" agissant sur un rhéo- stat ou sur un distributeur pneumatique et dont l'éner- gie est fournie par une batterie montée sur le pont ou par une centrale d'air sous pression, la commande de cette dernière ou l'alimentation électrique de la batte- rie étant réalisée au moyen d'une hélice hydraulique, ou au moyen d'une turbine alimentée par un orifice prévu sur le bord d'attaque de la dérive 3, actionnant une dy- namo ou un alternateur ou un compresseur. Du fait des vitesses pouvant être atteintes au moyen du voilier conforme à l'invention, l'emploi d'une dynamo ou d'un alternateur ou encore d'un compresseur, actionné par une hélice hydraulique ou par une turbine est rendu possible et permet l'utilisation d'une source d'énergie gratuite capable de subvenir à tous les be- soins en énergie. - L'inclinaison de l'aile 5, d'une part, d'un angle O0 du côté au vent et, d'autre part, d'un angle d'attaque. par rapport au vent relatif horizontal VR induit une résultante de poussée aérodynamique FA sur l'aile 5 qui est proche de l'axe du bras 6. Cette der- nière a deux effets très importants sur le bateau, à sa- voir, d'une part, un effet de sustentation et, d'autre part, un effet de couple d'équilibrage anti-gite. La sustentation est obtenue sous l'effet de la composante verticale de la poussée aérodynamique FA qui compense les forces verticales orientées vers le bas, à savoir le poids du voilier, et la composante verticale de la poussée sur les voiles FV, de sorte que le voilier a tendance à être tiré hors de l'eau dans le sens du mât 1 au niveau de la liaison de la tête dudit mât 1 avec le bras 6 solidaire de l'aile 5. Ainsi, le réglage de l'an- gle d'attaque T entraîne un changement d'altitude du voilier qui a pour effet de soulever sa carène hors de l'eau. Le couple d'équilibrage antigîte est obtenu par l'action de la poussée aérodynamique FA sur l'aile 5 sous forme d'une force agissant sur la tête du mât 1 créant un couple de rappel qui équilibre les couples de gîte autour d'un point D de la dérive 3, dus à l'action du vent sur la ou les voiles 2, de sorte que l'inclinai- son du mât est stabilisée. Un couple anti-gîte impor- tant peut être obtenu avec une force de poussée aérody- namique FA relativement faible par utilisation d'un mât de longueur importante, le mât formant le bras de le- vier. Ainsi, l'ensemble conforme à l'invention est stable et la trainée hydraulique, qui était le frein principal au déplacement, est très fortement réduite. En effet, en conditions normales de progression le seul vo- lume immergé du voilier reste celui de la dérive 3 et du gouvernail 4, ce qui se réduit à une surface très faible, quasiment plane et très fine, et avançant sur tranche, à la manière d'une lame de couteau. Il en résulte que le voilier ainsi constitué avance en planant au-dessus de l'eau à une vitesse très supérieure à celle des voiliers correspondants de type classique et cette vitesse est plusieurs fois supérieure à celle du vent absolu. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, le gouvernail 4 est muni, près de son ex- trémité inférieure, d'une ailette stabilisatrice 13 mon- tée de manière fixe sur ledit gouvernail 4. Une telle ailette permet d'assurer une stabilité horizontale de l'axe du voilier dans son plan de symétrie. Cette ailet- te est avantageusement montée sensiblement parallèle au pont. Il est également possible de rendre l'ailette sta- bilisatrice 13 réglable en inclinaison par rapport au pont du voilier, par montage au moyen d'un axe de pivo- tement sur le gouvernail 4 et actionnement manuel au moyen d'une tringle pouvant être bloquée en position ou actionnement asservi hydrauliquement, mécaniquement ou électriquement au moyen d'un ensemble de commande cen- tralisé. Lorsque les couples de rotation exercés dans le plan de symétrie du voilier sont équilibrés, ce der- nier ne prend pas d'assiette par rapport à l'horizontale et l'ailette stabilisatrice 13 n'a pas d'effet autre qu'une faible trainée. A la rupture de l'équilibre de ces couples, le voilier prend une assiette positive ou négative, de même que l'ailette stabilisatrice 13 qui devient porteuse, de sorte que sa portance hydrodynami- que crée un couple de rééquilibrage tendant à réduire l'assiette. Ce couple stabilisateur est important, car le bras de levier par rapport au centre de gravité du voilier est important, de même que la portance à grande vitesse dès que l'assiette apparaît. Pratiquement, le voilier sera construit afin que les couples aéro - et hydrodynamiques en cause soient proches de l'équilibre sans l'action de l'ailette stabilisatrice 13. Par ailleurs, la possibilité éven- tuelle de régler l'assiette de l'ailette 13 par rapport au plan du pont permet d'optimiser l'équilibre entre les couples à tout moment et donc d'optimiser les performan- ces du voilier, assurant ainsi à son axe une stabilité proche de l'horizontale. Le réglage de l'altitude du voilier par rap- port au plan d'eau s'effectue par modification des in- clinaisons CX et / de l'aile 5, soit au moyen de câbles agissant sur les extrémités de cette dernière afin de réaliser les pivotements désirés, soit par action sur les volets réglables 9 de profondeur et d'inclinaison. Ce réglage des inclinaisons 0L et T permet également d'agir sur l'inclinaisont du mât 1. Il est ainsi possi- ble, en particulier, de maintenir le mât 1 à la vertica- le, c'est-à-dire avec un angle = 0 ou, dans le cas de vent faible, de réaliser une inclinaison du mât 1 au vent, c'est-à-dire avec un angle e négatif, la ou les voiles 2 contribuant alors à la sustentation. Le décollage de la carène hors de l'eau est réalisé pour des vitesses de vent supérieures à une vi- tesse minimale qui dépend, d'une part, de la surface de l'aile 5 et, d'autre part, de la surface des voiles 2 de propulsion et du poids total du voilier. Ainsi,- la vi- tesse minimale du vent permettant de soulever la carène hors de l'eau s'établira entre 7 et 15 noeuds, condition souvent réalisée en pratique. Dans le cas de vitesse de vent inférieure à ce seuil minimal, un décollage complet n'est pas possible mais, cependant, l'aile 5 continue à remplir son effet d'allègement du voilier et de contri- bution à l'équilibrage en gîte, de sorte que, par rap- port à un voilier classique de même type et à force de vent identique, l'appui éventuel sur le flotteur au vent et, en tous cas, le gîte sont considérablement réduits. La navigation au ras de l'eau d'un voilier conforme à l'invention s'effectue donc avec des vents beaucoup plus faibles que pour les voiliers classiques et ce mode de navigation très rapide précède le décolla- ge complet intervenant dès que la vitesse du vent dépas- se la vitesse minimale requise. La dérive 3 est avantageusement sous forme d'une plaque de faible épaisseur, à section frontale se réduisant en direction du pied et à haute limite élasti- que, fixée rigidement sous le pont, avec possibilité de glissement vertical, et étayée par rapport au pont au moyen de tirants 14 fixés au puit de dérive. Cette dérive 3 permet, comme sur les voiliers classiques, de limiter la dérive du bateau par appui sur l'eau, mais, cependantla poussée antidérive FD qu'elle supporte est fortement augmentée. Le matériau constitutif de la dérive 3 pourra être, par exemple, de l'aluminium et sa section frontale particulière, diminuant en direction du pied, est adapté à la variation du moment de flexion de manière à réduire le poids de la dérive. En outre, elle présente avantageusement une hauteur plus grande que la largeur afin de maintenir une surface d'appui immergée suffisante en eaux agitées ou en cas de variations d'altitude. Enfin, la possibilité de glissement vertical de la dérive 3 dans son encastrement sous le pont du voilier permet son réglage en hauteur en fonction des conditions de navigation ainsi que son escamotage com- plet en position de garage et de transport. Il en est de même pour le gouvernail 4 par glissement vertical le long de son axe d'orientation. Les autres éléments du voilier conforme à l'invention sont, dans leur principe, semblables à ceux d'un voilier classique de type correspondant. Cependant, leurs caractéristiques techniques sont sensiblement modifiées. En effet, la poussée anti-gite FA crée au sommet du mât 1 un appui sous le vent qui n'existe pas sur les voiliers classiques, de sorte que le hauban au vent 15 n'est plus sous tension et que, à force de gîte FV égale, le mât l est moins sollicité en flexion que sur un voilier classique et peut donc être plus léger. Ce dernier avantage peut être mis à profit pour optimiser les mâts, c'està-dire pour utiliser des mâts plus hauts afin d'augmenter la force de propulsion FV et donc la vitesse. Le hauban sous le vent 16 est sous tension modérée pour éviter la rotation de la carène ou du châssis du voilier autour du pied du mât sous l'effet de la poussée antidérive FD. Du fait que la vitesse, atteinte avec le voi- lier conforme à l'invention, correspond le plus souvent à un vent relatif VR proche de l'avant du bateau, les voiles 2 sont proches du plan de symétrie du bateau et peuvent se gêner. Afin de pallier cet inconvénient, le foc pourra être de largeur réduite afin d'éloigner son bord de fuite de la grand voile. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, et comme le montre la figure 1, dans le cas d'un voilier présentant une carène multicoques, les flotteurs 17 de cette dernière sont avantageusement mon- tés sur des bras télescopiques 18 réglables en extension par rapport au pont ou à la carène centrale, de manière fixe ou en continu, au moyen de boulons d'assemblage ou au moyen de moteurs linéaires. Ainsi, les flotteurs 17 peuvent être rapprochés à une distance minimale de la carène centrale ou du pont en position de garage ou de transport et peuvent être écartés en position d'utili- sation, cet écartement pouvant éventuellement varier en cours d'utilisation afin d'optimiser le rendement du voilier. Les figures 3 et 4 représentent une variante de réalisation de l'invention dans laquelle les voiles 2 sont remplacées par des ailes rigides 19 mobiles autour de mâts intégrés, ces ailes 19 étant éloignées l'une de l'autre afin de recevoir des flux aériens indépendants, le dispositif de sustentation 5 étant articulé sur un châssis 20 en un point 21 formant le barycentre aéro- dynamique des sommets des mâts des ailes 19. Dans le mode de réalisation représenté, le voilier est sous for- me d'un catamaran dont les flotteurs 22 ne jouent leur rôle de carène que dans les phases de décollage et d'amerrissage, c'est-à-dire à faible vitesse. En outre, au cours de ces deux phases, l'appui sur le flotteur sous le vent est réduit grâce à l'influence de l'aile 5, les flotteurs 22 et les balanciers 23 les reliant au châssis 24 sont soumis à des efforts beaucoup plus faibles que sur les multicoques classiques et peuvent donc être considérablement allégés, ce qui contribue encore à la réduction du poids total. Les flotteurs 22 peuvent être constitués par des matériaux très légers, tels que, par exemple, de simples cylindres gonflables munis d'embouts aérodynami- ques et les balanciers 23 de faibles poids et section peuvent être coulissants sous le châssis 24 en vue du réglage de l'envergure. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, afin d'optimiser les performances du voilier, les mâts des ailes 19 sont avantageusement montées sur des bras transversaux logés de manière télescopique dans le châssis 20 de liaison à l'aile 5 et dans des traverses solidaires du châssis 24, lesdits bras transversaux étant déplaçables et réglables en écartement au moyen d'ensembles pignon - crémaillère ou de vérins. Grâce à l'invention, il est possible de réali- ser un voilier capable d'atteindre de grandes vitesses au niveau et, en particulier, au-dessus de l'eau par utilisation du principe de propulsion par la pression aérodynamique du vent sur un système de voiles ou d'ai- les portées par un ou plusieurs mâts verticaux combiné avec une aile aérienne orientable fixée en tête de mât et créant simultanément des effets de sustentation et de couple anti-g te permettant au bateau de s'élever, dans un premier temps, à la surface de l'eau, puis d'accélé- rer et de décoller au-dessus du niveau de l'eau pour na- viguer ensuite en sustentation équilibrée avec une sup- pression quasi totale de la trainée hydrodynamique de carène. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux des- sins annexés. Des modifications restent possibles, no- tamment du point de vue de la constitution des divers éléments, ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. R E V E ND I C A T I ON S 1. Voilier mono - ou multicoques pourvu d'au moins un mât (1) de fixation d'une ou de plusieurs voi- les (2), d'une dérive (3) et d'un gouvernail (4), carac- térisé en ce qu'il est muni d'un dispositif de sustenta- tion et anti-gîte (5) relié à la tête du mât (1) avec possibilité de pivotement limitée autour de cette dernière. 2. Voilier, suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que le dispositif de sustentation et anti- gîte (5) est avantageusement constitué sous forme d'une aile reliée à la tête du mât (1) au moyen d'un bras (6) solidaire à une extrémité de l'infrastructure de l'aile et pourvu à son autre extrémité d'une tête pivotante coopérant avec un logement de forme correspondante de la tête du mât (1) à la manière d'une rotule, le logement réalisant une limitation dudit pivotement du bras (6) autour de trois axes orthogonaux passant par le sommet du mât (1). 3. Voilier, suivant l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de sustentation ou aile (5), est pourvu sur la partie arrière de son intrados d'un ensemble dérive (7) - gouvernail (8). 4. Voilier, suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de sustentation ou aile (5) est muni sur son bord de fuite arrière de deux volets réglables (9) de profondeur et d'inclinaison permettant les orientations de l'aile (5). 5. Voilier, suivant l'une quelconque des re- vendications 3 et 4, caractérisé en ce que la commande des mouvements du gouvernail (8) et des volets (9) est avantageusement réalisée au moyen de tringles (11) qui sont actionnées par des moteurs linéaires tels que des vérins (12) électriques ou pneumatiques, commandés à partir du pont au moyen d'un boîtier à manipulateur du type "manche à balai" agissant sur un rhéostat ou sur un distributeur pneumatique et dont l'énergie est fournie par une batterie montée sur le pont ou par une centrale d'air sous pression, la commande de cette dernière ou l'alimentation électrique de la batterie étant réalisée au moyen d'une hélice hydraulique, ou au moyen d'une turbine alimentée par un orifice- prévu sur le bord d'attaque de la dérive (3), actionnant une dynamo ou un alternateur ou un compresseur. 6. Voilier, suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le pivotement du bras (6) dans le logement de la tête du mât (1) est commandé au moyen de câbles reliés, d'une part, aux extrémités de l'aile (5) et, d'autre part, à des moyens d'actionnement mécanique, électro-mécanique ou autre, prévus sur le pont du voi- lier. 7. Voilier, suivant l'une quelconque des revendications 2 et 6, caractérisé en ce que le bras (6) est fixé à l'aile (5) sur l'axe longitudinal (10) de cette dernière en un point T réglable sur ledit axe (10), ce point T étant situé en avant des centres de gravité et de poussée de l'aile 5. 8. Voilier, suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que le gouvernail (4) est muni, près de son extrémité inférieure, d'une ailette stabilisatrice (13) montée de manière fixe sur ledit gouvernail (4). 9. Voilier, suivant la revendication 8, carac- térisé en ce que l'ailette stabilisatrice (13) est ré- glable en inclinaison par rapport au pont du voilier, par montage au moyen d'un axe de pivotement sur le gou- vernail (4) et actionnement manuel au moyen d'une trin- gle pouvant être bloquée en position ou actionnement asservi hydrauliquement, mécaniquement ou électriquement au moyen d'un ensemble de commande centralisé. 10. Voilier, suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la dérive (3) est avantageusement sous forme d'une plaque de faible épaisseur, à section frontale se réduisant en direction du pied et à haute limite élastique, fixée rigidement sous le pont, avec possibilité de glissement vertical, et étayée par rap- port au pont au moyen de tirants (14) fixés au puit de dérive. 11. Voilier, suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 10, caractérisé en ce que, lorsqu'il présente une carène multicoques, les flotteurs (17) de cette dernière sont avantageusement montés sur des bras télescopiques (18) réglables en extension par rapport au pont ou à la carène centrale, de manière fixe ou en con- tinu, au moyen de boulons d'assemblage ou au moyen de moteurs linéaires. 12. Voilier propulsé par des ailes rigides (19) mobiles autour de mâts intégrés, ces ailes (19) étant éloignées l'une de l'autre afin de recevoir des flux aériens indépendants, caractérisé en ce qu'il est pourvu d'un dispositif de sustentation (5) articulé sur un châssis (20) en un point (21) formant le barycentre aérodynamique des sommets des mâts des ailes (19). 13. Voilier, suivant la revendication 12, ca- ractérisé en ce que les mâts des ailes (19) sont avanta- geusement montés sur des bras transversaux logés de ma- nière télescopique dans le châssis '(20) de liaison à l'aile (5) et dans des traverses solidaires du châssis (24), lesdits bras transversaux étant déplaçables et re- glables en écartement au moyen d'ensembles pignon - crémaillère ou de vérins.