Brevet FR2643329A1 — publié le 19900824

V O I L E- U N I V E R S E L L E A U T O M A T I Q U E DE FINITION C'est une voile épaisse, de Surface réductible, à profil auto-inversable, a incidence automatique modulable, à vrillage automatique, de haut rendement. PRINCIPE La voile universelle automatique est composée de deux plis maintenus séparés par des entretoises. L'entretoise inférieure est fixée à un balestron, l'entretoise supérieure à une tétière R E D U C T I B I L I T E Toutes les entretoises, sauf l'inférieure peuvent coulisser le long du mat ou le long de cables tendus entre la tétiêre et le balestron, et sont entrainées, pour la réduction de voilure, par un cable souple, bloqué au niveau de chaque entretoise lors de l'affalement de la voile, ce blocage se libérant lors du contact de chaque entretoise avec 1'entretoi- se immédiatement inférieure, et également lors du hissage de la voile PROFIL AUTO - VARIABLE Le profil de la voile est déterminé par les entretoises qui ont, au repos, un profil fuselé.Chaque entretoise est composée de cinq éléments - Un élément de base, qui peut être de forme rectangulaire - A une de ses extrémités est articulé un secteur de cercle - A l'autre extrémité est articulé un élément de forme triangu laire Deux lattes sont fixées, par une extrémité, au secteur circu laire, et par l'autre à l'angle aigu de la pièce triangulaire. Ces deux lattes déterminent le profil, par leur élasticité. Elles ont une épaisseur décroissant de l'arrière vers l'avant. Sous la pression du vent, la latte au vent, comprimée par la toile, s'aplatit, et en s'allongeant, fait pivoter le secteur de cercle. La latte sous le vent soit ses extrémités se rappro cher, et l'extrado de la voile étant en dépres6ion, elle s'arron dit en donnant à la voile un profil d'extrado d'aile d'avion. En cas de virement de bord, le profil s'inverse automatiquement. I N C I D E N C E A U T O M A T I Q U E La voile est articulée autour d'un axe vertical, qui peut hêtre le mat, passant par la tétiere et le balestron, de façon qu'un quart à un tiers de la surface totale soit en avant de cet axe (à la façon d'un gouvernail compensé). L'incidence par rapport au vent appatent est déterminée par un plan vertical, orientable, situé à la partie arrière du balestron, à une certaine distance de la voile. L'orientation dans le vent de ce plan permet à la voile de garder automatiquement l'incidence choisie par rapport au vent apparent, sans aucune autre manipulation, quelle que soit l'allure et la direction du bateau. La possibilité d'agir à tout instant par une commande simple, sur l'orientation du plan vertical permet d'adapter instantanément l'incidence de la voile à la force du vent, à l'allure du bateau, en fonction de la gite, ou de la vitesse désirée. Elle permet également de changer l'intrado en extrado au virement de bord. V R I L L A G E A U T O M A T I Q U E L'axe de pivotement passe par l'avant de la tétière, alors qu'il passe environ aux 2/5ème de l'avant du balestron. La différence des centres de poussée au niveau de chaque entretoise entraînera un vrillage de la voile, permettant à chaque point de la voile de s'adapter aux différences dtangles entraînées par les différences de vitesses du vent en fonction de la hauteur par rapport au plan d'eau. H A U T R E N D E M E N T Le rapport largeur moyenne de la voile sur la longueur est voisin de0,20,allongement qui permet un excellent rendement aux angles utilisés. Le profil choisi donne un coefficient de portance de 1,58 (il est de 1,42 pour une voile normale) à un angle d'incidence de 18 , alors que le coefficient de trainée est de 0,18. A un angle d'incidence voisin de 00, le coefficient de portance est encore de 0,40, alors qu'une voile normale fasseye entre 60 et 0 . L'automatisme de l'incidence, et celui du vrillage de la voile, permettent d'utiliser la voile à son meilleur rendement en permanence, en s'adaptant instantanément, et sans la nécessité d'aucune intervention extérieure, à la direction du vent apparent, qui est le vent moteur. Cette adaptation, avec une voile normale n'est possible que sur une planche à voile, qui nécessite l'intervention du véliplanchiste dont ''action est primordiale, et fait la différence entre deux :até- riels identiques. CALCULS Une voile, orientée dans le vent, engendre une force perpendiculaire a la direction du vent, qui est la portance, et une force parallèle et de même sens qui est la trainée. Lorsqu'un voilier se déplace, le vent agissant sur la voile est le vent apparent, résultant du vent vrai, et du vent engendré par le déplacement du bateau. Sur un voilier : - La portance de la voile comporte une composante orientée vers l'avant, qui est la force propulsive Fpr, et une composante perpendiculaire à la précédente qui est une force latérale tendant à faire dériver et gîter le bateau Flp. La traînée comporte une composante orientée vers l'arrière, opposée à la force propulsive, résistante à@l'avancement, Ft, et une composante perpendiculaire à la précédente, qui tent également à faire dériver et gîter le bateau, Flt. - La force propulsive résultante Fp est la différence entre la force propulsive Fpr et la force résistante Ft F p = Fpr - Ft - La force latérale résultante Fl est la somme de la composante latérale de la trainée Flt F1 = Flp + Flt Pour un profil d'aile donné, si lfon appelle&alpha;;l'angle du vent vrai avec la direction du bateau, et et ss l'angle du vent apparent avec la direction du bateau, Ct le coefficient de traînée, les forces Fp et Fl répondent aux formules Dans lesquelles Vv = Vitesse du vent Vb = Vitesse du bateau S = Surface de la voile -Masse volumique de l'air Cp = Coefficient de portance Ct = Coefficient de traînée Dans le cas ou le vent vrai a une direction perpendiculaire à celle du bateau (largue),&alpha; = 90 Cos &alpha; = 0 Sin&alpha;; = 1 , et la formule devient Fp = 1/2 # S (Vv2 + Vb2) (C# sinss- Ct cos ss) Fl = 1/2 # S (Vv2 + Vb2@)) (C#Cosss+ Ct sin ss) Pour le profil pris comme exemple - L'angle d'incidence max. avant décrochage est i = 180 pour lequel ( C #=1,58 ( ct = 0,18 - L'angle d'incidence min. est i = 0 Dans ce cas,on a ( C#= 0,40 ( Ct = 0,02 ON PEUT ETABLIR LE TABLEAU SUIVANT EXEMPLES : 1 ) GRANDS VOILIERS De grands voiliers de plus de 4 000T@, portant environ 5000 m2 de voiles classiques,.ont pu atteindre 21 noeuds. La nécessité d'un équipage nombreux pour manoeuvrer ces voiles, couplée à l'obligation de 3 bordées de 8 H chacune,a entrainé leur disparition, du fait de la perte de leur rentabilité. Un voilier équipé de 5000 m2 de voiles selon le modèle étudié, ne nécessitant- qu'un équipage comparable à un navire à moteur, pourrait naviguer à 20 noeuds au largue, avec un vent de 10 m/s, la puissance développée à cette vitesse équivalent à 6700 CV. Au grand largue à 135 , la puissance développée serait équivalente à 2150 cv. Au près à 45 , elle serait équivalente à 4050 cv. Par rapport à un navire à moteur de 6700 cv, cela équivaudrait à une économie de combustible de 1260 kg à l'heure a-c largue, 387 kg au grand largue, et 729 kg au près. Une traversée de l'Atläntique Nord : 6500 km à 10 m/s (19,43 noeuds) avec 2 jours de largue, 1 jour de près, 2 jours de grand largue, et 2 jours de calme, entraînerait, par rapport à un navire à moteur identique, une économie de combustible de 96,552 tonnes de combustible. 2 ) NAVIRES DE COMMERCE Il est possible d'installer 5 000 m2 de voiles du type ci-dessus, qui ne nécessitent aucune écoute, aucun winche, aucune manoeuvre, le couple latéral sur un tel bâtiment n'ayant que peu d'importance, et pouvant facilement être compensé par un ballastage. A une vitesse de 10 m/s, soit environ 20 noeuds, la puissance développée par un vent de 10 m/s par le travers serait équivalente à 6700 cv. Cela équivaudrait à une économie de combustible de 1260 kg à l'heure. Une traversée de 10 jours entraînerait une économie de plus de 289 tonnes, et un voyage de 1 mois : 868 tonnes. 30) ENGINS DE SPORT Une telle voile peut être montée sur un engin de sport tres rapide : Soit un foiler de 10 m, muni d'ailes en W de 7 m de long les extrémités des ailes inclinées à 45 , pouvant avoir leur incidence modifiée de façon à créer un couple anti-gite, de surface portante = 4,5 m2, skipper compris, est de 280 kg Le profil en aile d'avion des foils, étudiés ici, donne une portance positive à 00, avec un coeffictent de portance de 0,40 et un coefficient de traînée de O,Q2; Un tel engin déjaugera à 1,75 m/s ; la résistance totale des foils étant alors de 173 Newtons ne variera plus ensuite, la résistance augmentant comme le carré de la vitesse, alors que la surface diminue comme ce mEme carré. La résistance aérienne étant de 0,15 V2, la résistance totale de l'engin à 30 m/s (108 -kn/h) sera de 308 Newtons. Doté d'une voile, fabriquée selon la technique objet du brevet, de 8 m2, dont le centre de poussée est à 3,30 m de la surface de l'eau, la force propulsive avec un vent de 10 m/s, et à une incidence de 00 (C# = 0,40) serait de 352 Newtons à la vitesse de 30 m/s ; la poussée latérale serait alors de 4065 Newtons. Le couple de redressement statique étant de 15 795 N, on disposerait d'un facteur de sécurité de 3,88. La force propulsive, supérieure à la résistance et augmentant avec la vitesse permettrait d'atteindre 40 m/s toujours à l'incidence de 0 , et en augmentant légèrement cette incidence, il serait possible d'atteindre 6Q m/s, avec une poussée latérale qui passerait à 17 872 N > supérieure au couple de redressement statique ; mais cette différence pourrait être très facilement compensée par une augmentation de l'incidence des extrémités des foils de 5,5 . PAR COMPARAISON Objectif 100" de Lionel Péan, engin de 10 m de long, large de 10, pesant 400 Kg avec skipper, muni de foins d'une surface totale &num; 0,60 m2, et dont la surface totale des appendices immergés est d'environ 2 m2, avec une résistance aérienne également de 0,15 V2 est muni d'une voile rigide, inclinée à 45 , de 19,8 m2, pivotante. L'engin déjaugera à 5,71 m/s, et la résistance des appendices immergés sera alors de 654 Newtons3 constante avec l'augmentation de la vitesse, mais ici compte non tenu de l'allègement du à la voile. A la vitesse de 30 m/s, la portance de la voile, avec un vent de 10 m/s est de 871 Newtons, ce qui entraîne un allègeaent de l'engin de 615 Newtons, et ramène la résistance, surfaces immergées de 654 à 551 Newtons. La résistance aérienne étant de 135 N., la résistance totale est de 686 N. A une incidence de 0 , la force propulsive de la voile, diminuée de sa résistance propre à l'avancement, est de 560 N., donc insuffisante pour atteindre 30 m/s. En augmentant l'incidence jusqu'à 2 , la force propulsive passe à 676 N., l'allègement passe à 743 N. et ramène la résistance totale à 665 N.; il est donc possible de dépasser les 30 m/s. Le couple de chavirement est à cette vitesse de 14 488 N. et le couple de redressement statique de 31.489 N donne un facteur de sécurité de 2,17. En augmentant encore l'incidence, il serait possible d'atteindre 44,92 m/s, mais à l'extrême limite du chavirage. I1 est à noter que des vitesses de 60 m/s ou^44,92 m/s sont des possibilités théoriques, mais non inconcevable. Avec la voile objet du brevet, 60 m/s peuvent être atteints avec des moyens mécaniques simples, et une sécurité notable. Avec l'engin de Lionel Péan, 44,92 m/s peuvent être atteints en faisant intervenir des éléments de très hautentechnologie, ordinateur avec au moins 10 paramètres à contrôler, machinerie hydraulique très sophistiquée et lourde, à un prix très élevé, et une sécurité limite. R E V E N D I C A T I O N S R E V E N D I C A T I O N Nc 1 Caractérisée en ce que la voile souple, telle que décrite, entoure le mat qui lui sert d'axe vertical, le profil du plan vertical arrière est fuselé et symétrique pour les application les plus sportives : engins de record, bateaux de course, chars à voile, tratneau à voile. R -E V E N.,D I z C A T I O N N 2 Caractérisée en ce que la voile entoure également le mat, mais le profil ç. du plan vertical arrière est lui-même auto-variable, de façon à assurer une stabilité d'incidence plus grande pour les bateaux de croisière et surtout les monocoques, de façon à diminuer les variations d'incidence dues au roulis. R E V E N D I C A T I O N N 3 Caractérisée en ce que la voile est articulée sur un cable tendu entre deux cables horizontaux allant d'un mat arrière à un mat avant, sur un navire de commerce par exemple, de façon à pouvoir titre montée en tandem avec d'autres voiles, de façon à offrir le plus de surface possible au vent sans encombrer le pont des mats supplémentaires. Les balestrons de chaque voile sont rendus solidaires d'un balestron unique sur le mat arrière, portant un seul plan vertical important qui assure l'orientation de toutes les voiles. R E V E N D I C A T I O N N 4 Caractérisée en ce que chaque voile est enverguée sur des mats différents mais peut avoir son incidence déterminée par un seul plan vertical arrière, important, et à profil auto-variable, commandant toutes les voiles ; pour des navires propulsés principalement à la voile, à plusieurs mats, ketch, goélette, bateaux de pêche, grands voiliers à trois, quatre ou cinq mats. { S o m o x x e sw O s Do b t? = X X1o w - E o o o "Y \ 0 Fp ? re t to o o t e Y E w w k w s s ruzv Ff L) S f 6\ rl o r 6 R, c3 m 'G 'd O oOto;\r--h-"--o; 'a G b c3 3 9, 6 CC1 b Do 10 (?: Y 3 O,5 Y iJ;r 16 ro rr. n. 6 CII iS A S o 6 N tw + ?tt + s ^ t I d YI IO O Ib C N s F e S ç tq X v t b k k 1o:ç 1k3 o ^ s Iaoc o -s S 2 F o o t o -c oo .'1 2' 13 N 3,o Q K{t 6 e ; CC % 3,O so N vrai r > tt ço l E o o o o o q t o O 1 o rr t, o s t-nJ ooo t o to ?6O 314 ?S ?,1s \ =L-. t k ?' > Coc 33 . ? e,i B cL. h Loeoar, 9 .- s + t 6 o % W f tS . u N i q o Lc ~ ?ii s a r o k Y L4 La F orl CE '' P rc n( Op 'tv /t tJu 6 > o - cz z g - t r > r QF + u es t E W wf ' ò 'ee r + Llt- o O t ts Ao w t I v rE tn ~ X t1 Pq O o sv o k v g O rs s %W t b e s b z \n I k v x K en s W. 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