Brevet FR2712561A1 — publié le 19950524

SYSTEME DE PROPULSION A VOILE POUR EMBARCATION L'invention a pour objet un système de propulsion à voile destiné à équiper une embarcation. Par le terme "embarcation", on entendra dans la présente description ainsi que dans les revendications qui suivent aussi bien un engin flottant, c'est-à-dire un navire, qu'un engin roulant tel qu'un char à voile. Les objectifs de l'invention sont de proposer un système de propulsion qui satisfasse aux principaux impératifs énoncés ci-après - simplicité de conception et de fabrication - limitation de la dérive de l'embarcation ; - performance de vitesse élevée, quelle que soit l'allure - facilité et précision de la manoeuvre de la voilure - robustesse; - stabilité. Le système de propulsion à voile qui fait l'objet de l'invention comprend un châssis solidaire de l'embarcation et pourvu d'un mât qui supporte une voilure par l'intermédiaire d'un pivot omnidirectionnel, des moyens étant prévus qui permettent à l'usager de l'embarcation de commander et de contrôler les pivotements de la voilure, respectivement - dans un mouvement de roulis par rapport à l'axe longitudinal de l'embarcation - dans un mouvement de tangage par rapport à un axe transversal - dans un mouvement de lacet par rapport à un axe vertical. L'état de la technique en la matière peut être illustré par les documents de brevet FR-A-2 498 554 et FR-A-2 595 655. Le grand intérêt d'une construction de ce genre est de pouvoir orienter la voilure dans pratiquement n'importe quelle position afin de l'adapter au mieux à l'allure, c'est-à-dire aux positions relatives du vent et de la trajectoire de l'embarcation, grâce à la liaison universelle prévue entre la voilure et le mât. Selon FR-A-2 498 554, la voilure est une aile souple du genre delta, alors que selon FR-A-2 595 655, la voilure est une aile épaisse et rigide, du genre aile d'avion. Ce dispositif connu ne donne pas entière satisfaction, dans la mesure où le point vélique de la voilure, c'est-à-dire la zone où s'applique la résultante des forces dues au vent qui agit sur la voile, se trouve en arrière du pivot omnidirectionnel. Ainsi, à chaque fois que la voilure est inclinée latéralement par rapport à l'axe longitudinal médian de l'embarcation, la poussée sur la voile possède une composante qui tend à faire dériver l'embarcation. Il est donc nécessaire d'équiper cette dernière d'un système compensateur, en l'occurence d'une dérive si on a affaire à une embarcation flottante (navire). La présence de cette dérive, cause de frottements dans l'eau, réduit naturellement la vitesse de l'embarcation. Un autre inconvénient des dispositifs connus est que le contrôle de l'ensemble des mouvements de la voilure est réalisé uniquement par des câbles, ou écoutes, rendant la voilure instable et difficilement manoeuvrable. Ceci est d'autant plus vrai que le point vélique est décalé par rapport au point d'attache de la voilure sur le mât, ce qui crée des moments de déséquilibre de la voilure par rapport à ce point d'attache, dont la valeur peut être très élevée. L'invention permet de résoudre ce problème grâce au fait que la voilure est formée d'un cadre périphérique rigide portant une toile mince cintrée et possède un contour oblong, de forme symétrique par rapport à son grand axe, le pivot omnidirectionnel étant positionné sur ce dernier, sensiblement dans la zone du point vélique de la voilure. En raison de la structure et de la forme originales de la voilure, et de la situation sur son grand axe du pivot, on peut orienter convenablement la voilure pour l'adapter efficacement à toutes les conditions d'allure. En jouant plus ou moins sur son inclinaison au tangage, on peut obtenir un effet sustentatoire plus ou moins grand, de manière à faire varier le frottement de l'embarcation par rapport au milieu où il évolue (eau pour un navire, ou sol pour un char à voile). Dans un mode de réalisation préféré du système, les moyens de commande et de contrôle du mouvement de tangage comprennent une tige en arc de cercle dont une extrémité est fixée au bord d'attaque de la voilure et dont le centre de courbure colncide avec le pivot omnidirectionnel, cette tige arquée étant guidée en translation curviligne dans un organe de guidage solidaire du châssis. Ainsi, le contrôle de l'inclinaison de la voilure au tangage, qui se fait par une pièce rigide, confère au système une grande stabilité et facilite les manoeuvres. Par ailleurs, selon un certain nombre de caractéristiques avantageuses, non limitatives de l'invention - cette tige arquée est fixée au bord d'attaque de voilure par une articulation dont l'axe correspond au roulis - l'organe de guidage de la tige arquée est articulé sur le châssis autour d'un axe qui correspond au lacet - cet organe de guidage est une tige pivotante solidaire d'une paire de manchons de guidage dans lesquels peut coulisser la tige arquée - l'axe de pivotement de l'organe de guidage est situé sensiblement à l'aplomb du pivot omnidirectionnel - la voilure est munie d'une tige d'armature transversale dont la partie centrale est reliée au pivot omnidirectionnel, et dont les extrémités sont attachées au cadre périphérique, la voilure étant reliée au niveau de ces points d'attache à une écoute de commande des mouvement de roulis ; - le châssis possède une partie avant portant le mât et une partie arrière apte à recevoir l'usager pour lui permettre de commander et de contrôler l'orientation de la voilure - des moyens amortisseurs sont intercalés entre le châssis et l'embarcation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description et des dessins annexés qui en présentent un mode de réalisation préférentiel. Sur ces dessins - la figure I est une vue schématique, en pespective, d'un bateau à voile équipé d'un système de propulsion conforme à l'invention - la figure 2 est une vue de dessous, toile supposée en grande partie arrachée, de la voilure - les figures 3 et 3A sont des vues en coupe, respectivement longitudinale selon 111-111 et transversale selon IIIA-IIIA, de la voilure de la figure 2 - la figure 4 est un détail montrant un mode de réalisation possible du pivot omnidirectionnel - la figure 5 représente un mode de réalisation possible d'une poulie de renvoi d'écoute - la figure 6 est une vue schématique, coupée par un plan vertical longitudinal de l'embarcation, cette vue permettant de comprendre les différents mouvements possibles de la voilure - les figures 7 à 12 sont des vues schématiques du châssis de l'embarcation et du système de propulsion, les différentes vues illustrant des conditions d'allure différentes pour l'embarcation. L'embarcation 1 représentée à la figure I est un bateau à voile du genre catamaran comprenant deux flotteurs latéraux 10 de forme allongée, dont le grand axe correspond à l'axe longitudinal OX de l'embarcation. L'embarcation comporte un châssis 2 qui est fixé aux flotteurs 10. Ce châssis comprend une partie avant transversale 20, deux éléments longitudinaux 21 et une partie transversale arrière 22, de préférence légèrement inclinée vers l'arrière et vers le haut, à la manière d'un aileron aérodynamique. Ce châssis supporte des éléments non représentés tels qu'une plate-forme et/ou un filet recevant les usagers de l'embarcation, ainsi que différents équipements nécessaires à la navigation. Ces éléments n'ont pas été représentés ici pour ne pas alourdir inutilement la description et les dessins, car il ne font pas à proprement parler partie de l'invention. La partie antérieure 20 du châssis est munie en son centre d'un manchon 31 recevant un mât vertical 3. Des tiges latérales 30 formant un "V" inversé assurent que ce montage possède une résistance mécanique suffisante. Au sommet du mât est prévu un système d'articulation universelle, ou pivot omnidirectionnel, 4 sur lequel est montée la voilure 5. Celle-ci comprend un cadre périphérique 50 ayant une forme allongée, symétrique par rapport à son grand axe AA'. Cette forme est approximativement celle d'une goutte d'eau, bien visible à la figure 2. La dimension transversale de la voilure augmente tout d'abord assez rapidement depuis le bord d'attaque 52 en direction du bord de fuite 53, pour atteindre une valeur maximale, puis décroît plus lentement jusqu'au bord de fuite 53. La forme est choisie pour que la dimension maximale se trouve au niveau du centre vélique de la voilure, ce qui correspond dans l'exemple représenté à un positionnement à peu près au tiers de la longueur de la voilure, côté avant (c'est-à-dire côté bord d'attaque 52). A ce niveau la voilure est équipée d'une tige transversale 55 dont les extrémités sont fixées par des organes de liaison appropriés 551 au cadre 50, et dont la partie centrale porte un organe 550 de montage sur le pivot omnidirectionnel 4. Le cadre périphérique 50 a une forme arquée, dépourvue d'angle vif. De même, les bords d'attaque 52 et de fuite 53 ont des contours arqués qui prolongent la courbure du cadre 50. Ces bords 52 et 53 ont une section mince et profilée en "goutte d'eau", à la manière d'ailerons, comme cela est visible à la figure 3. Le cadre 50 est par exemple une baguette de carbone ou un tube en métal léger. Les parties 52 et 53 sont avantageusement également en carbone ou en alliage léger. Cette armature porte une toile mince cintrée 51, qui est courbée à la fois dans le sens longitudinal et dans le sens transversal comme ceci apparaît clairement à l'observation des figures 3 et 3A. La concavité de la voilure est dirigée vers le bas, et la tige 55 se trouve à l'intérieur de cette concavité, pratiquement dans un plan passant par les éléments 52 et 53. La toile mince 51 est semi-rigide, réalisée en matériau composite chargé de fibres de verre qui assurent son cintrage. De préférence, des bandes de renforcement 54 sont prévues longitudinalement sur les deux côtés de la partie avant de la voilure. La structure de la voilure s'apparente à la toile des cerfs-volants modernes. La figure 4 montre de quelle manière il est possible de réaliser, de manière simple, le pivot omnidirectionnel 4. Dans ce mode de réalisation, le pivot est constitué de deux anneaux 40, 41 entrelacés. L'anneau inférieur est retenu dans un oeillet 30 fixé au sommet du mât 3 ; l'anneau supérieur 41 passe dans une ouverture ménagée dans la pièce d'attache 550 qui est fixée à la tige de voilure 55. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le bord d'attaque 52 de la voilure est fixé, via une pièce de liaison 520, à un pivot 60 monté à l'extrémité d'une tige arquée 6. I1 s'agit d'une tige de section circulaire cintrée selon un arc de cercle dont le centre c & incide avec le pivot 4. La tige en arc de cercle 6 est guidée en translation curviligne dans une paire de manchons 70 portés par une tige 7 qui est montée de manière articulée sous l'élément de châssis avant 20. L'axe d'articulation 71 de la tige 7 a une direction verticale qui colncide avec l'axe du mât 3 elle se trouve donc à l'aplomb du pivot omnidirectionnel 4. Une tige de liaison 63 reliant l'extrémité libre de la tige 6 et le sommet du mât améliore la rigidité et la stabilité de l'ensemble. Bien entendu, l'attache au sommet du mât est également un pivot omnidirectionnel. A la figure 1 on a représenté un repère cartésien OX, OY, OZ, dont l'axe OX correspond à la direction longitudinale d'avance du bateau, l'axe OY à la direction transversale, et l'axe OZ à la direction verticale. On a symbolisé par des doubles flèches, et désigné par les références R, T et L, les mouvements de roulis, de tangage et de lacet, mouvements qui se font respectivement autour des axes OX, OY et OZ. Des moyens de commande de la voilure sont prévus qui permettent à l'usager de l'embarcation de faire pivoter la voilure autour du pivot 4 selon chacun de ces trois mouvements élémentaires. Le mouvement de roulis est obtenu par un câble, ou écoute, 56 dont les extrémités libres sont fixées au point d'ancrage 551 de la tige de voilure transversale 55. L'écoute 56 passe sur des poulies à gorge ou réas 560, prévues aux bords latéraux de la partie de châssis arrière 22. L'écoute 56 passe sur une poulie de renvoi compensatrice 57, qui sera décrite plus loin en référence à la figure 5, et dont le rôle est de permettre de maintenir l'écoute sous une tension pratiquement constante malgré les variations théoriques de sa longueur lorsque l'orientation de la voilure se modifie. Le mouvement de tangage est obtenu en faisant coulisser la tige arquée 6 dans l'organe de guidage 7, dans un sens ou dans l'autre. Ainsi, l'usager peut exercer une traction sur l'extrémité arrière de la tige 6 à l'aide d'un câble 61, de manière à faire descendre le bord d'attaque 52. Sous l'effet du vent, la voilure a normalement tendance à se relever, si bien qu'il suffit à l'usager de relâcher l'effort sur le câble 61 pour qu'automatiquement la voilure se redresse. Toutefois il est possible également de prévoir des moyens de commande positifs, pour le relevage du bord d'attaque 52. Le mouvement de lacet de la voilure est obtenu est faisant pivoter la tige arquée 6, ainsi que l'organe de guidage 7, autour de l'axe 71. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 1, les moyens de commande de ce mouvement consistent en une écoute 62 qui est fixée à l'extrémité arrière de la tige 6 et qui passe sur des réas 520 ; l'un de ceuxci est avantageusement mobile élastiquement pour compenser les variations de longueur de l'écoute, et assurer que cette dernière soit toujours convenablement tendue. On comprend donc que, l'usager de l'embarcation étant placé à l'arrière, sur la partie de châssis 22, il peut commander et contrôler l'orientation de la voilure dans chacun des trois mouvements élémentaires de roulis, de tangage et de lacet. La figure 5 montre un exemple possible de réalisation du compensateur 57. I1 s'agit d'une bobine en forme générale d'hyperbololde de révolution, genre diabolo, creusée d'une gorge hélicoïdale. Elle est portée par un axe (non représenté) monté sur le châssis. Le diamètre de la gorge augmente donc progressivement depuis le centre de la bobine vers l'extérieur, si on se déplace axialement d'une extrémité ou de l'autre de la bobine. L'écoute 56 passe dans la partie centrale de la bobine, à l'intérieur de la gorge. L'évasement de la bobine du centre vers l'extérieur est choisi pour correspondre à la variation de longueur effective de l'écoute 56 au fur et à mesure que la voilure s'incline dans le mouvement de roulis. On obtient ainsi une tension constante, ou pratiquement constante de l'écoute 56, quel que soit son degré d'enroulement sur la bobine. Avantageusement, la bobine peut être motrice et pourvue d'un organe d'actionnement tel qu'une manivelle permettant à l'usager, en faisant tourner la bobine sur elle-même, dans un sens ou dans l'autre, de commander le mouvement de la voilure au roulis. Dans ce cas, la gorge possède de préférence un profil assurant un coincement automatique de l'écoute dans la gorge (section en "V"). Les figures 7 à 12 permettent de comprendre comment, grâce à la présente invention, il est possible d'adapter au mieux la voilure à toutes les conditions d'allure du bateau. Sur ces figures, le vent est figuré par la flèche "V". Les figures 7 et 8 représentent l'embarcation sous vent arrière, respectivement à vitesse modérée et à vitesse rapide. Selon la figure 7, le bord d'attaque 52 est abaissé, et est dirigé vers l'un des deux côtés de l'embarcation (tige 7 tournée latéralement). La voilure est légèrement inclinée selon le mouvement de roulis. En jouant sur cette inclinaison au roulis, l'usager peut parfaitement maîtriser la vitesse. Selon la figure 8, qui correspond à une vitesse rapide sous vent arrière, le bord d'attaque 52 est notablement plus redressé que dans la configuration précédente. La tige arquée 6 se trouve sensiblement dans le plan longitudinal médian de l'embarcation. Dans cette position de la voilure, il y a un effet de sustentation dû à une composante de poussée sur la voilure dirigée vers le haut, ce qui réduit les frottements des flotteurs dans l'eau et, corrélativement, améliore la vitesse. Selon la figure 9, l'embarcation est exposée à un vent de travers et file à grande vitesse. Dans la figuration de la figure 10, le bord d'attaque de la voilure étant à un point bas, I'embarcation, toujours sous vent de travers, vogue à petite vitesse. Les allures des figures Il et 12 correspondent à une navigation au près serré. L'inclinaison au roulis de la voilure permet d'exploiter au mieux les différences de pression entre l'intrados et l'extrados de la voilure. Selon la figure 11, la voilure étant presque verticale, la vitesse est modérée ; au contraire, selon la figure 12, le bord d'attaque étant relevé, la vitesse de l'embarcation est rapide. Dans toute la description qui précède, on a prévu une commande manuelle de la voilure. Toutefois ce système de propulsion se prête bien à une mécanisation des manoeuvres, la commande pouvant être pilotée par ordinateur, de manière à ce que l'orientation de la voile soit constamment maintenue dans la position optimale en fonction des conditions de navigation (direction du vent et trajectoire de l'embarcation notamment). La voilure est particulièrement stable, et le système est robuste, grâce notamment à la présence de la tige rigide 6. Les deux manchons de guidage 70 pourraient être remplacés par un ensemble de trois poulies à gorge enserrant et guidant la tige 6, une poulie étant positionnée côté intérieur et l'autre côté extérieur (par rapport au rayon de courbure). Dans une variante, le guidage en direction transversale (pivotement autour de l'axe 71) de la tige 6 pourrait être assuré au moyen d'un rail courbe fixé à l'élément de châssis 20. Avantageusement, le châssis 2 est monté sur l'embarcation avec possibilité de déplacement élastique en direction verticale, d'amplitude limitée. A cet effet des moyens amortisseurs de type connu en soi tels que des ressorts ou des tampons en matière élastomère peuvent être intercalés entre les éléments de châssis 21 et les flotteurs 10. L'invention s'applique également à des bateaux monocoques. Dans ce cas le châssis peut se réduire au moyen de fixation du pied de mât à la coque. A l'arrière est alors monté un bras transversal, pouvant servir de tremplin, et recevant les points d'écoute (réas 560). REVENDICATIONS 1. Système de propulsion à voile pour embarcation, du type comprenant un châssis (2) solidaire de l'embarcation (I) et pourvu d'un mât (3) qui supporte une voilure (5) par l'intermédiaire d'un pivot omnidirectionnel (4), des moyens (56 ; 6, 7, 61 ; 6, 62, 71) étant prévus, qui permettent à l'usager de l'embarcation de commander et de contrôler les pivotements de la voilure (5) respectivement - dans un mouvement de roulis (R) par rapport à l'axe longitudinal (OX) de l'embarcation - dans un mouvement de tangage (T) par rapport à un axe transversal (OY) - dans un mouvement de lacet (L) par rapport à un axe vertical (OZ) ; caractérisé par le fait que ladite voilure est formée d'un cadre périphérique rigide (50) portant une toile mince cintrée (51), et possède un contour oblong, de forme symétrique par rapport à son grand axe (AA'), ledit pivot omnidirectionnel (4) étant positionné sur ce dernier, sensiblement dans la zone du point vélique de la voilure. 2. Système selon la revendication I, caractérisé par le fait que lesdits moyens de commande et de contrôle du mouvement de tangage (T) comprennent une tige en arc-de-cercle (6) dont une extrémité est fixée au bord d'attaque (52) de la voilure (5) et dont le centre de courbure colncide avec le pivot omnidirectionnel (4), cette tige arquée (6) étant guidée en translation curviligne dans un organe de guidage (7) solidaire du châssis (2). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite tige arquée (6) est fixée au bord d'attaque de voilure (52) par une articulation (520) dont l'axe (60) correspond au roulis (R). 4. Système selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que ledit organe de guidage (7) est articulé sur le châssis (2) autour d'un axe (71) qui correspond au lacet (L). 5. Système selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit organe de guidage (7) est une tige pivotante solidaire d'une paire de manchons de guidage (70) traversés par la tige (6). 6. Système selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé par le fait que l'axe (71) d'articulation de l'organe de guidage (7) est situé sensiblement à l'aplomb du pivot omnidirectionnel (4). 7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que ladite voilure (5) est munie d'une tige d'armature transversale (55) dont la partie centrale est reliée audit pivot omnidirectionnel (4) et dont les extrémités sont attachées au cadre périphérique (50), la voilure (5) étant reliée au niveau de ces points d'attache (551) à une écoute (56) de commande des mouvements de roulis (R). 8. Système selon l'une des revendications I à 7, caractérisé par le fait que ledit châssis (2) possède une partie avant (20) portant le mât (3) sur lequel est monté ledit pivot omnidirectionnel (4), et une partie arrière (22) apte à recevoir l'usage pour lui permettre de commander et contrôler l'orientation de la voilure. 9. Système selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que des moyens amortisseurs sont intercalés entre ledit châssis et l'embarcation. 10. Bateau à voile équipé d'un système de propulsion conforme à l'une des revendications 1 à 9. 11. Char à voile équipé d'un système de propulsion conforme à l'une des revendications 1 à 9.