Brevet FR2744981A1 — publié le 19970822

La présente invention concerne un dispositif d'amortisseur de calage pour aile portante hydrodynamique et une de ses applications possible la planche-hydroptère, un engin de loisir d'un concept nouveau. Le dispositif pouvant être destiné à tout hydroptère en sustentation partielle améliore la stabilité. Au moyen de ce système, est défini la planche à voile hydroptère. Le principe est de sustenter partiellement ou complètement un flotteur équipé d'une voile et d'un aileron porteur. Ce dernier assure la fonction de plan d'anti-dérive et de plan porteur. I1 est fixé à l'arrière de la planche via l'amortisseur de calage. Sur les bateaux, la carène sustentée par la poussée d'Archimède et par sa propre portance hydrodynamique se voit limitée principalement par la vague d'étrave quand le régime d'écoulement devient équivalent supersonique ; c'est à dire, quand la vitesse de la carène est supérieure à la vitesse de propagation des ondes de surface. Les hydroptères, quant à eux, volent au dessus de la surface de l'eau. Les carènes sont sustentées à l'aide d'ailes portantes qui entraînent un gain important sur leurs performances. L'idée de base de la planche-hydroptère est d'équiper un flotteur de type planche de surf avec un aileron hydrodynamique (7) auto-amorti et d'une voile. L'aileron placé sous la carène assure le plan d'anti-dérive et la sustentation partielle de l'engin. La voile placée sur le flotteur sert à le propulser. Le flotteur a pour rôle d'assurer une réserve de flottabilité à l'arrêt ou pour les faibles vitesses. Les conditions de fonctionnement et de liaisons entre le flotteur et l'aileron nécessitent des liaisons particulières. En effet, lorsque l'aileron est monté rigide sur la planche, le système complet s'avère instable voir inefficace et incontrôlable et ceci même avec des conditions de mer idéales. I1 est connu de part les théories des surfaces portantes en corrélation avec les expériences qu'un aileron rigide immergé dans des conditions idéales de fonctionnement (pas de cavitation et de ventilation) admet une portance proportionnelle à sa surface, son incidence et au carré de sa vitesse. Seule l'augmentation de la vitesse provoque des variations de portance trop importante pour une plage classique d'utilisation. De plus, les conditions de houle, même idéales, provoquent des variations d'incidence et de hauteur d'immersion, et engendrent des effets instationnaires de type oscillation de tangage et pompage. Au moyen constitué du système d'amortissement selon l'invention, on remédie à ces problèmes et on rend l'engin réalisable. Ce système d'amortisseur d'aileron a pour objet de réguler sa portance par un asservissement mécanique sur le calage en incidence. Ce système permet un contrôle sur la portance de l'aileron de géométrie quelconque placé sous la planche au niveau de la dérive. I1 comprend deux fonctions principales: La première consiste à contrôler la force de portance de l'aileron par action sur son calage et à filtrer l'effort transmis à la planche. Si le système est correctement adapté aux conditions de navigation et bien stabilisé dans ces gammes de résonances, l'effort transmis à la planche est quasiment constant pour une gamme de vitesses. L'autre rôle, en corrélation avec sa première finalité, a pour objectif d'élargir la gamme d'utilisation en fonction de la vitesse de l'engin. I1 transmet une portance adéquate quasi-constante. Dans ce cas et monté avec un tel système, un simple aileron composé d'une dérive auquel on aurait rajouté un plan porteur suffit à lui tout seul pour sustenter une grande partie de l'engin. Bien sûr, ce système est indissociable de l'engin. Mais il n'est pas performant à cette échelle de vouloir sustenter complètement le flotteur avec plusieurs ailerons, comme dans le cas des hydroptères I en créant au minimum l'équivalent de trois points formant un système isostatique. Le flotteur reste donc en contact avec la surface en mode planning. Ses performances en finesse (rapport hydrodynamique de portance sur traînée) deviennent plus élevées. L'engin planche-hydroptère se diffère de la planche à voile par le fait qu'il assure un degré supplémentaire de liberté dans le plan vertical. La glisse, les performances et les sensations en sont différentes. L'utilisateur se centre sur le flotteur qui lui sert de poutre pour ce positionner par rapport au centre hydrodynamique du plan porteur. Cette position longitudinale détermine le centrage de l'engin et donc une partie de sa stabilité. I1 tient la voile à l'aide d'une bôme en forme de bréchet et s'incline sur le côté amure de façon à compenser le moment de roulis dû aux efforts aérodynamiques de dérive. Selon les modes particuliers de réalisation - le moment de réaction du système d'amortissement de calage peut être obtenu par l'action d'un support de suspension rhéoplexique, ou par action combinée d'une pièce composite, d'un ressort de torsion, d'une zone de moindre épaisseur formant l'articulation ou encore d'une combinaison de ces quatre solutions avec le matériau rhéoplexique. - I1 peut comporter une suspension supplémentaire reprenant les efforts porteur de l'aileron auto-amorti. - I1 peut comporter un aileron de forme en T ou un aileron de forme en U. Les dessins annexés illustrent parfaitement l'invention et facilitent grandement la compréhension pour la fabrication de ce produit. La figure 1 présente en perspective un engin de très grande vitesse équipé d'une voile, d'un aileron amorti en forme de 'T', en accord avec la présente invention. La figure 2 présente en vue de côté l'engin. Les figures 3 et 4 montrent réciproquement des ailerons de formes en V et en U particularisant deux géométries d'ailerons adaptées pour des conditions d'utilisations distinctes, en accord avec la présente invention. Les figures 5, 6 et 7 illustrent le fonctionnement du système d'amortissement. Les figures 5 à 13 illustrent les variantes du système d'amortissement. Les figures 14 à 30 illustrent ailerons en T et en U ainsi que leurs paramètres de construction. I1 est alors fondé après étude du système complet que les performances et la stabilité de l'engin dépendent pour une large part des paramètres suivants a) amortisseur de calage et paramètres de la chaîne de transfert le définissant. b) forme et géométrie des ailerons. c) géométrie, forme et volume du flotteur d) surface et géométrie de la voile. Ce sont des paramètres propres aux amortisseurs et aux caractéristiques des surfaces portantes. a) L'amortisseur est un organe majeur de l'engin. Sa contribution est plus que nécessaire pour la stabilité de l'engin. Selon des plages particulières d'utilisation, il est possible de monter sur l'engin deux sortes d'amortissements : un amortissement en calage et une suspension portant sur l'effort global vertical. Ce double dispositif facilite la stabilité pour les très grandes vitesses. Ces dispositifs créent un système mécanique asservi qui comprend une chaîne d'action et une chaîne de réaction. La figure 5 illustre le schéma d'asservissement en boucle fermée du système isolé : aileron / amortisseur. Dans la chaîne d'action se trouve la réponse instationnaire de l'aileron à une variation de vitesse et d'incidence. Dans la chaîne de réaction se trouve le système d'amortissement qui agit sur le calage en incidence de l'aileron (angle entre la direction relative de l'écoulement et l'axe passant par les points extrêmes de la section d'aile de référence). Les efforts sur le plan porteur de l'aileron peuvent être modélisés en un point. Ce point, placé au milieu de l'aile est par définition, le foyer hydrodynamique de l'aile. En dynamique, il y a couplage hydroélastique et les équations au second ordre sont non linéaires. Nous détaillons successivement dans la suite de ces paragraphes les deux amortisseurs en systèmes isolés en accord avec la présente invention. L'amortisseur de calage est fixé par l'intermédiaire du boîtier (8) sur le rail de fixation (1) du flotteur prévu à cet effet. I1 est disposé entre ces deux pièces des vis de serrage. La figure 6 rappelle brièvement le principe. Il est caractérisé par une articulation autour d'un axe (5) situé devant le foyer global de l'aileron. Toute augmentation du moment créé par les efforts hydrodynamiques (principalement la portance et la traînée) de l'aile modifie l'angle de torsion entre le support de l'aileron (6) et le boîtier (8) ; jusqu'à ce que le moment résistant du support élastique (4) produise un moment égal en module au premier. La variation de l'angle d'incidence de l'aileron est approximativement égale à la diminution de l'angle de torsion a. L'amplitude des efforts est fonction du carré de la vitesse de l'engin et de l'incidence locale. La variation de son moment de tangage à l'articulation (5) est fonction du centrage et des efforts sur l'aileron. Pour le régime dit 'efficace' de l'aileron et à l'équilibre, l'angle que trace la droite passant par l'axe de rotation (5) et le centre hydrodynamique de portance du plan porteur (7) par rapport à la verticale est égal à ao et l'angle de calage en incidence dit efficace est alors de Og comme le montre la figure 6. C'est à partir de cet angle d'équilibre que l'on définit l'angle a de variation. On définit l'angle de tarage du ressort To à partir de ce point d'équilibre. Enfin, le boîtier comporte un rebord (9) de mise en butée du levier (6). Cet amortisseur peut convenir à une géométrie d'aileron de géométrie quelconque définissant un plan d'anti-dérive et un plan porteur, dès que son implantation dans le support (6) est prévu. I1 est aussi nécessaire que son centre de portance se situe derrière l'axe (5) en régime efficace de fonctionnement et définissant ainsi un angle ao positif. Le système ainsi obtenu fait que la portance de l'aileron est quasiment constante sur une gamme de vitesse et ceci quelques soient de faibles variations de houle. La sustentation est alors partielle, c'est à dire que l'aileron porte environ 70E à 90% du poids total de l'engin soupesé de la portance de la voile. La figure 7 présente une courbe type de variation de portance du plan porteur seul. Sa modélisation est faite à partir de la relation fondamentale de la dynamique. L'équation différentielle de déplacement de l'angle de torsion a est non linéaire. L'idée de base formulée par des recherches aérospatiales (N01985-5) et le modèle instationnaire de 1'ONERA peut être fondée sur la remarque qu'un système non-linéaire se comporte en général de façon linéaire pour de petites variations de ses paramètres. Un système non linéaire, mais à évolution continue de ses coefficients peut être linéarisé, pour peu que l'amplitude de l'entrée soit suffisament diminuée. Dans les équations, le coefficient d'amortissement dû aux frottement visqueux est le paramètre le plus influant sur la stabilité du système, mais malheureusement non suffisant. Pour rendre le système parfaitement stable, il est nécessaire de joindre un correcteur. Se correcteur de cet amortissement est, selon l'invention, réalisé simplement grâce à l'addition d'un matériau rhéoplexique (11) fluide et visqueux qui possède des caractères rhéologiques liant viscosité et plasticité. Ses propriétés lui confèrent une très grande capacité à dissiper des énergies importantes sans aucun dommage et donc les grandes variations instationnaires. Ce produit se présente comme une pâte qui reste fluide pour des sollicitations lentes et qui adopte un comportement plastique pour des collisions. il est caractérisé par une très grande capacité à absorber sans dommage l'énergie cinétique. Les autres paramètres physiques coopèrent à la détermination de la principale bande passante et donc à la stabilité du système. Le choix des variables physiques doit donc être optimisé pour une plage d'utilisation de l'aileron. A titre d'exemple non limitatif, l'angle ao est égal à 12 degrés, le rayon R est égal à la distance OF et a pour valeur de 0,32m. L'angle de calage efficace Oa du plan porteur est égal à 2,1 degrés. L'angle de tarage du ressort TO est égal à ao soit 12 degrés. Le déplacement en rotation a est très faible. il est de l'ordre de 9 degrés. Couplé avec l'aileron en T, la raideur en torsion de calage moyenne est de 725 N.m/degrés. Le coefficient d'amortissement visqueux doit être établi pour que l'ensemble reste un système lent. Si le présent amortisseur est couplé avec un amortisseur global que nous détaillerons dans les paragraphes suivant, le système devra être encore plus lent à causes des couplages entre systèmes asservis. La figure 7 présente une courbe de variation théorique de portance en fonction de la vitesse du plan porteur de l'aileron en T couplé avec ce système. La traînée du plan d'anti-dérive est ici négligée. Les limites supérieures et inférieures de ces paramètres sont le rayon peut varier de 0,13 h à l.h les angles aO et TO peuvent varier de 1 à 60 degrés. La raideur de l'amortisseur en torsion varie en fonction de la portance efficace souhaitée, la dimension et géométrie de l'aileron. La quantité de fluide (11) doit alors être suffisament importante pour garder le système stable. Selon des modes particuliers de réalisations - La raideur en torsion peut être obtenue par un support élastique rhéoplexique (4) dessiné en figure 12. il s'agit d'un ressort (10) de raideur K inséré sans charge dans une poche cylindrique (12) formée d'un élastomère ou caoutchouc très élastique rempli du matériau fluide rhéoplexique (11). Cette opération de recouvrement a pour effet d'allier à la raideur du ressort de compression, un coefficient d'amortissement visqueux, mais aussi, en raisons des particularités rhéologiques de la matière, d'atténuer les vibrations parasites de hautes fréquences susceptibles d'entraîner des dérèglements de type résonance sur les modes non-linéaires du système amortisseur/aileron. L'augmentation de l'épaisseur de cette couche ou le taux de remplissage a pour effet d'accroître ce coefficient. La pression dans la chambre fait varier le comportement visqueux et plastique du fluide. La valeur du couple de rappel est alors fonction de la raideur du ressort élastique et de son centrage exprimé par le rayon ro par rapport à l'axe d'articulation pivot (5). Par adjonction d'un système de réglage de type vis sans fin, de la distance ro, il sera possible de modifier la valeur de portance effective désirée. Ce mécanisme supplémentaire permet un réglage fin du système et une augmentation sensible de la gamme d'utilisation. Le support élastique (4) est fixé à l'aide d'une vis sur une pièce qui coulisse par rapport au boitier (8). Afin de conserver le tarage du ressort, l'angle angulaire entre les deux surfaces de contact sur le boîtier (8) et sur le support d'aileron (6) doivent alors faire un angle de lo. La figure 8 présente ce système détaillé en accord avec la présente invention. A titre indicatif, pour l'aileron en T décrit dans les prochains paragraphes nous pouvons utiliser un ressort d'une résistance de 210000 N/M de diamètre 40mm et de hauteur 45mm dont les spires sont enveloppées, sous pression atmosphérique, d'un centimètre environ de matière fluide. La gamme de matière rhéopexique répondant aux éxigences présentées étant importante, de simples essais de stabilité du système asservi détermine la quantité de matière exacte à placer dans la chambre de façon a rendre stable le système mécanique global. Le support sera placé à une distance de 50mm de l'axe d'articulation de rotation (5) du support d'aileron (6). - On peut encore par création d'un moment de rappel à l'aide d'une pièce composite à structure jumelée (14) avec le matériau visqueux comme le montre la figure 9. Cette pièce est alors formée d'une pièce de forme en U qui se comporte comme un ressort de torsion possédant une viscosité dynamique. A l'origine cette pièce en U est construite à partir d'un matériau composite sandwich. il est partiellement recouvert ou rempli du matériau fluide (11), enveloppé, sous pression atmosphérique, dans la matière élastomère ou caoutchouc de très grande élasticité (12). Cette opération de recouvrement a un rôle identique à la pièce précédente. L'angle de tarage t0 doit être conservé pour le bon fonctionnement du système et donc prévu lors de la conception de cette pièce. L'augmentation de l'épaisseur de cette couche ou le taux de remplissage à pour effet d'accroître ce coefficient et cet amortissement. Les paramètres variables sur cette pièce sont : sa longueur, sa largeur, sa hauteur, sa raideur et son taux de recouvrement et de remplissage en matière fluide visqueuse. - I1 est possible d'obtenir ce moment de rappel à l'aide du levier ou support d'aileron (6) qui peut constituer une partie du boîtier, une zone de moindre épaisseur formant l'articulation. La présence de la chambre de fluide peut alors être conservée pour rendre stable le système dynamique, comme le montre la figure 10. L'angle de tarage sO doit être conservé pour le bon fonctionnement du système et donc prévu lors de la conception de cette pièce. Il est possible de réaliser cette résistance en torsion en plaçant autour de l'axe (5), un ressort de torsion (15) d'une résistance à celle désirée. On conservera la présence d'une chambre élastique (12) contenant le même matériaux fluide (11) en quantité suffisante pour rendre stable le système asservi. Cette conception est exposée en figure 11. - Un système de réglage de fixation étant plaçé entre l'aileron(7) et l'axe de rotation (5) du support d'aileron (6), il est possible d'élargir sensiblement la plage d'utilisation de l'engin. Le déplacement pourra simplement être obtenu par des réglages de fixation en deux points visés en différents incréments comme le montre la figure 10. - Une combinaison entre ces solutions est réalisable. Les figures 8 à 11 présentent les variantes de ce dispositif qui restent en accord avec la présente invention. En référence à ces dessins, le boîtier (8) fixé au rail du flotteur (1) possède une face du dessous rainurée pour permettre le passage de l'aileron(7). Cette face est munie d'un balai (13) qui épouse la forme des profils de l'aileron et assure entre le boîtier (8) et l'écoulement de l'eau sous le flotteur une paroi poreuse. Les différences pièces comme le boîtier (8), le support d'aileron (6) peuvent être réalisées soit en matériaux composites, soit en plastique de grande résistance par procédé de moulage par injection. Selon des modes particuliers d'utilisation d'un engin nautique de vitesse, il est nécessaire de compléter celui-ci par une suspension portant sur l'effort global vertical afin d'amortir la portance de l'aileron sur toute une plage de fréquences et de perturbations. On peut ainsi créer une planche-hydroptère de très grande vitesse qui reste plus stable. La figure 13 présente l'invention avec le système complet. Le boîtier (8) est désormais un piston. Sous l'effet d'une composante des efforts hydrodynamiques de l'aileron celui-ci remonte dans le cylindre (2) jusqu'à ce que l'équilibre dynamique avec le support élastique (3) soit atteint. L'arrêt en rotation est assuré par le support d'aileron (6) qui est ajusté au boitier (2) suivant une rainure comme pour un clavetage. L'angle d'inclinaison vertical défini entre l'axe d'amortissement et la normale à la surface de l'eau est l'angle de chasse. La présente suspension peut être modélisée en système isolé par une fonction de deuxième ordre. Le couplage avec la dynamique de la planche et l'amortisseur de calage est dans ce cas négligé. Le choix des paramètres physiques est conditionné pour la plage d'utilisation de l'ensemble : planche et aileron. Sa modélisation simplifiée en système isolé est faite à partir de la relation fondamentale de la dynamique. L'équation différentielle du déplacement vertical à partir du point d'équilibre statique s'écrit : avec m la masse de l'ensemble aileron et partie basse de l'amortisseur (partie amortisseur de calage), f le coefficient de frottement visqueux et K la raideur du ressort. P(t) représente la composante des efforts hydrodynamiques instantanés de l'aileron Elle peut être traduite après simplification par une fonction de transfert F(p) de second ordre avec Wo la pulsation propre réduite, 4 le coefficient d'amortissement et G le gain du système. Ces paramètres dépendent directement des paramètres physiques : masse de l'aileron, raideur de ressort, coefficient de viscosité. il sont reliés par les expressions suivantes K W0 La fréquence propre est alors : f = 2.#. A titre d'exemple non limitatif, sa valeur est de 26 Hertz pour une raideur de suspension de 12700 N/m . Le coefficient d'amortissement 4 est égal à 0,8. Le système est donc lent. L'angle de chasse est de -2 degrés, soit conventionnellement 2 degrés vers l'arrière. Le support élastique (3) est de même conception que le support (4) exposé dans la figure 12 et précédemment détaillé. Le ressort (10) a une dimension de 100mm de diamètre, une longueur de 120mm pour la raideur indiquée. Le revêtement en matière fluide (11) est alors d'environ 9mm d'épaisseur. Selon des modes particuliers de réalisation, - L'angle de chasse peut être variable. - le support élastique (3) peut être remplacé par une suspension ressort et amortisseur mécanique classique connu à ce jour répondant au critère de stabilité. b) A des conditions de mer et d'utilisations différentes, correspondent des choix de conceptions d'ailerons différents. Tous ces ailerons (7) sont fixés au système de variation de calage via le support (6). Tous les ailerons selon l'invention sont symétriques par rapport au plan vertical passant par l'axe du flotteur et subissent un dérapage en fonctionnement. il est alors fondé que les performances et la stabilité de l'aileron dépendent pour une large part des paramètres suivants 1' l'allongement de l'aile : Les théories des surfaces portantes montrent que les performances en traînée induite sont directement liées à l'allongement A (rapport du carré de l'envergure sur la surface ). Plus précisément, plus cet allongement est grand et plus la finesse (rapport de la portance sur la traînée) de l'aile est grande. Dans le cas d'une aile de grand allongement (k supérieure à 5) la théorie de Prandlt en corrélation avec les expériences montrent que dans la finesse la plus importante est celle où la répartition de circulation (ou de portance) le long de l'envergure suit une loi elliptique. La répartition de portance de forme proche de celle elliptique est donc une condition importante pour obtenir de bonnes performances en vitesse. Principalement, la loi de circulation elliptique peut être obtenue à l'aide des deux paramètres principaux que sont la corde et le vrillage de l'aile. Mais les autres paramètres géométriques, comme l'effet de flèche ou de dièdre, ont une interaction sur cette circulation hydrodynamique. L'expérience montrent que la flèche facilite le contrôle de l'aileron et donc du cap dans une mer agitée. En effet, le déplacement des foyers hydrodynamiques locaux situés au quart du profil par rapport à l'axe crée un moment de torsion qui déforme par vrillage la surface portante. La faible déformation augmente les caractéristiques de stabilité de l'ensemble dérive planche dans les écoulements perturbés. Cet effet à un avantage majeur lorsque l'on cherche à stabiliser une planche de grande vitesse. Le choix de variation de l'angle de flèche se fait en rapport avec les conditions d'utilisation des états de la mer. Le dièdre a un effet primordial sur la stabilité en roulis lorsque l'aileron est placé en dérapage. Le dièdre de la partie portante doit être optimisé pour le dérapage et pour la vitesse de roulis du flotteur. Le dérapage d'une aile symétrique à effet de dièdre modifie la symétrie des efforts de portance et traînée entre ses deux côtés. Ces légères différences de portance et traînée créent respectivement des moments suivant les axes de roulis et de lacet. Le moment de roulis peut contribuer à la diminution du moment provoqué par le plan d'anti-dérive et participer à la stabilité. Dans ce cas, si le centre de portance du plan porteur est fixé sous le foyer de dérive (cas préférable pour un aileron de grande vitesse) l'angle de dièdre sera négatif, c'est à dire vers le bas. Inversement, s'il est placé dessus (cas d'une planche de vaque), l'angle de dièdre sera positif et en forme de V. Le dièdre a aussi pour effet d'adoucir les variations d'incidence dû au clapotis. La variation de calage dû à l'amortisseur n'est plus linéaire lorsque l'aileron possède du dièdre. En ordre général, plus le dièdre est important et moins on ressent l'effet du clapotis. Mais trop de dièdre diminue aussi l'efficacité du plan porteur et peut déséquilibrer l'ensemble. A titre indicatif, un engin de vitesse aura un dièdre proche de 5 degrés tandis qu'un engin de vague aura un dièdre plutôt proche de 20 degrés. D'autres problèmes concernant l'effet d'interaction avec la surface libre, la ventilation et la cavitation conditionnent aussi la conception d'une aile hydrodynamique. La figure 14 présente l'aileron en T en perspective. En pointillé est dessiné le système d'amortisseur qui se trouve placé au milieu du flotteur. La figure 15 présente l'aileron en T détaillé en vue de côté avec son plan de dérive et son plan porteur réciproquement parallèle et perpendiculaire à la feuille du document. La figure 16 présente l'aileron en T détaillé en vue de derrière. Les figures 17 et 18 sont les courbes représentant la répartition de corde en accord avec la dérive et le demi-plan porteur de l'aileron en T. La figure 19 est la courbe de calage et de variation d'angle d'incidence du demi-plan porteur. Les figures 20 et 21 sont les courbes de variation d'angle de flèche pour réciproquement la dérive et le demi plan porteur de l'aileron en T. La figure 22 montre la variation d'effet de dièdre du demi-plan porteur de l'aileron en T. La figure 23 montre des sections élémentaires des plans porteurs de l'aileron en T et leurs positionnements les unes par rapport aux autres dans le repère local (F,XL,YL,ZL) et intermédiaire (F,X1,Y1,Z1) du plan porteur. La figure 24 présente le repère intermédiaire (F,Xl,Y1,Z1) et repère global (O,X,Y,Z) du plan porteur. La figure 25 présente en perspective une variante de l'invention : un aileron en U. En pointillé est dessiné le système d'amortisseur qui se trouve placé dans le flotteur. La figure 26 représente l'aileron en U détaillé en vue de côté avec son plan de dérive et son plan porteur réciproquement parallèle et perpendiculaire à la feuille du document. La figure 27 représente l'aileron en U détaillé en vue de derrière. La figure 28 présente la répartition de corde du plan d'anti-dérive de l'aileron en U. La figure 29 présente la courbe de variation d'angle de flèche de l'aileron en U. La figure 30 présente la courbe de variation d'angle de dièdre de l'aileron en U. Selon des modes particuliers d'utilisation, on pourra placer sous des flotteurs prévus à cet effet un aileron en T ou un aileron en U avec un simple ou un double amortissement. Pour la vitesse dans une petite ou moyenne houle, on préférera choisir un aileron de forme géométrique en T inversé comme le montre la figure 3. Dans une mer plus agitée, on prendra un aileron de forme en U. il possède deux plans d'anti-dérives qui lui donne une résistance accrue pour une mer plus houleuse. La géométrie de leurs plans porteurs est presque identique. Ces ailerons présentent l'avantage d'avoir une surface portante entièrement immergée. Son efficacité en est augmentée du fait qu'elle risque moins la ventilation. Les formes en plan sont effilées de façon à obtenir des surfaces de grands allongements (rapport du carré de l'envergure sur la surface), favorables pour les grandes vitesses. La répartition de portance de forme proche de celle elliptique est aussi une condition importante pour des performances d'un aileron de haute vitesse. Ils sont symétriques par rapport au plan vertical passant par l'axe du flotteur afin d'obtenir des performances identiques de chaque côté amure. Le repère de construction est choisi orthogonal avec pour origine le foyer de la première section au niveau du point de fixation à l'amortisseur comme le montre la figure 14. L qu'il est en position pour le régime efficace de l'engin. L'axe OX est l'axe de symétrie de l'aileron. il constitue la référence pour mesurer l'effet de flèche AXF comme le montre la figure 20. L'axe OY est l'axe de variation de tangage. C'est à partir de cet axe que l'on définit le dièdre AZF pour le plan porteur, comme le présente la figure 22. Le troisième axe OZ est l'axe de direction de dérive ou axe vertical et orthogonal à la surface de l'eau. il est défini par les axes OX et OY de façon à obtenir un repère orthonormé direct. Les surfaces de l'aileron en T incluent une ligne de bord d'attaque (ensemble des points B) et une ligne de bord de fuite (ensemble des points M) et sont générées par un alignement successif sur les foyers F des différentes sections d'ailes profilées et parallèles entre elles - Pour le plan d'anti-dérive, elles sont orthogonales et symétriques, empilées sur l'axe OZ, axées sur l'axe OX et orthogonales au plan OX, OY. - Pour le plan porteur, elles sont orthogonales, empilées sur l'axe local de dièdre (F,X1,Y1,Zl) obtenu par rotation suivant l'axe X d'un angle de dièdre dièdre exprimé par la valeur de l'arctangeante locale de la dérivé première de AZF (l'axe Oxi est égal à OX). Elles sont orthogonales à ces plans locaux Fx, Fzi comme le montre les figures 23 et 24. Cette rotation permet de présenter au plan normal de l'aile une épaisseur de profil exacte. Chacune de ces sections élémentaires peut être identifiée par la distance y mesurée à partir de l'axe de symétrie, et la distance z pour réciproquement le plan porteur et le plan d'anti-dérive. Les paramètres définissant les contours de ces sections élémentaires sont les suivants La longueur de corde L mesurée dans les plans locaux de vrillage et perpendiculairement à l'axe des Z et des Yl réciproquement pour le plan d'anti-dérive et le plan porteur. Pour le plan porteur, l'angle dièdre de dièdre local à la section d'aile redéfinissant un repère plan intermédiaire local en (F,X,Yl,Zl) présenté dans la figure 24. L'angle de vrillage hydrodynamique local Bg positif en cabré et égal à l'angle de variation d'incidence local Oa avec l'angle de portance nulle du profil orO d'où la relation et og = 0a + aO Cette valeur aO est nulle pour les profils d'ailes symétriques mais souvent négative pour les profils modernes dissymétriques. En fait, cette valeur est propre au profil utilisé dans la section en question, mais la distinction entre Og et 0a est essentielle. La loi de vrillage en question ici est celle exprimée pour la valeur de Og. Le contour du profil, ensemble des points P, est décrit par une équation, ou par une table numérique. L'angle 0g local à la section d'aile redéfinit un repère plan intermédiaire local en (F,XL,YL,ZL) présenté dans la figure 23. Le respect des déplacements de flèche AXF et de dièdre AZF, de la section en question, des foyers hydrodynamiques F. L'ensemble de ces points F forme les courbes définissant les squelettes des éléments d'anti-dérive et plan porteur. Sur un profil et dans le plan de références local, les coordonnées du centre du foyer hydrodynamique généralement situé au quart avant de la corde de la section d'aile et à mi-épaisseur). Le respect de l'assemblage des squelettes de chacun des plans d'anti-dérive et porteur aux coordonnées des points communs (G pour l'aileron en T et D et D' pour l'aileron en U). Ces valeurs de paramètres décrivant la géométrie de l'aileron sont exposées dans une série de figures 17 à 22. Pour le plan d'anti-dérive, comme l'angle de vrillage et de dièdre sont nuls, on déduit directement les positions du centre des efforts hydrodynamiques F, du point de bord d'attaque B et du point du bord de fuite M, des relations suivantes XF = AXF FZ (Orr.Z Z) = yA 4.=Z XB XF 41 XB XF B,, XB = YF + O ZB ZF O XM XF --4 M (Oxr XM = YF + O ZM ZF > et la valeur de YA est nul pour l'aileron en T et est égal à plus ou moins la demi-distance entre les deux plan d'anti-dérive pour l'aileron en U. Pour le plan porteur, on déduit par calcul matriciel les positions du centre des efforts hydrodynamiques F, d'un point P du profil situé à des coordonnées plan (F,XL,ZL) du repère local profil. Le point G, point milieu du plan porteur, situé au foyer de la section est le point de contact entre les deux plans. il se situe à une distance XOG et ZOG du point 0, origine de repère. XF=XoG + AXF F,,,,,, Y,F7 = Y ZF = ZOG +AZp XP XF COS(Og) 0 sm(Og) liF P*(oirr Xp = Yp + sin(83.sm(8,) cos(83 Sin(Oàê).COS(Og) O ZP ZF cos(B.sU8,) Z) sin( 8, cos(8.cos(B,) ZLP npn (F,TL avec #dièdre = ATAN (d(#ZF)) dy Par application du calcul précédent, on déduit les positions dans le repère global d'un point de bord d'attaque B et d'un point de bord de fuite M XB IXF | cos(88) sin( 4L B$ sHO,Xr XB = YF + Sin(dèdre) sin(&commat;g) cos(tèe) -sin(0).cos(02) ) O ZB 4 cOs(Oaà).Sin(Og) sin(19djè;) cos(8,o. cos(8,) O 3 XM XF cOs(Og) O Sri(Og) 4 M,-0 XM = y + Sin(4 id-e)-sin(6 g) cos(O - sin(6.cos(0g O ZM ZF cos(P \sin(B,) sin(d}iè) COS(tiè)-cos(6 g) O Pour l'aileron en T, on définit comme h la longueur du plan d'antidérive c'est-à-dire la longueur AD et b et la demi-envergure du plan porteur égale à deux fois la distance GT projeté sur l'axe des Y. La distance OA repérée sur la figure 15 est égale au déplacement vertical dû à l'amortisseur global de l'aileron. Afin que l'effort d'anti-dérive n'en soit pas perturbé, il est nécessaire de supprimer la portance dans cette zone. Une solution est de créer des perçages dans ce secteur afin d'annuler les différences de dépression et de pression entre l'intrados et l'extrados des profils. A titre indicatif et non limitatif, le rapport 2b/h est égal à 1,4 avec une hauteur h égale à 0,32m et donc une demi-envergure b égale à 0,225m. Toutes les lois d'évolution des paramètres géométriques sont décrites pour des valeurs unitaires de h et b. La distance OA est ici égale à 0,21 h. Le point G de liaison des deux plans hydrodynamiques est situé à une distance AG égale à 65% fois la hauteur h. Les limites inférieures et supérieures de ces paramètres de fonctionnement sont Une distance OA de O à 0,015m. le point G situé entre 5% et 100% de la hauteur h de référence. Dans un premier temps, nous décrivons la géométrie du plan d'antidérive dans le repère (A,X,Y,Z). Le repère (A,X,Y,Z) est obtenu par translation du repère (O,X,Y,Z) du point O au point A. L'aileron étant symétrique, la géométrie du plan de dérive est relativement simple. Tous les profils sont symétriques et le calage est nul sur tout ce plan. La répartition de corde est constante du point O jusqu'au point A et est ensuite elliptique jusqu'au point D. La corde est mesurée par rapport à la hauteur h du plan d'anti-dérive (voir figure annexée 17). Elle suit la loi suivante sur OA : L=0245 sur AD avec L la corde pour une longueur du plan d'anti-dérive unitaire : L = corde(z) / h Les limites supérieures et inférieures de valeurs de répartition de corde sont représentées par une aire limitée par les courbes reliant les points G', H', D et I', J', D. Ce sont deux droites et deux courbes elliptiques qui ont pour équations sur G' H' : L=0,7 sur H'D sur I' Jt :L=0,21 sur J' D' La flèche AXF est dimensionnée par rapport à la hauteur h du plan d'anti-dérive et est définie par la loi elliptique suivante : figure 20. sur OA : AYF=O sur AD avec AXF le déplacement suivant l'axe des X pour le plan d'anti-dérive de hauteur unitaire. Les limites supérieures et inférieures de valeurs de répartition de corde sont représentées par une aire limitée par les courbes reliant les points 0, A, M' et O, N', P' qui ont pour équations sur AM' sur ON' = = = 0,466.po - 0,466.Z sur N'P' avec Zo l'abscisse de O dans le repère (A,X,Y,Z) ; ici Zo = -0,21 La géométrie du plan porteur est définie à partir du repère (G, X,Y,Z). Ce repère est identique au repère (O,X,Y,Z) mais transplanté au point G. Ce plan porteur admet une symétrie par rapport au plan défini par les axes OX, OZ. On ne donne ici que les lois concernant le demi-plan où les différentes sections sont alignées sur différents axes parallèles à l'axe OY1 repère intermédiaire de dièdre. Par symétrie, on obtient l'autre partie de l'aile. La répartition de corde est elliptique. La corde est dimensionnée par rapport à la demi-envergure b de l'aile. Elle suit la loi suivante sur GT avec L la corde pour une demi-envergure du plan porteur unitaire avec L = corde (y) /b Les limites supérieures et inférieures de valeurs de répartition de corde sont représentées par une aire limitée par les courbes reliant les points K', T et L', T. Ce sont deux droites et deux courbes elliptiques qui ont pour équations sur K'T sur L'T Le calage des différentes sections est exprimé en fonction de Og en degré, angle de vrillage sans correction de profil comme le montre la figure 19. L'angle est constant et vaut sur FT : #g = 2,1 degrés pour y= O à 1 Les limites supérieures et inférieures de valeurs de répartition de calage sont représentées par une aire limitée par les courbes reliant les points T', U' et V', W'. Ce sont deux courbes elliptiques qui ont pour équations sur T'U' : 69=6 degrés sur V'W' : * = 0,75 degrés La flèche AXF est dimensionnée par rapport à la demi-envergure b de l'aile et est définie par la loi elliptique suivante : (figure 21). sur GT Les limites supérieures et inférieures de valeurs de répartition de déplacement en flèche sont représentées par une aire limitée par les courbes reliant les points G, Q' et G, R' qui ont pour équations sur GQ' sur GR' La mesure du dièdre #ZF est dimensionnée par rapport à la demienvergure b l'aile et est définie par la droite GT suivante : (figure 22) sur GT : AZF = 0,105y Les limites supérieures et inférieures de valeurs de déplacements en dièdre sont représentées par une aire limitée par les courbes reliant les points G, U' et G, V' qui ont pour équations: sur GU' : #ZF = -0,445.y sur GV' : #ZF = 0,344.y L'effet de dièdre peut donc être compris entre un angle de -24 et +19 suivant la position du centre des efforts hydrodynamiques du plan porteur par rapport au centre des efforts du plan d'anti-dérive. Le second aileron de forme en U possède un plan porteur presque similaire à l'aileron en T. Seul varie sa variation de dièdre. Le plan d'anti-dérive qui est désormais formé de deux plans identiques et parallèles. il est monté uniquement avec un amortisseur de calage sur le flotteur. Le support d'aileron , (pièce 6 ; figure 8) déjà défini et emprisonné dans le flotteur, reprend les deux pieds de dérives au point O comme le montre la figure 25. Les zones non portantes sont ici désignées par la zone O'A sur le plan d'anti-dérive de droite. Le plan de construction est identique à l'aileron en forme de T décrit précédemment. On définit comme h la longueur du plan d'anti-dérive soit longueur AD et b la demi-envergure du plan porteur égal à deux distances BT projeté sur l'axe des Y. A titre indicatif et non limitatif le rapport 2b/h est égal à 2,4. Toutes les lois d'évolution des paramètres géométriques sont décrites pour des valeurs unitaires de h et b. La distance entre les deux plans d'anti-dérive est égale à 0,24m. Les limites supérieures et inférieures de ces paramètres sont Une distance O'A de O à 0,015m. La distance entre les deux plans d'anti-dérive peut varier de 10% à 200% de b. Dans un premier temps, nous décrivons la géométrie du plan d'antidérive dans le repère (A,X,Y,Z). Le repère (A,X,Y,Z) est obtenu par translation du repère (O,X,Y,Z). L'aileron étant symétrique, la géométrie du plan de dérive est relativement simple. Le calage est nul sur tout ce plan, mais les profils employés peuvent ne pas être symétriques. Les trois plans sont sécants aux point D. La répartition de corde est constante du point O' au point A, puis elle suit une loi elliptique du point A au point D. La corde est dimensionnée par rapport à la hauteur h du plan d'anti-dérive. Elle suit la loi suivante (figure 28) sur O'A : L = :L=O,358 sur AD avec L la corde pour une longueur du plan d'anti-dérive unitaire, soit: L = corde(z) / h Les limites supérieures et inférieures de valeurs de répartition de corde sont représentées par une aire limitée par les courbes reliant les points G', H', D' et I', J', D''. Ce sont deux droites et deux courbes elliptiques qui ont pour équations limite de corde supérieure L+ sur G'H' pour z = -0,37 à O :L=0,473 et sur H'D' limite de corde inférieure L sur I'J' : pour z = -0,37 à O :L=0263 et sur J'D'' L'effet de flèche en AXF est dimensionné par rapport à la hauteur h du plan d'anti-dérive de hauteur unitaire et est défini par la loi elliptique suivante sur O'A : AXF=O sur AD Les limites supérieures et inférieures de valeurs de répartition de corde sont représentées par une aire limitée par les courbes reliant les points 0', A, M' et O', N', P' qui ont pour équations (figure 29) sur AM' sur O'N' X, = -0,4662 sur N'P' avec Zo l'abscisse de O' dans le repère (A,X,Y,Z) ; ici Zo = -0,37. Les paramètres de construction du plan porteur sont identiques aux paramètres revendiqués dans la revendication première. Le point G est seulement remplacé par le point B et les lois d'évolution des paramètres sont conservées pour les répartitions de corde, de vrillage et de flèche. Seule la répartition de dièdre est modifiée La mesure du dièdre AZF est dimensionnée par rapport à la demienvergure b l'aile est définie par la parabole suivante : sur BT (figure 30): = = 0,112y Les limites supérieures et inférieures de valeurs de déplacement en dièdre sont représentées par une aire limitée par les courbes reliants les points B, U' et B, V' qui ont pour équations: sur BU' : AzF=0 sur BV' : SiZF = 0,707y Cet aileron comme le précédent peut être réalisé en matériaux composites et polymères par moulage de préférence en fibres continues de carbone et de kevlar (fibres déposées) et une matrice en résine époxy. Le procédé de fabrication peut être un procédé R.T.M. (marque déposée). Selon des modes particuliers de fonctionnement avec les amortisseurs de calage, la géométrie des plans d'anti-dérives varie de façon à etre en concordance avec son fonctionnement : Dans le cas où les ailerons en T ou en U détaillés précédemment sont montés uniquement avec un amortisseur de calage seul, les parties supérieures non portantes des plans d'antidérives destinées à entrer dynamiquement dans le flotteur sont supprimées Pour l'aileron en T, la distance OA nécessaire pour la remontée dans le flotteur est supprimée. Le plan d'anti-dérive est ensuite identique à celui déjà détaillé pour les lois de répartition de cordes et de flèches avec leurs limites. On s'inscrit dans le cas où le point O est identique au point A. Seules les limites supérieures et inférieures en répartition de flèche AXK sont modifiées par les lois suivantes sur AM' sur AP' Pour L'aileron en U, la distance O'A est nulle sur les deux plans d' anti-dérive. Seules les limites supérieures et inférieures de valeurs de répartition de flèches sont modifiées et sont représentées par une aire limitée par les courbes reliants les points A, M', P' et qui ont pour équations sur AM' sur AP' c) Le flotteur a pour fonction de conserver une flottabilité de l'engin à l'arrêt ou à basse vitesse. il rappelle la planche de surf de par sa forme et sa conception. il sert de support au pilote qui y trouve un appui pour ses pieds en les plaçant dans des footstraps qui assurent le maintien. Son comportement hydrodynamique est important pour la phase d'accélération. il se comporte comme une surface planante dans des régimes de vitesses supérieures à celles de la vague d'étrave. Il reçoit dans sa structure le système de fixation du pied de voile (rail de positionnement) et le rail de boîtier (1) du mécanisme d'amortisseur. Un déplacement du boîtier d'amortisseur dans ce rail permet un centrage de l'aileron. Selon des modes particuliers d'utilisation, le flotteur peut accueillir une dérive supplémentaire de surface plus grande ou plus petite que le plan d'anti-dérive de l'aileron. Dans le second cas, une surface plus petite permet d'obtenir un gain sur la stabilité à haute vitesse. On adopte ainsi une configuration de type canard à l'instar des avions. A titre indicatif, on peut placer à 0,77m en amont de l'aileron, une aile canard de hauteur 0,075m pur une surface de 0,0014m2. La taille du flotteur et son volume varient en fonction des caractéristiques dynamiques recherchées et du poids du pilote. Son poids est le facteur influençant le plus les performances globales de l'engin. A titre indicatif, sa longueur est de 1,65m pour 70 litres. d) La voile sert de propulseur éolien. Elle est le moteur de l'engin volant. Sa surface et sa forme générale déterminent ses caractéristiques dynamiques. Pour différentes valeurs de vent réel, la surface de voile est différente. La voile montée sur l'engin peut être de nature classique c'est à dire avec une section simple surface ou de nature plus complexe : voile moulée ou voile aile profilée. Le dispositif et l'engin selon l'invention sont particulièrement destinés au milieu nautique. REVENDI Q TIONS 1) Dispositif d'amortisseur de calage pour aile portante hydrodynamique et engin nautique planche-hydroptère à voile muni de ce dispositif, caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier (8) fixé à un rail du flotteur (1) prévu à cet effet, muni d'un balai (13) et d'un rebord (9) contre lequel l'extrémité d'un support d'aileron (6) articulé sur ce boîtier vient en butée en position de repos, d'un aileron (7) de géométrie quelconque définissant un plan d'anti-dérive et un plan porteur, centré de façon à ce que son centre de portance au régime efficace de fonctionnement soit placé derrière le centre de rotation de calage et définissant ainsi un angle aO positif, fixé au support d'aileron(6) qui exerce un moment de rotation autour d'une articulation rotative (5) jusqu'à l'équilibre dynamique à l'aide d'un support élastique rhéoplexique (4), formé d'un ressort (10) englobé d'un matériau rhéoplexique (11) possédant les caractéristiques rhéologiques permettant l'amortissement visqueux en restant fluide pour des mouvements lents et absorbant sans dommage l'énergie de déformation en adoptant un comportement plastique pour des chocs, enveloppé dans une chambre hermétique (12) à parois très élastiques. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'amortisseur de calage est composé d'une pièce de déformation (figure 8 (4)) de forme globale en U, développant une résistance lorsqu'elle est soumise à un moment de torsion, partiellement ou complètement remplie, suivant la condition de stabilité du système dynamique global, du même matériau fluide rhéoplexique (11), contenu dans une chambre hermétique (12) à parois très élastiques et en quantité suffisante pour rendre stable le système asservi. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisée en ce que le dispositif d'amortisseur de calage est composé d'un ressort de torsion enroulé autour de l'articulation (5) d'une résistance à celle désirée et d'une chambre élastique (12) contenant le même matériau rhéoplexique (11), contenu dans une chambre hermétique (12) à parois très élastiques et en quantité suffisante pour rendre stable le système asservi. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisée en ce que le dispositif d'amortisseur de calage est composé d'un support d'aileron (6) qui constitue une partie du boîtier (8), une zone de moindre épaisseur formant l'articulation, et de la présence du matériau fluide rhéoplexique (11) contenu dans une chambre hermétique (12) à parois très élastiques et en quantité suffisante pour rendre stable le système asservi. 5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisée en ce que le dispositif d'amortisseur de calage est une composition de systèmes décrits par les revendications 1 à 4. 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisée en ce que sur le dispositif d'amortisseur de calage, la distance entre le support élastique (4) et l'axe d'articulation (5) soit mécaniquement réglable. 7) Dispositif selon une quelconque des revendications 1,2,3,4 ou 5 caractérisée en ce que sur le dispositif d'amortisseur de calage, le centrage de l'aileron (7) par rapport à l'axe de rotation (5) soit réglable via sa fixation sur le support (6). 8) Dispositif selon une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'il comporte un second étage d'amortisseur global monté avec un angle de chasse et spécifié d'un ressort de suspension et d'un amortissement visqueux (4), d'un piston (8) se déplaçant dynamiquement lorsqu'il est actionné par les composantes des efforts hydrodynamiques de l'aileron (7), modélisé en système isolé par une fonction de transfert de second ordre. 9) Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que l'aileron est un aileron de forme en T symétrique par rapport à son plan d'anti-dérive, incluant un plan porteur et un plan d'anti-dérive sans zone non portante, définis tous deux par des surfaces limitées par une ligne de bord d'attaque (ensemble des points B) et une ligne de bord de fuite (ensemble des points M), formées par un ensemble successif d'éléments profilés, identifiés par les distances z et y respectivement pour le plan d'anti-dérive et le plan porteur du point de fixation ou du point milieu aux points d'extrémités d'aile, définissant à elles deux la corde du profil et un centre hydrodynamique, détaillées par des lois géométriques ou lois de répartition de corde proche de celle elliptique, de vrillage, de flèche et de dièdre, spécifiées dans la limite de leurs aires délimitées par des courbes numériques dimensionnées par rapport à la hauteur et à la demi-envergure, ceci pour respectivement le plan d'anti-dérive et le plan porteur. 10) Dispositif selon la revendication 9 et la revendication 8 caractérisée en ce que l'aileron (7) de forme en T comporte une zone non portante sur son plan d'anti-dérive, décrite dans les limites de ses aires le définissant, et qui peut ainsi être assemblé avec le dispositif qui comporte un second étage d'amortisseur global. 11) Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 7 et caractérisée en ce que l'aileron est un aileron (7) de forme en U, symétrique par rapport a l'axe du flotteur, pouvant être assemblé avec le support (6), incluant deux plans d'anti-dérive symétriquement identiques qui ne comprennent pas de zones non portantes et un plan porteur, définis par des surfaces limitées par une ligne de bord d'attaque (ensemble des points B) et une ligne de bord de fuite (ensemble des points M), formées par un ensemble successif d'éléments profilés, identifiés par les distances z et y respectivement pour le plan d'anti-dérive et le plan porteur du point de fixation ou du point milieu aux points d'extrémités d'aile, définissant à elles deux la corde du profil et un centre hydrodynamique, détaillées par des lois géométriques ou lois de répartition de corde proche de celle elliptique, de vrillage, de flèche et de dièdre, spécifiées dans la limite de leurs aires délimitées par des courbes numériques dimensionnées par rapport à la hauteur et à la demienvergure, ceci pour respectivement les plans d'anti-dérive et le plan porteur. 12) Dispositif selon la revendication 8 et la revendication 11 caractérisée en ce que l'aileron (7) de forme en U, comporte des zones non portantes sur ses deux plans d'anti-dérive, décrits dans les limites de leurs aires les définissant, et qui peut ainsi être assemblé avec le dispositif qui comporte un second étage d'amortisseur global.