Brevet FR3093497A1 — publié le 20200911

Description Titre de l'invention : Fou à régulation d'immersion sans pièces mobiles. Domaine technique [0001] La présente invention s'applique aux ailes immergées, ou « hydrofoils » que nous ap- pellerons ici simplement « Foils », et en particulier à la régulation de leur profondeur d'immersion. Les foils sont utilisés comme moyen d'appui hydrodynamique d'appoint ou principal d'une embarcation et présentent généralement un profil et une incidence par rapport au flux liquide adaptés à créer une force soulevant tout ou partie de la carène au-dessus du niveau de l'eau, diminuant ainsi drastiquement la traînée. Ils peuvent équiper des embarcations à moteur ou à voile de toutes tailles, y-compris des planches tractées par cerf-volant ou « kitesurfs ». En adaptant leur inclinaison dans un plan perpendiculaire à la trajectoire, ils peuvent aussi équilibrer des forces transversales comme les effets centrifuges ou la composante latérale de la traction d'un cerf-volant. La maîtrise de leur profondeur d'immersion reste cependant un problème épineux. Etat de la technique [0002] Il existe plusieurs moyens de réguler la profondeur d'immersion des foils. [0003] Certains foils dits « perceurs » ont leur surface porteuse qui traverse l'interface air- eau et la simple variation de la surface immergée assure la régulation en immersion. Ce type de foil présente l'inconvénient d'aspirer de l'air vers le bas le long de son intrados selon un phénomène appelé « ventilation » qui provoque de brusques pelles de portance. [0004] En revanche, les foils dits « non-perceurs » ont leur surface porteuse entièrement immergée et sont reliés à l'embarcation par des « mâts » profilés qui n'ont pas de rôle porteur. De nombreux brevets comme par exemple le US 20120325135 Al illustrent des foils de ce type dont l'asservissement en immersion se fait avec l'aide d'un flotteur ou palpeur en appui sur la surface de l'eau associé à une tringlerie agissant sur l'incidence du foil lui-même ou d'une surface de contrôle secondaire L'utilisation de ce type de foils est limitée à des conditions d'état de surface de l'eau relativement calme car la régulation devient erratique dans les vagues ou même le clapot à haute vitesse. [0005] Il existe des variantes de ces foils qui sont régulés par des mécanisme motorisés et pilotés par de l'électronique comme dans le brevet US 3156209 A. [0006] Des foils entièrement immergés et asservis en immersion par une prise de pression statique ont été réalisés. Le brevet DE 2313644 en illustre un exemple. Ce type 2 d'asservissement présente l'avantage de bien fonctionner à haute vitesse et de ne pas être affecté par le clapot. Pour une utilisation en environnement marin côtier, l'inconvénient de ce type de foil est. sa fragilité et complexité du réglage. [0007] Le brevet US 3221698 A décrit un foil dont la profondeur est régulée en partie par une ventilation motorisée des extrados via des petits trous ménagés dans la surface du foil. Cette invention implique la mise en oeuvre de pompes à air motorisées et de systèmes d'asservissement compliqués qui ne sont pas adaptés à de petites embarcations. [0008] Le brevet US 5653189 décrit un foil dont la portance est régulée par ventilation de l'extrados via les bras qui le relient à l'embarcation, cette ventilation étant régulée par différents moyens mécaniques motorisés ou non. [0009] Le brevet US 3335687 A décrit un foil dont la portance est bridée par un système de prise de pression sensiblement situé en milieu d'extrados et contrôlant un flux d'air vers le bord d'attaque. [0010] Cc système vise surtout à lisser les variations de portance, mais la régulation n'est pas corrélée à la profondeur d'immersion. [0011] Certains foils sont munis d'un empennage muni d'un plan horizontal, comme les avions auxquels ils ressemblent. Ils sont souvent associés à des planches de « surf » de « kitesurf » ou de « wakeboard ». [0012] Sur un avion, le centre de gravité est placé par conception devant la résultante de portance de l'aile pour avoir en permanence un effet « à piquer ». Le plan horizontal de l'empennage a une portance dirigée vers le bas et est muni d'une gouverne de profondeur mobile qui module son effet « à cabrer ». [0013] Par contraste, ces foils en forme d'avion sont dépourvus de toute partie mobile, la ré- gulation en tangage s'obtient aussi par ajustement de l'antagonisme entre l'effet « piquer » du poids et l'effet « à cabrer » de l'empennage, mais cette fois, c'est le poids qui régule dynamiquement l'ensemble par déplacement du centre de gravité du pilote. Ce principe requiert de la part du pilote une dextérité qui limite la pratique à des personnes expérimentées, surtout à grande vitesse. Exposé de l'invention [0014] La présente invention est un foil de préférence « non-perceur » dont la profondeur d'immersion est régulée passivement par ventilation de l'extrados d'au moins une surface hydro-dynamiquement active au moyen de canaux reliant différents trous pratiqués dans ledit extrados (ouïes de ventilation) à des trous pratiqués en différents points le long du mât qui relie le foil à l'embarcation (ouïes d'aspiration). [0015] Cette surface peut être l'extrados de l'aile porteuse du foil ou l'extrados de la surface horizontale de l'empennage du foil s'il en est pourvu, voir éventuellement les deux. 3 [0016] On sait que l'extrados d'un profil se déplaçant avec un angle d'incidence adapté dans un fluide est soumis à une forte dépression. En reliant par des canaux la surface de l'extrados avec la surface du mât, on crée au niveau des orifices débouchant sur le mât un effet de succion. [0017] Lorsque les orifices situés le long du mât sont immergés, cela provoque une cir- culation d'eau en direction de l'extrados de la surface active. Cela diminue la dépression d'extrados, mais de façon limitée à cause des pertes de charges liées aux frottements visqueux de l'eau sur les parois des canaux. [0018] En revanche, lorsque ces orifices situés le long du mat sont émergés, c'est de l'air qui est alors aspiré et finit par émerger au niveau des orifices de la surface active. La dépression chute alors fortement, entraînant une chute immédiate de la portance de cette surface active. [0019] En distribuant les orifices le long du mât à des altitudes différentes, on peut créer un effet de ventilation progressif de nature à créer une régulation en immersion du foil sans avoir recours à un pilote expert, des pièces mobiles, des capteurs ou actuateurs hydrauliques, électriques, etc... [0020] En effet, à mesure que le foil se rapproche de l'interface air-eau (et que donc la carène de l'embarcation s'élève par rapport à l'eau), de plus en plus d'orifices sur le niât aspirent de l'air, augmentant le flux de bulles au niveau de l'extrados de la (ou des) surface(s) active(s), provoquant soit : [0021] -Une perte de portance de l'aile principale et donc une ré-immersion par simple effet gravitaire (le poids reprends le dessus en quelque-sorte). [0022] -Une perte de portance au niveau de la surface horizontale de l'empennage qui crée une tendance « à piquer » selon un fonctionnement analogue à celui d'un empennage d'avion. [0023] -Une combinaison des deux effets ci-dessus si les extrados de l'aile principale et du plan horizontal de l'empennage sont tous deux connectés au mât par des canaux. [0024] Au contraire, à mesure que le foil se rapproche de l'interface air-eau (et que la carène de l'embarcation se rapproche de l'eau), de plus en plus d'orifices sur le mât aspirent de l'eau, diminuant le flux de bulles au niveau de l'extrados de la (ou des) surface(s) active(s), provoquant un effet inverse à ceux décrits ci-dessus. [0025] En assumant une position fixe du centre de gravité (pilote immobile pat- rapport à l'embarcation par exemple), le foil trouve une profondeur d'immersion d'équilibre et tend à y revenir malgré d'éventuelles perturbations. [0026] Cet effet autorégulateur est obtenu au prix d'une légère perte de performance du foil puisqu'il implique un flux minimum de bulles sur la ou les surfaces actives, entraînant aussi de la traînée et une portance légèrement diminuée ; toutefois, le gain en sécurité passive rend ce compromis particulièrement enviable. 100271 Un foil selon l'invention a l'avantage d'avoir un encombrement réduit propice à une utilisation côtière sportive ou de loisir, par exemple en complément d'une planche de kitesurf (planche tractée par cerf-volant), sous un dériveur, ou toute autre embarcation où l'on souhaite que le eain de performance lié au foil ne se fasse pas au détriment d'une certaine facilité de pilotage. [0028] Un foil selon l'invention peut posséder un profil asymétrique le rendant performant, c'est-à-dire produisant beaucoup de portance et peu de traînée, ou alors un profil symétrique moins performant, mais apte à fonctionner dans les deux sens pour des embarcations amphidromiques. [0029] Un foil selon l'invention peut être équipé d'un empennage type « avion » facilitant son équilibre en tangage, avec l'extrados de la surface horizontale de l'empennage et/ ou l'extrados de l'aile muni(s) de points de ventilation [0030] TI est à noter que sur les empennages de cc type, la surface horizontale présente un extrados dirigé vers le bas, et fonctionne donc en antagonisme avec l'aile. [0031] Un foil selon l'invention peut être équipé de deux surfaces porteuses munies sur leur extrados de points de ventilation, l'une étant située à une extrémité longitudinale, et l'autre situé à l'extrémité opposée de l'embarcation. La double régulation en immersion se traduit alors par une régulation d'ensemble en tangage. [0032] Un foil selon l'invention peut être utilisé sur des embarcations de toutes tailles et équipés de tous types de motorisations dès lors que la perte d'efficacité liée à la ventilation quasi-permanente de l'extrados est suffisamment compensée par le gain en simplicité et en fiabilité. Brève description des figures [0033] Figurc la : vue en coupe d'un foil monodirectionnel selon l'invention fortement immergé. [0034] Figurc lb : vue en coupe d'un foil monodirectionnei selon l'invention faiblement immergé. [0035] Vue en perspective d'un foil monodirectionnel selon l'invention [0036] Vue en perspective d'un foil bidirectionnel selon l'invention [0037] Vue en perspective d'unc variante de foil selon l'invention pourvue d'un empennage type « avion ». [0038] Figure 5a, 5b : vues de profil d'un foil selon l'invention ayant respectivement une attitude à piquer et une attitude à cabrer. [0039] Figure 6a, 6b : vues partielles de profil d'une embarcation munie de deux fouis selon l'invention ayant respectivement une attitude à piquer et une attitude à cabrer. Description détaillée de l'invention 100401 Afin de faciliter la description de l'invention qui suit, on utilisera les termes désignant les rotations telles que « lacet » roulis » et « tangage » dans le repère habituel du bateau pour le foil. [0041] - Le « tangage » est une rotation d'axe horizontal perpendiculaire à l'avancement. Le terme de « surface porteuse » désigne un corps profilé et allongé destiné à créer une force hydrodynamique s'opposant au poids de l'embarcation et aux éventuelles forces horizontales latérales telles que mais non limitées à l'effet centrifuge ou la force de traction d'un cerf-volant. L' « avant » caractérise une position amont dans l'écoulement de l'eau ; « arrière » caractérise une position aval dans l'écoulement de l'eau le long du foil. L'adjectif « longitudinal » se rapporte à l'axe de l'avancement (50) ; ce dernier présentant au maximum un angle de 20 degrés avec une corde d'une surface porteuse, correspondant à l'avancement du foil en mode non-décroché. L'« extrados » d'un profil porteur désigne sa surface qui subit un effort de dépression sous l'effet d'un écoulement de fluide, par opposition à l'intrados qui subit un effort de pression. L'adjectif « amphidromique » désigne la capacité du foil à changer d'amure en inversant l'avant et l'arrière, tout en gardant le même coté d'intrados. [0042] Selon un mode de réalisation simple de la présente invention (figure l a), un foil est constitué d'une surface porteuse (2) reliée à une embarcation (3) par un mât (1). Ledit mât est percé sur sa hauteur de trous (4) reliés à des trous (5) présents sur l'extrados de la surface porteuse (2) par des canaux internes représentés en pointillés. [0043] Se déplaçant dans la direction (50), la surface porteuse (2) présente une dépression sur son extrados (orienté ici vers le haut) ; dépression qui se propage par les trous (5) jusqu'aux trous (4) par des canaux internes. Il se présente alors deux cas pour un trou (4) donné : soit il est sous l'eau et il aspire alors de l'eau, ou bien il est au-dessus du niveau de l'eau (8) et aspire alors de l'air. [0044] La formule donnant la perte de charge linéique d'un fluide dans un conduit implique qu'un plus grand débit existera dans les canaux reliés à l'air grâce à sa plus faible viscosité que celle de l'eau. Il en résulte que la perte de dépression en extrados due aux trous et canaux sera plus forte si une plus grande proportion d'air est aspirée. [0045] Dans une configuration identique (figure lb), un foil selon l'invention est présenté plus fortement immergé relativement au niveau de l'eau (8) que sur la figure la. Un plus grand nombre de trous (4) se retrouvent donc au-dessus de la surface de l'eau (8). [0046] De ce qui précède, on comprend que dans la configuration de la figure lb, l'air est aspiré par un plus grand nombre de trous (4) et ressort par les trous (5) créant un sillage de bulles (7) plus important, mais surtout réduisant la portance (6) de la surface 6 porteuse (2). [0047] Les figures 1 a et lb, illustrent donc l'antagonisme vertueux qui régule le niveau d'immersion d'un foil selon l'invention : à vitesse constante, plus le foil est immergé, plus la portance de sa surface porteuse (2) augmente, ce qui fait remonter le foil et inversement, plus le foil est émergé, plus la portance de sa surface porteuse (2) diminue, ce qui fait replonger le foil. [0048] La configuration d'un foil selon l'invention présentée sur les figures 1 a et 1 b est montrée en perspective sur la figure 2. [0049] Une déclinaison amphidromique d'un foil selon l'invention est montrée en perspective (figure 3). Dans cc cas, la surface porteuse (2) présente un profil symétrique apte à se déplacer dans un sens (50) mais aussi éventuellement dans l'autre sens (51) dans la mesure où son angle d'incidence est adapté en conséquence par un moyen quelconque. [0050] Dans une version plus élaborée présentée en perspective (figure 4), un foil selon l'invention est muni d'un empennage (10) type « avion » relié au mât (1) par un corps (9). Dans cette configuration, le plan horizontal de l'empennage a une portance de sens opposé à celui de l'aile. Ici, l'extrados du plan horizontal est donc orienté vers le bas et en conséquence, les trous de sortie de l'air (11) sont situés sur sa sous-face. [0051] Les figures Sa et 5h montrent comment le plan horizontal (10) régule le tangage de l'embarcation (3) par variation de sa portance ; seulement, tandis que dans un avion, cette variation est obtenue par le mouvement de tout ou partie du plan horizontal, ici la variation de portance est obtenue par ventilation (7) de son extrados. [0052] Lorsque le foil selon l'invention dans sa configuration type « avion » se trouve fortement immergé (Figure 5a), peu d'air aspiré par les trous (4) ressort par les trous (11) et la portance du plan horizontal est forte. La somme des moments (52) induits par le poids (54), la portance de l'aile (55) et la portance du plan horizontal (56) est orienté dans un sens « à cabrer », c'est-à-dire qu'elle a tendance à dévier la trajectoire du foil et de l'embarcation vers le haut. [0053] Lorsque le foil selon l'invention dans sa configuration type « avion » se trouve fortement émergé (Figure 5b), une grande quantité d'air est aspirée par les trous (4) ressort par les trous (11) et la portance du plan horizontal est faible. La somme des moments (53) induits par le poids (54), la portance de l'aile (55) et la portance du plan horizontal (56) est orienté dans un sens « à piquer », c'est-à-dire qu'elle a tendance à dévier la trajectoire du foil et de l'embarcation vers le bas. [0054] Pour que la variation de portance du plan horizontal (10) de l'empennage puisse faire passer le moment résultant d'une action « à cabrer » à une action « à piquer », il est souhaitable que la résultante du poids soit placée dans une position qui tend à maintenir sensiblement le milieu du mât (1) au niveau de l'eau (8) lorsque 7 l'embarcation (3) a une vitesse constante et une assiette horizontale. [0055] On comprend de cc qui précède qu'un foil selon l'invention dans sa configuration type « avion » présente l'avantage de réguler son immersion par effet sur le tangage sans aucune pièce mobile ou nécessité de déplacer de façon dynamique la résultante du poids qui doit être simplement maintenue à une position adaptée permettant cette régulation. [0056] La configuration du foil selon l'invention présentée aux figures l a, 1 b, 2 et 3 peut être doublée dans le sens longitudinal sous l'embarcation (3) de manière à cc qu'elle soit munie d'un foil en « avant » et un foil en « arrière » [0057] Lorsque l'embarcation a tendance à piquer (figure 6a), le foil avant se retrouve plus fortement immergé que le foil arrière induisant par effet de l'invention une portance (56) plus forte que la portance (57) du foil « arrière ». Cela crée un moment « à cabrer » (52) qui tend à empêcher la carène de l'embarcation de retoucher l'eau. [0058] Inversement, lorsque l'embarcation a tendance à cabrer (figure 6h), le foil avant se retrouve plus faiblement immergé que le foil arrière induisant par effet de l'invention une portance (57) plus faible que la portance (56) du foil « arrière ». Cela crée un moment « à piquer » (53) qui tend à empêcher les surfaces porteuses des foils de sortir de l'eau. [0059] L'absence de pièce mobiles rend l'invention particulièrement adaptée à des em- barcations légères se voulant fiables et simples à manoeuvrer. [0060] Les configurations d'un foil selon l'invention peuvent différer des modes de réa- lisation décrits ci-dessus dans la mesure où ils appartiennent encore aux revendications ci-dessous. 8