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Dans la tête de Xavier #2 | Trouver notre vision dans un océan de possibilités
28 Février 2022
Dans cette série d’articles, Xavier Lepercq, co-fondateur de SP80 et responsable technique, nous fait part de ses réflexions sur la conception des bateaux, la vitesse à la voile et le record du monde absolu de vitesse. Atteindre 80 nœuds (150km/h) sur l’eau propulsé uniquement par le vent est un incroyable défi technique et SP80 lui a permis de se questionner sur les codes architecturaux actuellement établis dans le monde de la voile.
Dans le premier article, l’équation de base pour déterminer la vitesse d’un bateau a été posée:
Cela signifie que :
- Augmenter la puissance fait accélérer le bateau
- Diminuer la traînée fait accélérer le bateau
Le record du monde de vitesse à la voile a très peu de règles et il est donc facile de se perdre parmi la multitude de concepts possibles. Nous avons pu nous fixer sur une idée le jour où nous avons compris qu’il ne fallait pas seulement un concept mais surtout une vision, une philosophie à laquelle se référer lorsqu’il faut faire des choix critiques et des compromis.
La vision qui régit notre concept est la suivante : toujours favoriser la stabilité du bateau, même si celle-ci n’apparaît pas directement dans “l’équation de la vitesse”, et seulement ensuite augmenter au maximum la puissance tout en réduisant la traînée.
La stabilité d’un voilier peut être assurée en grande partie grâce à une géométrie appropriée ainsi qu’à un choix de foil adapté.
1. La stabilité du bateau
Lors d’une navigation pour battre le record du monde, le bateau va être sujet à deux types de stabilités différentes:
- A basse vitesse, avant et après la tentative de record à proprement parler, la stabilité du bateau est principalement assurée par la flottaison et le poids du bateau.
- A haute vitesse, pendant la tentative de record, les forces hydro et aérodynamiques sont tellement importantes comparées aux forces de flottaison et au poids que ce sont elles qui gouvernent la stabilité.
Le bateau doit donc passer par une phase de transition entre ces deux régimes de stabilité lorsqu’il accélère ou décélère. Pour gérer les phases à basse vitesse, qui sont clés pour atteindre la vitesse qui permettra de battre le record du monde de vitesse à la voile, SP80 a dessiné un trimaran à coques planantes dont les flotteurs sont en permanence en contact avec l’eau.
A haute vitesse, la stabilité est assurée par un système mécanique qui permet de s’affranchir des moments générés par les forces aérodynamiques (le kite) et hydrodynamiques (le foil). En d’autres termes, ce système optimisé par l’équipe permet d’équilibrer la force du kite (qui pousse le bateau vers le haut) avec le foil qui ancre le bateau à l’eau.
Ainsi, avec ses trois flotteurs, son système mécanique optimisé et son poids, le bateau SP80 ne volera pas. Ce concept est à contre-courant de ce qui est souvent vu dans le monde de la voile aujourd’hui, mais encore une fois : et si faire voler les bateaux était une fausse piste ?
la stabilité en vidéo
Cependant, l’utilisation d’un grand kite comme moyen de propulsion et d’un foil pour garder le bateau en contact avec l’eau crée de nouvelles instabilités.
Concentrons-nous sur les foils et les phénomènes physiques complexes qu’ils subissent sous la surface.
2. La stabilité des foils
Une légère variation des forces hydrodynamiques, par exemple due aux vagues ou à un changement d’écoulement autour du foil peut grandement affecter la stabilité du bateau. SP80 a donc analysé différents types de foils en gardant en tête son besoin crucial de stabilité à 80 noeuds. Parmi les foils considérés, mentionnons les foils classiques en forme de goutte d’eau (comme sur l’Hydroptère, les F50 du SailGP ou les bateaux de l’America’s Cup), les foils supercavitants, les foils base-ventilés (utilisé par Paul Larsen en 2012) et les foils superventilés. Analysons leurs potentiels :
- Les foils classiques (sous-cavitants) : malgré leurs très bonnes performances, ils ne sont pas envisageables pour atteindre les 80 nœuds. En effet, à une vitesse d’environ 55 noeuds, la cavitation est inévitable et rend ce type de foil très instable.
Exemple de cavitation dans le tunnel de cavitation de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)
- Les foils supercavitants : ce sont les plus performants en théorie à 80 nœuds. A l’inverse des foils classiques en forme de goutte d’eau, ils ont la forme d’une lame de couteau. Le côté tranchant est le bord d’attaque, l’intrados du foil est en contact avec l’eau, alors que l’extrados et le bord de fuite sont dans une bulle de vapeur d’eau. Ils sont cependant très instables car ils risquent de ventiler soudainement. Si de l’air en provenance de la surface est aspiré dans la bulle de cavitation, la pression dans cette bulle va augmenter d’un coup et la portance chuter. Une telle transition est très soudaine et très difficilement prévisible ce qui rend l’utilisation d’un tel foil trop risquée pour le record.
- Les foils base-ventilés : ils offrent un bon compromis entre performance et stabilité. Ils ont une forme similaire à celle des foils supercavitants mais cette fois-ci seul le bord de fuite est en contact avec une bulle de ventilation (air) au lieu d’une bulle de cavitation (vapeur).
Cependant si l’extrados du foil se met à caviter ou ventiler, la portance va baisser soudainement et créer une instabilité. Cette transition peut apparaître autour de 75/80 nœuds: ces foils fonctionnaient parfaitement pour le record de Vestas SailRocket, Paul Larsen n’ayant pas dépassé les 70 nœuds.
En revanche, ils ne sont pas suffisants pour la vitesse cible de SP80.
Images de Vestas Sailrocket II, actuellement détenteur du record du monde de vitesse à la voile.
- Les foils superventilés : De prime abord moins performants, ces foils sont extrêmement stables! Ils ressemblent beaucoup aux foils supercavitants, à la différence que la vapeur d’eau est remplacée par une bulle d’air, aspirée depuis la surface de l’eau. Une fois que l’extrados est ventilé (dès que le bateau dépasse les 8 ou 10 nœuds) il n’y a plus de transition possible, quelque soit la vitesse du bateau. Ce sont les foils utilisés par les Hydroplanes dans des virages à plus de 150 noeuds!
Ces foils sont donc les plus stables à haute vitesse: un choix logique pour SP80 dans un contexte de record de vitesse. Aujourd’hui, une équipe est dédiée à les optimiser afin de gagner un maximum en performance tout en gardant leur grande stabilité.
Un Hydroplane, c’est quoi?
Conclusion
Conformément à notre philosophie qui vise à toujours privilégier la stabilité et garantir la sécurité de notre pilote, nous avons validé un design de trimaran, avec trois flotteurs et un module de puissance pour gérer l’alignement des forces entre le kite et le foil. Ce design réaffirme un point clé de notre concept: le bateau de SP80 restera en contact avec l’eau et ne fera pas partie de la génération des bateaux volants.
En ce qui concerne le foil, l’équipe hydrodynamique de SP80 s’efforce d’augmenter autant que possible les performances du foil superventilant tout en le maintenant stable.
Ces trois éléments clés liés à la stabilité (les flotteurs, le module de puissance, et le foil superventilant) ont été testés sur un modèle à échelle réduite du bateau pour valider notre concept avant de s’attaquer à la construction du bateau final.
Le premier point de notre vision étant validé, il nous reste à nous concentrer sur les deux autres :
- Augmenter autant que possible la puissance : l’énorme potentiel de puissance du kite sera abordé dans un prochain article
- Diminuer autant que possible la traînée : en plus des développements sur le foil, l’aérodynamisme du bateau a été optimisé grâce à des centaines d’heures de simulations. La construction avançant bien, nous serons bientôt en mesure de vous dévoiler le design final.
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