AILES RIGIDES On parle d’aile rigide par opposition aux gréements traditionnels, composés d’un mât et de voiles ‘’molles’’ UN PEU D’HISTOIRE UN RIEN DE THEORIE QUELQUES EXEMPLES UN CAS CONCRET: AILE DU COMMUTER CAT 22 M AUTRES CAS… Gilles TRIBOULAT Formation CEEMF vendredi 23 mai 2014

UN PEU D’HISTOIRE ‘’INNOVATION’’, ‘’REVOLUTION’’ ? De tout temps les navigateurs se sont inspirés de la nature pour faire avancer les bateaux : C’est ce que nous appelons maintenant la Biomécanique En Polynésie, après plusieurs milliers d’années d’expérimentation à travers le Pacifique, c’est le profil de l’aile de la frégate qui avait été adopté pour propulser les pirogues océaniques.

Les pirogues des premiers découvreurs du Pacifique (découverte de la Nouvelle Zélande en 600 après JC et après des milliers d’années d’expérimentation et d’expérience) disposaient de voiles rappelant par leur forme les ailes de la frégate, le matériau végétal utilisé (disponible localement sur les îles) était du type Pandanus tressé en ‘’panneau épais’’ (par rapport au tissus en coton des voiles européennes)

LA FREGATE: 1,5 kg pour 2,40 m d’envergure charge alaire extrêmement faible (rapport masse et surface)

Ce n’est pas par hasard si l’aile de la frégate a servi d’exemple aux concepteurs des pirogues océaniques : Grand allongement et finesse du profil, aérodynamisme maximum permettant des vols de longue durée avec peu de battement d’aile (donc faible dispersion d’énergie) Problème de le la frégate : elle ne peut pas décoller d’une surface plate (il lui faut une pente minimum d’environ 10°, nous verrons pourquoi plus loin)

C’est un exemple de ce que nous appelons maintenant la biomécanique : La biomécanique est l'exploration des propriétés mécaniques des organismes vivants ainsi que l'analyse des principes d'ingénierie faisant fonctionner les systèmes biologiques Aristote (-384 -322 avant JC) a été le premier à écrire sur le sujet (De Motu Animalium, ou Sur le mouvement animaux). puis Léonard de Vinci (1442/1512) reconnu comme le premier vrai biomécanicien, car il a été le premier à étudier l’anatomie dans le contexte mécanique. Au 16e siècle, Descartes a suggéré un système philosophique où tous les systèmes vivants, incluant le corps humain (mais pas l’âme), sont tout simplement des machines contrôlées par les mêmes lois mécaniques,

1974 Premier gréement rigide en finale de la Petite Coupe de l’America « MISS NYLEX » AUSTRALIE

En 1974, les australiens sur « Miss Nylex » défendent victorieusement leur "Petite Coupe" contre les néo-zélandais sur « Miss Stars », 4 - 0. « Miss Nylex » utilise un plan de voilure entièrement rigide, fruit de trois années d'études et d'expériences. L'aile haute de 10,90 m à  une surface de 22, 80 m², réalisée en Spruce, balsa et mousse de polystyrène recouvert d'une toile polyester. Composée de trois éléments : un bord d'attaque constituant le mât, un volet intermédiaire et deux volets de bord de fuite.  1976. Cette saison de compétitions est un des grands tournants pour les voilures des classe C, elle ouvre la controverse entre les partisans de la voilure rigide et ceux de la voilure classique. Il est établi que de part et d'autre d'une limite de vitesse de vent de 10 à 12 noeuds, chacune des formules de voilure a le dessus sur l'autre. En dessous c'est la voilure classique qui mène la course et en dessus c'est la voilure rigide. 

COUPE DE L’AMERICA1988: STARS AND STRIPES ET NZ BORD A BORD En 1988 (il y a + de 25 ans) Stars and Stripes le défendeur US de la coupe de l’América avait été équipé d’une aile rigide après de nombreux essais comparatifs entre gréement traditionnel et aile. Commentaire du skipper Denis Connors à l’époque : Voile ou aile, de toute façon on leur tournait autour…

LA PREMIERE AILE UTILISEE EN REGATE DE LA COUPE DE L’AMERICA, IL Y A 25 ANS Une aile robuste dans un premier temps. Allégée et considérablement augmentée en surface ensuite.

UN PEU DE THEORIE Profil: Définition et terminologie Les forces en présence Aérodynamisme de l’aile

POUTRE TUBE Entre le tube qui offre la plus grande rigidité (poids/résistance) à la flexion mais d’un mauvais rendement aérodynamique (il est difficile de faire voler un tube…mais pas impossible, des exemples existent)

TUBE + PLAN et la feuille qui offre le plus grand rapport (poids/surface) on a inventé (ré-inventé), le profil aérodynamique.

DEFINITION PROFIL Le profil d'un élément aérodynamique est le contour de cet élément dans un fluide en mouvement relatif. Dans le cas d'une aile , le profil est le contour de la coupe transversale ou "section", qui est constante ou variable d'un bout à l'autre de l'élément.

CARACTERISTIQUE DU PROFIL La géométrie du profil détermine en partie les performances de l’aile : Corde = Largeur de l’aile Epaisseur relative du profil : Position de la plus grande épaisseur (1/3 à peu près de la largeur pour les foils et ailes) Rayon du bord d’attaque Pour être utilisable et notamment permettre les virements de bord, une aile installée sur un bateau doit avoir un profil déformable

DIFFERENT PROFILS

AILE DEFORMABLE

TERMINOLOGIE PROFIL

Selon la figure ci-dessus, on définit les grandeurs géométriques suivantes d'un profil aérodynamique L= Force de portance perpendiculaire au déplacement du fluide exprimée en newtons (Lift en anglais) D= Force de trainée résistance parallèle au déplacement du fluide exprimée en newtons (Drag en anglais) a=Angle d'attaque (ou d'incidences géométrique) A= Bord d'attaque C =Longueur de la corde de référence B= Bord de fuite d =Position de la cambrure maximale du profil AB= Corde de référence du profil f =Cambrure maximale AMB =Extrados r =Rayon du bord d'attaque ANB =Intrados APB =Ligne de cambrure du profil par rapport à la vitesse de l'écoulement, Vinfini t. =Angle du bord de fuite Le milieu des segments perpendiculaires à la corde de référence, tel MN, est appelé squelette du profil ou ligne de cambrure moyenne. On note f la plus grande ordonnée de la ligne de cambrure moyenne par rapport à AB. Le rapport f/c est appelé cambrure relative la valeur maximale du segment MN représente l'épaisseur maximale du profil, e max L'expression: e max/c = t correspond à l'épaisseur relative maximale. Les profils classiques ont une épaisseur relative de 6 à 20 % située environ à c/3 la cambrure relative est de l'ordre de 6 à 8 % et d/e max varie de 15 à 50 %. Sur la même figure apparaissent les forces aérodynamiques : L (la portance) et D (la traînée).

QUELQUES NOTIONS D’AERODYNAMIQUE PRESSION DU FLUX D’AIR PORTANCE (LIFT) TRAINEE (DRAG) FORCE PROPULSIVE

PRESSION DU FLUX D’AIR En arrivant au niveau de l’aile les filets d’air sont accélérés sur l’extrados par rapport à l’intrados ce qui entraine une pression plus forte sur l’intrados.

Le théorème de Bernoulli, qui a été établi en 1738 par Daniel Bernoulli, est la formulation mathématique du principe de Bernoulli qui statue que dans le flux d'un fluide, une accélération se produit simultanément avec la diminution de la pression. Dans un flux de fluide sans viscosité et donc dans lequel une différence de pression est la seule force d'accélération, la vitesse est équivalente à celle donnée par les lois du mouvement de Newton. Il est très commun que l'effet de Bernoulli soit cité pour affirmer qu'un changement de vitesse cause un changement de pression ; cependant le principe de Bernoulli ne fait pas ce rapport et ce n'est pas le cas. Il a posé les bases de la dynamique des fluides et, d'une façon plus générale, de la mécanique des fluides. Initialement utilisé pour des fluides en circulation dans une conduite, il a trouvé un important champ d'application en aérodynamique (portance).

PRINCIPE DE BASE: Quand un flux d'air arrive sur une aile, la pression et la vitesse du flux s’en trouvent modifiés. Ces modifications se traduisent par l'apparition d'une force aérodynamique sur l'aile.   La portance est l’une des composantes. 

ANGLE D’ATTAQUE La portance est proportionnelle à l'angle d'attaque. Pour un angle d'attaque nul, les ailes et les voiles produisent une portance nulle parce qu'il n'y a aucun écart de vitesse entre les circulations au-dessus et en dessous du profil. Avec des angles d’attaque très importants, le flux d'air ne peut suivre le profil. Quand le flux d'air se sépare du profil (décrochage), il y a réduction immédiate de la portance et augmentation de la traînée. L'angle d'attaque optimum pour les ailes utilisées pour la navigation à voile est d'environ 10° tandis que pour les voiles, l'angle d'attaque optimum est d'environ 20°

FORCE PROPULSIVE Portance et trainée

COMPARAISON AILE/VOILE A  10° d'angle d'attaque (angle de travail d'une aile), la portance générée par une aile est supérieure à celle d'une voile à 20° (angle de travail d'une voile) A  10° d'angle d'attaque (angle de travail d'une aile), la trainée générée par une aile est inférieure à celle d'une voile à 20° (angle de travail d'une voile)

Comparaison aile/voile suivant les allures, au près et au largue L'AILE - MÊME ANGLE D'ATTAQUE (MÊME EFFICACITÉ AÉRODYNAMIQUE) QUELQUE SOIT LA DIRECTION DU VENT. La voile - Plus grand est l'angle d'attaque, plus faible est l'efficacité aérodynamique.

Comparaison aile/voile au portant

FORCE PROPULSIVE AU PRES ET AU PORTANT

QUELQUES EXEMPLES : USA 17 COUPE DE L’AMERICA 2010

USA 17 est un trimaran américain de l'équipe BMW Oracle Racing ayant gagné la coupe de l'America 2010 (deux victoires à zéro face au catamaran suisse Alinghi 5) grâce à un gréement révolutionnaire : une aile rigide de 72 mètres (soit plus qu'une aile d'Airbus A3802) à la place de la voile classique qui équipait le bateau à sa mise à l'eau. L'aile permet au trimaran d'atteindre des vitesses 4 fois supérieures à la vitesse du vent10 et de virer en quelques secondes. L'aile pivote et se bascule au vent. Matériaux de l'aile : l'aile est composée de : Carbone pour la structure11 (les parties en noir), Kevlar sur les bords d'attaques (les parties en jaune) et Toile aéronautique collée à chaud sur les panneaux intermédiaires préchauffés au fer à repasser12 ( les parties blanches13). Composition : l'aile est composée d'un élément principal pivotant et basculant à l'avant et neuf volets réglables indépendamment derrière le bord de fuite de l'élément principal (le neuvième volet fut rajouté à Valence par l'équipe d'Oracle) Structure : carbone pour le "mât" structures et nervures en carbone, en sandwich pour la structure des carénages Tirant d’air de l’aile : 72 mètres soit environ 218 pieds, après le rajout d'un neuvième volet à Valence Épaisseur de l’aile : de 20 cm (au sommet) à 2 mètres (au tiers inférieur) Corde de l’aile : de 2 mètres à 14 mètres Poids de l’aile (annoncé avant l'ajout du neuvième volet) : 3,5 tonnes Surface de l’aile : plus de 700 mètres carrés Génois : 620 mètres carrés (il fut affalé pendant la première manche à 15 heures alors que le trimaran avait 160 mètres d'avance sur son concurrent helvétique) Gennaker : le gennaker, au faible recouvrement (le recouvrement diminue l'efficacité de l'aile rigide) et au guindant détendu a une surface totale de 780 mètres carrés Surface de voilure au près : 1 320 mètres carrés Surface de voilure au portant : 1 480 mètres carrés Heures de travail nécessaires à la construction de la première version de l'aile : 20 000 heures (soit 10 personnes pendant 13 mois)  

AILES AC72 COUPE DE L’AMERICA 2013 AC72 Emirates Team New Zealand   Wingsail catmaran - Catamaran à aile rigide Designer - Architecte: Design Team Launching date - Mise à l’eau: 21/07/2012 LOA - Longueur: 22 m LWL - Flottaison: 22 m Beam - Bau: 14 m Draft - Tirant d’eau: 4,40 m Air draft - Tirant d’air : 40 m Displacement - Déplacement: 5,7 t Wingsail area - Surface de l’Aile: 260,50 m2 Wingsail + gennaker - Aile + gennaker: 580 m2 Crew - Equipage : 11  Les AC 72 retenus pour la Coupe de l’América sont bien plus ‘’raisonnables’’

AILES CATA CLASSE C ACTUELS Tous les catamarans Classe C sont maintenant équipés d’aile rigide notamment ceux de dernière génération HYDROS à gauche, Aile GROUPAMA à droite (jauge Petite Coupe de l’América 27.8 m²)

PROJET AILE GRANDE PLAISANCE Projet Aile grande plaisance pour le cata de Titouan LAMAZOU bateau atelier peintre (VPLP)

AILES POUR LE COMMERCE Plusieurs projets Européens importants du côté ‘’commerce’’ avec des ailes pour cargos, tankers etc A gauche Projet WINDSHIP , à droite VPLP (?)

AILE DU COMMUTER CAT 22 M

Propulseur vélique, aile d’appoint à catamaran motorisé avec 1 VOLVO TAMD 310 CV pour obtenir + de 12 Nds de moyenne. Commuter (to commute) aller/venir sur des parcours de moyenne distance autonomie de 1000 milles nautiques (entre Tahiti et les Tuamotu) Architecte Jim ANTRIM 2 flotteurs perce-vagues en aluminium (pour beacher sur le corail) faible tirant d’eau 0.70 M grâce au moteur central et aux safrans relevables, déplacement 17 tonnes à vide, 23 tonnes en charge Aile : 56 M², 16 mètres de haut, 5.50 mètres de corde X 0.50 m d’épaisseur à la base (à peut près la taille d’une aile d’Airbus 320), Propulseur complet : 18 mètres, poids 700 Kg Quatre panneaux verticaux : 1/ Spar la partie porteuse structurelle 2/Flexi part (entre le Spar et le Flap, comme le nom l’indique déformable (FLEX) enfin relativement…) 3/Flapt rigide (mais aussi flexible-en tubes carbone/Kevlar- le volet à ‘’charnières’’) 4/Tab (sur un ‘’torque tube’’ carbone avec une structure en PVC très légère   Un ‘’mast’’ (en forme de quenouille) sur lequel tournent les roulements haut et bas d’encastrement et qui fait office de pivot en partie haute pour le Spar (mouvement de bascule avant/arrrière) La commande des parties mobiles, Flap, Tab et Tilt (bascule) se faisant par pompes hydrauliques à volant (du type direction de vedette) actionnant des vérins fixés sur la bôme.

PROPULSEUR VELIQUE 50 M² = 50 CV ? Lors des essais sous aile seule , nous avons obtenu 8 Noeuds au près soit bien plus de 50 CV…

Structure de l’aile : 1/SPAR (partie structurelle), 2/Emplacement de la peau Kevlar ‘’FLEXI PART’’(déjà en place sur le dessous) 3/FLAP (volet articulé sur nervures) 4/TAB (volet sur torque tube)

LE FLEX ET LE TWIST… Légères déformations nécessaires mais aussi ‘’résilience’’ = nervosité de la structure et du matériau Sur les ailes du type Coupe de l’América le Flex est obtenu par le réglage des différents volets du flap sur le plan horizontal. Sur le Commuter, la structure a été conçue de façon à obtenir le Flex par une déformation ‘’naturelle’’ des différents éléments de l’aile.

PEAUX KEVLAR ET RENFORTS X FRONT PANNELS Essai de déformation à 290 Kg: Casse des nervures nécessitant la mise en place des renforts X FRONTS PANNELS sur face avant des FLAPS (en fabrication sur la photo de droite) Les peaux en Kevlar des FLEXI-PARTS sont prêtes à venir fermer la structure de l’aile

STRUCTURE INTERIEURE DE L’AILE Les FLEXI-PARTS (les peaux en kevlar) et les FLEXI TUBES qui maintiennent les deux faces des FLEXI-PARTS Les nervures du FLAP articulées sur ‘’charnières’’

BASCULE ‘’TILT’’ Le basculement avant/arrière de l’aile a été décidé lors des avant-projets, étant donné qu’il était difficile de décider de la position de l’épaisseur maximum du profil. La bascule permet le réglage de la position de l’épaisseur relative de l’épaisseur max du profil (+ ou – 20 %). Le TILT était aussi destiné à libérer les contraintes excessives en cas de survente en relâchant la pression du sytème hydraulique via une vanne by-pass.

3 pompes hydrauliques (TILT, FLAPS, TAB) + vérins LECOMBLE/SCHMITT LE CONTRÔLE 3 pompes hydrauliques (TILT, FLAPS, TAB) + vérins LECOMBLE/SCHMITT Renforts X-BEAMS (de la structure du roof) + BEARING (roulement carbone et aiguilles en céloron)

CONTROLE FLAP ET TAB Articulation du TAB: Vérin sur levier actionnant le ‘’torque tube’’ Secteur des drosses du FLAP

BOME, SECTEUR, CHARIOT Le vérin du FLAP actionne le secteur qui renvoie la tension sur les chariots HARKEN La bôme et le SPAR sont solidarisés. L’ensemble bascule autour du pivot en haut du MAST à environ 4 mètres au dessus de la bôme. Le MAST tourne à 360 ° sur les roulements haut et bas

Il faut une heure environ pour mettre l’aile en place, MISE EN PLACE DE L’AILE Il faut une heure environ pour mettre l’aile en place,

COMMUTER CAT EN NAVIGATION SOUS AILE

AUTRES TYPES D’AILES TURBOVOILE

Une turbovoile est un système de propulsion éolien destiné principalement à la navigation maritime, inspiré de l'effet Magnus. Le Commandant Cousteau a dérivé de ce principe celui de la turbovoile, utilisée sur son bateau le Moulin a vent puis sur l'Alcyone. Ses deux cylindres fournissaient environ 25 à 30 % de l'énergie propulsive qui venait assister la propulsion par hélice. Le navire fit son premier voyage en 1985. Ce système n'utilise pas l'effet Magnus à proprement parler. La turbovoile n'est pas un cylindre tournant. C'est en réalité une voile épaisse ayant de ce fait une portance très supérieure à une voile classique. Elle présente une forme ovoïde et est prolongée par un volet mobile permettant de former un intrados et un extrados. Cette voile doit être orientée en fonction de la direction du vent tout comme une voile classique. Le profil épais de cette voile créerait naturellement des turbulences du côté de l'extrados, perturbant considérablement son fonctionnement, mais un système d'aspiration interne à la voile et masqué ou démasqué par le volet, évite la formation de ces turbulences, d'où le terme turbo. Il était prévu d'équiper la Calypso II avec ce système mais ce navire n'est resté qu'à l'état de projet.

ROTOR FLETTNER L’effet Magnus, découvert par Heinrich Gustav Magnus (1802-1870), physicien allemand, permet notamment d’expliquer les effets de balle dans le sport et le fonctionnement de certains modes de propulsion.  Le premier essai d'un système utilisant l'effet Magnus, est celui de l'Allemand Anton Flettner. Il a été réalisé dans les années 1920 sur le Buckau, navire animé par la force développée par deux grands cylindres verticaux en rotation montés sur le pont. A traversé l’atlantique en 1926 (autre exemple avec le Barbade 2077 tonnes et des vitesses de l’ordre de 4 Nds au près et 9 Nds au portant avec 3 rotors)

En 2006, la société de construction d'éoliennes Enercon commanda aux chantiers navals Lindenau-Werft de Kiel un cargo de 130 m de long équipé, en plus de deux moteurs Diesel, de quatre rotors Flettner. Il a été mis à l'eau en aout 2008 et sa mise en service est intervenue en août 2010.