Vaton prototype foiler Charles Heidseick 4

Le descriptif (1983)

1) CONCEPTION GENERALE

L'idée originelle du premier FOILER - effectivement réalisé et naviguant en haute mer "PAUL RICARD" - consiste à utiliser un foil sous le vent pour assurer la stabilité et le plan anti-dérive. Ce bateau conçu par Alain de Bergh a donné entière satisfaction, malgré une construction pénalisante en aluminium et une faible longueur à la flottaison.

L'idée d'origine du concept du nouveau MAXI FOILER " Charles HEIDSIECK " est d'être le premier multicoque à obtenir une semi-sustentation d'ensemble par plusieurs effets :

- utiliser un plan porteur pour équilibrer l'effort latéral sur le gréement à la place de l'immersion d'une coque soumise à la poussée d'Archimède, apportant une réduction de la traînée et une diminution de surface mouillée ;

- utiliser le bras de liaison coque/flotteur à des fins de sustentation, la pression statique obtenue par ralentissement de l'air dans une tuyère divergente-convergente, la tuyère étant constituée par le dessous du bras de liaison, la surface de l'eau et les bordés vertical du flotteur et coque ;

- utiliser une coque centrale différente de celle employée habituellement en multicoque, qui n'utilise actuellement pas l'écoulement à grande vitesse pour la sustentation ; le planning ;

- utiliser un moteur mât/voiles gonflables beaucoup plus puissant à surface égale que la classique voile lattée ;

- obtenir un équilibre longitudinal très centré de l'ensemble par l'emplacement reculé du moteur mât/voiles et donc de la poutre bras de liaison.

Cette semi-sustentation de l'ensemble permet une réduction de surface mouillée (déjà faible), une annulation des mouvements de tangage et un meilleur fonctionnement du moteur voilure.

2) FOILS LATERAUX ET MILIEU

Les positions relatives des foils latéraux et de la voilure sont prépondérantes d'une part comme sur un bateau classique pour assurer l'équilibre à la barre, d'autre part pour régler l'enfoncement du foil sous le vent.

Pour l'équilibre à la barre, la poussée sur la voilure doit être égale et opposée à celle exercée sur le foil sous le vent, en se rapportant à un plan horizontal. La poussée de la voilure s'exerçant vers l'avant explique la position avancée des foils par rapport au centre de voilure. En plaçant arbitrairement, dès le début du concept, la mâture au-dessus du centre de gravité de l'ensemble, on obtient la position des foils et donc celle des bras de liaison. Le centrage est optimum.

L'enfoncement du foil sous le vent est difficile à équilibrer. L'idéal correspond à une coque immergée de vingt centimètres, évitant la ventilation de la partie haute du foil. Si, dans un plan perpendiculaire à l'axe du bateau, la résultante de la poussée sur la voilure passe au-dessus du centre de poussée sur la voilure, la composante verticale est trop forte, le foil sort, ventile et le bateau dérape. Si cette résultante de la poussée du foil passe sous le centre de poussée de la voilure, le foil s'enfonce jusqu'à ce que l'enfoncement du flotteur rétablisse d'équilibre avec une perte d'efficacité. C'est un moindre mal... Une marge de sécurité est prise dans ce sens de façon à tenir compte de la difficulté à déterminer la position exacte du centre de poussée sur la voilure. Les foils sous le vent sont calculés pour une poussée moyenne de 5.160 kg à 20 nœuds et de 7.600 kg à 25 nœuds.

Les foils seront légèrement en avant du centre de l'aire de flottaison pour contrer le tangage par un léger cabré de l'ensemble.

Ces foils à profil mince (de 7 à 8 % d'épaisseur relative) sont sans incidence, grâce à leur dessin de profil particulier, ils supportent des vitesses très élevées sans cavitation (+ de 35 Nds).

La quille, en position très reculée, soutient un foil en "V" inversé ayant pour fonction une légère sustentation de l'arrière (1,5t à 20 nœuds), Cette sustentation arrière compense le cabré dû à la vitesse. Par ailleurs, la tenue horizontale du bateau étant stabilisée, le travail des foils est facilité, l'aileron de quille ayant lui, une fonction de tenue anti-dérive de la partie arrière, les foils latéraux poussant la partie milieu avant du bateau. Aux allures portantes, le bateau sera tenu en ligne et l'énergie perdue habituellement par dérapage sera récupérée.

Enfin, cette quille protège les safrans des chocs importants, épaves et autres…

3) BRAS DE LIAISON A EFFET HYPERSUSTENTATEUR

Le concept du bras en aile étant de privilégier la portance due à l'intrados en effet de sol, la "tuyère" est constituée par le dessous du bras de liaison en aile et la surface de l'eau ; le problème relevant de techniques aéronautiques, il s'agit d'un problème d'hypersustentation en effet de sol.

Le but recherché est de déterminer le profil donnant le meilleur Cz, sans être au détriment de la traînée. La hauteur de l'aile serait inférieure à la corde de l'aile. L'intérêt essentiel de la formule est la finesse élevée (rapport entre le coefficient de portance Cz et le coefficient de traînée Cx) ; l'inconnue principale est la tenue sur le clapot.

Hypothèse :

- l'écoulement est permanent et bidimensionnel (les flotteurs, foils latéraux et coque centrale réalisant

l'allongement infini en première approximâtion), turbulent.

- l'air est considéré comme incompressible (vitesse maximale envisageable : UO m/s).

- augmentation de la divergence des filets ; deux possibilités :

Augmenter l'incidence

Augmenter la cambrure

- installer un volet réglable en fonction du vent apparent.

- rapprochement de l'intrados du filet non déformé à l'infini :c'est l'effet de sol.

En effet, le sol figure une ligne de courant non déformée, donc le filet à l'infini. En fait, le rapprochement du sol diminue la divergence en aval sur l'intrados. La combinaison des deux effets précédents donne lieu à l'hypersustentation en effet de sol.

- Cz étant proportionnel à la cambrure, incite à choisir comme profil de base déjà cambré (Gottongen n° 652). La poussée vers le haut devrait avoisiner 2.500 kg avec 40 nœuds de vent.

Les aérodynamiciens procéderont de la façon suivante : compte tenu du cahier des charges qui donnera les caractéristiques souhaitées pour le profil (coefficients de portance, de traînée et de moment), ils détermineront une répartition des pressions sur l'aile en tenant compte de l'effet de plaque de la coque du flotteur. Ces paramètres de pression constituent les données du programme qui, en vertu des lois de la mécanique des fluides, calculent les coordonnées du profil.

Les formes extérieures étant définies, il reste à chercher la manière de remplir les volumes, c'est-à-dire à calculer la structure en fonction des efforts mécanique du couple de redressement. La poutre sera en carbone, époxy et NIDA calculé par la méthode des éléments finis (Calculs CEA de Cadarache).

En ce qui concerne la géométrie en plan du bras-aile tourné vers l'avant (30° par rapport à l'axe), il est rendu nécessaire par l'obligation de privé legier le rendement du profil sous le vent, en sachant que les routes les plus suivies sont comprises entre 22° et 44° du vent apparent.

En outre, cette configuration permet un centrage maximal des poids, un recul par rapport aux vagues et embruns, générés à l'avant du bateau et une meilleure implantation mécanique, les 30° réduisant l'effort de cisaillement vers l'arrière et répartissant vers le centre la poussée du foil et du flotteur.

Le fardage est réduit de fait au minimum.

Enfin un réglage et une sécurité sont prévus par 2 tirants Kevlar reliant l'extrémité du bras aile à l'étrave, réglage fin par vérins hydraulique.

4) MÂT AILE ET VOILE GONFLABLE

Le moteur habituel d'un multicoque classique - foc, mât tournant et grand-voile lattée à fort rond de chute - est très mal adapté aux vitesses atteintes actuellement : beaucoup de trainée, rendement très faible, rond de chute rendant les manœuvres difficiles, voiles fragiles, etc.

Sachant par ailleurs, que les rendements - notés de 1 à 10 - pour différentes formules donnent très approximativement, à surfaces égales.

1,70 voiles + Mâtures classique

1,85 voiles classiques + mât tournant

2,45 voiles épaisses + mât tournant

2,80 voiles épaisses + mât tournant + fente

5,00 rotor + aspiration couche limite

La formule : voiles épaisses + mât tournant + fente (en gardant bien la possibilité d'un génois léger classique pour le petit temps) parait s'imposer.

Le dessin du mât aile dépend du profil choisi (NACA 65 A 012 ) et, à partir du moment de redressement maxi de 89600 mkg, la compression sur le mât est évaluée à 57,6 t, dont 16 t encaissées par la poutre bras de liaison et le haubanage latéral, 25,4 t par l'étai. Le mât pourrait être fabriqué à partir de profil existant ou extrudé en deux parties. (Pas de PATARAS).

En ce qui concerne la voilure, nous avons opté dès le départ pour une voilure gonflée et non rigide : un poids inférieur et une relative facilité de mise en œuvre semblent primordiaux.

L'idée originelle consiste, en partant de l'âme centrale en voile classique mais sans rond de chute, à marier deux poches en tissu mixte étanche venant de part et d'autre à 50% de la corde du profil.

Après avoir pris connaissance du projet, la société ZODIAC propose une voile épaisse gonflée entièrement (foc + grand-voile) par la pression d'arrêt du vent, gonflement effectué par deux écopes en tête des voiles, le profil étant réalisé par lassage interne des goussets de lattes. Un prototype de foc gonflable par ce procédé est à l'étude sur un KELT 8,50 m.

D'autre part, Mr Verrier - de la Société ZODIAC - s'occupe d'adapter un mât tournant à cette voile. Un amortisseur en pied de mât a été proposé pour installer l'ensemble du moteur mât aile + voilure gonflable sur suspension ... (éviter les pics de compression).

Le roulement de pied de mât est un "SKF" classique du commerce sur roulement de portée semi-sphérique, fonctionnant dans la graisse, derrière des joints d'étanchéité.

Il est à noter que ce moteur mât aile + voile gonflable est particulièrement adapté pour fonctionner sur un foiler, du fait du peu de mouvement brutaux, ce genre de mouvements est d'autant plus néfastes que le moteur est sophistiqué. Le principe général de sustentation par plusieurs points favorise encore ce concept.

5) COQUE CENTRALE ET FLOTTEURS

Les coques actuellement utilisées en multicoque tiennent plus du tube trop plein à l'arrière que de la carène balancée sur toute sa longueur. L'idée actuelle est que, au niveau de la traînée - et tout le monde est d'accord sur ce fait - des carènes aussi fines n'ont pas de vitesse limite.

L'ennui vient du fait que, d'une part à la moindre surcharge ce genre de carène est pénalisé en surface mouillée par des fIancs verticaux, d'autre part, vu leur conception longue et étroite, il n'y a aucune réduction de surface mouillée avec la vitesse, voire un coulage de l'arrière au vitesse limite de carène dû à un rock arrière trop prononcé et un risque d'enfournement.

Nous avons donc choisi une carène, longue, étrave verticale, avec une forme de l'avant à l'arrière très progressive, permettant (à longueur équivalente) la vitesse d'une carène tubulaire, mais ensuite, sans transition brutale, permettant de monter progressivement et horizontalement avec l'accélération de l'écoulement. La réduction de surface mouillée au niveau des flancs de la carène et de l'étrave devenant rapidement effective, et ceci d'autant plus qu'un surcroit de vitesse augmente la portance des foiIs, diminue la trainée par allègement de l'ensemble, constituant un redoutable cercle positif.

Le principal avantage de cette formule est donc la réduction de surface mouillée de la coque ; malgré 25 m de LWL contre 23,16 m pour " FORMULE TAG ", nous arrivons seulement à 47 m2 contre 79 m2 pour " TAG " : une différence fantastique...

Le foiI sous le vent représente en surface à peine la dérive et le safran supplémentaire des catamarans ou trimarans. Le rapport voilure/surface mouillée devient extraordinaire pour le MAXI FOILER : 5,42 m² contre 2,91 m² pour " TAG " (ceci mal gré un rapport voilure / déplacement raisonnable de 25,5 m²/t, compte tenu du bon rendement de la voilure gonflable…).

Un autre avantage est l'absence quasi totale de dérive du MAXI FOILER, à opposer à la dérive des coques de catamarans avec le supplément de traînée engendré par le tiers arrière de deux coques et des dérives, ceci expliquant probablement l'impossibilité de pointer des catamarans.

Pour ce qui est des flotteurs, nous avons limité le volume de chacun à 5m3 afin de limiter leur longueur à 10,50 m limitant ainsi le choc dus aux vagues et ne pas induire trop de torsion dans la poutre. Leur finesse est comparable à celle des flotteurs de catamarans : 5 m3 à ajouter au demi-volume du bras de liaison, 12 m3 en cas de chavirage, dérapage. Ce volume du flotteur sous le vent ajouté à celui du bras en aile de liaison rend les Maxi-Foiler pratiquement inchavirable.

6) STABILITE ET EVALUATION DES CONTRAINTES

La stabilité latérale obtenue avec une envergure de 26,000 m est considérable : le moment de redressement maxi est évalué a 89 600 mkg+ sans sécurité (à 25 nds portance foil = 7,658T).

La stabilité longitudinale a été soignée en centrage maxi des poids, à partir de la position du moteur mât aile (1 200 kg) sur le centre de gravité général. Le centrage de la poutre est axé en arrière de ce centre de gravité général (2 200 kg).

Ce trimaran ne peut enfourner et naviguer toujours avec un " cabré " de1° à 2° d'assiette positive.

Marseille, le 10 Juin 1983