FR3121424A1 - Dispositif aerien pour optimiser les engins a voiles - Google Patents

Abstract

L’invention concerne le domaine de la voile. DISPOSITIF AÉRIEN POUR OPTIMISER LES ENGINS A VOILES. La poussée vélique (composante Fr=P*dr/h=30: voir Figure) supportée par un engin donné (3-6-9-10-12) (dr, h) est limitée par sa stabilité intrinsèque (P), donc les critères: poids/puissance, accélération, vitesse, planing, dérive, VMG, sécurité, gîte, confort, encombrement, masse, coûts…en sont affectés. Le dispositif dynamique proposé exploite l’effet de levier pour ajouter des moments de redressement , combattant roulis/chavirage, tangage/enfournement, et permettant d’exploiter plus de voilure, sans alourdir. Appareil aérien comportant typiquement une ailette (1-8) type «AEROFOIL» pivotante sur l’axe vertical (13) au sommet d'une perche (2) fixée dans son prolongement en tête (14) d’un mât (3) portant une voile (11) (m). L’ailette réglable, soumise à l’action du vent apparent de l’engin, génère une force aérodynamique horizontale (A= 5) appliquée à l’altitude (a= m * 2) agissant à l’encontre de la voilure (11) (h) dont la force (Fr) peut être amplifiée de 40% (Fr= P*dr/h + A*a/h) = 30+20 = 50) Utilisations: Voiliers, Engins à voiles/ailes, sur l’eau, sol, glace; de toutes dimensions, existants et à concevoir. Figure pour l’abrégé (Fig.1) Croquis1/Lourd, Croquis2/Léger, Croquis3/Léger+Ailette.

Description

DISPOSITIF AERIEN POUR OPTIMISER LES ENGINS A VOILES

La présente invention concerne le domaine de la voile. C’est un dispositif original, à action aérodynamique de conception simple, pour optimiser l’équilibrage et la stabilisation, de tous les appareils munis de voiles ou d’ailes, propulsés par le vent, existants ou à concevoir, sur l’eau le sol ou la glace. A noter que le dispositif selon l’invention est caractérisé en ce qu’il ne revendique nullement la sustentation.

Selon l’état de la technique, tous les engins à voiles sont naturellement soumis à des forces de chavirage et d’enfournement résultant des composantes de la poussée aérodynamique de la voilure destinée à leur translation plus ou moins rapide.

L’équilibrage permettant d’assurer la stabilité des engins à voile est traditionnellement assuré par l’utilisation judicieuse des forces de pesanteur pour obtenir le moment de redressement nécessaire à l’exploitation optimum de la poussée vélique afin de choisir entre le confort et la sécurité ou la vitesse; ces forces sont le poids des structures de toutes formes dimensions et matériaux: les coques de bateaux et cellules de char à voile, monocoques ou multicoques, les quilles lestées fixes ou mobiles, les ballasts, le rappel des équipiers.

Le moment de redressement est le produit d’une force par une distance, la force est fournie par les masses des composants, la distance dépend des dimensions des constituants de l’appareil. Pour obtenir des moments de redressement transversal et longitudinal élevés on a donc besoin de masses éloignées, de largeurs et longueurs importantes: la quille devra être longue et lourde pour un monocoque, avec une gite consentie, les flotteurs des multicoques seront longs et écartés, les essieux des chars à voile élargis; inévitablement ces appareils s’alourdiront.

REMARQUE: pour les voiliers légers le poids de l’équipage intervient pour une large part, ce qui n’est pas avantageux pour le pouvoir d’accélération du bateau.

On aboutit par conséquent à des appareils encombrants en largeur et profondeur, de plus relativement lourds. Le coût de la construction augmente avec les dimensions: matériaux, main d’œuvre, taille des chantiers. Les frais d’utilisation sont également plus importants pour un voilier à quille profonde ou un multicoque large qui ne peuvent accéder à certains ports, sites et mouillages, ce qui constitue un handicap, ils doivent en payer le prix.

Récemment sont apparus les hydrofoils dont l’action hydrodynamique participe à la stabilisation des voiliers. Ces appendices aux bords de fuite tranchants pour être très efficaces, sont dangereux au stade de la fabrication et de l’exploitation, dans l’état actuel de la technique. Ils paraissent cependant incontournables désormais pour la recherche de la vitesse, leurs utilisations se multiplient et se perfectionnent.

Mais: les hydrofoils toujours très chargés sont soumis à des contraintes mécaniques sévères, ils sont relativement lourds, leur coût est très élevé, les structures des bateaux doivent résister aux efforts dynamiques importants. Pour générer de la portance il leur faut une vitesse initiale. Ils peuvent être endommagés en percutant des objets dans l’eau entraînant la perte d’équilibre du voilier avec risque d’arrachage et destruction de la structure, mettant le bateau donc l’équipage en danger !. Les engins à hydrofoils doivent solutionner le très difficile problème technique du réglage en temps réel de leur incidence optimale par rapport à leur déplacement dans l’eau, notamment pour contrôler l’altitude de vol dans la houle: le pilotage exclusivement en manuel paraît impossible, des systèmes de régulation/asservissement sophistiqués et consommateurs d’énergie sont nécessaires.

Il existe aussi des configurations de toutes sortes: voiles et ailes rigides, auto-orientables, souples ou gonflables, voilures tournantes, verticales et horizontales, inclinées ou déportées, destinées à créer des forces aérodynamiques utilisées pour stabiliser et/ou sustenter les engins à voiles. Tous ces appareils ont en commun un ou plusieurs gréements selon le nombre de coques, constitués de mâts divers plus ou moins hauts, haubanés ou non, supportant les voiles diverses ou les ailes, afin de communiquer à l’engin les forces voulues: horizontales, verticales, obliques : conformément à l’état de la technique.

Des engins de compétition de haut niveau, très rapides ont la possibilité de gérer la cambrure de leurs voiles/ailes aérodynamiques sur toute leur hauteur et d’inverser le sens de la portance en partie haute afin de créer une force opposée à celle, propulsive du bas, pour gagner en moment de redressement et combattre la tendance au chavirage; mais c’est au détriment de la force de propulsion, qui diminue. Ces engins surtoilés sont instables, ils ne peuvent pas exploiter tout le potentiel de leur voilure dans la brise, ce qui pose un problème technique.

Ces appareils disposent d’un moyen technique proche de celui revendiqué par l’invention à savoir l’utilisation de la poussée à contre de la partie haute de la voilure mais sans l’amplifier par le moyen d’un bras delevier, contrairement à ce que revendique la présente invention et qui en constitue l’originalité.

Il est à noter qu’il existe des possibilités d’inclinaison du mât au vent et d’action anti chavirage des hydrofoils.

De plus en plus d’engins à voiles sont munis de voiles mais surtout d’ailes auto orientables grâce à des empennages avec volets inclinables pour obtenir la portance aérodynamique voulue: par exemple des chars à voile de record de vitesse ainsi que divers bateaux dont des drones marins. Le dispositif inventé est destiné aussi à ces engins.

Une difficulté rencontrée par tous les engins à voile et aile concerne l’exploitation optimale de la voilure, pour un vent donné, dans les meilleures conditions de sécurité, confort, fiabilité, autonomie, rendement, vitesse, accélération, avec le minimum de coût, poids, encombrement.

Le problème technique posé est:

Assurer l’équilibre, la stabilité, la sécurité, le confort, la maîtrise de la gîte du voilier et ses moments de redressement donc sa capacité à porter de la toile, sa puissance selon le langage des techniciens, c’est-à-dire sa force propulsive par rapport à son poids et par conséquent sa vitesse et son accélération.

Le dispositif selon l’invention a pour but de remédier au problème technique posé:

Il intervient en complément aux moyens d’équilibrage/stabilisation existants et permet de diminuer le poids et les dimensions des engins à voiles tout en permettant une augmentation de la voilure. Noter que la sustentation n’est pas recherchée au niveau du dispositif. Il s’agit d’un stabilisateur Aérien comportant typiquement 2 composants essentiels ajoutés à un engin à voile quelconque: uneperche(2) et uneailette(1) soigneusement conçus et fabriqués en matériaux les plus légers et résistants.

Les 11 DESSINS annexés illustrent l’invention:

La figure pour l’abrégé (DESSIN 1) Montre l’intérêt du dispositif selon l’invention utilisé en windsurf recherchant la vitesse et par analogie, pour tous les engins propulsés par le vent. Les 3 croquis illustrent la problématique de «capacité à porter de la toile»

Le DESSIN 2 Représente schématiquement les composantes (F) des forces de la voile ou aile propulsive et (A) de l’ailette(1) stabilisatrice. Ce schéma de principe fondamental du dispositif montre les constituants aérodynamiques et mécaniques.

Le DESSIN 3 Montre les 3 schémas du mode d’action du dispositif utilisé par un voilier quelconque; transposable à un engin à voile terrestre. (Caractérise l’invention).

Le DESSIN 4 Représente schématiquement deux vues de face d’un catamaran classe C (16) équipé d’une aile (15) et pouvant utiliser l’ailette(1) pour augmenter sa puissance.

Le DESSIN 5 Illustre le principe de l’invention adapté au char à voile (4)

Le DESSIN.6 Montre le principe du mode d’action d’uneailette(1) au profil asymétrique type aile volante, par exemple: (FAUVEL 14%) auto orientable et auto stable, utilisable sur une amure.

Le DESSIN 7 Montre le principe du mode d’action d’un «AEROFOIL» constitué d’uneailette(1) au profil symétrique, par exemple :NACA 0018 avec stabilisateur (8) NACA 0010. L’ensemble est auto orientable.et fonctionne selon le principe d’Auto-Stabilisation en vol d’un planeur.

Le DESSIN 8 est le plan à l’échelle, pour réalisation concrète d’un «AEROFOIL» «typique» sur Char ou Planche à voile ou Dériveur (4-6); il montre le principe du changement d’amure d’une voile (5-11) et d’uneailette+ stab (1-8) au profils symétriques. auto orientable, déterminée selon le principe d’Auto-Stabilisation en vol d’un planeur.

Le DESSIN 9 Représente un voilier habitable, monocoque traditionnel utilisant le dispositif, dans lequell’ailette(1) est remplacée par unRotor(40).

Le DESSIN 10 Montre deux vues de profil de catamarans classe C (16) et représente graphiquement les Vitesses (en Nds) au niveau de la voile (15) et de l’ailette(18).Théoriquement l’utilisation du dispositif inventé procure un avantage sur VMG de 30% environ.

Le DESSIN 11 Est le diagramme des Forces calculées (en daN) au niveau de la voile (15) et de l’ailette(18) pour un catamaran classe C (16)).Théoriquement l’utilisation du dispositif inventé procure un gain net sur la force de propulsion de 30% environ.

NOTA: «Il n’y a pas de limite ni d’obstacles en hauteur» D’aspect insolite, osé, très simple, dynamique, utile mais jamais vu, le dispositif ne peut passer inaperçu !

Laperche(2) est un espar fabriqué avec des matériaux très légers, rigides et résistants; elle est fixée dans le prolongement d’un mât principal (3) (défini selon l’état de la technique) sensiblement vertical, dans son axe ou attenant. Laperche(2, 20) peut être fixe ou réglable par rapport au mât (3, 30), rétractable à l’intérieur de celui-ci ou repliable. L’étude de conception prendra particulièrement en compte la rigidité, les déformations et vibrations induites par les oscillations du haut de laperche(2, 20) causées par les balancements de l’engin, surtout sur l’eau, et des variations du vent.

REMARQUE: laperche(2) peut avoir une forme rectiligne, courbée et ou vrillée, en fonction de l’application, par exemple: les planches et chars à voile, les dériveurs légers.

NOTA:«AEROFOIL»= profil aérodynamique. Ce terme utilisé dans la Description, les Revendications et l’Abrégé est choisi par analogie/symétrie/ «opposition» avec «HYDROFOIL» pour caractériser le mode d’actionAERIENdu dispositif inventé et sa vocation à se généraliser. sous diverses formes de profils rigides ou souples et sur tous types d’engins à voiles.

L’ailette(1, 8,18) est un appareil aérien de type «AEROFOIL» générant une force de portance sensiblement horizontale; il est situé en haut de laperche(2) dont il est solidaire, sur un pivot. (13) L’ailette(1, 8,18) est constituée de un ou plusieurs plans verticaux aérodynamiques profilés «AEROFOIL» de grande finesse et orientés avec un angle d’incidence par rapport au vent apparent de l’engin à voile, afin de générer une force de portance horizontale, tout en ayant une faible traînée. L’ailette(1, 8,18) de conception inspirée par la technologie de l’aéronautique sera fabriquée avec des matériaux très légers et résistants. Toutes les formes géométriques sont permises en fonction des caractéristiques aérodynamiques, des matériaux et du coût notamment. L’ensemble du dispositif sera insubmersible: la construction de l’ailette (1, 8,18) en structure gonflable pourrait être utile.

La portance horizontale de l’ailette(1, 8,18) se décompose en deux forces de sens opposées à celles de la voilure principale établie sur le mât: une poussée transversale contre le chavirage et la dérive et une trainée longitudinale utile contre le tangage et l’enfournement. Il est à noter qu’en fonction du réglage adopté, l’ailette(1, 8,18) peut générer une portance horizontale lorsque l’engin est à l’arrêt, soumis au vent naturel, elle est utilisable pour stabiliser un bateau. De plus, la possibilité d’équilibrage existe dès le départ, un voilier peut l’exploiter, ce qui n’est pas faisable avec les hydrofoils.

La trainée de l’ailette(1, 8,18) nuisible pour la propulsion, est inévitable, elle doit être la plus faible possible; c’est ici qu’apparaît l’essence même de l’invention puisque l’équilibrage est obtenu à partir d’une surface, donc d’une force réduite, en effet: le dispositif selon l’invention utilise l’effet delevieramplifiant la composante transversale de la poussée aérodynamique de l’ailette(1,8,18) générant une force horizontale de sens sensiblement opposé à celui de la voilure pour équilibrer l’engin. Ce système assure la stabilisation de l’appareil grâce au moment de redressement important procuré par la grande hauteur de laperche(2) malgré une poussée de l’ailette(1, 8,18) choisie relativement faible, par exemple (typiquement) un dixième de la force de la voilure appliquée en haut d’uneperche(2) de hauteur sensiblement égale à celle du mât principal permet une augmentation théorique de 40% du moment de redressement donc de la «puissance» d’un engin à voile équipé du dispositif, rendement pris en compte, ceci est valable aussi bien transversalement que longitudinalement comme démontré par les équations fondamentales d’équilibre.

REMARQUE: ce résultat exceptionnel peut être éventuellement obtenu sans aucune intervention au niveau du système par le pilote sur le bord parcouru ! Seul le changement d’amure serait manuel ou automatisé. L’utilisation du dispositif donne la possibilité d’alléger les voiliers à tel point que l’association d’hydrofoils chers, difficiles à gérer, ayant besoin d’énergie, ne serait pas systématique car faire voler du lest semble peu judicieux !

Selon les caractéristiques de cet exemple,(Typique, non limitatif) le tirant d’air est doublé. Dans un port, sur la mer ou une plage il n’y a pas de limite en hauteur. Attention ! Cependant aux ponts et aux lignes électriques.

La longueur du bras delevierà considérer est la distance verticale entre le centre de poussée de l’ailette (1, 8,18) et approximativement le centre de carène pour un bateau, le sol pour un char à voile. Cependant les dimensionnements de laperche(2, 20) et de l’ailette(1, 8,18) seront établis en fonction de l’effet recherché: un compromis optimisé sera adopté à la demande pour chaque situation; par exemple: il sera possible d’incliner un bateau en contre gite pour obtenir un effet de sustentation de lavoilure principale, ce qui peut être avantageux dans certaines circonstances.

Il est à noter que grâce au principe dulevier, le dispositif selon l’invention fonctionne à la base avec des efforts mécaniques réduits: une fraction de la poussée vélique, c’est un appareil simple et léger. L’hydrofoil, au contraire, doit résister à des forces de l’ordre du poids total du voilier, c’est un mécanisme de relative petite taille, subissant des variations d’efforts importants, très chargé dynamiquement, impliquant d’importantes charges sur la structure du bateau.

Les engins rapides sont particulièrement visés et avantagés par le dispositif selon l’invention: tant qu’un engin à voile accélère son vent apparent augmente. Exemple: sur un voilier stabilisé par Hydrofoils, dont le vent apparent est élevé, l’ailette(1, 8,18) bénéficierait, d’une meilleure stabilité à vitesse établie, lorsque le voilier est soulevé hors de l’eau. Ces accessoires: «HYDROFOIL» et «AEROFOIL» restent soumis à la même contrainte technique à savoir, le réglage en temps réel de leur incidence optimale par rapport au fluide concerné.

La conception de l’a ilette(1, 8) auto-orientable telle une girouette munie d’un stabilisateur calculé selon la méthode de centrage des planeurs constitue un moyen de réglage mécanique simple précis et automatique pour l’optimiser en temps réel.

L’importance du vent apparent est évidente puisqu’il cède son énergie à la voilure comme à l’ailette(1, 8,18). Le rendement mais aussi la stabilité de l’ailette(1, 8,18) sont d’autant meilleurs que le vent apparent est élevé par rapport au vent réel car une variation du vent réel à moins d’influence immédiate. Par exemple: pour un catamaran atteignant 2 fois la vitesse du vent réel aux allures de portant, la vitesse du vent apparent est un peu moindre mais du même ordre de grandeur.

NOTA: en réalité l’énergie provient du vent réel (naturel), plus fort en hauteur avec moins de turbulences. Le vent apparent est accru donc l’ailette(1, 8,18) en bénéficie, autorisant une surface et un poids réduits avec un meilleur rendement. Les variations naturelles instantanées du vent réel sont à prendre en compte, il pourrait être utile d’envisager un moyen d’auto stabilisation mécanique pour éviter le décrochage aérodynamique brutal avec risque de chavirage de l’engin.

REMARQUE: dans le même temps, la voilure principale subit généralement les mêmes fluctuations mais de sens opposé, ce qui minimise le risque d’instabilité.

La stabilité et la réactivité, de l’ailette(1, 8,18) seront en priorité obtenues par la qualité de sa conception, sa réalisation mécanique et aérodynamique, elle prendra diverses formes à analyser et tester: amortisseur/équilibreur par gravité/pendulaire/articulations/temporisateur/stabilisateur électromécanique, gyroscopique ou autre, radiocommandes, selon l’état de la technique dans la marine et l’aviation y compris le modélisme ou autres domaines.

Aux allures du travers au près, le vent apparent peut devenir nettement plus élevé que le vent réel si l’engin à voile est capable de supporter les importantes forces transversales et prendre de la vitesse, le dispositif inventé permet ce progrès.

Pour ajuster l’équilibre de l’engin à voile et le tirant d’air, laperche(2, 20) est à géométrie adaptable: elle peut être escamotable en partie ou entièrement selon l’effet recherché, rétractable sur elle-même en un ou plusieurs tronçons télescopiques, ou repliable, ou escamotable à l’intérieur ou l’extérieur d’un mât (3, 30) ou rabattable jusqu’à 180° le long de celui-ci par une articulation verrouillable, réglable en hauteur par actions mécaniques au niveau de la liaison (14). Les actionneurs peuvent être mécaniques, électriques, pneumatiques, hydrauliques ou autres; les commandes manuelles ou automatiques et asservies. Laperche(2, 20) réglée en hauteur détermine l’altitude (a) de l’ailette(1, 8,18) ou duRotor(40) dont l’effet aérodynamique en direction sens et intensité: force (A) est déterminé en réglant les constituants (1, 8,18) par l’intermédiaire des systèmes de commande.

Pour diminuer la traînée aérodynamique, laperche(2, 20) peut être profilée et s’orienter selon son axe vertical sur un pivot situé en tête du mât, elle peut aussi comporter un habillage monobloc ou en plusieurs éléments indépendants, de forme extérieure profilée, pivotant selon l’axe de laperche(2, 20). Son orientation par rapport au vent apparent peut être libre comme une girouette ou commandée. Laperche(2, 20) profilée rectiligne ou courbée, avec ou sans vrillage, peut avoir différentes incidences par rapport au vent apparent afin de créer de la portance aérodynamique utilisable en propulsion et/ou en équilibrage en fonction du vent et de l’allure.

Généralement l’ailette(1, 8,18) est mobile selon son axe vertical au moyen d’un pivot (13), installé en haut de laperche(2, 20), son orientation par rapport au vent apparent peut être libre comme une girouette ou commandée en agissant sur un volet intégré ou stabilisateur (8). Laperche(2) et l’ailette(1) peuvent aussi être solidaires dans leurs mouvements de rotation grâce à un autre pivot (14) installé en haut du mât (3, 30).

Selon une variante de l’invention l’ailette(1,8) seule peut monter ou descendre rapidement, sur un guidage, le long de laperche(2, 20) celle-ci restant fixe, à l’aide d’un moyen mécanique quelconque actionné par l’équipage ou automatique. Le positionnement de l’ailette(1,8) peut aussi être lié mécaniquement à celui du haut de la voile (5). En complément l’ailette(1, 8) peut comporter une petite aile aérodynamique profilée horizontale (25) dont l’incidence commandée ou non, permet de la faire monter ou descendre automatiquement, suivant les vitesses de vent, avec ou sans laperche(2) télescopique.

Selon un mode particulier de réalisation illustrée: DESSIN 6, l’ailette(1) auto-orientable comme une girouette, au profil aérodynamique type «AEROFOIL» asymétrique, auto-stable type aile volante, est optimisée pour évoluer sur une amure.

Pour un profil aérodynamique symétrique, l’ailette(1) comporte un volet intégré ou un empennage à volet avant ou arrière: Stab (8) commandé en fonction de l’amure. Uneailette (1) auto-orientable telle une girouette munie d’un stabilisateur (8) dont le centrage est calculé comme sur un planeur, constitue un moyen de réglage automatiquement optimisé en temps réel; le changement d’amure peut être manuel ou automatique.

Selon une variante de l’invention, (non représentée) laperche(2) est installée verticalement en haut d’un mât dédié supplémentaire dont elle est solidaire, avec ou sans haubanage, constituant ainsi un sous ensemble indépendant de la voilure et positionné en fonction de l’équilibre recherché. Il est à noter que ce sous ensemble tout comme l’agencementperche/ailette(2,1) sur un mât, peut trouver place sur une coque ou sur plusieurs avec possibilité de pivoter selon son axe vertical par un guidage à coussinet à la base, au niveau de l’engin ; et/ou de se rabattre à l’horizontale sur le pont.

Selon une variante de l’invention, l’ailette(1) peut être complétée ou remplacée par unRotor aérien (40) orientable entrainé par un moteur alimenté en énergie afin de générer une force horizontale en mode hélice: principe duRotor(40) de queue d’hélicoptère. Cet appareil peut aussi fournir de l’énergie en mode turbine éolienne en agissant sur le pas des pales. LeRotor(40) peut être à axe horizontal ou vertical, dans ce dernier cas l’effet Magnus serait utilisé. Il est à noter que l’hélice aérienne motorisée orientable sur 360°, est capable de déplacer lentement un bateau dans toutes les directions; dans ce cas laperche(2) est rétractée en position basse. Le système serait automatisé sur les voiliers sophistiqués de courses ou yachts luxueux.

Selon une variante, non illustrée, de l’invention, l’ailette(1) prend la forme d’un cerf-volant de traction relié à laperche(2) par une ligne permettant le contrôle du kite : orientation, intensité et sens de la traction aérodynamique.

REMARQUE: en aucun cas le système ne peut être considéré comme un poids mort inerte, mal situé ! Au contraire: c’est un assemblage utile, léger, proportionné, actif, dynamique, capable d’assurer l’équilibre et la stabilisation du voilier même à l’arrêt !

Le vent apparent d’un engin à voile (4, 6,16) génère une portance sur la voile ou l’aile (5) et sur l’ailette(1) se décomposant en forces longitudinales selon la trajectoire, ou transversales perpendiculairement à la route suivie. A noter que sur le schéma conceptuel, les angles d’incidence (î voile) et (îailette) sont en opposition par rapport à la direction moyenne du vent apparent.

La composante transversale (Fr) de la voile ou aile, appliquée au mât (3), induit le chavirage et la dérive ou le dérapage.

La composante transversale (Ar) de l’ailette(1) appliquée à laperche(2), combat le chavirage et la dérive ou le dérapage.

La composante longitudinale propulsive (Ft) de la voile ou aile, appliquée au mât (3), induit le tangage et l’enfournement ou le renversement.

La composante longitudinale de trainée (At) de l’ailette(1), appliquée à laperche(2) combat le tangage et l’enfournement ou le renversement. En contrepartie (At) vient en déduction de la force de translation (Ft) ce qui freine un peu l’engin à voile. Néanmoins, les équations démontrent que, grâce à l’effet delevier, la force (Ft) peut s’intensifier grâce à l’action de l’ailette(1).

Les engins à voiles rapides sont particulièrement visés et avantagés par le dispositif selon l’invention: quand un engin accélère son vent apparent augmente.

REMARQUE: les forces de propulsion et de trainée peuvent voir leurs rôles inversés en fonction de l’allure adoptée, la voile ou l’aile pouvant agir en trainée et l’ailette(1) en portance, par exemple avec un vent relatif de travers.

L’importance du vent apparent est évidente puisqu’il cède son énergie à la voilure (5, 15) comme à l’ailette(1, 18). Le rendement mais aussi la stabilité de l’ailette(1,18) sont d’autant meilleurs que le vent apparent est élevé par rapport au vent réel car une variation du vent réel à moins d’influence immédiate. Par exemple pour un engin à voile (4, 6, 16) atteignant 2 fois la vitesse du vent réel au portant, la vitesse du vent apparent est du même ordre de grandeur.

Du travers au près, le vent apparent peut devenir nettement plus élevé que le vent réel si l’engin (4, 6, 16) est capable de supporter les importantes forces transversales, accélérer et prendre de la vitesse, le dispositif inventé permet ce progrès.

Le principe mécanique sur lequel repose l’invention est celui du levier :

La longueur de laperche(2, 20) et la position de l’ailette(1,18) par rapport au point d’appui de l’engin à voile (4, 6,16) sur le sol ou l’eau, sont telles que de faibles forces (Ar) (At) exercées par l’ailette(1,18) sur laperche(2,20) sont démultipliées pour fournir un moment de redressement important sur le mât (3,30) qui le communique à l’engin (4, 6,16).

La Figure pour l’abrégé représente le dispositif selon l’invention utilisé en windsurf (6) recherchant la vitesse.

Cet exemple illustretypiquementet de manière évidente la problématique de «capacité à porter de la toile».

Le DESSIN 2, et le DESSIN 7 montrent, en vue de dessus, les principes aérodynamique et mécanique utilisés par le dispositif.

Le DESSIN 8 représente la conception concrète d’un «AEROFOIL» pouvant équiper une planche à voile

Le DESSIN 3 complète la description, les Schémas 1, 2 et 3 indiquent les équilibres des forces de manière simplifiée pour un voilier quelconque.

Les équations fondamentales d’équilibre avec ailette, caractérisent l’invention, elles sont valides transversalement (Fr) et longitudinalement (Ft) pour tous les engins à voile.

Force transversale admissible / voile sansailette: Fr = P*dr/h

Force transversale admissible / voile avecailette: Fr = P*dr/h + A*a/h

Force longitudinale admissible / voile sansailette: Ft = P*dt/h

Force longitudinale admissible / voile avecailette: Ft = P*dt/h + A*a/h

Les Croquis 1 et 2 de la Figure pour l’abrégé montrent la différence de capacité à retenir la voile (5) (10) entre deux compétiteurs de même niveau: l’un (7) pesant 120 Kg et l’autre (9) 80 Kg. Le plus lourd retient une poussée transversale de la voile (Fr) de 45 daN, le léger 30 daN seulement.

Le ratio poids/force de 1.5 est constant. A vent fort égal un windsurfeur léger (7)ne peutaller aussi vite qu’un lourd (9) puisque la force de propulsion de la voile est aussi approximativement dans le ratio 1.5 et les résistances à l’avancement au planing ne sont pas proportionnelles au poids.

Les voiliers rapides sont particulièrement visés et avantagés par l’utilisation du dispositif selon l’invention: tant qu’un engin accélère, son vent apparent augmente.

Le croquis 3 illustre l’utilisation d’uneailette(1, 8) par un coureur léger (9). La capacité à tenir une voile (11) de l’ensemble windsurfeur plusailette(1, 8) devient 50 daN au lieu de 30 daN (10) soit un gain théorique de 40% grâce à la force aérodynamique transversale (Ar) de l’ailette(1, 8) de sens contraire à celle (Fr) de la voile (11). Cette poussée (Ar) de 5 daN de l’ailette(1) appliquée sur laperche(2) à une altitude de environ 2 fois la hauteur du mât principal (3) crée ainsi par l’effet delevier, un couple de redressement très important.

Dans cet exemple choisi, (Typique, non limitatif) on constate que le coureur léger (9) ne supporte en pratique que 30/50 daN de la poussée transversale (Fr) de la voile (11), avec ou sansl’ailette(1, 8) c’est son maximum, son propre poids (P=80 Kg) ne peut assurer l’équilibre, c’est donc l’ailette (1, 8) qui le permet en supportant les 20 daN nécessaires.

A force propulsive égale, le windsurfeur léger (9) bénéficiera d’une plus forte accélération que le windsurfeur lourd (7). Ce dernier peut aussi utiliser uneailette(1,8) pour conserver son avantage en vitesse, par vent fort.

Il est à noter que l’aileron (12) doit fournir une force antidérive réduite de: 50-5 = 45 daN car la force de l’ailette(Ar) vient en déduction de la force (Fr) de dérive due à la voile (11). Néanmoins le coureur léger devra être capable de maintenir le flotteur (aux pieds) pour que l’aileron soit efficace. Le windsurfeur doit gérer la voile (11), laperche(2) éventuellement profilée est fixe mais réglable en hauteur et orientation (14) afin de l’optimiser aérodynamiquement et mécaniquement.

L’a ilette(1) est auto-orientable telle une girouette dans le lit du vent apparent, grâce au stabilisateur (8) calculé selon la méthode de centrage des planeurs, il constitue un moyen mécanique simple pour optimiser la direction et l’intensité de la portance aérodynamique automatiquement en temps réel. La construction robuste permettra une bonne gestion des rafales et d’éventuels contacts avec l’eau. Le choix de l’amure peut être manuel ou automatique.

Ces options ne sont pas limitatives: par exemple laperche(2) pourrait être réglable en hauteur et l’ailette(1) au profil asymétrique pour évoluer sur une amure préférentielle, serait auto-orientable et auto-stable de type aile volante de planeur.

Dans cet exemple, non limitatif (typique) le tirant d’air est doublé.

Pour un mât (3) existant sollicité aux valeurs de forces pour lequel il a été calculé en utilisation sansailette(1), l’étude de structures: graphique et chiffrée des efforts subis et des déformations démontre qu’il n’y a pas d’augmentation des contraintes sur le mât car laperche(2) redresse le mât (3) ce faisant le pied de mât (3) est soulagé et les déformations sont réduites. Cependant un aménagement renforcé (14) est nécessaire en haut du mât (3) dans son axe ou attenant pour l’implantation de laperche(2) qu’elle soit réglable ou non. L’étude de conception prendra particulièrement en compte la rigidité, les déformations et vibrations induites par les oscillations du haut de laperche(2) causées par les mouvements sur l’eau et des variations du vent. Le dispositif sera insubmersible.

REMARQUE: le mât cintré des planches à voile est une particularité, un mât droit simplifierait l’adaptation du dispositif, cependant laperche(2) rectiligne ou courbée peut être maintenue (14) par le mât (3) vers le haut dans une direction inclinée ou déportée par rapport à celle du dit mât (3), le pivot (13) de l’ailette(1, 8) restant vertical, de telle sorte que le point d’application de la force (A) de l’ailette(1, 8) soit positionné en faveur d’un équilibrage optimisé de l’engin à voiles, notamment selon l’axe de lacet (L)

En référence aux DESSINS 4 10 et 11: un mode de réalisation au grand potentiel de succès est illustré par deux schémas de face et deux de profil de catamarans Classe C(Petite Coupe América) Le DESSIN 10 et le DESSIN 11 représentent l’étude graphique des vitesses et des forces.

Le Schéma 1 du DESSIN 4 montre le bateau (16) équipé d’une aile rigide (15), semblable à l’existant, rien ne le distingue de la version connue:effet de surprise garanti !

Ce voilier (16) sur hydrofoils, de compétition de très haut niveau, très rapide, à la possibilité de gérer la cambrure de l’aile rigide aérodynamique (15) sur toute la hauteur et d’inverser le sens de la portance en haut afin de créer une force opposée à celle, propulsive du bas, pour gagner en moment de redressement et combattre la tendance au chavirage; mais c’est au détriment de la force de propulsion (Ft) qui diminue. Cet engin (16) surtoilé est instable, il ne peut pas exploiter tout le potentiel de sa voilure (15) dans la brise, ce qui pose un problème technique. Le dispositif inventé est capable d’y remédier.

Il est à noter que ce voilier dispose d’un moyen technique proche de celui revendiqué par l’invention à savoir l’utilisation de la poussée à contre de la partie haute de la voilure mais sans l’amplifier par le moyen d’un bras delevier,contrairement à ce que revendique la présente invention. Les voiliers rapides sont particulièrement visés et avantagés par l’utilisation du dispositif selon l’invention: quand un engin accélère son vent apparent augmente.

Le Schéma 2 montre le même bateau (16) équipé d’une Aile rigide (15) et muni du stabilisateur aérien (18) en action.

En référence au Schéma 2 du DESSIN 4, le dispositif comporte uneailette(18) installée au sommet d’uneperche(20) rétractable à l’intérieur du mât (30) qui la maintient du catamaran classe C (16) équipé d’une Aile rigide (15) de surface totale 27.8 m² autorisée par la jauge. La surface de l’ailette(18) de 2.87 m² est incluse dans les 28.7 m² et la hauteur de la voilure est libre selon la jauge en vigueur: 13 m pour le cas étudié.

Il est à noter que sur le DESSIN 4 les proportions des éléments sont respectées, mais les vecteurs représentant les forces ne sont pas à l’échelle.

La perche (20) rétractable peut monter/descendre à l’intérieur du mât (30) ou sera télescopique, les mouvements étant obtenus par des mécanismes asservis associés à ceux de l’aile rigide (15).

Le DESSIN 2, le DESSIN 7 et le DESSIN 8 montrent en vue de dessus, les principes aérodynamique et mécanique utilisés.

Le DESSIN 3 complète la description, les Schémas 1, 2 et 3 indiquent les équilibres des forces de manière simplifiée pour un voilier quelconque: (Caractérise l’invention)

Le Schéma 1 représente une vue de face montrant les forces transversales, l’indice (r) notifie: roulis/redressement/renversement.

Le Schéma 2 représente une vue de profil montrant les forces longitudinales: l’indice (t) notifie: traction/trainée/tangage.

Le Schéma 3 représente une vue de dessus montrant les forces agissant selon l’axe de lacet (L)

Les équations d’équilibre mécanique statique élémentaires démontrent à l’évidence l’avantage théorique apporté par l’utilisation de l’invention; il va de soi que des mises au point sont indispensables pour chacune des applications, configurations, programmes et préférences d’utilisation.

DESSIN 4: Les équations fondamentales d’équilibre avec ailette, caractérisent l’invention, elles sont valides transversalement: (Fr) et longitudinalement: (Ft)

.Schéma 1: Force transversale admissible / voilesans ailette: Fr = P*dr/h

.Schéma.2: Force transversale admissible / voileavec ailette: Fr = P*dr/h + A*a/h

Il est à noter que des possibilités existantes: inclinaison du mât au vent et action anti chavirage des foils ne sont pas calculées ici.

En fonction du réglage adopté, l’ailette(18) peut générer une portance lorsque le catamaran est à l’arrêt, soumis au vent naturel, elle est utilisable pour stabiliser un bateau. De plus, la possibilité d’équilibrage existe dès le départ, le voilier peut l’exploiter, ce qui n’est pas faisable avec les hydrofoils.

La longueur de laperche(20) rétractable et la position de l’ailette(18) par rapport au centre de carène du bateau (16) sont telles qu’une faible force (Ar) exercée par l’ailette(18) sur laperche(20) rétractable est démultipliée et permet de combattre la tendance au roulis et au chavirage transversal tout en supportant davantage de poussée (Fr) et en maîtrisant la gite. Les mêmes effets sont utilisés dans la direction longitudinale du catamaran: la propulsion (Ft) de l’aile (15) peut faire tanguer et enfourner le bateau tandis que la traînée (At) combat ces tendances.

REMARQUE: les forces de propulsion et de trainée peuvent voir leurs rôles inversés en fonction de l’allure adoptée, la voile ou l’aile (15) pouvant agir en trainée et l’ailette(18) en portance, par exemple avec un vent apparent de travers.

L’équipage (17) doit gérer: l’aile rigide à volets (15), laperche(20) profilée télescopique ou rétractable à l’intérieur du mat (30) dans toutes les positions verticales; éventuellement l’ailette(18) orientable selon automatisation/asservissement.

En référence au DESSIN 4 les Schémas 1 et 2 et au DESSIN 10 les Vues 1 et 2 montrent à titre d’exemple non limitatif l’utilisation du dispositif selon l’invention.

.Vue 1: En position basse: l’ailette(18) fait partie intégrante de l’aile rigide (15) dont le haut est situé à l’altitude (m) de 14 m; elle n’est pas visible en tant que telle et utilisable en propulsion. Cetteailette(18) serait optimisée en temps réel par les mêmes systèmes de mécanismes asservis que l’aile rigide.

Vue 2: En position haute: le tirant d’air est doublé,l’effet de levierest donc important, le centre de poussée de l’ailette(18) situé à une altitude de 28 m, avec une surface de 1/10 de l’aile rigide (15) soit 2.78 m². Une force d’équilibrage (Ar) de 8.6 daN permet au catamaran de 150 KG +170 KG / équipage = 320 KG au total pour le cas étudié.

Le DESSIN 10 représente aussi l’étude graphique des vitesses en Nds pour le catamaran (16) au portant:135° à 2.5 fois la vitesse du vent naturel (réel) à la limite du chavirage transversal. Avec 2 équipiers (17)

Le DESSIN 10 représente l’étude graphique des forces en daN pour le catamaran (16) au portant:135° à 2.5 fois la vitesse du vent naturel (réel) à la limite du chavirage transversal. Avec 2 équipiers (17)

Selon les calculs prévisionnels établis par rapport aux caractéristiques aérodynamiques de la voile rigide (15) et de l’ailette(18) le catamaran (16) peut soutenir à la limite, une force de chavirage transversal (Fr) de 237 daN au lieu de 158 daN, soit 50% de plus ! «Capacité» + 50%, constituant une avancée significative par rapport à l’état de la technique.

Il en résulte la possibilité d’unG ain net sur la force de propuls ionde 30 % environ: 77.9 / 57.6 daN=35% brut (Perte Maxi 5% / perche profilée) et près de 30% en vitesse: 25.1 / 19.4 nds, pour vent naturel 10.1 / 7.8 nds, soit 2.5 fois la vitesse du vent, allure: 135° au portant. Gain sur potentiel d’accélération:~ 30%.

Possibilité d’un gain de ~30% (18.1/13.7) sur VMG de 1.8 fois la vitesse du vent naturel. (Etude graphique: DESSIN 10).

NOTA: Quelque soient l’allure adoptée par l’engin et la force du vent on peut obtenir des résultats comparables avec les vitesses relatives élevées.

Le vent naturel à l’altitude de l’ailette(18) peut être de 20% supérieur au vent reçu par l’aile rigide (15) avec moins de turbulences d’où gain/rendement.

Noter que l’ailette(18) peut avantageusement être utilisée en propulsion dans le petit temps.

NOTA: Laperche(20) rétractable profilée de 13 m et son guidage (14) pèsent 12 KG environ; fabriqués avec les matériaux les plus performants et légers exigés par leur positionnement défavorable en hauteur, pour réduire l’inertie. Mêmes contraintes pour l’ailette(18) qui devrait peser 7KG environ.

Le poids du dispositif:19 KG (6%) étant inclus / poids total 320 KG du cas étudié.

L’ensemble Aile +ailette(15, 18) pèse 80 KG environ.

Pour un mât (30) existant sollicité aux valeurs de forces pour lequel il a été calculé en utilisation sansailette(1) l’étude chiffrée des efforts subis et des flèches démontre qu’il n’y a pas de dépassement des contraintes admissibles sur le mât (30), au contraire car laperche(20) redresse le mât qui redresse l’engin (16), ce faisant le pied de mât (30) est soulagé et les déformations sont réduites. Un aménagement renforcé (14) est nécessaire en haut du mât (30) pour l’implantation de laperche(20) rétractable.

L’ailette(18) et laperche(20) rétractable, de conception inspirée par la technologie de l’aéronautique seront fabriquées avec des matériaux très légers et résistants exigés par leur positionnement défavorable en hauteur, pour réduire l’inertie. L’étude prendra particulièrement en compte la rigidité, les déformations et vibrations induites par les oscillations du haut de laperche(20) causées par les mouvements du catamaran et les fluctuations du vent.

La liaison (14) permet les déplacements et l’immobilisation de laperche(20) en translation verticale et en rotation par des systèmes mécaniques manuels et électriques, hydrauliques ou autres. Toutes les possibilités existantes de gestion des forces et de commandes directes ou à distance sont valables, elles seront très précises réactives et fiables. (Selon l’état de la technique).

On peut alors envisager l’accroissement de la portance en réglant l’aile (15) pour aller plus vite ou une augmentation de la voilure, ou l’exploitation d’un vent plus fort. (Etude graphique).

REMARQUE: ce voilier léger sur hydrofoils, dont le vent apparent est élevé, est une cible privilégiée pour l’invention car l’ailette(18) bénéficiera en plus, d’une meilleure stabilité du bateau à vitesse établie. Hydrofoil et AEROFOIL restent soumis à la même contrainte technique: le réglage en temps réel de leur incidence optimale par rapport au fluide concerné; leur dimensionnement devra être adapté aux performances attendues.

NOTA: A la place d’uneailette(18) asservie, ce catamaran peut être muni d’un ensembleailette/ stab (1,8) optimisé aérodynamiquement sans intervention, tel un aéronef, voir DESSIN 7 et DESSIN 8.

NOTA: Le moment de rappel du catamaran (16) dans le sens transversal est de 300 daN.m; celui de l’ailette(18) 600 daN.m; celui dû à l’équipage (17) de 900 daN.m. Ces chiffres approximatifs sont valables pour l’exemple choisi.

REMARQUE: le poids de l’équipage intervient pour une large part, ce qui n’est pas avantageux pour la capacité d’accélération du bateau, la jauge impose deux navigateurs (17) (DESSIN 10 Vue 1) Cependant, d’un point de vue théorique, s’il était pilotable par un seul marin, (17) ce catamaran serait encore plus performant grâce à l’utilisation du dispositif.(DESSIN 10 Vue 2).

Un bateau à voile traditionnel habitable est représenté DESSIN 9.

NOTA: Compte tenu de la vitesse relativement faible du bateau, uneailette(1) pourrait être peu efficace, elle est ici remplacée par unRotoraérien (40) orientable pouvant être entrainé par un moteur alimenté en énergie afin de générer une force horizontale en mode hélice: principe du rotor de queue d’hélicoptère. Cet appareil peut aussi fournir de l’énergie en mode turbine éolienne en agissant sur le pas des pales, il peut aussi être en autorotation sous l’effet du vent relatif afin de propulser ou équilibrer le bateau. LeRotor(40) peut être à axe horizontal ou vertical, dans ce dernier cas l’effet Magnus serait utilisé. Il est à noter que l’hélice aérienne motorisée orientable sur 360°, est capable de déplacer lentement le bateau dans toutes les directions; dans ce cas laperche(2) est rétractée en position basse.

Le DESSIN 3 complète la description, il indique les équilibres des forces de manière simplifiée pour un voilier quelconque. (Caractérise l’invention). Les dimensions et les vecteurs représentant les forces ne sont pas à l’échelle.

En référence au DESSIN 9, la représentation 1 montre le voilier (6) très gité, supposé à sa vitesse maximale, à la limite du chavirage malgré la réduction de la voilure (5).

Le vent réel et l’allure sont considérés identiques pour les deux représentations, il s’agit de comparer le même voilier avec ou sans le dispositif inventé.

La représentation 2 montre le même voilier équipé d’uneperche(2) et d’unRotor(40). La longueur de laperche(2) et la position duRotor(40) par rapport au centre de carène du bateau (6) sont telles que de faibles forces (Ar) (At) exercées par le Rotor (40) sur laperche(2) sont démultipliées et permettent de combattre les tendances au roulis et tangage, au chavirage transversal et à l’enfournement, tout en supportant davantage de poussée (Fr) et en maîtrisant la gite.

Le vent réel en hauteur au niveau duRotor(40) peut être de 20% supérieur, avec moins de turbulences, au vent réel au niveau du centre de poussée de la voile (5). Le vent relatif est accru donc leRotor(40) peut en bénéficier, autorisant une surface et un poids réduits avec un meilleur rendement. Cette catégorie de voiliers à déplacement est capable d’avancer au portant à environ la moitié de la vitesse du vent apparent.

Il est à noter que leRotor(40) peut aussi être utilisé avantageusement en propulsion dans le petit temps.

Par conséquent, l’utilisation duRotor(40) est judicieux pour ce bateau moins rapide que le vent, soumis aux mouvements de plateforme inévitables sur l’eau, la force (A) duRotor(40) combattra principalement les oscillations de tangage. En fonction du réglage adopté, leRotor(40) peut générer une force lorsque le voilier est à l’arrêt, soumis au vent naturel; elle est utilisable pour stabiliser le bateau. De plus, la possibilité d’équilibrage existe dès le départ, le voilier peut l’exploiter.

Il est à noter que davantage de gite augmente le moment de redressement, on peut donc adapter les réglages duRotor(40) et le neutraliser éventuellement en fonction des préférences ou des nécessités de navigation. La conjugaison avec une quille lestée relevable ou mobile et des ballasts permet encore d’autres choix: l’agrément, la mobilité et la sécurité y gagnent.

REMARQUE: cet aspect peut paraître paradoxal puisque l’on fait agir leRotor(40) à l’encontre de la quille lestée alors que ces éléments poursuivent à priori le même but: c’est un choix, on peut préférer naviguer sans gite pour le confort mais aussi pour la performance selon la conception du bateau. Cette contradiction apparente existe aussi sur des voiliers monocoques à quille mobile lestées de 3 tonnes, équipés d’hydrofoils redressant et soulevant le bateau. pour aller plus vite.

Il apparaît alors l’opportunité d’augmenter la surface de voilure, le bateau à la capacité d’accélérer, on peut aussi le redresser: représentation 2 Dans cet exemple, non limitatif, (typique) le tirant d’air est doublé.

Pour un mât (3) existant sollicité aux valeurs de forces pour lequel il a été calculé en utilisation sansRotor(40), l’étude de structures: graphique et chiffrée des efforts subis et des déformations démontre qu’il n’y a pas d’augmentation des contraintes sur le mât car laperche(2) redresse le mât (3) qui redresse le bateau (6), ce faisant le pied de mât (3) est soulagé et les déformations sont réduites. Un aménagement particulier (14) est nécessaire en haut du mât (3) dans son axe ou attenant pour l’implantation de laperche(2) qu’elle soit réglable ou non.

NOTA: le supplément de poids de laperche(2) profilée et sa fixation (14) et duRotor(40). Ils sont fabriqués avec les matériaux les plus performants exigés par leur positionnement défavorable en hauteur et leur conception inspirée par la technologie de l’aéronautique. L’étude sera orientée sur la rigidité, les déformations et vibrations induites par les oscillations du haut de laperche(2) causées par les balancements du bateau et des fluctuations du vent. La perche (2) peut être haubanée: voir DESSIN 9.

L’équipage (7) doit gérer la voile (5), la perche (2) peut être profilée, fixe en hauteur ou non et réglable en orientation (14) par tous moyens adaptés existants afin de l’ajuster à l’allure préférée. Le Rotor (40) est à régler pour le choix de l’amure, et l’intensité de la poussée aérodynamique.

En référence au DESSIN 5, selon un mode de réalisation simple, non limitatif, le dispositif est utilisé sur un Char à voile (4)pour lequel le tirant d’air important ne pose en principe aucun problème avec l’avantage d’évoluer sur sol dur et plat.

Le DESSIN 2, le DESSIN 6, et le DESSIN 7 montrent, en vue de dessus, les principes aérodynamiques et mécaniques utilisés.

Le DESSIN 8 représente la conception concrète d’un «AEROFOIL» pouvant équiper un Char à voile (4).

Le DESSIN 3 complète la description, les Schémas 1, 2 et 3 indiquent les équilibres des forces de manière simplifiée pour un voilier quelconque; transposable à un engin à voile terrestre.

Les équations fondamentales d’équilibre avec ailette, caractérisent l’invention, elles sont valides transversalement: (Fr) et longitudinalement: (Ft).

Force transversale admissible de la voile sans ailette : Fr = P*dr/h

Force transversale admissible / voile avec ailette: Fr = P*dr/h + A*a/h

Il est à noter que sur le DESSIN 5 les proportions des éléments sont respectées, mais les vecteurs représentant les forces ne sont pas à l’échelle.

La longueur de laperche(2) et la position de l’ailette(1, a) par rapport à l’appui au sol des roues du char (4) sont telles qu’une faible force exercée par l’ailette(Ar) sur laperche(2) est démultipliée et permet de combattre la tendance au chavirage et au dérapage transversal tout en supportant davantage de poussée (Fr). Les mêmes effets sont utilisés dans la direction longitudinale de l’engin: la propulsion (Ft) de la voile (5) peut faire renverser le char (4) tandis que la traînée de l’ailette(At) combat cette tendance.

Le pilote (7) doit gérer la voile (5), laperch e(2) profilée est réglable en orientation afin de l’adapter au trajet. L’ailette(1) est auto-orientable telle une girouette dans le lit du vent apparent, elle possède un stabilisateur (8) à régler pour le choix de l’amure et l’intensité de la force aérodynamique (Ar).

Ce char (4) est équipé d’une voile (5) de surface: 5,5 m². L’ailette(1) de surface: 0.55 m² sur uneperche(2) de longueur 4.5 m lui permet de supporter sans se renverser une force latérale de 90 daN au lieu de 60 daN environ soit un avantage théorique de 50% avec une plus grande voile, un vent plus fort, une augmentation de la vitesse de translation.

Il en résulte un gain net sur la force de propulsion de 10% minimum ainsi que sur le potentiel d’accélération et près de 20% en vitesse. Cas étudié: vitesse du char 30 nds à la vitesse du vent réel de travers. (Etude graphique)

Le tirant d’air peut être doublé. Le haut du mât d’origine (3) modifié pour la fixation (14) de laperche(2). La voile d’origine (5) sera exploitée au maximum de ses possibilités.

Le vent réel en hauteur au niveau de l’ailette(1) peut être de 20% supérieur, avec moins de turbulences, au vent réel au niveau du centre de poussée de la voile (5). Le vent apparent est accru donc l’ailette(1) en bénéficie, autorisant une surface et un poids réduits avec un meilleur rendement. Les chars à voiles rapides sont particulièrement visés et avantagés par l’utilisation du dispositif selon l’invention: tant qu’un engin accélère son vent apparent augmente.

REMARQUE: le mât cintré utilisé sur certains chars à voile, est une particularité, un mât droit simplifierait l’adaptation du dispositif; cependant laperche(2) peut avoir une forme rectiligne ou courbée avec ou sans vrillage, tout en respectant l’équilibre des forces notamment dans l’axe de lacet pour assurer le cap sans effort parasite nuisant au rendement de l’engin.

Selon une variante non illustrée de l’invention, laperche(2) est maintenue (14) par le mât (3) vers le haut dans une direction inclinée ou déportée par rapport à celle du mât, le pivot (13) de l’ailette(1, 8) restant vertical, de telle sorte que le point d’application de la force (A) de l’ailettesoit positionné en faveur d’un équilibrage optimisé de l’engin à voiles, notamment selon l’axe de lacet (L) en minimisant l’action des organes directionnels pour maintenir le cap: roues, gouvernail, aileron (12) afin de ne pas pénaliser le rendement. Voir Schéma 3 DESSIN 3 et DESSIN 7.

Il est à noter que l’ailette(1, 8) peut aussi, être utilisée avantageusement en propulsion dans le «petit temps» car elle bénéficie d’un «meilleur» vent en hauteur.

NOTA: Supplément de poids de 2.5 KG environ de laperche(2) profilée de 4.5 m et sa fixation (14). Ils seront fabriqués avec les matériaux les plus performants et légers exigés par leur positionnement défavorable pour réduire l’inertie. Mêmes contraintes pour l’ailette(1, 8) qui devrait peser 1.5 KG environ.

Pour un mât (3) existant sollicité aux valeurs de forces pour lequel il a été calculé en utilisation sansailette(1), l’étude chiffrée des efforts subis et des flèches démontre qu’il n’y a pas de dépassement des contraintes admissibles sur le mât (3), au contraire, car laperche(2) redresse le mât qui redresse l’engin (4), ce faisant le pied de mât (3) est soulagé et les déformations sont réduites.

Un aménagement particulier (14) est nécessaire en haut du mât (3) pour l’implantation de laperche(2) qu’elle soit réglable ou non.

On peut alors envisager l’utilisation d’une plus grande surface de voile (5) pour aller plus vite. (Etude graphique)

L’ailette(1, 8) de conception inspirée par la technologie de l’aéronautique sera fabriquée avec des matériaux très légers et résistants. L’étude prendra particulièrement en compte la rigidité, les déformations et vibrations induites par les oscillations du haut de laperche(2) causées par les mouvements du char (4) et les variations du vent.

Selon une variante de l’invention, l’ailette(1, 8) seule peut monter ou descendre rapidement sur un guidage (13) le long de laperche(2) celle-ci restant fixe, par un moyen mécanique quelconque (Exemple: cordes/poulies) actionné par l’équipage (7,17) ou automatique. En complément l’ailette(1, 8) peut comporter une petite aile aérodynamique profilée horizontale (15) dont l’incidence commandée ou non, permet de la faire monter ou descendre sur un guidage (13) automatiquement, suivant les vitesses de vent, avec ou sans laperche(2) télescopique. (2, 20) Le positionnement de l’ailette (1,8) peut aussi être lié mécaniquement à celui du haut de la voile (5, 11, 15, m).

Plusieurs autres modes de réalisations et variantes sont envisageables:

Selon une variante non illustrée, l’ailette(1) peut être complétée ou remplacée par un Rotor aérien orientable entrainé par un moteur alimenté en énergie afin de générer une force horizontale en mode hélice: principe duRotor(40) de queue d’hélicoptère.

Cet appareil peut être auto-orientable dans le lit du vent apparent pour fournir de l’énergie en mode turbine éolienne, en agissant sur le pas des pales. LeRotor(40) peut être à axe horizontal ou vertical, dans ce cas l’effet Magnus serait utilisé.

Il est à noter que l’hélice aérienne motorisée orientable sur 360° est capable de déplacer lentement un bateau dans toutes les directions; dans ce cas laperche(2) est rétractée en position basse. Le système sera automatisé pour les voiliers sophistiqués de courses ou yachts luxueux.

Selon une variante de l’invention laperche(2) peut être installée verticalement en haut d’un mât dédié supplémentaire dont elle est solidaire, avec ou sans haubanage, constituant ainsi un sous ensemble indépendant de la voilure et positionné sur l’engin à voile en fonction de l’équilibre recherché.

Ce montage peut être d’un seul tenant très léger et résistant comportant: mât-aile/perche/ailette/volet (3) (2) (1) (8) à sections et profils aérodynamiques variables constituant ainsi une entité orientable dans son ensemble en agissant au niveau du stab (8) afin d’utiliser la force générée par l’ensemble des composants.

Il est à noter que ce sous ensemble tout comme l’agencementperche/ailette(2,1) sur un mât, peut trouver place sur une ou plusieurs coques de bateau, ou cellule de char à voile.

En référence au DESSIN 2, laperche(2) peut aussi comporter un habillage (20) pivotant selon son axe, monobloc ou en plusieurs éléments indépendants, de forme extérieure profilée pour diminuer la traînée et utiliser éventuellement sa portance aérodynamique.

L’orientation par rapport au vent apparent peut être libre comme une girouette ou commandée.

Laperche(2) peut être escamotable: en partie ou entièrement selon l’effet recherché, en un ou plusieurs tronçons télescopiques, rétractable sur elle-même, ou à l’intérieur ou l’extérieur d’un mât ou rabattable jusqu’à 180° le long de celui-ci par une articulation verrouillable.

L’ailette(1) est mobile selon son axe vertical au moyen d’un pivot (13), son orientation par rapport au vent apparent peut être libre telle une girouette ou commandée en agissant sur un volet intégré ou Stab (8). Laperche(2) et l’ailette(1) peuvent aussi être solidaires dans leurs mouvements et leur action aérodynamique.

En référence au DESSIN 7 et au DESSIN 8, l’ailette(1) auto-orientable comme une girouette sur son pivot (13) au profil aérodynamique symétrique, peut comporter un empennage à volet (8) avant ou arrière, commandé en fonction de l’amure.

En référence au DESSIN 5, l’ailette(1) peut comporter en complément une petite aile (25) aérodynamique profilée horizontale dont l’incidence commandée permet de la faire monter ou descendre automatiquement, selon les vitesses de vent, avec ou sans laperche(2) télescopique.

Selon une variante de l’invention l’ailette(1) seule peut monter ou descendre rapidement sur un guidage le long de laperche(2) restant fixe, par l’action de la petite aile (25) ou par un moyen mécanique quelconque actionné par l’équipage ou automatique.

En référence au DESSIN 6, l’ailette(1) auto-orientable comme une girouette sur son pivot (13), au profil aérodynamique asymétrique auto-stable type aile volante peut être optimisée pour évoluer sur une amure, par exemple pour un parcours de vitesse.

Exemple: Aile «vivante» sans Stab FAUVEL type «AEROFOIL» à double courbure dont l’extrados convexe devient concave vers le bord de fuite, auto stable grâce à son coefficient de moment du profil Cm0 cabreur. Force FA=«réaction» de laperche(2). Le moment du couple (P*x) créé par la portance (FP) / centre de pivotement (13) équilibre le moment Cm0 du profil. Sous l'effet d'une perturbation, l’ailette(1) revient à sa position d'équilibre (Etat de la technique)

Selon une variante non illustrée, l’ailette(1) est une petite structure gonflable pouvant prendre la forme d’un cerf-volant de traction relié à laperche(2) par une ligne permettant le contrôle du kite: orientation, intensité et sens de la traction aérodynamique. Le dispositif selon l’invention sera dans tous les cas insubmersible.

Toutes les formes géométriques sont permises en fonction des caractéristiques aérodynamiques, des matériaux et du coût notamment.

Cette invention n'est pas limitée aux diverses applications et exemples de réalisation exposés ici, elle inclue toutes les variantes; dont structures volantes ou fixes.

Le dispositif est particulièrement destiné à équiper tous les voiliers et engins munis de voiles et d’ailes, propulsés par le vent.

REMARQUE: en aucun cas le système ne peut être considéré comme un poids mort inerte, mal situé. Au contraire: c’est un assemblage utile, léger, proportionné, actif, dynamique, capable d’assurer l’équilibre et la stabilisation du voilier même à l’arrêt.

Liste non exhaustive de ces voiliers et engins à voiles:

Voiliers: bateaux à voiles ou ailes, dériveurs, yachts, monocoques ou multicoques, habitables, de pêche, de travail ou de plaisance, de régates, courses au large ou de record de vitesse avec ou sans: foils, quilles mobiles, ballasts.

Chars à voiles ou ailes, de loisirs, compétition ou de record de vitesse, sur sols, glace ou amphibie.

Planches à voile de régates ou windsurf en recherche de vitesse avec ou sans hydrofoils.

Modélisme, maquettes, modèles réduits, prototypes divers.

Drones marins.

Claims (10)

1. Engin propulsé par le vent notamment un voilier, composé d’au moins: une coque ou flotteur (6,16) ou cellule (4), un mât (3, 30) tenant une voilure (5,10,11,15) dont la poussée vélique horizontale (F) appliquée à la hauteur (h) soumet l’ensemble (P, d) à des forces de chavirage (Fr) et d’enfournement (Ft) ou renversement; caractérisé en ce que ledit mât (3, 30) comporte en tête une liaison (14) maintenant vers le haut un espar adéquat, nommé perche (2, 20), fixe ou à géométrie adaptable pour ajuster le tirant d’air et/ou l’effet de levier (a) capable de soutenir un effort, haubané ou pas. En haut de la dite perche (2, 20) sont établis sur un pivot vertical (13) une ailette (1, 8, 18) constituée de un ou plusieurs plans verticaux de type «AEROFOIL» avec ou sans stabilisateur (8) ou un Rotor (40) orientable ou les deux, générant une force aérodynamique horizontale (A) appliquée à l’altitude (a). L’équation fondamentale d’équilibre avec ailette (1,8 18) caractérisant le dispositif est valide longitudinalement (Ft) et transversalement (Fr) pour tous les engins à voile. Force longitudinale ou transversale admissible/voile: sans ailette: Ft ou Fr = P*d/h \ voile avec ailette: Ft ou Fr = P*d/h + A*a/h
2. Dispositif selon la revendication 1,caractériséen ce que laperche(2, 20) est escamotable en partie ou entièrement : réglable en hauteur par actions mécaniques au niveau de la liaison (14), rétractable sur elle-même en un ou plusieurs tronçons télescopiques, ou repliable, ou escamotable à l’intérieur ou l’extérieur d’un mât (3, 30) ou rabattable jusqu’à 180° le long d’un mât (3) par une articulation verrouillable (14), ou autres. Les actionneurs peuvent être mécaniques, électriques, pneumatiques, hydrauliques ou autres; les commandes manuelles ou automatiques et/ou asservies. Laperche(2, 20) réglée en hauteur définit l’altitude (a) de l’ailette(1,18) ou du rotor, dont l’effet aérodynamique en direction sens et intensité: force (A) est déterminé en réglant les constituants (1, 8,18) par l’intermédiaire des systèmes de commande.
3. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractériséen ce que la force (A) et son altitude (a) sont optimisées: (A) est égale au dixième de la poussée vélique (F), appliquée à une altitude (a) de deux fois celle du point le plus haut (m) de la voile (5, 11, 15), d’intensité, orientation et sens réglables, amplifiée par l’effet delevier(a = 2*m) pour agir sur le redressement et l’équilibre du voilier (4, 6,16) avec un gain potentiel net de 20% à 30% en propulsion (Ft).
4. Dispositif selon la revendication 3caractériséen ce que le voilier est un catamaran de compétition (16) dont la hauteur du gréement non limitée par la jauge permet une application extrême (a = 2*m) de l’invention. Laperche(20) s’escamote à l’intérieur du mât (30) et peut être bloquée en toute position par le verrou (14). L’ailette(18) solidaire de laperche(20) est en position basse indistincte de l’Aile (15) dont elle utilise les moyens de réglages (17). En position haute la force (A) procure grâce à l’effet delevier(a = 2*m) un moment de redressement permettant un gain potentiel de 30% sur VMG de 1.8 fois la vitesse du vent naturel, au portant à 135°.
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractériséen ce que l’ailette(1, 8, 18) seule peut monter ou descendre rapidement, sur un guidage, le long de laperche(2, 20) celle-ci restant fixe, à l’aide d’un moyen mécanique quelconque par exemple: cordes/poulies, actionné par l’équipage (7, 17) ou automatique. Le positionnement de l’ailette(1,8) peut aussi être lié mécaniquement à celui du haut de la voile (m) (5, 11, 15).
6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractériséen ce qu’uneperche(2) est maintenue (14) par un autre mât dédié, non représenté, constituant ainsi un sous ensemble indépendant d’un mât (3) et de sa voilure (5); ce montage peut trouver place sur une ou plusieurs coques ou flotteurs (6) ou, cellules (4) avec la possibilité de pivoter selon son axe vertical sur un coussinet, non représenté, au niveau de l’engin, et/ou, de se rabattre à l’horizontale sur le pont.
7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractériséen ce que laperche(2) comporte un habillage pivotant selon son axe, monobloc ou en plusieurs éléments indépendants, de forme extérieure profilée aérodynamique «AEROFOIL» avec ou sans vrillage, dont l’orientation par rapport au vent apparent, permise par les liaisons (13 et 14) peut être libre comme une girouette ou pilotée (7,9).
8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, non représenté,c aractériséen ce qu’uneperche(2) rectiligne, courbée avec ou sans vrillage, est maintenue (14) par le mât (3) vers le haut dans une direction inclinée ou déportée par rapport à celle du dit mât (3), le pivot (13) de l’ailette(1, 8) restant vertical, de telle sorte que le point d’application de la force (A) de l’ailette(1, 8) soit positionné en faveur d’un équilibrage optimisé de l’engin à voiles, notamment selon l’axe de lacet (L).
9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractériséen ce que l’ailette(1) comporte une petite aile aérodynamique profilée horizontale (25) dont l’incidence fixe ou à variations commandées par l’équipage (7,9) ou automatiquement, selon les vitesses de vent, permet de faire monter ou descendre laditeailette(1), sur un guidage (13) le long d’uneperche(2) fixe, ou avec uneperche(2) télescopique. Ce mode de réalisation est applicable aux chars à voiles (4) et aux drones marins notamment.
10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, non représenté,caractériséen ce que l’ailette(1) est une structure souple pouvant être gonflable, ayant la forme d’un cerf-volant de traction relié à la perche (2) par une ligne, permettant le contrôle du kite: orientation, intensité et sens de la traction aérodynamique (A).