Les systèmes empêchant la propagation de la ventilation
Cet article essayera de traiter des dispositifs empêchant une bulle de ventilation de se propager depuis la surface vers une surface portante, le long d’une surface verticale (safran, jambe d’un foil en T) ou inclinée (foil traversant).
Lorsqu’un profil a une forte charge, cela crée une forte dépression sur son extrados, ce qui peut alors aspirer de l’air depuis la surface.
En transposant des astuces utilisées sur les avions, j’ai imaginé 6 familles de solutions résolvant ce problème. Les 3 premières étant bien connues, je les rappelle juste pour tenter d’être exhaustif.
I-Diminution de la charge alaire
Sûrement la solution la plus simple, elle consiste à :
- augmenter la surface
- diminuer l’incidence
- changer de profil pour un profil avec un Cz plus faible.
Ainsi, la dépression locale sera plus faible, bien que la portance totale reste la même.
Ceci dit, ces 3 actions repoussent plutôt le problème (la ventilation réapparaîtra à plus haute vitesse) qu’elles ne le résolvent. De plus, on augmente fortement la surface mouillée, la traînée…
On peut aussi essayer de diminuer la portance totale : régler la voilure pour qu’elle pousse moins le bateau sous le vent (meilleur Cz/Cx, choquer, prendre un ris…), éviter les surcharges transitoires (contrôle de la pression du pied arrière en windsurf pour éviter le spin-out, systèmes d’amortissement, pilotage en douceur), incliner le bateau et se servir du foil principal pour assurer l’anti-dérive (moth à foil),…
II-Changement de l’angle de flèche
Un problème similaire s’est posé en aéronautique (ma référence préférée, les efforts de R&D y ayant été plus élevés) lorsque les premiers chasseurs à réaction ont fait leur apparition au sortir de la 2nde Guerre Mondiale, munis de l’aile en flèche inventée par les Allemands.
La flèche est l’angle formé entre le bord d’attaque et la direction d’avancement de l’appareil.
A faible vitesse (donc à forte incidence), les filets d’air ont tendance à glisser, vers l’extérieur. Ceci diminue la portance de l’aile. Or, c’est justement aux fortes incidences (virages serrés, atterrissage) que cela est critique. De plus, les bouts d’aile (qui sont munis des ailerons contrôlant le roulis) en pâtissent en premier, créant de graves problèmes de contrôle à basse vitesse (rajoutez à cela des réacteurs longs à changer de régime et vous obtenez une série de crash dans les années 50).
Bien que ca ne soit pas tout à fait comparable à la propagation de la ventilation, c’est une problématique similaire : bloquer la propagation d’une discontinuité de pression le long d’un profil.
La solution évidente de diminuer la flèche n’en est pas une puisqu’alors ce n’est plus une aile en flèche…
Par contre, on peut avoir une flèche dite négative
Sukhoï 47 berkut et moth. Flèche inverse sur les ailes ainsi que la jambe du foil - DR
Avantages : Intuitivement, on comprend bien que les filets d’air glissent alors vers l’intérieur, ou qu’une bulle de ventilation aura besoin de très forts gradients de pression pour se propager « vers l’avant ». La construction du moule est aisée.
Inconvénients : Comme dit dans l’article sur les obstacles, cette flèche négative est un piège à crasse. Cette formule crée de graves problèmes structurels en torsion, compliquant la construction de l’intérieur du foil (longerons, boites de torsion etc).
III-Les fameuses fences ou cloisons
Multiples cloisons d’un Sukhoï 22 - Dermsdorf/Kölleda, Allemagne - wikipedia
C’est la première solution qui a été appliquée aussi bien en aéronautique que dans le monde des foilers. Son adaptation aisée sur un profil déjà construit présentant des problèmes est une des explications de son succès. De plus, on comprend intuitivement son mode d’action. C’est une barrière physique bloquant un phénomène se propageant transversalement.
Fences empêchant la ventilation de descendre, foil en L Trifoiler - photo F Monsonnec 2005
Mais elles ont été abandonnées en aéro. à partir des années 60. Peu efficaces, créant beaucoup de surface mouillée, compliquant la construction. Dans le cas où elles auraient réussies à perdurer jusqu’aux années 90, l’apparition de la furtivité et de la réduction de la SER (Surface Equivalente Radar) les aurait supprimées.
L’hydroptère a depuis changé de foils et abandonnés ses fences, serait-il là aussi un précurseur ? - photo F Monsonnec 2003
Avantages : "retrofit" possible, conception intuitive, solution éprouvée.
Inconvénients : piège à crasse, construction pénible, traînée (surface mouillée + liaison de 2 profils à 90°)
IV-Les décrochements de bord d’attaque
Cette solution vise à remplacer la barrière physique par une immatérielle, constituée par des vortex créant une forte discontinuité du champ de pressions.
Décrochement de BA et son vortex
Cette illustration ainsi que d’autres sont issues de ce très bon site.
Cette solution a été très utilisée sur les avions dotés d’aile delta (ailes qui nécessitent de toute manière des calculs poussés de vortex), mais on remarque peu ces décrochements car on les confond généralement avec les volets/becs de bord d’attaque.
Avantages : peu de traînée
Inconvénients : conception nécessitant des calculs poussés, non "retrofittable" ou ajustable (je me vois mal tronçonnant un foil), construction difficile (imaginez la forme d’un éventuel longeron, disposer les peaux sur le moule,…)
L’hydroptère présente maintenant des décrochements de BA, mais je pense que c’est plus pour séparer les profils « basse vitesse » servant au décollage et le reste du foil « haute vitesse »
V-Le bord de fuite en dents de scie
Là aussi, le but est de créer des tourbillons qui vont séparer les flux. Toutefois ici le but semble plus d’empêcher les décrochages de bouts d’aile de migrer vers l’avant.
B-2 et son bord de fuite en dents de scie
Cette fois, c’est de ce site que viennent les illustrations.
Cette solution est très peu documentée, c’est la plus récente et sûrement la plus complexe à calculer. De plus, son utilisation sur des appareils modernes reposant sur un asservissement électronique pour voler est assez éloignée d’un foiler. Enfin, les dents de scie participent activement à la furtivité, dès lors il faut démêler avantages aérodynamiques et avantages signature radar, donc on ne sait pas toujours ce qui à poussé le concepteur à ce choix.
Avantages (sur le papier) : seule solution ne piégeant pas les algues.
Inconvénients : profils à corde variable (problème de nombre de Reynolds, etc), forme complexe, non "retrofittable", non ajustable, non éprouvée.
VI-La fente d’aile
Le meilleur pour la fin. Cette solution est appliquée sur de nombreux avions de combat, mais elle est peu remarquée car très discrète.
Fente réalisée sur le BA, créant des vortex
Cette solution, comme les deux précédentes, a l’avantage de créer peu de traînée à basse vitesse, et de gagner en efficacité au fur et à mesure que la vitesse augmente.
Avantages : facilement "retrofittable" et ajustable
Inconvénients : je n’en vois pas. Peut être est-elle peu efficace pour une application anti-ventilation ?
Il me semble donc que c’est la meilleure des solutions, peut être en combinaison avec la 1. Faire une encoche à la scie sur le bord d’attaque et poncer paraît plus simple qu’installer des cloisons. Et si cela ne marche pas, il suffit de réutiliser les moules femelles pour faire un coffrage et « reboucher », ou pour diminuer la fente. L’agrandir ne devrait pas être un soucis.
Conclusion
Aujourd’hui, les fences sont la réponse dominante (voire unique) des foilers ayant des soucis de ventilation. Au vu de leurs inconvénients et de l’existence de solutions plus simples (bien que moins intuitives), cela m’étonne que le monde de la voile ne s’en débarrasse pas tout comme l’aéronautique les a délaissées depuis 50 ans.
Publié par Fred Monsonnec 
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