Historique des systèmes mécaniques de régulation 2/3

26 juin 2009

De Hook à Ketterman

Déjà publié :

1/3 – Les Pionniers

1 – L’utilisation sur un voilier

Christopher Hook – Miss Strand Glass & Miss Bosham

Développé par Christopher Hook « himself » vers 1972, Miss Strand Glass était un voilier de vitesse équipé de foils en T asservis. Il était aussi possible d’intervenir manuellement sur le pilotage des plans porteur. Ce bateau a connu, sous le même nom, de multiples variations de configurations. Il ne brilla malheureusement pas lors de ses apparitions à la semaine de vitesse de Weymouth. Il fut victime de problèmes de contrôle de la hauteur de vol et de casses. Malgré de multiples modifications, il fut toujours handicapé par son sur poids. Il se passa même à une époque de son système de régulation pour un pilotage de l’incidence manuel mais il ne décolla jamais réellement. C. Hook travailla aussi sur un second engin baptisé Miss Bosham qui fut brièvement équipé de foils asservis mais sans plus de résultat. Le gréement était de type biplan « auto piloté » et l’engin avait été réalisé à partir d’une coque de canoë.

Proposition de régulation d’un voilier par C Hook - Aero-hydrodynamics of sailing - CA Marchaj 1998

Proposition de régulation d’un voilier par C Hook - Aero-hydrodynamics of sailing - CA Marchaj 1998

Une des versions de Miss Stand Glass à Weymouth - Yachting world juill 1974

Une des versions de Miss Stand Glass à Weymouth - Yachting world juill 1974

Philip Hansford – Mayfly

En 1974 Philip Hansford, concepteur du génial Mayfly, testa un système de « Hook Hydrofin » sur ce bateau qui était auparavant équipé des foils en V. Le système comportait de petits patins que P. Hansford changea, après un premier essai. Les premiers tests étaient encourageants, malheureusement en 1974 lors de son premier run à la semaine de vitesse de Weymouth, un des foils se brisa alors que le bateau était piloté par Philip Hansford et Andrew Grogono (Icarus). Ce problème était peut être lié au sur poids du deuxième occupant… Philip Hansford remit donc en place son ancien jeu de foils en V et abandonna ce concept, pour Mayfly…

Mayfly de P Hansford en version foil en V – Photo Guy Gurney

Mayfly de P Hansford en version foil en V – Photo Guy Gurney

Pattison and Wynne – Force 8

En 1976 le système « Hook Hydrofin » est enfin adopté avec succès sur le trimaran Force 8 des frères Pattison. Comme sur les engins de C. Hook, le système de régulation comportait un bras dirigé vers l’avant et muni d’un patin effleurant la surface. Ce bras pilotait le plan porteur via une tringlerie et un système de câbles push pull. C’était un système proportionnel « simple », mais les frères Pattison avaient aussi intégré un réglage manuel (volant), semblable dans sa fonction au « manche » d’un avion : gauche/droite, réglage de l’assiette et tiré/poussé, hauteur de vol.

Force 8 des frères Pattison -  Bateaux N°307 décembre 1983

Force 8 des frères Pattison - Bateaux N°307 décembre 1983

2 – Phillips et Shaughnessy, une nouvelle voie

Pendant que les frères Pattison testent le système Hook, en 1976, Phillips et Shaughnessy travaillent eux un système de « traînard » constitué d’une baguette presque verticale qui pivotait à partir de sa fixation sur la coque. La variation de profondeur d’immersion de la baguette devait fournir « le retour d’information » nécessaire à la régulation de hauteur de vol.

Fonctionnement

D’après les maigres informations que j’ai pu trouver, l’idée était théoriquement la suivante : un bras immergé aurait, en fonction de la hauteur de vol et donc de sa surface immergé, été plus ou moins entraîné vers l’arrière. En vol, la faible surface immergé aurait eu tendance à ramener le bras vers la jambe de force du foil et donc, par l’intermédiaire de la tringlerie et un système de câbles push pull, à diminuer l’angle d’un volet de bord de fuite. Toutefois si en vol la surface diminuait, par contre la vitesse augmentait et par la même occasion la force appliquée au traînard. Normalement un contrepoids devait permettre de remettre en position le traînard et ainsi de contrecarrer l’accélération de l’engin. Mais cela ne semblait pas fonctionner parfaitement. Même si l’essai ne fut pas couronné de succès, il s’agit là, sauf erreur de ma part, d’un des premiers développements de régulation « vers l’arrière ».

Schéma Philips et Shaughnessy par FM

3 – Simmonds, un nouveau concept réussi

Vers 1977, Simmonds, hydrodynamicien chez « Southern Hydrofoils Co », développa un système de traînard qui suivait la surface de l’eau et régulait l’incidence d’un volet de bord de fuite. Il le testa sur son classe A Rampage mais qui n’était équipé que d’un seul foil sur une des coques. En 1985 Philip Hansford (voir Mayfly), adopte ce système et le dispose des deux côtés de son trimaran Dot qui deviendra plus tard Philfly. Cette configuration lui permis d’obtenir un engin qui vola dès sa première sortie et qui se révéla extrêmement stable dans toutes les conditions testées. Le fait de ne réguler seulement que l’angle du « flap » lui permettait de diminuer l’échantillonnage de la tringlerie et du palpeur. Plus tard, G.C.Chapman, équipa Bandersnatch (4.9 m), son catamaran, du même type de régulation. Ce catamaran servi de plate-forme de test pour une variété de configurations convergeant finalement à l’utilisation d’un volet de bord de fuite. Bandersnatch fut suivi de Calliope (5,36 m), puis de Ceres (6,15 m).

Fonctionnement

De part la taille du bras et sa position sur l’étrave, ce système s’apparente à un « Hook Hydrofin » à l’envers. Cette fois, le bras est dirigé vers l’arrière et non vers l’avant. La hauteur du palpeur, équipé ou non d’un flotteur, régule l’incidence d’un volet de bord de fuite (deuxième changement par rapport au Hook Hydrofin)

Schéma Simmonds par FM

 Philfly de Philip Hansford -  Livre “Icarus the boat that flies” James Grogono 1987

Philfly de Philip Hansford - Livre “Icarus the boat that flies” James Grogono 1987

4 – Greg Ketterman, les hautes vitesses

Force 8 et les travaux de Hook ont inspirés Greg Ketterman mais il a apporté, entre autre, l’idée d’utiliser un système souple permettant d’amortir les mouvements. Greg Ketterman qui est ingénieur en mécanique et architecte naval, a démarré ses recherches sur la régulation des foils en 1981 avec comme but de battre le record du monde de vitesse à la voile. Il a aussi travaillé sur de nombreux engins de loisirs pour le service R&D de Yamaha puis pour Hobie cat ou il travail aujourd’hui. C’est à lui que l’on doit le foils en L. Au cours de sa longue période d’expérimentation il a développé de nombreux engins : maquettes à foils, TF20 (vitesse), TF2 (vitesse), Avocet I II & III (loisirs), Longshot (vitesse), TF3 (vitesse), TFP (loisirs), Trifoiler (loisirs). Avec comme pilote Russel Long, Longshot réalisa un run à 43.55 nœuds à Tarrifa en 1993.

C’est ce type de régulation que l’on retrouvera ensuite sur d’autres engins comme O Paf des frères Durand ou Brest Nautic (foils en U) de M Gahagnon – JB Cunin et Claude Breton…

Fonctionnement

Le centre de gravité de l’ensemble foil / flotteur / bras / palpeur est situé en avant de l’axe de rotation du système. Ces différents éléments sont solidaires (même si le flotteur du palpeur peut être articulé). Le centre de gravité étant situé en avant de l’axe de rotation, le flotteur du palpeur doit théoriquement être toujours en contact avec la surface. La traînée du foil et le bon positionnement de l’axe de rotation par rapport à la résultante du plan porteur, permettent eux aussi de garantir le contact du palpeur avec l’eau. Le décollage de l’engin fait diminuer l’incidence (et inversement), proportionnellement à la hauteur de vol. C’est un système qui, lorsqu’il est maîtrisé, à l’avantage de diminuer les pièces en mouvement. Par contre celles-ci sont plus grandes et les efforts aussi…

Schéma Ketterman par FM

Longshot Sainte Marie de la Mer - Neptune Nautisme N° 93 mai 1992

Longshot Sainte Marie de la Mer - Neptune Nautisme N° 93 mai 1992

A suivre :

3/3 – De Knaggs à Tisserand


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Historique des systèmes mécaniques de régulation 1/3

17 juin 2009

Les Pionniers

Ça m’a pris comme ça, une nuit, je me suis dit : « il faut explorer le gouffre de la régulation » ! J’ai rassemblé le matériel : casque, lampe à acétylène, sac étanche, baudrier, combinaison… Il fallait bien ça, car la descente vers -1930 / – 1940 allait être difficile. Qui le premier à essayer de dompter un foil immergé ? Qui a transposé ce système sur un voilier ….? Qui a ensuite utilisé au maximum de ses possibilités cette technique ? J’ai fouillé dans la glaise, découvert au détour d’un ressaut des informations. Mais j’ai aussi pu loupé une salle, un puit… Difficile, impossible même, de faire correctement le tour de la question. Je vais donc essayer de parler des principaux protagonistes, de ceux qui ont cherché de nouvelles voies ou qui ont marqué les plans d’eau. Alors amis spéléo. de la portance, si vous avez une « topo » plus précise merci de m’en faire part….

Rappel :

L’analyse faite par Daniel Charles sur la problématique des bateaux à foils est une très bonne introduction aux problèmes de régulation et d’amortissement des foils. Si vous n’avez pas eu l’occasion de lire cet article, je vous conseil de faire un petit tour sur cette page…

Les pionniers

Au début du 20ème siècle, les rares engins à foils étaient exclusivement des engins à moteur équipés de foils en échelle ou en V (Graham Bell, Forlanini, Crocco, Tietjens). Ces bateaux naviguaient correctement par mer calme mais étaient confrontés, en plus de leurs problèmes de fiabilité, à un souci de mauvaise tenue à la mer. Deux pionniers, Grunberg et Hook, ont donc séparément travaillés sur la voie de l’incidence variable plutôt que sur celle de la surface variable. Par ce qu’il a réalisé non seulement des maquettes, mais aussi des bateaux à moteur ou à voile, Christopher Hook est souvent cité comme pionnier dans la conception du premier système de régulation des foils immergés. Toutefois un peu avant lui ou en même temps, Wsevolode Grunberg a lui aussi travaillé sur ce concept, c’est vrai avec un peu moins de réussite.

1 – Wsevolode Grunberg

Wsevolode Grunberg, chercheur d’origine russe mais vivant en France a dés 1937 travaillé sur les foils immergés puisqu’en juin de cette année, il publia un rapport sur un système sustentateur auto stable. C’est en France qu’il va tester la mise en place de patins sur une maquette de bateau à moteur équipé d’un seul foil central. Ces patins étaient fixés directement de chaque côté de l’étrave et ne donnaient pas de bons résultats dans le clapot. En 1939 il est invité aux USA par le comité consultatif national pour l’aéronautique (NACA), pour présenter ses idées. Le NACA était fortement intéressé par le par le concept proposé par Grunberg afin d’améliorer l’atterrissage et le décollage des hydravions. Grundberg va donc travailler avec les américains à la conception de maquettes qui seront testées au fameux centre de Langley. Malheureusement, la seconde guerre mondiale va éclater, ce qui va empêcher Grundberg, qui était citoyen étranger, d’obtenir les résultats de ses propres recherches ! Ce n’est qu’après la guerre, après avoir obtenu la nationalité américaine et changé de nom, qu’il pu accéder aux résultats des tests réalisés par les américains et qu’il découvrit que ceux-ci avaient été fructueux. Grunberg devenu Craig Waldemar, travailla ensuite sur le développement d’un « pilotage non mécanique » pour la régulation des foils immergés les bateaux à moteurs. Mais son idée de régulation par patins fut longuement testées sur différents hydravions.

Fonctionnement

L’idée directrice était donc de réguler entièrement la plate forme qui était équipée d’un seul foil fixe. Les patins étaient fixés sur l’étrave du bateau (monocoques) ou de l’hydravion. Cela ne semblait pas fonctionner sur les premières maquettes de bateau. Les résultats était plus satisfaisant sur les hydravions. Ce travail ressemble à celui développé bien des années plus tard par Greg Ketterman (pas de mouvement du plan porteur, pas de volet mobile). Bien entendu, chez Ketterman (qui semble avoir plus étudié Hook que Grunberg : voir son brevet), c’est chaque ensemble foil/flotteur/palpeur qui travail séparément, comme une plate forme, pour faire décoller la plate forme complète…

Preliminary investigation of the static and dynamic longitudinal stability of a Grunberg hydrofoil system – NACA 1952

Preliminary investigation of the static and dynamic longitudinal stability of a Grunberg hydrofoil system – NACA 1952

1 – Christopher Hook

En 1950 Christopher Hook reprend l’idée des patins mais va les connecter directement aux foils. Par rapport au travaux de Grunberg, il va développer un système « foil par foil » et ne pas agir seulement sur la position de la plate forme (qui ne donnait pas de bons résultats sur un bateau), mais sur le plan porteur du foil. Christopher Hook a étudié l’architecture navale et l’aérodynamique en France pendant la seconde guerre mondiale (en zone occupée). Il réussi à s’échapper d’abord à Lisbonne puis au Kenya, où il réalise de nombreuses expériences dans des conditions assez rudimentaires. C’est dans ce pays, à partir de 1942, qu’il construit trois bateaux dans le but de mettre au point un système mécanique de contrôle de l’incidence. En 1945, la guerre terminée, il se rend en Angleterre et propose ses plans à la marine anglaise qui doute de l’intérêt de son invention. Mais lorsque la marine découvre que les Allemands ont réalisés des engins à hydrofoils de 80 tonnes pour la chasse aux sous marins, il est enfin prit au sérieux. Il poursuit donc ses travaux sur 3 maquettes au Royal Aircraft Establishment de Farnborough. Au début des années 1950, C. Hook se déplace aux USA emmenant avec lui son modèle de test. C’est au USA que naissent « Hydrofin », équipé d’une hélice aérienne, puis « Icarus » propulsé par un moteur hors bord.

Modèle d’essai de Christopher Hook testé à Farnborough - Flight and aircraft engeneer nov 1948

Modèle d’essai de Christopher Hook testé à Farnborough - Flight and aircraft engeneer nov 1948

Hydrofin de C Hook photo Mark Kauffman – LIFE  05-05-1950

Hydrofin de C Hook photo Mark Kauffman – LIFE 05-05-1950

Fonctionnement

Au repos, le volet du plan porteur immergé qui est fixé par l’intermédiaire d’un axe en bas de la jambe de force (fixe), a une incidence importante. Ce plan porteur est relié par l’intermédiaire d’une tringlerie à un patin disposé à l’extrémité d’un bras. Avec la vitesse, la portance augmente, le bateau décolle et le patin, en raison de son poids, « descend » pour suivre la surface de l’eau. Le mouvement du bras, agit sur le plan porteur soit pour diminuer l’incidence et donc la portance, soit pour l’augmenter…

Schéma Hook par FM

A suivre :

2/3 – De Hook à Ketterman

3/3 – De Knaggs à Tisserand


Foilers, hydrofoils…

9 juin 2009

Au cours de mes échanges avec Daniel Charles (architecte, historien, analyste…), Daniel m’a gentiment envoyé son analyse de la problématique des bateaux à foils. Je comptais utiliser cette très intéressante vision de la question comme préface-introduction d’un article que je prépare sur les systèmes de régulation des foils immergés. Mais après réflexion, ce texte mérite un article à lui tout seul.

Foilers, Hydrofoils par Daniel Charles

Deux difficultés fondamentales

Toute la problématique des bateaux à foils découle du fait que deux difficultés fondamentales sont souvent ignorées :

1 – Lift-drag bucket

Il faut que chaque foil reste dans le fond du « seau ». Ce « seau » (lift-drag bucket, pour lui donner son nom complet) est la courbe que décrit, pour toute la gamme des angles d’attaque, le rapport portance/traînée d’un foil. Jusqu’à 3-4° d’incidence, le foil crée de la portance sans pénalité de traînée; soudain, la courbe monte presque à la verticale : au-delà de 4-5° d’incidence, le foil crée de la traînée presque sans bénéfice de portance. Rester au fond du seau est impératif pour les performances. En d’autres termes, la fourchette d’utilisation du foil est extrêmement étroite – disons 4°- alors que l’assiette des bateaux sur lesquels les foils sont attachés varie bien au-delà de cette fourchette : les variations d’assiette au tanguage peuvent être, dans les vagues, de 10-12° pour un grand bateau à 25° pour un Class C ! Dès que l’on a l’ambition de naviguer ailleurs qu’en mer plate, une régulation de l’angle des foils est donc absolument nécessaire. certes, on peut s’en passer et on développera le plus souvent la portance nécessaire, mais au prix d’une traînée importante, qui imposera plus de voile, plus de stabilité, plus de traînée, et ainsi de suite… ce qui nous amène au second point.

2 – Suspension – régulation

Par nature, un foil doit produire, de manière dynamique, la même portance qu’un flotteur en produit grâce à la poussée d’Archimède – sauf que le foil concentre cette portance sur quelques « points durs » assez rapprochées, alors que l’effort d’un flotteur est réparti sur une plus grande distance. En même temps, la portance d’un foil croît très rapidement (grosso-modo au rythme de 7 à 10% par degré d’incidence, ce qui peut être obtenu en 1/10è de seconde), celle d’un flotteur augmente de manière très progressive. Le résultat est une augmentation de la fatigue du matériel, et donc une diminution de la fiabilité. Pour contrecarrer ce problème, on a le plus souvent été amené à créer des structures très solides, mais donc très lourdes – ce qui n’a pas empêché les foilers comme les hydrofoils purs d’accumuler les avaries. Personne n’imaginerait partir sur une voiture dénuée de suspension -or c’est, au fond, le problème de la majorité des bateaux à foils. Les seuls qui n’ont pas eu de problème de fiabilité employaient tous un système de régulation de la portance des foils, qu’il s’agisse du système à palpeur de Hook, de celui de Baker ou du plus ancien de tous, Homo Sapiens V1, qui joue sur la rapidité d’intervention du barreur et fait merveille en Moth (mais est inapplicable offshore sur de longues distances). L’Hydroptère n’a commencé à marcher convenablement que lorsqu’il fut équipé d’un système d’amortissement, cqfd.

La trainée

Stabiliser un bateau par foils, voire le faire voler, est très facile. On peut faire voler un hydrofoil dès trois noeuds (je l’ai fait!), mais ce n’est pas parce qu’on vole qu’on va vite. Sur papier, les foils sont imbattables parce qu’ils ont un rapport portance trainée de 0,015-0,02, alors que le meilleur rapport portance traînée que puisse fournir la poussée d’Archimède est 0,2. Dans la pratique, un foil qui perce l’eau, ventile et fait des vagues se retrouve vite dans la fourchette 0,15-0,25, la même que la poussée d’Archimède -mais avec un surcroît de poids du fait de la concentration des efforts. En terme de rapport portance/traînée réel, le système le plus compétitif est incontestablement l‘HYSWAS, il est vrai stabilisé par foils immergés commandés par ordinateur….

Le facteur d’échelle

Enfin, les hydrofoils sont victimes d’un problème d’échelle, qui profite au contraire aux bateaux archimédiens. Sur ces derniers, grandir est un avantage, parce que si l’on double la taille, la voilure sera multipliée par quatre (le carré) alors que la stabilité (qui dépend du volume et du poids) sera multipliée par huit (le cube); en d’autre termes, sur les bateaux archimédiens, la stabilité coûte de moins en moins cher en termes de performances au fur et à mesure que la taille augmente. Sur les hydrofoils, au contraire, on n’a pas cet effet d’échelle: si l’on double la taille du bateau, la surface de voilure sera multipliée par quatre, et la surface des foils (et leur portance) aussi. Il n’y a pas d’avantage à faire « grand » (et pas mal d’inconvénients, à cause des problèmes structuraux). A cause de cela, la Mini-Transat serait un bien meilleur terrain d’expansion pour les hydrofoils de mer que les 60′. Faut-il rappeler que, en quinze ans, l’Hydroptère n’a pas réussi, malgré tous ses efforts et un budget considérable, à établir un seul record significatif au large….