Les foilers TISSERAND, du nouveau dans la régulation

15 octobre 2015

Par Gérard et Claude Tisserand

A – les Véliplanes

Plusieurs modèles ont été construits entre 1964 et 1978, en maquette ou en grandeur (les Véliplanes). Ils étaient basés sur le modèle « tripode » (ou avion), c’est-à-dire à foils en V perçant la surface et un troisième foil en T en bout de safran. Ils ont probablement été à l’origine de l’Hydroptère, qui en tous cas s’en est largement inspiré. Puis les problèmes de la vie étant ce qu’ils sont (tout au moins pour les amateurs que nous sommes), il y eut une longue interruption au cours de laquelle nous nous sommes consacrés à d’autres occupations. Ce n’est qu’en 1996 que nous avons repris les expérimentations, d’abord en maquettes, puis avec un petit modèle « grandeur » de 4,5 m à partir de 2006.

Avantages et inconvénients de la formule « tripode »

  • Les foils en V nécessitent pour une stabilité minimale une poutre transversale très large et très solide, donc chère et lourde.
  • Les foils perçant la surface, en V et encore plus en J (voir Coupe America, note 3), sont sujets à la ventilation, c’est-à-dire que l’air en provenance de la surface vient détruire la portance de l’extrados du foil, portance largement majoritaire (note 1).
  • La stabilité longitudinale est parfois insuffisante car la poutre est située quasiment au centre de poussée vélique, lui-même très prés du centre de gravité. Les foils sont donc très en arrière, d’où une forte tendance au capotage (on dit « sancir », mais le terme est inusité). C’est ainsi que le Véliplane III a sanci durant un run à Weymouth.
  • Ces bateaux sont essentiellement adaptés aux records de vitesse, mais peu faits pour les parcours en haute mer.

B – Le Tétrafoiler : La disposition générale

Pour ces raisons, nous nous sommes orientés vers le Tétrafoiler, qui présente les caractéristiques suivantes :

  • Comme son nom l’indique, il comporte 4 foils (2 par coque) qui, contrairement à la mode actuelle, sont maintenus en place en permanence. La masse sera répartie sur les quatre foils et non pas sur deux comme pour l’essentiel dans la formule tripode, de même que la contre-dérive est répartie sur les 4 plans supports (note 2).
  • Afin de contrer la tendance à l’enfournement propre aux catamarans, le Tétrafoiler est centré très en arrière. Il peut donc se comparer à un avion type « canard » et il suit les mêmes lois de stabilité.
  • Entre les foils avant et arrière on veillera à maintenir un V longitudinal, c’est-à-dire que les foils avant ont plus d’incidence que les foils arrière: ils sont donc plus chargés au dm2.
    Il s’en suit que les foils arrière auront une surface supérieure à celle des foils avant, comme pour les avions « canard ».
Une des maquettes du Tétrafoiler sur ces 4 foils – photo Tisserand

Une des maquettes du Tétrafoiler sur ces 4 foils – photo Tisserand

La stabilité sera donc celle d’un avion « canard », mais avec un facteur très déstabilisant: la poussée vélique, très haute et très perturbatrice, d’autant plus que le point de résistance (les foils), est placé très bas, en dessous des coques.

Pour lutter contre ce couple piqueur très variable, on n’a pas de trop de toute la longueur du bateau : nous mettons donc les 4 foils aux 4 coins du cata : ainsi utilisons-nous la totalité du polygone de sustentation. En statique la stabilité est celle d’un cata normal ; en dynamique la stabilité est largement supérieure par l’effet stabilisant des foils. Cette disposition très sécurisante sera avantageusement combinée à une fixation extérieure des foils avant (voir photos), ce qui présente le double avantage d’augmenter la stabilité latérale et de sécuriser le bateau en cas de choc violent, l’arrachement d’un foil n’entrainant pas l’ouverture de la coque. Il faut noter cependant que cette formule est très préjudiciable à la maniabilité ! En cas d’utilisation en régate il conviendra sans aucun doute de rechercher un compromis stabilité-maniabilité, ce qui est somme toute très classique.

Les foils du Tétrafoiler à l’extérieur des coques et les contrôleurs ancienne version - photo Tisserand 08-2009

Les foils du Tétrafoiler à l’extérieur des coques et les contrôleurs ancienne version – photo Tisserand 08-2009

Pour lutter contre les phénomènes de ventilation, nous utilisons des foils en T dont les plans porteurs, entièrement immergés, ont en principe un meilleur rendement que les foils inclinés perçant la surface.
Nous avons construit de nombreuses maquettes sur ce principe et un proto de 4,5 m qui a fonctionné de 2007à 2012.

Un des maquettes du Tétrafoiler - photo Tisserand 10-2015

Une des maquettes du Tétrafoiler – photo Tisserand 10-2015

Une des maquettes en navigation - photo Tisserand 05-2012

Une des maquettes en navigation – photo Tisserand 05-2012

Le Tétrafoiler - photo Tisserand 09-2007

Le Tétrafoiler – photo Tisserand 09-2007

Cependant, l’agencement général de nos modèles que, pour les raisons sus-indiquées, nous avons appelés « Tétrafoiler », n’est qu’une partie du problème; le reste, tout aussi important, est développé ci-dessous :

C – Le contrôleur Tisserand

La disposition du Tétrafoiler donne un cata STABLE, SOLIDE, et PAS TROP CHER… encore fallait-t-il le contrôler : en effet les foils en T entièrement immergés, donc à surface constante, nécessitent un système qui va déterminer leur profondeur d’immersion, autrement dit la hauteur du bateau au dessus de l’eau, ou encore l’altitude de vol ! Les dispositifs électroniques, employés depuis longtemps sur divers engins militaires, ne conviennent pas pour un usage civil raisonnable, du moins à ce jour, et le contrôle manuel est très aléatoire, même assisté comme pour la Coupe America.

Ce contrôle est donc assuré sur la plupart des foilers par des palpeurs mécaniques poussés ou tirés, qui ont pour référence la surface de l’eau, avec toutes ses irrégularités. Ce type de palpeur nous est apparu très perfectible, pour les raisons suivantes :

  • leur puissance est limitée, sauf à employer des surfaces de palpeur exorbitantes (voir K2 Kitefoiler)
  • ils n’agissent théoriquement que dans un seul sens, sauf dans le cas des palpeurs poussés type Ketterman, où ils sont associés à des foils articulés en haut et qui donc exercent un gros effort permanent sur les palpeurs largement dimensionnés.
  • ils n’ont que peu d’action sur la stabilité LATERALE du bateau, ou tout au moins leur correction en roulis nécessite un minimum de gite. Le contrôle en gîte se fait par la différence de niveau entre les foils au vent et les foils sous le vent.
  • ils suivent plus ou moins les perturbations de la surface de l’eau, ce qui en eau agitée est très perturbant dans bien des domaines.

L’idée nous est donc venue de remplacer ces palpeurs de surface par une pale verticale (une de chaque coté), plongée dans l’eau. Cette pale, est articulée en haut, hors de l’eau, sur un axe longitudinal, comme un pendule. Cet axe est muni d’un guignol qui commande simplement et directement le foil avant correspondant (voir schéma).
Dès lors il suffit de donner à ces pales un léger angle d’attaque par rapport à la trajectoire ou axe du bateau, pour qu’elles génèrent une énorme force latérale que nous utilisons pour commander (à cabrer) les foils avant.

Controleur Tisserand - F Monsonnec 13-10-15

Tels quels, ils sont déjà un bon régulateur puisque, plus le bateau s’élève, plus leur surface immergée diminue, donc leur effet sur les foils diminue, et très vite un équilibre s’établit qui règle la hauteur du bateau. Ainsi réalisés les palpeurs rendent les mêmes services que les traînards, avec un grand avantage : ils sont auto-amortis, par leur conception même, et donc quasiment insensibles aux irrégularités de la surface.
En outre, ces palpeurs qui dégagent, nous l’avons vu, une force considérable, sont surabondants pour commander des foils articulés au pied du T (encore que tout dépend du point d’articulation et du profil employé : s’il n’est pas judicieusement placé, il peut y avoir des efforts importants). Ils peuvent donc commander des foils en T articulés en haut (cf les foils de la Coupe America ou le Trifoiler), qui engendrent des efforts importants à cause de la traînée. Ces foils présentent l’avantage d’être monoblocs, donc plus fins et plus solides, mais présentent l’inconvénient d’être sensibles à la moindre rencontre avec des objets (algues par exemple) sous la surface.

Cependant nous avons pu améliorer la formule

On a pu améliorer grandement cette formule en réalisant des palpeurs en deux parties : une partie supérieure et une partie inférieure. Ces deux parties, décalées, portent chacune en sens inverse: par exemple, la partie supérieure est calée + 4°, la partie inférieure à – 4°, donc vrillage total (ou interinclinaison) = 8°.

Dès lors les palpeurs agissent dans les deux sens : suivant la hauteur du bateau, c’est soit une des surfaces qui domine, soit l’autre. Si les palpeurs sont bien placés, bien orientés, si les surfaces sont braquées dans le bon sens, le contrôle du bateau est total : s’il est trop bas il remontera, mais là où nos palpeurs sont exclusifs, c’est que s’il est trop haut, il sera dynamiquement rabaissé par le braquage négatif du foil.

Les conséquences sont énormes

L’équilibre latéral du bateau est maintenu, classiquement, par la gravité, qui tend à le maintenir à plat, et par l’équipage qui se démène. Mais dans le cas des contrôleurs Tisserand, les palpeurs réagissent aux variations de hauteur, ce qui est classique, mais aussi à la dérive, qui provoque un braquage différentiel, avec une augmentation de l’incidence sous le vent et une réduction au vent, et ceci sans aucune gite.

Ainsi, le bateau reste horizontal et la stabilité gravitaire est dépassée : la stabilité dynamique s’ajoute à la stabilité statique, ce qui permet d’accepter des vents bien supérieurs à ceux d’un foiler classique qui ne comporte pas cette disposition. Ainsi au démarrage le bateau gite puis il se redresse au fur et à mesure qu’il accélère, et ceci sans que l’équipage ait le moindre mouvement à faire (a fortiori en maquette, qui ne comporte aucune masse mobile !).

On peut résumer ainsi le comportement du Tétrafoiler: une fois installé sur ses foils, on peut allumer sa pipe ou boire une bière, les contrôleurs font tout le boulot (sous pilote automatique bien sûr !).

La stabilité du Tétrafoiler - photo Tisserand 08-2009

La stabilité du Tétrafoiler – photo Tisserand 08-2009

La configuration générale du cata permet, nous semble-t-il, d’être plus apte à envisager des parcours océaniques, parce que même avec un foil arraché, il continuera à naviguer alors qu’un tripode à poutre transversale risquera d’être en perdition.

D – Conclusions

Ces palpeurs ont été testés des centaines de fois sur nos maquettes successives, ainsi que sur le prototype de 4,5 m.
Hélas nous n’avons pas pu continuer nos essais sur le proto, faute d’un plan d’eau adapté et de moyens financiers suffisants…

La maquette du Tétrafoiler en vidéo

E- Annexes

Note 1 : un peu d’hydrodynamique
On sait qu’un plan se déplaçant dans un fluide avec un certain angle dit d’incidence provoque une portance qui est la résultante de la pression sous le plan et de la dépression au dessus du plan. Or « chacun sait » que cette dépression est très supérieure à la pression, d’où le soin particulier que l’on devra porter à la conservation de cette dépression, ce qui en cas de « ventilation » est totalement impossible ! Mais il convient de noter aussi qu’à partir d’une certaine vitesse de déplacement, la pression sous le plan devient suffisante pour assurer la sustentation…

Note 2 : la contre-dérive
La voile exerce une poussée latérale qui doit impérativement être contrée par un plan (ou hydrofoil vertical) appelé couramment « dérive ». Sur la majorité des voiliers cette dérive est placée aux environs du centre de poussée de la voile pour que le bateau soit équilibré (ou légèrement en avant pour que le bateau soit « ardent » et vire plus facilement). Il s’en suit que le safran ne sert que de gouvernail et ne contribue pas ou peu à la contre-dérive.
Sur le Tétrafoiler par contre, les dérives avant portant les foils sont très en avant de ce centre de poussée vélique; cette disposition, qui devrait rendre le bateau très ardent, voire même incontrôlable, est facilement compensée par une forte augmentation de la surface des safrans (toujours la configuration « avion canard »). Les safrans contribuent donc fortement à cette contre-dérive, qui est donc répartie sur les 4 plans, ce qui n’est jamais de trop quand on sait que la dérive est un des problèmes majeurs sur un foiler « volant » haut.

Note 3 : à propos des foils en J de la Coupe America
Les foils en V classiques, du genre Véliplane ou Hydroptère, présentent le double inconvénient d’être sujets à la ventilation puisqu’ils percent la surface, et de réduire la largeur au fur et à mesure de leur sortie de l’eau (d’où l’énorme poutre transversale). Mais par contre ils présentent le grand avantage de l’autocompensation, c’est-à-dire que la dérive induit une augmentation de l’incidence sous le vent et une réduction de l’incidence au vent, d’où une grande autostabilité.
Les foils en J présentent bien entendu les mêmes inconvénients de ventilation puisqu’ils percent deux fois la surface, et de réduction de la largeur puisqu’ils sont disposés vers l’intérieur des coques. Mais par contre ils ne présentent pas l’avantage de l’autocompensation puisqu’une moitié du J joue dans le bon sens tandis que l’autre joue en sens contraire…