Les foils du Vendée Globe

20 novembre 2016

Le départ du 8ème Vendée Globe a été donné le 8 novembre. Pour ce tour du monde à la voile en solitaire, sans escale ni assistance qui se court tous les 4 ans, 29 marins s’affrontent sur des monocoques de 60 pieds IMOCA. Et pour la première fois, 7 bateaux sont équipés de foils:

Pour les amateurs de bateaux volants c’est assez surprenant de voir des foils ajoutés à des bateaux lestés par 3.1 tonnes de plomb et des ballasts, alors que jusqu’ici les foilers étaient ultra légers afin de soulever leur(s) coque(s) hors de l’eau.

En fait, comme l’expliquent bien la vidéo ci-dessous, le rôle principal des foils est de créer un couple de redressement du bateau :

En prime, la portance du « tip » du foil associée à celle de la quille inclinable génère une poussée verticale qui réduit notablement le déplacement du bateau. A 20 noeuds, cette poussée représente 60% du poids du bateau, et il décolle pratiquement dans les vagues

Ces foils remplissent encore un autre rôle. La quille inclinable n’est pas un plan anti-dérive très efficace. C’est pourquoi les 60 pieds IMOCA étaient jusqu’ici équipés de deux dérives-sabre, dont l’une est abaissée pour que le bateau « cape » mieux, notamment au près. Mais comme le Vendée Globe se court principalement au portant ces dérives sont avantageusement remplacées par des foils dont la partie plongeante (le « shaft ») fonctionne comme un petit plan anti-dérive*.  Selon Quentin Lucet, architecte au cabinet VPLP qui a conçu 6 des 7 foilers de la flotte, les foils de ces bateaux se distinguent justement par ce « shaft » plutôt que par le « tip » [1].

D’ailleurs on peut voir ces foils non comme une révolution, mais comme une évolution. Sur les IMOCA des éditions précédentes, les dérives-sabre étaient inclinées vers l’extérieur du bateau. Mais pour le Vendée Globe 2012-2013, le chantier VPLP a eu l’idée d’incliner les dérives de « Macif » et « Banque Populaire » plutôt vers l’intérieur pour qu’avec la gîte elles génèrent une force verticale comme des foils. Résultat : les deux bateaux ont remporté la course dans un mouchoir de poche (François Gabart arrivant 3h avant Armel Le Cléac’h après 78 jours de course!), laissant le 3ème à plus de deux jours.

Pour cette édition, « Banque Populaire » rebaptisé « Maitre Coq » a remplacé ses dérives par de vrais foils, et VPLP a conçu les 6 autres foilers tout neufs. Enfin presque, parce que la plupart ont déjà  pris le départ de la Transat Jacques-Vabre 2015. Mais un seul l’a terminée (« Banque Populaire VIII », à la 2ème place), tous les autres devant abandonner sur casse…

Car la grande inconnue est là : ces foils créent des forces énormes sur la structure, des accélérations et des chocs auxquels aucun bateau ni homme n’a été soumis pendant une si longue période. Les bateaux qui survivront à ces conditions extrêmes battront probablement le record de François Gabart en 78 jours. Dans ce cas nous verrons certainement des bateaux volants au Vendée Globe 2020.

Pour l’instant c’est bien parti : à l’heure où j’écris, les 3 bateaux en tête de la course sont des foilers (Hugo Boss, Banque Populaire VIII, Edmond de Rotschild) et les 4 autres sont 5,7,9 et 24èmes.

Reste un petit mystère que je n’ai pas éclairci : sur les sites et forums anglophones [4], les foils de ce type sont baptisés « DSS » comme « Dynamic Stability Systems » [5], le nom d’une entreprise fondée par Hugh Welbourn pour exploiter son brevet [6] qui me semble assez large. VPLP a-t-il acquis une licence de ce brevet ? Pourtant ils ne sont pas mentionnés dans les partenaires de DSS… Ou ont-ils déposé leur propre brevet, que je n’ai pas trouvé ? Ou jouent-ils sur l’antériorité du brevet de Rougier & Emig [7] aujourd’hui échu ?

Note* : outre les problèmes de construction, la jauge IMOCA limite à 5 le nombre d’appendices mobiles. Avec la quille inclinable et deux safrans, il faut chosir : dérives ou foils, car utiliser des foils ou dérives fixes serait trop handicapant dans le petit temps.

Sources:

  1. Raphaël Bonamy, « Vendée Globe. Les foils ? Ça marche comme ça…« , 04/11/2016, sur Ouest-France
  2. « Vendée Globe : des machines volantes vont s’affronter sur l’eau« , 4/11/2016, Sciences et Avenir
  3. Chloé Lottret « Un voilier du Vendée Globe 2016 expliqué« ,06-11-2016, Bateaux
  4. « DSS foils to revolutionise IMOCA 60 fleet« , 22 October 2014, The Daily Sail
  5. « Dynamic Stability Systems – Technology«
  6. Hugh Burkewood Welbourn « Hydrofoil system for mono-hull sailboats », 2007, brevet WO 2007116318 A3
  7. Francois Paul Louis Co Rougier, Marc Emig « Disposition architecturale permettant d’augmenter de la stabilite des voiliers de type monocoque par des foils », 2004, brevet FR2877311B3

(article aussi publié sur Dr.Goulu.com)


Le premier foiler autonome monté sur 2 T-foils et développé par des étudiants de l’EPFL

7 novembre 2016

Par le « Team HydroContest EPFL 2015-2016 »

Bifoiler en cours de test - photo Adrian Breitenmoser

Bifoiler en cours de test – photo Adrian Breitenmoser

Le prototype construit par les étudiants de l’EPFL a participé à l’HydroContest, un concours étudiant dédié à l’efficience énergétique dans le domaine maritime. Un moteur et une batterie sont imposés aux équipes. Les dimensions des bateaux sont également contraintes, ceux-ci devant rentrer dans une boite de 2.5×2.5x2m et transporter 20kg de lest.  La propulsion est donc identique pour toutes les équipes mais le design est libre.

1 – Un design efficient mais instable par nature

Afin de réduire la trainée, l’équipe s’inspire du Moth Foiler et fait le choix d’un bateau volant sur deux T foils avec une régulation électronique de l’altitude et du roulis (gite).

Le bateau est composé de seulement 2 appendices - photo Adrian Breitenmoser

Le bateau est composé de seulement 2 appendices – photo Adrian Breitenmoser

Cette configuration est instable, comment parvenir à contrôler l’assiette du bateau ?

1.1 – Régulation du roulis par les flaps avant

Sur un Moth Foiler, c’est le barreur qui régule l’assiette du bateau en déplaçant sa masse. Sur un bateau motorisé sans pilote, cette solution n’est pas envisageable. L’équipe se procure des foils de Moth (Mach2) et sectionne le foil avant afin de rendre indépendant les flaps bâbord et tribord. Les flaps sont actués depuis le pont par une tringle reliés à des servo-moteurs.

Séparation des flaps au centre du foil avant – photo Adrian Breitenmoser

Séparation des flaps au centre du foil avant – photo Adrian Breitenmoser

1.2 – Régulation électronique du Roulis

Les drones possèdent un régulateur intégré qui rend le vol stable malgré les perturbations extérieures. Notre bateau rencontre la même problématique : voler alors que le vent, les vagues et les forces inertielles dues au pilotage le déstabilisent.

L’équipe choisit d’utiliser un Pixhawk. Il s’agit d’un contrôleur de drone open-source comprenant des senseurs inertiels, des gyroscopes, et une interface avec le GPS.

Ainsi, le contrôleur détecte la gîte et corrige l’erreur en agissant sur les flaps à une vitesse qui dépend du degré de gite.

Le pilote explique : « Pour prendre des virages j’ordonne au bateau de prendre entre 0 et 10° de gite, alors qu’en ligne droite, il maintient automatiquement son assiette à plat ».

1.3 – Régulation électronique de l’altitude

Palpeur électronique à faible inertie - photo Adrian Breitenmoser

Palpeur électronique à faible inertie – photo Adrian Breitenmoser

Le capteur d’altitude est basé sur le même principe que celui des Moths. Un palpeur est situé à l’avant du bateau, mais ici il est électronique et non mécanique.

Le palpeur est relié à un encodeur rotatif qui détecte les variations d’angle avec une précision de 0.3°. En fonction de l’altitude de vol désirée, le contrôleur va augmenter ou diminuer l’angle d’incidence (et donc la portance) des deux flaps simultanément en plus de corriger la gite.

Une régulation électronique a l’avantage d’être bien plus réactive : la position des servomoteurs est actualisée 100 fois par seconde. De plus, l’utilisation d’un régulateur PID permet de tenir compte du « présent », du « futur » ainsi que du « passé ». C’est plus performant qu’un système mécanique qui, lui, ne prend en compte que l’erreur « présente ».

Cela nécessite évidemment de trouver les bons paramètres afin que l’erreur entre la consigne et le comportement du bateau soit la plus faible possible. Ci-dessous un GIF présentant un planté durant la phase de « tuning » (recherche) des bons paramètres (aussi visible ICI) :

giphy-downsized-large

2 – Electronique et pilotage

Le bateau est propulsé par un moteur, une batterie et un variateur électronique fournis par l’organisation de la course, il développe une puissance théorique de 1.5 kW. Les vitesses maximales obtenues sont de 15 nœuds, pour un poids total de 45Kg.

A cette vitesse, le pilotage nécessite d’être fin sur les gaz. Pour mieux visualiser le comportement du bateau, l’équipe a installé une caméra sur le pont. Elle permet de piloter à distance avec une vue à la première personne.

L'écran qui permet le pilotage à la première personne - photo Adrian Breitenmoser

L’écran qui permet le pilotage à la première personne – photo Adrian Breitenmoser

3 – Fabrication

L’objectif : Fabriquer un bateau léger, rapidement, en minimisant l’impact environnemental

Différents cas de charge sont étudiés : crash en planté, crash latéral et diverses erreurs de pilotage sont simulés. Ces simulations donnent les contraintes que le bateau devra supporter. Si celles-ci sont trop importantes, l’arrangement des plis de carbone (stacking) est modifié et une nouvelle simulation est lancée.

Cas de charge : Crash latéral - simulation Abaqus par Xavier Lepercq

Cas de charge : Crash latéral – simulation Abaqus par Xavier Lepercq

Estimation de la masse de différentes combinaisons - Maxime Burgonse

Estimation de la masse de différentes combinaisons – Maxime Burgonse

L’équipe choisit la combinaison la plus légère et utilise alors du pré-imprégné fourni par NTPT, des powerRibs  (un maillage de fibre de lin tressées) fournies par Bcomp.

De plus, l’équipe étudie l’impact énergétique des matériaux choisis et montre qu’il est faible comparé à d’autres solutions pour ce cas de charge.

Impact énergétique de chaque solution - Maxime Burguonse

Impact énergétique de chaque solution – Maxime Burguonse

Coque avant cuisson avec les PowerRibs - photo Adrian Breitenmoser

Coque avant cuisson avec les PowerRibs – photo Adrian Breitenmoser

Cette vidéo présente les étapes de la construction du bateau.

4 – Le futur

L’HydroContest a lieu chaque année et une nouvelle équipe travaille déjà pour participer à la prochaine édition. Nous vous invitons à suivre l’avancement de la préparation du bateau pour la campagne2017 sur la page Facebook de l’équipe ou sur Twitter.

Note du « metteur en page » 15/11/16

Vous avez aimé l’article « Question/réponse 6 : Possible modélisation de la ventilation » de Robinson Bassy et Grégoire Archambeaud, il y a un complément d’info…

 

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