L’aile d’eau : Foil immergé ou traversant ?

L’aile d’eau (cerf-volant sous-marin assurant le rôle de plan antidérive) m’a fasciné dès la première fois ou je l’ai découvert. C’était un matin, en stage chez Flexboardz, dans l’atelier de la pépinière d’entreprise hébergeant alors l’entreprise « Aile d’Eau » de Jérôme Lacoustete. Je demandais à mon boss ce que foutait là ce qui avait été un snowboard « Ca, c’est l’avenir, c’est un paravane« . S’en est suivi la lecture du formidable document de Luc Armant déniché grâce à ce blog participatif (lecture nécessaire à la compréhension de ce texte). Après quelques années à digérer tout ça, à traîner sur le net, il me semble que le concept d’aile d’eau est de plus en plus sur le point d’éclore. Après avoir posé des questions sur ce site, il me semble que c’est à mon tour d’exposer mon point de vue. Ce papier est orienté « utilisation avec une aile classique de kitesurf d’une aile d’eau, le pilote se trouvant à 25 m du kite et à 3-10m du paravane ». Ce premier article sera calqué sur le très bon « Foil en T ou foil en V », un best-seller de ce blog. Je me permets donc d’en reprendre la première phrase : « Tout d’abord une mise en garde, je ne qu’un simple passionné. Il faut donc faire attention à mes élucubrations ! »

I – Paravane totalement immergé

J’entends par là un paravane dont toutes les surfaces portantes sont en dessous de la surface de l’eau. Seuls la (les) structure(s) de retenue traverse(nt) l’interface. (Ces structures peuvent être : un fil, plusieurs fils ou une jambe carénée).

Avantage

Les avantages sautent aux yeux tout de suite : trainée de vague réduite à celle de la seule structure de liaison. Cette structure de liaison travaillant en traction pure, il est aisé de la caréner (toute la matière travaille en traction). Le paravane peut être immergée à une profondeur ou il sera relativement insensible à l’agitation du monde-tout du moins de la surface.

Inconvénients

Là aussi ils sont évidents : comment le stabiliser ? Eviter qu’il plonge dans les abysses, jaillisse hors de l’eau tel un espadon au bout d’une ligne ?

Luc Armant a proposé une réponse intéressante : la stabilisation par système mécanique mesurant la pression statique (donc la profondeur). Mais pour les échelles qui m’intéressent (aile d’eau monoplace avec aile de kite, donc de 250 mm x 80 x 8 environ), la stabilisation par système mécanique est une impasse. Trop fragile, trop volumineuse, pas assez fiable (réglages etc), stabilisant difficilement un profil supercavitant… Il n’y a qu’à voir les déboires des Moth et généralement des foils en T.

La réponse bien bourrine de tout ingénieur qui se respecte en ces temps modernes sera donc « yaka mettre de l’électronique ». Commandes de vol électriques assistées par calculateur numérique, mots magiques permettant de faire voler les formules aérodynamiques très instables, très performantes des avions de combat depuis 1980 (ex : le Rafale, avec ses canards et son centre de poussée baladeur…).

Petite digression : un avion de combat moderne, c’est un peu comme une voiture en marche arrière. A très basse vitesse, un humain s’en tire honorablement (ex aéro : Wright flyer). A 200km/h, c’est « impossible ». Sauf pour un pilote automatique qui réagit suffisamment vite. On obtient alors un système artificiellement stable et potentiellement ultra manœuvrant.

Avec la baisse des prix des calculateurs, la disponibilité d’effecteurs (servomoteurs de modélisme) et de capteurs, cela paraît facile et abordable. Sauf que…ces éléments détestent l’environnement marin, que les versions « grand public » manquent de fiabilité, qu’il faut les alimenter en électricité…

Ci-dessous un peu de « concret » :

 

Cette aile d’eau est bridée en 3 points (les croix blanches), un avant de longueur fixe, les deux arrières étant pilotées par servomoteurs (un seul représenté ici). Ces deux servomoteurs pilotent le roulis afin de minimiser l’écart entre une consigne programmée et la pression statique indiquée par un capteur dans le tube de Pitot. L’incidence est elle pilotée via un potentiomètre fixé sur la barre du kite. Le pilote dispose aussi d’un interrupteur indiquant au système s’il est tribord ou bâbord amure.

C’est là qu’on voit que l’électronique n’est pas si miraculeuse : il va falloir faire transiter des infos via le fil de retenue (donc glisser minimum 2 fils électriques et leurs gaines isolantes dans le fil en dyneema/spectra/PBO). L’équipe de Skysail (voiles pour cargo) a résolu ce problème, mais pour de grandes tailles et un câble aérien. Quand à la liaison radio à travers 1m d’eau ca ne me paraît difficile, à moins de très basses fréquences et donc d’un débit inadéquat. Ceci dit c’est la voie choisie par certains et les retours que j’en ai sont très positifs. Ensuite le plus gros problème : le servomoteur représenté est le plus compact que j’ai trouvé en fonction du couple nécessaire. Pour loger ce servomoteur dans l’aile elle même (ne me parlez pas de fuselage, je suis un ayatollah des ailes sans empennage, j’y reviendrai dans l’article suivant), il me faut renoncer a mon premier choix de profil (OA206, de l’Onera pour les pales d’hélico), choisir un Naca (23015 déformé), faire monter l’épaisseur à 12mm. Ce qui pour 80 mm de corde me fait 15% d’épaisseur : rédhibitoire. Et si j’augmente la corde, je diminue l’allongement… Sans compter la batterie, la difficulté d’intégrer tout ce monde à la stratification etc.

Une autre solution parmi d’autres :

 

 

Cette fois-ci, les servomoteurs sont hors d’eau (à l’autre bout des fils), ne reste plus dans l’aile que le capteur de pression statique (et son ampli). Mais les problèmes de transmission d’info sont toujours là.

Cette aile d’eau devrait disposer d’une bonne finesse (on peut utiliser des profils subcavitants peu épais), mais son mode même de régulation lui interdit les vitesses de plus de 50 nœuds.

Pour faire rapide, il faut donc commencer à taper dans le sur-mesure coûteux : mesure de la distance à la surface via laser ou sonar, servomoteurs compacts, câble profilé transmettant des infos, électronique très fiable.


II – Le foil traversant

Je ne m’y suis intéressé que très récemment. La raison du déclic : le projet ZeppyWindreamOne.

Utilisation du chien de mer par Stéphane Rousson, projet Zeppy, en kite
Un foil traversant en cuillère, ainsi autorégulé en altitude et en roulis. Illustration issue de « l’aile d’eau », L. Armant

Avantage

Le bridage est hors de l’eau, on évite ainsi la ventilation de(s) fil(s) de liaison et leurs vibrations. La stabilité ne nécessite ni électronique ni pièces mobiles. Grande simplicité, compacité, solidité cruciale pour le kiteur lambda. On peut régler le problème du départ et de l’hydrostatique assez simplement, en mettant des flotteurs aux endroits adéquats.

Inconvénients

« Mais ça va ventiler ». Bah oui. C’est le jeu ma pov’ lucette. Mais quelle meilleure solution que la ventilation pour une transition vers la cavitation (on ventile d’abord l’extrados, puis l’extrados cavite) ? Et puis, à ce jour (27 mars 2010) le record de vitesse est tout de même détenu par l‘Hydroptère, engin à foils traversant. Les suivants (kiteboarder) utilisent des plans traversants avec l’intrados en surpression, l’extrados étant totalement ventilé. Soit un foil traversant ventilé quoi.

Alexandre Caizergues en fin de run, 50,98nds le 15nov09 – photo « Bandoriginale »

Malgré tout, cette solution paraît moins satisfaisante intellectuellement. Pourquoi? Parce que la beauté de l’aile d’eau, c’est de n’avoir qu’un fil traversant l’interface. Ici, on a réintroduit la traînée de vague. Ce n’est peut être pas si gênant. D’abord, la traînée de vague peut être mise à contribution pour réguler le chien de mer en lacet (brevets de D. Costes). Ensuite, tous ceux qui ont un jour fait du kitesurf surtoilé, en abattant (se créant un vent apparent), me comprendront : on ne manque pas de puissance, loin de là. Une aile d’eau qui n’aurait pas plus de finesse qu’une planche de kite, mais qui permettait de faire passer plus de puissance (puisque les efforts ne transiteraient plus par les cuisses du kiteux), suffirait largement pour établir un record de vitesse.

Denier inconvénient, la sensibilité au clapot. Des solutions pour augmenter la stabilité en lacet existent. De plus, la pratique dans des spots relativement abrités (comme les spots de kitesurf) est envisageable, encore plus pour un record de vitesse.

A noter que l’équipe du Swedish Speed-Sailing Challenge semble utiliser un paravane à foil traversant, leur engin bien que n’étant pas une « aile d’eau » pure (le pilote ainsi que la voile reposent sur une structure planante) semble capable d’accélérations foudroyantes, même dans le clapot.

III – Conclusions personnelles

Avantage net au foil traversant pour une application commerciale sport de glisse.

Avantage à l’aile d’eau entièrement submergée pour la course océanique, les grandes tailles et la performance à tout prix.

Applications

  • Pour les épreuves de kite race. Mais vu les performances possibles avec un engin au point, les ailes d’eau seraient vite interdites (ou une classe spéciale créée).
  • Le record WSSR sur 500m et 1 mile
  • Engin pour le raid, la ballade avec l’ajout d’une nacelle (genre kayak très court)
  • Pour l’Handikite, sensation de vol au dessus de l’eau et de liberté
  • Comme accessoire à déployer pour remonter au vent. On range le paravane dans un sac à dos et retour downwind en kiteboard (surf sur houle ou freestyle).

Quelle aile ?

Potentiellement n’importe quelle aile de kitesurf, à condition d’avoir renforcé les lignes et l’éventuel bridage. Ma préférence irait nettement vers une Twinskin de Peter Lynn : pas de bridage à renforcer, aile dont la forme est donnée par l’aérodynamique (donc pas de contraintes reprises par un boudin gonflé ou un bridage), autozenith (permettant de se libérer les 2 mains, voir note en bas de page), un fond de puissance (évitant les chutes brutales sur l’eau si on choque), bon rapport L/D (aile qui accélère très fort en générant une puissance grisante), très sympathique à piloter (« c-shape feeling »).

C’est possible !

Quelques expérimentations se rapprochant un peu de ce que j’ai en tête, montrant du moins la faisabilité :

  • Zeroprestige, à noter que « zeroprestige » était une association destinée à publier librement des données participant au progrès du kitesurf, par des étudiants du MIT. Malgré le fait qu’ils soient 2, que cela nécessite une bonne coordination et que le plan antidérive est limité aux capacités des cuisses d’un des deux, ca fonctionne plutôt bien.
  • Flyozone, même remarque : 2 personnes à tracter, avec l’antidérive gérée via les jambes d’une seule.

Par Xavier Labaume 03-2010

Autozenith : Je n’ai jamais trouvé un site Internet capable d’expliquer ce point. On peut trouver une explication sur le document réalisé par de Luc Armand, p. 54 et surtout p. 58. La définition de « l’autozenith » pourrait être : « capacité d’un cerf-volant de traction à se rendre au zenith puis à y rester en traction minimale dès que le pilote lâche la barre de contrôle, et ce depuis n’importe quelle situation de départ raisonnable ». Parmi les ailes de traction commercialisées, les Twinskin de PL sont les seules à posséder cette caractéristique (depuis 1998).

Note du « rédacteur » (Fred de Lo), ce passionnant article est un très bel exemple de ce que nous pouvons faire ensemble. Vous avez des idées, vous ne souhaitez pas, pour le moment, « sauter le pas » et prendre votre carte d’auteur : pas de problème, nous sommes là pour vous… Vous verrez, on y prend goût !

Swedish Speed-Sailing

Fred me rappelle que le projet Swedish Speed-Sailing Challenge utilise un « paravane », terme marin désignant le « cerf-plongeant » proposé dans l’aile d’eau.

Le résultat est spectaculaire, n’est-il pas ? Sur cette vidéo (dont j’aime bien le son…) on voit bien le spray non négligeable créé par le câble du paravane qui perce l’eau à quelques dizaines de mètres de l’engin :

Les dernières nouvelles de ce projet datent de mars 2007, ou l’engin a survécu à des surventes imprévues de 30 noeuds, atteignant des vitesses hélas non précisées. En attendant plus d’informations que je viens de leur demander, voici une vidéo du Trampofoil, un engin très différent visiblement développé par la même équipe :

L’aile d’eau

L’ « Aile d’Eau » est un très fascinant travail de Luc Armant commencé en 1998-9 alors qu’il étudiait l’Architecture à Nantes, et décrit dans cet impressionnant document de 136 pages (et 36 Mb), extrêmement intéressant à plusieurs titres :

  • une recherche historique et bibliographique incluant des brevets sur de très nombreux travaux de précurseurs en matière d’architecture navale de voiliers de vitesse
  • une excellente introduction à la mécanique des fluides et à ses applications aux voiliers rapides
  • une approche très originale consistant à considérer un voilier comme constitué d’une aile « aérienne » et d’une autre « aquatique », la coque n’étant qu’un des moyens possibles de lier les deux pour réaliser la fonction désirée…
  • Pour réaliser une embarcation visant réellement la vitesse pure, Luc propose de réduire la coque à un simple câble reliant les deux ailes, réalisant ainsi ce qu’il appelle un « voilier sans masse ».

A noter que le style rédactionnel est typique d’un travail d’architecture, donc assez déroutant de prime abord pour un ingénieur, mais la cohérence et la rigueur de l’étude s’imposent rapidement

En 2001, Luc a réalisé une maquette de son idée phare : un cerf-volant tractant et un « cerf-plongeant », tous deux auto-stables et liées par un seul fil traversant la surface, le tout se déplaçant à haute vitesse :

Spectaculairement simple, n’est-ce pas ?

Quelques citations tirées du document, parfois un peu étonnantes voire provocatrices, mais suscitant la réflexion :

  • Si l’on arrive à Transformer la question du « comment se déplacer vite sur l’eau » en « pourquoi utiliser l’eau pour se déplacer vite » , on a déjà fait un net progrès.
  • Malgré des ressemblances physiques très fortes, le mouvement liquide est perçu subjectivement de façon très différente du mouvement gazeux. C’est, je pense, la raison principale d’une très fréquente dissymétrie dans l’imaginaire du voilier, dans son analyse intuitive puis dans sa prétendue définition.
  • Définition : Le voilier est une structure autonome stabilisée en altitude autour de l’interface horizontale entre un liquide et un gaz et se propulsant par l’exploitation de l’énergie contenue dans le différentiel verticalement éloigné des vitesses horizontales (appelé courvent) des deux fluides respectifs.
  • Le plan sous-marin ou plan hydrodynamique. Couramment nommé dérive pour des raisons inexactes et subjectives (pourquoi ne pas nommer la voile « incidence » ?), il peut aussi s’appeler quille (origine structurelle), plan anti-dérive ou appendice. C’est peut-être parce qu’il est le plan caché qu’on oublie souvent de s’en soucier. Avoir une simple tôle en guise de dérive dérange beaucoup moins que d’avoir une voile mal réglée. D’ailleurs le plan déviateur sous-marin est injustement exclu du mot « voilier ». La nomenclature qui s’y rapporte est largement plus étroite que pour la voile. Pour des facteurs contraires à ceux induisant la souplesse (forte charge alaire, poids moins pénalisant, manoeuvre inaccessible), la dérive est presque toujours de forme rigide épaisse.
  • Grâce à la propriété essentielle du fluide de ne présenter aucun frottement à vitesse 0, il y a un potentiel de rendement de sustentation (par Archimède) sur l’eau excellent pour des vitesses faibles. Une coque, aussi pesante, volumineuse et grossière qu’elle soit, possède à vitesse zéro un rendement de sustentation infiniment grand.
  • Le rendement d’une coque élancée finit inexorablement par chuter à haut nombre de Froude. Mais, si l’on peut se permettre des dimensions monstrueuses (de l’ordre de 50 mètres), on peut envisager avec une finesse de coque (=V/L³) de 0.001 (finesse d’un trimaran 60 pieds) des rendements sustentateurs proches de 20 aux vitesses de cavitations (45-50 noeuds). Le rendement sustentateur d’une coque planante atteint difficilement 5. Enfin le rendement d’une sustentation par plans perceurs peut atteindre 11 aux vitesses moyennes (50 km/h) mais baisse très tôt à cause des problèmes de ventilation et de déformation de l’interface.
  • Pour réussir des vitesses absolues honorables, la seule solution est de trouver des plans d’eau artificiellement abrités, de construire des structures extrêmement fragiles, monodromiques (naviguant sur un seul bord) pour les moins courageux, et de jouer sur l’habilité des pilotes, pour que, quand les rares occasions météorologiques idéales se présentent, des mesureurs officiels puissent dire après dix tentatives infructueuses et un bon coup: record!
  • J’appelle « aile d’eau » un voilier dont les plans déviateurs sont équilibrés de façon autonome dans leurs mouvements et sont reliés entre eux par à une structure souple en traction simple, présentant un biais par rapport à l’horizontal et résistant à la tension interne en utilisant le minimum de volume et de masse afin de minimiser les trois ennemis de la vitesse: perforation de l’interface, surface mouillée et poids.
  • L’aile d’eau appartient à la famille des voiliers sans masse. J’appelle voilier « sans masse » tout voilier qui n’utilise directement on poids dans aucune des stabilisations indispensables à savoir: altitude, biais et allure.
  • L’hydroptère, bien connu en France, est souvent présenté comme essentiellement original. En réalité, ce n’est qu’un voilier pesant car son foil au vent n’est pas capable de créer une déportance, c’est à dire de composante plongeante remplaçant le poids. Tout au plus, l’hydroptère pourrait-il (s’il était plus large et que les centres d’efforts hydro et aéro étaient à la même altitude) créer un couple redressant sans gite par la seule différence (due à la dérive) de sustentation entre les deux foils.

Il y a vraiment une mine de sujets intéressants dans l' »aile d’eau », et beaucoup d’images et de graphiques intéressants que je ne reproduits pas ici pour des questions de droits, mais je reviendrai certainement dans des posts ultérieurs sur ce travail fascinant.