Proto foil autostabilisant grâce à la variation de portance horizontale (force anti-dérive) à la surface

Le concept de stabilisation de l'immersion (ou hauteur de vol) grâce à l'utilisation de la variation de la portance horizontale (force anti-dérive) n'est pas complètement nouveau dans le domaine des foils ou des paravanes.

En général sur les bateaux à foils classiques c'est la variation de portance verticale qui est utilisée. Mais sur une aile d'eau on cherche à avoir une portance verticale faible (la portance verticale étant assurée par la partie aérienne).

Comment alors  profiter de la variation de portance horizontale pour asservir la profondeur d'immersion ?

Une première solution est proposé et utilisé pour les paravanes par Didier Costes et fonctionne sans pièces mobiles. C'est le fameux chien de mer.

Une autre solution rappelle celle des palpeurs des moths, mais utilise cette fois la variation de la force horizontale. Cette solution est d'abord proposée par David Knaggs et agit sur le flap d'un Tfoil.

Une solution équivalente, le "contrôleur Tisserand" est proposé par les frères Tisserand.

"là où nos palpeurs sont exclusifs, c’est que s’il est trop haut, il sera dynamiquement rabaissé par le braquage négatif du foil."

 

L'idée est de reprendre cette idée, mais cette fois avec une paravane. Et en l'améliorant nettement au passage. L'idée avait déjà été présentée dans l'article "Régulation aile d'eau sous la surface" dans lequel le fonctionnement est décrit.

1er proto réalisé avec l'aide de TCmatique

Afin d'avancer sur l'idée, un 1er proto a été réalisé en carton.

On retrouve :

• Une aile principale permettant de réaliser l'essentiel de l'antidérive
• Un fuselage permettant vers vers l'arrière de placer un safran contrôlant le vol et vers l'avant d'accueillir le poids nécessaire à compenser le poids de la queue.
• Deux palpeurs situés aux extrémités de l'aile principale
• Un système de tringlerie permettant de relier les palpeurs au safran.

Les charnières ont été réalisées avec de simples anneaux pour attacher les palpeurs et le safran. Le jeu est trop important pour envisager une utilisation réelle, mais cela permet de valider le concept.
De petits triangles de bois ont été utilisés pour transformer le mouvement de rotation des palpeur autour d'un axe longitudinal en mouvement de translation dans le sens de l'envergure de l'aile. Ces triangles de bois sont pour l'instant perpendiculaires à l'écoulement, et traîneraient trop dans l'eau. Il faudra plutôt prévoir une équerre métallique

La tringlerie est juste constitué par deux fils, allant chacun d'un bout d'aile à un palonnier fixé sur le safran, via une poulie centrale (juste un bout de fer pour l'instant visible au milieu de l'aile principale. Cela n'est pas satisfaisant. En effet, dans les manipulations, un des palpeurs peut se retrouver plié à l'intérieur : une butée ou une tringlerie rigide devrait aider à régler ce problème.

Mais où passer cette tringlerie ? A l'extérieur de l'aile avec une barre rigide reliant les deux bouts d'aile ? A l'intérieur de l'aile
Si on considère la barre à l'extérieur de l'aile elle va également être perpendiculaire à l'écoulement. Il faudrait la caréner. Cela m'a aussi donné l'idée de faire un biplan. 

Et vous qu'en pensez-vous ?

Essais SC AE 0001

Hier, rendez-vous pris avec Stefano pour aller faire des tests de traction de cerf-plongeant avec le drone à la plage des Catalans (voir article précédents Premier essai comparatif de 2 cerfs-plongeants)

Stefano avait une petite surprise  : un cerf-plongeant tout en alu !

Cette aile d'eau est constituée de pièces standards alu que l'on peut trouver dans un magasin de bricolage (Weldom, ...).
Les pièces sont soit découpées avec une pince (épaisseur 0.5mm), soit découpées à la scie à métaux (épaisseur 2mm).
Les pièces sont assemblées entre elles avec des petites vis (à visser avec une petite clé Allen), a priori plus difficiles à trouver (à commander sur internet).

La pièce maîtresse a été pliée grâce à un étau.

Masse 60g

Poids dans l'eau 30g

J'ai été surpris car il n'y avait pas d'élévateur sur la queue, seulement un empennage vertical pour assurer la stabilité en lacet.
Stefano a en effet fait quelques calculs et a fait le pari que le décalage du point d'accroche serait suffisant pour assurer la stabilité en tangage (comme le bridage d'un cerf-volant ou les suspentes d'un parapente). Pari réussi.

Nous avons fait les premiers essais avec le drone. Contrairement aux fois précédentes, le point d'accroche au niveau du drone était sous une patte d'oie accrochée à droite et à gauche (par simplicité pour reprendre les points d'accroche du vol précédent avec deux avions).
Au niveau du drone, nous avons d'abord accroché la ligne à la verticale du bord d'attaque.
Le foil mettait beaucoup de temps à se remettre dans le sens de la marche, mais une fois dans le bon sens il volait correctement.
Accélérer avec le drone était cependant difficile, notamment si le foil n'était pas parfaitement aligné avec le drone, ce qui créait probablement un moment en lacet et en roulis sur le drone, qui est parfois parti dans des instabilités assez inquiétantes, dont les oscillations persistaient quelques secondes après que la traction soit relâchée.

Nous avons également testé des positions plus reculées du point d'attache (jusqu'à la verticale du 1/4 corde (trou numéro 3, si 0 correspond au bord d'attaque).
Le foil tirait fort, et le drone est parfois descendu presque au niveau de l'eau (alors que nous avions mis une grande longueur de ligne initiale, de l'ordre de 2.5m).
Ca marchouillait bien, mais on sentait que les réglages n'étaient pas encore bons.
Nous avons décidé d'aller à la piscine naturelle du vallon des Auffes, pour pouvoir tirer le foil à la main, mieux ressentir et voir le comportement du foil et itérer plus rapidement sur les réglages.

Nous avons pu vérifier que le foil volait correctement tant que la traction était alignée, mais avec une traction de travers, le foil avait tendance à rester en travers de la route. Ce comportement pouvait aussi apparaître lors des accélérations.

Pour qu'une aile d'eau soit facilement utilisable, il faut qu'elle revienne dans une position correcte quelque soit la position initiale.

J'avais déjà observé ce comportement sur les 1ers essais du petit avion.
Nous avons trouvé plusieurs facteurs expliquant ce point d'équilibre en travers.

• Un centre de gravité trop reculé (en arrière du point d'accroche) qui fait que le nez à tendance à pointer vers la surface plutôt que le fond. Quand le foil est à la verticale, cela joue sur l'angle d'attaque, mais quand le foil part sur le côté, cela crée un couple perturbateur en lacet.
• Un empennage trop petit/pas assez reculé
• Une position d'équilibre caractérisée par un fort angle de tangage qui fait que la surface projetée de l'empennage est réduite.

La première chose à faire était d'avancer le centre de gravité, ce qui a été fait provisoirement en rajoutant un boulon dans le nez de l'appareil, tenu par un bout de scotch.
Edit: en regardant les vidéos ensuite, j'ai aussi pu voir que le fait d'avoir le nez plus haut que la queue fait que l'aile plane parfois à la surface, au lieu de s'enfoncer sous l'eau lorsqu'on tire avec le drone. Je pense que le vol sous le drone sera amélioré la prochaine fois.

Cela a permis d'améliorer les choses. Par contre, le fuselage étant creux et l'avant maintenant bouché, il faut prendre soin de faire sortir l'air emprisonné dans le fuselage avant de commencer un run.

Avancer le point d'accroche en avant du bord d'attaque s'est aussi révélé efficace. Mais du coup, le centre de gravité se retrouve légèrement en arrière, mais ça passe.
Le point d'accroche au niveau du 1/4 corde conduisait clairement à une traction plus forte, mais aussi à une dégradation de la finesse.
Entre le bord d'attaque et le point le plus avancé de la plaquette, il est difficile de dire lequel des points permettait d'obtenir la meilleur finesse, mais le point le plus avancé était clairement celui le plus "facile", en terme de domaine de stabilité, et probablement car la traction au bout de la planche de bois que nous utilisions était réduite (ce qui nous biaise en nous donnant l'impression d'une meilleure finesse car ça tire moins dans les bras).

Un autre type d'essai que les runs consistent à faire descendre le foil au fond de l'eau à la verticale (sans vitesse), puis à tirer brusquement vers le haut. La position du point d'accroche à une forte influence sur l'accélération et sur la vitesse finale atteinte. En première approximation, on peut imaginer que cela est équivalent au passage d'un kite en pleine fenêtre. La vitesse horizontale doit donc correspondre à la vitesse verticale multipliée par la finesse. Il est peut-être plus facile de mesurer une vitesse qu'un angle très petit, cette méthode pourrait donc être plus précise, mais l'interprétation et la reproductibilité restent problématiques.

Stefano a aussi essayer de tordre l'empennage pour lui donner un angle. Avec le centre de gravité en avant, cela permettait de faire naviguer le cerf-plongeant sur un bord de la fenêtre, l'équilibre étant possible pour une certaine vitesse du tracteur.

Nous avons discuté avec Stefano des suites à donner :

• Construire un deuxième foil identique pour pouvoir faire des essais comparatifs ?
• Tranformer le foil en chien de mer "classique" (avec flotteur palpeur à basse vitesse, puis foil en C assurant la stabilité à plus haute vitesse ?)
• Essayer de reproduire le système de Paul Ashford/Alexander Sahlin (avec palpeur et plan horizontal déporteur ?)
• Tester le système proposé par Amélie ?

Dans tous, les cas, voici une to do list:

• Trouver un gel ou mousse pour remplir le fuselage et ne pas se soucier de la présente de bulle d'air
• Trouver un meilleur système pour le centrage des masses
  
• Mettre de la couleur pour différencier avant/arrière ou droite/gauche
• Tester un empennage plus grand, compenser en rajoutant du poids dans le nez et voir si on peut reculer un peu le point d'accroche.