J'ai parfois réfléchi à un système permettant de rouler les lignes d'une aile d'un kiteboat en profitant de la vitesse du bateau, vitesse qui peut elle même être crée par le kite.
Cela permet d'avoir une puissance pour un treuil en relation avec la traction du kite.
Pour cela, on imagine d'un côté une ancre flottante, éventuellement dans une version plus évoluée d'aile d'eau ou d'hélice.
L'ancre flottante est déroulée (ou l'hélice mise en rotation comme un hydrogénérateur). Grâce à un système de réduction, le mouvement de rotation est utilisé pour rouler les lignes du kite.
On ne peut cependant pas se limiter aux performances. On peut considérer les différents points suivant pour évaluer la pertinence d'un câble profilé :
performance de réduction de la traînée
capacité à rouler le câble sur un tambour
capacité à passer le câble dans une poulie
stabilité du câble dans une plage de vitesse de donnée
stabilité du câble à la verticale ou à un autre angle
réduction des vibrations (strumming).
réduction du sillage ou de la vague d'étrave
modification de la ventilation
capacité d'accueillir des conducteurs électriques ou fibres optiques pour transfert de puissance ou de données.
capacité à fonctionner dans une plage de courbure du câble suffisante
protection du câble ou des conducteurs contre l'usure
protection des conducteurs d'un étirement trop important
facilité de montage
Dans le cas de l'aile d'eau, on recherche en priorité la réduction de traînée. Celle-ci peut-être obtenue soit par :
réduction des vibrations (vortex index shedding/lockin)
utilisation d'un profil plus hydrodynamique
Les idées présentées ci-dessous viennent principalement d'une analyse de la base de données des brevets, mais ne sauraient être exhaustives des idées déjà formulées.
Les idées présentées dans un brevet, peuvent ne pas marcher en pratique et j'ai cherché à compléter par des références d'essais (qui souvent mènent à d'autres brevets ou idées).
Parmi ces essais, les essais en bassin sont intéressants mais seuls les essais en mer semblent vraiment révélés les problèmes (stabilités, ...) de certains modèles.
Réduction des vibrations
La réduction des vibrations peut-être obtenue en gardant un câble rond, mais en y ajoutant des "cheveux" ou des rubans. Cela casse la cohérence dans la formation des vortex se créant à faible nombre de Reynolds. Cela n'apporte cependant pas d'amortissement permettant d'obtenir une stabilité naturelle pour les modes vibratoires en relation avec la longueur et non le diamètre du câble.
Fairwrap cable fairing, coefficient de traînée de 0.6 ? Réduit la traînée de 40% par rapport à un câble "grattant" (strumming)
D'autres systèmes propose d'utiliser des élements semi-rigides comme Coakley en 2022 et 2024 qui a proposé d''intégrer au câble des bouts de ruban rigide.
Utilisation d'un profil hydrodynamique
On peut considérer deux grandes techniques pouvant être combinées :
Ajout d'une enveloppe autour d'un câble typiquement rond
Agencement des éléments structurels ou des conducteurs pour prendre une forme profilée
En 1971, Mc Lelland propose un système permettant d'enfiler ou retirer l'enveloppe sur le câble
En 1998, Weyman propose un système souple mais avec des fixations rigides permettant de faciliter la rotation et de maintenir le carénage rigide en le maintenant sous tension.
Je n'ai pas trouvé de rapport sur ces enveloppes souples, est-ce juste un manque ou le fait que les performances ne soient pas au rendez-vous ? J'opte plutôt pour la seconde hypothèse.
En 2002, Barker dresse un état de l'art et propose un fairing plus rigide mais restant suffisamment souple (en Elastollan) pour pouvoir être enroulé.
Enveloppe rigide
L'utilisation d'une enveloppe rigide permet d'espérer atteindre de meilleurs performances.
Voici un historique basé sur une analyse des bases de données de brevet :
En 1916, Bullivant propose d'enrouler les câbles sous-marin d'une feuille métallique pliée en 2 afin de réduire les vibrations.
Charles F Willard propose en 1916 d'envelopper les câbles (aériens) de haubanage d'un avion avec un caoutchouc ayant une forme profilée afin de réduire la traînée
En 1919 Upson propose de rajouter une envelope textile autour du carénage pour le protéger où améliorer l'écoulement.
En 1948, Craig propose un carénage autour de la ligne et protégeant un câble conducteur.
En 1975, Toussaint propose un système de fixation plus rapide d'un carénage en 2 pièces.
En 2010, Ruffa propose un système pour fixer les carénages sur un câble au fur et à mesure qu'il est déroulé d'un tambour.
En 1958, Wiener propose d'avancer le centre de gravité en avant de l'axe de rotation en plombant les fairings afin de réduire les oscillations.
En 1964, Rather propose l'ajout d'un contrepoids au bout d'une baguette pour que le centre de gravité soit en avant de la ligne afin d'avoir une ligne stable au fond.
En 1965, Rather et Goerland propose un système d'accroche par rotation (comme on trouve sur les focs de catamaran).
La traînée de ce câble avait déjà été étudiée par Walton et permet d'attendre un coefficient de traînée de 0.3 (Re=1e7) à 0.15 (Re=40e7). Les fonctions de chargement ("loading function" qui donnent la répartition portance/traînée lorsque le câble est incliné) sont également données.
Branch P Kerfoot en 1989 propose de séparer le carénage en plusieurs éléments rigides
En 2015, Godoy propose de faire des coupes afin d'avoir une rigidité dans le plan orthogornal au câble mais permettre de s'adapter à la courbure du cable sur l'autre axe.
Ces systèmes de carénage enveloppant, souple ou rigide, ont plusieurs inconvénients :
le diamètre est augmenté
le mécanisme d'accroche sur le câble peut augmenter la traînée
il faut mettre de nombreux éléments pour ne pas perturber le caténaire
les liaisons entre les éléments peuvent créer des turbulences
cela pose des difficultés pour passer le câble dans une poulie ou pour l'enrouler sur un tambour.
Agencement des éléments structurels ou des conducteurs pour prendre une forme profilée
La première idée qui me vient à l'esprit serait simplement d'utiliser une sangle. Malhereusement, les heures passées en voiture avec des planches à voile sanglées sur le toît m'ont appris qu'une sangle dans un écoulement va se mettre à vibrer ou à avoir des mouvements chaotiques. Il va en être de même pour tout profil allongé symmétrique (à cause du moment de Munk)
En 1921, Curtiss propose
d'avoir plusieurs câbles de diamètres différents les uns derrièce les
autres et tenu entre eux par de la matière et enroulé à l'extérieur par
un textile.
En 1926, Conner
fait remarquer que les câbles constitués de torons sont plus solides,
et propose de donner directement au câble une forme profilée.
Calkins en 1966 dans "High Speed Faired Towing Cable" propose un câble avec bord d'attaque dans un matériaux rigide et bord de fuite dans un
matériel plus souple (typiquement un élastomère) afin de maintenir le
centre de tension en avant du centre hydrodynamique. La partie arrière est évidée pour permettre le passage d'un conducteur électrique. Les parties avant et arrière sont collées à deux pièces qui s'emboitent.
Les câbles réels ne peuvent cependant pas être complétement rigide, et les éléments de câbles ou de carénage subissent la courbure en caténaire.
De plus à cause de la forme en caténaire, le bord d'attaque se retrouve
naturellement moins tendu que le bord de fuite, ce qui peut mener à une
instabilité.
Une solution est donc de couper le câble en plusieurs morceaux.
En 1969, Cramer propose des safrans afin de forcer l'alignement dans la direction de l'écoulement et des liaisons pivots entre les différents éléments constituant le câble
Une autre piste plus prometteuse est suivie par Paul B Kennedy, qui travaille chez Boeing et dépose en 1970 un brevet pour un câble en composite en deux parties . Son brevet est très proche de celui de Calkins. Les connecteurs électriques sont avancées pour éviter de tendre la partie arrière et doivent être tressés pour la même raison. L'utilisation d'un élément composite avec des fibres unidirectionnelles imprégnées dans la résine doit permettre d'obtenir la plus grande rigidité par rapport à un câble traditionnel composé de torons.
Une enveloppe supplémentaire est utilisée pour assurer la continuité entre les deux pièces et pour protéger de l'abrasion.
C'est ce type de câble qui semble avoir été testé sur un navire à foil à plus de 30 noeuds en 1970.
Cependant ces systèmes qui continueront à etre testés dans les 20 années suivantes n'apportent pas une satisfaction suffisante en terme de stabilité.
En 1982, Knutson propose d'utiliser un bord de fuite tronqué pour améliorer la stabilité.
Suite à une série d'expérimentations, des tentatives d'explications sont apportées par Folb and co qui proposent une nouvelle version. C'est cette fois le bord d'attaque qui est tronqué ce qui permet de reculer le centre hydrodynamique par rapport à l'élément structurel à l'avant du câble et d'éviter la séparation de l'écoulement sur le bord d'attaque.
Ils proposent également un nouveau critère de stabilité basé sur le second moment de la section autour de l'axe vertical qui doit être inférieur au moment de la section autour de l'axe horizontal (ce qui en gros limite l'aspect ratio).
Ces modifications diminue cependant la performance au prix de la stabilité.
En 2004, Alexander Sahlin propose une nouvelle approche qui consiste à utiliser un câble qui est déjà précourbé, avec une courbure supérieure à celle qui serait obtenue par le profil s'il était stable). Ceci permet de tendre le bord d'attaque par rapport au bord de fuite et semble résoudre les problèmes précédemment rencontrés.
Ce système avait en effet été testé par la Sweedish Sailing Team (Trampofoil.com), mais les parties sous-marines restaient secretes (en on comprend mieux pourquoi).
Cette dernière solution semble représenter l'état de l'art pour une aile d'eau.
Autres liens intéressants
Einhorn engineering
Einhorn engineering propose un service de consultancy pour les systèmes tractés.
Folded ribbon
Voic un exemple de pièce en impression 3D (trouvé sur facebook !) permettant de plier un ruban dans la longueur (A 3D printed piece can be used to fold a ribbon lengthwise).
"Selected to provide a low-drag, high strength solution, with minimum
stretch, Future Fibres’ manufacturing process lays PBO fibre in a
unidirectional orientation that aligns with the load placed on the
tether, meaning that the electrical cables running alongside it are not
put under strain. Needless to say, this is essential for the integrity
of the electronics and the reliability of electricity generation."
