Sujets de l'année

Voilà à peu près un an et demi que j'ai repris ce blog, et un an que je suis vraiment passé à 4/5 ème avec une journée par semaine consacrée à des projets perso. C'est l'heure du bilan.

J'ai d'abord passé pas mal de temps à repartir sur les bases des l'aile d'eau ou paravane, avec comme fil directeur le rêve de voler moi même avec un kite au-dessus et un foil inversé dessous. Si je pense que la version finale sera avec une régulation électronique, je suis reparti sur des bases plus simples avec des recherches sur la stabilité de forme ou sur les régulations mécaniques.

• recherches historiques notamment pour essayer de retrouver les sources de l'Aile d'Eau de Luc Armant qui m'ont mené à adhérer à l'Amateur Yacht Research Society où j'ai filé un coup de main pour la mise en ligne des archives
• recherches historiques à partir des bases de données de brevets et des archives déclassifiés de la marine américaine, notamment sur la réduction de la traînée des câbles sous-marin. 
• participation à la rédaction de l'article wikipedia Voilier des airs. Merci à tous ceux qui ont accepté de partager leurs photos (Tigrane Dubois, Gabriel Bousquet, Théodor Schmidt)
• création de l'article wikipedia Paravane (mauvaise traduction de l'article anglais...) 
• preuve de concept du premier simulateur dynamique multicorps de la forme ultime du kiteboat, l'aile d'eau 
• réalisation de plusieurs maquettes et prototypes de foils, notamment avec TCmatic et Stefano Cacciola
• concept de palpeur en bout d'aile  
• développement d'une solution de banc d'essai de foil miniature grâce à la traction d'un drone
• nombreux essais de foil tracté (par drone, en courant avec une canne à pêche ou en tournant en rond avec une canne à pêche, depuis un catamaran de plage, depuis un trimaran habitable, tiré en wingfoil...) mais avec peu de succès !
• création de la page facebook Paravane Sailing Club et d'un groupe de discussion par mail après avoir pris contact avec une trentaine de personnes s'intéressant au sujet des paravanes.
• encadrement d'un projet d'option d'étudiants de Centrale Nantes sur la capacité d'un kiteboat à se redresser tout seul après un chavirage dynamique qui a permis le développement d'un logiciel d'optimisation de la stabilité hydrostatique
• participation à l'organisation de plusieurs conférences en ligne avec l'AYRS sur le sujet des paravanes (Alexander Sahlin, Baptiste Labat) 
• beaucoup (trop ?)  de temps a essayé d'inventer une nouvelle méthode pour tresser directement un câble de retenu avec la forme ultime ! 

 

Finalement, ça fait pas mal de chose, mais ça manque un peu de concret. Mes freins sont probablement :

• ma dispersion (même si tout tourne autour d'un même sujet)
• la recherche de la perfection sur des sujets lointains d'efficacité ou de sécurité (traînée cable, redressabilité), les deux étant en fait liés, car la performance permet de réduire la puissance, et car la sécurité va permettre d'optimiser.
• toujours un peu seul (mais j'ai réussi à motiver du monde pour m'aider pour fabriquer les protos ou pour les essais et rencontrer pas mal de monde, mais de manière un peu trop virtuelle encore)
• probablement la peur de me retrouver avec une grande voile au dessus de la tête, du coup je fais du wingfoil...
• des moyens limités, peut-être à cause d'une éthique minimaliste ce qui me pousse à réaliser les essais à petite échelle ou par des expériences de pensée (simulation and co). 

L'utilisation des LLM m'a bien aidé pour aller plus vite sur le code. 

Alors, toi lecteur qui a probablement croisé mon chemin cette année, que me conseillerais-tu pour la suite ? 

Braid Theory suite

Résumé des épisodes précédents

Dans l'article câble profilé j'ai dressé un état de l'art des techniques de construction d'un câble qui permettrait de réduire la traînée d'un paravane.

Dans l'article tresse plate incurvée j'ai proposé les bases d'une (nouvelle ?) technique de tressage et réalisé les premiers prototypes à la main. J'ai également commencé à parler de la théorie mathématique des tresses.

Dans l'article machine à tresse, je me suis intéressé aux machines existant depuis des siècles pour la fabrication de tresses régulières ("2D", plate ou tubulaire) en proposant une ouverture sur des machines à tresses plus récentes programmables.

Dans l'article simulation 3D pour la conception de tresse, je me suis intéressé aux programmes existants permettant de simuler sur ordinateur le processus de tressage pour visualiser ou étudier les propriétés des tresses.

Je n'ai pas donné de nouvelles sur ce blog depuis Mars il y a 6 mois sur ce sujet, mais j'y ai consacré beaucoup de temps, m'éloignant un peu de l'objectif initial. Voici un pot-pourri.

J'ai d'abord passé du temps à essayer de mieux comprendre la théorie mathématique des tresses, notamment grâce à la lecture du livre "Le calcul des tresses" de Patrick Dehornoy.  J'ai pu trouver une bibliothèque matlab permettant de réaliser certains des calculs :

• Braidlab, a software package for braids and loops
• Braidlab on github. (last pdf version)

J'ai bien trouvé de nombreux bouts de code en python ou dans d'autres langages, mais malheureusement, je n'ai pas trouvé de suite cohérente en python permettant de manipuler programmatiquement des tresses et j'ai commencé à développer ma propre bibliothèque python, maintenant disponible sur pypi : braidPy

Dans mes recherches, j'ai aussi compris le lien qu'il y avait entre les tresses et les nœuds, domaine dans lequel il y a encore plus de travaux mathématiques. 

Pour le lien entre tresse et nœud, voir la vidéo sur la chaîne Veritassium The insane math of knot theory  

Du côté des amateurs, les tresses font partir des nœuds. Avant de m'attaquer à une tresse nouvelle, j'ai essayé de reproduire avec le logiciel les tresses déjà classifiées. J'ai découvert qu'il y avait une association de passionnés de nœuds, l' "International Guild of Knots Tyers" avec son site internet et son forum de discussion 

J'ai découvert le fameux Ashley book of knots, maintenant dans le domaine public depuis 2017. Voici la bibliographie de son auteur Clifford Warren Ashley. Il a notamment déposé un brevet pour un nouveau type de tresse permettant d'avoir une section quelconque (se basant sur une grille hexagonale ou sur une grille carrée).

Pour la réalisation des tresses, il présente un métier à tresser un peu spécial. Ce métier à tisser rappel le métier japonais utilisé pour les tresses Kumihimo.

J'aimerais étoffer la bibliothèque pour permettre de contrôler une machine qui réaliserait la tresse. 

Discrete simulation of maypole braiding machines to create collision-free braiding programmes

Papier décrivant les différents types de machines à tresse : New directions in Braiding

On y découvre notamment que des machines proches des métiers à tisser Jacquard ("lace braiding machine"), permettaient de créer des tresses complex à partir de cartes perforées  La connaissance de ces machines a malheureusement presque disparu. J'ai retrouvé quelqu'un qui en a modifié une pour l'utiliser depuis un ordinateur

Novel three-dimensional braiding approach and its products  propose l'utilisation de machine à tresser hexagonal pour la réalisation de différentes tresses 3D.

Innovation in 3D Braiding Technology and Its Applications présente des applications dans le domaine médicale des machines hexagonales.

 

Rotary Three-Dimensional Braider Design Method Based on the Average
Cutting Circle Strategy  étudie les différentes topologies de machine à tresse, et retrouve la machine hexagonale, mais avec des aiguilleurs (horn gear) pouvant accueillir 3 bobines (2 classiquement).

 

Design Tools and Workflows for Braided Structures propose une méthodologie pour réaliser des tresses 2D à la surface de n'importe quelle forme 3D (avec notamment des bifurcations) à partir de 24 motifs de base. Cela fait penser au tressage des paniers.

Etendre cette méthode à un tressage volumique répondrait probablement à mes recherches. La méthode est également décrite en détail dans  Flora robotica : Representations and design rules

Article très intéressant donnant une méthode générique pour obtenir une tresse tubulaire avec des bifurcations (ou plus généralement n'importe quelle tresse surfacique).

 

Mecano kumihimo 

 

Braidomatic

 

https://iccm-central.org/Proceedings/ICCM18proceedings/data/2.%20Oral%20Presentation/Aug22(Monday)/M11%20Processing%20and%20Manufacturing%20Technologies/M11-4-IF0176.pdf 

 

https://www.facebook.com/reel/1384244556152211 

https://www.facebook.com/reel/2688661868156934 

Pumping kite ou aile d'eau ?

A la sortie d'un article sur le pumping en planche à voile à foil (pumping du foil), je me suis souvenu de l'idée du vélo-volant partagée sur fablabo, mais jamais ici je pense. Même sans voler, on peut imaginer d'utiliser le même type de pumping pour faire avancer un kiteboat ou un char à cerf-volant. On se sert du treuil pour ramener plus rapidement le kite vers soi et propulser l'engin. 

Mais à quoi bon, si le kite vole déjà, autant mettre une aile plus grande, non ? Cela peut cependant être utile temporairement pour construire du vent vitesse ou pour monter sur des foils (comme le pumping en planche à voile qui est souvent utilisé seulement dans les phases de relance). 

En fait, on n'utilise déjà un peu cette technique pour décoller l'aile en kiteboat dans le vent faible, par exemple avec une personne qui vient tirer sur la ligne de l'ancre flottante au moment du décollage pour réduire la dérive. 

Aile d'eau bi-stable

 Je sauvegarde ici une idée probablement pas originale qui permettrait à une aile d'eau d'avoir une meilleure stabilité sur les deux bords.

Un petit poids coulisse d'une extrémité à l'autre de l'aile principale. Le poids permet de donner une stabilité en tangage foil/lacet de l'avion (l'Aile d'eau de Luc Armant était par exemple plombée sur une aile ce qui ne permettait d'aller que sur un bord).

Alternativement, un fluide dans un tube avec un peu d'air peut aussi faire l'affaire. Avec la possibilité de faire varier la viscosité pour éviter d'avoir un comportement trop brutal lors des manœuvres. 

Lecture "Performance Calculation methods for High Speed Sailing Craft" by Malcolm Barnsley

Malcolm Barnsley a travaillé pendant de longues années sur le projet Vestas Sail Rocket.

Il révèle en exclusivité dans ce livre quelques secrets. Quelques découvertes pour moi aussi, même si ce n'était pas forcément des secrets

Le foil est conçu de manière à ce que les deux faces soient sous pression. Il considère que ce n'est donc ni un foil superventilant, ni un foil supercavitant (même si ventilation ou cavitation se développent en arrière du foil).

Le flotteur sous le vent décollait grâce à la voile qui se prolongeait à l'horizontale.  Si le pilote peut régler l'incidence de cette partie c'est principalement l'effet de sol qui permet d'obtenir un vol stable.

Le long flotteur agit comme un palpeur avec d'une part le poids du pilote (à l'avant sur MK2) et d'autre part, en opposition, la portance de la surface planante. Le choix de la surface planante est censé permettre de ne pas avoir de problème de modification de l'écoulement sur un foil. Mon impression est que les 2 solutions pourraient être utilisées en combinaison. Des calculs détaillent également la résistance ajoutée d'un foil ou d'un flotteur dans les vagues.

Le safran est à l'avant et incliné vers l'avant afin de réduire la ventilation et le risque de perte de contrôle.

Modifications et essais du foil SCAE 001

Au mois d'Avril, nous avions pu tester le foil alu de Stefano SC AE 001 d'une part et d'autre part présenter un nouveau concept de stabilisation de la profondeur de vol par rapport à la surface.

Motivé par ces deux essais, fin avril j'ai modifié le proto alu pour lui ajouter le nouveau système de stabilisation.

La fabrication a été faite un peu à la "rache", finissant un peu plus tard dans la nuit que prévu la veille des essais.

De petites charnières venant d'un magasin de bricolage ont été rajoutées au bout des ailes, ainsi qu'une troisième charnière sur l'aileron pour servir de gouvernail.

De petites surfaces de tôle alu (0.5mm) ont été découpées avec une cisaille à tôle aviation 

Pour les bouts d'ailes, un petit étau a été utilisé pour plier la tôle. 

Du fil de fer a été utilisé pour faire le système de tringlerie .

Pour fixer le fil de fer à la tôle, un simple trou a d'abord été testé, mais l'orientation du trou ne permettait pas d'avoir la mobilité suffisante. Tordre la pièce pour avoir le trou selon d'axe x permettait de résoudre le problème de mobilité, mais au prix d'une surface perpendiculaire à l'écoulement.

Finalement une pince a été utilisé pour tordre le bout d'aile en l'enroulant autour de l'axe x et créer une charnière.

La tringle entre les deux palpeurs a un mouvement selon l'axe y (avec un peu de mouvement parasite sur l'axe z), mais on a besoin d'un mouvement selon l'axe x pour le palonnier du safran, sur la queue, à l'arrière du fuselage.

Un axe de rotation selon l'axe z a donc été rajouté pour passer d'un mouvement à l'autre. 

 

Le proto modifié avec des palpeurs en bouts d'aile. En zoomant on distingue le fil de tringlerie sous l'aile gauche (à droite de la photo). Le fil sous l'aile droite est plus proche de l'aile et un peu masqué. Le système est mieux visible sur la photo ci-dessous.

 

 

Stefano découvre les modifications

Tests

Les tests ont eu lieu en afterwork le 29/04. Direction la piscine du Vallon des Auffes pour profiter de l'eau calme et claire. Comme pour les premiers essais précédents d'un proto, on tire celui-ci au bout du fil d'une canne à pêche, ce qui permet de donner de la vitesse, mais aussi de le faire tourner, de vérifier la stabilité (et d'attirer les curieux !).

Par rapport aux tests précédents où nous cherchions à rester au fond de l'eau, essayer d'aller flirter avec la surface est plus difficile. Avoir une légère dissymétrie sur l'angle de barre semble être une condition nécessaire, mais sans système de contrôle, cela revient à privilégier un bord, ou à faire des loopings, ce qui n'est pas évident depuis le bord.

Lorsque le système arrive à la surface, on observe bien le mouvement du palpeur hors de l'eau qui bascule du côté du fil de traction, mais sans que l'action du safran sur la trajectoire montante ne soit évidente.

Le foil sort de l'eau et décroche en général. 

Après quelques essais infructueux, le système présentant beaucoup de jeu, nous avons essayé de réduire le jeu en resserrant les articulations à la pince. Erreur fatale, le mouvement devient grippé et dans la suite des essais le mécanisme se bloquera souvent.

On constate cependant un autre problème que nous n'avions pas anticipé. Le point d'accroche est décalé du coté du fil grâce à une petite dérive en alu, ce qui permet de se passer d'élévateur pour stabiliser le tangage (comme en parapente). Ce décalage permet aussi de stabiliser un peu le roulis.

Cependant lorsqu'un bout d'aile sort de l'eau, la force perdue crée un couple en roulis plus important qui couche le modèle à la surface de l'eau.

Pour vérifier que ce phénomène est le principal frein à nos essais, un fil de fer est rajouté afin de décaler plus loin le point d'accroche. Le fil de fer, un peu souple, semble bien améliorer le phénomène, sans toutefois le supprimer. 

Dans l'idéal, il faudrait avoir un peu de dièdre inverse sur les ailes et un bras de longueur supérieur au "diamètre" correspondant à la courbure de l'aile  (principe du chien de mer de Didier Costes). Sans cela l'instabilité en roulis risque d'être plus importante que la stabilisation par le mécanisme.

 

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 proposée et utilisée 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 ce concept, 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 (un voisin)

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

On retrouve :

• Une aile principale permettant de réaliser l'essentiel de l'antidérive
• Un fuselage permettant de placer un safran contrôlant le vol vers l'arrière 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 constituée 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 ?