Le pont est une plate-forme raidie par des séparations longitudinales placées à l'intérieur de la coque. Il est construit pour empêcher l'envahissement de l'eau dans le bateau ainsi que de transporter et supporter différentes charges nécessaires au fonctionnement du bateau (électronique, moteurs etc...). La jambe moteur placée sous la coque est fixée sur ce même pont, et doit être pensée pour que l'eau ne rentre pas dans la coque.

Le plus important est de toujours penser à l'étanchéité, l'élément primordial pour que le bateau ne coule pas.

L'hélice que nous possédons est celle proposée par le concours Hydrocontest : Watt&Sea. C'est une hélice à 2 pâles, on peut optimiser l'angle d'attaque de l'hélice pour améliorer sa performance.

Ci-dessous figure la chaîne d'information.

Le système électronique permet d'orienter le safran (grâce au servomoteur) et de choisir la vitesse du moteur (grâce au variateur). Nous travaillons aussi sur l'orientation des foils via la Teensy.

Les commandes de l'utilisateur sont envoyées par une télécommande au récepteur qui commande alors le servomoteur et le variateur grâce à la Teensy.

L'ensemble (RunCam + Antenne) permet de visualiser en direct le bateau naviguer. En effet, l'antenne permet d'émettre et de recevoir les communications de la RunCam.

De plus, la centrale inertielle (IMU) et le GPS permettent de récupérer la position du bateau. Leur fonctionnement est détaillé en dernière partie.

Ci-dessous figure la chaîne d'énergie composée de 3 blocs fonctionnels : le bloc électronique, le bloc direction et le bloc de refroidissement.

Dans cette partie, nous allons revenir plus précisement sur des points déjà abordés à savoir le système de direction, le système de refroidissement, les capteurs et les foils.

Le système de direction est composé d'un servomoteur est lié à un parallélépipède. Ce parallélépipède permet de déplacer l'axe de rotation. Ainsi le safran tourne de la même manière que le servomoteur mais sur un axe différent.

Le système de refroidissement dont le schéma figure ci-dessous sert à refroidir la batterie qui alimente en électricité les composants du circuit ainsi qu'à refroidir le variateur qui permet de modifier la vitesse du moteur.

Pour pouvoir amorcer la pompe avant la mise sur l'eau du bateau, un système de pompage manuel est nécessaire (en rouge).

Utiliser des foils : pourquoi ?

Les foils sont des constituants que l’on retrouve dans un nombre croissant d’embarcations. Ils permettent au bateau de se soulever lorsqu’il avance en créant une force de portance. En diminuant le volume du bateau immergé, on diminue la traînée du bateau dans l’eau et on minimise la perte d’énergie liée à cette force résistante.

L’objectif de notre travail est simple : maximiser la finesse qui correspond au rapport de la portance sur la traînée. On peut l’exprimer de la façon suivante :

Quel type de foil choisir ?

Deux types de foils sont couramment utilisés : les foils en V et les foils en T.

Dans l’article Human Powered Hydrofoil Design & Analytic Wing Optimization [1], il est expliqué que les foils en T ont un certain nombre d’avantages par rapport aux foils en V. Les foils en V sont plus propices au développement de bulles de cavitation au niveau des bords du foil. La pression sur la face supérieure devient inférieure à la pression atmosphérique et des bulles apparaissent et ralentissent le bateau car la traînée augmente brusquement. Les foils en T ne posent pas ce problème. Par ailleurs, les foils en V créent des forces de portance supplémentaires qui ne sont pas purement verticales. Celles-ci sont responsables d’une force de traînée supplémentaire. Bien qu’elles permettent de stabiliser le bateau s’il penche d’un côté ou de l’autre, elles ne contribuent pas uniquement à la portance verticale qu’on cherche à maximiser et ajoutent de la traînée.

Ces arguments nous ont fait penché pour le foil en T, qui est placé à l’arrière du bateau. Comme on vient de le dire, ce choix va nous imposer de porter une attention particulière à l’équilibre du bateau. C’est dans cette perspective que s’inscrit l’ajout d’un foil en U, qui viendra équilibrer le bateau du point de vue du roulis.

Quel profil de foil choisir ?

Pour déterminer les caractéristiques de notre foil en T, il faut choisir un profil NACA qui définira les contours de la section du foil. Nous avons choisi le profil NACA 63-412 qui est dissymétrique. D’après une étude menée dans le même article (Human Powered Hydrofoil Design & Analytic Wing Optimization), il remplit les conditions présentées dans le tableau suivant :

Le profil NACA 63-412 permet donc d’obtenir un bon compromis en termes de puissance requise pour différent régime de fonctionnement par rapport aux deux autres foils, sauf pour le régime correspondant à des vitesses importantes (>6m/s). Ce n’est pas très pénalisant étant donné que nous n’atteindrons pas ces vitesses sous peine de ne pas respecter les conditions garantissant la stabilité du bateau.

On décide de tester dans la suite deux foils construits à partir de ce profil NACA 63-412 : un foil trapézoïdal et elliptique, de mêmes aires S = 600 cm². Les caractéristiques géométriques de ces foils sont précisées ci-dessous (avec Cc la corde centrale et Ce la corde à l’extrémité du foil trapézoïdal et C la corde du foil elliptique).

Comment maximiser la portance ?

On cherche à déterminer les angles d’incidence les plus adaptés pour maximiser la finesse des foils quand le bateau a une vitesse donnée. Pour effectuer des prévisions sur les forces de portance et de traînée résultantes, on fait appel à des outils de simulation. Dans un premier temps, nous avons utilisé le logiciel Heliciel qui nous a permis d’obtenir la courbe suivante représentant l’évolution de la finesse en fonction de la vitesse et de l’incidence pour le foil trapézoïdal :

Nous constatons qu’il faut globalement utiliser des angles d’incidence plus importants lorsque les vitesses sont faibles. A partir de 2.5 m/s, on peut garder l’angle fixé à 2°.

Pour trancher entre le foil trapézoïdal et le foil elliptique, on a comparé les résultats obtenus sur Heliciel pour ces deux foils. La finesse est globalement maximale pour le foil trapézoïdal, ce qui nous incite à choisir ce foil.

Pour aller plus loin…

Comme nous avions également accès à des outils de simulations plus puissants, nous avons décidé de réaliser des simulations sur le logiciel Fluid Scenario de la suite Dassault. Les paramètres à régler sont nombreux puisqu’on effectue un calcul par éléments finis. Il faut imposer un domaine de simulation, des conditions aux limites (vitesse et pression) mais aussi un maillage. Une capture d’écran donnant une idée des dimensions du domaine et de la vitesse imposée aux limites est proposée ci-dessous. Malheureusement, les résultats obtenus par cette méthode étaient longs à exploiter et n’ont pas abouti à des conclusions pertinentes. L’outil est complexe et il reste probablement des erreurs dans les paramètres à fixer pour simuler cet écoulement…

Référence

Andy Gunkler and Dr. C. Mark Archibald, Human Powered Hydrofoil Design & Analytic Wing Optimization, Proceedings of the 2011 ASEE NC & IL/IN Section Conference, 2011

Stabilité en tangage et en roulis

Nous voulons assurer la stabilité du navire en roulis (rotation autour de l’axe principale du bateau) et en tangage (rotation autour de l’axe horizontal et orthogonal au bateau).

Stabilité en Roulis:

Celle-ci est assure par un phénomène physique dit effet de dièdre. L’apparition d’un angle φ de roulis entraine naturellement un angle βde lacet, c’est-à-dire que l’axe principal du bateau cesse d’être aligné avec sa direction de déplacement. Une des ailes du foil se trouve alors devant et en dessous de l’autre. Ces deux angles vont donc créer un différentiel de portance des ailes, d’où l’apparition d’un moment qui vient rectifier le roulis.

La condition pour que ce moment corrige effectivement le déséquilibre porte sur la forme des foils :

Elle est assurée par la forme de nos foils transverse et en T plat.

Stabilité en Tangage:

Les deux foils du bateau Hydromines ont une portance proche, on dit ainsi qu’ils sont en tandem. Ce choix est un compromise entre stabilité et portance. En effet ajouter un foil de déportance (dit en empennage) stabilise le bateau mais freine celui-ci. De même avoir un foil de portance principal et un foil de portance secondaire (dit alors en canard) favorise la vitesse mais rend le système très instable.

Pour ce choix de foils, et étant donné que nous avons un bateau considéré à haute vitesse, la stabilité en tangage est assurée lorsque :