Présentations

Les Hydrofoils
2. Présentation

a) Bref historique

Contrairement à ce que l'on pourrait supposer, les hydrofoils bien qu'utilisant le même principe que les ailes d'avion, ne sont pas apparus après mais bien avant les débuts de l'aviation dès 1869.

. le 11 septembre 1869, un brevet anglais a en effet été déposé par le français Emmanuel Denis Farcot pour un système de foils (en fait une série de plans inclinés et de coins) amovibles sur un bateau à rames. Etant donné le mode de propulsion, il fallait un certain élan avant d'atteindre la vitesse à laquelle il fallait placer ces foils en position d'incidence pour espérer sortir partiellement la coque de l'eau.

Le défaut de propulsion constitue dans ces débuts l'un des principaux obstacles au développement du système d'hydrofoils car le décollage nécessite une vitesse importante pour faire face aux résistances exponentielles rencontrées en phase d'accélération. En fait, il faudra attendre 14 ans avant que la théorie et les dépôts de brevets de divers systèmes laissent place à une première démonstration que l'on peut comparer au premier vol des frères Wright pour l'aviation en 1903 seulement (soit 9 ans plus tard...).

. En 1894, les frères Meacham réalisent la première démonstration d'un hors-bord de 14 pieds (4.3m) équipé de foils à Chicago.

Parallèlement aux développements sur les bateaux où le foil a déjà montré son efficacité, certains inventeurs imaginent déjà de nouvelles applications au système.

. En 1911, on assiste aux premiers décollage et amerrissage d'un hydravion équipé d'un système de foils élaboré par Guidoni. Les foils utilisés consiste en fait en une combinaison entre un système de foil sur plusieurs niveaux et la forme dièdrique mise au point par Croco en 1907 pour les bateaux.
Guidoni contribuera entre 1910 et 1921 à l'évolution du système qui, monté sous les flotteurs permettra en particulier un décollage bien en dessous de 50 noeuds (92.6 km/h) et facilitera les amerrissages sur plan d'eau agités.

Du côté des embarcations plus traditionnelles, l'accent est alors mis sur la vitesse. Ainsi,

. En 1919, le record mondial de vitesse sur l'eau est établi par un hors-bord de 60 pieds (18.3m) équipé de foils (construit par Alexander Graham Bell et Frederick W. Baldwin) avec une vitesse de pointe de 61.5 noeuds (114km/h).

Depuis 1869, les foils ont beaucoup évolué passant d'une simple forme plane à une forme bombée et profilée à l'image des ailes d'avion mais le principe retenu reste celui d'un foil totalement immergé. En 1932, un nouveau type d'évolution va se proposer.

. En 1932, le professeur O. Tietjens brevète un système de foils en V (foils traversants) testé sur un petit bateau rapide de 500 livres (222.8kg) qui atteint une vitesse de 25 mph (40 km/h) avec un moteur de faible puissance.

Une fois l'ère des pionniers révolue, les principaux progrès vont se concentrer durant les années 50.

. En 1950, premier vol d'un voilier équipé de foils par J.G. Baker.

On assiste alors aussi au développement des premiers système de contrôle électronique facilitant décollage et amerrissage et surtout améliorant la stabilité des embarcations utilisant des foils totallement immergés. Par la suite, l'évolution des hydrofoils s'axera principalement sur une amélioration des techniques déjà existantes ce qui permettra de reculer les frontières de vitesse, de stabilité et de tonnage. En parallèle, de nouvelles utilisation du principe de foils vont apparaître sur des engins à propulsion humaine ou solaire ou encore dans les sports de glisse (ski nautique, planche à voile).

b) Présentation de notre maquette

L'objectif de nos travaux était de visualiser l'élévation hors de l'eau d'une maquette d'hydroptère. Ceci afin de pouvoir réaliser différentes expériences, telles que les mesures de portance et de traînée.

Pour cela, nous avions à disposition le canal des salles de TP de Mécaniques des Fluides de l'INPT-ENSEEIHT. Ce canal rectangulaire en verre de 250 mm de large permet de choisir un débit de 0 à 23 L/s et une hauteur d'eau comprise entre 0 et 300 mm (ce qui correspond à des vitesses maximales de l'ordre de 0.8 m/s).

La maquette d'hydroptère que nous avons choisi de réaliser est à foil en T, c'est à dire que l'axe de fixation du foil est horizontal. Notre maquette est essentiellement constituée de polystyrène avec 2 barres en aluminium sur les côtés pour fixer le foil à la coque. La fixation de ces barres sur le profil permet de faire pivoter le foil autour de son axe et ainsi de faire varier son incidence.

Pour sa conception, nous avons eu recours à la méthode par découpe au fil chaud dans les locaux de l'IMFT (Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse). Cet outil permet de découper du polystyrène par l'intermédiaire d'un fil qui, traversé par un courant électrique, s'échauffe et fait fondre le polystyrène. Ainsi, nous avons pu découper la coque et 2 types de foils (symétrique et asymétrique).

Vidéo 2.60 Mo

Enfin, pour rendre ces foils plus résistants à l'eau et pour en améliorer la géométrie, nous avons recouvert leur surface d'une fibre synthétique sur laquelle nous avons appliqué de la résine.

Vidéo 1.45 Mo

La maquette étant prête, il est temps de passer à l'expérience. On teste donc les foils symétrique et asymétrique. Comme on ne peut pas jouer sur la vitesse de la maquette, on joue sur le débit du canal. Quand celui-ci augmente, la hauteur d'eau commence par augmenter légèrement, mais c'est surtout la vitesse de l'écoulement qui augmente car on peut plus ou moins fixer la hauteur d'eau à l'aide de vannes. Dans un premier temps, on constate donc que le niveau d’eau augmente. Quand celui-ci est stabilisé, le débit commence à augmenter et la portance induite par le foil aumgente également jusqu'à l'équilibre : L'HYDROPTERE SE SOULEVE !