Flotteurs à portance variable (dispositif de sécurité pour multicoque)

Introduction

Voici une contribution de nos travaux aux réflexions en cours sur Nautical Trek au sujet de la portance des flotteurs de trimarans.

Quelques éléments pour mieux comprendre l'origine du projet "flotteurs à portance  variable".

Nous sommes, avec mes enfants  (4 enfants, déjà grands +  3  petits-enfants) et un groupe d'amis sur les plages de Normandie, de grands fans du multi et en particuliers des catamarans de plage (NewCat 12, Dart 18, HC 16, Classe A, BIM 20, BIM 18HT et autres machines qui se retournent  très  facilement...).

Mon épouse (elle a fait pas mal de Dart 18, mais trouve que cela arrose trop - dixit !!)  est  toujours un peu inquiète  pour les enfants lors des dessalages, classique...

Le premier test a été fait avec le NewCat 12 des enfants : avec son flotteur en tête de mât, le cata reste couché sur le côté et un enfant (40 Kg) est incapable de redresser seul, ... Sauf si le flotteur qui est dans l'eau s'enfonce sous son poids lorsqu'il monte dessus et en même temps enfonce sous l'eau un volume (poids du bateau = 80 Kg + le sien) = 130 litres qui permet de redresser automatiquement le cata, sans effort...

Application

Nous avons un brevet sur ce dispositif mais notre objectif est d'encourager la construction amateur et/ou de petites séries.

C'est dans ce contexte que François Maillette (architecte canadien, actuellement en Nouvelle-Zélande) a réalisé un prototype de trimaran de régate de 18 pieds équipé de ce dispositif d'auto-redressement. Pour ceux qui veulent le voir, il est prévu que ce bateau soit présenté au Canada en Juillet prochain.

Pour ce trimaran qui s'inspire de son Kolibri 19, l'idée est de faire un bateau de régate à deux équipiers (lourds) ou trois (légers) dans lequel le barreur reste obligatoirement dans la coque centrale (règles de classe) pour permettre des compétitions "à égalité" entre personne valide et handicapée à mobilité réduite.

Ce trimaran dispose d'une coque centrale - type  49^er - et des flotteurs assez courts et avec de l'angle pour permettre de naviguer "à contre-gîte" dans la brise et sans toucher l'eau dans le petit temps. La portance variable des flotteurs permettra de redresser facilement en cas de "soleil" et surtout d'éviter le chapeau complet qui est un peu la hantise  des  trimarans (par  rapport  aux catamarans). Le but n'est pas d'éviter le dessalage, mais de faciliter le redressement.

Principe

Le dispositif a pour objectif :

1. De faciliter le redressement (cata ou tri) après un dessalage,
2. D'éviter de se retourner (c'est le débat en cours au sujet du volume des flotteurs d'un trimaran de loisir).

 
Ce dispositif pour multicoque peut donc être utilisé de deux façons :

1- Dans le cas d'un chavirage : pour couler partiellement le flotteur sous le vent afin que le catamaran ou le trimaran se retrouve dans la situation d’un dériveur ou d’un quillard léger (par escamotage sous l’eau d’un flotteur). Il sera ensuite redressé par la poussée du volume d’air résiduel du flotteur immergé associée à l’action des équipiers,
  
2- Dans le cas d'un trimaran : pour contrôler la gîte maximum acceptable (éviter que la coque centrale ne quitte l’eau dans les situations critiques) en réduisant très rapidement la portance du flotteur sous le vent pour éviter un retournement complet du bateau.

Le principe est d'utiliser des flotteurs qui se composent d’une partie basse étanche ⁽¹⁾ (réserve de stabilité déterminée à la construction pour permettre l'enfoncement du flotteur sous l'eau par le poids du bateau) et d’une partie supérieure vide ⁽²⁾ qui peut être remplie d'eau afin de participer au système de relevage et qui, le cas échéant, permet d'éviter un chavirage.

La partie supérieure du flotteur se remplie très rapidement par une prise d’eau ⁽³⁾ située à son sommet lorsque le flotteur est immergé. Une fois le bateau redressé, l'eau se vide par le clapet arrière ⁽⁴⁾ en suivant la pente inclinée de la paroi interne ⁽⁵⁾.

En navigation, le clapet arrière empêche l’eau de rentrer et permet de profiter de la portance  maximum de tout le volume du flotteur.

Pour le remplissage par forte gîte, j'ai envisagée une prise d'eau "en fente" sur la partie intérieure du flotteur. D'autres solutions sont possibles.

Note :
Pour les calculs suivants, les bras de liaison et le mât sont étanches, les équipiers sont considérés « immobiles » durant les phases de chavirage, ce qui est peu probable dans la réalité, passé 60°. Néanmoins, les courbes ne sont plus exploitées après 40° dans les chavirages.

Cas du chavirage par l’avant

Le flotteur sous le vent doit se remplir très rapidement et sans intervention humaine lorsque le trimaran est en phase de chavirage.

Le bateau va freiner très fortement en pivotant autour de son flotteur (un peu comme un monocoque qui part « au tas »).

Cette phase est choisie à partir de 35° de gîte, en effet à ce niveau, la réserve de stabilité est faible et sera vaincue par les effets d’inertie dus à l’enfournement.

Ici, le cas défavorable où l’équipage est avancé, il se retournera passé 65° :

Des prises d’eau sont engagées à 0.1 m sous la surface. Leur surface est calculée afin d’obtenir un remplissage de la cavité en 10 secondes environ.

Cas du chavirage sur le côté

Dans ce cas, le flotteur se remplit très rapidement à partir de l'angle de gîte fixée à la construction : l'objectif est d'éviter le dessalage et, s'il se produit, de pouvoir escamoter le flotteur sous l'eau à l'aide de la masse du bateau pour éviter son retournement complet. Une forte flottabilité en tête de mât est nécessaire pour le bon fonctionnement de ce dispositif.

Comme précédemment, le flotteur se remplit bien à partir de 35° de gîte. Le risque est plus faible car dans ce cas (pas d’enfournement qui stoppe violement le bateau), la stabilité reste équivalente à ce niveau et l’angle de chavirement est toujours à 65°.

Situation du trimaran dessalé avec des flotteurs classiques (sans le dispositif)

Dessalé avec les flotteurs qui restent étanche (cas d’un trimaran classique), le bateau va rester peu de temps dans cette position et malgré son mat étanche, il risque le retournement complet.

D'autre part, dans cette position, il est très difficile aux équipiers d'atteindre la coque centrale et sa dérive pour redresser le bateau. 

Situation du trimaran dessalé avec le flotteur semi ballasté (avec le dispositif)

Le bateau dispose d'une réserve de stabilité suffisante, grâce au volume d’air résiduel du flotteur immergé. D'autre part sa coque centrale peut être atteinte sans problème par l'équipage pour redresser le trimaran.

Redressement du voilier

Une personne peut quasiment redresser le voilier. A deux, cela devient évident (la courbe de stabilité redevient positive au voisinage de la position couchée).

• Une personne sur la dérive (à 0.3 m de son extrémité) :

• Deux personnes sur la dérive (à 0.3 m de son extrémité) :

De François Riché, FR . S A I L I N G (www.frsailing.com), mars 2008
D'après une étude réalisé en 2005 avec François Rougier.