Equilibre aux autres allures
Bilan des forces en présence
Nous voyons les deux couples de forces composés de \(\overrightarrow{P}\) et \(\overrightarrow{\Phi}\), \(\overrightarrow{R_h}\) et \(\overrightarrow{F_ {aero}}\).
\(\overrightarrow{P}\) et \(\overrightarrow{\Phi}\) sont verticales.
\(\overrightarrow{F_ {aero}}\) est dirigée obliquement vers l'avant mais aussi du côté sous le vent.
\(\overrightarrow{R_h}\) lui sera toujours parallèle et de sens opposé.
Condition de l'équilibre de route
Dans le plan horizontal, seules \(\overrightarrow{R_h}\) et \(\overrightarrow{F_ {aero}}\) apparaissent.
Si le bateau est en équilibre de route ces deux forces se trouvent directement opposées l'une à l'autre et ne constituent pas de couple.
Moment de lacet
Dans le cas contraire, c’est à dire si les deux forces sont bien parallèles mais ont les lignes d’actions distantes il y aura alors création d’un moment de lacet.
Selon le cas, on parlera de couple d’auloffée ou d’abattée, comme cela est le cas ici, où le profil est placé très en avant.
Il est possible d’utiliser le safran , au détriment de la performance, mais également en agissant sur \(\overrightarrow{F_ {aero}}\), par la modification de la voilure par exemple (action sur la cambrure, répartition du plan de voilure...etc).
Remarque : Lien avec les navires à propulsion mécanique
Nous avons mentionné l'action de la propulsion éolienne sur l'équilibre de route mais il est intéressant de noter que les effets décrits sont également perceptibles sur des navires à propulsion mécanique, dès lors qu'il sont soumis à l'action du vent.
Néanmoins, selon la position du centre de voilure, la position d'équilibre ne sera pas la même. Ainsi un ferry, un pétrolier ou encore un remorqueur adopterons une position différente par rapport au vent.
Décomposition de \(\overrightarrow{F_ {aero}}\)
Si nous décomposons \(\overrightarrow{F_ {aero}}\) en forces parallèles et perpendiculaires aux axes du navire, nous obtenons :
\(\overrightarrow{F_x}\)qui représente la force propulsive et ;
\(\overrightarrow{F_y}\) qui tend à faire dériver le bateau.
Décomposition de \(\overrightarrow{R_h}\)
Leurs sont respectivement opposés :
\(R_x\) qui représente la résistance globale à l'avancement de la carène et ;
\(R_y\) la force antidérive développée par l'ensemble du plan de dérive du bateau.
Définition : Résistance de coque induite
Afin de développer la force \(R_y\) qui vient équilibrer \(F_y\) , l'ensemble coque-dérive doit attaquer l'eau sous un certain angle d'incidence qui n'est autre que l'angle de dérive \(\lambda\) .
Cette dérive sera à l'origine d'une résistance de coque induite \(R_{coque_{induite}}\).
Remarque : \(R_{coque_{induite}}\) un mal nécessaire
C'est bien la nécessité pour la coque de générer une force antidérive qui induit la création d'une traînée supplémentaire. Il s'agit en quelque sorte d'un mal nécessaire.
Faute de pouvoir s'en passer, on peut essayer de la limiter au minimum en adoptant un plan antidérive capable de développer une force \(R_y\) donnée avec un angle d'incidence \(\lambda\) et une résistance à l'avancement \(R_x\) aussi faibles que possible.
Equilibre transversal
Dans le plan transversal, le couple inclinant provoqué par \(\overrightarrow{R_h}\) et \(\overrightarrow{F_ {aero}}\) est équilibré par un couple de redressement du au décalage latéral de \(\overrightarrow{P}\) et \(\overrightarrow{\Phi}\), consécutif à l'angle de gîte pris par le voilier.
Impact de la gîte
La gîte du navire impactera de deux manières l'équilibre du navire :
Réduction des forces aérodynamiques générées par les profils
Augmentation du moment de lacet
Impact de la gîte sur la force aérodynamique générée
En cas de gîte élevée, le vent attaque la voile sous un angle tel que la composante perpendiculaire au profil et qui agit sur la voile donc, sera plus faible que lorsque le navire est redressé.
En rouge, la force générée par le profil lorsque le navire est droit ;
En jaune, cette même force mais en considérant le navire gîté.
Ainsi, un navire “raide à la toile”, gîtera peu et sera donc en mesure de maintenir une composante propulsive relativement importante.
Impact de la gîte sur le moment de lacet
Les carènes profondes et étroites sont les moins sujettes à ce défaut. Au contraire, les carènes larges et plates, qui se déforment beaucoup à la gîte, sont plus dures à la barre.
Dès que le navire gîte la symétrie des formes disparaît ce qui occasionne un déplacement de \(R_h\) dans le plan transversal et par là même une modification de la distance entre les lignes d'action de \(\overrightarrow{R_h}\) et \(\overrightarrow{F_ {aero}}\).
Généralement, la dissymétrie de la carène résultant de cette gîte a une action similaire à celle du gouvernail. Ainsi, avoir de la gîte revient à avoir de la barre sous le vent, c'est à dire à créer un couple d'auloffée.
A contrario, avoir de la contre-gîte[10] permettra de créer un couple d'abattée.
Conseil : Limiter la gîte
De manière générale il convient de limiter l'angle de gîte pris par le navire. Pour ce faire plusieurs solutions sont envisageables :
Réduction de \(\overrightarrow{F_ {aero}}\)
Transfert de poids
Augmentation du déplacement
Changement d'allure
Equilibre global
On voit que le navire adoptera une vitesse, un angle de gîte et de dérive pour arriver à un équilibre pour chaque condition de fonctionnement.
Fondamental : Manoeuvrabilité
On voit que les performances d'un navire dépendront à la fois de la contribution du propulseur éolien à la poussée requise ainsi que de l'efficacité du navire, qui doit, par-dessus tout, rester manœuvrant.
Il s'agit d'une contrainte opérationnelle fondamentale qui peut s'avérer difficile à surmonter dans le cas de retrofit.