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Mon projet d'aile - le point - vers l'hybride ?

Mon projet d'aile - le point - vers l'hybride ?

Messagepar Laurent » 01 Sep 2019, 16:05

Bonjour,


Certains de ceux qui suivent mon parcours depuis la création du forum savent que le choix de la future voilure de mon voilier équipé de 2 mâts autoportés, ne s'est pour l'instant pas encore fixé définitivement.
Deux arguments principaux étayaient mon choix d'abandonner la voile bermudienne (grand-voile bomée) telle qu'elle se décline ultra majoritairement :
- La recherche d'un type de voilure fonctionnant sur la souplesse et un minimum d'étarquage.
- Une meilleure harmonisation avec les mâts autoportés

La voile de jonque est restée, pendant tout ce temps de réflexion, la voile qui pouvait avoir la dernière faveur, pour sa simplicité et son faible coût de fabrication. Le premier essai d'une voile de jonque m'avait laissé quelque peu dubitatif ( voir À la découverte de la jonque Pa Yeng ). Le voilier, un plan Dimitri Leforestier était certes plutôt lourd et peu évolutif, mais l'absence de sensation vis à vis du gréement m'avait laissé sur ma faim. Le deuxième et dernier essai en date (voir À la découverte de la jonque Kan Avel ) n'a pas effacé ce doute bien que Kan Avel soit un voilier qui marche bien.

Les points forts valorisant la voile de jonque sont :
- La simplicité de réduction de voilure
- La compensation qui rend les manœuvres faciles et douces (surtout les empannages)
- La possibilité de fabriquer soi même: ce ne sont que des rectangles de tissus assemblés, puis lattés

Les points faibles sont, pour ce qui me concerne, un peu trop prégnants :
- La voile de jonque serait comme une espèce de voile plate suspendue, assez libre de mouvement, qu'il s'agit de contrôler/régler dès qu'un changement intervient. Ces réglages s'effectuent via un réseau de bouts qui amène de la complexité là où d'autres gréement se règlent rapidement et uniquement via le hale-bas et l'écoute de GV.
Plus vous souhaitez supprimer de plis, plus vous devrez faire de réglages, qui s'annulent dès que l'amure changent de façon notoire.
- Les plis: ils sont toujours présents. Le réseau démultiplié d'écoutes, de bosses, fait que l'angle de tire sur chaque latte ne peut pas être le bon partout. Il y a donc des plis et aussi des poches. Les deux s'amplifient avec le vent forcissant.
Personnellement je n'arrive pas à me satisfaire d'une telle concession aux lois de l’aérodynamique.
Quand vous voyez la différence de performance entre un vieux jeu de voile bermudien/Marconi et un jeu tout neuf, vous vous rendez compte de l'importance de la qualité des profils.
La voile de jonque fait une croix là dessus pour privilégier la souplesse d'utilisation.
- Coté écoutes, c'est vraiment le gros paquet de nouille dès que vous bordez
- il est clair que vous ne pouvez pas faire un près vraiment serré. Certes cela ne constitue pas un argument primordial mais d'autres gréements font beaucoup mieux.
- En argument secondaire il y a le poids des voiles. Il faudrait utiliser des tubes carbones pour commencer à obtenir une voile qui ne nécessite pas de palan entre le point de drisse et l'extrémité du mât.

Pour toutes ces raisons, je ne suis vraiment plus emballé par ce gréement. C'est tout à fait personnel. Beaucoup d'utilisateurs, les anglo-saxons principalement, naviguent beaucoup en jonque et en sont très satisfaits.





Les ailes souples

Les profils épais m'ont fait réver très tôt.
Coté croisière, la découverte eu lieu avec la Revue Loisir Nautiques de 1978 et ce fameux article sur l'aile Phicoe. Sur le papier, cela paraissait magique. Hélas le projet ne s'est pas concrétisé.

Lors de la prolifération des ailes rigides aux deux dernières coupes de l'America, j'ai été très séduits, comme beaucoup d'autres, par le concept d'ailes à deux volets (un principal, avant + le volet arrière).
Ce qui vient du monde de la compétition s'avère la plupart du temps performant et puis ces ailes rigides étaient déjà opérationnelles dès les années 70. C'était la voie à suivre pour un gain de puissance important, plus important qu'avec une aile souple asymétrique réversible. La réalité du terrain contredisait les lois de l’aérodynamique.
De là à décliner ces même ailes, en enveloppe souple, il n'y avait qu'un pas que d'autres ont franchi (voir Prototype de voile aile souple à deux volets (AC 18) et Arkema 3, Mini 6.50 à voile épaisse souple
Le moment d’exaltation s'est confronté à la réalité de la conception et surtout de la fabrication.
Tout comme pour les ailes souples de type Swingwing / Matin Bleu (plus simple), la structure interne de ces ailes s'avère tout de même relativement complexe  et vous multipliez par deux la surface de tissu ainsi que la longueur totale de couture-machine. Fabriquer, pour mon voilier, deux ailes à 2 volets, çela revenait à devoir fabriquer 4 petites ailes. Quel chantier ! Ces ailes n'ont rien de simples surtout si on les compare par exemple à des GV réglées par wishbones, un des gréements les plus simples qui soit, et cependant performant.
C'est à mon avis, cette complexité qui fait avant tout frein chez les plaisanciers et les industriels du nautisme. Plus que l'aspect conservateur et frileux, néanmoins bien présent.

L'aile développé par Guy Beaup, pour lui même et Beneteau, s'avère sans doute ce qui se se fait de plus simple. Mais j'ai toujours pensé qu'on pouvait faire mieux.
Un autre point rassemblait toutes ces déclinaisons d'aile souple: les plis du tissu, toujours très difficiles à totalement résorbés.




L'aile Hybride

Et puis est apparu sur le marché, en cette fin de printemps 2019, l'aile hybride du catamaran Eagle class 53 créée et réalisée aux USA.
Tout d'un coup la simplicité entrait dans la danse.
Simplicité si l'on considère qu'il est plus simple de fabriquer un volet-avant rigide qu'un volet-avant souple.
C'est mon opinion peut être influencé par ma maitrise du sujet composite: cette facilité est possible en suivant le bon principe de construction.
Et puis l'apport de performance avec ce volet rigide est évident. Si évident que les concepteurs de l'aile de l'Eagle 53 ont estimé qu'un volet arrière sans épaisseur était suffisant sur cette unité vouée au vol sur foils. Et ce ne peut être en aucun cas, une limitation de budget qui ait provoqué cette simplification du volet arrière.
Simplicité d’utilisation aussi: deux écoutes. L'une sur palan et rail pour la GV, l'autre, simple, pour le volet.
Pas de hale-bas. Prise de ris classique sur la GV. Sur ce dernier point séjourne tout de même un écueil: il est difficile de concilier volet pivotant à 360 degrés et drisses/bosses en retour vers le cockpit.

L'autre gros écueil de cette aile hybride, ce sont ces volets toujours à poste. Afin de minimiser les réactions du volet par gros temps, les concepteurs de l'aile hybride de l'Eagle 53 ont choisi une compensation de 16%. Rapport qui laisse de la marge pour que que le volet ne passe pas en mode fou fou.
En moindre mesure, c’est aussi cette GV qu'il faut désolidariser complétement dès qu'on passe en mode mouillage/stationnement un tant soit peu prolongé.
Pour un multi, la largeur du volet n'est pas gênante.
Pour un mono, celui à l'avant peut s'avérer problématique en configuration ketch/goélette, de part l'encombrement.


Les ailes hybrides telles qu'elles pourraient se décliner sur mon voilier :

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La fabrication des volets

Avec mes 2 mâts autoportés, la conceptions des volets-avant n'est plus la même que pour l'Eagle 53 où le volet fait mât pour ce dernier.

La découpe numérique peut faciliter grandement la tache.
La fabrication des cambreurs/nervures accapare une part importante du devis horaire.
Via le choix du sandwich, 2 solutions s'offrent à vous :
- fabrication de grand panneau de sandwich, puis découpe numérique
- découpe numérique directement dans les plaques de mousse puis stratification de ces plaques découpés. Cela permet de stratifier les chants > gain de résistance. Mais augmentation notoire du devis horaire.

Pour l'instant, je privilégie la première solution.

Un volet qui est tenu par un mât, requiert que sa structure interne soit rigidifiée.
La meilleure solution serait d'opter pour un maillage important de tubes de petites section, à la façon tour Eiffel/ Grue/etc…
Beaucoup d'assemblages, beaucoup de temps.

Je préfère la solution, certes moins efficace, d'une rigidification via de 2 à 3 tubes carbones, de diamètre plus important, et traversant verticalement tous les cambreurs.
Les trous dans les cambreurs seraient bien sûr effectués via découpe numérique

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Les chants des cambreurs en sandwich : fabrication d'une grande plaque de stratifié monolithique dans laquelle on découperait des bandes de petite largeur qui recouvriraient en les dépassant, ces chants, via collage.
Un petit joint congé par la suite pour améliorer cette jonction des peaux du sandwich.



Découpe de rondelles en stratifié qui viendront renforcer les peaux du sandwich au niveau des trous.

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Re: Mon projet d'aile - le point - vers l'hybride ?

Messagepar Laurent » 05 Sep 2019, 10:40

Choix du type mousse employée pour le sandwich des cambreurs/nervures

À l'échelle de mes ressources, les mousses de type Airex sont d'un coup prohibitif.
De là à se rabattre vers une mousse type polystyrène extrudé, il y a un pas que je suis prêt à franchir d'autant plus que ce matériau est utilisé en aéronautique amateur pour la construction de petit avion, ULM ou plus grands.

Les nervures de l'aile de l'avion MAG 1 (longueur hors tout 7,60m)
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Les nervures de l'aile de l'avion MAG 2
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Les nervures de l'avion Spacek SD-1 (longueur 4,42m)
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Les nervures de l'avion Souricette
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Les liens :
http://dieselis001.canalblog.com/
http://mag.01.pagesperso-orange.fr/MAG%20ph%20ailes.htm
http://www.sdplanes.fr/spacek-sd-1/techniques/
https://pouguide.org/nervures-en-polystyrene


Les mousses en polystyrène extrudé se déclinent en des densités plus importantes lorsqu'elles sont destinées à l'isolation des sols. Leurs résistances à la compression sont meilleures. Leurs couts sont plus élevés.
Il me reste à estimer laquelle choisir, entre modèle basique et modèle à forte densité dédié sol.
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Le bord de fuite - Quel type de rail pour la Grand- voile

Messagepar Laurent » 05 Sep 2019, 14:28

Le bord de fuite
La partie bord de fuite des cambreurs demandent d'être renforcée d’une part pour rigidifier cette partie du volet, plus fragile, et d'autre part pour assumer la fonction de support de grand-voile, ce qui représente un enjeu important.

Deux solutions envisagées à défaut d'une autre à imaginer (voir croquis ci dessous)

Le plus simple serait la version de gauche. Un simple plat en renfort, éventuellement en sandwich.
La version de droite, plus élaborée et la mieux à même de répartir les efforts sur le volet tout en étant plus rigide, c'est celle adoptée pour le volet de l'aile du catamaran Eagle Clas 53
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L’extrémité des bords de fuite des volets-avants des ailes rigides des AC45 n'a pas à soutenir le volet arrière, il est rigidifié par un plat des deux cotés.

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Le rail de grand voile

C'était un point pour lequel aucun choix ne me satisfaisait,
La meilleure, rail + chariot à bille, étant d'un coût un peu trop élevé.

Et puis Alain Oriot, concepteur d'une aile souple, m'a signalé l'existence d'un système de rail venant des USA, souvent utilisé dans le monde du multi pour son efficacité avéré et son coût moindre.

Ce système a été mis au point par Tides marines pour s'adapter sur des gorges de mats en alu et obtenir ainsi de meilleur résultats sans passer par une fixation de rails en alu (+chariot), plus compliqués à installer.

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"Chaque rail est usiné sur mesure, dans du Polyéthylène à très haut degré de polymérisation, pour s’adapter au millimètre près à la longueur de guindant et au profil de la gorge du mat de chaque client"
"Le rail est extrudé en une seule pièce ne justifiant aucune maintenance et limitant les poids dans les hauts : 500 gr/m
Insensible à l’eau de mer et aux UV, le rail est disponible pour des longueurs de guindant allant jusqu’à 19 mètres"



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Une version simplifiée est disponible pour se poser sur un support plat par vissage.
Via la vidéo au lien ci dessous vous aurez une idée de la vitesse à laquelle peut descendre votre GV (même si cela a été réalisé par vent très très modéré) :
https://youtu.be/G0iFS1L-B6U?t=180


Le distributeur français

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Nombre de cambreurs

Messagepar Laurent » 05 Sep 2019, 15:25

.
Voyons les cas de figures suivant :

- Le volet-avant de l'aile de l'Eagle Class 53:
L'aile mesure 23m de hauteur
Le nombre de cambreurs est de 29 et la distance qui les sépare est d'environ 76cm

- Le volet-avant d'un des deux protos qui ont servi à la conception de l'Eagle:
19 cambreurs

- Le volet-avant de l'AC 45 Artemis (les ailes des AC45 font 21,5m de hauteur)
29 cambreurs - Distance les séparant: environ 71cm
- Le volet-avant de l'AC 45 Oracle:
28 cambreurs - Distance les séparant: environ 74cm
- Le volet-avant de l'AC 45 français Groupama:
29 cambreurs


- Le volet-avant du Class C Groupama (hauteur de l'aile 13m)
20 cambreurs - Distance les séparant: environ 62cm
.
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L'enveloppe du volet

Messagepar Laurent » 06 Sep 2019, 11:08

Deux solutions :
sachant qu'elle pourraient être adoptées toutes les deux.

- 1 - Utiliser un film polyester d'entoilage thermorétractable dédié aile, fuselage, empennage, d'avion.
Rapide à poser à l'aide d'un fer chauffant dédié, et d'un pistolet à air chaud.

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Parmi les tops du moment, les films Oratex semblent être très fiables, ainsi les modèles Oratex UL600 MK3 et UL6000 sont garanti 10 ans.
C'est un de ces films, qu'a retenus le chantier qui a revu l'aile de l'Eagle Class 53 tout récemment.

Prix: environ 50 euros TTC le m2 (tarif 2019) pour le UL600 MK3 (environ 60gr/m2 non recouvert)
environ 67 euros TTC le m2 (tarif 2019) pour le UL6000 (environ 100gr/m2 non recouvert)



- 2 - Fabriquer l'enveloppe à partir d'un tissu de verre E taffetas 48gr/m2 ou 86gr/m2, imprégné de résine époxy.

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Prix du tissu: entre 5 à 6 euros le m2
Prix de la résine pour 1 m2 de ces tissus environ 1 euros !
Autant dire que cette solution serait nettement plus économique.
Je verrais bien le stratifié encollé au mastic colle polyuréthane ou MS Polymère.
Pourquoi cette méthode n'est telle pas retenu dans le monde de l'aviation, j'aimerais bien le savoir
Certes ce stratifié ne peut se poser que sur des surfaces dites développables sinon il faut réaliser un moule.
je vais mener ma petite enquête.


Le bord d'attaque serait sans doute recouvert d'un stratifié un peu plus épais.
Le reste pouvant être recouvert soit d'un film rétractable soit d'un stratifié fin.
À voir…


Et à suivre…

.
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Re: Mon projet d'aile - le point - vers l'hybride ?

Messagepar Eric » 15 Sep 2019, 12:16

Bonjour Laurent
Quel beau projet !

Pour les peaux en stratifié sur les avions : le problème majeur en aéronautique est le poids. ;)
Les ailes de planeur modernes sont en composite sandwich.
https://www.alexander-schleicher.de/as-33-mit-grossen-schritten-zum-prototyp/
Les pales des éoliennes sont également construites en composite.
Eric
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Re: Mon projet d'aile - le point - vers l'hybride ?

Messagepar Laurent » 15 Sep 2019, 13:14

Les film polyester d'entoilage thermorétractable vont de 60 à 100gr par m2.
Avec un tissu verre de 48gr/m2 ou 86gr/m2, on peut obtenir quasiment le même devis de poids.
Les solutions sont là mais je me demande pourquoi la deuxième semble peu ou pas adoptée ?
Manque de souplesse ? c'est sans doute pour cela pour ce qui concerne les petits avions.
Mais pour une aile rigide de voilier, le peu de souplesse d'un stratifié fin verre/époxy ne devrait pas poser de problème. Encore moins pour mes volets puisque j'ai 2 mâts en carbone plutôt peu flexibles.
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Re: Mon projet d'aile - le point - vers l'hybride ?

Messagepar Eric » 15 Sep 2019, 21:33

Bonsoir
Je vais être plus technique. :(
Je vais commencer par les ailes entoilées.
Les ailes des avions légers sont composées d'un bord d'attaque et de parties plus ou moins développables plates.
Le bord d'attaque doit résister aux impacts, de la grêle par exemple, à des vitesses de plus de 200km/h. Il n'est pas entoilé mais réalisé dans des matériaux plus dur (contreplaqué par exemple). Il peut être marouflé avec une toile non rétractable avant d'être enduit et peint.
Le reste de l'aile (le dessus et le dessous de l'aile) est constitué d'une structure de nervures dense entoilée sous tension. Avant c'était de la toile de lin qui était tendu par un enduit. Cela a été remplacé par de la toile polyesther thermorétractable (15%) ou un film thermorétractable. La toile ou le film sont collés en périphérie et sur les nervures puis tendu par chauffage (>100°) de façon à ce que la toile ne vibre pas et maintienne le profil. Ensuite, dans le cas de la toile, il y a un enduit et une peinture. Dans le cas du film il n'y a pas de traitement ultérieur.

Pour les ailes en composite, la peau est fabriquée comme une coque de bateau sur moule avec un gelcoat, des tissus de verre, carbonne... En général la peau est ensuite doublée par une mousse pour produire une structure sandwich.les efforts sont repris par un (ou plusieurs) longeron (poutre) sur lequel la peau est collée.

Il n'est donc pas question d'utiliser une toile ou un film (et encore moins une toile de verre (non tendue) résine) pour réaliser le bord d'attaque (ce qui correspond à la partie avant de ton mât). Il faut quelque chose de plus résistant pour pouvoir subir les impacts avec la grêle, les insectes, les oiseaux... à grande vitesse.
Eric
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Re: Mon projet d'aile - le point - vers l'hybride ?

Messagepar Eric » 17 Sep 2019, 15:24

Bonjour
Je n'ai pas encore abordé le problème du coût des matériaux aéronautiques.
Le matériel aéronautique fait l'objet de nombreux contrôles.
En particulier il y a des tests à chaque étapes de la fabrication et les matériaux doivent être tracés depuis l'origine. C'est assez lourd et cela rajoute un surcoût important.
Pour prendre un exemple la serrure de porte de 2CV qui équipait l'hélicoptère Alouette II coutait dix fois le prix d'une serrure de 2CV.
La documentation (au sens large) représente entre 30% et 50% du coût ! :(
Il est parfois possible de trouver du matériel aéronautique déclassé (souvent un lot tout aussi bon mais qui n'a pas passé un test) ou une version non aéronautique du même produit; c'est beaucoup moins cher.
Parfois il existe des produits pour les ULM (Ultra Leger Motorisés) qui sont moins cher car l'ULM n'est pas considéré comme un avion ;) et les contraintes réglementaires sont beaucoup plus légères. :D
Une autre source pourrait être du matériel pour les avions du RAS (Réseau du Sport de L'Air) https://www.rsafrance.com/index.php en CNRA (Certificat de Navigabilité Restreint Avion pour la construction amateur) qui bénéficient d'un régime allégé.
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Re: Mon projet d'aile - le point - vers l'hybride ?

Messagepar Laurent » 18 Sep 2019, 10:31

Les enjeux entre l’aéronautique et le nautisme ne sont pas (du tout) les mêmes.

Je suis de plus en plus convaincu que l'on peut mettre du stratifié verre epoxy en guise d’enveloppe sur toute l'aile,
J'ai construit le mât aile de Fujicolor au temps de Mike Birch comme skipper.
C'était un mode de construction assez proche de l’aéronautique car les enjeux sont ceux d'un mât qui doit soutenir une énorme grand-voile.
Ici il s'agit de fabriquer un volet rigide tenu par un mât avec une enveloppe qui soit aussi résistance qu'un dacron léger tel qu'il a été adopté sur l'aile du voilier Matin Bleu. L'enveloppe du bord d'attaque nécessitant, évidemment être renforcée.
Le propriétaire de l'aile de l'Eagle n'a aucun problème de budget, il peut se permettre de choisir la solution rapide et très efficace du film rétractable qui va lui couter la babiole de 60 dollars au m2, une micro goutte d'eau à l'échelle de son compte en banque.
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