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Journal d'un terrien

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Un voilier révolutionnaire

SSSS : The Semi Submerged Sail Ship

Un voilier semi immergé !


Voici une idée que j'avais eue en 1995 et que j'estime intéressante pour l'architecture navale et la conception de voiliers ultra rapides :

On part de la constatation suivante : un voilier (mais tout navire) rencontre deux sources principales de résistance à l'avancement : En pratique la vitesse max. en noeuds (ou kts, 1 kt = 1.852 km/h) est donnée par
Vmax = 2,2 sqrt(L) où L est la longueur du navire à la ligne de flottaison, en mètres.

Trois solutions à ce problème sont classiques et connues :

Ces solutions sont connues et elles fonctionnement assez bien. Ci-dessous, une vue 3D interactive d'un voilier IMOCA. Cliquez, tirez la souris, zoomez !

Mais...
Je propose ici une quatrième solution : immerger complètement la plus grosse part du navire, de manière à n'avoir au niveau de la ligne de flottaison qu'une surface insignifiante. C'est le principe du navire semi immergé (Semi submerged ship ou S3).

On voit que c'est très simple : le navire est porté par deux flotteurs immergés, dont la surface mouillée est réduite et qui n'engendrent qu'une traînée d'onde négligeable.

C'est extrêmement simple dans le principe, même si les détails sont compliqués (pbs de résistance de la structure, pb de manoeuvrabilité, pb de stabilité...).

La stabilité est ici obtenue en utilisant deux mats séparés latéralement, ce qui diminue le couple engendré par les portances des voiles.

De plus les foils, même s'ils ne participent pas ici à la portance (qui est obtenue simplement par la poussée d'archimède sur les flotteurs immergés) sont équipés d'ailerons commandés par ordinateur et qui participent activement à la stabilisation. Il est possible qu'une très petite "vraie" coque soit nécessaire pour assurer la stabilité à faible vitesse et à l'arrêt. (dans la solution montrée ici, on suppose que la portance des flotteurs est très légèrement supérieure à la masse du navire, ce qui fait qu'il doit "plonger" partiellement pour trouver son allure de croisière).

J'estime qu'un tel navire pourrait attendre 40 noeuds en croisière. Pourquoi personne n'en n'a-t-il construit un ? Il serait sûr de gagner la transat' !


Mise à jour (Avril 2010) : J'avais ecrit ce qui précède il y a près de 10 ans, et je suis fier de voir que ce principe de bateau semi-immergé SSS a été repris pour le plus grand navire solaire jamais construit, le Tûranor PlanetSolar (25 m de long, 30 tonnes), qui vient de sortir du chantier à Kiel en Allemagne:
Le Turanor planetSolar, navire à propulsion solaire
Ce bateau solaire va bientôt partir faire le tour du monde... Joli, non ?
Le Turanor planetSolar, navire à propulsion solaire
Deux moteurs de 20 et 40 kW, 537 m2 de panneaux solaires, 46 656 batteries lithium-ion... un sacré bateau !
Le Turanor planetSolar, navire à propulsion solaire (helices)
Nouvelle mise à jour (2017) Le solar Turanor a terminé son tour du monde en 2012 :


Comparaison entre flotteurs immergés et foils

[mise à jour Mai 2019]
J'ai écrit le texte qui précède il y a près de 20 ans. Depuis, je constate il se trouve qu'aucun voilier de course n'utilise le système S4 (Semi Submerged Sail Ship), mais qu'au contraire les voiliers de course multicoque utilisent presque tous des foils, c'est à dire des sortes d'ailes qui plongent dans l'eau. Pourquoi ? Pour le comprendre, il va falloir faire quelques calculs (simples) !
Considérons une coque complètement immergée de forme allongée, comme celle d'un sous-marin sans sa tourelle. Sa résistance à l'avancement, c'est à dire la force de trainée (Drag en anglais), est, en négligeant les forces de viscosité :
(1)
(prononcez: rho) est la densité de l'eau (1025 Kg / m3), Cd est le coefficient de trainée (en général Cd varie entre 0,15 et 0,3 selon la forme de la coque), S est la surface frontale en m2, et v est la vitesse en m/s. Le résultat D est en Newton. Choisissons un bon Cd, soit 0,15.
Quelle est la valeur de S ? Elle dépend de la taille de notre coque immergée, qui, elle dépend de la masse qu'elle doit porter. Mais le but de cette coque est de soulever la masse M du navire ! Voyons voir : Le volume V (en mètres cubes) de la coque immergée sera égal à la masse M (En kilogrammes) du navire divisée par la densité de l'eau : ; pour un navire de 10 tonnes, V = 9.7561 m3
Pour diminuer la surface fontale S, choisissons une coque très allongée, disons, vingt fois plus longue que large. Pour une coque cyindrique (en négligeant les cônes courbes aux extémités), de diamètre d (en mètres), et donc de longueur L= 20 d, nous avons :
=
Pour notre navire de 10 tonnes, d=0,532 m, L=17,06 m, S=0,5717 m2
Au final, nous avons pour la force de trainée :
si on choisit un très bon Cd de 0,15
Ainsi pour un navire de 10 tonnes (10 000 Kg), la trainée D sera, sachant qu'un noeud vaut 0.514444 m/s :
Ainsi, à une vitesse de 10kt, la force de trainée de notre bateau semi immergé de 10 tonnes sera de 1161 N; à une vitesse de 20kt, elle sera déjà de 4648 N ; et à 30kt, la trainée sera de 10463 N, soit plus de 10% du poids du bateau !

Comparaison avec un hydrofoil

Sur un voilier, les hydrofoils ont un double rôle : ils doivent soulever le bateau hors de l'eau (le faire "déjeauger"), et contrebalancer la dérive due au vent. Nous ne nous intéressons ici qu'à la composante verticale de la force, qui doit soulever le poids du bateau. Nous considérerons ici des foils inclinés à 45°, dont une partie se trouve sous l'eau (et assure la portance), le reste étant hors de l'eau, Ces foils ont un énorme avantage sur la coque immergée S4 décrite plus haut : lorsque la vitesse augmente, la poussée verticale par unité de surface augmente aussi, mais comme le poids du bateau reste constant, le foil se soulève, et sort de plus en plus de l'eau, ce qui diminue d'autant sa surface mouillée totale. En fait, la trainée d'un foil dont le seul but serait de soulever le reste du bateau hors de l'eau reste constante quelle que soit la vitesse ! Ce n'est pas tout à fait vrai car en plus de la portance il y a toujours une trainée induite par l'épaisseur du foil qui, elle, est proportionnelle au carré de la vitesse. mais les foils modernes sont très fins et leur surface frontale S est très faible. Disons S= 0,2 m2 pour un bateau de 10 tonnes dans l'équation (1)
Ce qui compte, c'est le rapport portance/trainée du foil, qui est constant quelle que soit la vitesse. Ce rapport dépend de la forme de la section du foil. Les foils standards (NACA) ont des rapport portance/trainée d'environ 100 ! Mais attention, comme le foil est incliné à 45°, il faut une portance pour soulever un bateau de masse M.
Au final, la trainée induite par notre foil vaut :
avec S=0,2 m2 et Cd = 0,15
Comparons :
Le constat est sans appel : Dès que la vitesse dépasse 14 noeuds, le foil a l'avantage sur le S4 ! A 30 kt, ils trainent deux fois moins ! Et voila pourquoi les voiliers multicoques de course sont tous équipés de foils et non de flotteurs immergés...


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Commentaires (11) :

Page : [1] 

yuropp
Le 08/04/2019 à 21h33
Sinon, il y a eu, fin XIXème / début du XXème siècle, des "cargo-baleine", avec juste un château avant, un château arrière (avec la passerelle et les machines) et juste une passerelle sur pilotis entre les deux, le reste de la coque pouvant être submergé.

Mais je présume que ça n'était pas trop pratique pour les chargements / déchargements…
patou 34
Le 13/07/2011 à 06h59
que de temps perdu ,enfin la recherche se dirige vers le solaire ,bravo pour le resultat ,j'espere que votre bateau sera le depart d'une aventure ecologique et qu'il apportera des reponses aux plus septiques ,longue route a vous ....
looby
Le 22/10/2010 à 17h52
quelqu'un a t il entendu parler du phicoé une voile à géométrie variable, très forte poussée par faible vent, trèe faible trainée par vent fort. j'ai perdu cet article qui avait du paraitre sur neptune nautisme je suppose.

J'ai beaucoup d'idées pour un bateau éolien si ça intéresse quelqu'un qui soit capable de réaliser au moins une petite maquette. Que diriez vous d'un bateau qui navigue sans consommer d'énergie, un mixe de pompe à chaleur, moteur sterling alternateur et moteur électrique et batterie tampon, ça doit marcher, le prix est sans doute très élevé, mais on dépense pas de carburant , alors !!!

http://moldex.pagesperso-orange.fr/bateau.htm
georgy andréa
Le 04/10/2010 à 17h48
je serais le premier navigateur de ce flottreur si le propriétaire me le demandait .

je suis partant pour tout experience avec cette chose extraordinaire qui voyagerait au tour de la planète comme dans engin spacial .

faites moi signe pour l'équipage , j'en suis ...
mosaique
Le 27/06/2010 à 11h15
Petite erreur concernant le nom du contructeur d'eolienne verticale :



modèle Twister 1000

Descriptif

Constructeur V.Power (Allemagne) Production annuelle Weibull K=2

Puissance max. 1200 Watts à 6 m/s 1449 kWh

Dimension du rotor 1,9 x 1,9 mètre à 7 m/s 2080 kWh

Vitesse de rotation 330 tr/min à 8 m/s 2727 kWh





L'éolienne verticale «Twister 1000» est conçu pour commencer à tourner avec des vents de 1,5 m/s et devient productif dès 3 m/s. En raison de sa conception particulière, la «Twister 1000» est absolument silencieuse. De construction allemande, cette éolienne est robuste, fiable même dans des conditions extrêmes et ne nécessite aucun entretien.



Et en plus ce n'est pas laid !

PS : Je suis également passionné de bateau (pas à moteur) mais je me demande depuis de nombreuses années pourquoi nous n'avons pas évolué davantage dans la volonté de naviguer avec autre chose que ces encombrantes voilures, si fragiles, si complexes à mettre en oeuvre pour certains amateurs du dimanche et surtout, si peu rationnelles (raport performance/énergie disponible). A quoi ça sert de spider à XX noeuds s'il faut constamment tirer des bords pour se rendre d'un point à un autre quand on a le vent de face ? Ok, pour le sport !

Bien cordialement Yves.









mosaique
Le 19/06/2010 à 11h42
OK pour le bateau SSS mais je pense qu'il faut rester simple dans la conception. Semi-immergé suffirait, en aceptant que les vagues submergent au besoin les floteurs. L'important est que le reste de la structure ne soit pas choqué par les paquets. Donc suréllévation suffisante par des montant hydro-profilés.

La propultion pourait etre réalisée via une eolienne vertical (type Venco)par des moteurs électriques placés dans les floteurs. Pas de stockage de courant mais un groupe de secours en cas de plat. Mon idée :faire simple. Robuste et silencieux, globalement un bateau ecolique, économique et de conception réalisable à la portée d'un plus grand nombre de passionnés de mer et d'horizons. Pret à participer à l'aventure, yves.lamy@free.fr

Serge Boisse
Le 27/12/2008 à 20h30
eh, JM, Thursday'child est à vendre !

http://www.planet-yachting.com/catamaran-yacht.php?catamaran=87

160 000$, c'est pas cher pour une légende... Mais moi j'ai pas les sous... dommage !
JM
Le 22/12/2008 à 18h52
Message pour Bernard :



Le fameux "tapis à bulles" dont vous parlez existe également depuis fort longtemps. Pour référence, le tout 1er voilier Open 60 a été dessiné par Lars Bergström et baptisé Thursday's Child. Skippé par le navigateur américain Warren Luhrs (voir le 1er BOC Challenge), il était équipé d'une coque ventilée. Warren Luhrs a disparu en mer à son bord.



Un autre essai a vu le jour avec le 60 pieds "Amazon Project" dessiné lui par Sponberg.



Toujours pour info et dans le même esprit, il est clair, prouvé et vérifié expéritalement depuis des décénnies que, pour augmenter la vitesse d'un navire, la couche limite doit rester laminaire le plus longtemps possible avant d'atteindre un régime de transition qui conduit au régime turbulent.

En termes d'application dans le domaine des économies d'énergie, on a testé notamment l'intérêt de double coques pour cargo. Un "aspirateur" aspirait l'eau et la canalisait entre les deux coques au point d'arrêt de la couche limite et la rejetait à l'arrière de la carène. Ceci permettait de garder une couche laminaire sur toute la longueur de la carène du navire permettant l'optimisation de sa consommation. Problèmes rencontrés : d'ordre technologiques et difficultés de mise en oeuvre.
Bernard
Le 07/10/2008 à 18h05
Bonjour,



Avec les idées consistant à créer un tapis de bulles sur la coque, on doit pouvoir faire encore mieux :-)
Serge Boisse
Le 25/04/2008 à 22h39
Merci pour l'info, ça prouve quand même que l'idée était bonne !
jnaudm@aol.com
Le 25/04/2008 à 21h46
Votre proposition de voilier semi immergé existe depuis des lustres !!! Je vous encourage à lire ou relire tous les articles écrits à ce sujet. Ce fut (le concept) développé d'abord pour les marines militaires, puis repris pour les paquebots à voiles. Il y a eu de nombreuses publications dans les années 80 (voir ENSTA : Ecole Nationale Supérieure des Techniques Avancées), puis les extrapolations aux catamarans dont Neptune Nautisme s'est fait, en son temps, l'echo. Si je mets la main sur les fameuses revues, je vous en dirai plus.



Pour info encore, la plupart des concepts imaginés il y a des lustres sont aujourd'hui remis, ou peuvent être remis au goût du jour pour la simple et bonne raison que nous avons accès à des nouveaux matériaux, des techniques de mise en oeuvre radicales et à tous les systèmes de simulation possibles et inimaginables ... enfin presque ...Désolé de vous faire de la peine !



JM

Docteur en Sciences

et fanatique de voile


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