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Un voilier des airs ou voilier « sans masse » est un ensemble mobile maritime composé d'un élément maritime et d'un élément éolien[1]. Ils peuvent être nommés vaisseaux ou Vessel (anglais).

Relié à la mer par une aile d'eau, hydrofoil que l'on trouve sous les noms de Chien de mer, Seaglider, Hapa, paravane, parafoil, cerf-plongeant ou aile d'eau, il se déplace en même temps d'être captif[2].

C'est un système de vol uniquement maritime.

Ce mode de transport utilise la force du vent, l'énergie éolienne, pour se déplacer comme un voilier.

Un voilier des airs a pour objectif de supprimer les traînées hydrodynamiques de la coque dans l’eau, la masse volumique des parties immergées devenant très faibles. Leurs masses est essentiellement sustentée par la partie aérienne ce qui en fait la différence principale avec les voiliers de type hydroptère dont la masse est sustenté par l'hydrofoil, d'où le nom de voilier sans masse (faisant référence à la masse volumique de la partie immergée très faible).

L'ensemble peut-être composé pour la partie aérienne d'un ballon, d'une aile de kite ou tout autre forme aérienne permettant de générer une force aérodynamique et pour la partie maritime d'un hydrofoil. Les deux parties étant reliées par un ou plusieurs câbles.

Le pilote du véhicule pouvant se positionner selon les types de véhicules aussi bien juste au-dessus de la partie immergé, le long du câble ou dans la partie aérienne.

Le nom de ballon voile est utilisé pour le véhicule composé d'un ballon dirigeable en mode captif mobile maritime à l'aide de son appendice maritime[3].

Historique

L'histoire semble commencer en 1670 avec la description du père Franceso Lana d'un navire aérien se déplaçant avec des rames et voiles. En 1784 un projet de Carra propose un ballon maritime alors que la même année Yves Guyot présentait aussi un projet aéro-maritime avec un ballon profilé[4]. Un brevet américain sera déposé le 24 décembre 1889 schématisant un principe de vol air/mer.

Un des pionniers du vol maritime en ballon dirigeable, Alberto Santos-Dumont utilise le 13 février 1902 lors d'un vol au départ de Monaco un guide rope pour ajuster son altitude et effectuer un vol à altitude stabilisée.

En 1939, Charles Paine Burgess, membre de la faculté aéronautique du MIT, décrit un système de paravane relié à un ballon dirigeable.

Haagedorm décrit au sein de L'AYRS (Amateur Yacht Research Society) en 1960 le parafoil, un hydrofoil relié à un parachute. Didier Costes dépose son brevet de Chien de mer (CDM) brevet français 1 494 784 en 1966. Il est la première dérive stabilisée sur trois axes planante en surface de la mer. En 1970 Didier Costes réalise un essai de démonstration à Weymouth lors de la speedweek avec un record de vitesse non homologué à bord de son Exoplane (naissance du kiteboat)[5].

Le premier vol mobile captif maritime est réalisé en 1992 par Gérard Feldzer et Nicolas Hulot sur la première version du Zeppy 2 au Portugal. En 1993 ils effectuent une longue distance océanique lors de la tentative de traversée de l'atlantique. Le ballon Zeppy 2 conçu par Didier Costes et Jean-marc Geiser sera modifié (augmentation de son volume) et équipé de système de propulsion musculaire et éolien par le Chien de mer de Didier Costes[6]. Le modèle de Chien de mer utilisé a comme particularité d'être monocâble asymétrique, cela nécessitait un équipement par amure.

Luc Armant rédige en 1988 une thèse sur l'aile d'eau, un hydrofoil asymétrique stabilisé en profondeur par un mécanisme utilisant la pression dynamique. Il réalise une maquette d'essai couplé par un seul câble à un cerf volant pour démontrer le principe de vol. Ni la vitesse, ni la route ne peuvent être choisies[2]. Il nomme cet ensemble le voilier sans masse.

De 2007 à 2014, Stephane Belgrand Rousson met au point un voilier dirigeable[7]. Il réalise avec son équipe deux essais en 2014 et 2015 à Monaco^{[source détournée][source secondaire nécessaire]}[8].

Intérêts économiques

Les essais et les recherches menés sur ces types de véhicules ont pour intérêt, d'une part de démontrer l'utilisation du vent comme moyen de propulsion efficace dans le cadre de la transition écologique, et d'autre part de proposer un véhicule aérien, pour les voiliers des airs à composante aérostatique, permettant la plus longue autonomie de vol maritime[9].

Le sport aventure fait partie du développement économique des projets, permettant de démontrer les principes établis par les chercheurs.

En France, Gerard Feldzer et Nicolas Hulot ont tenté la traversée de l'Atlantique en 1993, Stephane Rousson propose de réaliser une traversée continent-Corse avec son Aérosail et Alex Caizergues cherche à battre le record du monde de vitesse en mer avec juste la force du vent comme moyen de propulsion.

Dans le domaine de la météorologie maritime les aéroclippers sont utilisés pour effectuer des relevés de vent en pleine mer[10]^,[11].

Principe de vol

Les voiliers des airs sont des véhicules utilisant pour principale source d'énergie, l'énergie éolienne.

On trouve deux grandes catégories : les véhicules à composante aérostatique et dynamique et les véhicules à composante aérodynamique.

Les véhicules à composante aérostatique combinent pour cela la technique du ballon dirigeable et une technique similaire aux voiliers sur hydrofoil[12]. Les prototypes actuels sont composés d'une enveloppe gonflée à l'hélium reliée à une aile d'eau.

Les véhicules à composante aérodynamique combinent la technique essentiellement pour la partie aérienne d'une aile de kite surf ou d'une aile rigide.

La différence majeure entre un voilier des airs et un voilier à foil de type foiler est la position de hydrofoil au vent mais aussi sa fonction. Les voiliers ou hydroptères ont un foil ayant pour fonction principale de sustenter directement la totalité de la masse du navire. Les voiliers de airs ont leur masse essentiellement sustentée par la partie aérienne.

Dans le cadre du voilier des airs, la position de l'hydrofoil est en opposition à la direction du vent, alors que sur un voilier traditionnel à foil, l'hydrofoil agit en étant sous le vent.

Le cerf-plongeant

Le cerf-plongeant est élément maritime qui va permette de générer les forces pour composer l'équilibre du système et le mettre en mouvement.

C'est hydrofoil que l'on trouve sous les noms de Chien de mer, Seaglider, Hapa, paravane, parafoil , cerf-plongeant ou aile d'eau.

Didier Costes met au point le Cerf-plongeant perceur de surface de forme courbe ou en cuillère.

Luc Armant met au point le Cerf-plongeant à capteur de pression statique. Par la suite Costes propose une stabilisation du foil par l'emploi de palpeur de surface en amont et aval du foil. Stephane Rousson avec l'architecte naval Nicolas Desprez installe une commande doté d'une patte d'oie pour faciliter la précision du pilotage de l'incidence de l'aile d'eau.

• 
  Cerf-plongeant Rousson Truong 2009.
• 
  Seaglider Rousson Truong Desprez avec patte d'oie sur la base Chien de mer de Costes.
• 
  Seaglider Rousson sans bôme.
• 
  Chien de mer à palpeurs de Didier Costes.
• 
  Essais de traction par un bateau de Chien de mer type Didier Costes monocâble.
• 
  Seaglider Owlone Rousson monocable coulissant en bout de bôme permettant la prise d'incidence maximum automatique.
• 
  Chien de mer de Didier Costes, essais de traction monocâble amorti.
• 
  Cerf-plongeant Luc Armant 2.
• 
  Cerf-plongeant Luc Armant.

Les voiliers des airs à composante aérostatique

Les objectifs de ces programmes de recherches ont pour but de démontrer la possibilité de naviguer en mer au-dessus des flots en utilisant la force du vent.

la technologie permettra une fois son efficacité démontrée de créer l'aéronef ayant la plus grande autonomie de vol maritime.

Par comparaison aux autres aéronefs, les ballons sont titulaires de record de durée de vol.

Les pilotes formés à la fois en aéronautique, technique de vol ballon et expérience maritimes sont rares pour la mise en place des essais. Aussi en 2018 on recense sept appareils ayant travaillé sur cette recherche.

La direction générale de l'Aviation civile a travaillé entre 2014 et 2016 à faciliter les essais, en permettant aux appareils de recherche de moins de 900 m³ et non motorisés de sortir du cadre de l'aviation civile[13].

Le Numéro 6

Le Numéro 6 construit et piloté par Alberto Santos-Dumont est utilisé en janvier 1902 à Monaco pour démontrer l'intérêt du ballon en vol maritime. Alberto va positionner un guide rope afin de stabiliser l'altitude du ballon en mer. Il espère démontrer que si la direction du vol est assurée, ce type de véhicule pourra rendre un grand service à la marine. Il propose de traverser de Monaco à Calvi[14]. Il effectua trois vols en mer, le 29 janvier et le 10 et 12 février 1902 assisté par des chaloupes et quelques yachts pour garantir sa sécurité en mer.

L'aéroclipper

Les aéroclippers sont déjà répandus dans le domaine de l'observation météorologique, ce sont des aérostats reliés à un guide rope et se laissent porter au gré du vent en pleine mer. Ils ne peuvent choisir leur route[15]^,[10]. Les aéroclippers météorologiques ne sont pas habités. Il existe pour la partie aérienne des formes « cigaroïdes », tétraédriques ou sphériques[16].

Le Zeppy

• Le Zeppy 2 construit par Didier Costes et Jean-Marc Geiser , piloté par Gérard Feldzer et Nicolas Hulot[17]. En 1992 les premiers essais du ballon relié au Chien de mer de Didier Costes se font au Portugal et réalisent les premières lignes droites. Satisfait de leurs essais, Nicolas Hulot et Gérard Feldzer tentent en 1993 de traverser l'Atlantique. Ils vont parcourir 1 500 km avant de mettre fin au vol en plein océan[18]. Le chien de mer conçu par Didier Costes et de forme cuillère asymetrique avec un stabilisateur immergé et n'est pas réglable en incidence. Le point de tire est en position fixe sur la quille du ballon ne permettant pas de jouer sur la route du ballon. Le système va permettre de faire une démonstration de pouvoir tracer une ligne droite avec une vitesse de déplacement supérieure à deux fois la vitesse du vent.

Les Liftiums

• Le Liftium 250, construit par Didier Costes[19]^,[20].
• Le Liftium 2 de 300 m³, construit par Didier Costes, fabriqué par Airstar, préparé par Stéphane Rousson était un ballon prototype devant servir à la réalisation du projet transatlantique Windreamone[21]. Alors que le ballon était prêt pour réaliser son premier vol d'essai, le vol d'essai puis le projet sera abandonné en octobre 2007. L'enveloppe vieillissante du Liftium 2 fut un moment conservée dans les hangars du mondial air Ballon.

Le M^lle Louise

Le M^lle Louise , construit et piloté par Stephane Belgrand Rousson. En juin 2007 ce ballon servit pour tester le principe du chien de mer de Didier Costes lors d'un vol le 6 juin 2007 dans la rade de Toulon au départ de la base de Saint-Mandrier. Ce vol permis de mettre au point le contrôle du point de tire permettant de régler la position de la traction de l'écoute de chien de mer sur l'enveloppe. Ce point de tire permet de régler l'angle formé entre l'écoute de chien de mer et l'axe longitudinal de l'enveloppe afin d'ajuster la prise au vent sur l'enveloppe.

L'Aerosail

L'Aerosail construit et piloté par Stephane Belgrand Rousson[22]. À la suite des essais menés en 2007 avec le ballon M^lle Louise en mode voilier des airs en rade de Toulon en juin 2007, Stephane Belgrand Rousson conçoit son nouveau voilier des airs Aerosail en 2014 avec le designer Minh-Lôc Truong[23]. Afin de tester le système à moindre cout, il sera mis au point grâce aux kite-surfeurs. L'invention qui a fait l'objet d'un dépôt de modèle à l'INPI, permet le réglage en incidence de l'hydrofoil et du ballon par un système de câbles. Le système permet le virement de bord avec un hydrofoil symétrique[24].

Technologie

L’ Aerosail est un véhicule mono pilote.

L’ Aerosail est un prototype de démonstration dont le pilotage du gaz est similaire à celui d'un ballon dirigeable (Vol à masse de gaz constante) et la propulsion similaire à celle d’un voilier (génération d’un équilibre d’efforts hydrodynamiques et aérodynamiques donnant lieu à une résultante de vitesse que l'on peut nommer concourrence des forces).

C'est un combiné de vol aérostatique (type ballon libre) et dynamique (type avion) utilisant uniquement la force du vent pour se propulser.

Technologie de vol assimilé à un vol d'un ballon captif mobile , dont le principe de vol et de navigation s’apparente à un voilier lors de la navigation maritime.

Il s’agit d’utiliser uniquement le vent comme moyen de propulsion, tout en restant à quelques à quelques dizaines de mètres au-dessus des flots.

L’Aérosail est un ballon dirigeable relié à une dérive stabilisée sur 3 axes (Hydrofoil Seaglider) permettant au ballon de naviguer au vent tel un voilier des airs[9].

Le câble reliant le Seaglider au ballon sert de mât et le ballon de voile. C’est schématiquement un voilier avec une coque ultra performante et extrêmement légère (partie immergée hydrofoil nommé Seaglider)  permettant de naviguer à plus de deux ou trois fois la vitesse du vent.

Gestion du gaz 

Le pilotage du gaz se fait par le principe de vol à masse de gaz constante et pour certains cas de figure il peut-être piloté en volume constant.

La gestion de la pression se fait par adjonction d'air dans un ballonnet d’air.

Pilotage

il n'y a pas de plan horizontal arrière pour deux raisons reliées entre elles :

1. D’une part le pilotage en incidence se fait par modification du centre de gravité, la nacelle étant fixée sur la quille du ballon ayant la possibilité de se déplacer facilement en avant et en aval du centre de gravité. Cela permet de prendre les fortes incidences nécessaires au pilotage que le plan horizontal ne peut pas prendre vu les faibles vitesses de déplacement. (sur les gros ballons cela se fait par déplacement de masse (transfert d’eau) ou gestion par deux ballonnets d'air. Un ballon dirigeable, vu sa forme aérodynamique en coupe, doit prendre de très fortes incidences pour monter ou descendre.
2. D'autre part le pilotage se fait aussi via l'aide d'une double patte d'oie reliée au Seaglider. Ce système de double patte d’oie permet d'avoir une liaison souple entre le foil et la partie aérienne tout en pouvant contrôler indépendamment les incidences des deux éléments aérien et maritime: Cela permet de modifier le CPA du ballon (centre de poussée aérodynamique) par rapport à la position du câble projetée sur l'axe de tangage et de stabiliser le ballon en tangage (exemple du pilotage similaire à une voile de kite-surf où vous choisissez la position de l'aile dans le vent). Mais aussi de pouvoir piloter en incidence le Seaglider. La double patte d'oie fait office de mat entre la « voile » et la « quille ».

Navigation au Vent

Entre le largue et le près la navigation s’effectue en jouant à la fois sur le réglage de l’incidence de l’hydrofoil Seaglider et de la position du point de tire des câbles positionnant la résultante de l’effort plus ou moins en aval du nez du ballon. (loin du nez, grosse prise au vent, proche du nez, petite prise au vent).

Virement de bord

Mise en drapeau du ballon face au vent en remontant le Seaglider (en cassant son incidence de navigation),puis positionner la gouverne au coté à virer, et reprendre le Seaglider pour le redynamiser sur le bord voulu.

L'enveloppe

A noter, l’ aerosail est un ballon de conception souple (rapport max long diam 1/4, suspenté)

L'enveloppe est conçue d'un complexe étanche avec un film aluminium pour réfléchir les rayons infrarouges. Tissu étudié par Diatex, Polyester 280 Dtex en trame et chaine, Enduction Pu Ignifugé sur une face et contrecollée film PET aluminisé 23 microns, résistance rupture 145 DaN/5 cm.

Les voiliers des airs à composante aérodynamique

les kiteboats des frères Legaignoux sont basés sur un trimaran avec foil et aile de kite surf.

l'exoplane de Didier Costes qui sera repris dans une configuration similaire par le Vestas Sailrocket[25]. Par la suite, Stephane Rousson testera l'exoplane avec une voile de Kite surf en 2004.

Le 5 septembre 2006 les Suédois Alexander Sahlin et Jens Österlung testent un prototype de vitesse équipé d'un paravane[26].

Le vestas Sailrocket est un voilier composé d'une aile rigide. Il réalise le 24 novembre 2012 en Namibie un record de vitesse à 121,1 km/h.

Le premier vol combiné avec une voile de kite surf est réalisé le 30 septembre 2007 à l'Almanarre Hyères, dès lors plusieurs pilotes en France et aux États-Unis se succéderont pour mettre au point le vol avec une aile de Kite surf. Le foil permettant de réaliser ce type de vol se nommera Seaglider dérivé technique du travail du Chien de mer de Didier Costes modifié et mis au point par Stephane Rousson[27]^,[28]. L'astronaute Michel Tognini participera aux essais techniques[29].

En 2014, le kiter professionnel Damien Leroy effectuera de nombreuses démonstrations avec Seaglider permettant de voler sans que le pilote touche la surface de l'eau[29].

En 2019, deux projets en collaboration voient le jour en France et en Suisse avec pour objectif de battre le record de vitesse sur l'eau et franchir la barre des 80 Kts[30]^,[31]. Le Moonshot de Alex Caizergues et le SP 80 de l'école polytechnique de Lausanne entrent en compétition[32]^,[33].

• 
  Coque de l'exoplane
• 
  Exoplane avec une voile de Kite surf

Moonshot Challenge

En 2020, le champion du monde de vitesse Alex Caizergues propose de tenter le record de vitesse en reprenant le principe technique de l'aile d'eau de Luc Armant à une aile de kitesurf[34]^,[35].

SP80

Les étudiants de l'École polytechnique fédérale de Lausanne travaillent sur le prototype SP80 ayant pour objectif de battre le record de vitesse[36]. Le prototype présente un foil en cuillère similaire au travail de Didier Costes sur l'exoplane[37]. La position du point de tire est réglable tout comme le Seaglider. En 2021 l'équipe commence la construction du SP 80 et espère battre le record de vitesse en 2022[38].

Références

Voir Aussi

Ouvrages

• (en) Ultimate Sailing III, Kite sailing (avec B. et C. Roeseler, C.P. Burgess et T. Schmidt), Tony Kitson, 1995.
• (en) Ultimate Sailing IV, progress with Kite and Hapa (avec T. Schmidt, R. Glenross, D. et B. Legaignoux, Peter Lynn), Tony Kitson, 1995.

Articles Connexes

• Théorie du déplacement d'un mobile à voile contre le vent
• Écomobilité
• Hydrofoil
• Mécanique des fluides
• Hydrodynamique navale
• Kiteboat
• Ballon dirigeable
• kitesurf
• ballon à gaz

Liens externes

• Essai de « chien de mer » avec le concours des pilotes de la station de pilotage du port de Nice
• Essai du M^lle Louise en 2007 à Toulon
• 3d du projet windreamone

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