Le roulis, ce mouvement oscillatoire latéral d'un navire provoqué par des vagues ne suivant pas l'axe « proue/poupe » de la coque, est une source majeure d'inconfort et de fatigue pour les passagers et l'équipage. Cette problématique est particulièrement prégnante à bord des navires de plaisance, où la recherche de confort en mer est une priorité constante. Face à ce défi, l'industrie navale a développé une gamme de systèmes de stabilisation visant à atténuer ou supprimer ces mouvements indésirables. Traditionnellement, ces systèmes sont efficaces lorsque le navire est en marche, mais leurs performances diminuent drastiquement à faible vitesse ou à l'arrêt, laissant les occupants exposés aux caprices de la houle. Une innovation significative dans ce domaine propose de surmonter ces limitations en introduisant un mécanisme de stabilisation d'un navire, capable de fonctionner avec une efficacité remarquable, y compris et particulièrement pour les navires de plaisances, que ce soit en marche, à l'arrêt ou à faible vitesse.
Les Systèmes de Stabilisation Classiques et Leurs Limites Intrinsèques
Dans le vaste domaine de la stabilisation des navires, plusieurs constructeurs produisent des stabilisateurs de roulis pour grands et petits navires. La technique la plus répandue de stabilisation emploie des ailerons. Chaque flanc de la coque du navire est équipé d'un aileron qui est réglable en inclinaison autour d'un axe s'étendant suivant sa longueur, c'est-à-dire transversalement à la coque du navire. Ces ailerons sont conçus pour compenser le couple exercé par la mer. L'inclinaison des ailerons est contrôlée par un calculateur électronique qui est actionné, en général, par un gyromètre. Le principe repose sur la génération d'une force hydrodynamique, ou portance, par l'aileron, qui s'oppose au mouvement de roulis. Pour qu'une portance significative soit générée, il est impératif qu'il y ait un flux d'eau relatif important sur la surface de l'aileron, ce qui est naturellement assuré lorsque le navire est en mouvement à une vitesse suffisante.
Cependant, un inconvénient majeur de ces stabilisateurs classiques réside dans leur inefficacité ou leur inopérabilité à l'arrêt et à basse vitesse. Dès que la vitesse du navire diminue, le flux d'eau sur les ailerons devient insuffisant pour générer la portance nécessaire à une stabilisation efficace. Conscients de cette lacune, certains constructeurs, en particulier pour les applications à la plaisance, ont proposé de mettre en mouvement les ailerons, même à l'arrêt. L'idée est de produire un battement dans l'eau, toujours autour d'un axe de même direction mais déplacé vers le bord d'attaque de l'aileron, pour qu'ils conservent une certaine efficacité à petite vitesse, voire à l'arrêt du navire. Ces dispositifs sont souvent appelés « 0 speed » (c'est-à-dire à vitesse nulle).
Malgré leur intention louable, ces systèmes « 0 speed » se sont avérés peu satisfaisants et peu efficaces. Dans un stabilisateur classique, pour limiter le couple nécessaire au contrôle en inclinaison des ailerons, les systèmes de stabilisation positionnent l'axe de rotation le plus près possible du centre de poussée hydrodynamique sur l'aileron qui crée la portance de stabilisation. Les constructeurs de dispositifs « 0 speed » renoncent à cette configuration au prix d'une augmentation significative de la puissance requise. Ils positionnent l'axe de rotation près du bord d'attaque de l'aileron afin de garder une certaine efficacité à l'arrêt, et ils augmentent aussi l'amplitude des mouvements de l'aileron au maximum. Or, une grande partie de l'énergie dépensée est utilisée à créer des « tourbillons », le mouvement étant perpendiculaire à la surface de l'aileron, ce qui est intrinsèquement inefficace pour générer une portance utile. De plus, le mouvement étant limité, l'efficacité globale reste très faible. Ces approches démontrent les limites des solutions basées sur un axe unique de rotation face à l'exigence de stabilisation en l'absence de vitesse du navire.
L'Innovation du Stabilisateur à Double Axe de Rotation : Le Principe de la Godille Marine
La présente invention propose un système novateur qui supprime ces inconvénients en utilisant un stabilisateur à double axe de rotation, fonctionnant « à la manière d'un système de godille ». Ce concept représente une avancée majeure en permettant d'obtenir une portance et une stabilisation comparable à celle d'un navire en marche, même lorsque le navire est à l'arrêt ou à très faible vitesse. Ce système de stabilisation est utilisable contre le roulis, et plus particulièrement pour des navires de plaisance.
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Le Premier Axe : Maîtrise de l'Inclinaison (Axe d'Inclinaison 4)
Un aspect fondamental de l'invention concerne un aileron mobile suivant un premier mouvement de rotation selon un axe d'inclinaison orienté suivant une dimension longitudinale de l'aileron. Ce premier axe de rotation, désigné comme l'axe d'inclinaison 4, a pour fonction d'incliner l'aileron pour créer la portance dans le sens voulu. L'aileron 7, dont la forme peut être préférentiellement rectangulaire ou non, possède de manière générale une dimension longitudinale suivant laquelle est dirigé l'axe d'inclinaison 4. Cette dimension est transversale à la direction longitudinale du navire 1, et suivant laquelle l'aileron 7 s'étend entre une extrémité à proximité de la coque 2 et une extrémité distale.
La rotation autour de cet axe d'inclinaison 4 est actionnée via un arbre 6 par un actuateur 15 qui fournit l'énergie nécessaire à la rotation de l'aileron. Nous appellerons « inclinaison » l'angle de cette rotation qui peut s'opérer par rapport à l'horizontale. Il est important de noter que l'aileron 7 ne réalise pas de rotation complète autour de son axe d'inclinaison 4. Ainsi, l'amplitude du mouvement d'inclinaison de l'aileron 7 autour de l'axe d'inclinaison 4 est strictement inférieure à 360°, et avantageusement comprise entre -90° et +90° autour d'un plan de symétrie. La rotation autour de l'axe d'inclinaison 4 a uniquement pour but de donner à l'aileron une inclinaison par rapport à l'horizontal. Il n'y a pas de rotation propre d'un ou plusieurs tours autour de l'axe 4, car une rotation complète de l'aileron pourrait créer un effet Magnus, ce qui serait contreproductif dans ce contexte. L'inclinaison est contrôlée par un calculateur de stabilisateur lié à un gyromètre, ces éléments faisant plus globalement partie d'un dispositif d'entraînement 13 permettant la définition et l'exécution des mouvements de l'aileron 7.
Une valeur d'inclinaison de 0° correspond à la position dans laquelle l'inclinaison de l'aileron 7 est nulle. Cette inclinaison nulle correspond à la situation où l'intrados et/ou l'extrados n'exercent aucune poussée lors du déplacement de l'aileron autour de l'axe de pivot 5, ou du moins a l'influence la plus réduite possible sur la stabilisation du navire. Un premier intervalle comprend les valeurs d'inclinaison comprises entre 0° et +90°, et un deuxième intervalle comprend les valeurs d'inclinaison comprises entre 0° et -90°.
Le Second Axe : Le Mouvement Alternatif pour la Vitesse Horizontale (Axe de Pivot 5)
L'innovation clé réside dans l'introduction d'un second axe de rotation, désigné comme l'axe de pivot 5. Cet axe de pivot est transversal à l'axe d'inclinaison (et de préférence perpendiculaire) et situé dans un plan vertical qui contient l'axe d'inclinaison 4. Cet axe de pivot 5 est avantageusement fixe en direction. Ce second axe crée un mouvement alternatif qui redonne à l'aileron de la vitesse horizontale par rapport à l'eau, vitesse que le navire n'a plus à faible vitesse ou à l'arrêt.
Ce mouvement alternatif est un deuxième mouvement oscillatoire, de sorte à autoriser un déplacement de l'aileron alternativement vers l'avant et vers l'arrière du navire. Autrement dit, le mouvement autour de l'axe de pivot 5 assure un débattement angulaire de l'aileron 7 alternativement vers l'avant du navire et vers l'arrière. Un cycle est donc formé, et la trajectoire de l'aileron 7 possède une composante horizontale non nulle durant ce cycle. C'est ce mouvement qui, conjugué à l'inclinaison de l'aileron, génère la portance nécessaire même en l'absence de vitesse du navire. De préférence, la rotation autour de l'axe de pivot 5 ne se produit pas quand le navire est en navigation à sa vitesse de croisière, mais seulement quand le navire est à l'arrêt, ou éventuellement à très faible vitesse. Elle est engendrée par l'actuateur 14, lui-même contrôlé par un calculateur complémentaire. A titre d'exemple, un vérin hydraulique peut servir à l'entraînement avec le relai d'un système bielle manivelle. D'une façon générale, on pourra employer tout actuateur 14 permettant de fournir un mouvement de pivot de manière alternative (vers l'avant du navire, puis vers l'arrière, et retour).
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La Coopération des Axes et le Contrôle Intelligent
Le dispositif d'entraînement est configuré pour coordonner le mouvement alternatif de pivotement et le mouvement d'inclinaison par un dispositif électronique double. Comme dans tout stabilisateur classique, l'inclinaison de l'aileron 7 est calculée en fonction de la vitesse pour créer une portance, donc un couple sur le navire 1, opposé et aussi proche que possible de celui provoqué par la houle et permettant d'éviter le roulis du navire 1.
Quand le navire est à l'arrêt, l'oscillation de l'aileron 7, commandée par le calculateur complémentaire, compense l'absence du mouvement qui, en navigation, provoque la portance de l'aileron 7. Avantageusement, le signal du calculateur est multiplié par -1 par le calculateur complémentaire et donc l'inclinaison inversée, quand l'aileron se déplace vers l'arrière pour la stabilisation à l'arrêt, afin de maintenir la poussée dans la bonne direction pour contrer le couple créé par la houle. Cet exemple n'est pas limitatif et, de préférence, le sens d'inclinaison et l'angle de cette inclinaison sont contrôlés à chaque instant. Ainsi, ces paramètres peuvent ou non varier durant une alternance du mouvement d'oscillation ou encore par exemple d'une alternance à la suivante.
Dans la réalisation préférée de l'invention, l'inclinaison de l'aileron 7 lors de son trajet autour de l'axe de pivot 5 peut varier, sans toutefois réaliser de tour complet autour de l'axe d'inclinaison 4. Dans une autre réalisation avantageuse, une première inclinaison de l'aileron 7 est préférentiellement calculée puis conservée durant tout un premier trajet choisi parmi l'un d'avant en arrière ou d'arrière en avant. Pour le trajet opposé, l'inclinaison de l'aileron 7 est avantageusement multipliée par un coefficient de -1 afin d'avoir une inclinaison opposée à la première inclinaison. Cette deuxième inclinaison de l'aileron 7 est de préférence conservée durant tout un deuxième trajet choisi parmi l'autre d'avant en arrière ou d'arrière en avant. Ensuite le cycle peut avantageusement recommencer avec le calcul d'une nouvelle inclinaison de l'aileron 7. La valeur d'inclinaison peut être, dans une autre réalisation avantageuse, fixe durant l'une et/ou l'autre des premiers et deuxièmes trajets ou au moins sur une partie de la course de ces trajets. Le premier mouvement comprend un premier débattement dans un premier sens autour de l'axe d'inclinaison 4 lorsque le deuxième mouvement est suivant un premier sens autour de l'axe de rotation 5, et un deuxième débattement dans un deuxième sens, opposé au premier sens autour de l'axe d'inclinaison 4, lorsque le deuxième mouvement est suivant un deuxième sens, opposé au premier sens autour de l'axe de rotation 5. Ce grand mouvement alternatif, à axe semi vertical, peut être d'une grande amplitude et permet d'obtenir une portance et une stabilisation comparable à celle d'un navire en marche.
Le Mouvement de Godille Avantageux
Le but préféré de l'invention est de permettre à l'aileron 7 d'avoir un mouvement avantageux de godille. Ce mouvement de godille est caractérisé par la réalisation d'un mouvement hélicoïdal de l'aileron 7. L'analogie avec la godille, technique de propulsion où une rame est manoeuvrée en spirale pour générer une poussée, est très pertinente. En créant ce mouvement hélicoïdal combinant l'inclinaison et l'oscillation avant-arrière, l'aileron est capable de générer une force stabilisatrice continue et significative, quelle que soit la vitesse du navire. Cette synergie des deux mouvements assure une efficacité inédite pour contrer le roulis, même lorsque le navire est immobile.
Conception et Intégration du Système de Stabilisation
Ce système de stabilisation se positionne sur la coque 2 du navire. Dans une réalisation non limitative de l'invention, un navire est équipé d'au moins deux systèmes de stabilisation. L'aileron 7 est positionné sous la ligne de flottaison dudit navire. Il comprend un bord avant 9, un deuxième bord arrière 8 (les termes avant et arrière sont ici employés relativement à l'avant et l'arrière du navire), une surface supérieure 10 et une surface inférieure 11. Mais il n'est pas nécessairement symétrique et l'aileron 7 est avantageusement non circulaire. L'axe d'inclinaison 4 peut être sensiblement perpendiculaire à la coque quand il est en fonction de stabilisation navire en marche.
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La Rétractabilité pour une Flexibilité Optimale
Le stabilisateur peut être rétractable ou non. Si l'aileron n'est pas rétractable, sa position hors fonctionnement est de préférence une inclinaison nulle par rapport à l'horizontale, le laissant en place mais inactif. Si le système est conçu pour être rétractable, sa position non active est repliée le long de la coque 2. Un caisson 3, ouvert dans la coque 2, est prévu pour recevoir l'aileron 7 replié. Ce repliement utilise la capacité de rotation autour de l'axe de pivot 5 au travers du passage 12. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse pour les navires de plaisance, où la protection des équipements et l'optimisation de l'hydrodynamisme en navigation rapide sont des préoccupations majeures. Elle permet d'éviter la traînée générée par les ailerons en position déployée lorsque la stabilisation n'est pas nécessaire, comme à vitesse de croisière. Les figures 7 et 8 donnent une illustration avec un aileron rétractable, montrant respectivement de face et de dessus, une variante de l'invention avec une capacité de rétractation de l'aileron dans la coque en position passive du système de stabilisation. Le mouvement de rotation dans un plan semi horizontal sera utilisé aussi pour replier l'aileron dans un logement créé dans la coque pour le cas de stabilisateurs rétractables.
Le Roulis et la Vitesse de Croisière : Concepts Fondamentaux
Pour une meilleure compréhension, il convient de définir certains termes clés. Le roulis est le mouvement du navire 1 provoqué par des vagues ne suivant pas l'axe « proue/poupe » de la coque d'un navire. Il est l'un des trois mouvements de rotation d'un navire, avec le tangage (autour de l'axe transversal) et le lacet (autour de l'axe vertical). La vitesse de croisière est la vitesse de navigation d'un navire en dehors des phases d'accélération et de décélération. Elle est variable d'un navire à un autre, dépendant de sa conception, de sa taille et de sa puissance. C'est à cette vitesse que les stabilisateurs classiques à ailerons sont les plus performants, mais aussi là où l'innovation à double axe peut se désactiver, car son mouvement alternatif n'est plus requis.