L'ingénierie moderne, qu'elle soit industrielle ou navale, repose sur la précision de la mesure et l'efficacité du contrôle. Au cœur de cette exigence se trouve le palpeur, un instrument dont l'évolution et les applications s'étendent des systèmes de métrologie de pointe aux mécanismes de régulation sophistiqués des hydrofoils. Ce voyage nous mènera de la définition fondamentale du palpeur, à son rôle crucial dans la compréhension et le contrôle des forces hydrodynamiques exercées sur une aile profilée appelée foil, en passant par l'histoire riche des innovations qui ont permis aux embarcations de s'élever au-dessus de la surface de l'eau.
Le Palpeur Mécanique : Un Outil de Précision Incontournable
Pour commencer, la compréhension du palpeur mécanique est essentielle. Qu’est-ce qu’un palpeur ? Un palpeur n’est autre qu’un commutateur élaboré conçu pour se déclencher lors du contact avec une surface de pièce et produire des données géométriques précises et répétables. Cette fonction de base, bien que simple en apparence, est le pilier de nombreuses applications techniques. Le palpage est généralement associé aux palpeurs à contact utilisés pour les mesures dimensionnelles (métrologie) ou sur les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT).
Historiquement, le tout premier palpeur à contact avait eu pour mission de résoudre les problèmes complexes d’Assurance Qualité liés aux dimensions des moteurs Rolls Royce Olympus sur le Concorde. Cette origine prestigieuse souligne l'importance critique de ces dispositifs dans des contextes où la précision est non négociable. Dans le domaine de la métrologie avancée, des systèmes comme la machine de mesure tridimensionnelle Smartscope peuvent intégrer un palpeur mécanique point à point TP200 ou une tête scannante SP25. Smartscope réalise des contrôles tridimensionnels par caméra très précis et rapide. Le palpage permet de mesurer par exemple les cotes intérieures des pièces alors que la caméra contrôle toutes les cotes extérieures. La vision et le palpage sont deux technologies de mesure très complémentaires pour assurer un contrôle rapide, automatique et complet de vos pièces. Ces mesures 3D en continu, très rapides, sont optimisées par l'intervention de services applicatifs spécialisés. Forts de leur expérience et des tests réalisés sur vos pièces, ils conseillent sur la meilleure solution technique pour simplifier et performer vos contrôles dimensionnels.
Au-delà de la métrologie industrielle, les palpeurs mécaniques trouvent des applications dans des domaines variés, parfois inattendus, comme la régulation de machines de construction. Par exemple, le palpeur mécanique de VÖGELE peut être combiné de diverses manières. S’il s’avère nécessaire de corriger de petites irrégularités de la référence, il est recommandé d’utiliser le palpeur à patin de 1 m ou 2 m. Pour une pose de haute précision le long d’un fil de guidage, le palpeur mécanique peut aussi être équipé d’un étrier. En règle générale, le palpage sur fil est utilisé lorsqu’on ne dispose d’aucune référence appropriée ou que le fil de guidage est expressément exigé par le donneur d’ordre. Ces exemples illustrent la polyvalence du palpeur, dont le principe de détection de contact et de conversion en information actionable est fondamental.
L'Hydrofoil : Principes de Vol Aquatique et Types de Conception
Le terme "foil" ou "hydrofoil" désigne, en mécanique des fluides, une aile profilée qui se déplace dans l’eau. L'objectif principal de ce dispositif est de transmettre une force de portance à son support. Le principe de fonctionnement est le suivant : la vitesse de déplacement génère sur le foil une portance hydrodynamique. Cette force est capable de soulever la coque du bateau, le kite, le stand up paddle, le surf ou la planche de windsurf partiellement ou totalement hors de l’eau. Ce phénomène réduit considérablement la traînée de la coque en contact avec l'eau, permettant d'atteindre des vitesses plus élevées avec une consommation d'énergie moindre.
Lire aussi: Tout savoir sur les garnitures mécaniques
Il existe différentes conceptions d'hydrofoils, chacune avec ses propres avantages et inconvénients. Les premières générations incluaient les hydrofoils à surface variable, traversant la surface, communément appelés "foils à échelle" ou "foils en V". Ces systèmes sont caractérisés par plusieurs plans superposés. C'est le système le plus ancien qui n’est plus utilisé à cause de la complexité de construction et la forte traînée due aux nombreuses interactions entre les montants et les plans porteurs. La variation de la surface mouillée en fonction de la hauteur de vol contribue à une certaine stabilité naturelle, mais au prix d'une efficacité moindre.
Par contraste, dans le cas des hydrofoils à surface fixe immergés, la surface portante est entièrement et constamment immergée sous l’eau. L’avantage de cette configuration est sa capacité à isoler la planche de l’effet des vagues et du frottement sur l’eau, offrant une navigation plus douce et potentiellement plus rapide. Les supports ou montants ou « jambes » qui relient les foils à la planche ne contribuent généralement pas à la portance, leur rôle étant purement structurel. Cette configuration à foils immergés peut présenter un rendement (portance/traînée) plus élevé mais n’est pas naturellement stable en tangage et en roulis. D’autre part, la surface portante est constante quelle que soit la vitesse et la hauteur de vol, ce qui requiert des systèmes de régulation actifs pour maintenir la stabilité.
Le profil est la section longitudinale (parallèle à la vitesse) d’une aile portante. Les profils sont généralement définis par leurs caractéristiques géométriques principales et leurs caractéristiques hydrodynamiques, qui incluent les coefficients de portance, de traînée et de moment en tangage. Les profils les plus connus, comme ceux de la série NACA, sont classés géométriquement par familles, en fonction de leur distribution d’épaisseur, de leur cambrure et de leur épaisseur maximale. Le choix du profil est une étape cruciale dans la conception d'un foil et dépend de plusieurs critères principaux. Premièrement, la cambrure est une fonction directe du coefficient de portance (Cz) demandé et représente le critère le plus important, car elle influence directement la capacité du foil à générer de la portance. Deuxièmement, l’épaisseur du profil conditionne la résistance en flexion de l’aile et sa déformation sous charge, des aspects essentiels pour la robustesse structurelle en fonction de la portée du foil. Enfin, la vitesse du navire ou de la planche est un facteur déterminant pour la distribution de l’épaisseur et des pressions dynamiques le long du profil afin d'éviter la cavitation, un phénomène indésirable de formation de bulles de vapeur qui peut dégrader la performance et endommager le foil.
Le Cz, ou coefficient de portance, dépend de la masse de l'embarcation, de la surface portante du foil et de la vitesse de déplacement dans l'eau. Sa valeur fréquente se situe entre 0,4 et 0,7 à la vitesse de croisière. La portance est calculée par la formule F = q S Cz, où q est la pression dynamique, égale à 1/2 rho V², et rho représente la masse volumique du fluide. Le Cx, ou coefficient de traînée du foil, dépend quant à lui du profil choisi et de son état de surface ; une surface rugueuse augmentera la traînée. L’angle d’incidence d’un hydrofoil (surface portante ou gouverne) est défini comme l’angle entre la corde du profil (la droite joignant le bord d’attaque au bord de fuite) et l’écoulement, c'est-à-dire le vecteur vitesse local. Un gouvernail, qui est une surface verticale à profil symétrique, aura un angle d’incidence égal à zéro lorsque le gouvernail est dans l’axe du bateau, sous réserve que le bateau ne dérive pas, ou n’avance pas en crabe. En règle générale, la portance augmente avec l’incidence, mais seulement jusqu'à un certain point, au-delà duquel la portance chute brutalement en raison du décrochage.
La Régulation par Palpeur : Pionniers et Systèmes Mécaniques
La stabilité de vol des foilers est étroitement liée à la possibilité de les piloter de manière très fine. Historiquement, cette finesse de pilotage a été obtenue par des systèmes mécaniques ingénieux, souvent basés sur l'interaction d'un palpeur avec la surface de l'eau. David Knaggs, par exemple, fut un pionnier en Nouvelle-Zélande. Il a tout d’abord travaillé en 1985 sur un catamaran à foils en V, baptisé Flying Tigger, dont la configuration était proche de celle de Mayfly. Ce fut une réussite puisqu’il vola par vent assez faible dès sa première sortie. Malheureusement, le bateau était victime de problèmes de ventilation à grande vitesse. La mise en place de fences et des modifications réalisées sur les foils ne permirent malheureusement pas de résoudre ces problèmes.
Lire aussi: Guide Montre de Plongée
Face à ces défis, D. Knaggs décida en 1986 de réaliser un nouvel engin, un trimaran de 18 pieds, équipé de foils en T et d’un système de régulation bien particulier. Ce système fleure bon un autre pays de grands marins, la Nouvelle-Zélande, et se distingue par son approche mécanique. Le palpeur de la solution développée par David Knaggs avait la particularité d’avoir un axe de rotation parallèle à celui du bateau. Cette orientation contrastait avec beaucoup d’autres systèmes qui ont des palpeurs équipés d’un pivot perpendiculairement à l’axe principal. Ce palpeur était connecté à un flap situé sur le bord de fuite du plan porteur. Disposé parallèlement au foil, qui d’ailleurs était incliné, il se rapprochait ou s’écartait du foil en fonction de l’élévation du bateau. Quand le bateau était au contact de l’eau, l’angle du volet de bord de fuite était élevé et le palpeur écarté du foil. Le rapprochement du palpeur était lié au poids de celui-ci, qui était moins « supporté » par l’eau. Il est aussi fort possible que le palpeur n’avait pas un profil symétrique mais un profil porteur. Si c’était bien le cas, la diminution de la surface du palpeur par l’élévation de l’engin devait diminuer sa portance. Il paraît aussi probable que le palpeur ait pu être vrillé pour développer plus ou moins de force en fonction de l’enfoncement. Un jeu d’axes et de tubes métalliques transformait le mouvement du palpeur en mouvement vertical afin de lever ou de baisser un support situé parallèlement à la jambe de force. Ce support était connecté à un axe qui actionnait une tringlerie située à l’intérieur de la jambe de force.
Un autre système majeur est apparu vers 1995 avec la régulation de l’incidence développée par Sam Bradfield et ses associés d’Hydrosails, Tom Haman et Mike McGarry. Samuel Bradfield, qui fut en début de carrière professeur et chercheur à l’université du Minnesota, a travaillé au cours des années 60 et 70 avec ses élèves sur des projets d’engins à foils. Il développa entre autres NF2 (Neither Fish Nor Fowl) qui a détenu le record de vitesse en Class C entre 1978 et 1982. Samuel Bradfield a travaillé sur tous les types de foils, en V, en échelle, pour terminer par les foils en T avec régulation par « traînard ». Ce système est basé sur une idée similaire à celle de Phillips et Shaughnessy et a trouvé le juste équilibre poids/surface du traînard. Le système est équipé d’un bras/traînard en partie immergé qui, de par sa forme, sa surface et sa flottabilité, a tendance à reculer par rapport au foil. Ce bras/traînard est connecté à un volet de bord de fuite. Le décollage de l’engin, et donc la diminution de la flottabilité du traînard, occasionne le rapprochement du palpeur avec l’axe de la jambe de force et donc une diminution de l’angle du volet. Et bien entendu, inversement lors de la diminution de la hauteur de vol. Ce système est proche de celui mis au point par Greg Ketterman, et qui aurait été inventé par M Baranski dans les années 90, avec la parution d'un article en 1997. Dans cette variante, le palpeur semble être remplacé par une sorte de foil en échelle qui, par son enfoncement, régulerait l’incidence du plan porteur principal situé en retrait. Le seul changement important par rapport au système Ketterman semble être le remplacement du flotteur par un foil en échelle.
En France, Claude Tisserand est un des pionniers des voiliers à hydrofoils. Il commence ses études sur ce sujet en 1964. En mai 1966, débutent les essais du Veliplane I, un trimaran de 4,50 m de long qui atteint 15 nœuds et démontre les possibilités de la formule. Suivent le Veliplane II et le III, réalisés à partir d’une coque de 470. Malgré un bel article dans la revue « Nautisme » en novembre 1966, en France, personne ne s’intéresse à ce type d’engin jusqu’à ce qu’Eric Tabarly essaye en 1976 une maquette très proche de son Veliplane IV. À partir de 1980, faute d’intérêt public, il commence à s’intéresser à une nouvelle catégorie d’aéronefs : les ULM. Après plus de 30 ans d’interruption, Claude reprend, avec son frère Gérard, son travail sur les voiliers à hydrofoils, illustrant que l'innovation est toujours possible. Leur technique de régulation, développée au 21ème siècle, ne fait pas appel au déplacement vertical d’un palpeur ou d’un traînard, mais Claude et Gérard souhaitent conserver confidentiel leur système de régulation.
D’autres approches de régulation mécanique incluent celle de Gordon Baker vers 1955 pour son monocoque Monitor, qui consistait en une régulation de l’incidence sur des plans porteurs non complètement immergés, de type échelle. De plus, la régulation n’était pas fonction de la hauteur de vol, puisque régulée par le principe du foil en échelle, mais par les efforts supportés par le gréement. En effet, l’étai et le pataras étaient reliés au safran/foil en échelle. Le couple « d’enfournement » supporté par le gréement était transmis aux foils arrière qui, en changeant d’incidence, compensaient cette tendance. À l’arrêt, le mât se baladait en avant et en arrière. Certains engins à moteur russes tiraient parti de la perte de portance que génère l’arrivée d’un foil près de la surface, un effet de sol hydrodynamique, pour réguler la portance d’un plan horizontal lorsque la distance entre le plan porteur et la surface est proche de l’équivalent de la corde du plan porteur. Sans autre artifice, ce type de régulation naturelle peut difficilement fonctionner sur un engin dont la vitesse est variable et dont l’assiette est liée à la force encaissée par le gréement. L’université de Warwick en Angleterre a essayé d’améliorer ce système en rajoutant sur leur projet Future Foils, des évents sur la jambe de force, évents connectés à des orifices sur le bord d’attaque de l’extrados. À partir d’une certaine hauteur de vol, un évent puis un second et ainsi de suite auraient aspiré de l’air qui aurait été naturellement « injecté » sur le bord d’attaque afin de limiter la portance. Malheureusement, les essais réalisés n’ont pas permis de démontrer l’efficacité de cette piste.
Les Moths à Foils et les Débats sur le Contrôle Mécanique
Le Moth à foils, dont le système est attribué à Simmonds, est devenu emblématique de la régulation mécanique par palpeur. Les premiers essais de mise en place de foils sur un Moth sont dus au travail de Ian Ward en 1998. Les foils étaient alors montés en bout d’aile et sur le safran, sous la forme de foils en V. Rapide dans la brise, l’engin était complexe, difficile à gréer et à mettre à l’eau et, paradoxalement, pas très amusant à barrer car jugé trop stable. Ian Ward aurait alors, dès 1999, travaillé et volé sur un bifoiler. Toujours en Australie, Brett Burvill et Marc Pivac en 2000 ont aussi travaillé sur l’architecture « trifoiler ». Finalement, en 2002, John et Garth Ilett se sont eux aussi lancés dans l’aventure bifoiler. Une modification de la jauge, notamment la violation de la règle « anti-multihull » avec les foils en V montés en bout d’aile, mais aussi un mauvais passage dans les vagues des bateaux équipés de trois foils, ont fait migrer les Moths de la configuration trifoiler à bifoiler. Sur certains modèles, la tringlerie a été remplacée par du câble (push - pull), simplifiant potentiellement la transmission de mouvement.
Lire aussi: Causes et remèdes des avaries mécaniques marines
Dans le cas des Moth à foil, le système peut être qualifié d’asservissement mécanique. Le bateau utilise un capteur d’altitude, le fameux palpeur à l’étrave, qui est relié au volet du foil central par des biellettes et des tringles. Ce mécanisme permet de gérer en direct la hauteur du voilier sur l’eau. Ce principe, qui fonctionne à merveille, ne prend par contre en charge qu’un seul paramètre, à savoir la hauteur de vol. Le "wand" du Moth contrôle le volet du foil principal et il existe souvent un trim manuel de profondeur sur le safran, offrant un réglage secondaire.
Les discussions entre passionnés sur ces systèmes révèlent la profondeur de la recherche d'optimisation. L'intégration du mécanisme de palpeur est un sujet récurrent : pourquoi mettre la liaison entre le palpeur et l'aile en externe, alors que les mâts sont fins et qu'il reste quand même la place pour mettre une tige carbone à l’intérieur ? Cette solution offrirait un renfort dans le mât et éliminerait des pistes d'optimisation externes. Une autre proposition ingénieuse pour le contrôle humain est un pédalier sous le pied arrière. Un axe de 5 mm dans un tube de diamètre 6 mm intégré dans le mât serait relié au pédalier. Une came, fixée sur le bord de fuite du plan porteur au niveau du fuselage, serait reliée à l'axe. Le plan porteur serait fixé sur un axe rotatif au niveau du bord d'attaque, exactement comme sur les avions radiocommandés. Le pied arrière agirait à la place des petits moteurs : en appuyant, on cabre ; en relâchant, on pique. Cela ne nécessiterait pas une pression énorme sur le strap/pédalier (4/5 mm). Certains voient dans ce système la possibilité de contrôler son foil en le faisant piquer avant la chute, voire de foiler sans kite en pompant avec le pédalier.
Le débat entre piloter le stabilisateur (stab) ou le foil principal est également vif. En aéronautique, le pilotage du stab est plus courant et souvent plus simple sur un avion, correspondant mieux au vol, même si les volets de l'aile principale sont aussi utilisés. Cependant, sur un avion, le centre de gravité ne bouge pas de la même manière. Le système de palpeur, tel qu'utilisé sur les Moths, a ses avantages. Lorsque le palpeur est dans l'eau, il présente un profil très porteur, ce qui permet de partir super tôt, comme avec des volets d'avion. Une fois en l'air, le bateau accélère et retrouve un profil super fin, le volet remontant. L'avantage de piloter le stab est de toujours rester super fin, mais le problème est le décollage, qui nécessite de faire cabrer la planche, ce qui n'est pas simple et peut freiner l'engin. Pour piloter le stab, il faudrait mesurer l'horizontalité et la vitesse, et non seulement la hauteur. L'idéal serait d'avoir les deux, avec un foil avant et un stab arrière, et l'électronique embarquée pourrait le permettre. Le défaut du palpeur, visible sur les Moths, est que s'ils perdent trop l'horizontalité, et que la coque est super courte, l'effet de l'angle peut faire que le palpeur ne voit pas le bateau piquer du nez, croyant qu'il y a encore de la hauteur d'eau alors qu'il va enfourner. Pour beaucoup, le palpeur à baguette reste le système le plus simple avec le patin fixe, mais il est important de noter que sur les Moths, il y a souvent un amortisseur pour écrêter le clapot.
Les considérations de design incluent aussi le dièdre, l'angle que fait l'aile du foil avec l'horizontal. Un dièdre positif ou négatif influence la stabilité. Initialement, l'idée qu'un dièdre positif se rapproche d'un foil en V et serait plus stable était répandue. Cependant, pour les foils en T totalement immergés, cet argument est remis en question en raison de la symétrie. Ce qui rend le foil en V plus stable, c'est qu'il est traversant : avec l'angle, un des foils sort plus de l'eau, sa portance diminue, et la résultante des forces n'est plus symétrique. Pour les foils en T, s'il y a des effets sur la stabilité dus au dièdre, il faut regarder plus en détail ce qui se passe, en particulier avec un léger angle de lacet, voire pour les angles élevés, les effets dus à la proximité de la surface sur l'aileron sous le vent, pouvant causer des mini décrochages. Il est suggéré que l'axe de tangage final est plus bas pour un dièdre négatif, "rallongeant le mât", tandis qu'un dièdre positif le "raccourcit", ce qui pourrait contribuer aux différences de stabilité ressenties.