Hydroptère - Hydrofoil

Le XCH-4 de l' US Navy , avec des hydroptères soulevant la coque hors de l'eau

Un hydroptère est une surface de levage, ou foil , qui fonctionne dans l'eau. Ils sont similaires en apparence et en fonction aux profils aérodynamiques utilisés par les avions . Les bateaux qui utilisent la technologie des hydroptères sont aussi simplement appelés hydroptères. Au fur et à mesure qu'un hydroptère gagne de la vitesse, les hydroptères soulèvent la coque du bateau hors de l'eau, diminuant la traînée et permettant des vitesses plus élevées.

La description

L'hydroptère se compose généralement d'une structure en forme d' aile montée sur des entretoises sous la coque ou à travers les quilles d'un catamaran dans une variété de bateaux (voir illustration). À mesure que la vitesse d'une embarcation équipée d'un hydroptère augmente, les éléments de l'hydroptère sous la ou les coques développent suffisamment de portance pour soulever la coque hors de l'eau, ce qui réduit considérablement la traînée de la coque . Ceci fournit une augmentation correspondante de la vitesse et de l'efficacité énergétique .

L'adoption plus large des hydroptères est empêchée par la complexité accrue de leur construction et de leur entretien. Les hydroptères sont généralement beaucoup plus chers que les embarcations conventionnelles au-delà d'un certain déplacement, de sorte que la plupart des hydroptères sont relativement petits et sont principalement utilisés comme ferries à passagers à grande vitesse, où les frais de passagers relativement élevés peuvent compenser le coût élevé de l'embarcation elle-même. Cependant, la conception est suffisamment simple pour qu'il existe de nombreuses conceptions d' hydroptères à propulsion humaine . L'expérimentation amateur et le développement du concept sont populaires.

Mécanique hydrodynamique

Les deux types d'hydroptères : perçant en surface et entièrement immergé

Étant donné que l'air et l'eau sont régis par des équations de fluide similaires , bien qu'avec des niveaux de viscosité , de densité et de compressibilité différents , l'hydroptère et l' aile (les deux types de feuilles ) créent une portance de manière identique. La forme du foil se déplace en douceur dans l'eau, déviant le flux vers le bas, qui, suivant les équations d'Euler , exerce une force ascendante sur le foil. Cette rotation de l'eau crée une pression plus élevée sur le bas de la feuille et une pression réduite sur le dessus. Cette différence de pression s'accompagne d'une différence de vitesse, via le principe de Bernoulli , de sorte que le champ d'écoulement résultant autour de la feuille a une vitesse moyenne plus élevée d'un côté que de l'autre.

Lorsqu'elle est utilisée comme élément de levage sur un hydroptère, cette force ascendante soulève le corps du navire, diminuant la traînée et augmentant la vitesse. La force de levage finit par s'équilibrer avec le poids de l'embarcation, atteignant un point où l'hydroptère ne sort plus de l'eau mais reste en équilibre. Étant donné que la résistance des vagues et d'autres forces gênantes telles que divers types de traînée (physique) sur la coque sont éliminées à mesure que la coque se soulève, la turbulence et la traînée agissent de plus en plus sur la surface beaucoup plus petite de l'hydroptère, et de moins en moins sur la coque, créant un augmentation marquée de la vitesse.

Configurations de feuille

Les premiers hydroptères utilisaient des foils en forme de V. Les hydroptères de ce type sont connus sous le nom de « perçage de surface » car des parties des hydroptères en forme de V s'élèvent au-dessus de la surface de l'eau lorsqu'elles sont montées sur une feuille. Certains hydroptères modernes utilisent des foils en forme de T inversé entièrement immergés. Les hydroptères entièrement immergés sont moins sujets aux effets de l'action des vagues et, par conséquent, plus stables en mer et plus confortables pour l'équipage et les passagers. Ce type de configuration, cependant, n'est pas auto-stabilisant. L' angle d'attaque des hydroptères doit être ajusté en permanence aux conditions changeantes, un processus de contrôle effectué par des capteurs, un ordinateur et des surfaces actives.

Histoire

L' hydroptère de Forlanini sur le lac Majeur , 1906

Prototype

La première preuve d'un hydroptère sur un navire apparaît sur un brevet britannique accordé en 1869 à Emmanuel Denis Farcot, un Parisien. Il a affirmé que "l'adaptation aux côtés et au fond du navire d'une série de plans inclinés ou de pièces en forme de coin qui, lorsque le navire est poussé vers l'avant, aura pour effet de le soulever dans l'eau et de réduire le tirant d'eau". L'inventeur italien Enrico Forlanini a commencé à travailler sur les hydroptères en 1898 et a utilisé un système de feuille "échelle". Forlanini a obtenu des brevets en Grande-Bretagne et aux États-Unis pour ses idées et ses conceptions.

Entre 1899 et 1901, le concepteur de bateaux britannique John Thornycroft a travaillé sur une série de modèles avec une coque à gradins et une seule étrave. En 1909, son entreprise a construit le Miranda III à grande échelle, un bateau de 22 pieds (6,7 m) de long . Propulsé par un moteur de 60 ch (45 kW), il roulait sur un bowfoil et une poupe plate. Le Miranda IV suivant a été crédité d'une vitesse de 35 nœuds (65 km/h; 40 mph).

Le HD-4 d' Alexander Graham Bell lors d'un essai, v. 1919

En mai 1904, un hydroptère a été décrit en train d'être testé sur la Seine « dans les environs de Paris ». Ce bateau a été dessiné par le Comte de Lambert . Celui-ci avait 5 ailerons à pas variable sur la coque sous l'eau si inclinés que lorsque les bateaux commencent à se déplacer « le bateau monte et les avions remontent à la surface » avec pour résultat qu'« il effleure la surface avec peu d'autres que les hélices sous le surface". Le bateau avait des coques jumelles de 18 pieds de long reliées par un seul pont de 9 pieds de large, et était équipé d'un moteur De Dion-Bouton de 14 CV, le bateau aurait atteint 20 mph. Il a été déclaré que "le bateau qui court pratiquement sur ses ailerons ressemble à un avion".

Un article du Scientific American de mars 1906 du pionnier américain des hydroptères, William E. Meacham, expliquait le principe de base des hydroptères. Alexander Graham Bell considérait l'invention de l' hydravion (maintenant considéré comme un type distinct, mais utilisant également la portance) comme une réalisation très importante, et après avoir lu l'article, il commença à esquisser des concepts de ce qu'on appelle maintenant un hydroptère. Avec son ingénieur en chef Casey Baldwin , Bell a commencé des expériences d'hydroptère à l'été 1908. Baldwin a étudié le travail de l'inventeur italien Enrico Forlanini et a commencé à tester des modèles basés sur ces conceptions, ce qui a conduit au développement d'hydroptère. Au cours de la tournée mondiale de Bell de 1910 à 1911, Bell et Baldwin ont rencontré Forlanini en Italie, où ils sont montés dans son hydroptère sur le lac Majeur . Baldwin l'a décrit comme étant aussi fluide que le vol.

De retour au grand laboratoire de Bell dans son domaine de Beinn Bhreagh près de Baddeck, en Nouvelle-Écosse , ils ont expérimenté un certain nombre de conceptions, aboutissant au HD-4 de Bell . Grâce aux moteurs Renault , une vitesse de pointe de 87 km/h (47 nœuds ; 54 mph) a été atteinte, en accélérant rapidement, en prenant les vagues sans difficulté, en braquant bien et en faisant preuve d'une bonne stabilité. Le rapport de Bell à la marine des États-Unis lui a permis d'obtenir deux moteurs de 260 kW (350 ch). Le 9 septembre 1919, le HD-4 a établi un record du monde de vitesse maritime de 114 km/h (62 nœuds ; 71 mph), qui a duré deux décennies. Une réplique grandeur nature du HD-4 est visible au musée du lieu historique national Alexander Graham Bell à Baddeck, en Nouvelle-Écosse.

Au début des années 1950, un couple anglais a construit le White Hawk , un hydroglisseur à réaction, dans le but de battre le record absolu de vitesse sur l'eau. Cependant, lors des tests, White Hawk pouvait à peine dépasser la vitesse record du 1919 HD-4 . Les concepteurs ont été confrontés à un phénomène d'ingénierie qui limite la vitesse de pointe des hydroptères même modernes : la cavitation perturbe la portance créée par les foils lorsqu'ils se déplacent dans l'eau à une vitesse supérieure à 60 nœuds (110 km/h ; 69 mph), pliant le foil de levage .

Une illustration schématique des systèmes auto-stabilisants pour les hydroptères entièrement immergés. Son ordinateur recueille des données sur la position de la rampe et le niveau d'eau actuel afin de déterminer la position de volet requise.

Premiers bateaux à passagers

L'ingénieur allemand Hanns von Schertel a travaillé sur des hydroptères avant et pendant la Seconde Guerre mondiale en Allemagne . Après la guerre, les Russes ont capturé l'équipe de Schertel. L'Allemagne n'étant pas autorisée à construire des bateaux rapides, Schertel se rend en Suisse , où il fonde la société Supramar. En 1952, Supramar a lancé le premier hydroptère commercial, le PT10 "Freccia d'Oro" (Golden Arrow), sur le lac Majeur, entre la Suisse et l' Italie . Le PT10 est de type perforant, il peut transporter 32 passagers et rouler à 35 nœuds (65 km/h ; 40 mph). En 1968, le banquier d'origine bahreïnite Hussain Najadi a acquis Supramar AG et a étendu ses opérations au Japon, à Hong Kong, à Singapour, au Royaume-Uni, en Norvège et aux États-Unis. General Dynamics des États-Unis est devenu son licencié, et le Pentagone a attribué son premier projet de recherche navale R&D dans le domaine de la supercavitation . Hitachi Shipbuilding d'Osaka, au Japon, était un autre licencié de Supramar, ainsi que de nombreux armateurs et chantiers navals de premier plan dans les pays de l'OCDE.

De 1952 à 1971, Supramar a conçu de nombreux modèles d'hydroptères : PT20, PT50, PT75, PT100 et PT150. Tous sont de type perçage de surface, à l'exception du PT150 ​​combinant un foil de perçage de surface à l'avant avec un foil entièrement immergé à l'arrière. Plus de 200 modèles de Supramar ont été construits, la plupart par Rodriquez en Sicile , en Italie.

Au cours de la même période, l' Union soviétique a largement expérimenté les hydroptères, en construisant des bateaux fluviaux à hydroptères et des ferries avec des conceptions simplifiées pendant la période de la guerre froide et dans les années 1980. Ces navires comprennent le type Raketa (1957), suivi du plus grand type Meteor et du plus petit type Voskhod . L'un des concepteurs / inventeurs soviétiques les plus prospères dans ce domaine était Rostislav Alexeyev , que certains considèrent comme le «père» de l'hydroptère moderne en raison de ses conceptions d'hydroptère à grande vitesse des années 1950. Plus tard, vers les années 1970, Alexeyev a combiné son expérience de l'hydroptère avec le principe de l' effet de surface pour créer l' Ekranoplan . En investissant massivement en URSS dans ce type de technologie, on obtient la plus grande flotte d'hydroptères civils au monde et fait d'un type Meteor l'hydroptère le plus réussi de l'histoire avec plus de 400 unités en construction.

En 1961, SRI International a publié une étude sur « La faisabilité économique des hydroptères à passagers dans le commerce intérieur et étranger des États-Unis ». L'utilisation commerciale des hydroptères aux États-Unis est apparue pour la première fois en 1961 lorsque deux navires de banlieue ont été commandés par Harry Gale Nye, Jr. 's North American Hydrofoils pour desservir la route entre Atlantic Highlands, New Jersey et le quartier financier de Lower Manhattan.

Utilisation militaire

Un hydroptère de patrouille d'attaque rapide du projet 206M "Shtorm" de la marine cubaine .
Vue aérienne du faisceau bâbord de l'hydroptère de classe Sparviero italien NIBBIO P-421 en cours.
USS Aquila , un hydroptère militaire. Les foils en forme de T sont visibles juste sous l'eau.
Le NCSM Bras d'Or , un hydroptère de concept militaire.

Un engin allemand de 17 tonnes VS-6 Hydrofoil a été conçu et construit en 1940, achevé en 1941 pour être utilisé comme poseur de mines, il a été testé dans la mer Baltique , produisant des vitesses de 47 nœuds. Testé par rapport à un bateau électrique standard au cours des trois années suivantes, il a bien fonctionné mais n'a pas été mis en production. Étant plus rapide, il pouvait transporter une charge utile plus élevée et était capable de traverser des champs de mines, mais était sujet aux dommages et plus bruyant.

Au Canada pendant la Seconde Guerre mondiale, Baldwin a travaillé sur un hydroptère expérimental de pose de fumée (appelé plus tard le Comox Torpedo) qui a ensuite été remplacé par une autre technologie de pose de fumée et un hydroptère expérimental de remorquage de cible. Les deux assemblages avant de ce que l'on croit être le dernier hydroptère ont été récupérés au milieu des années 1960 dans une carcasse abandonnée à Baddeck, en Nouvelle-Écosse, par Colin MacGregor Stevens. Ceux-ci ont été donnés au Maritime Museum à Halifax, en Nouvelle-Écosse. Les Forces armées canadiennes ont construit et testé un certain nombre d'hydroptères (par exemple, le Baddeck et deux navires nommés Bras d'Or ), qui ont abouti à l'hydroptère anti-sous-marin à grande vitesse NCSM Bras d'Or à la fin des années 1960. Cependant, le programme a été annulé au début des années 1970 en raison d'un abandon de la guerre anti-sous-marine par l'armée canadienne. Le Bras d'Or était un type de perçage de surface qui s'est bien comporté lors de ses essais, atteignant une vitesse maximale de 63 nœuds (117 km/h).

L'URSS a introduit plusieurs engins d'attaque rapide basés sur des hydroptères dans sa marine , principalement :

La marine américaine a commencé des expériences avec des hydroptères au milieu des années 1950 en finançant un voilier qui utilisait des hydroptères pour atteindre des vitesses de l'ordre de 30 mph. Le XCH-4 (officiellement, Experimental Craft, Hydrofoil No. 4 ), conçu par William P. Carl , dépassait la vitesse de 65 mph (56 kn; 105 km/h) et a été confondu avec un hydravion en raison de sa forme. L'US Navy a mis en place un petit nombre d'hydroptères de combat, tels que la classe Pegasus , de 1977 à 1993. Ces hydroptères étaient rapides et bien armés.

La marine italienne a utilisé six hydroptères de la classe Sparviero depuis la fin des années 1970. Ceux-ci étaient armés d'un canon de 76 mm et de deux missiles, et étaient capables d'atteindre des vitesses allant jusqu'à 50 nœuds (93 km/h). Trois bateaux similaires ont été construits pour la Force maritime d'autodéfense japonaise .

Voile et sports

L' AC72 de l' équipe néo-zélandaise à l'America's Cup 2013, dans la baie de San Francisco.

Plusieurs éditions de l' America's Cup ont été courues avec des voiliers à foils. En 2013 et 2017 respectivement les classes de catamarans AC72 et AC50 , et en 2021 la classe AC75 de monocoques à foils à bras pendulaires.

L' hydroptère à voile expérimental français Hydroptère est le résultat d'un projet de recherche qui implique des compétences et des technologies d'ingénierie avancées. En septembre 2009, l' Hydroptère a établi de nouveaux records du monde de vitesse à voile dans la catégorie 500 m, avec une vitesse de 51,36 nœuds (95,12 km/h) et dans la catégorie 1 mile nautique (1852 m) avec une vitesse de 50,17 nœuds (92,91 km /h).

Le record de vitesse sur 500 m pour les voiliers est actuellement détenu par le Vestas Sailrocket , un design exotique qui fonctionne en fait comme un hydroptère.

Un autre voilier trimaran est le Windrider Rave. Le Rave est un trimaran à hydroptère de 17 pieds (5,2 m) disponible dans le commerce, pour deux personnes, capable d'atteindre des vitesses de 40 nœuds (74 km/h). Le bateau a été conçu par Jim Brown.

Le dériveur Moth a évolué vers des configurations de foil radicales.

Hobie Sailboats a produit un trimaran à foils de série, le Hobie Trifoiler, le voilier de série le plus rapide. Les Trifoilers ont atteint des vitesses supérieures à trente nœuds.

Une nouvelle conception de kayak, appelée Flyak , a des hydrofoils qui soulèvent suffisamment le kayak pour réduire considérablement la traînée, permettant des vitesses allant jusqu'à 27 km/h (17 mph). Certains surfeurs ont développé des planches de surf avec des hydrofoils appelés foilboards , spécifiquement destinés à surfer de grosses vagues plus au large.

Le Quadrofoil Q2 est une embarcation de loisir électrique à hydrofoil biplace et quadrifoil. Sa conception initiale date de 2012 et il est disponible dans le commerce depuis fin 2016. Alimenté par une batterie lithium-ion de 5,2 kWh et propulsé par un moteur de 5,5 kW, il atteint la vitesse maximale de 40 km/h et a 80 km d'autonomie.

Le Manta5 Hydrofoiler XE-1 est un vélo électrique Hydrofoil, conçu et construit en Nouvelle-Zélande qui est depuis disponible dans le commerce en pré-commande depuis fin 2017. Propulsé par un moteur de 400 watts, il peut atteindre des vitesses supérieures à 14 km/h avec un poids de 22 kg. Une seule charge de la batterie dure une heure pour un cycliste pesant 85 kg.

Candela, une société suédoise, produit un bateau à moteur hydroptère de plaisance, faisant de solides revendications en matière d'efficacité, de performances et d'autonomie.

Les hydroptères sont maintenant largement utilisés avec les cerfs-volants de traction au-dessus de l'eau, et plus récemment avec les ailes, qui sont essentiellement un cerf-volant sans cordes ou une voile à main.

Voskhod de construction ukrainienne sur le canal de la mer du Nord , Pays - Bas

Turboréacteurs de » urzela hydroglisseur sur Ouest Lamma Canal , Hong Kong
Turboréacteurs de » Barca Foilcat

Bateaux à passagers modernes

Flying Poseidon (construit en 1982) venait d'accoster à Rhodes depuis Fethiye lorsque l' hydroptère sœur Kometas de Bodrum est également arrivé de Turquie en 2011.

Les Voskhods de construction soviétique sont l'un des modèles d'hydroptères de passagers les plus réussis. Fabriqués en Crimée soviétique puis ukrainienne, ils sont en service dans plus de 20 pays. Le modèle le plus récent, Voskhod-2M FFF , également connu sous le nom d'Eurofoil, a été construit à Feodosiya pour l'opérateur de transport public néerlandais Connexxion .

Le premier Kometa 120M, nommé Chaika (mouette) d'après l' indicatif de Valentina Terechkova , amarré à Sébastopol

Le milieu des années 2010 a vu un programme gouvernemental russe visant à restaurer la production d'hydroptères de passagers. Le Kometa 120M  [ ru ] , basé sur les modèles antérieurs Kometa  [ ru ] , Kolhida et Katran, est devenu le premier à entrer en production, d'abord dans l' usine Vympel  [ ru ] à Rybinsk, et plus tard sur le chantier naval More à Feodosiya. Depuis 2018, les navires circulent entre Sébastopol-Yalta et Sotchi-Gelenzhik-Novorossiysk, avec une connexion Sébastopol-Sotchi dans les plans immédiats en 2021. Dans le même temps, le Bureau Alekseyev a commencé à construire des hydroptères Valday 45R  [ ru ] plus légers et plus petits , sur la base d'un modèle Polesye  [ ru ] largement réussi , dans sa propre usine de Nijni Novgorod, les bateaux à faible tirant d'eau utilisés sur l'Ob et la Volga. Le Meteor 120R  [ ru ] , un développement du Meteor  [ ru ] , est devenu le grand frère du Valday, le premier navire lancé à Nijni Novgorod en août 2021.

Le Boeing 929 est largement utilisé en Asie pour les services de passagers entre les nombreuses îles du Japon , entre Hong Kong et Macao et sur la péninsule coréenne .

L'opération en cours

Les exploitants actuels d'hydroptères comprennent :

Bateau à grande vitesse Hydroptère Meteor sur un lac Ladoga , Russie .
Hydroptère de passagers Flying Dolphin Zeus se déplaçant à grande vitesse près du Pirée , Grèce .

Opérations interrompues

  • Jusqu'au 31 décembre 2013, Fast Flying Ferries exploité par Connexxion fournissait un service de transport public régulier sur le canal de la mer du Nord entre la gare centrale d'Amsterdam et Velsen-Zuid aux Pays - Bas , en utilisant des hydroptères Voskhod 2M. Il a été arrêté en raison d'une nouvelle limitation de vitesse .
  • Entre 1981 et 1990, " Transmediterranea " exploitait un service d'hydroptères reliant Ceuta et Algésiras dans le détroit de Gibraltar. La traversée a duré une demi-heure, par rapport à l'heure et demie des ferries conventionnels. En raison des vents extrêmes et des tempêtes fréquents en hiver dans le détroit de Gibraltar, le service a été remplacé en 1990 par des catamarans, qui pouvaient également transporter des voitures. Au plus fort de l'année, en été, il y avait un service toutes les demi-heures dans chaque sens. Cette connexion à haut débit a eu un impact important sur le développement de Ceuta, facilitant les voyages d'affaires d'une journée vers l'Espagne continentale.
  • Entre 1964 et 1991, les hydroptères de Sydney opéraient dans le port de Sydney entre Circular Quay et Manly .
  • Entre 1969 et 1998, Red Funnel a opéré entre Southampton et Cowes, île de Wight .
  • Au cours des années 1970 et 1980 , il y avait des services fréquents entre Belgrade et Tekija dans les gorges de erdap . La distance de 220 km (120 nmi; 140 mi) a été parcourue en 3 heures et 30 minutes en aval et 4 heures en amont.
  • Entre 1980 et 1981, B+I Line exploitait un Boeing 929 à foils, nommé Cú Na Mara (Chien de la mer), entre Liverpool et Dublin. Le service n'a pas réussi et a été interrompu à la fin de la saison 1981.

Voir aussi l'histoire de Condor Ferries , qui a exploité six hydroptères sur une période de 29 ans entre les îles anglo-normandes , la côte sud de l'Angleterre et Saint-Malo .

  • Après la restauration de l' indépendance de l' Estonie dans les années 1990, le service de ferry régulier entre Helsinki et Tallinn a été complété par des hydroptères de construction soviétique pendant la saison estivale par beau temps. Le service à plus grande vitesse rivalisait avec les ferries rouliers traditionnels mais permettait des excursions d'une journée faciles pour les voyageurs piétons. Ils ont finalement été remplacés par des catamarans à grande vitesse pouvant également transporter des véhicules et avoir une meilleure navigabilité; cependant, ce dernier a cessé ses activités lorsque l'opérateur a déposé son bilan en mai 2018.

Désavantages

Les hydroptères ont connu leur apogée dans les années 1960 et 1970. Depuis lors, il y a eu un déclin constant de leur utilisation et de leur popularité pour le transport de passagers de loisirs, militaire et commercial. Il ya un certain nombre de raisons à cela:

  • Les hydroptères sont sensibles aux impacts avec des objets flottants et des animaux marins. En heurtant quelque chose, un hydroptère peut tomber des foils.
  • Les hydroptères sont chers à construire. Un navire comme le Boeing Jetfoil coûte actuellement environ trois fois le prix d'un ferry catamaran équivalent . L'augmentation des coûts n'est pas toujours économiquement justifiable par les consommateurs. Des conceptions plus simples telles que celles de conception russe et celles de Rodriquez en Italie sont plus compétitives en termes de prix et sont encore produites aujourd'hui pour être utilisées sur les lignes de ferry.
  • Ils sont techniquement complexes et nécessitent un entretien élevé. L'US Navy, par exemple, a développé des hydroptères techniquement avancés, mais n'a pas pu rendre les systèmes de propulsion et le contrôle de conduite fiables. Cela a finalement conduit à la suspension de leurs projets d'hydroptères. La marine russe exploite toujours de très grands hydroptères et a réussi, en grande partie parce qu'elle a opté pour des systèmes plus simples qui pourraient ne pas avoir les mêmes performances que les conceptions américaines mais qui sont plus robustes et fiables. À Hong Kong, l'augmentation des coûts de maintenance pour maintenir en fonctionnement les Jetfoils vieillissants et la forte diminution de la demande de passagers après l'ouverture du pont Hong Kong-Zhuhai-Macao entraînent la disparition progressive de ces navires.

Voir également

Les références

Liens externes