Voilier des airs

Un voilier des airs ou « voilier sans masse » est un véhicule de navigation nautique composé d'un élément nautique aéroporté et d'un élément éolien. Ce mode de transport utilise la force du vent, l'énergie éolienne, pour se déplacer comme un voilier.

Il s'agit d'un système de navigation nautique composé d'un élément nautique aéroporté et d'un élément éolien. Ce mode de transport utilise la force du vent, l'énergie éolienne, pour se déplacer comme un voilier.

Le navire, relié à la mer par un hydrofoil inhabité que l'on trouve sous les noms de Chien-de-mer, Seaglider, Hapa, parafoil, cerf-plongeant, se déplace en même temps qu'il reste captif^[1]. L'objectif est de supprimer les traînées hydrodynamiques de la coque dans l’eau, en réduisant presque totalement le volume des parties immergées. La masse est essentiellement sustentée par la partie aérienne, ce qui en fait la différence principale avec les voiliers de type hydroptère dont la masse est sustentée par des foils.

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 ou par une structure rigide.

Le pilote du véhicule pouvant se positionner selon les types de véhicules aussi bien juste au-dessus de la partie immergée, 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^[2].

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^[3]. 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) le parafoil, un hydrofoil relié à un parachute, en 1960.

Didier Costes dépose son 1^er brevet de « Chien-de-mer » (appellation 1996) en 1966. C'est la première dérive stabilisée sur trois axes planante en surface de la mer. En 1970, il 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)^[4],[5].

Le premier vol mobile captif maritime est réalisé en 1992 par Gérard Feldzer et Nicolas Hulot sur la première version du ballon Zeppy 2 au Portugal. En 1993 ils effectuent une longue distance océanique lors d'une tentative de traversée de l'Atlantique. Le Zeppy 2 conçu par Didier Costes et Jean-marc Geiser sera modifié (augmentation de son volume) et équipé de système de propulsion éolienne musculaire et du Chien-de-mer^[4]. Le modèle de Chien-de-mer utilisé a comme particularité d'être monocâble asymétrique, cela nécessitait un équipement par amure.

Luc Armant rédige en 1999 une thèse sur l'aile d'eau, un hydrofoil asymétrique stabilisé en profondeur par un mécanisme utilisant la pression statique. 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^[1]. Il nomme cet ensemble un « voilier sans masse ».

De 2007 à 2014, Stéphane Rousson met au point un voilier dirigeable sur lequel il installe avec l'architecte naval Nicolas Desprez une commande de pilotage d'un hydrofoil tenant lieu de dérive, dans le but d'effectuer avec cet appareil la traversée entre Nice et Calvi en Corse^[6].

Le 24 novembre 2012, Vestas Sailrocket 2, un voilier prototype équipé d'une aile rigide inclinée portante et d'un contre-foil anti-envol, obtient en Namibie le record mondial de vitesse à la voile, à 121,1 km/h.

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^[7].

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.

Les voiliers des airs sont des véhicules utilisant pour principale source d'énergie, l'énergie éolienne. On distingue deux grandes catégories, les véhicules à composante aérostatique et dynamique et les véhicules à composante aérodynamique :

• les véhicules à composante aérostatique combinent la technique du ballon dirigeable pour la sustentation et la propulsion^[8]. Les prototypes actuels sont composés d'une enveloppe gonflée à l'hélium reliée à une aile d'eau.

• les véhicules à composante aérodynamique utilisent essentiellement la force d'une aile de kite ou d'une aile rigide pour la sustentation et la propulsion.

L'hydrofoil que l'on trouve sous les noms de Chien-de-mer, Hapa, parafoil, paravane, cerf-plongeant ou aile d'eau, est l'élément nautique qui va générer les forces hydrodynamique pour composer l'équilibre du système et le mettre en mouvement.

La différence majeure entre un voilier des airs et un voilier de type foiler est la position du foil antidérive actif. Dans le cadre du voilier des airs, le foil est au vent par rapport au navire (c'est un contre-foil qui exerce une action plongeante), alors que sur un voilier traditionnel à foil, c'est le foil sous le vent qui fait antidérive (sa portance compensant ainsi le couple de chavirage).

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  Cerf-plongeant de Rousson/Truong 2009.
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  Seaglider Rousson/Truong/Desprez avec patte d'oie sur la base Chien-de-mer de Costes.
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  Chien-de-mer à palpeurs de Costes.
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  Chien-de-mer de Costes, essais de traction monocâble amorti.
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  Seaglider Owlone Rousson monocâble coulissant en bout de bôme permettant la prise d'incidence maximum automatique.
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  Cerf-plongeant, de Luc Armant.

La direction générale de l'Aviation civile a travaillé entre 2014 et 2016 à faciliter leurs essais, en permettant aux appareils de recherche de moins de 900 m³ et non motorisés de sortir du cadre de l'aviation civile^[9].

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.

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^[10]. Il effectua trois vols en mer, le 29 janvier et les 10 et 12 février 1902 assisté par des chaloupes et quelques yachts pour garantir sa sécurité en mer.

• Le Zeppy 2 construit par Didier Costes et Jean-Marc Geiser, piloté par Gérard Feldzer et Nicolas Hulot^[4]. En 1992 les premiers essais du ballon relié au Chien-de-mer 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^[11]. Le Chien-de-mer est de forme cuillère asymétrique 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.

• Le Liftium 250, construit par Didier Costes^[12],[13].
• Le Liftium 2 de 300 m³, conçu par Didier Costes, fabriqué par Airstar, préparé par Stéphane Rousson était un ballon prototype devant servir à la réalisation du projet transatlantique Windreamone^[14]. Alors que le ballon était prêt pour réaliser son premier vol d'essai, celui-ci puis le projet seront abandonnés en octobre 2007.

Le M^lle Louise, construit et piloté par Stéphane Rousson. En juin 2007 ce ballon servit pour tester le principe du Chien-de-mer 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 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.

À la suite des essais menés en 2007 avec le ballon M^lle Louise, Stephane Rousson conçoit son nouveau voilier des airs l'Aerosail en 2014^[15], qu'il pilote lui-même^[8]. Afin de tester le système à moindre coût, il sera mis au point grâce aux kitesurfeurs. 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^[16].

L’Aerosail est un prototype de démonstration monoplace utilisant uniquement la force du vent pour se propulser, dont le pilotage est similaire à celui d'un ballon dirigeable à masse de gaz constante et la propulsion similaire à celle d’un voilier (génération d’un équilibre de forces hydrodynamiques et aérodynamiques donnant lieu à une résultante dans le sens du déplacement). C'est un ballon dirigeable relié à une dérive stabilisée sur 3 axes (hydrofoil Seaglider) permettant au ballon de naviguer au vent tel un voilier, mais dans l'air^[7].

Le ballon est de conception souple avec une enveloppe constituée 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 ignifugée sur une face et contrecollée film PET aluminisé 23 microns, résistance rupture 145 DaN/5 cm^{[réf. nécessaire]}.

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.

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) ;
2. d'autre part le pilotage se fait aussi à 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 centre de poussée aérodynamique du ballon par rapport à la position du câble projetée sur l'axe de tangage et de stabiliser le ballon en tangage, mais aussi de pouvoir piloter en incidence le Seaglider.

Entre le largue et le près la navigation s’effectue en jouant à la fois sur le réglage de l’incidence de l’hydrofoil 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.

Comme sur un voilier on vire de bord face au vent pour changer d'amure. Il faut aussi remonter l'hydrofoil pour repositionner la gouverne au coté à virer, avant de repartir sur le bord voulu.

Les kiteboats des frères Legaignoux sont basés sur un trimaran avec foil et aile de kitesurf (il ne s'agit pas d'un voilier des airs puisque la coque est portée par le foil sous le vent).^{[non pertinent]}

L'Exoplane (1970) de Didier Costes sera repris dans une configuration similaire par le Sailrocket (2008)^[4],[17].

Le 5 septembre 2006 les Suédois Alexander Sahlin et Jens Österlung testent un prototype de vitesse équipé d'un paravane^[18].

Le Vestas Sailrocket 2 est un voilier prototype équipé d'une aile rigide inclinée portante et d'un contre foil. Il réalise le 24 novembre 2012 en Namibie un record mondial de vitesse à 121,1 km/h.

Le premier vol combiné avec une voile de kitesurf 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 Kitesurf. 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^[19],[20]. L'astronaute Michel Tognini participera aux essais techniques^[21].

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^[21].

En 2018 Gabriel Bousquet propose un concept constitué d'un avion surmonté d'une aile et équipé d'une dérive immergée lorsque l'avion vole au ras de l'eau. Il réalise et teste une preuve de concept à petite échelle^[22],[23].

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^[24],[25]. Le Syroco Moonshot de Alexandre Caizergues et le SP80 de l’École polytechnique fédérale de Lausanne entrent en compétition^[26],[27].

En 2021, Globe For You propose un nouveau concept, proche de celui de Gabriel Bousquet avec une dérive traversante sous une structure rigide volante. L'innovation réside dans l'utilisation d'une voile inclinée sous le vent (comme pour un kiteboat) mais aussi d'une voile inclinée au vent de manière à annuler le couple de chavirage^{[28][réf. non conforme]}. Un prototype est construit et testé tracté derrière un bateau à moteur mais sans réussir à décoller^[28].

• 
  Coque de l'Exoplane.
• 
  L'Exoplane avec une voile de Kitesurf.

En 2020, le champion du monde de vitesse Alexandre Caizergues propose de tenter le record de vitesse en reprenant le principe technique de l'aile d'eau de Luc Armant reliée à une aile de kitesurf tractant un habitacle aérien^[29],[30].

• 
  Le prototype télécommandé de Syroco en vol.

Les étudiants de l'École polytechnique fédérale de Lausanne travaillent sur le prototype SP80 ayant pour objectif de battre le record de vitesse autour de l'été 2023^[31]. Le prototype présente un foil en cuillère^[32]. La position du point de tire est réglable tout comme le Seaglider.

• (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.

• 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

• 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
• Prototype Syroco Moonshot
• Prototype SP80

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