S1 — Carène auto-redressante à ailes inondables, sans quille lestée¶
Répond à : P1 (survie coque), P2 (auto-redressement), P3 (ouvertures), P24 (enchevêtrement), P28 (flottabilité)
Une seule décision de conception qui résout trois problèmes
Supprimer la quille lestée supprime l'appendice qui accroche les filets (P24), libère un pont solaire large et plat (P10) et n'oblige plus à emporter 15 kg de plomb. L'auto-redressement est obtenu autrement : par des ailes qui s'inondent au chavirage.
Pourquoi on abandonne la quille lestée¶
La v1 du plan reposait sur un bulbe lesté bas (approche Peruagus, ~16 kg de plomb sur 2,2 m). C'est la méthode classique, éprouvée — et c'est aussi le meilleur crochet à filets qu'on puisse dessiner.
| Quille lestée | Ailes inondables | |
|---|---|---|
| Auto-redressement | Éprouvé, simple à calculer | Éprouvé en bassin, jamais validé en traversée |
| Accroche filets/cordages/algues | Élevée — appendice profond, arête vive | Quasi nulle — carène lisse |
| Masse | +12 à 18 kg de plomb | 0 |
| Surface solaire | Limitée à la largeur de coque | Pont élargi par les ailes |
| Traînée | Faible (profil NACA) | Plus élevée (largeur, surface mouillée) |
| Fardage | Faible | Faible si profil bas |
| Fabrication | Simple | Moules plus complexes |
La devise du projet — « rien ne sert de courir, on finit toujours dans les filets » — décrit précisément le mode d'échec dominant du Microtransat. Emporter un appendice profond en sachant cela est une contradiction. On l'enlève.
Principe : la carène aXatlantic¶
Concept repris du projet allemand aXatlantic (Johannes & Heinrich, TU Berlin / Bauhaus Weimar), qui l'a optimisé sous CAESES avec le groupe Dynamics of Maritime Systems de la TU Berlin.
Géométrie¶
┌──────── pont solaire (panneaux) ────────┐
╔═══╡ aile bâbord │ .... │ aile tribord ╞═══╗ ← trous Ø6–8 mm en haut des ailes
║ (creuse) │ PONT │ (creuse) ║ et juste au-dessus de la flottaison
║ │ INTERNE│ ║
╚═══════════╗ coque en U profond ╔═════════╝ ← masses lourdes au fond (batteries, moteur)
╚═══════════════════════╝
Trois éléments, et c'est tout :
-
Une coque à section arrondie profonde, sans appendice lesté, avec toutes les masses lourdes plaquées au fond (bancs LiFePO4, moteur, lest interne éventuel en plomb coulé dans le fond de coque). Le centre de gravité descend sans que rien ne dépasse.
-
Un « pont interne » — un volume de flottabilité étanche situé juste sous les panneaux solaires. C'est lui qui rend la position retournée instable.
-
Deux « ailes » creuses de part et d'autre, qui portent les panneaux et sont percées de trous au bord supérieur, juste au-dessus de la flottaison.
Cycle de redressement¶
Les ailes sont hors de l'eau et sèches : leur air est de la flottabilité de réserve. Elles jouent le rôle de balanciers et raidissent le pont solaire. Le profil reste bas : peu de fardage, pas d'effet de voile.
Le bateau est couché par une déferlante. Les ailes passent sous l'eau, les trous se retrouvent immergés : elles s'inondent en quelques secondes.
Les ailes pleines d'eau n'apportent plus aucune poussée. Il ne reste que le pont interne pour flotter, avec un CG bas et une carène ronde au-dessus : la position retournée est instable, le bateau ne peut pas s'y stabiliser. Il repart en rotation.
Dès qu'une aile émerge, elle se vide par les mêmes trous et récupère sa poussée : le moment redresseur augmente, le mouvement s'achève tout seul jusqu'à la position droite.
Précédents du principe
Ce n'est pas une invention ex nihilo : certaines vedettes de sauvetage inondent volontairement des volumes pour abaisser leur franc-bord, et des offshores RC utilisent des chambres inondables pour se remettre à l'endroit. aXatlantic l'a transposé à un drone océanique en gardant un pont solaire plein format.
Le point critique : les trous¶
C'est la pièce maîtresse du système, et c'est un trou dans le bateau. À traiter comme tel.
Deux trous minimum par caisson, à des extrémités opposées
Un caisson percé d'un seul trou ne s'inonde pas : la poche d'air ne peut pas s'échapper. Il faut au minimum une entrée d'eau et une sortie d'air éloignées l'une de l'autre, et de préférence une répartition sur toute la longueur de l'aile pour que le remplissage soit rapide quel que soit l'angle de chavirage.
Dimensionnement du vidage. Le temps de vidange conditionne la fin du redressement. Débit par gravité :
avec \(C_d \approx 0{,}6\), \(A\) la section totale des trous, \(h\) la hauteur d'eau résiduelle.
| Configuration (aile de 8 L) | Section totale | Temps de vidange |
|---|---|---|
| 10 × Ø4 mm | 1,3 cm² | ~110 s |
| 10 × Ø8 mm | 5,0 cm² | ~27 s |
| 16 × Ø8 mm | 8,0 cm² | ~17 s |
Ces trous vont se boucher
Anatifes, sargasses, sel cristallisé : c'est la défaillance silencieuse du concept. On perd l'auto-redressement sans aucun symptôme visible en télémétrie, et on ne s'en aperçoit qu'au premier knockdown.
Mitigations : surdimensionner (Ø8 mm minimum, jamais Ø4), multiplier le nombre de trous (redondance), chanfreiner les bords, appliquer un revêtement foul-release siliconé sur tout le pourtour des trous (S17), et placer un capteur de niveau dans chaque aile pour détecter en télémétrie une aile qui reste pleine.
Méthode de conception¶
L'auto-redressement ne se constate pas, il se calcule avant de stratifier.
Critère¶
Tracer la courbe de bras de levier de redressement GZ(φ) de 0° à 180° :
- Critère éliminatoire : GZ(φ) > 0 pour tout φ ∈ [0°, 180°]. Une seule valeur négative = le bateau a une position d'équilibre retournée = perte définitive.
- Objectif 1 : maximiser GZ_max (énergie de redressement).
- Objectif 2 : minimiser le centre d'aire de la courbe GZ — le pousser vers les petits angles améliore la stabilité initiale (moins de roulis, meilleur rendement des panneaux, moins de travail pour la barre).
Ces deux objectifs sont antagonistes : aXatlantic a explicitement choisi de privilégier un GZ_max élevé au détriment du centre d'aire.
Deux jeux de calculs, pas un¶
La spécificité du concept : il faut calculer la stabilité dans deux états de flottabilité.
| État | Ailes | Utilisé pour |
|---|---|---|
| A — intact | sèches, étanches | stabilité initiale, tenue à la mer, roulis |
| B — inondé | pleines d'eau | vérification de l'auto-redressement à grand angle |
C'est le passage de A à B pendant le chavirage qui fait tout le travail. Un calcul mené uniquement en état A est trompeur et conclura à tort à une position retournée stable.
Outils accessibles à une équipe étudiante¶
aXatlantic a utilisé CAESES (licence sponsorisée) avec un modèle paramétrique à 5 variables : épaisseur des ailes, deux poids de la NURBS de section, poids du point central du pont interne, épaississement du bord extérieur des ailes. Exploration par algorithme de Sobol (100 designs) puis optimisation multi-objectif par recuit simulé (MOSA) sur 2 000 designs supplémentaires.
Sans CAESES, la chaîne réaliste :
| Besoin | Outil | Coût |
|---|---|---|
| Coque paramétrique | FreeCAD + Python, ou Rhino/Grasshopper (licence étudiante) | 0 € |
| Hydrostatique + courbe GZ | Delftship Free, ou script Python (intégration des sections immergées) | 0 € |
| Balayage de l'espace de conception | scipy.optimize / pymoo (NSGA-II) sur le script hydrostatique |
0 € |
| Vérification | Essai de chavirage sur maquette échelle 1:3 en piscine | ~100 € |
Le vrai livrable de S1
Un script de stabilité versionné dans ce dépôt qui, pour une géométrie et une répartition de masses données, sort GZ(φ) en états A et B. Tout le reste (moules, stratification) découle. C'est un livrable d'informaticiens, pas d'architectes navals — c'est votre terrain.
Construction¶
Structure conservée de la v1, elle est bonne :
- Âme en mousse rigide (PIR/Celotex ou PU haute densité) stratifiée verre/époxy : durable, réparable, flottabilité positive intrinsèque même coque percée (P28)
- Moules (plugs) découpés au fil chaud / CNC du fab-lab
- Une seule trappe scellée (double joint torique) + passages de câbles au mastic polyuréthane, pas de connecteurs traversants (P3)
Le fab-lab ne fait pas la coque porteuse
L'impression 3D sert aux plugs, fittings et pod. Jamais à la coque porteuse imprimée pleine — faiblesse inter-couches et dégradation UV/sel sur plusieurs mois.
Spécifique aux ailes : ce sont des caissons structurels qui portent les panneaux et encaissent les chocs de mer. Prévoir des cloisons transversales tous les 30–40 cm (raidissement + limitation des carènes liquides quand une aile est partiellement pleine) et un congé généreux à la jonction aile/coque.
Gain énergétique (l'effet de bord qui compte)¶
Les ailes existent pour le redressement, mais elles élargissent le pont — donc la surface de panneaux, qui est le facteur limitant n°1 du projet (voir S7 — Bilan énergétique).
| Configuration | Largeur pont | Surface exploitable | Puissance crête (cellules 22 %) |
|---|---|---|---|
| Coque nue 2,0 m × 0,45 m | 0,45 m | ~0,55 m² | ~120 Wc |
| Avec ailes, 2,0 m × 0,80 m | 0,80 m | ~1,15 m² | ~250 Wc |
C'est un facteur 2 sur la production, c'est-à-dire la différence entre un bateau qui dérive la moitié du temps et un bateau qui avance.
Vérifier le règlement de l'année
Le Microtransat limite la longueur à 2,4 m. La largeur n'est pas contrainte à ce jour, mais le règlement est révisé chaque décembre — à confirmer avant de figer les moules.
Faisabilité (équipe étudiante)¶
Moyenne-basse. C'est la brique la plus exigeante du projet, et elle a monté d'un cran par rapport à la version quille.
| Sous-tâche | Difficulté | Qui |
|---|---|---|
| Script de stabilité GZ (états A/B) | Moyenne | Équipe logicielle — faisable en interne |
| Modèle paramétrique + optimisation | Moyenne | Équipe logicielle (pymoo) |
| Plugs mousse + moules | Élevée | Fab-lab + formation |
| Stratification des ailes creuses | Élevée | Partenaire fortement recommandé |
| Essai de chavirage maquette | Faible | Piscine + GoPro |
Partenaires à démarcher : ENSTA Bretagne (Lab-STICC, Breizh Spirit), École Navale (Brest), club nautique ou artisan composite local. Un stratifieur professionnel une journée sur les ailes vaut mieux que trois mois d'apprentissage.
Matériel / composants¶
- Mousse rigide (panneaux PIR ou blocs PU haute densité)
- Tissu de verre E-glass (200–300 g/m²) + roving pour les ailes
- Résine époxy + durcisseur, microballons pour les congés
- Gelcoat ou peinture polyuréthane UV haute visibilité (S15)
- Lest interne : plomb coulé ou plaques inox boulonnées au fond de coque (~5–10 kg selon calcul GZ) — à l'intérieur, rien ne dépasse
- 2 × capteur de niveau d'eau dans les ailes (2 électrodes inox + GPIO, ~2 €)
- Consommables, outillage fil chaud/CNC du fab-lab
Coût estimatif¶
| Poste | Bas | Haut |
|---|---|---|
| Matériaux coque + ailes | 180 € | 450 € |
| Lest interne | 20 € | 60 € |
| Maquette d'essai 1:3 | 60 € | 150 € |
| Capteurs de niveau ailes | 5 € | 15 € |
| Total | ~265 € | ~675 € |
Hors main-d'œuvre et hors prestation composite éventuelle (compter 300–800 € si les ailes sont sous-traitées).
Avantages / Inconvénients / Risques¶
Avantages
- Rien ne dépasse sous la coque : le mode d'échec n°1 du Microtransat est attaqué à la racine (P24)
- Pont solaire doublé — desserre la contrainte énergétique qui plafonne tout le projet
- Pas de plomb à emporter : ~15 kg gagnés
- Profil bas : peu de fardage, pas de dérive incontrôlée sous le vent
- Flottabilité positive intrinsèque conservée (mousse)
Inconvénients
- Largeur et surface mouillée plus grandes → traînée supérieure à une coque étroite à quille (à quantifier au bassin ou en CFD)
- Moules plus complexes, stratification de caissons creux
- Deux jeux de calculs de stabilité au lieu d'un
Risques
| Risque | Gravité | Mitigation |
|---|---|---|
| Trous obstrués par le fouling → auto-redressement perdu silencieusement | Critique | Ø8 mm mini, redondance, foul-release, capteur de niveau par aile en télémétrie |
| Concept jamais validé en traversée réelle | Élevée | Essai de chavirage maquette puis grandeur nature en mer avant J0 |
| Aile qui reste partiellement pleine → carène liquide, gîte permanente | Moyenne | Cloisons transversales, trous de vidange en point bas |
| Traînée supplémentaire non compensée par le gain solaire | Moyenne | Arbitrer sur le bilan énergétique, pas à l'intuition |
| Erreur de calcul GZ → position retournée stable | Critique | Double calcul états A/B + essai maquette obligatoire au jalon J1 |
Statut réel du concept de référence
aXatlantic n'a pas encore traversé : leur tracker affiche toujours « still in dry dock », et leur coque fait 2,8 m — hors gabarit Microtransat. On reprend un principe validé en bassin et sur maquette, pas une traversée réussie. L'essai de chavirage grandeur nature n'est donc pas optionnel : c'est un jalon go/no-go.
Exemples & sources¶
- aXatlantic (TU Berlin / Bauhaus Weimar) — concept ailes inondables + pont interne, optimisation CAESES (Sobol puis MOSA sur 2 000 designs), vidéos de redressement en maquette — axatlantic.de
- Friendship Systems / CAESES et le groupe DMS de la TU Berlin — partenaires de l'optimisation de carène
- SeaCharger (2,3 m, ~23 kg, mousse/fibre) et le bateau solaire 2025 de McMillan (2,6 m, 28 kg) — construction mousse+stratifié de référence
- Peruagus (Southampton) — approche quille NACA lestée, désormais écartée ici : ceur-ws.org/Vol-2331/paper2.pdf
- AutoNaut — auto-redressement démontré en conditions opérationnelles réelles
- ENSTA Bretagne Breizh Spirit — partenaire potentiel : ensta-bretagne.fr