Le Shark Nose, c’est quoi ?
Un nom un peu barbare, mais une idée qui fait avancer la technologie de nos chers aéronefs. Fred Pieri, ingénieur chez Ozone, fait partie de l’équipe de développement qui a « inventé » le Shark Nose. Il nous explique le principe…
Mi-septembre, notre brevet n° 2972422 au long nom de… Voilure creuse avec ouverture disposée au sein d’un renfoncement dans l’intrados a été publié. L’occasion pour nous d’expliquer un peu plus ce que nous appelons couramment Shark Nose.
Après une première partie qui expose les contraintes et les compromis habituels du placement des entrées d’air sur un parapente, nous détaillerons le fonctionnement, les secrets et les avantages d’un nez Shark Nose. C’est parti !
Fig 1 : L’envergure et la corde d’un parapente
Petit lexique pour commencer :
Corde : c’est la droite passant par le bord d’attaque et allant jusqu’au bord de fuite le long d’une cloison.
Envergure : c’est la distance entre les deux bouts d’aile (donc perpendiculaire à la corde).
Shark Nose : le nom de notre technologie (ce nom vient bien sûr de la forme avant du profil, en nez de requin).
Un parapente peut être vu comme une enveloppe à laquelle on s’attache pour voler. Cette enveloppe a un profil aérodynamique qui va générer la portance… portance qui sert aussi à « tendre » le parapente dans l’axe de son envergure. En revanche dans l’axe de la corde les forces aérodynamiques sont quasiment inutiles et c’est la pression à l’intérieur de la voile qui va tendre le parapente dans cet axe. Or, même si nous avons récemment prouvé, avec la XXLite, que l’on peut voler sans pression interne (enveloppe ouverte car pas d’intrados) nous avons aussi mesuré son importance pour pouvoir faire varier l’incidence du profil…
Car faire varier l’incidence permet tout simplement de faire varier la vitesse de l’aéronef. Plus cette pression interne est haute, mieux c’est pour la tenue mécanique de la voile. Un concepteur cherche donc à maximiser cette pression. Or cette pression est bornée… non pas dans le sens qu’elle n’en fait qu’à sa tête, mais dans le sens où elle ne peut pas dépasser une certaine limite !
La zone du profil qui est perpendiculaire à la trajectoire des particules d’air s’appelle le point d’arrêt.
Fig 2 : Illustration point d’arrêt et courbe des cœfficients de pression.
C’est au niveau de ce point que les filets d’air se séparent : une partie passera par l’intrados, l’autre par l’extrados.
Pour une vitesse de vol donnée, la pression autour du profil est donc maximale au point d’arrêt. Cette pression va servir de référence pour toutes les autres pressions dans la suite de l’article : nous parlerons de coefficient de pression (CP), en partant du principe que la pression au point d’arrêt soit égale à 1 (CP=1). Par exemple, CP=0.5 veut dire que nous avons, au point de mesure, la moitié de la pression au point d’arrêt
Pour obtenir une pression interne avec un CP=1, il faut placer l’entrée d’air au niveau du point d’arrêt. Mais ce point d’arrêt n’est pas immobile sur le profil, il se balade en fonction de l’incidence.
Fig 3 : Visualisation du point d’arrêt pour une incidence de 3° jusqu’à 25°.
La cotation P désigne la plage de « balade » du point d’arrêt.
Le compromis est le suivant :
- Si l’on place l’entrée d’air en avant de la plage de déplacement du point d’arrêt, on obtient une excellente pression interne à faible incidence (cad accélérée), mais pas du tout aux grands angles d’incidence (cad avec du frein) ; cela donnera une voile avec un très mauvais gonflage et qui en plus aura du mal à ressortir des parachutales.
- Si l’on place l’entrée d’air en arrière de la plage de déplacement du point d’arrêt, ce sera l’inverse : une bonne pression aux grands angles avec sûrement une bonne longueur de débattement de freins, mais aux faibles angles d’incidence, la pression interne sera dérisoire avec une voile qui se déforme quand on accélère (donc une dégradation plus rapide des perfs), puis à partir d’un certain angle l’entrée d’air passe dans une zone de dépression : c’est une frontale.
Fig 4 : Aperçu des zones de pression et de dépression le long d’un profil pour un angle d’incidence donné.
Alors comment faire ?
Sur la majorité des voiles, l’entrée d’air est placée au milieu de la plage, avec une taille assez grande : c’est un compromis que l’on accepte, et tout le monde vit avec.
Mais essayons de l’améliorer…
Une des solutions serait de faire une ouverture qui soit aussi grande que la plage de déplacement du point d’arrêt. Malheureusement, la pression à l’intérieur de la voile n’est pas la somme des pressions au niveau de l’entrée d’air, mais plutôt quelque chose qui se rapproche de la moyenne. (Si l’on mélange de l’eau à 20°c et de l’eau à 30°c, on n’obtient pas de l’eau à 50°c… là, c’est pareil). Un parapente avec une entrée d’air très grande aurait au final une pression interne toujours moins bonne qu’avec une taille d’entrée d’air classique. Avec en plus un mauvais comportement aux grands angles : sortie difficile de parachutale, de décro, de vrille, et un mauvais comportement aux faibles angles (déformations et frontales).
Une autre solution est l’utilisation de clapets, on peut imaginer deux entrées d’air, avec derrière chacune un clapet qui se ferme quand la pression intérieure est supérieure à la pression devant l’entrée d’air. C’est une piste qui marche bien en théorie, mais très difficile à réaliser en pratique, favorisant des fuites, augmentant la difficulté de production et donc le coût de la voile, et laissant souvent des aspérités de construction génératrices de trainées sur la surface.
Plus ou moins toutes les marques ont essayé une solution avec des clapets et des valves. Mais aucune n’a réellement montré un avantage, et souvent la solution n’était pas reconduite, sauf parfois pour des ailes acro.
Une dernière solution, pour grignoter du compromis, consiste à décaler d’un cran vers le bas le panneau d’intrados, tel le schéma ci dessous :
Fig 5 : Profil avec intrados décalé vers le bas
Cette forme de profil permet d’avoir une position d’entrée d’air assez reculée tout en conservant une bonne pression interne à faible incidence. L’inconvénient de ce profil est tout simplement la cassure qu’il présente au flux, elle génère un surplus de trainées aux faibles angles, et en cas de décrochage du profil cette cassure va provoquer de la turbulence devant l’entrée d’air. Ce qui ne facilitera pas la reprise du vol.
Voici deux schémas explicatifs :
Fig 6 : Visualisation aux faibles et grands angles sur les profils à intrados décalé.
L’idée du Shark Nose
L’idée, c’est de présenter une partie concave dans la plage habituelle de déplacement du point d’arrêt. Cette partie concave va alors réduire considérablement la taille de la plage de déplacement de ce point d’arrêt.
Avant de continuer voici un schéma permettant une meilleure visualisation :
Fig 7 : Aperçu du profil sharkNoze caricaturé
Il faut considérer cette partie concave comme une zone de ralentissement des filets d’air. Il agit à l’inverse d’un « venturi » en présentant une zone plus large, les filets d’air vont moins vite. Sachant que plus un filet d’air est ralenti dans une zone, plus le CP de cette zone se rapproche de 1 (le cas extrême est le point d’arrêt vitesse nulle => CP=1).
Un des gros avantages d’un Shark Nose est sa symétrie : il marche exactement de la même façon avec un flux qui passe devant l’entrée d’air dans un sens ou dans le sens inverse.
Le même schéma que fig 6, mais avec des profils Shark :
Fig 8 : Symétrie de la situation devant entrée d’air devant un shark
Cette symétrie couplée à ses formes arrondies permet à ce profil d’avoir un bon comportement, aussi bien aux faibles incidences qu’aux grandes incidences, sans ajout de trainée.
De plus le point d’arrêt étant moins mobile, nous pouvons réduire la taille de l’entrée d’air et donc récupérer une meilleure homogénéité des pressions devant celle-ci.
Voici un graph présentant la pression intérieure d’un profil classique et d’un profil Shark Nose en fonction de l’incidence :
Fig 9 : CP à l’intérieur de la voile en fonction de l’incidence.
Voici deux graphs (fig10) un peu barbares mais complets, représentant la pression le long de l’intrados du profil, en fonction de trois angles d’incidence, pour un profil normal puis pour un Shark Nose.
Légendes figures :
En vert incidence 3°, en Cyan 10°, en Bleu 20°
E désigne la taille de l’entrée d’air.
V est la variation du CP au niveau de l’entrée d’air.
Fig 10 : Graphs des CP le long de intrados à trois angles incidences différents.
Plus la plage V est petite, plus il est facile de placer l’entrée d’air, plus la plage V est proche de CP =1, plus la pression à l’intérieur de la voile est importante.
On remarque clairement l’apparition d’une plage de déplacement réduite du point d’arrêt sur le profil Shark. Idéal pour le placement de l’entrée d’air.
Les avantages en l’air pour le pilote ?
Le Shark Nose apporte :
- Une voile qui a une meilleure résistance au décrochage aux basses vitesses, avec un débattement plus grand : utile pour relancer un virage dans un thermique un peu fort, ou pour reposer sur un décollage un peu technique qui demande de la précision.
- Une solidité accrue du profil à haute vitesse : le gain de pression interne permet de propulser une R11 à plus de 70km/h (le Shark Nose a permis à la R11 d’être sans doute la voile avec la plage de vitesse la plus grande et la plus exploitable).
- Se rajoute aussi une réduction de la traînée des entrées d’air, donc plus de finesse. Nous avons aussi remarqué un gain en montée en thermique, plus difficile à relier à la théorie.
Ce sont tous ces points qui nous ont motivés à déposer un brevet.
Historique et philosophie du Shark Nose chez Ozone
C’est en cherchant un profil qui aurait un bon comportement à basse vitesse et une bonne pression interne à haute vitesse, que le premier brouillon d’un Shark Nose est apparu. Après avoir cousu rapidement une cloison en guise de prototype, nous avons validé la faisabilité technique et avons cherché à la simplifier au maximum pour la production.
Nous décidons de faire une R10.2 avec ce profil (je dis ce profil mais déjà en une semaine de brainstorming et de simulation numérique, il n’avait de lien avec le premier profil que la paternité et le nom !). Le proto arrive, et après quelques ajustements de voilerie, nous pouvons enfin observer le gain de vitesse espéré… d’ailleurs largement plus important que ce que l’on pensait, avec en plus un débattement de frein agrandi. Que du bonheur ! C’est ainsi que le projet R11 a démarré.
Quelques mois plus tard, les R11 et le Shark sont découverts par les pilotes qui vont truster la plupart des podiums pendant la saison 2011. Mais le parapente prend un tournant politique et bientôt les voiles open class sont bannies des compétitions !
Nous travaillons donc sur une version homologable d’une voile de course. Plusieurs protos sont essayés. Les versions avec Shark se comportent bien, mais étant les premiers à amener à l’homologation une voile de ce genre, nous n’avons pas voulu bousculer trop les « habitudes » : une EN D en 2 lignes et à 7.5 d’allongement, c’était déjà assez choquant !
Puis d’autres marques présentent leur voile, certaines avec des Shark Nose maison, montrant le même avantage que le nôtre.
Pendant ce temps chez Ozone, les recherches et les essais sur ces profils se sont poursuivies à plein régime, avec progressivement des petites améliorations.
Nous recevons le courrier de validation de notre brevet en novembre 2011 et il est rendu public en septembre 2012. Qu’allons nous faire avec ce brevet ?
En théorie un brevet offre à son titulaire (en échange de rendre publique sa technologie) un avantage juridique pour faire appliquer une interdiction d’exploitation à un concurrent ou pour mettre en place d’un système de licence. Car il faut bien voir que dans un brevet tout est expliqué, c’est un peu comme un mode d’emploi.
Mais Ozone n’a ni envie de faire payer pour une technologie, ni envie de faire des procédures juridiques. Notre but est de faire les meilleurs designs possibles. Nous laisserons donc libre l’utilisation du brevet, en demandant juste en retour de coller un petit logo dans la voile.
Nous sommes simplement fiers de cette innovation qui participe à l’évolution de notre sport.
De notre côté, le Shark Nose continue son chemin dans la voie des airs, et commence à voir sa déclinaison dans les voiles pour tout le monde, telles que la Delta2.