Encore plus vite que le vent

Vous savez peut-être que j'ai créé il y a un peu plus de 5 ans un blog consacré à la vitesse à la voile, "Foilers!", désormais principalement animé par d'autres passionnés. Depuis 2007, le mur des 50 noeuds a été franchi par des engins très différents, allant du kitesurf à l'Hydroptère, mais le 24 novembre 2012, le record de vitesse pure a été pulvérisé par Vestas Sailrocket 2, qui a atteint 65.45 noeuds, soit 121 km/h de moyenne sur 500m (video)

Vestas Sailrocket 2 à 65 noeuds en Namibie. Cliquez pour la video !

Dans un article faisant le bilan de 5 ans de progrès spectaculaires, j'ai relevé que pour atteindre de telles vitesses il faut des conditions idéales : vent de 30 noeuds (voire plus pour les kite) arrivant sous le bon angle au ras d'une plage pour que les vagues ne soient pas formées. Le record absolu de vitesse a-t-il toujours un sens s'il faut attendre des semaines que ces conditions se présentent en l'un des quelques spots idéaux de la planète ? Ne devrait-on pas plutôt mettre sur pied des records relatifs à la vitesse du vent, en considérant que Sailrocket a atteint 2.4x la vitesse du vent, un kitesurf atteignant 1.8 et "BMW Oracle", le géant de la dernière Coupe de l'America un facteur 4.5 ?

Car oui, on peut aller plus vite que le vent à la voile. Mais pas à toutes les "allures" : les bateaux munis de voiles traditionnelles ou d'ailes fixes ne peuvent remonter face au vent. Et au "vent arrière", il sont condamnés à une vitesse inférieure à celle du vent car  lorsque la vitesse du bateau augmente, le vent apparent diminue jusqu'au point où la puissance extraite par les voiles compense la traînée, et le bateau ne peut plus accélérer.

Mais des voiles "non traditionnelles" permettent-elles de dépasser ces limites ?

La réponse est oui. Sur l'eau il existe déjà des modèles réduits, de petits engins monoplaces et même un catamaran de 36 pieds propulsés par des éoliennes orientables couplées à des hélices marines, ce qui leur permet de remonter directement face au vent. Mais en l'absence d'organisme validant des records de VMG, les navigateurs ont peu de considération pour ces travaux

Sur terre, la NALSA (Association Nord Américaine de Chars à Voile) homologue des records face au vent en vitesse absolue (C3) et relative (C4) [1]. Ces deux records étaient tous deux détenus par le véhicule "DTU" de l'Université Technique du Danemark participant à l'édition 2011 de la compétition Aeolus. Il avait atteint 24.6 km/h et 75% de la vitesse du vent pendant les 10 meilleures secondes de son parcours sur une route de  5.3 km orientée face au vent. La course a été remportée cette année par Chinook, un engin de l'Ecole Technique Supérieure du Québec qui a remonté le vent en moyenne à 58.5% de la vitesse du vent réel.

Chinook, lauréat de l'Aeolus 2012 avec 58.5% de la vitesse du vent (cliquer pour plus d'infos)

Chinook a peut-être même ponctuellement fait mieux que les 75% de DTU, mais ça n'a plus d'importance depuis le 16 juin 2012. Car ce jour là, le "Blackbird" de Rick Cavallaro a pulvérisé le record de vitesse absolue face au vent (C3) avec 36.6 km/h et surtout le record relatif  (C4) avec 2.1 fois la vitesse du vent réel !  [2,3]

Blackbird face au vent. Remarquez le pas variable de l'éolienne (et cliquez pour plus d'infos)

Ce record spectaculaire est cependant moins surprenant que celui qu'a réalisé Blackbird le 3 juillet 2010. Ce jour là Rick Cavallaro est devenu le premier homme DDWFTTW : Direct DownWind Faster Than The Wind. Il a même atteint 44.6 km/h dans 16 km/h de vent, soit presque 2.8 fois la vitesse du vent [5,6] au vent arrière !

Comme le dit Rick Cavallaro dans un article passionnant qui retrace toute l'aventure [7], 99% des gens pensent a priori que c'est impossible (c'était mon cas) et 99% des autres n'arrivent pas à comprendre comment ça peut marcher (c'est mon cas actuellement, mais je me soigne).

En 2008, cette vidéo sur YouTube où l'on voit un modèle réduit dépasser la vitesse du vent (à partir de 1:22) a été qualifiée de canular et suscité des commentaires très critiques voire haineux sur plusieurs forums. Même des blogs de science respectables assimilaient DDWFTTW à "mouvement perpétuel" [8].

Il faut dire que la première idée qui vient à l'esprit est fausse : ce n'est pas l'éolienne qui fait tourner les roues, ce qui poserait un problème lorsque le vent apparent s'annule. Ce n'est pas non plus l'inertie du rotor qui permet de passer cette vitesse critique, et il ne faut pas inverser le pas de l'hélice pour qu'elle mouline l'air venant de l'avant après avoir mouliné l'air venant de l'arrière. D'ailleurs regardez la vidéo une fois encore : l'hélice tourne dans la direction "propulsive" dès le départ, et rien de spécial ne se produit lorsque l'engin atteint la vitesse du vent

La solution est beaucoup plus simple, mais aussi beaucoup plus perturbante que ça : ce sont les roues qui actionnent l'hélice, qui fonctionne comme un propulseur ! Ca pue le mouvement perpétuel, mais ça n'en est pas un parce que le vent réel est toujours présent, le problème étant de pouvoir utiliser son énergie.

Dans leur article "Plus vite que le vent"[7] paru dans "Pour La Science" cet été, Jean-Michel Courty et Édouard Kierlik utilisent l'analogie du yoyo : quand un yoyo est posé au sol et qu'on tire doucement sur la ficelle, il se rapproche en enroulant la ficelle autour de son axe, donc plus vite que le déplacement de la ficelle. Ce comportement ne se produit cependant que si certaines relations entre le rapport de transmission (le rapport entre le périmètre de l'axe et le périmètre du yoyo) entre le coefficient de frottement du yoyo au sol sont satisfaites.

Sur "Blackbird", c'est le vent réel arrière qui joue le rôle de la ficelle et l'hélice celui de l'axe. Avec un rapport de transmission entre le périmètre des roues et le pas de l'hélice bien choisi et des coefficients de frottement avec la route et avec l'air suffisants, le véhicule exploite avec une sorte de bras de levier la différence de vitesse relative entre les deux milieux, différence qui reste d'amplitude et de direction constante lorsque le véhicule accélère.

La possibilité théorique d'un tel véhicule avait déjà été établie en 1969 [10]. Il a fallu 30 ans de travail de passionnés pour arriver à dépasser la vitesse du vent sous toutes les allures, mais pour l'instant à terre, et avec des véhicules différents ou nécessitant une adaptation. Qui arrivera à rouler sur un cercle complet plus vite que le vent réel ? Et qui arrivera à le faire sur l'eau ?

Références

1. "NALSA REGULATIONS FOR SPEED RECORD ATTEMPTS", 2012
2. Rick Cavallaro "Report for the Submission of Data Supporting World Record Runs in the Category Dead Upwind Vehicle" 25 June 2012
3. Bob Dill and Kimball Livingston "Observers Report for Proposed Records for Dead Upwind Sailing and Maximum Speed for a Turbine Driven Craft", NALSA, Novembre 2012
4. Racing Aeolus 2011 : The Bristol Entry (slides sur la conception d'un véhicule de la compétiton)
5. Rick Cavallaro "Report for the Submission of Data Supporting World Record Runs in the Dead Downwind Vehicle Category", 12 July 2010
6. Bob Dill and Kimball Livingston "Observers Report for a NALSA Dead Down Wind Record Attempt
   And An Attempt for a Top Speed Record in the Non-Conventional Sailing Craft Category", NALSA 2010
7. Rick Cavallaro, "A Long, Strange Trip Downwind Faster Than the Wind", Wired, 27 August 2010
8. Rhett Allain 
9. Jean-Michel Courty et Édouard Kierlik "Plus vite que le vent", Pour la Science N°417 - juillet 2012
10. Andrew B. Bauer "Faster than the wind", 1969