Un prototype sphérique dont la surface peut passer de lisse à alvéolée réduit la traînée et génère de la portance.
Les véhicules sous-marins ou aériens dotés de fossettes comme des balles de golf pourraient être plus efficaces et plus maniables, comme l’a démontré un nouveau prototype mis au point à l’université du Michigan.
Ces véhicules agiles pourraient accéder à des zones habituellement difficiles d’accès dans l’océan tout en effectuant de la surveillance, en cartographiant de nouvelles zones ou en recueillant des données sur l’état de l’eau.
Les alvéoles des balles de golf réduisent la traînée de pression – la force de résistance qu’un objet rencontre lorsqu’il se déplace dans un fluide – et propulsent la balle en moyenne 30 % plus loin qu’une balle lisse. S’inspirant de ce constat, une équipe de chercheurs a mis au point un prototype sphérique dont les alvéoles de surface sont réglables et a testé son aérodynamisme dans une soufflerie contrôlée.
« Une peau extérieure dynamiquement programmable sur un véhicule sous-marin pourrait réduire considérablement la traînée tout en éliminant le besoin d’appendices saillants tels que des ailerons ou des gouvernails pour les manœuvres. En ajustant activement la texture de sa surface, le véhicule pourrait atteindre une manœuvrabilité précise avec une efficacité et un contrôle accrus », a déclaré Anchal Sareen, professeur adjoint d’architecture navale et d’ingénierie marine et d’ingénierie mécanique à l’U-M et auteur correspondant de deux études publiées dans Flow and The Physics of Fluids (flux et physique des fluides).
Sareen et ses collègues ont créé le prototype en étirant une fine couche de latex sur une sphère creuse parsemée de trous, ressemblant à une balle de pickleball. Une pompe à vide dépressurise le noyau, tirant le latex vers l’intérieur pour créer des alvéoles précises lorsqu’elle est activée. En arrêtant la pompe, la sphère redevient lisse.
Pour déterminer comment les fossettes affectent la traînée, la sphère a été testée dans une soufflerie de 3 mètres de long, suspendue par une fine tige et soumise à différentes vitesses de vent.
Pour chaque condition d’écoulement, la profondeur des alvéoles a pu être finement ajustée en modifiant la force de la pompe à vide. La traînée a été mesurée à l’aide d’une cellule de charge, un capteur qui détecte la force exercée par le flux d’air sur l’objet. Parallèlement, un aérosol a été pulvérisé dans la soufflerie tandis qu’un laser à grande vitesse et une caméra capturaient le mouvement des minuscules particules qui s’écoulaient autour de la sphère.
Pour les vitesses de vent élevées, les alvéoles les moins profondes réduisent plus efficacement la traînée, tandis que les alvéoles plus profondes sont plus efficaces pour les vitesses de vent plus faibles. En ajustant la profondeur des alvéoles, la sphère a réduit la traînée de 50 % par rapport à une sphère lisse, quelles que soient les conditions.
« La configuration de la peau adaptative est capable de détecter les changements de vitesse de l’air entrant et d’ajuster les alvéoles en conséquence pour maintenir la réduction de la traînée. L’application de ce concept aux véhicules sous-marins permettrait de réduire à la fois la traînée et la consommation de carburant », a ajouté Rodrigo Vilumbrales-Garcia, chercheur postdoctoral en architecture navale et ingénierie marine à l’U-M et auteur contribuant aux études.
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La sphère morphable intelligente peut également générer de la portance, ce qui permet de contrôler les mouvements. Souvent considérée comme la force ascendante responsable du maintien des avions dans les airs, la portance peut fonctionner dans n’importe quelle direction tant qu’elle est perpendiculaire à la direction de l’écoulement.
Pour y parvenir, les chercheurs ont conçu le squelette interne avec des trous d’un seul côté, ce qui fait que la sphère présente un côté lisse et un côté alvéolé lorsqu’elle est activée.
Cela a créé une séparation asymétrique de l’écoulement sur les deux côtés de la sphère, déviant le sillage vers le côté lisse. En vertu de la troisième loi de Newton, le fluide applique une force égale et opposée vers le côté rugueux, poussant ainsi la sphère dans la direction des fossettes. Les fossettes situées à droite génèrent une force vers la droite, tandis que celles situées à gauche poussent vers la gauche. Cela permet une direction précise en activant sélectivement les alvéoles du côté souhaité.
L’équipe a testé la nouvelle sphère dans la même soufflerie en faisant varier la vitesse du vent et la profondeur des alvéoles. Lorsque la profondeur des alvéoles est optimale, la sphère mi-rugueuse mi-lisse génère des forces de portance représentant jusqu’à 80 % de la force de traînée. La portance était aussi forte que l’effet Magnus, mais au lieu d’utiliser la rotation, elle a été créée entièrement en modifiant la texture de la surface.
« J’ai été surpris qu’une approche aussi simple puisse produire des résultats comparables à l’effet Magnus, qui nécessite une rotation continue », a dit Putu Brahmanda Sudarsana, étudiant diplômé en génie mécanique à l’U-M et auteur contribuant aux études.
« À long terme, cela pourrait profiter, par exemple, aux sous-marins robotiques sphériques compacts qui privilégient la manœuvrabilité à la vitesse pour l’exploration et l’inspection. En règle générale, ces sous-marins nécessitent plusieurs systèmes de propulsion, mais ce mécanisme pourrait contribuer à réduire ce besoin. »
À l’avenir, M. Sareen prévoit des collaborations combinant l’expertise en science des matériaux et en robotique douce, ce qui permettra d’améliorer encore les capacités de cette technologie de peau dynamique.
« Cette technologie de peau dynamique intelligente pourrait changer la donne pour les véhicules aériens et sous-marins sans pilote, en offrant une alternative légère, économe en énergie et très réactive aux surfaces de contrôle articulées traditionnelles », a-t-elle conclu. « En permettant une adaptation en temps réel aux conditions d’écoulement changeantes, cette innovation promet d’améliorer la manœuvrabilité, d’optimiser les performances et d’ouvrir de nouvelles possibilités pour la conception des véhicules. »
Article : « Adaptive drag reduction of a sphere using smart morphable skin » – DOI: 10.1017/flo.2025.7
Article : « On the lift generation over a sphere using asymmetric roughness » – DOI: 10.1063/5.0241948
