Long de 3,65 mètres et large de 86 cm, Vaimos affiche un tirant d’eau de 80 cm, une voilure de 6 m2 et un poids fini de 300 kilos. Bien réglé, il peut atteindre 4 nœuds au près et 5-6 nœuds au portant. Photo @ Patrick Rousseaux IFREMERTout commence par un concours international entre écoles et universités, le «Microtransat Challenge», qui consiste à concevoir des prototypes de voiliers robotisés dans le but de traverser l’Atlantique.

En formation continue à l’ENSTA Bretagne, après dix ans passés à l’Ifremer (Institut français de recherche pour l’exploitation de la mer), Olivier Ménage relève ce défi original. Et se rend très vite compte du potentiel de ces petits drones à voile autonomes pour des applications de recherche scientifique. C’est ainsi que la conception de Vaimos devient son projet de fin d’études.

Mené conjointement par l’Ifremer, l’ENSTA Bretagne et le Laboratoire de Physique des Océans (LPO), le programme est lancé en février 2011 et mené par une équipe de quatre personnes.

Une coque de Mini-JI

Le temps dont disposent les concepteurs pour développer le prototype étant trop court pour construire un bateau, ils travaillent à partir d’une coque de Mini-JI, petit quillard de sport long de 3,65 mètres et large de 86 centimètres, réplique miniature des anciens voiliers de la Coupe de l’America. «Un support suffisamment grand pour embarquer tous les appareils de navigation et de mesures, et assez petit pour être manipulé et mis à l’eau sans difficultés», justifie Patrick Rousseaux, l’un des concepteurs de Vaimos.

Pour répondre aux besoins d’un engin à usage scientifique, d’importantes modifications sont effectuées par rapport au bateau d’origine. Olivier Ménage et son équipe travaillent sur un nouveau plan de voilure et mettent en place un gréement à balestron avec une grande bôme perpendiculaire au mât qui dirige à la fois la grand-voile et le foc – pas de réglage spécifique à la voile d’avant, donc. Ils installent un mât en carbone de 60 millimètres de diamètre, bien plus raide et léger qu’un espar en aluminium. Le pont du bateau est aussi modifié de fond en comble. Totalement plat, il présente un petit winch et deux capots étanches qui abritent tous les instruments nécessaires au bon fonctionnement du drone.

La mise au point de Vaimos nécessite 600 heures de travail et un budget d’environ 20 000 euros. Le prototype est mis à l’eau en juin 2011. Au final, la surface totale des voiles est de 6 mètres carrés, le tirant d’eau de 80 centimètres (contre 65 pour un Mini-JI classique) et le poids d’environ 300 kilos. A l’origine radiocommandé, il évolue étape par étape et acquiert de l’autonomie.

Comment ça marche ?

Ne disposant pas de moteur, Vaimos se déplace en totale autonomie au moyen de ses seules voiles. Mais, avant de le laisser voler de ses propres ailes, ses concepteurs effectuent un solide travail de définition des trajectoires. «Nous lui définissons une route grâce à une succession de waypoints par lesquels il doit passer, explique Patrick Rousseaux. Entre chaque marque de parcours, nous établissons un couloir de navigation dans lequel le drone doit rester. Au près, le couloir est relativement large, afin qu’il puisse tirer des bords. S’il sort de ce cadre, il déclenche automatiquement un virement. Au travers et au portant, le couloir est beaucoup moins large, car le bateau est théoriquement apte à respecter la trajectoire prévue».

Le prototype Vaimos a été réalisé sur la base d'une coque de Mini-Ji, quillard de sport notamment utilisé en pratique handivoile. Pour le transformer en drone à usage scientifique, ses concepteurs ont mis en place un gréement à balestron et étanchéifié le pont.Photo @ Patrick Rousseaux IFREMERPour que Vaimos maintienne le cap prédéfini en amont, les corrections de barre sont en effet permanentes. Un système fiable, d’après Patrick Rousseaux, qui a constaté une bonne tenue en mer.

Le réglage des voiles, lui, intervient à chaque changement de cap ou oscillation de vent. Une station météo installée en tête de mât donne des informations constantes sur le vent réel et le vent apparent à l’électronique embarquée qui, en fonction de ces éléments et de la route à suivre, détermine l’angle des voiles adapté.

Avec un réglage optimal, Vaimos peut atteindre 4 nœuds au près et 5 à 6 nœuds au portant. Et semble en mesure d’affronter des vents forts et des mers formées. Patrick Rousseaux : «Etant donné la position de son centre de gravité, le bateau peut gîter jusqu’à 45-50 degrés sans que cela ne pose de problème. Si le vent est trop fort ou la mer trop mauvaise, il se couche à 90 degrés, sans risquer de chavirer. Il attend que les mauvaises conditions passent et il repart !»

Pas de problèmes liés à la météo pour ce qui est de la navigation, donc. Le clapot pourrait en revanche s’avérer gênant pour effectuer les mesures en surface prévues par Vaimos, qui nécessitent un plan relativement plat.

Les initiateurs du voilier robot ont beaucoup travaillé sur son autonomie. Entre l’électronique embarquée qui pilote le voilier, le treuil qui borde les voiles, le moteur qui permet de barrer et surtout les instruments de mesures scientifiques – qui utilisent à eux seuls plus de la moitié de la capacité du bateau –, Vaimos est gourmand en énergie. C’est pourquoi une éolienne à axe verticale a été installée pour apporter un complément d’énergie. «Mais, à ce stade de développement, c’est un peu juste et il vaut mieux partir avec l’énergie suffisante pour réaliser la mission», avoue Patrick Rousseaux. Cette énergie est fournie par deux batteries de 12 volts et d’une capacité d’une centaine d’ampères-heures chacune. Parfaitement étanches et incorporées dans la coque, elles représentent un poids global d’environ 50 kilos En tablant sur un apport minimal de l’éolienne, elles assurent au prototype actuel une autonomie de cinq à six jours.

Un bateau accompagnateur a suivi Vaimos tout au long de sa navigation-test entre Brest et Douarnenez. Mais à terme, la surveillance du drone et le recueil des données se feront à distance par liaison satellite Iridium.Photo @ Patrick Rousseaux IFREMERPour ce qui est du suivi à terre des futures missions, l’objectif sera de recueillir par liaison satellite Iridium toutes les données relatives à la navigation – position, cap, vitesse, angle des voiles, conditions rencontrées, énergie restante – ainsi qu’aux prélèvements effectués. Cela assurerait un traitement des mesures physico-chimiques, même en cas de perte du bateau. Cette liaison satellite permettrait aussi de refaire des programmations en cours de missions, par exemple pour éviter des tempêtes ou encore effectuer un maillage plus fin sur certaines zones d’étude.

Des mesures fines et continues

Grâce à des capteurs placés à l’avant du bateau et en front de quille, Vaimos réalise continuellement différents types de mesures (température, salinité, chlorophylle, oxygène et turbidité) à dix centimètres et à un mètre de profondeur. L’objectif : disposer de nouvelles données sur l’interface océan-atmosphère et ainsi mieux comprendre les processus de surface.

Vaimos présente des avantages par rapport aux méthodes de prélèvement actuelles. «Un bateau si petit perturbe très peu son environnement, explique Olivier Ménage. Les mesures sont bien plus fines que celles des grands navires océanographiques, qui effectuent par ailleurs leurs prélèvements à environ deux mètres de profondeur. Sans compter que ces bateaux demandent une grosse organisation, beaucoup de monde à bord et donc un budget bien plus conséquent». Disposer d’un drone autonome serait le gage d’une plus grande liberté, et permettrait d’explorer longuement des zones maritimes reculées jusqu’ici non couvertes par les navires de l’Ifremer ou les ferries et bateaux de pêche auxquels l’Institut fait parfois appel.

D’autres systèmes de mesure existent, mais sont jugés peu efficaces par Olivier Ménage : «Les bouées dérivantes ne sont pas contrôlées et finissent par sortir des zones d’étude. Quant aux bouées ancrées, leur mise en place est compliquée et onéreuse ; et elles ne font que des mesures ponctuelles».

Un premier test concluant

Avant de partir en mission, le robot-voilier Vaimos doit prouver qu’il est capable de naviguer en autonomie sur une distance longue. Les 17 et 18 janvier derniers, ses concepteurs ont donc organisé un test grandeur nature sur un parcours aller-retour entre Brest et Douarnenez, soit environ 100 milles. Un bateau accompagnateur suivait le drone à voile pour assurer la sécurité, éviter les vols et recueillir les divers paramètres à distance.

Les 17 et 18 janvier, le robot voilier a effectué une première longue navigation – plus de 55 milles en autonomie !Photo @ Google Earth (IFREMER)La première partie du trajet, jusqu’à Douarnenez, se passe sans accroc. Mais les suiveurs se rendent par la suite compte que le drone perd de la vitesse et ne règle plus ses voiles de façon optimale. Et, ironie de l’histoire, ce sont finalement des problèmes techniques liés au bateau accompagnateur qui contraignent l’équipe à interrompre la navigation, par sécurité !

L’expérience demeure pourtant une réussite, puisque Vaimos a parcouru 105 kilomètres et ainsi battu le record de la plus grande distance parcourue par un drone à propulsion vélique, auparavant détenu par le voilier robotisé Iboat II, long de 2,40 mètres et réalisé par l'Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace de Toulouse.

Joint au lendemain de cette performance, Olivier Ménage ne cachait donc pas sa satisfaction : «Le bilan général de cette première navigation sur une longue distance est très positif ! Outre le record, nous avons pu vérifier que le drone se comporte bien à toutes les allures, respecte les waypoints et reste dans les couloirs de navigation prédéfinis. En ce qui concerne les mesures, elles semblent à première vue bonnes».

Dans les mois qui viennent, les instigateurs du projet vont continuer à organiser des sorties à la journée et sans doute un autre grand test au printemps. En août prochain, Vaimos sera embarqué à bord du Thalassa – un navire de l’Ifremer de 73 mètres – et mis à l’eau pour effectuer ses études de surface dans une zone située entre les Canaries et les Açores.

Des optimisations pour demain… et après-demain

Quoi qu’il en soit, l’équipe de Vaimos pense déjà à optimiser le prototype actuel. Parmi les évolutions envisagées, la mise en place d’un système de réduction de voilure qui permettrait de gérer la quantité de toile en fonction de la météo. «Pas simple», reconnaît Olivier Ménage.

Parmi les avantages de Vaimos par rapport aux systèmes de prélèvements actuels, la possibilité d’explorer des zones maritimes reculées. En totale autonomie.Photo @ Patrick Rousseaux IFREMERA terme, Vaimos pourrait aussi être équipé d’un système AIS pour détecter et éviter d’éventuels obstacles. Auquel cas, il faudrait que le bateau recalcule par lui-même une route d’évitement et soit capable de se replacer sur la trajectoire initialement prévue. Pas simple non plus…

Pour ce qui est de l’énergie, les concepteurs travaillent au développement de panneaux solaires et à un projet d’hydrolienne. «Les premiers tests visaient principalement à valider le concept, le gréement et les algorithmes de pilotage, pas l’énergie à bord, souligne Patrick Rousseaux. Nous allons désormais pouvoir nous concentrer davantage sur l’étude et la réalisation d’une nouvelle électronique basse consommation qui permettra d’accroître l’autonomie du prototype. Nous espérons tenir deux à trois semaines – sans compter les apports de l’éolienne – lors de la mission du mois d’août».

Et à l’avenir ? Olivier Ménage : «Il est encore trop tôt pour savoir si nous allons nous orienter sur des voiliers robots plus petits ou plus grands, ou les deux selon les missions !» Des drones à voile pourraient en tout cas un jour mener des missions de plusieurs semaines, «voire de plusieurs mois avec des modèles évolués», ose le concepteur. «Mais nous n’en sommes pas là. Ce n’est que le début».

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