Vous avez sûrement déjà vu ces images impressionnantes de voiliers qui semblent voler au-dessus de l’eau. Ces bateaux ne touchent plus la surface de la mer et atteignent des vitesses totalement folles, défiant les lois traditionnelles de la navigation. Cette magie technologique est rendue possible grâce à une invention appelée le « foil », un terme technique et désormais incontournable dans le monde nautique. Longtemps réservé à la course au large, comme le Vendée Globe, cet équipement se démocratise aujourd’hui. On le retrouve désormais sur des planches de surf, des kitesurfs et même des bateaux à moteur, transformant radicalement le monde des bateaux en permettant à divers types de navires de naviguer à des vitesses incroyables. En réduisant la traînée et en augmentant l'efficacité, les foils permettent aux bateaux de s'élever au-dessus de la surface de l'eau, offrant une navigation plus fluide et rapide. Mais comment une simple pièce de carbone peut-elle soulever plusieurs tonnes hors de l’eau et offrir des sensations uniques de glisse ?
Qu'est-ce qu'un Foil et Comment Fonctionne-t-il ?
Pour faire très simple, un foil est une aile rigide placée sous la coque du bateau. Cette structure en forme d’aile, aussi connue sous le nom d’hydrofoil, se fixe sous une planche ou un bateau. Elle ressemble beaucoup à une aile d’avion, mais elle est conçue spécifiquement pour fonctionner sous l’eau. Un foil est un appendice immergé et fixé sous la coque d'un bateau. Généralement fabriqués en fibre de carbone, les foils sont à la fois extrêmement solides et très légers, offrant une combinaison optimale de légèreté et de résistance. Les profils des foils sont conçus pour maximiser la portance tout en minimisant la traînée, et ils peuvent avoir plusieurs formes différentes selon le type de navire : en L, en T ou en C. Sur un voilier, ils sont souvent placés sur les côtés pour apporter de la stabilité, tandis que sur un bateau à moteur, ils peuvent être situés directement sous la coque centrale.
Le fonctionnement du foil repose sur le même principe physique que celui qui fait voler les avions : le principe de la portance dynamique, lié à la vitesse du fluide. La magie de la portance permet même à un petit dériveur léger de s’affranchir de la gravité et de voler au-dessus des vagues. Lorsque le bateau accélère, l’eau s’écoule très vite autour de la forme profilée du foil. Le foil a une forme profilée qui donne à son côté supérieur bombé (extrados) une longueur plus importante que celle de son côté inférieur (intrados), qui lui, est plat. Les molécules d’eau situées au-dessus du foil sont ainsi accélérées pour arriver en même temps que celles qui sont passées sous le foil, malgré une distance plus importante à parcourir. Cette forme bombée de l’aile oblige l’eau à accélérer sur la partie supérieure du foil.
D’après le théorème de Bernoulli, à altitude égale, la pression d’un fluide diminue quand sa vitesse augmente et inversement. C’est la différence de pression entre l’intrados et l’extrados du foil qui crée la force de portance, impliquant un déplacement de l’eau de la zone de pression élevée vers la zone de faible pression. Cette accélération crée une dépression qui « aspire » littéralement le foil vers le haut. Plus le bateau va vite, plus cette force d’aspiration verticale devient puissante et efficace. À un moment précis, cette force devient supérieure au poids total du bateau lui-même. La force de portance obtenue par l’intermédiaire des foils permet des performances accrues du bateau en augmentant sa vitesse maximale. Les profils des foils peuvent être modifiés pour s'adapter aux conditions de navigation spécifiques, et des ajustements précis dans la forme et l'angle des foils peuvent améliorer significativement les performances d'un bateau. Lorsque l’engin prend de la vitesse, le foil génère une force de portance qui soulève l’embarcation au-dessus de la surface de l’eau.
L'Évolution Historique des Foils : Des Pionniers aux Records
L’origine du foil est lointaine, car c’est dès l’année 1861 en Grande-Bretagne que Thomas Moy installe 3 foils horizontaux sous un canot. Tiré par un cheval sur le Surrey Canal, le canot se soulève au-dessus de l’eau, marquant les toutes premières expérimentations avec un foil. Puis en 1885 en France, De Lambert réalise « une sorte de catamaran » avec des tonneaux fixés deux par deux l’un derrière l’autre. Une dizaine d’années plus tard, De Lambert et Phillips construisent le premier hydroptère, un catamaran supporté par 4 hydrofoils transversaux d’une surface totale de 5,10 m². À l’aube du 20ᵉ siècle, en 1904, De Lambert est à l’origine du premier hydroptère autopropulsé à l’aide d’un moteur à explosion de Dion de 14 cv. Et ainsi de suite, des bateaux quelquefois très « originaux » vont voir le jour tout autour de notre planète. Les premiers hydrofoils ont été développés au début du 20ᵉ siècle pour des applications militaires et commerciales.
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Pendant une quarantaine d’années, la technique des foils s’améliore et séduit dans un premier temps les concepteurs de navires à moteur. L'ingénieur italien Enrico Forlanini a été un pionnier au début des années 1900, avec des hydroptères principalement constitués d'un cadre en forme d'échelle. Ces structures imitaient la forme d'une échelle et permettaient au bateau de créer une portance proportionnelle à la vitesse. Les premières utilisations des foils étaient principalement expérimentales, mais elles ont rapidement montré leur potentiel à transformer la performance des bateaux. En 1964, l'ingénieur américain Alexander Graham Bell et son assistant Frederick W. Baldwin ont développé le HD-4, un hydroptère capable d'atteindre des vitesses impressionnantes grâce à l'utilisation de foils. Cet hydroptère a établi un record de vitesse sur l'eau qui est resté inégalé pendant de nombreuses années.
Les premières expérimentations avec un foil ou plusieurs remontent au début du 20ᵉ siècle. Des pionniers comme Éric Tabarly ont été parmi les premiers à expérimenter avec les foils pour améliorer les performances des voiliers et réduire la surface de contact avec l’eau. La popularisation des foils dans le nautisme moderne s'est accélérée dans les années 1980, notamment grâce à des compétitions de voile et des records de vitesse. Les courses et compétitions ont joué un rôle clé dans cette évolution. Par exemple, Hocquinghem a été un site important pour le développement de cette technologie. Les avancées technologiques ont également permis la création de foils plus efficaces et plus durables. Le projet Hydroptère, initié par Alain Thébault, a démontré les capacités des foils en atteignant des vitesses supérieures à 50 nœuds. Les voiliers de la Coupe de l'America utilisent des foils pour améliorer leur performance en course, établissant de nouveaux standards de vitesse et de maniabilité. Les équipes impliquées dans ces projets ont continuellement repoussé les limites de ce qui est possible. De nombreux hydroptères ont été construits pour exploiter les avantages des foils.
Au-delà de la Théorie : L'Impact des Foils sur la Navigation
Le but principal des foils n’est pas seulement de faire le spectacle pour les photographes. L’objectif numéro un est de réduire drastiquement la traînée hydrodynamique, c’est-à-dire les frottements de l’eau. Un bateau à déplacement traditionnel représente l'un des plus anciens types de conception de coque. Il se déplace dans l'eau en la poussant sur le côté, contrairement aux bateaux planants qui se déplacent sur le dessus. Ces bateaux sont connus pour leur efficacité et leur vitesse réduite. Au-delà de la vitesse de la coque, l'augmentation de la vitesse exige beaucoup plus de puissance, ce qui devient inefficace lorsque le bateau monte la vague arrière au lieu de fendre l'eau. Une coque classique doit pousser une grande quantité d’eau pour avancer, ce qui freine le navire. En s’élevant dans les airs, le bateau ne subit plus que le frottement de l’air. La partie immergée de la coque (carène) n’a plus de fonction « archimédienne ». Le navire est alors « porté par ses ailes » et se comporte comme un avion. La vitesse du navire augmente au fur et à mesure que sa coque sort de l’eau, et les coques des bateaux à foils réduisent considérablement la résistance à l'eau et permettent d'atteindre des vitesses plus élevées que les coques traditionnelles.
Lorsque les bateaux planants classiques accélèrent, la traînée sur leur coque augmente en raison de l'accroissement du déplacement de l'eau et des frottements de surface. Comme les hydroptères se soulèvent au-dessus de la surface de l'eau, l'augmentation de leur vitesse peut avoir l'effet inverse : ils deviennent plus efficaces à grande vitesse qu'à faible vitesse de déplacement. Cela est dû au fait que la coque a un contact minimal avec l'eau, ce qui réduit les frottements et donc la traînée. La traînée générée par les foils est sensiblement indépendante de la vitesse et permet d'obtenir une traînée limitée à environ 10% du poids de l'embarcation, ce qui représente un excellent rendement. Il est souvent dit que la traînée des coques traditionnelles peut atteindre la puissance sixième de la vitesse, ce qui n'est pas le cas pour les foils. L'augmentation de la vitesse est d'autant plus importante que la vitesse est élevée. La portance antidérive s’ajoute à la portance verticale afin de supprimer les dérives transversales. Un voilier à carène à déplacement répond au principe d’Archimède, il ne déjauge pas et pousse l’eau pour avancer, ce qui ne lui permet pas de dépasser une vitesse théorique, en relation avec la longueur de flottaison. Sur un voilier à déplacement, c’est la voile qui fournit la propulsion longitudinale, ou propulsion vélique.
Au-delà de la vitesse pure, les foils apportent un confort de navigation assez surprenant. En volant au-dessus des vagues, la coque ne tape plus contre le clapot de la mer. Les passagers ne ressentent plus les chocs habituels, ce qui réduit considérablement le mal de mer. C’est une sensation de glisse très douce, souvent comparée à celle d’un tapis volant silencieux. Les hydrofoils, en particulier les variantes entièrement immergées, peuvent accroître considérablement la stabilité d'un bateau. Comme la coque du bateau a moins de contact avec les vagues, il en résulte une moindre réaction aux conditions des vagues. Les foils en V partiellement immergés restent stables en roulis et maintiennent automatiquement la hauteur de vol. L'un des principaux avantages des hydroptères est leur capacité à maintenir des vitesses élevées par gros temps, puisqu'ils survolent simplement les vagues.
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Diversité des Foils et Leurs Applications Spécifiques
Les foils peuvent avoir plusieurs formes différentes selon le type de navire : en L, en T ou en C. Les hydroptères varient également en forme et en taille, et sont principalement classés en deux familles : les foils en V et les foils en T. Les foils en V forment généralement un V ou un U sous la largeur du bateau afin de percer la surface de l'eau, s'élevant au-dessus de la surface de l'eau lorsque le foil est porté. Les foils en forme de T sont entièrement immergés sous l'eau et présentent généralement une aile horizontale plutôt que l'aile incurvée des foils en forme de V. Cela leur permet d'être moins affectés par l'action des vagues et donc d'être plus stables en mer. Ils sont également plus efficaces car ils génèrent moins de traînée. Cependant, les foils en T ne sont pas autostables. L'angle d'attaque des hydroptères doit être ajusté en permanence en fonction de l'évolution des conditions. Cela nécessite l'intervention de capteurs et d'ordinateurs de bord. Au sein de ces deux familles, il existe de nombreuses variantes et conceptions différentes pour des objectifs variés.
Pour les monocoques à déplacement, la situation est différente. Sur un voilier à déplacement, la propulsion vélique introduit un paramètre relativement complexe nommé « couple de chavirement », dont il faut tenir compte dans la composante latérale de la force propulsive du voilier et la gérer. On explique ainsi que sur un moth, il est évident que c’est le déport du barreur et de sa masse corporelle combinés à la distance horizontale entre le centre de portance du foil et sa position qui génèrent le couple qui va stabiliser le bateau et l’empêcher de chavirer. Si l’on veut de la puissance, il est nécessaire que la surface de voile soit suffisante pour générer de la force propulsive, induisant alors la vitesse du voilier mais également une force non négligeable qui pourrait intervenir pour faire chavirer ce dernier. Pour contrecarrer le couple de chavirage ainsi créé, on va déplacer au vent le centre de gravité du bateau en utilisant une quille pendulaire et des ballasts liquides. Il est donc pratiquement impossible que des foils installés sur un monocoque à déplacement puissent extraire totalement la coque hors de l’eau. Les foils minces, plus ‘’pointus’’, offrent des performances à faible incidence mais sur une plage d'incidence très réduite, nécessitant une gestion précise de la portance. La cambrure est aussi ramenée à la longueur de la corde, tout comme l'incidence et l'épaisseur relative du foil.
Les foils sont utilisés dans une grande variété de bateaux. Les compétitions de voile, comme le Vendée Globe, utilisent des foils pour atteindre des vitesses élevées et améliorer la performance. Les foilers monocoques de la course en solitaire autour du monde « Vendée Globe » apparaissent en 2016, mais ils ne volent pas, « la jauge IMOCA » interdisant un plan porteur (foil) sur un safran. Les architectes navals de CDK Technologies ont construit l’Imoca Charal en faisant évoluer la forme de sa coque pour aboutir « à une coque novatrice, avec une étrave très frégatée, un tableau arrière très arrondi et fermé ». Les foils permettent aux voiliers de naviguer plus rapidement en minimisant la traînée. Les équipes de course travaillent continuellement à améliorer les profils des foils pour maximiser la performance.
Sur la « Route du Rhum », cette problématique ne s’applique pas aux trimarans qui deviennent des « trimarans volants ». C’est le cas des grands multicoques « Ultimes » qui alimentent le débat entre « performances et sécurité ». La Route du Rhum 2018 sera le « galop d’essais » des skippeurs de ces géants des mers équipés de foils, le but étant d’atteindre des vitesses élevées en décollant de la surface de l’eau. Les catamarans bénéficient également de l'ajout de foils. Les compétitions de catamarans ont montré l'efficacité des foils pour augmenter la vitesse et la maniabilité. Ces bateaux sont de plus en plus utilisés dans des courses internationales, démontrant les avantages des foils en termes de performance et de stabilité.
Les hydroptères, ces bateaux qui s'élèvent au-dessus de la surface de l'eau grâce à leurs structures en forme d'ailes, réduisent considérablement la traînée et augmentent leur vitesse. C'est un contraste frappant avec les bateaux traditionnels qui restent immergés et sont ralentis par la résistance de l'eau. Ils utilisent des foils pour se soulever entièrement hors de l'eau, atteignant des vitesses de plus de 50 nœuds. L'utilisation de foils sur ces bateaux nécessite des profils spécifiques pour optimiser la portance et minimiser la cavitation. Les systèmes de stabilisation active utilisent des capteurs et des contrôleurs pour modifier en temps réel l'angle des foils, garantissant une portance et une stabilité optimales dans diverses conditions de navigation. Cela permet également d'aller plus vite que le vent, avec des vitesses supérieures à 30 nœuds avec un vent limité à 20 nœuds lorsque le poids total en charge est limité à quelques tonnes. Pendant la Guerre froide, la technologie des hydroptères a été explorée en raison de ses avantages en termes de vitesse, de silence et de stabilité pour les navires militaires. Les États-Unis et l'Union soviétique ont beaucoup investi dans la technologie des hydroptères, ce qui a donné naissance à des navires comme la classe Pegasus de Boeing et la classe Sarancha de l'Union soviétique. Les navires italiens de la classe Sparviero ont servi à la fois la marine italienne et les forces maritimes d'autodéfense japonaises.
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Les bateaux à moteur planants, quant à eux, sont équipés de différents moteurs pour les activités de loisir et les activités commerciales. Lorsqu'un bateau à moteur planant accélère, sa coque plate ou en forme de demi V pousse l'eau vers le bas. Ce mécanisme permet au bateau de naviguer à des vitesses plus élevées qu'un bateau à déplacement, mais il nécessite également une grande quantité d'énergie. Par exemple, un bateau à moteur de 25 pieds consomme 15 fois plus d'énergie par kilomètre qu'une voiture standard. Les bateaux à foils améliorent l'efficacité et la vitesse des bateaux à moteur, leur permettant de naviguer plus rapidement et plus efficacement. Les systèmes électriques intégrés dans ces foils permettent de modifier en temps réel les paramètres du foil pour optimiser les performances.
Les applications des foils dans les sports nautiques ont également gagné en popularité. Des disciplines comme le wingfoil, l’efoil et le kitefoil ont vu le jour, intégrant des foils pour offrir des performances optimales et des sensations de glisse incomparables. Le wingfoil combine une aile tenue à la main avec des foils fixés sous une planche, permettant des performances exceptionnelles même par vent léger. Le windsurf utilise des foils pour réduire la résistance et augmenter la vitesse. Les premiers à adopter ces technologies ont pu constater une amélioration notable de leurs performances en ligne droite et lors des manœuvres.
Avantages Concurrentiels et Défis de la Technologie Foil
Les bénéfices tangibles des foils sont nombreux. En premier lieu, la force de portance obtenue par l’intermédiaire des foils permet des performances accrues du bateau en augmentant sa vitesse maximale. Les bateaux à foils atteignent des vitesses plus élevées et des performances supérieures par rapport à la puissance du moteur, même dans des eaux agitées, grâce à leur efficacité. Il est à noter que la puissance nécessaire à vaincre la traînée n'est que de 5kw pour une traînée limitée à environ 10% du poids de l'embarcation, ce qui est considérable. La technologie des hydroptères combine certains des meilleurs aspects des bateaux à déplacement (efficacité) et des bateaux planants (vitesse). Les foils permettent des vitesses élevées et la possibilité d'aller plus vite que le vent, ce qui est une caractéristique notable. Les foils de première génération sont plus faciles à construire, et les vitesses supérieures à 30 nœuds peuvent entraîner une augmentation de la traînée.
Un autre avantage crucial est le confort de navigation et la stabilité. En volant au-dessus des vagues, la coque ne tape plus contre le clapot de la mer, ce qui réduit considérablement le mal de mer et améliore la stabilité directionnelle. De plus, pour les bateaux à moteur ou les hydroptères électriques, les foils permettent des économies de carburant significatives en raison de la réduction de la traînée. Un niveau sonore réduit est également un avantage notable pour les passagers, les foils permettant des voyages plus silencieux.
Cependant, l'utilisation des foils présente également des défis importants. Le coût est un facteur majeur : les matériaux et la technologie nécessaires pour fabriquer des foils de haute qualité peuvent être coûteux, limitant leur accessibilité pour certains navigateurs. La complexité technique est également un obstacle. La conception et l'installation des foils nécessitent une ingénierie précise et une compréhension approfondie de l'hydrodynamique. L'ajustement de la portance des foils en fonction des conditions de navigation peut nécessiter des systèmes de stabilisation active complexes. Les phénomènes hydrodynamiques tels que la ventilation et la cavitation peuvent affecter la performance des foils, nécessitant des régulations actives pour maintenir une portance optimale. La cavitation, notamment sur l'extrados côté bord de fuite, devient prégnante au-dessus de 30 nœuds. La plage de vitesse imposée par cette cavitation des foils est mieux connue depuis les années 50. Un foil mince donne de bonnes performances à faible incidence mais sur une plage d'incidence très réduite. Les essais et les tests sont essentiels pour développer des solutions efficaces.
Enfin, la navigation en eaux peu profondes peut être problématique. Bien que les hydroptères modernes puissent naviguer efficacement en eaux peu profondes en levant leurs foils, cela requiert une gestion active. La rétraction manuelle et automatique des foils est de plus en plus courante sur les bateaux à foils modernes, offrant aux capitaines une plus grande souplesse d'utilisation et permettant de faciliter l'entretien et de réduire les problèmes liés aux récifs et aux zones peu profondes.