L'histoire de la navigation est marquée par une quête permanente de vitesse et d'efficacité, une recherche qui a trouvé son expression la plus aboutie dans l'utilisation des foils. Un foil est un appendice immergé et fixé sous la coque d'un bateau. Lorsqu'un bateau atteint une certaine vitesse, les foils grâce à leur profil semblable à une aile d’avion créent une portance suffisante pour soulever la coque hors de l'eau, réduisant ainsi la surface de contact avec l’eau et la traînée et augmentant la vitesse. Cette portance est générée par la différence de pression entre le dessus et le dessous du foil, similaire au fonctionnement des ailes d'un avion. 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 (Surrey Canal), le canot se soulève au-dessus de l’eau. Puis en 1885 en France, De Lambert réalise « une sorte de catamaran » avec des tonneaux fixés 2 par 2 l’un derrière l’autre. Une dizaine d’années plus tard, De Lambert et Phillips construisent le premier hydroptère, catamaran supporté par 4 hydrofoils transversaux d’une surface totale de 5,10 m2. A l’aube du 20ème siècle (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.
Principes hydrodynamiques et fonctionnement des appendices porteurs
Le fonctionnement des foils repose sur les principes de l'hydrodynamique. Lorsque le bateau accélère, l'eau s'écoule sur le profil incurvé du foil, générant une portance. 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. 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 : déplacement de l’eau de la zone de pression élevée vers la zone de faible pression.
La force de portance obtenue par l’intermédiaire des foils permet des performances accrues du bateau en augmentant sa vitesse maximale. Dans cette situation, 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. Les foils peuvent être adaptés à divers types de bateaux, des voiliers aux bateaux à moteur, en passant par les hydoptères (hydrofoils) et les catamarans. Les foils sont souvent construits à partir de matériaux composites comme la fibre de carbone pour offrir une combinaison optimale de légèreté et de résistance. Les profils des foils sont conçus pour maximiser la portance tout en minimisant la traînée. Des ajustements précis dans la forme et l'angle des foils peuvent améliorer significativement les performances d'un bateau. 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.
Jalons historiques et développement de la course au large
Les premières tentatives d’installation de foils sur des bateaux de course au large remontent aux années 1970, avec notamment le trimaran Paul-Ricard d’Eric Tabarly. Le concept est ensuite développé sur les Formule 40, équipés de foils droits, inclinés à 45 degrés. Tournant majeur avec la mise à l’eau en 1994 de l’Hydroptère, qui vole sur trois appuis - ses foils à 45 degrés et son safran en T. L’essai est définitivement transformé lors de la Coupe de l’America en 2010 avec USA 17, doté de foils en J, puis en 2013, où les AC72 volent en course à plus de 40 nœuds avec des foils en L. 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 avancées technologiques ont également permis la création de foils plus efficaces et plus durables. Par exemple, le projet Hydroptère, initié par Alain Thébault, a démontré les capacités des foils en atteignant des vitesses supérieures à 50 nœuds. De même, 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.
L'innovation du Figaro Bénéteau 3 : démocratisation du vol
BENETEAU innove en étant le premier chantier à installer des foils sur un bateau course de série, destiné au large. En associant à son savoir-faire les compétences du cabinet d’architectes Van Peteghem-Lauriot-Prévost, le Groupe Bénéteau offre à la classe Figaro le premier monocoque monotype à foils de série jamais imaginé. Les foils du Figaro BENETEAU 3, construits chez Multiplast, pèsent chacun 38 kilos pour une longueur développée de 3,30 mètres. Avec leur forme en « chistera », ils contribuent à l’effet anti-dérive du monotype au près, en aidant la quille dont la largeur de voile est restreinte. Résultat : des vitesses moyennes supérieures et un bateau plus stable, allégé d’environ 30% par rapport au Figaro BENETEAU 2. En 2019, tandis que la Solitaire URGO - Le Figaro fêtera son cinquantenaire, le Figaro Bénéteau 3 prendra la succession de son prédécesseur, le Figaro Bénéteau 2 qui navigue en course depuis 2003.
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Ce Figaro Bénéteau 3 est le fruit d’une forte collaboration du Groupe Bénéteau avec la Classe Figaro, OC Sport, l’organisateur de la Solitaire URGO-Le Figaro et le groupe Le Figaro. L’étude a été confiée au cabinet d’architectes Van Peteghem-Lauriot-Prévost. Pour eux, c’est un bateau dans l’air du temps avec un design fait pour durer. Le défi qui nous était proposé, résume l’architecte naval Vincent Lauriot-Prévost, était de faire un bateau performant et aussi fiable que l’a été le Figaro Bénéteau 2. Le premier prototype entre en phase de construction, pour être mis à l’eau et testé durant l’été 2017. Il portera tous les signes de la modernité : des foils, oui, mais aussi une carène plus performante, libérée des ballasts, une quille plus fine et plus profonde, un mât reculé et un plan de voilure plus grand. Enfin, le Figaro Bénéteau 3 ne pouvait qu’être conçu pour être aussi fiable que son prédécesseur. Les architectes assurent que, si le foil devait casser dans un choc, il n’abîmera pas la structure du bateau. Les foils, à l’inverse des foils des Imoca60, auront un profil tourné vers l’intérieur. Selon les architectes, le foil polyvalent apporté apporte autre chose que la puissance dynamique et la portance verticale qui sont recherchées en Imoca. Nous l’avons conçu de telle manière qu’il soit le moins pénalisant possible par petit temps et pour qu’il génère de l’antidérive à pleine vitesse.
Architecture navale et performance des multicoques de course
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. Aujourd’hui les trimarans Ultim les plus récents décollent de l’eau à partir d’une vitesse de 22 nœuds soit 40 km/h contre 28 nœuds pour la génération précédente. Ces vaisseaux accélèrent ensuite jusqu’à des vitesses de pointe autour de 40 nœuds et peuvent atteindre les 45 nœuds soit 83 km/h. Les deux foils permettant ces prouesses mesurent environ 6 mètres de long pour un poids autour de 400 kg chacun. Ces géants des mers (32 mètres de long pour 23 de large) sont des bijoux de technologies résultats d’une innovation continue. Entre 2016 et 2024, pas moins de 26 profils de foils ont été testé sur le Maxi Edmond de Rothschild, bateau vainqueur de l’ARKEA ULTIM CHALLENGE en 50 jours et 19h. L’amélioration principale de la dernière génération est sa vitesse par vent faible.
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. Voilier à carène à déplacement : ce type de bateau à voile 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. Le fond de coque légèrement en forme de « V » assure la stabilité de cap. Sur un voilier à déplacement, c’est la voile qui fournit la propulsion longitudinale : propulsion vélique, introduisant alors 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.
Défis techniques, environnementaux et stabilité en mer agitée
Cependant, l’utilisation des foils présente également des défis. Le coût des matériaux et la technologie nécessaire pour fabriquer des foils de haute qualité peuvent être coûteux, limitant leur accessibilité pour certains navigateurs. La conception et l’installation des foils nécessitent une ingénierie précise et une compréhension approfondie de l’hydrodynamique. Par exemple, l’ajustement de la portance des foils en fonction des conditions de navigation peut nécessiter des systèmes de stabilisation active. Les phénomènes hydrodynamiques, comme la ventilation et la cavitation, peuvent affecter la performance des foils, nécessitant des régulations actives pour maintenir une portance optimale. La limite principale du foil est la mer elle-même. Lorsque les vagues dépassent les 3 mètres d’envergure, mère nature reprend ses droits et perturbe alors le vol des vaisseaux.
Les bateaux à foils naviguent sur des eaux agitées grâce à des ailes sous-marines, ou foils, qui soulèvent la coque au-dessus de la surface de l'eau. Cela réduit la traînée et augmente la stabilité pour les passagers. Des systèmes avancés, comme les contrôleurs de vol et les foils actifs, s'adaptent en temps réel à la configuration des vagues, ce qui permet une navigation plus douce que celle des bateaux traditionnels. En restant au-dessus des vagues, ces navires gèrent les conditions plus difficiles avec moins de turbulences. Contrairement aux navires traditionnels qui dépendent de leur coque pour pousser à travers les vagues, les bateaux à foils utilisent des ailes sous-marines pour soulever la coque au-dessus de la surface. Cette portance réduit considérablement la traînée et minimise l'impact des vagues, ce qui rend ces bateaux particulièrement adaptés aux conditions maritimes difficiles où la stabilité des passagers à grande vitesse est essentielle. Cependant, le maintien de la portance et de l'équilibre dans des eaux agitées présente son propre lot de défis ; à faible vitesse, la stabilité peut diminuer à mesure que la coque se rapproche de l'eau, ce qui augmente la traînée et l'impact des vagues.
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