Les foils ont radicalement transformé le monde des bateaux, 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. Cette technologie a redéfini les standards de vitesse et d'efficacité dans le monde nautique, qu'il s'agisse de voiliers, d'hydoptères, de catamarans ou même de bateaux à moteur. Le développement de ces accessoires a également stimulé des innovations dans des disciplines telles que le wingfoil, l’efoil et le kitefoil, marquant une nouvelle ère pour la voile sportive et les sports nautiques.
Définition et Fonctionnement Fondamental des Foils
Un foil est un appendice immergé et fixé sous la coque d'un bateau. Son principe de fonctionnement repose sur des mécanismes similaires à ceux des ailes d'un avion. Lorsqu'un bateau atteint une certaine vitesse, les foils, grâce à leur profil incurvé, créent une portance suffisante pour soulever la coque hors de l'eau. Ce phénomène réduit significativement la surface de contact avec l’eau et, par conséquent, la traînée hydrodynamique, ce qui a pour effet d'augmenter la vitesse du navire. Cette portance est générée par une différence de pression entre le dessus et le dessous du foil. L'eau s'écoule sur le profil incurvé du foil, générant une portance qui soulève le bateau, réduisant ainsi le contact avec l'eau et la résistance.
Les foils sont souvent construits à partir de matériaux composites, tels que la fibre de carbone, pour offrir une combinaison optimale de légèreté et de résistance. Les profils des foils sont méticuleusement 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. Ces profils peuvent être modifiés pour s'adapter aux conditions de navigation spécifiques, garantissant une performance et une stabilité optimales. L'efficacité des foils est particulièrement visible sur les hydoptères et les voiliers, leur permettant d'atteindre des vitesses élevées tout en maintenant une stabilité optimale. Les systèmes de stabilisation active, qui utilisent des capteurs et des contrôleurs, peuvent modifier en temps réel l'angle des foils, assurant une portance et une stabilité optimales dans diverses conditions de navigation.
Une Rétrospective de l'Innovation : L'Histoire des Foils
L'histoire des foils est jalonnée d'expérimentations et d'innovations qui remontent à bien plus d'un siècle. Les premières expérimentations avec un foil ou plusieurs appendices immersés datent du début du 20ème siècle, bien que l'idée d'utiliser des surfaces portantes sous l'eau pour soulever un bateau ait été développée dès 1861 par l'Anglais Thomas William Moy. En 1869, l'ingénieur mécanicien français Emmanuel D. Farcot déposait des brevets pour des plans porteurs latéraux dont l'inclinaison pouvait être réglée en fonction de la vitesse, validant ainsi le principe de l'hydrofoil. Le principe a été amélioré en 1878 par John Stanfield et Josiah Clark à Londres, et en 1881, Horatio F. Phillips, un pionnier de l'aviation, inventait le système des foils transversaux pour les navires rapides. Un prototype de foiler a été réalisé en 1895 par le comte Charles de Lambert, un aviateur français, sous la forme d'un catamaran dont les deux flotteurs étaient réunis par des plaques en dessous. Tracté par un cheval, ce multicoque s'élevait rapidement au-dessus de l'eau. L'inventeur a continué à améliorer son invention, concevant même un catamaran avec cinq foils latéraux et un moteur pour atteindre 40 km/h en frôlant la surface de l'eau. En 1887, l'Américain William M. Meacham a repris cette idée à Chicago.
En 1906, l'ingénieur-inventeur italien Enrico Forlanini a effectué les premiers essais de l'Idroplano, un catamaran de 10 mètres de long et 1,62 tonne doté de foils. Propulsé par un moteur de 70 chevaux, il atteignait 27 nœuds. En 1911, il récidivait avec un catamaran de 10 mètres propulsé par un moteur Fiat de 100 chevaux, atteignant une vitesse moyenne de 40,5 nœuds sur 34 km. L'inventeur du téléphone, Alexander Graham Bell, et son assistant Frederick W. Baldwin, ont acheté le brevet de Forlanini et amélioré le système, construisant plusieurs prototypes d'hydroptères. Leur HD-4, développé en 1919, a établi un record mondial de 131 km/h (71 nœuds), un record qui a duré plus d'une décennie.
Lire aussi: Expérience culinaire en catamaran
L'application des foils aux voiliers a suivi. La première utilisation connue d'hydrofoils sur des voiliers remonte à 1938 avec le Catafoil, réalisé par les Anglais Robert Rowe Gilruth et Bill Carl, également pionniers de l'aviation. En 1950, le Towboat II du scientifique américain J. Gordon Baker, un cat-boat, est considéré par beaucoup comme le premier vrai voilier à foils. En 1969, le marin inventeur anglais James Grogono a modifié un Tornado pour lui ajouter des foils, lui permettant de battre six fois le record du monde de vitesse sur l’eau (sur 500 m) en classe B, avec une vitesse maximum de 28,4 nœuds. Au cours des années 1960 et 1970, de nombreux prototypes ont été développés, dont l'ingénieux Hydrofolie, un trimaran équipé de foils réglables conçu par l'architecte français Xavier Joubert.
Les multicoques à foils ont réellement émergé sous les feux de la rampe avec le Français Éric Tabarly et son trimaran Paul Ricard, qui, en 1980, a battu le record de la traversée de l’Atlantique. Poursuivant les travaux de Tabarly, Alain Thébault a développé l'Hydroptère, qui est devenu en 2009 le premier multicoque à dépasser 50 nœuds. En 2009, l'"Hydroptère" a établi deux records : 51,36 nœuds de moyenne sur 500 mètres et 50,17 nœuds sur le mille marin, franchissant pour la première fois la barre incroyable des 100 kilomètres par heure, le classant comme le voilier le plus rapide du monde à l'époque.
Après une décennie de recherche et de développement, l'Australien Paul Larson a établi en novembre 2011 un nouveau record mondial avec le "Sailrocket 2", qui n'a jamais été battu, atteignant une vitesse vertigineuse de 65,45 nœuds sur 500 mètres, avec des pointes à 68,01 nœuds. Le transfert de cette technique dans la construction en série a été relativement long, mais la classe International Moth a été un précurseur. Après quelques prototypes créés en Australie à la fin des années 90, Fastacraft et Bladerider ont proposé les premières mottes sur foils, déclenchant un véritable boom.
Diversité des Foils : Types et Applications Spécifiques
Les foils sont utilisés dans une grande variété de bateaux et se déclinent en de multiples formes et configurations, chacune ayant des performances et des usages spécifiques.
Foil en C : La Semi-Sustentation pour le ConfortLes foils en C ont une forme courbée plus ou moins prononcée. Ils ne permettent pas au bateau de voler entièrement hors de l’eau, mais offrent un effet de portance qui soulève le multicoque, diminuant la surface mouillée. Leurs principaux avantages sont l’amélioration de la vitesse et du confort en procurant une semi-sustentation. Ils sont également très faciles à contrôler, étant moins extrêmes que d'autres types de foils. Cependant, ils ne procurent pas les performances extrêmes et les sensations des véritables foilers. Le Rapido 40, un trimaran, en est un excellent exemple, où les appendices courbés réduisent la surface mouillée, améliorant performances et confort.
Foil en L : Stabilité et Performance pour la CompétitionCes foils, reconnaissables à leur forme en L avec une partie horizontale qui génère la portance, sont utilisés sur les monocoques de course au large ou sur les nouveaux supports de la Coupe de l’America. Leur principal avantage est d’améliorer la stabilité par rapport à des foils droits et ils offrent une meilleure sustentation. Ils représentent un bon compromis entre performance et contrôle. Cependant, les foils en L offrent une stabilité moindre que les foils en T et peuvent prendre de la place, même repliés. Les foils coudés à l'extrémité produisent à la fois du lift et un guidage latéral, ce qui est crucial pour les bateaux à quille de cantonnement, comme l'Imoca Open 60, qui ont besoin d'empêcher la dérive latérale.
Foil en T : Stabilité Optimale en VolLes foils en T sont constitués d’une partie verticale et d’une aile perpendiculaire horizontale en bout de foil. Ils sont utilisés depuis très longtemps, notamment sur les safrans de bateaux, sur les dérives, et sur les planches de surf à foil. Les avantages des foils en T sont multiples : ils offrent une grande stabilité en vol et évitent le tangage. Leur inconvénient est une traînée hydrodynamique plus importante au démarrage et une réactivité moindre lors des manœuvres. Sur des dériveurs comme l'International Moth, la dérive et le safran sont des foils en T avec des ailes montées à l'horizontale. La profondeur du profil est réglable sur les deux foils, celui de gouvernail étant réglé par la rotation de la barre franche, et le foil principal sur la dérive par un capteur de résistance automatique.
Foil en V : Simplicité et Auto-régulationTrès utilisé, notamment sur les multicoques de course, le foil en V se compose d’une lame inclinée à plus ou moins 45° vers le centre du multicoque. Le premier avantage de ce système est sa simplicité, car il s'agit plus ou moins d’une seule lame par coque. Un autre bon point est son caractère pratiquement autorégulateur : le bateau retrouve son assiette et son équilibre de manière presque automatique, y compris par mer formée. Le foil en V offre également une très faible surface mouillée, et donc peu de traînée. Néanmoins, certaines configurations initiales de foils en V suivant la forme de la coque se sont avérées moins optimales, soulignant l'importance d'un placement et d'une conception précis, comme des foils rétractables associés à un fond plat.
Foil en U : Une Configuration Moins CouranteLes foils en U, comme leur nom l'indique, sont des foils fermés en forme de U ou de O allongé. Ce système est apparu dans les années 50, mais n’est pas très populaire, ce qui suggère des défis ou des limites dans son application généralisée.
Foil Transversal : Allégement et Confort pour les MulticoquesLe foil transversal est une lame qui relie les deux coques d'un multicoque. Il agit comme une aile marine qui permet au bateau de sortir (un peu) de l’eau en prenant de la vitesse. Ce système n’induit pas un vol complet, mais allège le catamaran, diminuant sa surface mouillée et ainsi la consommation de carburant pour les bateaux à moteur. Cette lame est souvent complétée par des mini plans porteurs greffés sur les safrans. Côté avantage, en diminuant la surface mouillée, il permet d’augmenter la vitesse et améliore sensiblement le confort, notamment dans le clapot, car les coques passent au-dessus des crêtes des vagues et la lame bloque roulis et tangage. L'iFly 15 est un exemple notable de cette approche.
Applications Générales des FoilsLes foils sont adaptés à divers types de bateaux, des voiliers aux bateaux à moteur, en passant par les hydoptères et les catamarans.
- Voiliers : Les compétitions de voile, comme le Vendée Globe, utilisent des foils pour atteindre des vitesses élevées et améliorer la performance, en minimisant la traînée.
- Hydoptères : Ces bateaux utilisent des foils pour se soulever entièrement hors de l’eau, atteignant des vitesses de plus de 50 nœuds.
- Bateaux à moteur : Les foils améliorent l'efficacité et la vitesse des bateaux à moteur, leur permettant de naviguer plus rapidement et plus efficacement. Les systèmes électriques intégrés permettent de modifier en temps réel les paramètres du foil.
- Sports nautiques : Des disciplines comme le wingfoil et le windsurf intègrent des foils pour offrir des performances optimales et des sensations de glisse incomparables, même par vent léger.
Les Foils sur Catamaran : Une Application Privilégiée
Les catamarans bénéficient particulièrement de l'ajout de foils. Dès les premières expérimentations, le multicoque a représenté un support idéal pour les foils grâce à sa légèreté (pas de lest) et à la possibilité de stabiliser facilement la plateforme rectangulaire. Les multipowers, et plus particulièrement les powercats, tirent eux aussi avantage du principe.
Lire aussi: Voiles de catamaran expliquées
Les compétitions de catamarans ont démontré l'efficacité des foils pour augmenter la vitesse et la maniabilité. Les catamarans de la Coupe de l'America, comme les fameux AC72 et AC75 à foils, sont devenus des foilers à trois points, "tenant" sur l'aile en forme de L ou de Z sous le vent et sur les deux plus petits foils au niveau des safrans. L'aile au vent est à chaque fois rattrapée, non seulement pour des raisons hydrodynamiques, mais aussi pour respecter les règles de la Coupe qui limitent l'abaissement des deux foils à 15 secondes maximum pendant les manœuvres.
Pour une clientèle plus large, les fabricants de catamarans s'orientent vers des foilers à quatre points, où les quatre appendices de la coque restent abaissés en permanence. Bien que quatre ailes produisent plus de résistance dans l'eau que trois, cette configuration offre une position de vol plus stable et facilite le passage de la barre lors des manœuvres, ce qui est plus adapté à un usage quotidien.
Exemples Concrets de Catamarans à Foils :
- Le NTFM Syra 18 : Imaginé par les navigateurs professionnels Nils Frei et Yves Detrey, ce catamaran est muni d’un foil en T central inclinable, géré par un rail, qui peut basculer de 45 degrés d’un bord à l’autre. Ce système permet un moment de redressement supérieur et facilite le décollage dès 6-7 nœuds de vent. Le bateau est conçu pour le grand public, offrant une carène hybride combinant l'aérodynamisme d'un monocoque et la stabilité d'un multicoque. Deux safrans avec plans porteurs améliorent encore la stabilité. Les premiers essais ont montré une bonne tenue du bateau. Le foil central reste dans l’eau, évitant les risques de blessure associés aux foils inclinables qui dépassent au niveau du pont.
- Le Persico Cat 72' : Ce catamaran à foil de 22 mètres de long, en construction chez Persico Marine, est conçu par Morrelli and Melvin. Il vise à combiner les performances d'une unité de course (atteignant 40 nœuds) avec le confort d'un voilier de croisière. Sa construction utilise un sandwich de préimprégné de fibres de carbone avec une âme en Nomex, et l'intérieur est également en carbone pour la légèreté. Le gréement est sur mesure par Southern Spars, avec un mât aile et une bôme en carbone. Deux moteurs Torqeedo Deep Blue de 25 kW chacun assurent une vitesse de croisière de 8 nœuds, pour un poids total de 20 tonnes.
- La Classe International Moth : Cette classe de dériveurs monocoques, longue de 3,30 mètres et pesant seulement 35 kilos, est devenue emblématique du foiling. Elle a presque entièrement évolué du planeur au foiler. Dès huit nœuds de vent, un navigateur de 80 kilos peut décoller avec un Moth moderne. Le foil de gouvernail est réglé par la rotation de la barre franche, le foil principal sur la dérive par un capteur de résistance automatique.
Les foils ont donc permis aux catamarans d'accéder à des niveaux de performance inédits, combinant vitesse, stabilité et, dans certains cas, un confort accru. La voile sportive est entrée dans une nouvelle dimension depuis l'intégration des foils.
Défis, Limites et Perspectives d'Avenir des Foils
Malgré leurs avantages indéniables, l'utilisation des foils présente des défis et des limites.
Coût et Complexité Technique :Les matériaux et la technologie nécessaires pour fabriquer des foils de haute qualité peuvent être coûteux, ce qui limite leur accessibilité pour certains navigateurs. 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. Hugh Welbourn, inventeur du Dynamic Stability System (DSS), reconnaît que "un foil génère davantage de moment de redressement et donc des charges nettement plus élevées dans la coque et le gréement." Pour compenser ces charges, des renforts structurels complexes seraient nécessaires, entraînant une perte de place sous le pont et des coûts significativement plus élevés que pour un bateau sans foils.
Phénomènes Hydrodynamiques :Des phénomènes tels que la ventilation (entrée d'air le long du foil) et la cavitation (formation de bulles de vapeur d'eau due à une chute de pression) peuvent affecter la performance des foils, nécessitant des régulations actives pour maintenir une portance optimale. Les essais et les tests sont essentiels pour développer des solutions efficaces et comprendre comment prévoir la déformation du foil en conditions de navigation. Le travail sur le phénomène de ventilation par le biais du logiciel OpenFoam est un exemple de recherche actuelle.
Contrôle de l'Assiette :Le contrôle assisté de l'assiette, du tangage et du roulis est un point très complexe à mettre en œuvre pour les bateaux à foils. Atteindre la stabilisation du roulis et du tangage à des vitesses élevées (ex: 50 à 60 km/h pour une coque de 90cm) est un défi majeur qui demande un profilage précis des foils.
Monocoques vs. Multicoques :Contrairement aux multicoques, qui bénéficient d'une stabilité dimensionnelle grâce à leur largeur, le développement des monocoques à foils est compliqué par la gîte. Le monocoque nécessite un moment de redressement nettement plus important pour ne pas chavirer, et bien que les foils puissent soutenir ce moment de redressement, ils ne peuvent pas neutraliser complètement la force de gravité. Pour les grands monocoques, l'objectif reste l'assistance au foil plutôt que le vol complet à court terme.
L'Adaptation à la Production en Série :Bien que la Coupe de l'America 2017 ait montré des courses avec un temps de vol de 100%, le transfert de technologie de ces cuppers ultra-spécialisés vers la production en série est limité en raison de leur complexité et de la spécialisation des solutions. Seuls les bateaux de régate réduits au strict minimum profitent pleinement des foils. Cependant, des chantiers navals comme Beneteau explorent la production en série de foilers au format yacht, comme le Figaro 3, qui pourrait faire le pont entre les professionnels et les amateurs.
Innovation et Inspirations :Il est souvent noté que la grande majorité des évolutions navales récentes s'inspirent de l'aéronavale. Le milieu aquatique et aérien, en tant que fluides, sont régis par les mêmes lois physiques, ce qui explique la similitude des approches en matière de tourbillons, résistance, courants et appuis. Cette convergence encourage l'innovation, même si elle soulève parfois des questions sur l'inventivité purement navale. Des idées comme la propulsion semi-immergée inversée ou les propulsions par corde à piano ont été explorées, certaines étant abandonnées pour des raisons de direction ou de protection de l'hélice.
Les Matériaux et la Flexibilité :L'utilisation de la souplesse des matériaux est une idée clé permettant le décollage, où le foil fléchit sous charge en dynamique. Le développement de foils en composites carbone/époxy ou ABS permet d'atteindre une combinaison optimale de légèreté et de résistance. Le projet de fin d'étude d'étudiants d'écoles d'ingénieurs vise à prévoir la déformation du foil en conditions de navigation pour concevoir de nouvelles versions optimisées.
Projets et Innovations en Cours : De l'Expérimentation à la Production en Série
L'engouement pour les foils se manifeste à travers de nombreux projets, allant des recherches universitaires aux initiatives de passionnés, et jusqu'aux applications en série.
Lire aussi: Choisir le bon chausson voile pour votre catamaran