La navigation moderne a été profondément transformée par l’avènement des voiliers à hydrofoils, une catégorie d’engins qui, bien que largement popularisée par l’America’s Cup et la Little America’s Cup, puise ses racines dans des recherches centenaires. Pour comprendre la conception d’un foil sur trimaran, il est nécessaire de distinguer les différentes familles d’engins : les « volants », dont la coque s’affranchit totalement du contact avec l’élément liquide pour ne reposer que sur ses plans porteurs, et les « archimédiens » (ou rampants), qui exploitent les foils comme des appendices de stabilisation et de performance sans pour autant quitter la surface de l’eau.
Les racines historiques du concept
L’idée de faire décoller des bateaux ne date pas des compétitions actuelles. Dès le début du XXe siècle, des pionniers passionnés d’aviation, tels qu’Alexander Graham Bell, ont exploré ces pistes. En 1913, Bell et Nancy, sa maquette d’1m50, jetaient les bases expérimentales de la sustentation aquatique. En 1920, les frères Mc Intyre déposent un brevet de trimaran dont les flotteurs sont substitués par des plans porteurs, avec pour but de proposer des plans de stabilisation adaptés pour contrer la pression de retournement générés par le vent et maintenir ainsi la position sensiblement verticale de l’embarcation en fonctionnement.
Si la mise en application concrète a pris du temps, le milieu des années 50 a vu éclore les premiers petits engins, canoës et trimarans équipés de foils. Edmond Bruce et Sam Catt, en 1954, équipent un canoë de foils en T dont l’incidence se pilotait manuellement. Plus tard, Robert Gilruth, alors à la tête des projets de vols habités pour la NASA, conçoit le Catafoil en 1963, suivi du foiler de croisière Outtriger en 1973. Ces travaux ont ouvert la voie à des réalisations emblématiques comme le trimaran Paul Ricard d’Éric Tabarly en 1979, premier grand multicoque équipé de deux foils sur les flotteurs, suivi par le mythique Hydroptère, premier trimaran à voler véritablement au-dessus de l’eau et à franchir la barre des 50 nœuds.
Principes mécaniques et classification des foilers
Sur les hydroptères, les foils ont pour but de faire décoller entièrement le bateau afin qu’il ne soit plus en contact avec l’élément liquide que par ses plans porteurs. On peut le plus souvent différencier les hydrofoils des foilers par le nombre de foils. Les foilers et trimarans à foils d’appoint sont le plus souvent équipés de deux hydrofoils sur les flotteurs et les hydroptères de trois. Les foilers, quant à eux, n’ont pas pour fonction de naviguer entièrement décollés ; l’utilisation de foils permet de conserver la stabilité tout en diminuant la surface mouillée par une réduction de la taille des flotteurs. Enfin, les trimarans à foils d’appoint tirent partie de la portance des foils pour diminuer la surface mouillée, changer l’assiette du bateau et ainsi améliorer leurs performances.
Un principe spécifique est celui du « Bruce Foil ». Sur un prao, il est préférable de décaler le plan antidérive sous le vent. En l’écartant suffisamment de l’axe du bateau, la droite perpendiculaire au centre de dérive de cet appendice va passer par le centre vélique, ce qui permet de limiter fortement la composante de gîte. Lorsque le flotteur se trouve sous le vent, ce plan antidérive reçoit un flux qui crée une portance positive, soulageant le flotteur ; inversement, lorsque le flotteur est au vent, la dérive génère une portance négative, ce qui a tendance à coller le flotteur à la surface.
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Physique de la sustentation et dynamique des fluides
La conception d’un foil repose sur la mécanique des fluides. La portance d’une aile est proportionnelle à sa surface alaire et au carré de sa vitesse de déplacement. À surface et forme identiques, la portance est quatre fois plus grande à 16 nœuds qu’à 8 nœuds. La difficulté première pour un navire sera d’atteindre une vitesse qui générera suffisamment de portance pour soulever la coque hors de l’eau. Contrairement à un avion, un navire change de milieu conceptuel entre le moment où il flotte et le moment où il vole lorsqu’il est en appui sur ses foils.
Pour un voilier, la propulsion longitudinale est obtenue par un ensemble de voiles qui introduisent un paramètre complexe : le couple de chavirement. Les multicoques utilisent la géométrie de la plateforme pour contrecarrer ce couple. Pour un monocoque à déplacement, imaginer sustenter entièrement le bateau sur deux foils principaux et le safran est illusoire. Cependant, les foils peuvent créer une portance antidérive en plus de la portance verticale de manière à supprimer les dérives transversales. Le foil est latéral et sa principale fonction est d’accroître le couple de redressement.
Typologie et architecture des foils
La conception des plans porteurs intègre un compromis entre portance, stabilité et maniabilité. Il existe plusieurs configurations :
- Foils en C : Plus ou moins courbés, ils ne permettent pas au bateau de voler hors de l’eau, mais offrent un effet de portance qui soulage le multicoque. Ils sont faciles à contrôler et améliorent la vitesse et le confort.
- Foils en L : Utilisés sur les monocoques de course, ils possèdent une partie horizontale qui génère la portance. Ils offrent une meilleure stabilité et un bon compromis entre performance et contrôle.
- Foils en T : Constitués d’une partie verticale et d’une aile perpendiculaire horizontale, ils offrent une grande stabilité en vol et évitent le tangage, bien qu’ils présentent une traînée hydrodynamique plus importante au démarrage.
- Foils en V : Composés d’une lame inclinée, ils sont pratiquement autorégulateurs, permettant au bateau de retrouver son assiette et son équilibre de manière presque automatique.
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