La performance et le confort en navigation sont intrinsèquement liés à la qualité et au profil des voiles. Pour tout propriétaire de voilier, le moment où la voile ne tient plus de manière optimale et doit être remplacée arrive souvent plus vite qu'on ne le pense. Si les avis sur le moment précis du remplacement divergent, l'évolution technologique dans le domaine des voiles, notamment vers les membranes et les structures rigides, redéfinit les attentes en matière de propulsion éolienne. Cet article, partie d'un spécial voile, explore le fonctionnement de ces technologies avancées, leurs avantages et leur place dans le paysage nautique moderne.
L'Évolution et le Remplacement des Voiles Traditionnelles : Au-delà de la Durabilité
Sur de nombreux bateaux d'occasion, la garde-robe de voile d'origine est encore attachée, celle-ci continuant généralement à remplir sa fonction après plus de 20 ans. Le remplacement n'est alors envisagé que lorsque les coutures deviennent fragiles et que le rapiéçage n'est plus une alternative viable. Cependant, le profil n'est souvent plus idéal depuis longtemps. L'allongement du tissu rend l'ensemble de la voile plus ventru, et le point le plus bas se déplace du premier tiers derrière le guindant vers le milieu du tissu. Comme la voile ne peut plus être réglée à plat et que son profil est décalé, elle génère plus de pression, mais moins de propulsion. Par conséquent, il faut prendre des ris plus tôt. Outre les pertes de performance, le confort en pâtit également.
Lors de l'évaluation d'une voile d'occasion, il faut donc regarder le profil et l'état du matériau. Les voiles en tissu polyester (Dacron) perdent plus rapidement leur profil, mais la toile elle-même est extrêmement durable et peut durer des décennies sans trop de dommages. Les voiles en laminé conservent leur profil beaucoup plus longtemps, selon la fibre utilisée, mais elles finissent par se casser mécaniquement en raison du délaminage. Si l'on peut décider de reporter l'achat d'une nouvelle voile en Dacron malgré un profil déformé, cela n'est pas possible avec une voile en laminé défectueuse, car ce dernier conserve son profil presque jusqu'à la fin de sa durée de vie mécanique. La durabilité du matériau est un facteur clé, mais la capacité à maintenir un profil efficace l'est tout autant. Le choix d'une nouvelle voile est un achat coûteux, mais il ne faut pas oublier que les voiles sont le principal moteur du yacht. Ce choix ne dépend pas uniquement de l'argent, mais surtout de l'utilisation du bateau. Pour les régatiers actifs, les tissus de qualité supérieure sont presque obligatoires, tandis que les navigateurs de croisière bénéficient également d'une garde-robe profilée et peu étirée. Des voiles bien réglées, qui font avancer rapidement le bateau haut dans le vent, peuvent faire la différence entre une excellente journée de navigation et une journée au port à cause d'une direction de vent défavorable.
Les Fondamentaux de la Propulsion Éolienne : Comprendre l'Effet Venturi et la Portance
La capacité d'un voilier à remonter le vent, ou à "tirer des bords", repose sur un principe physique fondamental : l'effet Venturi, basé sur le théorème de Bernouilli, du nom de deux physiciens du XVIIIe siècle. Ces phénomènes fondateurs de la dynamique des fluides décrivent des propriétés de tous types de fluides, aussi bien gazeux que liquides, quand ils sont en mouvement. Parmi ces propriétés, il y en a une qui permet à la fois de faire voler les avions et de faire avancer les voiliers : la densité d’un fluide diminue quand il accélère.
Pour mieux comprendre, le chemin que doit parcourir une particule d’air est plus long en passant par le haut (la partie un peu bombée qu’on appelle l’extrado) que par le bas (l’intrado) en raison de la forme légèrement asymétrique d'une aile. Comme la nature a horreur du vide, la seule solution pour celle qui prend le chemin du haut est d’accélérer, pour retrouver sa petite camarade à temps à la fin de l’aile. Comme il accélère, il est moins dense. C'est ainsi que les oiseaux et les avions parviennent à voler : ils ne sont pas vraiment « portés » par l’air qui se trouve sous leurs ailes, mais plutôt « aspirés » par l’air qui se trouve au-dessus de leurs ailes. Pour un voilier, c’est la même chose, sauf qu’au lieu d’avoir une aile rigide comme sur un avion, nous avons traditionnellement une voile souple.
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En pratique, une voile doit pouvoir utiliser deux types de puissance : la poussée arrière, appelée écoulement décroché, et l'aspiration, désignée comme portance ou écoulement attaché. Ces deux types de poussées ne nécessitent pas les mêmes types de voiles. Pour la poussée arrière, c’est la surface qui compte. Par vent arrière, plus la surface de voile est grande, plus on va “capturer” une grande quantité de vent. C’est à cela que servent les spinnakers, plus communément appelés “spis”, et c'est aussi pourquoi les gros voiliers du 19e siècle, tels que les "3 mâts barque" et les célèbres cap-horniers, avaient autant de surface de voile. Cependant, ce genre de voile fonctionne principalement par vent arrière.
La portance, en revanche, est la force qui permet aux bateaux de "remonter le vent". Si le vent vient de la droite (tribord, donc), il va avoir une très bonne aspiration vers l’avant, mais il va en même temps être repoussé vers la gauche, ce qu’on appelle la traînée. Tout le jeu consiste à augmenter la portance sans augmenter la traînée. Le ratio entre les deux s’appelle la finesse. Améliorer la finesse dépend de plein de paramètres très compliqués. Ce qui est essentiel, c'est que cette finesse dépend énormément du profil de la voile. Il faut maximiser le différentiel de distance parcourue par l’air entre les deux faces de la voile, tout en limitant au maximum la traînée. Sur un voilier classique, il existe plusieurs réglages pour tendre et pivoter la voile de façon à lui donner une forme qui se rapproche le plus possible de ce profil idéal, sans jamais pouvoir l’atteindre complètement. Le seul moyen de l’atteindre de manière optimale est la voile rigide.
Les Critères de Choix des Matériaux de Voile et Leurs Propriétés Avancées
Les caractéristiques des toiles à voile varient en fonction des fibres utilisées et de leur traitement. Les critères essentiels sont la solidité, l'allongement, la résistance aux UV, l'insensibilité au pliage et le prix. La résistance détermine la quantité de fibres à utiliser par mètre carré de voile, et donc la tenue du profil, mais aussi le poids de la toile. Plus la fibre est solide, mieux une voile légère tient son profil. La tenue du profil dépend notamment aussi de l'allongement des fibres sous charge. L'insensibilité au pliage et la résistance aux UV sont des facteurs déterminants pour la durée de vie du tissu. Le prix joue bien sûr aussi un rôle important, mais il n'est pas dit qu'une voile particulièrement chère soit celle qui dure le plus longtemps. Outre la fibre, la coupe joue également un rôle important dans la voile finie, mais la finition est aussi particulièrement déterminante pour les propriétés de la voile.
Il existe deux différences essentielles dans la fabrication des voiles : les tissus et les laminés. Les tissus sont des toiles fabriquées de manière classique à partir de fils de chaîne et de trame, le plus souvent en polyester. D'autres fibres peuvent également être intégrées en plus, on parle alors de tissus hybrides. Dans le cas des stratifiés, les fibres sont placées si possible dans le sens de la charge et collées avec un film, comme un film Mylar par exemple. L'utilisation d'un ou de deux films varie également. Un traitement supplémentaire avec du taffetas permet d'augmenter les rayons de courbure et de protéger les fibres contre les cassures lors du pliage de la voile et contre l'abrasion. Il existe de nombreux mélanges de fibres et méthodes de fabrication possibles, ce qui permet une multitude d'applications.
Le tissu le plus répandu sur les yachts de croisière est le polyester. Cette fibre est très résistante, supporte longtemps les plis et les rayons UV, et son prix est également bas. Toutefois, le polyester s'étire fortement sous la charge. Grâce à des tissages particuliers, à plus de fibres par mètre carré ou à l'ajout de Dyneema, les voiles en Dacron peuvent également avoir un profil très important, comme la variante de toile bien connue Hydranet de Dimension-Polyant. Les fibres de Dyneema sont extrêmement stables, s'étirent à peine et résistent aux plis et aux UV. Leur prix est toutefois nettement plus élevé que celui du polyester. Le Dyneema est également utilisé dans les stratifiés, bien que son inconvénient soit qu'il peut flotter en cas de forte charge persistante, ce qui peut également modifier son profil.
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Le Kevlar est une fibre aramide, peu extensible et très résistante, bonne pour les voiles laminées performantes. Cependant, les fibres sont sujettes aux plis et aux dommages causés par les UV, ce qui les destine davantage aux voiles de régate qui doivent offrir de bonnes performances mais qui doivent aussi être renouvelées régulièrement. Technora Black est une autre fibre aramide, mais elle a des propriétés de pliage légèrement meilleures et n'est pas aussi sensible aux rayons UV. Elle convient donc pour les laminés de croisière, à l'instar des fibres Vectran, qui sont à base de polyester, mais dont la structure et la résistance se situent entre celles du polyester et de l'aramide, et qui sont assez résistantes aux rayons UV et au flambage.
Le leader absolu en termes de solidité, de faible étirement et de stabilité aux UV est la fibre de carbone. Mais ce matériau présente également deux inconvénients : les fibres sont assez fragiles et peuvent donc facilement se casser, et elles sont également très chères. Les voiles en fibre de carbone ont un profil très précis, sont légères, mais ne sont pas non plus très durables comparées au polyester. Les fibres de nylon constituent une exception : elles sont très résistantes à la traction, mais présentent beaucoup d'allongement. Pour le gennaker et le spi, cet allongement est acceptable. De plus, le tissu doit être léger pour que la voile reste bien en place même par vent faible. En raison du vent apparent plus faible sur les yachts de croisière, ces voiles sont, de par leur système, utilisées par vent plutôt faible. Les polyamides thermoplastiques (le nylon est le nom commercial) sont très résistants au pliage et à l'abrasion. Ils ne sont toutefois pas adaptés aux voiles de près.
Le polyester a ses points forts dans la résistance aux UV et à la pliure et est de loin la fibre la moins chère. Cependant, l'aramide (Kevlar), le Dyneema et surtout le carbone sont plus résistants à la traction et plus rigides, des propriétés qui doivent être payées au prix fort. Pour les grandes voiles de croisière, le Dyneema, à base de polyéthylène, représente une bonne alternative au polyester et au carbone en même temps, d'autant plus que le carbone est tellement solide et rigide que le reste de l'accastillage à bord doit être adapté. Le nylon n'est utilisé que pour les voiles d'écoute.
L'Avènement des Voiles Rigides : Une Révolution Aérodynamique
L'idée de la voile rigide, ou wingsail, représente une avancée majeure. Si un voilier classique utilise une voile souple, l'aile rigide offre un profil optimal que les voiles souples ne peuvent qu'imiter avec de multiples réglages. L'idée a été remise au goût du jour par un architecte naval français, Marc Van Peteghem, fondateur de VPLP, qui imagine une aile en deux parties articulées pour l’incurver dans un sens ou l’autre, et avec un système pour l’affaler complètement. En tendant d’abord une toile sur une structure, et plus tard en remplaçant carrément la toile par de la fibre de carbone, on peut créer une forme rigide, spécialement optimisée pour maximiser la finesse. Cela coûte plus cher qu’une voile en nylon, mais comme la finesse est meilleure, on peut se permettre de diminuer la surface, et d’avoir au final, pour à peine plus cher qu’un gréement classique, un système aussi puissant et beaucoup plus petit.
Le principal défi est la réversibilité du profil. Si l’oiseau et l’avion volent toujours à l’endroit, pour les bateaux ce n’est pas aussi simple ; parfois le vent vient d’un côté de la voile (on parle d’une amure dans le jargon), parfois il vient de l’autre côté. Les voiles rigides doivent pouvoir s'adapter à cette dualité. De plus, le vent apparent, c'est-à-dire le vent ressenti à bord d'un bateau en mouvement, joue un rôle essentiel. Plus un bateau va vite, moins il aura de vent arrière et plus souvent il aura des vents de travers ou de près, ce qui est justement le régime favori des ailes rigides. Dans ces conditions, un bateau peut aller plus vite avec un vent presque de face qu'avec un vent arrière, et les grands voiliers de course, grâce à leurs foils, peuvent même atteindre une vitesse supérieure à celle du vent. Enfin, les ailes rigides ont un énorme avantage sur les voiles traditionnelles : elles prennent moins de place sur le pont, libérant ainsi de l'espace.
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L'Ingénierie des Ailes Rigides en Compétition : Leçons de l'America's Cup (AC72)
Les ailes rigides des AC72, comme celles en lice pour la Coupe America, illustrent la complexité de cette technologie. Les ingénieurs, architectes et concepteurs ont cherché à aller plus vite que la concurrence en considérant deux aspects pour une aile : l’un aérodynamique, l’autre structurel, le lien fondamental entre les deux étant le système de contrôle de l’aile, c'est-à-dire la maîtrise des formes aérodynamiques. Les équipes définissent des formes cibles pour des conditions de force et d'angle de vent données, mais se préoccupent également de ce qui est "hors-cible", les formes particulières recherchées pendant les transitions comme les virements, les empannages ou les situations tactiques.
La priorité en conception n'est pas uniquement la vitesse de pointe, mais aussi la rapidité de mise en œuvre du profil, notamment lors des transitions. Certaines équipes, comme les Néo-Zeds, ont imaginé un système permettant de cambrer le bas de l'aile très tôt via un vérin double action, ce qui offre l'avantage d'être cambré le plus tôt possible pour créer le moment de redressement voulu et continuer de voler, bien que cela nécessite une intervention de l'équipage et ajoute de la friction.
Avec les AC72, la notion de voiles plus ou moins "puissantes" n'est pas pertinente, car la navigation se fait rarement à puissance maximale. Le jeu consiste à maîtriser l'art du "depower", c'est-à-dire à diminuer la puissance en minimisant la traînée. L’aspect tridimensionnel, c'est-à-dire la répartition verticale du chargement aérodynamique, régule près de 90% de la traînée totale de l’aile. Par conséquent, toute question relative à la forme des sections ou à la topologie de l'aile (nombre ou taille des volets) est secondaire quant à la performance relative des différentes ailes. Le point vraiment critique est la capacité à gérer de manière optimale la répartition verticale du chargement aéro. Ce chargement local, à une hauteur donnée, est géré par trois facteurs : l'angle du vent apparent local sur le profil, la cambrure du profil (l'angle du volet) et la longueur de corde du profil. Sous réserve que la combinaison de ces trois facteurs corresponde au chargement désiré localement, les performances seront très proches. Le plan de formes d’une aile ne joue donc pas vraiment sur la performance ; deux ailes de deux plans de formes différents pourront avoir une répartition de chargement identique, sous réserve que leur vrillage soit optimal. De même, deux volets de tailles différentes pourront produire sans problème la même portance, seul leur angle de rotation sera différent.
Le vrai facteur fondamental d’une aile est invisible : c’est la gestion du vrillage par l’intermédiaire de son système de contrôle. Il faut que ce système permette, à chaque instant, d’obtenir et de maîtriser la répartition de chargement optimale. Ce travail aérodynamique consiste surtout à identifier le chargement optimal pour la plage de navigation considérée (force et angle du vent), afin d'évaluer précisément le cahier des charges du système de contrôle. Les aspects « extérieurs » de l’aile, comme la taille des volets ou le plan de formes, auront surtout un impact sur la complexité du système de contrôle. Par exemple, sur Oracle, la priorité a été de développer un système de contrôle le plus performant, le plus fin et le plus réactif possible, en plus de travailler l'intégration de l'aile sur la plateforme et la réduction du fardage général pour des gains de performance passifs, sans réglages de l'équipage.
Sur le plan des sections de profil, toutes les équipes ont fini par converger vers des sections calculées pour favoriser un écoulement turbulent. Contrairement à une idée répandue où l'écoulement laminaire est considéré comme la base du bon fonctionnement d'un profil, les ingénieurs ont réalisé que l'on confond souvent "laminaire" avec "accroché" et "turbulent" avec "décroché". En fait, quand les penons sont parallèles, le flux est « accroché » sur l’intrados comme sur l’extrados, mais il est tout à fait possible d’être « accroché » avec une couche limite turbulente, et c'est vers cela que les équipes se sont orientées. Les mots « turbulent » ou « laminaire » décrivent ce qui se passe à l’échelle de la molécule (d’air ou d’eau), alors que les mots « accroché » ou « décroché » concernent l’écoulement dans son ensemble. On peut être « turbulent » et « accroché », et c’est même une très bonne chose, comme l'ont montré les "riblets" sur la coque du Stars and Stripes de Dennis Conner en 1987.
Concernant le nombre d'éléments, l'ajout d'un petit « tab » derrière l’élément principal et en avant des volets permet de retarder le décrochage de l’écoulement sur l’extrados à de grands angles de cambrure, en gardant une ouverture élément principal/volets arrière quasi constante, ou tout du moins contrôlée. La présence de ce « tab » facilite aussi le respect de certaines règles de jauge complexes. Pour une même section donnée et un même rapport élément principal/volet, on obtient une meilleure portance grâce à la présence de ce « tab ». Cela dit, les gains sont ici de troisième ordre, et le « tab », s’il est intéressant, ajoute à la complexité, au poids, au temps et au coût de fabrication. C'est toujours une affaire de compromis et de choix. Le nombre de volets, ou « flaps », nous fait entrer directement dans l’interface complexe « aérodynamisme-structure-système de contrôle ». D'un point de vue aérodynamique, peu importe le nombre de volets si l'on pouvait avoir une membrane souple unique se déformant selon les formes cibles. Mais les contraintes de poids et de position du centre de gravité imposent des découpages. Le choix d'un nombre de volets revient à choisir un système de contrôle : plus de volets signifie plus de contrôles et donc plus de poids. Les contraintes de jauge sur le rangement et le transport des éléments ont conduit à ne pas voir moins de quatre volets. Les équipes comme ETNZ-Luna Rossa et Oracle ont fait ce choix de quatre volets, cherchant une transition la plus homogène et continue possible entre chaque volet, avec des volets dont la structure est « souple » en torsion, où le système de contrôle dicte l'angle des volets à chaque « étage ». Inversement, Artemis a opté pour des volets rigides et totalement indépendants, permettant de créer des profils de vrillage très particuliers pour chercher plus de puissance ou la déverser.
La Technologie Solid Sail/AeolDrive : Application aux Grands Navires
Le concept de voiles rigides est également appliqué à l'échelle des grands navires, comme en témoigne le système Solid Sail/AeolDrive développé par les Chantiers de l'Atlantique. Ce système représente un ensemble intégré voile et gréement conçu pour aider à propulser des navires de 200 mètres de long, réduire leur consommation de carburant et donc leurs émissions. Sur un J80 barré par Jean Le Cam, une grand-voile en matériaux composites Solid Sail de 21 m2 et 32 kilos a été testée. Elle est constituée de neuf panneaux horizontaux et d’une têtière en matériaux composites. Finis, donc, les bruyants fasseyements. La voile est déjà étonnamment efficace. Par petit temps (vent apparent inférieur à 7 nœuds), elle marche 20% moins bien qu’une voile classique en textile synthétique dacron, mais à partir de 12 nœuds de vent apparent, les performances s’égalisent, affirment les concepteurs. À la barre, on ne note pas de différence dans le comportement du bateau par rapport à une voile classique. Le Cunningham, la bordure et d'autres réglages similaires sont présents pour ajuster la forme de la voile. Les panneaux descendent aisément, se pliant en accordéon sur la bôme, facilitant l'affalage.
Le résultat des travaux menés depuis 2016 est impressionnant : un prototype à échelle 1 est testé depuis octobre 2021 aux Chantiers de l’Atlantique. Les dimensions du démonstrateur donnent le tournis : 40 mètres de haut, une voile de 600 m2 pesant 2.8 tonnes, avec des panneaux de plus de 100 m2. L'équipe de développement teste l'automatisme et l'endurance du système via une interface qui sera utilisée par les officiers de quart, permettant de contrôler l'ensemble de la voile avec des caméras et de nombreux capteurs pour surveiller les efforts. Le concept Solid Sail est l'un de ceux qui se rapprochent le plus d'une voile classique parmi les systèmes à propulsion par le vent.
Pour que le système soit sûr, l'idée consiste d'abord à supprimer le fasseyement. Ce phénomène est très énergétique et sur de très grandes surfaces, cela peut même devenir dangereux. Pour des voiles qui dépassent 1000 m2 en tissu classique, le fasseyement pourrait être extrêmement destructeur. Chaque panneau de la voile Solid Sail a deux grandes composantes : le cadre et la membrane. Le cadre est composé de deux lattes (horizontales) et deux renforts (verticaux) en carbone et époxy de 100 mm d'épaisseur. La membrane d'1 mm en fibre de verre et époxy vient remplir ce cadre qui, par sa flexion, donne le volume à la Solid Sail. Les panneaux sont soigneusement calepinés pour obtenir le volume désiré et sont raccordés par des liens textiles.
La deuxième grande trouvaille tient à l’utilisation d’un gréement à balestron. Ce système, que l’on peut observer sur les modèles réduits télécommandés, est constitué d’une double bôme d’un seul tenant (pour le foc et la grand-voile) et d’un mât en carbone autoporté. Il doit être plus dimensionné qu’un mât classique soutenu par des haubans, sachant que par 35 nœuds de vent, la poussée atteint 40 tonnes à 40 mètres. Il est cependant plus simple en maintenance. L’ensemble du gréement tourne à 360 degrés sur son axe vertical, un gage de sécurité pour le navire dont la gîte ne devra pas excéder 3 degrés. Par exemple, si le commandant fait cap plein nord avec un vent de travers venant d’est, il est tribord amure. Si le vent tourne subitement et vient complètement sur son arrière, montant à des vitesses pour lesquelles il ne peut plus opérer à la voile, il peut garder sa route, tourner le balestron pour le mettre bout au vent, et rien ne se passe. De plus, il n’est plus nécessaire de mettre le navire face au vent pour affaler, une opération longue pour un navire de grande taille, qui nécessite d’avoir de l’eau à courir et peut s’avérer dangereuse si le temps est mauvais. Avec le balestron, même si le vent est fort, le navire peut affaler sans changer de route. Ce type de gréement est facilement automatisable et opérable par une seule personne. Une interface permet à l’officier de quart de surveiller depuis la passerelle la voile réglée automatiquement, ses principaux paramètres et les efforts exercés, de décider s’il veut l’affaler ou la hisser.
Enfin, le gréement est inclinable à 70 degrés. Comme pour une grue, une fois la voile affalée, il s’incline en avant, vers l’étai, et s’arrête lorsque la bôme de 22 mètres arrive à la hauteur de la tête de mât. Ainsi, sur le paquebot équipé du système Solid Sail/Aeol Drive, le tirant d’air est divisé par deux, passant de 100 à 50 mètres, ce qui permet de passer sous des ponts stratégiques. Côté performances, les Chantiers de l’Atlantique tablent sur une économie de carburant pour la propulsion de 25 à 30%. Un surcoût de 7% par rapport au prix d'un paquebot classique peut être amorti sur les économies de carburant en 15 ans. Les voiles Solid Sail pourraient séduire des plaisanciers pour leur facilité d’usage, mais aussi des armateurs de navires de charge, voire des compagnies de ferries, pour des constructions neuves plutôt que des rétrofits.