La conception architecturale des trimarans est un domaine complexe où chaque détail, de la forme des coques aux systèmes de sécurité, joue un rôle crucial dans les performances, la stabilité et la sécurité du navire. Parmi ces éléments essentiels, le dièdre des flotteurs constitue un paramètre de conception fondamental, influençant directement le comportement du trimaran en mer et au mouillage.
Définition et Principes du Dièdre Appliqué aux Flotteurs
En géométrie, un dièdre est une figure formée par deux demi-plans limités par une même droite. Dans le contexte de l'architecture navale des trimarans, cette notion se transpose à la position relative des flotteurs par rapport à la coque centrale et à la surface de l'eau. On dit d’un trimaran dont les flotteurs touchent l’eau en même temps lorsqu’il est à l’arrêt qu’il a peu de dièdre. À l'inverse, un trimaran avec un dièdre important présente un flotteur au vent qui touchera moins souvent et moins fort le clapot et les vagues par mer formée.
Le dièdre peut être compris sous deux formes principales : statique et dynamique. Le dièdre statique se réfère à la configuration des flotteurs lorsque le bateau est à l'arrêt, tandis que le dièdre dynamique décrit comment les flotteurs se comportent et s'allègent en navigation, en fonction de la forme et du volume des flotteurs, de la largeur du bateau et de son poids. Il est souvent difficile de déterminer ce qui est préférable en termes de confort et de vitesse entre ces deux approches. La solution idéale, comme souvent en architecture navale, réside dans un savant compromis entre ces deux composantes. On trouve ainsi le plus souvent des flotteurs qui touchent l'eau au mouillage avec des flotteurs en V, comme c'est le cas dans les plans de D. Newick ou I. Farrier. À l'inverse, d'autres trimarans présentent des flotteurs volumineux aux formes porteuses, mais avec un dièdre statique important, comme on peut le voir dans les plans d'E. Le Rouge.
Impact du Dièdre sur la Stabilité et la Performance
L'un des avantages d'avoir un trimaran avec peu de dièdre est d'obtenir un bateau stable au mouillage. Cette configuration empêche le bateau de se balancer excessivement d'un flotteur sur l'autre, offrant un confort accru à l'équipage. De plus, un faible dièdre peut rendre le bateau plus puissant dans la brise, car il aura également moins de gîte.
Cependant, un dièdre important offre des bénéfices significatifs en navigation. En ayant le flotteur au vent qui touche moins fréquemment et avec moins de force le clapot et les vagues en mer formée, le trimaran peut éviter de recevoir des "coups de buttoirs". Ces chocs, qui surviennent sous le flotteur au vent, sont une source de ralentissement du bateau. Moins le flotteur touche l'eau de manière intempestive, moins le bateau souffre et moins les bras de liaison sont fragilisés par ces impacts répétés. Le dièdre dynamique, par lequel le flotteur au vent se soulage plus ou moins vite selon sa forme, son volume, la largeur du bateau et son poids, est un aspect crucial de cette dynamique.
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Les Flotteurs de Trimaran : Volume, Conception et Comportement
Les deux flotteurs, situés de part et d'autre de la coque centrale d'un trimaran, constituent son identité et son caractère. Le volume de ces flotteurs détermine en grande partie le comportement du trimaran. Pour obtenir un bateau stable et puissant, les flotteurs doivent posséder un volume maximal. En contrepartie, une telle puissance exige une structure de bateau solide et rigide pour la supporter, ce qui entraîne un poids et un coût supplémentaires.
Les pionniers des trimarans, ne disposant pas des connaissances actuelles en matériaux composites, rencontraient des difficultés pour fabriquer une structure adéquate pour ce type de navire. C'est pourquoi les premiers trimarans étaient souvent équipés de petits flotteurs, choisis pour des raisons de poids, de coût et de contraintes structurelles, dues à des connaissances techniques insuffisantes pour réaliser une structure légère, solide et rigide.
Lorsque le bateau est trop toilé, un flotteur peut s'enfoncer sous l'eau, provoquant une gîte importante du trimaran. Dans cette situation, les bras de liaison peuvent taper les vagues ou s'enfoncer dans l'eau, ce qui ralentit considérablement le bateau. Au près, cela se traduit par une perte de vitesse, mais au portant, un tel coup de frein peut augmenter le risque d'enfournement, pouvant potentiellement conduire à un retournement par l'avant, où le trimaran "sancit". Sur un trimaran équipé de ce genre de flotteurs, il est impératif de réduire la voilure dès que le flotteur commence à agir comme un sous-marin. Les défenseurs, de moins en moins nombreux, de ces flotteurs à faible volume considèrent que cela sert d'avertisseur en cas de surpuissance potentielle du bateau.
Les flotteurs modernes ont fait leur apparition sur les trimarans de course, car ils apportent plus de puissance au bateau et, par conséquent, plus de vitesse dans la brise. Avec ces flotteurs, il est possible de naviguer sur un seul flotteur, réduisant ainsi la surface mouillée et la traînée. Plus le rapport volume flotteur/poids est élevé, plus il est facile et sécurisant de naviguer sur un seul flotteur. Il est souvent admis que le déplacement d'eau de chaque flotteur (portance) doit être fixé dans une fourchette comprise entre 150 % et 250 % de la masse totale du trimaran, tandis que les flotteurs et les bras de liaison représentent environ 20 % chacun de la masse totale du trimaran. La coque centrale, quant à elle, représente environ 50 % de la masse totale.
Construction et Aménagement Spécifiques des Flotteurs
La fabrication des flotteurs d'un trimaran implique des étapes précises pour assurer leur intégrité structurelle et leur fonctionnalité. Le cloisonnement du flotteur, par exemple, nécessite que le flotteur soit calé de niveau sur un petit ber en bois, afin que les cloisons soient parfaitement verticales et positionnées avec exactitude. Les cotes de positionnement des cloisons sont souvent données depuis l'avant du flotteur, bien que le tableau arrière soit considéré par certains comme la surface de référence la plus fiable.
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Avant l'assemblage des cloisons, il est crucial de réaliser des joints congés sur les angles des panneaux de bordé, puis de stratifier une bande de tissu de verre sur ces joints. Cette étape est facilitée si l'on n'a pas à stratifier tout l'intérieur du flotteur dans une position inconfortable. Les cloisons sont ensuite collées minutieusement, leur verticalité et leur position longitudinale étant constamment vérifiées. Des cloisons verticales spécifiques sont également collées pour boulonner les bras de liaison.
Certaines conceptions intègrent une dérive dans chaque flotteur, à l'instar du Scarab 670, plutôt que dans la coque centrale. Le puits de dérive, dans ce cas, est vertical et placé dans l'axe longitudinal du flotteur, occupant toute la longueur disponible entre les deux caissons de fixation des bras de liaison. La construction d'un tel puits commence par la découpe du fond du flotteur, suivie du collage d'une latte carrée en pin d'Oregon sur le fond de coque à l'angle extérieur du futur puits. Les parois verticales du puits sont préalablement "glacées" à l'époxy avant leur mise en place, et des lattes carrées en pin d'Oregon sont ajoutées au sommet de chaque paroi. Une attention particulière est portée à l'alignement linéaire du puits, avec des parois parallèles et verticales, ce qui requiert un grand nombre de serre-joints. Pour compléter, une demi-cloison est installée de chaque côté du puits, à mi-distance environ.
Le pontage du flotteur est une étape plus délicate en raison de la courbure du pont, et nécessite l'utilisation de sangles et de cales. Pour éviter l'installation de trappes de visite pour chaque caisson du flotteur, il est courant de couler de la mousse polyuréthane expansive dans chaque caisson, les trous de remplissage étant visibles sur la surface.
Sécurité et Systèmes de Redressement des Trimarans
L'invention concerne le domaine de la sécurité des trimarans, visant à réduire au maximum les risques de chavirage et/ou de retournement, à assurer, le cas échéant, le redressement rapide après un chavirage, et à prévoir les dispositifs de survie après un retournement. Contrairement aux monocoques qui peuvent couler, souvent à cause de leur lest, les trimarans chavirent généralement parce qu'ils n'ont pas de lest, mais ne coulent pas grâce à une construction insubmersible. Les études en cours et les brevets spécifiques visent à améliorer ces aspects de la sécurité.
Des trimarans peuvent être conçus pour être insubmersibles dès l'origine. Des trappes de survie sont disposées des deux côtés de la coque centrale pour permettre l'évacuation de l'équipage lorsque le trimaran est à 180° à l'envers. Dans ces conditions, certains trimarans permettent même de vivre à l'envers dans des conditions acceptables, rendant les conditions de survie équivalentes à celles des monocoques.
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Parmi les dispositifs de prévention du chavirage et de redressement, plusieurs procédés ont été largement décrits. Un système de largage automatique, au-delà d'un niveau de gîte prédéterminé, du point de fixation des écoutes de voiles est crucial. Ce mécanisme se déclenche à un angle d'inclinaison critique (par exemple, 45° par rapport à l'horizontal par défaut), libérant ainsi très rapidement la voile. Cela est rendu possible par un ensemble de composants électroniques embarqués (logiciel et matériel) autonomes pour la détection d'un angle d'inclinaison du trimaran (avant/arrière/latéral). La mesure d'inclinaison est réalisée par des capteurs électriques, électroniques ou mécaniques, qui peuvent également prendre en compte la dynamique d'accélération de la modification d'assiette du trimaran. Les résultats sont analysés en temps réel par un calculateur embarqué qui peut disposer d'un modèle de décision. Les points d'attache sur le bateau des écoutes de grand-voile et de foc ou spinnaker sont ramenés chacun sur un filoir bloqueur à levier avec une commande électromagnétique (ou pyrotechnique) qui, par un ressort pré-armé, provoque l'ouverture automatique du levier.
Le mât et le gréement sont également conçus pour contribuer à la sécurité. Un mât autoportant flottant, doté par exemple d'un profil de type aile pour une flottabilité suffisante et un bon coefficient aérodynamique, peut être rendu flottant par une chambre à air et/ou des matériaux expansés. Sa masse ne dépasse généralement pas 10 % de la masse totale du trimaran et respecte un rapport longueur du mât/longueur de la coque centrale inférieur à deux. L'utilisation conjuguée du dispositif de largage des écoutes de voile et d'un gréement flottant équipé d'une bôme à bordure libre avec un point d'attache d'écoute auto-largable permet à la voile de pénétrer dans l'eau sans opposer une trop forte résistance à l'enfoncement, réduisant ainsi le risque de destruction du gréement.
Les flotteurs auto-videurs à portance variable et paramétrable sont une innovation majeure. Chaque flotteur est équipé d'un compartiment interne souple, fixé sur le fond et sur toute sa longueur. Ce compartiment, gonflé à l'air, a un volume déterminé à la construction pour être légèrement inférieur à la position d'équilibre hydrostatique correspondant à la masse du trimaran et de l'équipage lorsque le bateau est couché à 90° avec le mât flottant dans l'eau. Les flotteurs latéraux sont également équipés d'un tableau arrière ouvrant et d'un dispositif de manœuvre de la trappe d'ouverture/fermeture, accessible depuis le cockpit de la coque centrale ou l'intérieur de la cabine. De même, un dispositif de dégonflage/gonflage du compartiment interne souple à volume variable est accessible. La partie supérieure du compartiment interne souple gonflé à l'air est positionnée en légère pente descendante de l'avant vers l'arrière et située au-dessus du niveau de la flottaison du flotteur, facilitant le vidage automatique.
En cas de chavirage, plusieurs scénarios de redressement sont envisagés. Si le trimaran est couché sur le côté à 90° de gîte, la flottabilité du mât maintient le trimaran en appui sur son flotteur dans l'eau. L'équipage ouvre la trappe du tableau arrière du flotteur en contact avec l'eau. Le flotteur se vide automatiquement et progressivement au fur et à mesure de sa remontée vers la surface. Si le trimaran est retourné à 180° par une déferlante ou un enfournement, l'équipage ouvre la trappe du tableau arrière d'un des flotteurs. Dans cette situation, la coque centrale touche l'eau et le mât est en position horizontale flottant sur l'eau. Le flotteur se vide alors de la même manière, permettant le redressement. Une fois le flotteur vide, l'équipage referme la trappe. Ces commandes d'ouverture/fermeture et de dégonflage/gonflage sont placées à l'intérieur de la coque centrale, dans le carré, au-dessus de la ligne de flottaison du bateau à l'envers, et sont également facilement accessibles depuis le cockpit.
La Dynamique des Multicoques : Gréement, Carènes et Appendices
L'observation des multicoques permet d'appréhender approximativement leur comportement et leur volume intérieur. Le gréement joue un rôle majeur dans la performance. Les gréements ramassés, avec un petit mât et parfois une longue bôme, sont plus performants au vent arrière. Les gréements élancés, avec un plan de voilure haut, sont avantageux aux faibles angles d'incidence (près ou bateau rapide), trouvant un vent plus fort et régulier en hauteur. Cependant, la force étant située plus haut, elle augmente le couple de chavirage, rendant les bateaux plus volages et difficiles à tenir par vent fort.
La largeur du multicoque est également déterminante. Pour une même longueur, un multicoque large possède un couple de redressement plus important qu'un bateau étroit. Il sera plus difficile à faire chavirer par le côté et pourra porter plus de toile par gros temps, étant considéré comme plus raide à la toile. Un bateau étroit, en revanche, nécessite moins d'effort à l'utilisation, soulageant une coque et diminuant sa surface mouillée plus rapidement, ce qui améliore la performance par vent médium. Les architectes anglais ont parfois tendance à concevoir des catamarans étroits avec des plans de voilures ramassés pour compenser, afin d'obtenir des bateaux à la fois faciles et sécurisants.
L'œuvre vive, la partie sous la ligne de flottaison, est cruciale pour la capacité de charge, la vitesse et le passage en mer. Les sections en V améliorent le passage en mer, mais supportent moins bien la charge et développent une forte surface mouillée, ce qui diminue la performance, surtout par petit temps. Les sections asymétriques, que l'on trouve sur les flotteurs de certains trimarans ou catamarans de sport, sont plus volumineuses vers l'extérieur du bateau et plus aplaties vers l'intérieur, créant un plan antidérive. Quand un bateau possède un tirant d'eau similaire de l'avant à l'arrière, on parle de carène tendue. Plus une coque est longue, meilleurs sont sa vitesse et son comportement dans une mer formée. Un multicoque ne gîte pas de la même manière qu'un monocoque, sa longueur de flottaison restant constante, contrairement aux calculs complexes nécessaires pour les monocoques.
Les étraves, qui ouvrent la mer au reste du bateau, sont également un point de conception important. Les étraves inversées, par exemple, offrent une longueur de flottaison maximale et traversent les vagues et le clapot sans tanguer. Le franc-bord, la partie du bateau entre l'eau et le pont, apporte du volume à la coque ou au flotteur. Des francs-bords verticaux et plats sont sensibles aux vagues qui déferlent dessus. Le fardage, la prise au vent de tout ce qui compose un bateau, est souvent augmenté par les superstructures pour un maximum de confort à bord, ce qui est un compromis délicat.
Il existe trois sortes de plans antidérive sur les multicoques. Les dérives, qu'elles soient de type sabres (coulissantes) ou pivotantes, permettent de faire évoluer cette surface. Il y a aussi le plan antidérive fixe situé sous les flotteurs, moins performant que les dérives, mais facilitant l'échouage pour les modèles conçus à cet effet. Si les deux flotteurs sont en permanence dans l'eau, la forme en V obtient les résultats les plus probants pour l'anti-dérive. Sur les catamarans de sport ou les trimarans naviguant avec un flotteur hors de l'eau, une forme asymétrique peut créer un plan porteur au niveau du flotteur sous le vent, chaque flotteur possédant un plan porteur inverse à l'autre. Ce système est performant tant que le flotteur au vent ne touche pas l'eau, mais naviguer avec les deux flotteurs dans l'eau annule cet avantage. Enfin, les safrans dirigent le bateau et donnent les sensations au barreur, participant également au système d'antidérive. Qu'ils soient positionnés sous la coque à l'arrière ou amovibles (pivotants ou coulissants), ces appendices sont idéaux pour un échouage facile, notamment pour les bateaux équipés de dérives.
Les catamarans, souvent distingués en trois types (sport, open, ou avec nacelle), présentent des considérations de conception spécifiques pour la nacelle. Cet espace habitable entre les deux coques, bien que privilégié pour la vie à bord, augmente le poids et le fardage du bateau. Une nacelle indépendante des coques permet de créer trois espaces de vie séparés pour plus d'intimité ou de faciliter le démontage. Plus la nacelle est grande, plus elle apporte de confort. Augmenter son volume en longueur est délicat ; vers l'avant, cela augmente le poids et le risque d'enfournement, et vers l'arrière, l'architecte doit réduire ou reculer le cockpit. La hauteur sous la nacelle, dite aussi hauteur de tunnel, est également importante, influencée par la longueur et la largeur du catamaran. Certains constructeurs ajoutent un V sous la nacelle pour limiter les coups de butoirs sous les nacelles basses, bien que ce système, pour être efficace, doit être profond, large et solide, ce qui alourdit le bateau.
L'Évolution Technologique : Des Foils aux Trimarans Modernes
L'America's Cup et la Little America's Cup ont contribué à faire découvrir au grand public l'existence des voiliers à hydrofoils, une catégorie d'engins ailés dont les origines remontent à plus d'un siècle. Ces voiliers se divisent en deux familles : les "volants" et les "archimédiens". Les pionniers du début du 20ème siècle, souvent passionnés d'aviation comme Bell en 1913 avec sa maquette Nancy, ont cherché à faire "décoller" des bateaux. Dès 1920, les frères Mc Intyre ont publié un brevet de trimaran où les flotteurs étaient substitués par des plans porteurs, marquant la naissance du concept de "foiler". Leur invention visait à proposer des plans de stabilisation pour contrer la pression de retournement générée par le vent et maintenir ainsi la position sensiblement verticale de l'embarcation. Bien qu'il ait fallu attendre le milieu du siècle dernier pour voir des applications concrètes de l'idée des Mc Intyre, l'idée d'utiliser des plans porteurs pour améliorer l'équilibre et le passage dans la mer était lancée.
Sur les hydroptères, les foils ont pour but de faire décoller entièrement le bateau, qui n'est alors en contact avec l'élément liquide que par ses plans porteurs. Les hydrofoils se distinguent souvent des foilers par le nombre de foils : les foilers et trimarans à foils d'appoint sont généralement équipés de deux hydrofoils sur les flotteurs, tandis que les hydroptères en ont trois. Les foilers, eux, n'ont pas pour fonction de naviguer entièrement décollés. L'utilisation de foils leur permet de conserver la stabilité tout en diminuant la surface mouillée grâce à une réduction de la taille des flotteurs. Les trimarans à foils d'appoint sont un croisement entre les trimarans standards et les foilers. Ils tirent parti de la portance des foils pour diminuer la surface mouillée, changer l'assiette du bateau et ainsi améliorer leurs performances.
Le terme "foiler" aurait été inventé par Gerald Holtom dans les années 70, qui a conçu plusieurs trimarans de loisirs, dont le Foiler 21 équipé de plans porteurs/patins de forme triangulaire. Les premiers modèles de foilers semblent avoir émergé au milieu des années 50, sous forme de petits engins comme des trimarans ou des canoës. On attribue le premier modèle à Edmond Bruce et Sam Catt qui, en 1954, ont équipé un canoë non pas de flotteurs, mais de foils en T dont l'incidence était pilotée manuellement. Edmond Bruce est également l'inventeur du "Bruce foil", qui équipe de nombreux praos. Le principe du Bruce Foil est astucieux : plutôt que d'utiliser une dérive classique dans l'axe du gréement qui a une faible action contre la gîte, il décale 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 passe par le centre vélique, limitant fortement la composante de gîte. De plus, même avec un profil symétrique, la dérive se transforme en foil. Sur un prao équipé d'un appendice inclinée fixée sur le flotteur sous le vent, le flux angulé génère une portance positive (vers le haut), soulageant le flotteur. Inversement, lorsque le flotteur est au vent, le flux angulé occasionne une portance négative (vers le bas), tendant à coller le flotteur à la surface.
En 1955, monsieur Bruneau proposait déjà d'utiliser des plans porteurs pour soulager les flotteurs des trimarans de croisière. En 1962, Dick Newick réalise le Lark, un bateau en contreplaqué. Le premier réel foiler semble être Outrigger, le trimaran de croisière à foils de R.R. Gilruth, lancé en 1973 (avec des plans antérieurs à 1963). Gilruth, qui a également fait voler un voilier grandeur nature (Catafoil, un catamaran de 3,65 m), était alors à la tête des projets de vols habités pour la Nasa. Un autre grand foiler fut Mantis IV, dessiné par David Chinery en 1970, reprenant l'idée de Bernard Smith des "flotteurs foils". De nombreux foilers ont suivi, dont le célèbre Paul Ricard, mis à l'eau en 1979 et premier à battre le record de l'Atlantique. La même année, le Trimama de Roland Tiercelin et l'Hydrofolie ont également touché l'eau. En 1983, Gérard Lambert, un superbe foiler, fut le premier bateau du tandem Marc Van Pethegem et Vincent Loriot Prévost (VPLP), équipé de foils en Y conçus par S. Langevin.