Principes Essentiels de Disposition des Foils sur la Coque : Révolution Hydrodynamique

Voilà un peu plus de 10 ans que les foils se sont imposés sur la plupart des voiliers de course, monocoques comme multicoques. C’est un terme technique et désormais incontournable dans la navigation. Ces appendices ont radicalement transformé le monde des bateaux en permettant à divers types de navires de naviguer à des vitesses incroyables. Longtemps réservé à la course au large comme le Vendée Globe, cet équipement se démocratise aujourd’hui. On le retrouve désormais sur des planches de surf, des kitesurfs et même des bateaux à moteur. 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 magie technologique est rendue possible grâce à cette invention appelée le « foil ». L'objectif de cet article est d'explorer en profondeur la définition, le fonctionnement, l'histoire, les types, les applications, les avantages et les défis liés à la disposition des foils sur la coque.

Comprendre le Foil : Définition et Mécanismes de Portance

Pour faire très simple, un foil est une aile rigide placée sous la coque du bateau. Il s'agit d'un appendice immergé et fixé sous la coque d'un bateau. Les foils sont des appendices hydrodynamiques profilés fixés sous une coque (foils latéraux) et/ou greffés sur les appendices traditionnels (dérive, safran). Ressemblant beaucoup à une aile d’avion, elle est conçue pour fonctionner sous l’eau. Généralement fabriqués en fibre de carbone, les foils sont à la fois extrêmement solides et très légers, offrant une combinaison optimale de légèreté et de résistance.

Le fonctionnement du foil repose sur le même principe physique que celui qui fait voler les avions, à savoir les principes de l'hydrodynamique. Ce principe s’appelle la portance dynamique et il est lié à la vitesse du fluide. De manière un peu plus technique, en avançant, le foil crée une dépression au-dessus et une surpression en dessous. Lorsque le bateau accélère, l’eau s’écoule très vite autour de la forme profilée du foil. La forme bombée de l’aile oblige l’eau à accélérer sur la partie supérieure du foil. Cette accélération crée une dépression qui « aspire » littéralement le foil vers le haut. Plus le bateau va vite, plus cette force d’aspiration verticale devient puissante et efficace.

Lorsque le 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. À un moment précis, cette force devient supérieure au poids total du bateau lui-même, faisant décoller le bateau. Le bateau ne touche plus la surface de la mer et atteint des vitesses totalement folles. 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’objectif principal est de réduire drastiquement la traînée hydrodynamique, c’est-à-dire les frottements de l’eau. Les profils des foils sont conçus pour maximiser la portance tout en minimisant la traînée. La recherche de meilleures performances a toujours été l’une des premières motivations derrière l’innovation depuis la création des bateaux. Le foil ne fait pas exception, puisque le but est d’abord d’aller plus vite. En s'élevant dans les airs, le bateau ne subit plus que le frottement de l’air, diminuant ainsi la surface de contact avec l’eau et la traînée et augmentant la vitesse. Les foils sont particulièrement efficaces sur les hydropteurs et les voiliers, permettant à ces bateaux d'atteindre des vitesses élevées tout en maintenant une stabilité optimale. Le profil asymétrique qui prend l’effort antidérive va donner du moment de redressement et alléger le bateau. Plus la vitesse augmente, plus le foil exerce une poussée verticale qui va alléger le bateau.

Une Histoire Riche : De l'Idée aux Records de Vitesse

Contrairement à ce que nombre de personnes pensent, les foils ne sont pas une invention récente. L’idée d’utiliser des surfaces portantes sous l’eau pour soulever un bateau est développée par l’Anglais Thomas W. Moyet en 1861. Puis, en 1869, l'ingénieur mécanicien français Emmanuel D. Farcot la relaie. Ce dernier dépose des brevets où il ajoute à un bateau des plans porteurs latéraux dont on peut régler l’inclinaison en fonction de la vitesse. Cela a pour effet de faire légèrement décoller le bateau, validant ainsi le principe de l’hydrofoil. Le principe sera amélioré en 1878 par John Stanfield et Josiah Clark, basés à Londres, tandis qu’en 1881, Horatio F. Phillips, un pionnier de l’aviation lui aussi anglais, invente le système des foils transversaux pour les navires rapides. En 1887, l’inventeur américain William M. Meacham reprendra la même idée à Chicago.

Un prototype de foiler sera réalisé en 1985 par le comte Charles de Lambert, un aventurier et pilote d’avion français. Il s’agit d’un catamaran dont les deux flotteurs sont réunis par des plaques en dessous. Tracté par un cheval sur la berge, le multicoque s’élève rapidement au-dessus de l’eau. L’inventeur continuera à améliorer son invention, allant jusqu’à concevoir un catamaran avec cinq foils latéraux et un moteur pour atteindre la vitesse de 40 km/h en frôlant la surface de l’eau. Les premières expérimentations avec un foil ou plusieurs remontent au début du 20ème siècle. En 1906, l’ingénieur-inventeur italien Enrico Forlanini fait les premiers essais de l’Idroplano, un catamaran de 10 m de long et de seulement 1,62 t doté de foils. Le tout est propulsé par un moteur de 70 ch et atteint 27 nœuds. Il récidive en 1911 avec un catamaran de 10 m de long propulsé cette fois par un moteur Fiat de 100 ch ; l’engin parvient à parcourir 34 km à une vitesse moyenne de 40,5 nœuds.

L’Anglo-Américano-Canadien Alexander Graham Bell (l’inventeur du téléphone) achète le brevet de Forlanini et, avec son assistant Frederick W. Baldwin, améliore le système, construisant plusieurs prototypes d’hydroptères, et s’offre même un record du monde avec une vitesse de 131 km/h (71 nœuds). 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.

Jusqu’alors orienté vers les bateaux à moteur, le système des foils va faire son apparition sur les voiliers avec, en 1938, le Catafoil, réalisé par les Anglais Robert Rowe Gilruth et Bill Carl, au départ des pionniers de l’aviation. En 1950, c’est au tour de Towboat II du scientifique américain J. Gordon Baker de prendre son envol. Il s’agit d’un cat-boat que beaucoup considèrent comme le premier vrai voilier à foils. En 1969, le marin inventeur anglais James Grogono modifie un Tornado pour lui ajouter des foils. Une innovation qui lui permettra 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 utilisant les foils seront développés, dont l’ingénieux Hydrofolie, un trimaran équipé de foils réglables conçu par l’architecte français Xavier Joubert.

Les multicoques à foils vont cependant réellement apparaître sous les feux de la rampe avec le marin français Eric Tabarly et son trimaran Paul Ricard qui, en 1980, bat le record de la traversée de l’Atlantique. Poursuivant les travaux de Tabarly, le français Alain Thébault met au point l’Hydroptère, qui sera, en 2009, le premier multicoque à dépasser 50 nœuds. Dès les années 2000, les foils font leur apparition sur (ou plutôt sous) les voiliers de course - et plus particulièrement les multicoques. Ces derniers, de plus en plus fiables et performants, battent tous les records de la course au large, de la traversée de l’Atlantique au tour du monde. En 2013, l’America’s Cup passe elle aussi aux catamarans avec les fameux AC72 à foils. Les courses et compétitions ont joué un rôle clé dans cette évolution. La popularisation des foils dans le nautisme moderne s'est accélérée dans les années 1980, notamment grâce à des compétitions de voile et des records de vitesse. Si la technologie foil a assurément fait ses preuves dans le monde de la compétition, les plans porteurs ne sont plus réservés à ce domaine.

Diversité des Foils : Formes, Configurations et Applications Modernes

Les foils se déclinent en de multiples formes et s’invitent sur toutes sortes de multicoques, y compris les powercats ou les unités de croisière. Ils sont désormais présents sur de nombreux bateaux à moteur, sur des voiliers - et bien entendu sur nos multicoques. L’objectif du foil n’est plus forcément de voler, mais plutôt d’assurer une portance et un amortissement. Il est ainsi possible d’optimiser performances, consommation (pour les multipowers) et confort.

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. Les foils peuvent avoir plusieurs formes différentes selon le type de navire : en L, en T ou en C. La conception des plans porteurs intègre un compromis entre portance, stabilité et maniabilité.

Les Différentes Formes de Foils et Leurs Spécificités

Foils en C : Comme leur nom le suggère, les foils en C ont une forme courbée plus ou moins prononcée en fonction des modèles. Les foils en C ne permettent pas au bateau de voler hors de l’eau. Toutefois, leur utilisation offre un effet de portance qui soulève le multicoque. Leurs principaux avantages sont donc d’améliorer la vitesse et le confort en procurant une semi-sustentation. Ils sont également très faciles à contrôler, car moins extrêmes que les autres foils. À l’inverse, ils ne procurent pas les performances et les sensations des réels foilers. L’un des meilleurs ambassadeurs des foils en C est le Rapido 40, un trimaran dont les appendices courbés permettent de diminuer la surface mouillée, et donc améliorer performances et confort.
Foils en L : Ce sont les foils que l’on peut voir sur les monocoques de course au large ou sur les nouveaux supports de la Coupe de l’America. Ils sont reconnaissables à leur forme en L avec une partie horizontale qui génère la portance. Leur principal avantage est d’améliorer la stabilité par rapport à des foils droits. Ils offrent aussi une meilleure sustentation, et proposent un bon compromis entre performance et contrôle. Au chapitre des inconvénients, les foils en L offrent une stabilité moindre que les foils en T et ils prennent également de la place, même repliés.
Foils en T : Les 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, puisque ce sont ceux que l’on trouve notamment sur les safrans de bateaux, sur les dérives, mais aussi sur les planches de surf à foil. Les avantages des foils en T sont multiples et, en premier lieu, ils offrent une grande stabilité en vol et évitent le tangage. Sur le plan négatif, ils ont une traînée hydrodynamique plus importante au démarrage et sont également moins réactifs lors des manœuvres.
Foils en V : Le foil en V est très utilisé, notamment sur les multicoques de course. Il se compose d’une lame inclinée à plus ou moins 45° vers le centre du multicoque. Le premier avantage de ce système, c’est sa simplicité, puisqu’il s’agit plus ou moins d’une seule lame par coque. Autre bon point, le foil en V est pratiquement autorégulateur, c’est-à-dire que 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. Un utilisateur avait, par exemple, envisagé un foil en V suivant la forme de la coque, pour un projet personnel de bateau.

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Foils en U : Les foils en U sont, comme leur nom le suggère, des foils fermés en forme de U ou de O allongé. Un système qui est apparu dans les années 50, mais il n’est pas très populaire.

Foils Transversaux et Leurs Avantages Spécifiques

Alors que certains pontoon boats (catamarans ou trimarans) se contentent d’ajouter des ailettes fixes sous les tubes pour décoller un peu le bateau de l’eau, la grande tendance, c’est plutôt l’utilisation de foils transversaux fixés entre les coques. Le foil transversal est en fait une lame qui relie les deux coques. Il agit ainsi comme une aile marine qui permet au bateau de sortir (un peu) de l’eau en prenant de la vitesse. Ce système ne permet pas le vol à proprement parler, mais il allège le catamaran, ce qui diminue sa surface mouillée. Cette lame est le plus souvent complétée par des mini plans porteurs greffés sur les safrans. Si les catamarans à moteur utilisent d’autres types de foils, notamment pour des utilisations commerciales, les foils transversaux sont de plus en plus populaires pour ce type de multicoques.

Côté avantage, le foil transversal, en diminuant la surface mouillée, permet d’augmenter la vitesse, mais il diminue aussi la consommation de carburant. En outre, il améliore sensiblement le confort, notamment dans le clapot, puisque les coques vont passer au-dessus des crêtes des vagues et que la lame bloque roulis et tangage.

Les Foils sur les Monocoques : Le Cas du Figaro 3

Les foils peuvent être placés sur les côtés pour apporter de la stabilité sur un voilier. Vincent Lauriot Prévost, l'architecte du Figaro 3, a déjà une petite idée de l'utilisation des foils à bord du nouveau monotype. Le Figaro 3 et ses étonnants foils n’ont pas fini de faire couler beaucoup d’encre. L'objectif est que lorsqu’on n’utilise pas le foil pour sa puissance, on l’utilise pour autre chose. Ce foil permet d’avoir une quille de plus faible surface, plus d’allongement et de moindre traînée, et un équilibre à la barre le plus neutre possible pour que le safran ne contribue pas à l’antidérive.

Les concepteurs des certains anciens bateaux de la Coupe de l’America, notamment les AC5 qui étaient limités en surface de quille, avaient choisi de concevoir des bateaux ardents pour solliciter des lames de safrans de grande surface, très profondes et très efficaces, calés à huit ou dix degrés d’angle en permanence dans le but de relayer le manque d’efficacité de la quille.

Au près, la traînée est d’autant plus importante que le bateau dérive et qu’on navigue en crabe. Ce que nous voulons, c’est charger le profil asymétrique du foil pour réduire l’angle de dérive et décharger quille et coque. Quand on n’est pas dans des vitesses élevées notamment au près - les bateaux de ce type sont régulièrement entre 5 et 7 nœuds de vitesse -, on veut charger le foil pour dériver moins. Dans le petit temps, le foil sous le vent joue un rôle d'antidérive plus ou moins important en fonction de son réglage. Plus cette force latérale augmente, plus on charge le foil et le foil pousse verticalement également. On avait observé ce phénomène déjà sur les trimarans ORMA avec des foils inclinés à 45 degrés. Plus on chargeait la dérive centrale en en braquant le volet, plus le flotteur était dans l’eau. Dès qu’on mettait le volet dans l’axe, on transférait la charge sur le foil et le flotteur se soulevait.

Par contre, dans les allures de portant, là, on veut en réduire l’angle de rake au maximum pour en diminuer la traînée, la force antidérive dans ce cas étant réduite ou nulle. Dès qu’on navigue à des vitesses plus élevées où on a besoin de couple de redressement, le foil, incliné à 45 degrés avec la gîte, génère à la fois une force antidérive horizontale et une force verticale qui tend à soulager le bateau et augmenter le couple de redressement. Le Figaro 3 pèse 200 kilos de moins que le Figaro 2. À couple égal sans les foils, on gagne 250 kilos de ballast pour la même puissance que le Figaro 2 ballasté, et vers 14 nœuds de vitesse on regagne entre 400 et 500 kilos de poussée verticale. Ce type de foil est un véritable turbo qui n’est pas là pour faire joli.

Les tests réalisés ont montré une différence de comportement plutôt frappante. Par exemple, sous spi, sans foil, il était très difficile d’attaquer et l'équipage partait au tas. Avec le foil, il était possible de remonter à 130-135 degrés du vent sous spi, le bateau allait tout droit et on pouvait serrer le vent sans appréhension. On ne peut pas encore dire exactement ce qui va être le mieux en termes de réglage, mais on peut dire les voies vers lesquelles il faut rechercher. Il sera très intéressant de pouvoir régler le rake du foil avec un palan directement depuis le cockpit, il y aura plein de configurations à tester. Il va y avoir une phase d’apprentissage assez rigoureuse. Avant, c’était ballast ou pas ballast et quête de mat. Dans les allures de près avec peu de vent, en fonction de l’incidence qu’ils auront avec la vague du bateau, ils seront peut-être plus efficaces à moitié sortis pour avoir le meilleur angle d’incidence par rapport à l’écoulement réel et avoir une meilleure efficacité. Je pense qu’il peut y avoir des situations où ça va se jouer sur l’équilibre à la barre et sur son rendement en fonction du range de rake, qui pourrait finir autour de -3° +7°, ou de -2° +8°.

Applications Élargies

Les foils sont adaptés à divers types de bateaux, des voiliers aux bateaux à moteur, en passant par les hydropteurs (hydrofoils) et les catamarans. Le développement de ces accessoires a également stimulé des innovations dans des disciplines comme le wingfoil, l’efoil et le kitefoil. Des disciplines comme le wingfoil et le windsurf intègrent des foils pour offrir des performances optimales et des sensations de glisse incomparables. Les vidéos disponibles sur YouTube illustrent bien ce phénomène en montrant des bateaux équipés de foils qui glissent rapidement sur l'eau. Que ce soit pour les voiliers, les hydropteurs, les catamarans ou même les bateaux à moteur, les foils ont redéfini les standards de vitesse et d'efficacité dans le monde nautique.

Avantages Indéniables et Défis Techniques Persistants

Les Bénéfices des Foils

Le deuxième avantage des foils, au moins sur les multicoques de plaisance, c’est l’amélioration du confort. En volant au-dessus des vagues, la coque ne tape plus contre le clapot de la mer. Les passagers ne ressentent plus les chocs habituels, ce qui réduit considérablement le mal de mer. C’est une sensation de glisse très douce, souvent comparée à celle d’un tapis volant silencieux.

Dernier avantage, notamment pour les powercats : le fait d’adopter des foils diminue la surface mouillée, et donc les frottements. Une coque classique doit pousser une grande quantité d’eau pour avancer, ce qui freine le navire. En s’élevant dans les airs, le bateau ne subit plus que le frottement de l’air. De plus, cette technologie intéresse beaucoup les constructeurs de bateaux électriques modernes et innovants. 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 dans ces foils permettent de modifier en temps réel les paramètres du foil pour optimiser les performances.

Les avantages des foils sont multiples et, en premier lieu, ils offrent une grande stabilité en vol et évitent le tangage. Ils contribuent à rendre le bateau très équilibré avec une barre très neutre. Dans ces conditions, le safran ne prend pas sa part de force antidérive pour corriger l’équilibre et laisse au foil la majeure partie de cette force antidérive. La performance est fonction de la force antidérive générée par le plan de voilure du bateau et elle est limitée au couple de redressement maximum. Une fois qu’on a 100 % de la force antidérive sur le foil, la force verticale plafonne à la valeur de la composante verticale.

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