L'ingénierie navale moderne se tourne de plus en plus vers des solutions innovantes pour concilier vitesse, efficacité énergétique et confort, en particulier dans le domaine des catamarans. Au cœur de cette révolution se trouve le développement de superstructures aérodynamiques, qui exploitent les principes fondamentaux de la physique des fluides pour transformer radicalement la manière dont ces navires interagissent avec leur environnement, qu'il s'agisse de l'air ou de l'eau. Ces avancées permettent non seulement d'atteindre des performances inédites mais aussi de redéfinir les modèles économiques du transport maritime de passagers et de marchandises.
Les Fondements Aérodynamiques et Hydrodynamiques : Comprendre l'Interaction des Fluides
Pour appréhender pleinement l'ingéniosité des superstructures aérodynamiques des catamarans, il est essentiel de revenir sur les principes qui régissent le mouvement des fluides. L'air et l'eau, bien que de densités très différentes, obéissent à des lois physiques communes lorsqu'un corps s'y déplace. Dans un écoulement TURBULENT, les particules sont désorganisées et n’ont plus une direction linéaire. Ce type d'écoulement est fréquent et influence directement la résistance à l'avancement.
Un phénomène clé dans l'interaction fluide-solide est la "couche limite". Si nous regardons ce qui se passe sur les vitres d’une voiture, un jour de pluie, sur autoroute, on constate que les gouttes d’eau glissent doucement sur les vitres latérales. Elles ne sont pas expulsées sous l’effet de la vitesse, elles collent à la vitre. Elles sont dans cette mince couche que l’on appelle « couche limite », accrochées au profil et ralenties. Ce principe s'applique de manière similaire en milieu marin et aérien. Sur la carène d’un bateau, avançant dans l’eau, ou sur le profil de la voile avançant dans l’air, les particules situées dans la couche limite de ces solides ralentissent et elles freinent aussi les particules juste à côté d’elles, jusqu’à un certain point. Cette zone de ralentissement est cruciale car elle contribue de manière significative à la résistance et à la traînée.
Un autre pilier de la compréhension des fluides est l'équation de continuité. Il existe une loi démontrée par l’équation de continuité qui dit que lorsqu’un débit volumétrique donné rencontre un rétrécissement, le même volume passe mais pour cela il doit augmenter sa vitesse, et inversement. Ce phénomène est intuitivement observable dans la vie quotidienne. Par exemple, lorsque que vous pincez un tuyau d’arrosage, vous constatez que la puissance du débit est plus importante. L'eau s'écoule plus rapidement à travers l'ouverture réduite, illustrant parfaitement la conservation du débit volumétrique.
Directement lié à l'équation de continuité est le théorème de Bernoulli. L’effet est une manifestation du principe de conservation de l’énergie, formalisé dans le cas des écoulements fluides par le théorème de Bernoulli, et peut s’énoncer de la façon suivante : dans le cas d’un écoulement fluide horizontal, lorsque la vitesse d’écoulement augmente, la pression diminue. Ce principe est fondamental pour la génération de portance. Si l’on prend l’exemple du profil d’une aile d’avion placée dans un écoulement d’air, celui-ci se déplace plus vite sur la partie supérieure, appelée extrados, et moins vite sur la partie inférieure, appelée intrados. La raison de ce phénomène est due à l'équation de continuité. En effet, en arrivant sur l’aile, le fluide passant au-dessus se retrouve dans la situation d’un courant arrivant dans un tuyau rétréci. À cette augmentation de vitesse se joint une diminution de la pression, c'est l'effet Bernoulli. La différence de pression entre le dessus de l’aile (extrados, avec une basse pression) et le dessous de l’aile (intrados, avec une légère surpression) crée une force ascendante, dirigée vers le haut, appelée portance. Le profil de l’aile d’avion est bombé d’un côté. Maintenant, on l’aura compris, c’est pour créer une accélération, et donc la force de portance.
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Ces mêmes principes s'appliquent également à la voile des navires. Sur le profil d’une voile, plus souple, on peut régler cette courbe en jouant sur la bordure et la drisse. On peut creuser ou aplatir le profil de la voile en fonction si l’on veut donner ou réduire la puissance. Cependant, il y a une limite à cette manipulation. Trop creux, et les filets d’air, les particules d’air, vont décrocher : c’est le décollement. Ce décrochage mène à une perte brutale de portance et donc de puissance pour le voilier. Comprendre ces mécanismes est crucial pour optimiser la performance des navires à voile. Grâce à ces notions de base, il est possible d'expliquer comment un voilier fait pour remonter contre le vent. C’est l’équivalent de la portance sur l’aile d’avion. Cette force a son origine au Centre Vélique de la voile (CV), situé dans le premier tiers de la voile, proche du mât, et est placée perpendiculairement à la corde de la voile, entre le bord d’attaque et le bord de fuite, vers l’extérieur sur l’extrados de la voile. Elle ne s’appelle plus portance dans ce contexte car elle n’a plus de composante ascensionnelle ; elle est une force propulsive latérale qui, combinée à la résistance de la dérive, permet au bateau d'avancer au près.
La navigation dans l'eau présente des défis spécifiques dus à la densité du fluide. La densité de l’eau est plus importante que celle de l’air. C’est pour cela qu’un dériveur possède une dérive proportionnellement plus petite que la voile, car les forces qui s’y appliquent sous l’eau sont plus importantes que dans l’air. La dérive, ou quille, génère une force latérale dans l'eau qui contrebalance la force vélique de la voile, permettant au bateau de ne pas dériver. En vent arrière, cette dérive n’est plus utile, car la force de dérive et le sens d’avancement sont orientés dans le même sens. Sur les dériveurs, sur les bords de vent arrière, les régatiers remontent la dérive, désormais inutile, pour éliminer les résistances à l’avancement. Le bateau est moins stable mais plus rapide en réduisant la surface mouillée.
La surface mouillée du bateau s’appelle la carène. Ça représente un solide qui avance dans un fluide, donc cette carène procure une résistance à l’avancement appelée Force de résistance de carène (Fr). La réduction de cette résistance est un objectif majeur en architecture navale. C’est pour cela que Tabarly avait commencé à penser aux Foils, ou hydroptères, pour sortir la carène de l’eau et ainsi éliminer la Force de résistance de carène. Aujourd'hui, cette technologie est de plus en plus répandue, transformant la navigation à grande vitesse. Désormais, tout ce qui flotte est sur foils : funboard, kitefoil, paddle-foil, surf-foil, wingfoil, voiliers de l’America’s Cup, voiliers de la Route du Rhum. L'adoption généralisée des foils dans le futur, notamment pour les bateaux de plaisance grand public, est une perspective de plus en plus concrète.
Enfin, il est important de rappeler le principe d'Archimède, qui est fondamental pour la flottabilité. Le centre de gravité du bateau s’applique au centre de la masse volumique du bateau. C’est la pesanteur, une force orientée verticalement vers le centre de la terre, ou vers le fond de l’eau. C’est le centre de gravité de la partie immergée du bateau sur laquelle s’exerce la poussée d’Archimède. Celle qui fait flotter le bateau s'exerce du bas vers le haut. C'est le point d’application des forces qui s’appliquent à la voile. La combinaison de ces forces et principes guide la conception des navires modernes.
L'Innovation A2V : La Sustentation Aérodynamique Partielle pour une Efficacité Révolutionnaire
Dans ce contexte de recherche d'efficacité et de performance, la société Advanced Aerodynamic Vessels (A2V), une start-up nantaise de 12 salariés, se positionne comme un acteur majeur avec une approche novatrice. A2V est en train de livrer ses deux premiers bateaux, fabriqués à La Rochelle, qui incarnent cette nouvelle génération de navires. « Notre vocation est de mettre sur le marché une nouvelle génération de bateaux de transport de passagers rapides et consommant très peu de carburant », mentionne le dirigeant.
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Le principe fondamental de ces catamarans est l'intégration d'une superstructure aérodynamique générant une portance. Cette portance élevée le bateau qui, de fait, s’enfonce moins dans l’eau. L'ingéniosité du design réside dans le fait que tout le poids est transposé sur la nacelle en forme d’aile, qui unit les deux coques. C’est dans cette aile que se trouvent les passagers, derrière une longue baie vitrée, bénéficiant ainsi d'une vue dégagée et d'une expérience de navigation unique. Cette « sustentation aérodynamique partielle » permet « d’aller deux fois plus vite avec deux fois moins de carburant », assure Matthieu Kerhuel, l'un des pionniers de cette technologie.
La performance énergétique de ces navires a été rigoureusement testée sur un prototype de 10 mètres, mis à l’eau en mai 2015 après deux ans de recherche et développement (R&D) intensifs, incluant une simulation numérique recréant virtuellement les conditions d’un bassin de carène. « La campagne d’essais, lancée dans la foulée, a très exactement validé ce que prévoyaient les modèles », assure le dirigeant. Les résultats ont été spectaculaires : « Deux heures après la mise à l’eau, nous atteignions les 40 nœuds. » Ce gain de vitesse, conjugué à une consommation de carburant réduite, ouvre la voie à un nouveau modèle économique. Pour Matthieu Kerhuel, cela permet aux armateurs de choisir plusieurs petits navires au lieu d’un gros, ce qui améliorera la maintenance, la fréquence, l’offre de destination ou l’adaptation à la saisonnalité. Cette flexibilité représente un avantage considérable pour les opérateurs maritimes.
L'architecture des catamarans A2V est unique et a fait l'objet de nombreux brevets. La proue ouverte laisse entrer beaucoup d’air sous la plateforme, et l’air s’y retrouve compressé, ce qui crée la fameuse portance soulageant le bateau d’une partie de sa masse. Plus léger, le catamaran a dès lors tendance à flotter au-dessus de l’eau et subit donc moins la résistance de l’océan et des vagues. Encore mieux, « le bateau a besoin d’embarquer moins de carburant que les autres, ce qui réduit son poids et lui permet de fait d’aller plus vite plus facilement, la portance commençant autour de 25 nœuds. C’est un cercle vertueux », souligne Lionel Huetz, un autre acteur clé de l'entreprise. Ce cercle vertueux d'allègement et de réduction de traînée est au cœur de l'efficacité inégalée des navires A2V.
Les chiffres concrets illustrent la supériorité de cette technologie. En comparaison avec un bateau de même motorisation, les catamarans A2V vont deux fois plus vite et consomment en moyenne deux fois moins. Dans le transport de passagers, on estime aujourd’hui que pour aller à 100 milles des côtes à une vitesse moyenne de 40 nœuds, il faut un bateau de 36 mètres, pesant 120 tonnes et pouvant embarquer 40 personnes, soit une consommation par passager de 30 litres de carburant pour 100 km. Par contraste, A2V propose un bateau de 24 mètres pour 60 passagers qui consomme seulement 10 litres par passager pour 100 km, et ce à une vitesse de 60 nœuds, selon le directeur général d’A2V, également ingénieur en architecture navale et docteur en hydrodynamique navale. Cette différence de performance et de consommation est tout simplement révolutionnaire.
Les premières applications commerciales de cette technologie sont déjà concrètes. Le premier catamaran de 12 mètres est un bateau-taxi destiné à un armateur opérant sur le lac Léman pour le compte d’un hôtel de luxe d'Évian. Il pourra emmener 12 passagers à des vitesses de pointe de 50 nœuds, offrant une expérience de transport rapide et luxueuse. Entre-temps, un autre catamaran de 15 mètres pour 25 places, baptisé "Clémentine", sera livré à l’armateur français Peschaud et Cie International pour desservir un site pétrolier fluvial au Gabon. Ce navire desservira un site pétrolier fluvial au Gabon, une zone où A2V a également développé une expertise sur les méthodes permettant de modéliser le comportement d'un navire dans une zone géographique donnée, comme le littoral d'Afrique de l'Ouest, où les besoins en navires de travail pour le offshore offrent des débouchés prometteurs.
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Le projet "Clémentine" en particulier, qui est un "crew boat" de 25 places, est en attente de chargement sur un cargo à La Pallice pour rejoindre, en octobre, le Gabon. Il y sera exploité pour transporter à grande vitesse des personnels affectés aux activités pétrolières offshore. D’un bateau conventionnel, cette embarcation possède les deux coques, la propulsion (deux hydrojets de 600 CV chacun) et l’électronique. Mais là s’arrête la convergence. Le reste de ce concept, porté depuis 2013 par les associés de la SAS A2V, est d’aller vite, très vite sur l’eau, en consommant moins, beaucoup moins. Lionel Huetz en donne une échelle parlante : à puissance motorisée équivalente à celle d’une vedette classique, « Clémentine » « va deux fois plus vite et consomme deux fois moins ». Depuis sa mise à l’eau, les huit phases de tests en mer ont permis d’atteindre la vitesse de 42 nœuds (76 km/h) dans les pertuis. La superstructure qui relie les deux coques à la forme d’une aile d’avion permet au bateau de s’alléger quand il prend de la vitesse, ce qui est épaulé par la carène des coques. Les calculs simulés en 2013 ont été confirmés par le prototype construit l’année suivante au Chantier Hervé, que dirige Alain Balzeau à la Ville-en-Bois. La fabrication des structures de ce premier modèle commercial a été confiée au Chantier Hervé, sous maîtrise d’œuvre des ingénieurs d’A2V qui ont aussi dirigé l’assemblage des différents éléments dans l’atelier de l’entreprise. Le catamaran de 15,5 m de longueur et 12,30 m de largeur est organisé pour une exploitation à 40 nœuds. Il naviguera en mer mais remontera aussi les fleuves, démontrant sa polyvalence. Rapide, polyvalent et économe, il a séduit un autre client, Pro Yachting Shuttle à Évian. Un deuxième modèle, de plus petite taille, pourra embarquer 10 passagers. Le prototype initial tenait autant du vaisseau spatial que du navire, mais le premier exemplaire commercial, d'un look plus classique, ne manquera pas d'étonner sur les bords du lac Léman, traversant le lac avec 12 passagers à 50 nœuds. Les catamarans “à portance dynamique” développés par la PME rochelaise (12 salariés) rappellent de face une raie, et de dos un crustacé préhistorique. Ces coques, aérodynamiques autant qu’hydrodynamiques, ont nécessité à elles seules deux ans de recherches et développement, mais le résultat est impressionnant : avec des moteurs classiques et une subtile répartition des poids pour l’empêcher de se retourner, le catamaran atteint des vitesses de 40 à 60 nœuds selon les modèles (de 75 à 110 km/h), en restant des plus économiques.
L'Élégance et l'Efficacité des Catamarans Sunreef Ultimate : Alliance du Luxe et de la Performance
Parallèlement aux innovations axées sur la sustentation aérodynamique active, d'autres constructeurs explorent des designs de catamarans combinant performance, luxe et conscience environnementale à travers des superstructures optimisées. En 2010, le constructeur polonais de bateaux de plaisance Sunreef Yachts lançait une nouvelle gamme de catamarans de croisière rapides et performants de 70 à 170 pieds. En cet automne 2011, la société a levé le voile sur un nouveau modèle, le Sunreef 75 Ultimate, un modèle qui reprend le concept original de catamaran à voile performant, doté d'une silhouette épurée et élancée aux accents écologiques, et se pose en digne successeur du Sunreef 80.
Le Sunreef 75 Ultimate utilise le carbone et dispose de fines coques à redans à l'étrave renversée, ce qui est essentiel pour un rendement optimal. Ces caractéristiques de conception réduisent la traînée hydrodynamique, permettant au navire de fendre l'eau avec une efficacité accrue. La superstructure est plus compacte et minimaliste que sur les catamarans de plaisance classiques, afin de réduire le déplacement et de préserver sa silhouette élancée. Cette approche de design contribue directement à la performance générale du bateau. Le flybridge est élégamment intégré à la superstructure, offrant un espace fonctionnel sans nuire à l'aérodynamisme global. Plus compact aussi, il possède assez d’espace pour loger un poste de commandes et un coin détente, alliant praticité et esthétisme.
L'aspect écologique et la durabilité sont également au cœur de la conception de ces catamarans haut de gamme. La partie avant de la superstructure est entièrement couverte de vitres, ce qui assure au bateau une grande luminosité et une visibilité parfaite pour les occupants. À la demande du client, cette partie peut également se doter de panneaux solaires et fournir une énergie verte au bateau, les panneaux étant connectés au système de chauffage de l'eau. De plus, chaque coque possède des éoliennes verticales rétractables sur le toit, complétant ainsi l'autonomie énergétique du navire. Les coques justement, et la partie arrière de la superstructure, sont peintes en blanc et assurent un contraste fort avec les vitrages noirs, conférant une esthétique moderne et distinctive. Le pont principal est en intégralité couvert de teck, ajoutant une touche de luxe et de tradition à l'ensemble.
Pour optimiser la performance sous voile et le confort de navigation, le mât est déplacé en arrière vers le milieu de la structure. Cette disposition permet un équilibre optimal et assure un meilleur confort de navigation, même dans des conditions difficiles à de grandes vitesses. L'impressionnant plan de voilure est calculé pour des vitesses maximales de 20 nœuds et plus, démontrant le potentiel vélique de ces machines. Enfin, l'aménagement des intérieurs dépend entièrement du client selon la philosophie « sur mesure » chère à Sunreef Yachts, garantissant une personnalisation poussée pour répondre aux attentes les plus exigeantes.
Un autre exemple de l'évolution des superstructures est le concept de superyacht de 35 mètres dévoilé par Isaac Burrough Design. Ce catamaran bénéficie d'une esthétique moderne avec une superstructure presque entièrement en verre recouverte de panneaux solaires. Ces derniers sont intégrés dans le toit en verre sur tous les ponts et apportent un effet design notable. La cabine propriétaire est également recouverte, mais partiellement, de panneaux hexagonaux qui laissent entrer la lumière naturelle, tout en apportant aussi de l'intimité. Isaac Burrough a souligné que "beaucoup de personnes nouvellement venues dans le monde de la plaisance ne réalisent pas que la plus grande consommation de diesel n'est pas liée à la propulsion, mais à la production d'électricité. De nombreuses recherches ont été effectuées pour créer des panneaux solaires plus efficients et je pense que nous avons atteint le stade où s'est devenu une source d’énergie efficace pour les bateaux. Le principal défi maintenant est de les intégrer de manière plus esthétique." Cette observation met en lumière l'importance croissante de la production d'énergie propre à bord, intégrant les superstructures non seulement comme éléments aérodynamiques mais aussi comme supports pour des solutions énergétiques durables.