L'univers de la voile connaît actuellement l'une des périodes d'innovation les plus radicales et rapides de son histoire, un bouleversement comparable à l'introduction des formes modernes de foc et de grand-voile au XIXe siècle. Aujourd'hui, les paradigmes de la navigation semblent changer définitivement grâce à l'émergence et à la généralisation des foils. Pour appréhender cette révolution, qui touche des navires emblématiques tels que le célèbre IMOCA Hugo Boss, il est essentiel de consulter des voix faisant autorité dans le domaine de la voile, à l'instar de Max Sirena de Luna Rossa, Giovanni Soldini de Maserati et Giancarlo Pedote de Prysmian Ocean Racing - Classe IMOCA.
Actuellement, trois "courants" distincts se dessinent dans le monde des voiliers avec foils. On distingue les monocoques purement volants, à l'image de ceux de l'America's Cup, conçus pour des eaux abritées et plates où le bateau vole à un pied de l'eau. Ensuite, il y a les multicoques volants, mais capables d'affronter les océans, tels que le Maserati Multi 70 de Giovanni Soldini. Enfin, les monocoques partiellement volants, comme les IMOCA et les Mini 650, représentent une approche hybride. Ces trois configurations sont étroitement liées aux règlements spécifiques des régates, lesquels reflètent des objectifs distincts et des manières différentes d'appréhender la mer et la navigation. Il convient de noter qu'il existe également un vaste écosystème d'autres types de voiliers avec foils, incluant les catamarans volants côtiers, héritiers des précédentes America's Cup, de nombreux dériveurs inspirés du pionnier Moth, ainsi que des planches à voile et des kites équipés de foils.
Comprendre le Concept de Foil en Voile
Lorsque l'on parle de voiliers à foils, il est primordial de clarifier la signification du terme, car intrinsèquement, chaque voilier est déjà équipé de nombreux "foils". Sémantiquement, un « foil » est un « profil » conçu pour générer une force lorsqu'il traverse un fluide. Les voiles, par exemple, possèdent un « profil » très similaire à celui d'une aile d'avion et sont donc des foils. Leur flexibilité leur permet de modifier leur concavité à chaque bord. C'est précisément ce profil aérodynamique qui confère à un bateau la capacité de remonter au vent et de compenser la dérive latérale.
De même, l'aileron d'une quille ou d'un gouvernail, en observant sa section, révèle un profil propre, cette fois symétrique, contrairement à la voile qui présente un profil asymétrique. L'étude des forces générées par les voiles, les quilles, les coques et les gouvernails est un domaine de grande complexité, et l'optimisation des formes en ingénierie navale progresse constamment, comme en témoigne la comparaison entre les bateaux produits aujourd'hui et ceux d'une décennie seulement. Par exemple, la dérive qui s'oppose à la dérive latérale parvient aussi à générer une force, appelée « lift » en anglais, qui « tire » le bateau au près vers le vent. En effet, la dérive latérale confère au profil un angle d'incidence par rapport à l'eau qui n'est pas nul, même si cela peut paraître imperceptible. L'eau frappe alors la quille avec un léger angle, ce qui permet à la quille, malgré sa symétrie, de générer de la portance au près et d'améliorer la remontée au vent. Le safran, basé sur le même principe, génère également de la portance au près. Les voiles fonctionnent comme des foils tant qu'elles sont traversées par un flux d'air « laminaire ». En revanche, lorsque la voile s'oppose simplement au vent arrière, le bateau évolue dans un flux turbulent, et on ne parle plus de l'action de foil.
Le Rôle Essentiel de la Quille et du Gouvernail
La quille et le gouvernail jouent un rôle spécifique dans le déplacement d'un voilier. Leur fonction de foil entre en jeu du travers au près, évitant une dérive latérale excessive. Ils accomplissent cette tâche principalement par une simple résistance latérale, mais aussi en générant une portance vers le vent. Les voiles, quant à elles, sont les grandes ailes de notre avion flottant, utilisant l'énergie cinétique du vent. À des vitesses au près, elles transforment une grande partie de la pression du vent en inclinaison. Seule une fraction de cette énergie est convertie en force propulsive d'avancement grâce à la forme de l'aile, dont il est possible d'ajuster le profil en fonction du vent, comme le montre une grand-voile de génois ajustée pour générer un profil aérodynamique. Des voiles usées, par exemple, perdent leur forme d'« aile d'avion », adoptant des formes en demi-lune ou, pire, présentant un « clou » vers le bord de fuite. Dans ces cas, le vent qui les frappe augmente la force de gîte et réduit la force de propulsion. La quille et le gouvernail, de leur côté, neutralisent la dérive latérale au près, en se basant sur les principes de résistance latérale et de portance précédemment évoqués.
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Maîtrise de l'Inclinaison : Forme de Coque, Ballast et Matossage
Il devient évident qu'un voilier est soumis à diverses forces, certaines favorisant la vitesse, d'autres n'étant pas directement utiles à l'avancement, comme l'inclinaison latérale et la dérive latérale. Le contraste de la dérive exercée par la quille et le gouvernail introduit également des frictions supplémentaires qui réduisent la force d'avancement « utile ». Pour contrer l'inclinaison, l'évolution des bateaux de course s'est orientée vers la « stabilité de forme », caractérisée par la résistance qu'oppose la coque elle-même à l'inclinaison. Cela a conduit à des coques de plus en plus larges et plates, et dans le monde des multicoques, aux catamarans et trimarans. Pour tenter de maximiser la force de redressement, lorsque les quilles étaient encore fixes, des ballasts ont été introduits. Les ballasts sont des réservoirs positionnés à l'intérieur de la coque, aussi décentralisés que possible par rapport à la ligne médiane, et remplis manuellement ou à l'aide d'une pompe à eau de mer. Leur rôle est d'agir comme un contrepoids, à l'instar de l'équipage assis sur le plat-bord. L'inconvénient du ballast est qu'il rend le bateau plus puissant, mais l'alourdit de toute l'eau chargée dans le réservoir, augmentant ainsi la résistance au mouvement.
Dans les classes où cela est autorisé, comme la Mini 650, la Class40 et l'IMOCA, le « matossage » est une technique employée. Cela consiste à utiliser les poids mobiles à bord - sacs d'eau, nourriture, vêtements, autres matériaux et voiles - et à les déplacer au vent. Cet artifice offre le même avantage que d'avoir quelqu'un assis sur le plat-bord, sans l'inconvénient d'un poids supplémentaire permanent. Une solution plus avancée était envisageable, mais il a fallu du temps pour voir apparaître les premières quilles basculantes.
L'Émergence des Quilles Basculantes et des Premiers Foils Verticaux
À l'origine, les quilles se limitaient à un petit lest de plomb intégré dans une quille solidaire de la coque. Progressivement, les quilles sont devenues des éléments distincts de la coque, souvent fabriquées en fonte et profilées comme l'aile d'une queue d'avion. Pour amplifier la force de redressement et permettre l'augmentation de la surface de voilure (et par conséquent de la force « utile »), les quilles se sont allongées, et le poids a été concentré vers le bas. L'aileron est une boîte vide ou une lame pleine avec son profil réalisé en fibre de verre, qui soutient un bulbe en plomb où le poids est concentré. L'avantage de cette conception est d'abaisser le centre de gravité de la quille et d'augmenter significativement la force de redressement du bateau.
La solution moderne consiste à permettre à la quille de basculer, ou de s'incliner. Dans les allures du travers au près, la quille est tirée au vent. Ce faisant, la force de redressement générée par le poids du lest s'accroît considérablement. Cependant, cette innovation pose un défi : en devenant de plus en plus horizontale, la quille perd sa fonction essentielle de contraste à la dérive latérale du bateau. C'est pourquoi, sur les IMOCA ou Mini 650 plus anciens, on observe l'introduction de « dérives » (dagger boards). Il s'agit de « lames » supplémentaires insérées comme des épées dans la coque, au centre ou une de chaque côté, légèrement inclinées, pour apporter cette composante de contraste aux forces transversales qui est perdue avec la quille basculante.
Les Foils Modernes : Portance et Réduction de la Traînée
Quand on parle de voiliers à foils aujourd'hui, le terme désigne un type d'appendice spécifique, absent des bateaux « traditionnels », dont la fonction est double (ou généralement un mélange des deux) : augmenter la force de redressement et contrecarrer la gravité et le frottement dans l'eau. Ces deux objectifs sont atteints grâce à des profils spéciaux, les « foils », qui sont judicieusement inclinés pour générer de nouvelles forces dans l'eau, plus efficaces que le simple déplacement de poids ou les formes traditionnelles. Les voiliers à foils peuvent ainsi réduire le frottement en s'allégeant grâce à la poussée verticale des foils. Des « ailes » sont immergées dans l'eau pour soulever et faire « voler » les voiliers, éliminant progressivement le frottement de la coque jusqu'à ce qu'il soit annulé. Le frottement des foils subsiste, mais il est nettement inférieur à celui de la coque.
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Aussi incroyable que cela puisse paraître, les premières expériences dans ce sens remontent au XXe siècle, avec des bateaux à moteur qui accéléraient et exploitaient les foils immergés pour soulever la coque de l'eau, à l'image des hydroptères actuels. Un voilier à foil très célèbre, l'Hydroptere, un trimaran volant équipé de V-foils, a introduit ce type de profil en forme de V pour sortir de l'eau et a établi de nombreux records.
L'Évolution des Foils sur Voiliers de Dernière Génération
À partir de là, nous nous concentrons sur les foils au sens d'appendices immergés dans l'eau destinés à accroître le redressement ou à contrecarrer le poids du bateau, en laissant de côté les voiles et autres appendices traditionnels. La première évolution majeure visait à augmenter la force de redressement. Après l'inclinaison de la quille, l'idée fut d'introduire une « aile » dans l'eau, sous le vent, qui générerait une poussée vers le haut. Ce type de foil « lame » latérale fut intégré sur des bateaux comme le Wild Oats XI lors de la Sydney Hobart, l'un des premiers voiliers à foil océanique à obtenir des résultats significatifs. Dans ce cas, le foil était une lame droite qui sortait latéralement pour créer une poussée de redressement.
La seconde évolution fut de donner au foil une forme en L. L'objectif de ce pli était double : la partie horizontale sert à « redresser » ce type de voilier à foil, tandis que la partie verticale a pour rôle de créer la « portance » perdue après le basculement de la quille. Ces voiliers à foils sont souvent décrits comme ayant des appendices en « moustaches ». Ces foils ont révolutionné la Solitaire du Figaro avec le Figaro 3, ou sur les voiliers à foils équipés d'une quille basculante et d'appendices à moustaches, qui redressent en partie et contrent en partie la dérive latérale.
Les Voiliers à Foils Volants : America's Cup et Multicoques
Après l'Hydroptere et ses foils en V, les catamarans de l'America's Cup furent les premiers à naviguer entièrement soulevés de l'eau. Pour y parvenir, les foils adoptèrent une forme en T ou en L inversé, de sorte que la partie verticale continue de contrecarrer la dérive latérale, tandis que la partie horizontale sert uniquement à soulever la coque. Pour améliorer l'équilibre du multicoque, deux points de levage furent privilégiés, d'où la présence d'un second foil en T sur chaque gouvernail. Le Luna Rossa Prada Pirelli est un exemple éloquent de cette technologie.
Dans le monde des monocoques, on observe deux approches distinctes : d'un côté, les bateaux totalement volants de l'America's Cup, conçus pour les eaux abritées et plates. Ces solutions de conception ne répondraient jamais aux critères de sécurité et de stabilité des classes océaniques. En effet, les voiliers à foils de l'America's Cup dépendent entièrement de leurs foils pour leur stabilité. Si un foil sort accidentellement de l'eau en raison d'une mauvaise manœuvre, le bateau chavire sans capacité de se redresser seul, comme cela est arrivé à Luna Rossa. Un tel bateau ne serait autorisé ni dans la classe Mini 650 ni dans la classe IMOCA, qui exigent une force de redressement positive lorsque le bateau est couché à 90 degrés. De l'autre côté, le monde des monocoques allant de la Mini 650 à l'IMOCA, où l'on ne navigue jamais complètement sorti de l'eau, mais où les foils jouent un rôle essentiel dans la performance. L'IMOCA Charal est une illustration de ces avancées.
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