Les foils sont des appendices hydrodynamiques profilés fixés sous une coque (foils latéraux) et/ou greffés sur les appendices traditionnels (dérive, safran). De manière un peu plus technique, en avançant, le foil crée une dépression au-dessus et une surpression en dessous. Si l’on considère que les principes physiques sont connus depuis plus d’un siècle, leur adoption sur les voiliers et multicoques a été (très) progressive, et s’est tout récemment popularisée. Voilà un peu plus de 10 ans que les foils se sont imposés sur la plupart des voiliers de course, monocoques comme multicoques. Dans le domaine de la plaisance, ces appendices s’avèrent aussi peu pratiques à intégrer sur une seule coque qu’ils le sont sur deux ou trois flotteurs. De fait, 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.
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, relayée par l’ingénieur mécanicien français Emmanuel D. Farcot. 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.
Un prototype de foiler sera réalisé en 1885 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. En 1887, l’inventeur américain William M. Meacham reprendra la même idée à Chicago. 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). 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.
Lire aussi: cette métaphore inspirante
Principes physiques et dynamique des fluides
La conception et la mise en place de foils ont recours à des technologies de pointe qui doivent être savamment maîtrisées. La traînée (drag), lorsque son incidence varie, est un paramètre critique. Un foil mince est plus ‘’pointu’’, avec de meilleures performances à faible incidence, mais sur une plage d'incidence très réduite. La cambrure est aussi ramenée à la longueur de la corde. La surpression sur l’intrados et la dépression sur l’extrados créent la portance. Il est important de noter que la traînée générée par les foils est sensiblement indépendante de celle-ci, ce qui permet d’obtenir une traînée limitée à environ 10 % du poids de l’embarcation.
Cependant, il existe des limites physiques strictes. Au-dessus de 30 nœuds, la traînée commence à augmenter (cavitation sur l'extrados côté bord de fuite). L'incidence et l'épaisseur relative du foil jouent un rôle majeur. La cavitation est un phénomène important dont la signification est développée dans le livre de Yves LECOFFRE. La puissance nécessaire peut atteindre la puissance sixième de la vitesse ! La résistance est proportionnelle à V6, ce qui rend la gestion de la vitesse d'autant plus importante que celle-ci est élevée.
Typologie des foils : de A à Z
Les foils se déclinent dans de nombreuses formes et configurations, chacune ayant des performances et des usages spécifiques en fonction des supports.
Les 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. L’un des meilleurs ambassadeurs des foils en C est le Rapido 40.
Les 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.
Lire aussi: Plongez au cœur de la technologie des foils IDEC SPORT
Les foils en T : Ils sont constitués d’une partie verticale et d’une aile perpendiculaire horizontale en bout de foil. Ils sont utilisés depuis très longtemps, notamment sur les safrans, les dérives, mais aussi sur les planches de surf à foil. Les avantages des foils en T sont multiples : 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.
Les 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.
Les foils en U et en O : Les foils en U sont 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. D’après G et L Durand, la forme en « O » permet une réalisation simple. La forme de base avait été obtenue sur un moule en plâtre. Les foils étaient ensuite usinés sur un tour.
Les foils transversaux : Alors que certains pontoon boats 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. Cette lame, le plus souvent complétée par des mini plans porteurs greffés sur les safrans, permet d’augmenter la vitesse et de diminuer 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 en échelle : Il semble que les premiers à avoir dessiné et testé des foils en échelle soient les frères Meacham. En 1897, ils testent un modèle équipé de cinq surfaces portantes. En échelle avec des plans horizontaux, la courbe de portance est en escalier avec des niveaux.
Lire aussi: Le choix crucial entre foils et voiles dans Virtual Regatta
Performance et réglages en situation de navigation
La performance d’un foil dépend de l’incidence qu’ils auront avec la vague du bateau. Pour le Figaro 3, par exemple, l'architecte Vincent Lauriot Prévost explique que l'objectif est de charger le profil asymétrique du foil pour réduire l'angle de dérive et décharger quille et coque. 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.
Ce concept de foils n’est pas forcément adapté à des bateaux plus grands et plus rapides : leur 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. Cela explique pourquoi nous avons un bateau très équilibré avec une barre très neutre. Dans le petit temps, le foil sous le vent joue un rôle d'antidérive plus ou moins important en fonction de son réglage. 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.
Navigation en eaux agitées et stabilité
Les bateaux à foils naviguent sur des eaux agitées grâce à des ailes sous-marines qui soulèvent la coque au-dessus de la surface de l'eau. Cela réduit la traînée et augmente la stabilité pour les passagers. Des systèmes avancés, comme les contrôleurs de vol et les foils actifs, s'adaptent en temps réel à la configuration des vagues, ce qui permet une navigation plus douce que celle des bateaux traditionnels. En restant au-dessus des vagues, ces navires gèrent les conditions plus difficiles avec moins de turbulences.
Cependant, le maintien de la portance et de l'équilibre dans des eaux agitées présente son propre lot de défis ; à faible vitesse, la stabilité peut diminuer à mesure que la coque se rapproche de l'eau, ce qui augmente la traînée et l'impact des vagues. La conception d'un bateau à foils pour les eaux agitées exige de prendre en compte plusieurs facteurs clés. L'un des plus importants est la forme et la taille du foil. Une aile plus grande et plus large améliore la portance et la stabilité. Le choix du matériau est un autre élément critique. Les bateaux à foils sont plus sensibles aux poids élevés. Des matériaux légers mais durables comme la fibre de carbone ou l'aluminium sont idéaux pour ces bateaux, car ils peuvent supporter les contraintes importantes qui accompagnent les eaux agitées sans peser autant que l'acier.
La vitesse est essentielle pour maintenir la stabilité des bateaux à foils dans les eaux agitées. Contrairement aux bateaux conventionnels qui réduisent leur vitesse pour atténuer l'impact des vagues, les bateaux à foils doivent maintenir leur vitesse pour améliorer la portance, en maintenant la coque élevée et en réduisant la traînée. Bien que des vitesses plus élevées augmentent la portance, ces bateaux sont conçus pour équilibrer vitesse et stabilité. Les différentes hauteurs et types de vagues ont un impact distinct sur les performances des bateaux à foils, ce qui nécessite des techniques de manipulation spécifiques. Par exemple, les petites houles (moins de 0,5 mètre) permettent aux hydroptères de fonctionner avec un minimum d'ajustements. Ces modifications permettent de maintenir la stabilité du navire et de réduire le claquement contre l'eau, un problème courant pour les bateaux traditionnels.
#