Le fonctionnement du foil lorsqu’un bateau gîte représente une problématique fascinante de l’architecture navale moderne. Pour comprendre comment un monocoque parvient à s'extraire de son régime archimédien, il est nécessaire d'analyser l'interaction complexe entre les forces véliques, la portance hydrodynamique et le comportement du barreur. Je pense que le Moth Foiler est le seul monocoque qui vole réellement et qui peut régater, c’est à dire évoluer librement sur un parcours entre deux ou trois bouées. Pour voler, il faut quitter le régime archimédien, donc soulever et extraire la carène de l’eau.
Les principes fondamentaux de la sustentation
Le phénomène de vol repose sur la génération d'une force verticale. Sur un Moth, la force verticale est d’environ 60 daN par foil en « T ». Ces deux foils en « T » sont régulés mécaniquement (orientation d’un volet sur le bord de fuite), sans aucune énergie électrique. Le barreur est un funambule dont le comportement en navigation est plus proche de celui d’un surfeur que de celui d’un navigateur sur un bateau comme on l’entend communément.
Pourtant, le Quant 23 qui n’est pas exactement un monocoque, bien qu’il y ressemble, vole aussi (un monocoque doit posséder une carène dont le creux ne diminue pas lorsque l’on se rapproche du plan de symétrie de la carène). Au cœur de cette dynamique, on trouve une composante de la portance « anti-dérive Rt » générée par le voile de quille et aussi le safran, ainsi qu'une composante de la « force vélique Ft » qui fait giter le bateau. Lorsque le bateau est en équilibre à un angle de gîte, la composante anti-dérive Rt et la composante de la force vélique Ft sont égales et parallèles. Dans ce cas les couples Ft * z et P *y sont égaux.
La force verticale P (dirigée vers le bas) correspond à la masse du bateau, du mât, de l’équipage, de la quille inclinable, des ballasts liquides etc. Cette force correspond au déplacement en navigation du bateau et s’applique au centre de gravité général qui est légèrement excentré par rapport au plan de symétrie du bateau. La force verticale Fa (dirigée vers le haut) est produite par la poussée d’Archimède. Cette force s’applique au centre de carène (centre de gravité du volume immergé). Lorsque la densité de l’eau est 1, ce volume est égal au déplacement du bateau en navigation.
L'apparition de la portance du foil
Le polygone vectoriel des forces en présence révèle une donnée cruciale : une nouvelle force PF (portance du foil) apparaît. Cette nouvelle force possède une composante verticale. Une force PF qui « allégerait » le bateau de 10 à 15% devrait normalement améliorer les performances et cela malgré la traînée induite du foil. Le MOTH parvient à « voler » malgré sa largeur assez réduite. C’est un bateau extrêmement léger équipé de plates-formes latérales sur lesquelles le barreur est installé. Le rapport de masse entre barreur et bateau est pratiquement de 3.5 à 1. Le barreur peut donc facilement faire gîter le bateau au vent.
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Oublions tout d’abord l’idée de copier le MOTH et installer un foil en « T » en bout de quille. En effet, faire contre-gîter un voilier lesté est déjà un rêve, ensuite lui ajouter des plans porteurs symétriques dont l’envergure serait supérieure à la largeur du bateau relève du cauchemar. Le décalage du foil sous le vent, et donc de la portance, paraît dans un premier temps être le bénéfice immédiat apporté par le foil. Il est incontestable que le couple de redressement augmente sous l’effet du foil et plus on va vite plus il augmente. La vitesse augmente de 31% et le couple de redressement de 71%. Certes c’est une démonstration relativement théorique, mais l’ordre de grandeur de l’effet physique est réaliste.
Interactions entre vitesse et puissance vélique
On voit donc, en première approche, que la puissance disponible, c’est à dire la capacité du bateau à porter de la surface de voilure augmente significativement car le foil excentré augmente le couple de redressement. Les deux phénomènes sont très imbriqués. Il est acquis que le foil améliore le couple de redressement. Si la vitesse du bateau augmente, la portance vélique augmente (avec, ne l’oublions pas, le carré de cette vitesse), la composante transversale (Ft) de la portance augmente donc de fait, et corolairement le couple de chavirage. On comprend ainsi que les deux couples s’équilibrent (je pousse…tu t’opposes) et que le phénomène prépondérant qui va permettre d’augmenter significativement la vitesse est la sustentation du bateau et son extraction de l’eau.
Cette transition entre le régime archimédien et le régime « vol intégral », dans lequel toute la carène est subitement hors de l’eau, est très violente. Elle se traduit quasi instantanément par une vitesse multipliée par trois ou quatre, sans aucune progressivité. V = vitesse de la forme (ici le foil) dans le milieu (eau). On perçoit facilement qu’un déplacement lourd, qui ne peut en aucun cas planer, ne pourra pas atteindre une vitesse stabilisée suffisante qui permettra d’obtenir un « allègement » significatif du bateau. Certes, sur ce type de bateau on peut augmenter l’angle d’incidence afin d’augmenter la portance (force verticale), mais corolairement la traînée s’amplifiera (vecteur dirigé vers l’arrière, donc frein). L’architecte recherchera le meilleur compromis Portance / Traînée en calant le foil sur le bateau (il fixe l’angle d’incidence).
Enjeux de conception et calculs de performance
On pourrait imaginer que le calage puisse être réglable comme c’est le cas sur les AC 72, AC45 et sur le MOTH, mais c’est compliqué techniquement. Ensuite le pilotage devrait être asservi, ce qui complexifie encore l’idée. Continuons avec le voilier de 53’ de déplacement 9000 kg et de LFLOT=16 m. On constate qu’avec l’action du foil le bateau tend de plus en plus vers un déplacement léger, donc potentiellement plus rapide. Pour s’en convaincre imaginons qu’au portant, il soit possible d’alléger le bateau d’une tonne ! La réponse est compliquée tant elle dépend de paramètres que l’architecture navale ne maîtrise pas entièrement.
Toute règle de jauge possède une philosophie qu’elle applique dans ses orientations et ses choix. L’IRC n’interdit rien pour peu que le flotteur reste un monocoque et respecte certaines règles de sécurité. L’IRC ne pénalise jamais un équipement, comme elle ne tient pas compte de son utilisation aléatoire ; elle taxe le plus équitablement possible chaque équipement et/ou chaque paramètre qui sont reconnus comme étant des éléments qui favorisent un gain de vitesse. Mais elle peut « favoriser » le développement d’un élément ou d’un équipement comme cela a été le cas avec le spinnaker asymétrique. Le calcul de chaque taxation ne prend pas en compte la performance de l’équipement au sens du VPP (Velocity Prediction Program). On recherche un algorithme avec l’espoir qu’il simulera et évaluera le plus justement possible l’apport de performances qu’apportent les foils.
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Méthodologie d'évaluation des foilers
En supposant qu’elle aboutisse, cette méthode permet de concevoir un produit et d’en connaître les performances afin de proposer ce produit à un éventuel client. Pour pouvoir être utilisé comme une Jauge, il faut que le potentiel de vitesse calculé pour chaque bateau en fonction de sa forme, de ses foils, de sa voilure soit converti en un coefficient qui traduira cette prédiction de vitesse. Cette approche est totalement différente. Elle considère que le foil (sa partie active) est l’élément principal du calcul. Elle limite les mesures du foil à son envergure active (Ev) et à la largeur de sa corde (Co).
Les paramètres généraux du bateau permettent aussi de calculer sa vitesse archimédienne potentielle, mais aussi son aptitude au planning (ratio déplacement/longueur, ratio surface/déplacement, etc). En combinant ces deux entités on peut déterminer une Vitesse potentielle de Planning (Vp) corrélée par un calcul de l’élancement du foil (Ev² / S). (S) résulte du choix de l’architecte (Cz) 0.35 par exemple, la jauge fixe cette valeur de manière pragmatique. Ce potentiel de portance représente la valeur théorique de « l’allègement » du bateau à la vitesse d’étude (Vp). Avec cette méthode, c’est l’architecte qui est responsable des performances du dessin des foils et de leurs implantations sur le bateau.
Évolution historique et innovation technologique
Les foils ont radicalement transformé le monde des bateaux en permettant à divers types de bateaux de naviguer à des vitesses incroyables. 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. Que ce soit pour les voiliers, les hydroptères, les catamarans ou même les bateaux à moteur, les foils ont redéfini les standards de vitesse et d'efficacité dans le monde nautique.
Les premières expérimentations remontent au début du 20ème siècle. Des pionniers comme Éric Tabarly ont été parmi les premiers à expérimenter avec les foils pour améliorer les performances des voiliers et réduire la surface de contact avec l’eau. 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. Au fil des années, de nombreuses innovations ont été apportées aux foils. Par exemple, les foils en composites de carbone offrent une résistance et une légèreté optimales. Le projet Hydroptère, initié par Alain Thébault, a démontré les capacités des foils en atteignant des vitesses supérieures à 50 nœuds.
Applications contemporaines et diversité des supports
Les foils sont utilisés dans une grande variété de bateaux :
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- Voiliers : Les compétitions de voile, comme le Vendée Globe, utilisent des foils pour atteindre des vitesses élevées.
- Hydroptères : Ces bateaux utilisent des foils pour se soulever entièrement hors de l'eau, atteignant des vitesses de plus de 50 nœuds.
- Bateaux à moteur : Les foils améliorent l'efficacité et la vitesse, permettant des déplacements plus rapides.
- Catamarans : Les compétitions de catamarans ont montré l'efficacité des foils pour augmenter la vitesse et la maniabilité.
- Sports nautiques : Des disciplines comme le wingfoil, le windsurf, le kitefoil, le supfoil et le dock foil intègrent des foils pour offrir des performances optimales et des sensations de glisse incomparables.
Défis de la navigation sur foil
L'utilisation des foils présente des défis majeurs, notamment le coût des matériaux, la complexité technique de l'ingénierie, et la gestion des phénomènes hydrodynamiques comme la ventilation et la cavitation. La maîtrise de la contre-gîte, par exemple, est un sujet de débat technique entre pratiquants. Pour certains, mettre la planche à la contre-gîte est une question de triangulation, utilisant le harnais pour un "glissement au vent" du centre de gravité.
Il est acquis que la montée en charge sur l'avant avec la prise de vitesse a ses limites, ensuite il faut utiliser la pression sur le pied de mat offerte par la voile et limiter la portance en contre-gitant. Tout va de pair. Avec une planche étroite, la mât du foil charge moins en latéral, ce qui est moins bien pour caper, mais si on ne fait pas de contre-gîte, ça ne marche pas. Il faut cranter sur l'aile.
L'exemple du Figaro 3
Le Figaro 3 et ses étonnants foils n’ont pas fini de faire couler beaucoup d’encre. Comme l'explique l'architecte Vincent Lauriot Prévost, 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, on veut charger le foil pour dériver moins. Par contre, dans les allures de portant, là, on veut en réduire l’angle de rake au maximum pour en diminuer la traînée.
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 profil asymétrique qui prend l’effort antidérive va donner du moment de redressement et alléger le bateau. Plus cette force latérale augmente, plus on charge le foil et le foil pousse verticalement également.
Stabilité en eaux agitées
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.
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.
Composantes techniques d'un système de foil
Le mât d’un foil est une pièce en aluminium ou carbone qui fait la jonction entre la planche et le set d’aile avant et arrière (le stabilisateur). Le fuselage est la partie centrale qui relie les ailes au mât, assurant la stabilité et la rigidité. L’aile avant est la composante qui génère la portance lorsque le foil est en mouvement dans l'eau. L’aile arrière, ou stabilisateur, joue un rôle crucial dans la stabilité et le contrôle de la planche.
Les paramètres de design d'un foil comprennent la surface de l'aile, le profil, l'aspect ratio, la longueur du fuselage et la longueur du mât. L'aspect ratio d'un foil est un terme qui décrit la relation entre la longueur de l'aile et sa largeur. Un aspect ratio élevé signifie que l'aile est longue et étroite, tandis qu'un aspect ratio bas indique qu'elle est plus courte et plus large. Un aspect ratio élevé est souvent associé à une meilleure performance en termes de portance et d'efficacité car il réduit la traînée.