L'Art et la Science des Foils en Nautisme : De la Maquette aux Records de Vitesse

Le monde du nautisme, qu'il s'agisse de modèles réduits ou de navires de pleine grandeur, a été radicalement transformé par l'avènement et l'évolution des foils. Ces appendices immergés, dont le profil rappelle celui d'une aile d'avion, sont devenus des catalyseurs d'innovation, permettant aux bateaux d'atteindre des vitesses impressionnantes tout en offrant une navigation plus fluide et plus efficace. L'intégration des foils ne se limite plus aux prototypes expérimentaux ou aux compétitions de haut niveau ; elle s'étend désormais à une multitude d'applications, depuis les voiliers de course et les hydropètes jusqu'aux catamarans de plaisance et aux équipements de sports nautiques comme le wingfoil. Cependant, cette technologie, bien que prometteuse, présente son lot de défis techniques, comme en témoignent les nombreuses expérimentations et optimisations nécessaires pour maîtriser pleinement leur potentiel.

Cet article explore les principes fondamentaux des foils, leur riche histoire, les défis pratiques rencontrés dans leur construction et leur réglage - illustrés par l'expérience concrète d'un maquettiste naval - ainsi que les avancées hydrodynamiques qui repoussent constamment les limites de la vitesse sur l'eau.

I. Comprendre les Foils : Principes Fondamentaux et Hydrodynamique

Un foil est un appendice immergé et fixé sous la coque d'un bateau. Lorsqu'un 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. Ce phénomène réduit la surface de contact avec l’eau et la traînée, augmentant ainsi significativement la vitesse et l'efficacité du navire. Cette portance est générée par la différence de pression entre le dessus et le dessous du foil, un principe fondamental de l'hydrodynamique qui trouve son parallèle dans le fonctionnement des ailes d'un avion.

Pour offrir une combinaison optimale de légèreté et de résistance, les foils sont souvent construits à partir de matériaux composites, tels que la fibre de carbone. La conception de ces profils est cruciale : ils sont spécifiquement pensés pour maximiser la portance tout en minimisant la traînée. Des ajustements précis dans la forme et l'angle des foils peuvent améliorer considérablement les performances d'un bateau, et ces profils peuvent être modifiés pour s'adapter à des conditions de navigation spécifiques. Les systèmes de stabilisation active, qui utilisent des capteurs et des contrôleurs pour modifier en temps réel l'angle des foils, sont d'ailleurs conçus pour garantir une portance et une stabilité optimales dans diverses conditions.

L'Importance du Profil et de l'Incidence

La question du profil des foils, plat ou profilé, est un point central de leur conception. Il a été remarqué que sur de nombreux modèles de bateaux à foils, le profil des foils était plat et non pas profilé comme les ailes d'avions. Cette histoire de foil plat doit être en partie due à la densité de l'eau, qui permet d'avoir une portance plus importante avec un profil plat ou presque plat. Si des foils plats sont utilisés, il faudra leur mettre un poil d'incidence, sinon, ils ne montent pas. En effet, l'architecte naval recherchera toujours le meilleur compromis entre la portance générée et la traînée induite, en calant le foil sur le bateau, c'est-à-dire en fixant son angle d'incidence. Bien que l'idée d'un calage réglable, comme c'est le cas sur les AC72, AC45 et les MOTH, offre une flexibilité précieuse, elle est aussi une source de complexité technique.

Les Différentes Architectures de Foils

Les foils se déclinent en de multiples formes et configurations, chacune ayant des performances et des usages spécifiques adaptés aux supports sur lesquels ils sont installés :

Foils en C : Caractérisés par une forme courbée plus ou moins prononcée, les foils en C ne permettent pas au bateau de voler entièrement hors de l’eau. Cependant, leur utilisation offre un effet de portance qui soulève le multicoque, procurant une semi-sustentation. Leurs principaux avantages sont l’amélioration de la vitesse et du confort. Ils sont également très faciles à contrôler, étant moins extrêmes que d’autres types de foils. Un des meilleurs ambassadeurs de cette configuration est le Rapido 40, un trimaran dont les appendices courbés diminuent la surface mouillée.
Foils en L : Reconnaissables à leur forme en L avec une partie horizontale qui génère la portance, ces foils sont souvent observés sur les monocoques de course au large ou les nouveaux supports de la Coupe de l’America. Ils offrent une meilleure stabilité par rapport à des foils droits et une bonne sustentation, représentant un compromis intéressant entre performance et contrôle. Cependant, ils peuvent prendre de la place, même repliés, et offrent une stabilité latérale moindre que les foils en T.
Foils en T : Composés d’une partie verticale et d’une aile perpendiculaire horizontale en bout de foil, les foils en T sont utilisés depuis longtemps, notamment sur les safrans de bateaux, les dérives, et les planches de surf à foil. Leurs avantages résident dans une grande stabilité en vol et la capacité à éviter le tangage. En contrepartie, ils présentent une traînée hydrodynamique plus importante au démarrage et sont moins réactifs lors des manœuvres.
Foils en V : Très utilisés, notamment sur les multicoques de course, les foils en V se composent d’une lame inclinée à plus ou moins 45° vers le centre du multicoque. Le principal avantage de ce système est sa simplicité. De plus, le foil en V est pratiquement autorégulateur, ce qui signifie que le bateau retrouve son assiette et son équilibre de manière presque automatique, même par mer formée. Il offre également une très faible surface mouillée et donc peu de traînée.

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Foils en U : Comme leur nom l'indique, ce sont des foils fermés en forme de U ou de O allongé. Ce système est apparu dans les années 50 mais n'est pas devenu très populaire.
Foils Transversaux : Fréquemment adoptés pour les multicoques à moteur, en particulier les powercats, le foil transversal est une lame qui relie les deux coques. Il agit comme une aile marine qui permet au bateau de s’élever légèrement hors de l'eau en prenant de la vitesse. Ce système n’induit pas un vol à proprement parler, mais il allège le catamaran, ce qui diminue sa surface mouillée. Cette lame est souvent complétée par des mini plans porteurs greffés sur les safrans. En diminuant la surface mouillée, il augmente la vitesse et réduit la consommation de carburant, tout en améliorant le confort, notamment dans le clapot.

II. Le Maquettisme Naval à Foils : Une Approche Pratique et ses Défis

L'exploration des foils ne se limite pas aux grands projets ; elle passionne également les maquettistes navals, qui se confrontent à des défis similaires, mais à une échelle réduite. L'expérience de Caboteur44 illustre parfaitement cette quête d'optimisation.

L'Expérience de Caboteur44 : De la Conception aux Premiers Essais

Après avoir collecté différents renseignements sur le net, Caboteur44 a établi les plans de son hydrofoil. La fabrication des foils a suivi, puis leur montage sur la coque de la maquette. Les premiers essais sur l'eau ont été réalisés en l'équipant d'un moteur 600 et d'une hélice de vitesse de 31mm. Le résultat des premiers essais a montré qu'il décolle bien de devant, même à vitesse assez basse, mais pas trop de l'arrière. Pour tenter de corriger ce déséquilibre, des foils ont été rajoutés sur le patin arrière, mais sans en refaire encore l'essai. Un problème majeur est apparu : lorsque la vitesse est augmentée, il se produit un effet de couple important, et le bateau se couche sur un côté. Des questions se sont alors posées : fallait-il ajouter des flaps pour diminuer cet effet ou bien une tuyère autour de l'hélice ?

Optimisation de la Stabilité et de la Propulsion

Face à ces difficultés, des conseils ont été sollicités et plusieurs options ont été proposées pour résoudre le problème de stabilité. Une suggestion était d'élargir le foil avant pour obtenir une stabilité latérale plus importante, en se référant notamment à l'hydrofoil Graupner. Une autre piste concernait le choix de l'hélice : une hélice moins typée vitesse pourrait réduire l'effet de couple (les hélices de vitesse ayant généralement un rapport pas/diamètre de 1.4, contre environ 1 pour une hélice classique). L'option d'un bateau bimoteur avec hélices contra-rotatives a également été évoquée. Pour l'arrière, il a été suggéré un flap réglable en inclinaison pour pouvoir ajuster la portance.

Caboteur44 a mis en œuvre certains de ces conseils : il a soudé deux flaps en tôle sur le foil arrière avec la possibilité de modifier leurs angles et a monté une hélice classique de 30mm. L'inclinaison de l'avant semblait bonne selon les premiers essais, et l'idée d'augmenter la portée des foils avant n'était pas trop compliquée à réaliser. Des observations ont également révélé trop de turbulences autour des foils supérieurs avant, suggérant d'ajouter un deuxième plan de foils avant et peut-être des foils intermédiaires. La nature de la maquette, en tôle acier, offrait l'avantage de pouvoir souder et dessouder à volonté pour toutes ces modifications.

Défis de la Cavitation et de l'Assiette en Vol

Un autre problème est survenu lors des essais : le navire décollait bien mais retombait sur l'eau, car l'hélice brassait de l'air et sortait de l'eau quand il montait sur ses foils. Ce phénomène est comparable, mais inversé, à celui observé sur un sous-marin à plongée dynamique : si l'on met trop de piqueur d'un coup, l'hélice, si elle est derrière le bateau, se retrouve à l'air libre et n'a plus de poussée, provoquant la remontée du sous-marin. Pour le modèle à foils, trop d'angle ou de portance sur le foil fait déjauger l'hélice, entraînant une perte de poussée. Il a été suggéré d'essayer de mettre un angle quasi nul, l'avant devant alors sortir le bateau et l'arrière assurer uniquement la portance.

Pour contrer la cavitation de l'hélice, Caboteur44 a allongé l'arbre d'hélice. Cependant, cette modification le faisait tomber sur le safran, qui ne pouvait pas être déplacé plus en arrière. La solution fut de créer une tuyère orientable intégrant le safran. La stabilité en vol s'est avérée difficile à obtenir une fois sur les foils, ce qui a conduit à l'ajout de flaps sur les foils arrières, inclinables à volonté pour trouver la bonne horizontalité ainsi que la ligne droite. Un problème persistant était que la coque retombait sur l'eau au bout d'un certain temps après le décollage, et ne redécollait pas immédiatement. Des petits flaps sur les foils avant ont été envisagés.

Le dernier essai s'est avéré concluant. Après avoir allongé l'arbre d'hélice et posé une tuyère, un foil arrière en partie basse a été ajouté. Des flaps (un petit bout de tôle soudée) ont été articulés pour changer leur angle d'incidence et surtout pour rectifier l'effet de couple produit par l'hélice. Les accus NiMH 6V ont été remplacés par une batterie LiPo 2S, offrant plus de durée de navigation et un gain de poids de 50g, bien qu'il faille réduire un peu les gaz pour ne pas faire déjauger l'hélice.

Stabilité Latérale et Dièdre

Concernant la stabilité latérale, il est crucial que les foils présentent un dièdre prononcé. Cette configuration améliore non seulement la stabilité mais contribue également à l'inclinaison du bateau à l'intérieur des virages, un aspect essentiel pour le comportement dynamique du modèle.

III. Hydrodynamique Avancée : Comprendre les Limites et les Performances

Au-delà des défis de construction et de réglage à petite échelle, la science des foils est confrontée à des phénomènes hydrodynamiques complexes qui définissent les limites de performance des navires, qu'ils soient modèles ou grandeur nature.

Le Phénomène Crucial de la Cavitation

La cavitation est un phénomène crucial. À des vitesses élevées, la dépression créée par le profil du foil est telle que la pression de vapeur de l'eau devient inférieure à celle de l'eau. Cela entraîne une évaporation directe de l'eau à la surface du profil. Une partie du foil ne travaille alors plus dans l'eau liquide, mais dans la vapeur d'eau. Il en résulte une traînée de bulles qui augmente drastiquement la résistance du bateau. Une fois que la cavitation a commencé, la vitesse ne peut augmenter que de deux ou trois nœuds supplémentaires avant d'atteindre un "mur du son" pour la cavitation, comme cela a été décrit.

La conception des foils implique donc un compromis délicat. Il est tout à fait possible de construire des foils qui ne cavitent qu'à partir de 60 nœuds, mais ils seront alors assez mauvais à des vitesses inférieures. Par exemple, un foil qui cavite à 40 nœuds sera plus rapide dans la plage de zéro à 40 nœuds qu'un foil conçu pour caviter à 50 nœuds. Ce dernier ne sera plus rapide qu'entre 40 et 50 nœuds, ce qui le rendrait plus lent sur d'autres parcours et par vent faible. Les Imocas, par exemple, cavitent à environ 35 nœuds, un choix délibéré car un Open 60 ne navigue pas plus vite et ne vole pas complètement, rendant inutile l'utilisation de profils plus tardifs en cavitation mais plus lents à faible vitesse. Au-delà de 60 nœuds, il devient très difficile de ne pas caviter avec un foil conçu pour l'eau vive.

La cavitation peut également se produire à faible vitesse si le foil doit générer une portance suffisante et est donc utilisé avec un angle d'attaque élevé. Cela crée des pics de dépression qui font caviter le profil localement sur l'extrados à l'avant, entraînant un freinage. La difficulté pour les foils de l'America's Cup ou du SailGP est de couvrir une plage de vitesse de 20 à 25 nœuds sans cavitation, une plage qu'il est difficile d'élargir.

L'épaisseur des foils joue un rôle déterminant dans la cavitation : la vitesse de cavitation est directement liée au pourcentage d'épaisseur. Un foil de 11 % d'épaisseur par rapport à la longueur de la corde cavitera à 48 nœuds, tandis qu'un foil de 16 % d'épaisseur cavitera à 38 nœuds. Il s'agit toujours de trouver le meilleur compromis entre la cavitation attendue et la vitesse. Les foils rapides doivent être plus fins, mais une trop grande finesse pourrait compromettre la solidité, nécessitant alors une surface mouillée plus grande.

Enfin, la cavitation peut endommager le matériau du foil. L'implosion des bulles de vapeur génère des températures pouvant atteindre plusieurs centaines de degrés, ce qui peut provoquer des trous ou un délaminage du matériau en quelques heures. C'est pourquoi les foils sont conçus pour que la cavitation se produise le plus en arrière possible à grande vitesse, afin que les implosions commencent derrière le profil.

Ventilation et l'Exploitation des Limites Hydrodynamiques

Il est important de distinguer la cavitation de la ventilation. La cavitation est l'effet de l'évaporation de l'eau sur le foil, tandis que la ventilation signifie que l'aile aspire de l'air à la surface de l'eau. Dans le cas d'un foil qui ventile, le côté dépression fonctionne dans l'air, alors que pour un foil qui cavite, il fonctionne dans la vapeur d'eau.

Lors des tentatives de records de haute vitesse, comme celles du Sailrocket ou du SP80, les profils des foils percent la surface de l'eau. À très grande vitesse, la cavitation commence et, ce faisant, entraîne une ventilation jusqu'à ce que le foil soit complètement ventilé du côté de la dépression, c'est-à-dire sur toute sa surface. Cette ventilation provoque une perte de l'effet d'aspiration du côté dépressionnaire, mais la surpression de l'autre côté continue de générer une force, bien que plus faible. Pour ces foils de records, l'objectif n'est pas de pousser le bateau hors de l'eau, mais de le tirer vers l'intérieur, de le maintenir en contact avec l'eau, car la voile tire fortement le bateau vers le haut.

L'avantage de ces foils ventilés est qu'au-delà de 60 nœuds, un foil ne fonctionne tout simplement plus pour l'eau liquide. La ventilation assure qu'au moins le côté surpression continue de fonctionner. Une fois dans cette zone, il n'y a en principe plus de limite physique aux vitesses encore plus élevées. Ces profils ont un aspect très différent des foils fonctionnant uniquement dans l'eau liquide : ils sont très pointus à l'avant et émoussés à l'arrière, presque comme un coin. Leur inconvénient majeur est qu'ils sont très peu performants dans les zones de faible vitesse, de zéro à trente nœuds.

La Complexité des Systèmes de Régulation de Hauteur de Vol

La maîtrise de la hauteur de vol des foils est un aspect technique majeur. Les systèmes de régulation varient considérablement en fonction des types de foils et des applications :

Le Cas des T-Foils (SailGP, America's Cup) : Ces foils nécessitent une régulation active et constante. Typiquement, un membre de l'équipage règle l'angle des flaps à l'extrémité du foil une fois par seconde. Ce travail à plein temps est impossible pour un skipper en solitaire sur des bateaux comme les Imoca ou les Ultims, où les systèmes automatiques sont interdits. Les nouveaux profils en T, légèrement courbés vers l'extérieur et testés par le SailGP, déplacent le centre de poussée de l'aile vers l'extérieur, augmentant considérablement le moment de redressement. Cela permet d'augmenter la pression dans la voile, générant potentiellement 15 % de performance en plus.
Systèmes Auto-régulants (J-foils, Ultims) : Des systèmes plus anciens, comme les J-foils utilisés dans la Coupe de l'America, ou les T-foils en bas de la dérive sur les Ultims, peuvent s'auto-réguler. Le principe des J-foils est qu'entre la tige du foil et le tip, il y a toujours un angle. Lorsque le bateau monte et que le foil sort de l'eau, la surface du manche immergée diminue, ce qui augmente la dérive sous le vent. Cette dérive diminue l'angle d'arrivée de l'eau au niveau du tip, le foil perd de la portance, et le bateau s'enfonce à nouveau. Les T-foils en bas de la dérive des Ultims permettent, eux, de contrôler activement le moment de redressement et la hauteur de vol, en poussant le bateau vers l'extérieur ou en le tirant vers le bas pour augmenter le moment de redressement.
Historique des Mécanismes de Régulation : Les premières expérimentations avec des foils au début du 20ème siècle, souvent sur des engins à moteur avec des foils en échelle ou en V, ont révélé des problèmes de tenue à la mer. Des pionniers comme Grunberg et Hook ont travaillé sur la voie de l'incidence variable. Christopher Hook a développé des voiliers de vitesse avec foils en T asservis, mais a rencontré des problèmes de contrôle et de solidité. Philip Hansford a testé et adopté le système "Hook Hydrofin" sur son Mayfly, puis sur le trimaran Force 8. Ce système impliquait un bras dirigé vers l'avant avec un patin effleurant la surface, pilotant le plan porteur via une tringlerie.
Plus tard, Phillips et Shaughnessy ont développé un système de "traînard" (une baguette presque verticale pivotante) qui devait, en fonction de la hauteur de vol, agir sur un volet de bord de fuite. Simmonds, un hydrodynamicien, a ensuite développé un système de traînard suivant la surface de l'eau pour réguler l'incidence d'un volet de bord de fuite, système adopté par Philip Hansford pour son trimaran Dot (devenu Philfly) qui s'est avéré "extrêmement stable". Greg Ketterman, ingénieur mécanique et architecte naval, a mené des recherches approfondies sur la régulation des foils depuis 1981, contribuant notamment à la conception des foils en L. Son système de traînard, avec un centre de gravité positionné en avant de l'axe de rotation, garantit le contact du palpeur avec l'eau et réduit l'incidence proportionnellement à la hauteur de vol, minimisant les pièces en mouvement. D'autres contributeurs incluent David Knaggs avec son palpeur à axe de rotation parallèle au bateau, Sam Bradfield et son système de traînard immergé, et le pionnier français Claude Tisserand avec son Veliplane, dont le système de régulation reste confidentiel. Même Gordon Baker, en 1955, a conçu une régulation de l'incidence sur des foils en échelle, basée sur les efforts du gréement plutôt que sur la hauteur de vol. L'université de Warwick a même tenté, sans succès, d'aspirer de l'air via des évents pour limiter la portance, une approche qui n'a pas démontré son efficacité. Le système équipant les Moth, qui sont les seuls monocoques à voler et à régater efficacement, est attribué à Simmonds, avec des foils en V initialement, puis des configurations bifoilers et trifoilers, évoluant vers la régulation mécanique des flaps.

IV. L'Impact des Foils sur le Nautisme Moderne

L'intégration des foils a marqué un tournant décisif dans le nautisme, redéfinissant les standards de vitesse, d'efficacité et de confort à travers un large éventail d'applications.

Un Catalyseur de Vitesse et d'Efficacité

Les foils ont radicalement transformé le monde des bateaux en permettant à divers types d'embarcations de naviguer à des vitesses incroyables. En réduisant la traînée et en augmentant l'efficacité, ils permettent aux bateaux de s'élever au-dessus de la surface de l'eau, offrant une navigation plus fluide et rapide. Cette technologie permet aussi une réduction significative de la surface mouillée, et donc des frottements, ce qui, pour les multipowers notamment, se traduit par une diminution de la consommation de carburant. Les foils ne servent pas uniquement à faire voler le bateau, mais aussi à améliorer l'amortissement et le confort à bord.

Applications Diversifiées

L'impact des foils se manifeste dans de nombreux domaines :

Voiliers : Les compétitions de voile, telles que le Vendée Globe et la Coupe de l'America, utilisent des foils pour atteindre des vitesses élevées et améliorer la performance. Les équipes de course travaillent constamment à optimiser les profils pour maximiser la performance.
Hydropètes : Ces bateaux, comme l'Hydroptère, 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 des bateaux à moteur, leur permettant de naviguer plus rapidement et plus efficacement.
Catamarans : Les catamarans bénéficient également de l'ajout de foils. Les compétitions de catamarans ont démontré l'efficacité des foils pour augmenter la vitesse et la maniabilité.
Sports nautiques : Des disciplines comme le wingfoil, le windsurf et les efoils intègrent des foils pour offrir des performances optimales et des sensations de glisse incomparables, même par vent léger.

Considérations Économiques et de Conception

Cependant, l'utilisation des foils présente également des défis. Le coût élevé des matériaux composites de haute qualité et de la technologie nécessaire à leur fabrication limite leur accessibilité. La complexité technique de la conception et de l'installation des foils requiert une ingénierie précise et une compréhension approfondie de l'hydrodynamique. Par exemple, un jeu de foils pour un bateau de la Coupe de l'America peut coûter nettement plus d'un million d'euros, atteignant trois à trois millions et demi d'euros avec le foil de réserve.

Le poids plus élevé des bateaux offshore, comme les Imocas et les Ultims, est également une contrainte. Ces navires nécessitent des foils plus épais pour des raisons de solidité, ce qui peut affecter leur vitesse de cavitation. La conception des foils est un compromis constant entre la solidité, la surface mouillée et la vitesse de cavitation attendue.

Dans le domaine des régates, des règles de jauge, comme l'IRC, cherchent à taxer de manière équitable les équipements qui favorisent le gain de vitesse, sans pour autant interdire les foils. Des algorithmes sont développés pour simuler et évaluer les performances des foils, permettant aux architectes navals de concevoir des projets et de prédire leurs performances. Un exemple notable est la conception de la maquette à l'échelle du catamaran Oracle, un AC72 de la Coupe de l'America, par Colin, qui a pu utiliser des fichiers 3D des formes générales du bateau.

L'Art et la Science des Foils dans le Nautisme : De la Maquette aux Records de Vitesse