Les foils ont radicalement transformé le monde des bateaux, permettant à divers types d'embarcations 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 hydoptères, les catamarans ou même les bateaux à moteur, les foils ont redéfini les standards de vitesse et d'efficacité dans le monde nautique. Le développement de ces accessoires a également stimulé des innovations dans des disciplines comme le wingfoil, l’efoil et le kitefoil, marquant une nouvelle ère de glisse maritime où les performances accrues et les sensations uniques de vol sont devenues accessibles. La technologie des foils, bien que paraissant récente, a des origines qui remontent au début du 20ème siècle et continue d'évoluer, notamment avec l'intégration de systèmes complexes et l'adaptation à des navires de plus en plus performants, y compris les monocoques de compétition.
Comprendre les Foils : Définition et Principes Fondamentaux
Un foil est un appendice immergé et fixé sous la coque d'un bateau. Il est également appelé hydrofoil, et cette aile profilée est placée sous la surface de l’eau. Les foils sont souvent construits à partir de matériaux composites comme la fibre de carbone pour offrir une combinaison optimale de légèreté et de résistance. Les profils des foils sont conçus pour maximiser la portance tout en minimisant la traînée. Des ajustements précis dans la forme et l'angle des foils peuvent améliorer significativement les performances d'un bateau, et leurs profils peuvent être modifiés pour s'adapter aux conditions de navigation spécifiques.
Le fonctionnement des foils repose sur les principes de l'hydrodynamique. 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. Cette action réduit ainsi la surface de contact avec l’eau et, par conséquent, la traînée, ce qui augmente la vitesse. Cette portance est générée par la différence de pression entre le dessus et le dessous du foil, similaire au fonctionnement des ailes d'un avion. Le foil a une forme profilée qui donne à son côté supérieur bombé (extrados) une longueur plus importante que celle de son côté inférieur (intrados), qui lui, est plat. Les molécules d’eau situées au-dessus du foil sont ainsi accélérées pour arriver en même temps que celles qui sont passées sous le foil, malgré une distance plus importante à parcourir. D’après le théorème de Bernoulli, à altitude égale, la pression d’un fluide diminue quand sa vitesse augmente et inversement. C’est la différence de pression entre l’intrados et l’extrados du foil qui crée la force de portance : un déplacement de l’eau de la zone de pression élevée vers la zone de faible pression. La force de portance obtenue par l’intermédiaire des foils permet des performances accrues du bateau en augmentant sa vitesse maximale.
Les foils sont particulièrement efficaces sur les hydoptères et les voiliers, permettant à ces bateaux d'atteindre des vitesses élevées tout en maintenant une stabilité optimale. Les vidéos disponibles sur YouTube illustrent bien ce phénomène en montrant des bateaux équipés de foils qui glissent rapidement sur l'eau. Cependant, il est crucial de ne pas confondre un hydroptère, où les foils supportent la totalité du poids du bateau, avec les foilers, où les foils contribuent seulement à réduire la surface mouillée et la gîte. L'intérêt pour un bateau de « déjauger », c’est-à-dire de sortir sa coque de l’eau, est connu depuis déjà longtemps, car quand il déjauge, le bateau voit sa résistance à l’avancement notablement réduite. Dans cette situation, la partie immergée de la coque (carène) n’a plus de fonction « archimédienne ». Le navire est alors « porté par ses ailes » et se comporte comme un avion, sa vitesse augmentant au fur et à mesure que sa coque sort de l’eau. Le foil, également appelé hydrofoil, est une aile profilée placée sous la surface de l’eau.
Les systèmes de stabilisation active, utilisant des capteurs et des contrôleurs, peuvent modifier en temps réel l'angle des foils, garantissant une portance et une stabilité optimales dans diverses conditions de navigation. Cela permet une maniabilité et une aisance déconcertante. Un foil mince est plus pointu et offre des performances à faible incidence, mais sur une plage d'incidence très réduite. La cambrure est aussi ramenée à la longueur de la corde, et le nombre de Reynolds augmente. Les foils moins immergés ont un rendement allant en se dégradant.
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Une Rétrospective Historique : L'Évolution des Foils
Les premières expérimentations avec un foil ou plusieurs remontent au début du 20ème siècle, bien que les connaissances sur les foils soient connues depuis plus d'un siècle. C’est dès l’année 1861 en Grande-Bretagne que Thomas Moy installe 3 foils horizontaux sous un canot. Tiré par un cheval sur le Surrey Canal, le canot se soulève au-dessus de l’eau. Puis en 1885 en France, De Lambert réalise « une sorte de catamaran » avec des tonneaux fixés deux par deux l’un derrière l’autre. Une dizaine d’années plus tard, De Lambert et Phillips construisent le premier hydroptère, un catamaran supporté par 4 hydrofoils transversaux d’une surface totale de 5,10 m2. À l’aube du 20ème siècle (1904), De Lambert est à l’origine du premier hydroptère autopropulsé à l’aide d’un moteur à explosion de Dion de 14 cv. Et ainsi de suite, des bateaux quelquefois très « originaux » vont voir le jour tout autour de notre planète.
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 1908, les frères Wright, ceux-là mêmes qui construisirent un des premiers aéroplanes, firent décoller un catamaran doté de plans porteurs. D’autres tentatives se succéderont, avec des Italiens, des Anglais et des Américains se lançant dans cette course au voilier volant. Alexander Graham Bell, l’inventeur du téléphone, et son assistant Frederick W. Baldwin ont développé le HD-4 en 1964, un hydroptère capable d'atteindre des vitesses impressionnantes grâce à l'utilisation de foils. Cet hydroptère a établi un record de vitesse sur l'eau qui est resté inégalé pendant de nombreuses années. En 1951, un autre Wright, américain lui aussi, réussit un véritable exploit : ayant réuni deux coques de canoë munies de plans porteurs, le tout équipé d’une voile, il s’élance pour « un vol » sur la mer qui va durer… « une longue minute ».
Pendant une quarantaine d’années, la technique des foils s’améliore et séduit dans un premier temps les concepteurs de navires à moteur. La popularisation des foils dans le nautisme moderne s'est accélérée dans les années 1980, notamment grâce à des compétitions de voile et des records de vitesse. Les courses et compétitions ont joué un rôle clé dans cette évolution. Par exemple, Hocquinghem a été un site important pour le développement de cette technologie. Puis, simultanément, la marine de guerre et le transport maritime développent cette technique de l'hydrofoil qui présente l'avantage d'une stabilité accrue et d'une vitesse plus importante. Par la suite, la recherche va progresser sur des engins de taille réduite. Incontestablement, les hydrofoils parviennent à voler. Les premiers foilers ont été créés dans les années 70.
Au fil des années, de nombreuses innovations ont été apportées aux foils. Les foils en composites de carbone offrent une résistance et une légèreté optimales, permettant aux bateaux de maximiser leur performance. Les systèmes de stabilisation active, utilisant des capteurs et des contrôleurs, ont également amélioré la performance et la stabilité des bateaux équipés de foils. Des innovations récentes incluent des développements dans les foils électriques et les efoils, des planches de surf électriques équipées de foils, qui gagnent en popularité dans les sports nautiques. Les premiers essais de ces nouveaux accessoires ont montré des résultats prometteurs. Les avancées technologiques ont également permis la création de foils plus efficaces et plus durables. Par exemple, le projet Hydroptère, initié par Alain Thébault, a démontré les capacités des foils en atteignant des vitesses supérieures à 50 nœuds. De nombreux hydroptères ont été construits pour exploiter les avantages des foils.
Diversité des Applications et Typologies de Foils
Les foils peuvent être adaptés à divers types de bateaux, des voiliers aux bateaux à moteur, en passant par les hydoptères et les catamarans. Leur polyvalence est l'une des clés de leur succès.
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Sur les voiliers, les foils sont devenus un élément clé des compétitions modernes. Les compétitions de voile, comme le Vendée Globe, utilisent des foils pour atteindre des vitesses élevées et améliorer la performance. Les foils permettent aux voiliers de naviguer plus rapidement en minimisant la traînée. Les équipes de course travaillent continuellement à améliorer les profils des foils pour maximiser la performance.
Les hydoptères, comme l'Hydroptère, utilisent des foils pour se soulever entièrement hors de l'eau, atteignant des vitesses de plus de 50 nœuds. L'utilisation de foils sur ces bateaux nécessite des profils spécifiques pour optimiser la portance et minimiser la cavitation. Les foils sont particulièrement efficaces sur ces embarcations, permettant d'atteindre des vitesses élevées.
Pour les bateaux à moteur, les foils améliorent l'efficacité et la vitesse, leur permettant de naviguer plus rapidement et plus efficacement. Les systèmes électriques intégrés dans ces foils permettent de modifier en temps réel les paramètres du foil pour optimiser les performances. Cela est particulièrement bénéfique pour les bateaux à moteur où la vitesse est un facteur crucial.
Les catamarans bénéficient également de l'ajout de foils. Les compétitions de catamarans ont montré l'efficacité des foils pour augmenter la vitesse et la maniabilité. Ces bateaux sont de plus en plus utilisés dans des courses internationales, démontrant les avantages des foils en termes de performance et de stabilité. C'est le cas des grands multicoques « Ultimes » qui alimentent le débat entre « performances et sécurité ». La Route du Rhum 2018 a été le « galop d’essais » des skippeurs de ces géants des mers équipés de foils. Le but étant d’atteindre des vitesses élevées en décollant de la surface de l’eau. Sur la « Route du Rhum », cette problématique ne s’applique pas aux trimarans qui deviennent des « trimarans volants ».
Dans les sports nautiques, des disciplines comme le wingfoil, le windsurf, le kitefoil et le surf foil intègrent des foils pour offrir des performances optimales et des sensations de glisse incomparables. Le wingfoil combine une aile tenue à la main avec des foils fixés sous une planche, permettant des performances exceptionnelles même par vent léger. Le windsurf utilise des foils pour réduire la résistance et augmenter la vitesse. Le kitefoil combine le kitesurfing traditionnel avec une planche équipée d'un foil, tandis que le surf foil permet aux surfeurs d'utiliser une planche équipée d’un foil pour surfer les vagues. Des démonstrations sont disponibles sur YouTube, illustrant les avantages de ces innovations. Le foil est devenu un incontournable des sports nautiques modernes, offrant des sensations de vol uniques et accessibles. Grâce à lui, les riders glissent plus vite, plus haut et avec une liberté incroyable, ouvrant une nouvelle ère de glisse maritime. Les premiers à adopter ces technologies ont pu constater une amélioration notable de leurs performances en ligne droite et lors des manœuvres.
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Les Foils sur les Monocoques : Spécificités et Enjeux
Si les foils ont bouleversé le monde des multicoques et des planches de glisse, leur intégration aux monocoques présente des défis et des particularités distinctes. Pour les monocoques à déplacement, la situation est différente de celle des multicoques ou des petites planches. Un voilier à carène à déplacement répond au principe d’Archimède ; il ne déjauge pas et pousse l’eau pour avancer, ce qui ne lui permet pas de dépasser une vitesse théorique, en relation avec la longueur de flottaison. Le fond de coque légèrement en forme de « V » assure la stabilité de cap. Sur un voilier à déplacement, c’est la voile qui fournit la propulsion longitudinale, ou propulsion vélique, introduisant alors un paramètre relativement complexe nommé « couple de chavirement », dont il faut tenir compte dans la composante latérale de la force propulsive du voilier et la gérer.
Pour un monocoque, le rôle du foil est de soulager la coque, de la faire déjauger pour réduire la traînée, mais surtout de diminuer la gîte. Le bateau pourra alors porter plus de voiles et gagner en vitesse. Pour contrecarrer le couple de chavirage ainsi créé, sur les monocoques, on va déplacer au vent le centre de gravité du bateau en utilisant une quille pendulaire et des ballasts liquides. Il est donc pratiquement impossible que des foils installés sur un monocoque à déplacement puissent extraire totalement la coque hors de l’eau. Cependant, les foils peuvent créer une portance antidérive qui s’ajoute à la portance verticale afin de supprimer les dérives transversales. Le tip transmet une force de portance au bateau qui navigue ainsi d’une manière plus aérienne.
Le succès des foils pour les monocoques de course est indissociable du Vendée Globe. Les foilers monocoques de la course en solitaire autour du monde « Vendée Globe » sont apparus en 2016. Lors du dernier tour du monde en 2016, ils n’étaient que sept skippeurs à tenter l’aventure avec cette nouvelle technologie. En 2020, ils sont dix-neuf, dont huit sur des monocoques neufs. Contrairement aux dérives droites, les foils - aussi appelés les « moustaches » - permettent aux monocoques de « voler » et donc d’aller plus vite. Cependant, il est important de noter que ces monocoques ne volent pas au sens où leur coque serait entièrement hors de l'eau, « la jauge IMOCA » interdisant un plan porteur (foil) sur un safran qui permettrait ce vol intégral. Et si les foils de 2016 se ressemblaient tous, on observe aujourd’hui des structures aux formes et aux envergures multiples, fruit de recherches continues pour optimiser la performance sans enfreindre la jauge.
Les architectes navals de CDK Technologies ont construit l’Imoca Charal en faisant évoluer la forme de sa coque pour aboutir « à une coque novatrice, avec une étrave très frégatée, un tableau arrière très arrondi et fermé ». Les équipes travaillent constamment pour optimiser les foils et développer des accessoires complémentaires pour améliorer les performances globales. Des équipes de chercheurs travaillent continuellement pour améliorer les technologies liées aux foils, notamment en ce qui concerne les systèmes électriques et les profils optimisés. Cela est particulièrement bénéfique pour les voiliers où la vitesse est un facteur crucial.
Un exemple d'innovation majeure pour les monocoques est le NTFM Syra 18. Passionnés par le foiling depuis ses prémisses en 2007, Nils Frei et Yves Detrey, deux navigateurs professionnels de 46 et 40 ans, ont travaillé dur pour proposer un bateau innovant et puissant tout en restant simple d’utilisation et donc accessible pour le grand public. La première particularité du bateau pour le double imaginé par Nils Frei et Yves Detrey est qu'il est muni d’un foil en T central inclinable, géré par un rail, qui peut basculer de 45 degrés d’un bord à l’autre et permet un moment de redressement supérieur à celui des grands multicoques. La taille du foil permettra au bateau de décoller déjà avec 6-7 nœuds de vent. Si un équipage aguerri le commande, le NTFM Syra 18 devrait facilement atteindre les 35 nœuds, selon ses créateurs. Le foil central restera dans l’eau et évitera ainsi tout risque de blessure comme cela peut être le cas avec les foils inclinables des autres bateaux actuels qui dépassent au niveau du pont. Deuxième spécificité, ce foiler possède une carène hybride permettant de bénéficier de l’aérodynamisme d’un monocoque et de la stabilité d’un multicoque, sa plateforme se terminant à l’arrière comme un catamaran. Un point crucial pour les non-professionnels à qui s’adresse aussi ce bateau, compte-tenu des nombreux problèmes d’instabilité conduisant à des chutes sur les monocoques du genre. Pour améliorer encore la stabilité, les deux navigateurs ont décidé d’équiper leur navire de deux safrans avec plans porteurs. Au début de leur projet, Nils Frei et Yves Detrey ont testé le système de foil central basculant sur un catamaran Classe A pour s’assurer de la faisabilité et valider leur concept. Le NTFM Syra 18 a finalement été mis à l’eau pour la première fois le 15 août 2019 sur le lac Léman. Leurs concepteurs ont déclaré avoir été « très satisfaits des premiers essais et le bateau s’est bien comporté ».
Avantages et Défis de la Technologie des Foils
L'utilisation des foils apporte des avantages considérables mais présente également des défis importants, notamment pour leur intégration sur les monocoques.
Avantages des Foils :
Les foils ont radicalement transformé le monde des bateaux, permettant à divers types de bateaux de naviguer à des vitesses incroyables. La force de portance obtenue par l’intermédiaire des foils permet des performances accrues du bateau en augmentant sa vitesse maximale. 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. Les foils apportent un gain de vitesse, mais pas dans toutes les conditions. Un foiler sera plus rapide sous certaines allures. Cela permet une navigation plus fluide et plus stable, même dans des conditions de mer agitée. La résistance à l’avancement, d'autant plus importante que la vitesse est élevée, peut atteindre la puissance sixième de la vitesse ! Lorsque le bateau déjauge, la traînée est proportionnelle à V6, mais grâce aux foils, il est possible d'obtenir une traînée limitée à environ 10% du poids de l'embarcation, ce qui représente un excellent rendement. La traînée générée par les foils est sensiblement indépendante de celle de la coque.
Le gain de vitesse est considérable, et les foils peuvent permettre d'atteindre une vitesse supérieure à 30 nœuds avec un vent limité à 20 nœuds lorsque le poids total en charge est limité à quelques tonnes. Les premiers essais ont montré des résultats prometteurs. Les hydrofoils parviennent à voler. Les avantages qu’il procure en termes de vitesse, d’efficacité et de polyvalence en font une technologie prometteuse. Une fois en l’air, tout devient silencieux, ce qui améliore considérablement le niveau sonore. Le foil a transformé la manière de naviguer, offrant des sensations de vol uniques.