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, ces appendices 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, créant de nouvelles expériences de glisse et de vitesse sur l'eau.
Définition et Principes de Fonctionnement des Foils
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. Cette action a pour effet de réduire la surface de contact avec l’eau et, par conséquent, la traînée, augmentant ainsi la vitesse de manière significative. La portance est générée par la différence de pression entre le dessus et le dessous du foil, un principe analogue au fonctionnement des ailes d'un avion.
Les foils peuvent être adaptés à divers types de bateaux, allant des voiliers aux bateaux à moteur, en passant par les hydoptères (également appelés hydrofoils) et les catamarans. Pour offrir une combinaison optimale de légèreté et de résistance, les foils sont souvent construits à partir de matériaux composites comme la fibre de carbone. Les profils des foils sont méticuleusement 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 ces profils peuvent être modifiés pour s'adapter aux conditions de navigation spécifiques.
Le fonctionnement des foils repose sur les principes fondamentaux de l'hydrodynamique. Lorsque le bateau accélère, l'eau s'écoule sur le profil incurvé du foil, générant ainsi une portance. Cette portance soulève le bateau, réduisant drastiquement le contact avec l'eau et, par conséquent, la résistance. 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 systèmes de stabilisation active jouent un rôle crucial en utilisant des capteurs et des contrôleurs pour modifier en temps réel l'angle des foils, garantissant une portance et une stabilité optimales dans diverses conditions de navigation. Des vidéos disponibles sur YouTube illustrent bien ce phénomène en montrant des bateaux équipés de foils qui glissent rapidement sur l'eau, démontrant l'efficacité de ces mécanismes.
Historique et Évolution des Foils : Des Pionniers aux Innovations Modernes
Bien que la popularisation des foils dans le nautisme moderne se soit accélérée dans les années 1980, notamment grâce à des compétitions de voile et des records de vitesse, les premières expérimentations avec un foil ou plusieurs 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. Les premiers hydoptères, utilisant des foils, ont démontré leur capacité à augmenter considérablement la vitesse des bateaux. Les courses et compétitions ont joué un rôle clé dans cette évolution, avec par exemple Hocquinghem qui a été un site important pour le développement de cette technologie.
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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 également anglais, invente le système des foils transversaux pour les navires rapides.
Un prototype de foiler sera réalisé en 1895 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 et propulsé par un moteur de 70 ch, atteignant 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 parvenant 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'offrant même un record du monde avec une vitesse de 131 km/h (71 nœuds). Leur HD-4, développé en 1964, est un exemple d'hydroptère capable d'atteindre des vitesses impressionnantes.
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 Éric Tabarly et son trimaran Paul Ricard qui, en 1980, bat le record de la traversée de l'Atlantique en dix jours, cinq heures et quatorze minutes. 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 et même à s'offrir des pointes à plus de 61 nœuds (100 km/h). Ce projet, initié par Alain Thébault, a démontré les capacités des foils en atteignant des vitesses exceptionnelles.
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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. Un tournant majeur se produit lors de la Coupe de l'America en 2010 avec USA 17, doté de foils en J, puis en 2013, où les AC72 volent en course à plus de 40 nœuds avec des foils en L. Les voiliers de la Coupe de l'America utilisent des foils pour améliorer leur performance en course, établissant de nouveaux standards de vitesse et de maniabilité. C'est le vrai début de cette révolution nautique, portée par la passion de Larry Ellison, patron d'Oracle, qui, ayant remporté la Coupe de l'America en 2010, a choisi pour l'édition suivante des catamarans à foils. La Coupe de l'América reste d'ailleurs le "driver" de l'innovation dans ce domaine, comme le démontre l'édition en cours dans la baie d'Auckland, où les AC75 de 22,86 m sont entièrement conçus à partir des caractéristiques de leurs foils, sur lesquels reposent en grande partie les performances du bateau.
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, 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. La baisse des prix du carbone a favorisé l'accès au marché de ces technologies.
Types de Foils et Leurs Spécificités
La conception des plans porteurs intègre un compromis délicat entre portance, stabilité et maniabilité, en fonction des usages spécifiques des bateaux. Les foils se déclinent en de multiples formes et configurations, chacune ayant des performances distinctes.
Les foils en C ont une forme courbée plus ou moins prononcée selon les modèles. Ils ne permettent pas au bateau de voler entièrement hors de l'eau. Cependant, leur utilisation procure un effet de portance qui soulève le multicoque, offrant ainsi une semi-sustentation. Leurs principaux avantages sont d'améliorer la vitesse et le confort. Ils sont également très faciles à contrôler, étant moins extrêmes que d'autres types de foils. En revanche, ils ne procurent pas les performances et les sensations des réels "foilers". L'un des meilleurs ambassadeurs des foils en C est le Rapido 40, un trimaran dont les appendices courbés permettent de diminuer la surface mouillée, et donc d'améliorer les performances et le confort.
Les foils en L sont ceux 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, proposant 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.
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Les foils en T 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 de bateaux, sur les dérives, mais aussi sur les planches de surf à foil. Les avantages des foils en T sont multiples, et en premier lieu, 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.
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 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, et donc peu de traînée.
Les foils en U sont, comme leur nom le suggère, des foils fermés en forme de U ou de O allongé. Un système apparu dans les années 50, mais qui n'est pas très populaire.
Enfin, les foils transversaux sont de plus en plus populaires, notamment pour les powercats et certains multicoques à moteur. Un foil transversal est en fait une lame qui relie les deux coques. Il agit ainsi comme une aile marine qui permet au bateau de sortir (un peu) de l'eau en prenant de la vitesse. Ce système ne permet pas le vol à proprement parler, mais il allège le catamaran, ce qui diminue sa surface mouillée. Cette lame est le plus souvent complétée par des mini plans porteurs greffés sur les safrans. Côté avantage, le foil transversal, en diminuant la surface mouillée, permet d'augmenter la vitesse, mais il diminue aussi 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.
Applications et Impact des Foils dans le Nautisme Moderne
La technologie des foils a trouvé des applications dans une grande variété de bateaux et de sports nautiques, redéfinissant les limites de la performance et de l'expérience de navigation.
Dans le domaine de la voile, les compétitions comme le Vendée Globe utilisent des foils pour atteindre des vitesses élevées et améliorer la performance, permettant 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. Par exemple, le Figaro BENETEAU 3, construit chez Multiplast, intègre des foils de 38 kilos chacun pour une longueur développée de 3,30 mètres. Ces foils, avec leur forme en "chistera", contribuent à l'effet anti-dérive du monotype au près, en aidant la quille dont la largeur de voile est restreinte. Le résultat est des vitesses moyennes supérieures et un bateau plus stable, allégé d'environ 30% par rapport au Figaro BENETEAU 2. Dans le petit temps, le foil sous le vent joue un rôle d'antidérive plus ou moins important en fonction de son réglage, tandis qu'à des vitesses plus élevées, il génère une force verticale qui allège le bateau et augmente le couple de redressement.
Les hydoptères (hydrofoils) 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. L'Hydroptère est un exemple emblématique de cette catégorie.
Les bateaux à moteur bénéficient également des foils, qui améliorent leur efficacité et leur vitesse. Des systèmes électriques intégrés dans ces foils permettent de modifier en temps réel les paramètres du foil pour optimiser les performances. La révolution du foil se propage dans le motonautisme, avec des innovations visant non pas tant à augmenter la puissance qu'à faire baisser la consommation d'énergie et augmenter l'autonomie, notamment sur les catamarans électriques. Pionnière, la start-up SEAir a été la première en 2017 à faire décoller un "semi-rigide" à moteur, collaborant notamment avec le groupe Beneteau sur un prototype de foiler à moteur.
Les catamarans bénéficient de l'ajout de foils pour augmenter la vitesse et la maniabilité, comme en témoignent les compétitions internationales. Ces bateaux sont de plus en plus utilisés dans des courses internationales, démontrant les avantages des foils en termes de performance et de stabilité.
La démocratisation du foil a surtout commencé par les sports de glisse. Des disciplines comme le wingfoil et le windsurf intègrent des foils pour offrir des performances optimales et des sensations de glisse incomparables. Le wingfoil, combinant une aile tenue à la main avec des foils fixés sous une planche, permet des performances exceptionnelles même par vent léger. Les kitesurfeurs ont été les premiers à essayer d'adapter un aileron sous la planche, bientôt suivis par les windsurfeurs, deux disciplines représentées aux JO de 2024. Le foil permet aussi aux surfeurs et pratiquants de stand up paddle de profiter des joies de la glisse avec de petites vagues, car une légère houle peut suffire pour décoller. En "pompant" debout sur la planche, on peut même remonter la vague sans ramer ou pagayer. Cette innovation se retrouve aussi sur les jet skis et même les vélos à assistance électrique.
L'expérience de "voler" au-dessus de l'eau est une sensation "d'accélération presque infinie" et "d'immense liberté" selon François Gabart, navigateur multicouronné. Cet "incroyable succès de ces étranges appendices" a mené à la naissance d'événements dédiés comme "La semaine affoilante" à Port Fréjus, "Les foils journées" à Quiberon, ou encore "La foiling week" sur le lac de Garde en Italie, qui rassemblent tous les passionnés de ces nouveaux objets volants sur l'eau.
Le recours au foil s'est répandu dans toutes les compétitions de voile depuis l'édition de 2013 de la Coupe de l'America. Dès 2016, sept bateaux du Vendée Globe l'adoptent, et ils étaient 19 sur 33 au départ de la dernière édition, les cinq premiers à franchir la ligne d'arrivée ayant tous opté pour ces ailerons. La Course du Figaro se dispute depuis 2019 sur un Beneteau de série équipé de foils.
Le marché des foils connaît un coup de fouet, avec des fabricants comme Foily qui fabrique le Peacoq, un dériveur à foils rétractables. L'arrivée du catamaran à foil aux Jeux olympiques de 2024 devrait contribuer à dynamiser davantage ce marché. Grâce à la baisse des prix du carbone, l'accès à ces technologies est facilité. Les foils changent la donne car ils permettent de pratiquer avec de faibles conditions de vent, ouvrant la voie à une nouvelle culture nautique où les adeptes disent "je vais aller foiler" plutôt que "je vais aller surfer ou faire de la voile".
Défis, Limites et Considérations Techniques
Malgré leurs nombreux avantages, l'utilisation des foils présente également des défis et des limites.
Le coût reste un facteur important. Les matériaux et la technologie nécessaires pour fabriquer des foils de haute qualité peuvent être coûteux, limitant leur accessibilité pour certains navigateurs et écoles de voile. Un foiler peut coûter près de deux fois plus cher qu'un bateau classique.
La complexité technique est une autre considération. La conception et l'installation des foils nécessitent une ingénierie précise et une compréhension approfondie de l'hydrodynamique. L'ajustement de la portance des foils en fonction des conditions de navigation peut nécessiter des systèmes de stabilisation active avancés.
Les phénomènes hydrodynamiques tels que la ventilation et la cavitation peuvent affecter la performance des foils, nécessitant des régulations actives pour maintenir une portance optimale. Les essais et les tests sont essentiels pour développer des solutions efficaces face à ces phénomènes. À des vitesses élevées, au-dessus de 30 nœuds, la traînée commence à augmenter, notamment en raison de la cavitation sur l'extrados côté bord de fuite.
Un défi essentiel pour les bateaux à foils est de maintenir la stabilité en mer agitée. 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. Les bateaux à foils naviguent sur des eaux agitées grâce à leurs ailes sous-marines qui soulèvent la coque au-dessus de la surface de l'eau, réduisant la traînée et augmentant 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. 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. Malgré l'idée reçue que les bateaux à foils sont instables en cas de mer agitée, la combinaison de technologies de pointe, telles que les gyrostabilisateurs et les systèmes de suspension active, permet de contrer l'impact des vagues en ajustant la portance et l'angle. Cependant, 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. Il est essentiel de maintenir une vitesse optimale, mais aller trop vite peut aussi compromettre la stabilité.
La conception pour les eaux agitées exige de prendre en compte plusieurs facteurs clés. La forme et la taille du foil sont primordiales; une aile plus grande et plus large améliore la portance et la stabilité. Le choix du matériau est également critique, les bateaux à foils étant plus sensibles aux poids élevés. Des matériaux légers mais durables comme la fibre de carbone ou l'aluminium sont idéaux, car ils peuvent supporter les contraintes importantes sans peser autant que l'acier. La conception de la coque est tout aussi importante, notamment pour les catamarans qui, avec leur grande largeur et leur faible tirant d'eau, offrent une plus grande stabilité et réduisent le risque de chavirement. Un système de contrôle avancé, incluant des angles de foils réglables, des compensateurs, des capteurs gyroscopiques et un système de direction réactif, est essentiel pour s'adapter aux vagues changeantes et maintenir un cap stable.
La navigation sur un hydroptère dans des eaux agitées présente des défis, notamment celui de garder le contrôle en cas de vents forts et de vagues. Les opérateurs doivent constamment ajuster les réglages pour garantir la stabilité et les performances. Une mauvaise conception ou un mauvais entretien augmentent le risque de chavirement ou de perte de contrôle. La sécurité est primordiale, et l'équipement essentiel comprend des gilets de sauvetage, des dispositifs de communication et des traceurs GPS. Les entreprises intègrent des normes actualisées dans la conception des navires afin de garantir des opérations sûres, même dans des conditions difficiles.
Les foils ne sont efficaces qu'à partir d'une certaine force de vent, notamment sur un multicoque à voile. Dans le petit temps, ils peuvent même constituer un frein. Cependant, leur profil asymétrique permet de réduire l'angle de dérive, de décharger quille et coque, et de générer une force antidérive et verticale qui allège le bateau et augmente le couple de redressement à des vitesses plus élevées. Le réglage du rake du foil, par exemple, peut avoir un impact significatif sur l'équilibre à la barre et le rendement.
Les avantages environnementaux des bateaux à foils sont significatifs. En s'élevant au-dessus de la surface de l'eau, ils peuvent réduire la traînée jusqu'à 80%, ce qui se traduit par une consommation de carburant réduite pour les modèles à moteur et une autonomie accrue pour les versions électriques. Cette efficacité peut conduire à une réduction des émissions, faisant des hydroptères un choix plus durable pour les transports côtiers.