Les Foils sur les Voiliers : Révolution Hydrodynamique et Performance Maximale

Depuis des lustres, l'imagination humaine a envisagé d'utiliser des foils porteurs sur les bateaux dans le but de sortir la coque hors de l'eau et de réduire ainsi la résistance à l'avancement de la coque. Cette innovation, bien que paraissant récente, s'inscrit dans une longue histoire de recherche de performance et de confort dans le domaine nautique. Le principe fondamental repose sur les mêmes lois physiques que celles qui régissent le vol des avions : la portance d'une aile est proportionnelle à sa surface alaire et au carré de sa vitesse de déplacement, bien que la forme du profil, l'environnement et l'incidence aient également une influence significative. En effet, des études montrent qu'à fluide (eau de mer dans notre cas), surface (S) et forme (Cz) du foil identiques, la portance est quatre fois plus grande à 16 nœuds qu'à 8 nœuds, la vitesse (V) étant exprimée en m/s. La difficulté première pour un navire sera toujours d'atteindre une vitesse qui générera suffisamment de portance pour soulever la coque hors de l'eau. Il est important de noter que, pour compliquer les choses, contrairement à un avion, un navire change de milieu conceptuel entre le moment où il flotte (il est alors "Archimédien") et le moment où il "vole" lorsqu'il est en appui sur ses foils et que sa coque ne touche plus l'eau. En fait, c'est encore plus compliqué que cela, et la maîtrise de ces transitions est au cœur du développement des foils modernes.

Définition et Fonctionnement des Foils

Un foil est un appendice immergé et profilé, souvent construit à partir de matériaux composites comme la fibre de carbone pour offrir une combinaison optimale de légèreté et de résistance. Ces appendices sont fixés sous la coque d'un bateau ou greffés sur des appendices traditionnels comme les dérives ou les safrans. Les profils des foils sont conçus pour maximiser la portance tout en minimisant la traînée, permettant des ajustements précis dans la forme et l'angle pour améliorer significativement les performances d'un bateau. Les profils des foils peuvent être modifiés pour s'adapter aux conditions de navigation spécifiques, optimisant ainsi leur rendement.

Le fonctionnement des foils repose sur les principes de l'hydrodynamique, à l'instar d'une aile d'avion. Lorsque le bateau accélère et que le foil est en mouvement dans l'eau, l'eau s'écoule sur le profil incurvé du foil. La forme du foil fait que l'eau se déplace plus rapidement sur le dessus (extrados) que sur le dessous (intrados). Cette différence de vitesse crée une différence de pression : la pression est plus faible au-dessus du foil et plus élevée en dessous. Cette différence de pression génère une force de portance qui soulève l'ensemble (bateau ou planche et rider) au-dessus de la surface de l'eau. L'objectif principal de ce transfert de portance est de réduire totalement le frottement de la planche et de diminuer la puissance nécessaire à la vitesse. En soulevant le support, le foil réduit le contact avec l'eau, ce qui diminue la traînée hydrodynamique. Cela permet d'atteindre des vitesses plus élevées avec moins d'effort et une maniabilité et une aisance déconcertante. 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. Une fois en "vol", il n'y a plus de centre de carène ; l'équilibre étant fonction de la position relative entre le centre de gravité du navire et la résultante de la portance des différents foils. Cet équilibre se gère comme sur un avion avec des gouvernes.

Histoire et Évolution des Foils

L'idée d'utiliser des surfaces portantes sous l'eau pour soulever un bateau n'est pas une invention récente, contrairement à ce que beaucoup pensent. Le concept du foil a vu le jour dès 1861 sous l'impulsion de l'ingénieur civil britannique Thomas William Moy, qui plaça trois foils horizontaux en bois sous la coque d'un canot. En 1869, l'ingénieur mécanicien français Emmanuel D. Farcot déposa des brevets où il ajoutait à un bateau des plans porteurs latéraux dont on pouvait régler l'inclinaison en fonction de la vitesse, validant ainsi le principe de l'hydrofoil en faisant légèrement décoller le bateau. L'idée fut ensuite reprise par le français Charles De Lambert en 1885 avec la construction d'un catamaran équipé de tonneaux en guise de coque. En 1897, De Lambert récidiva en créant le premier hydroptère autopropulsé à vapeur avec le britannique Horatio Philips. La même année, de l'autre côté de l'Atlantique, les américains William & Larned Meacham remorquaient un canot doté de foils avant et arrière. Ils furent parmi les premiers à avoir dessiné et testé des foils en échelle en 1897, et dans leur brevet déposé en 1910, ils exposent les principes de base d'un hydroptère à foils en T régulés.

En 1906, l'ingénieur-inventeur italien Enrico Forlanini apporta sa pierre à l'édifice avec la conception d'un hydroptère motorisé, l'Idroplano, capable d'atteindre la vitesse de 38 nœuds (27 nœuds lors de ses premiers essais). Il récidiva en 1911 avec un catamaran de 10 m de long propulsé cette fois par un moteur Fiat de 100 ch, parvenant à parcourir 34 km à une vitesse moyenne de 40,5 nœuds. L'Anglo-Américano-Canadien Alexander Graham Bell (l'inventeur du téléphone) acheta le brevet de Forlanini et, avec son assistant Frederick W. Baldwin, améliora le système, construisant plusieurs prototypes d'hydroptères, dont le HD-4, et s'offrit même un record du monde avec une vitesse de 131 km/h (71 nœuds), un record inégalé pendant de nombreuses années.

Jusqu'alors orienté vers les bateaux à moteur, le système des foils fit son apparition sur les voiliers avec, en 1938, le Catafoil, réalisé par les Anglais Robert Rowe Gilruth et Bill Carl. En 1950, ce fut au tour de Towboat II du scientifique américain J. Gordon Baker de prendre son envol, un cat-boat que beaucoup considèrent comme le premier vrai voilier à foils. En 1969, le marin inventeur anglais James Grogono modifia un Tornado pour lui ajouter des foils, une innovation qui lui permit 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 furent développés, dont l'ingénieux Hydrofolie, un trimaran équipé de foils réglables conçu par l'architecte français Xavier Joubert. Plus récemment, à la fin des années 70, le célèbre navigateur Eric Tabarly fit entrer le foil dans une nouvelle ère avec son trimaran, le Paul Ricard, avec lequel il battit le record de la traversée de l'Atlantique en 10 jours et 5 heures en 1980. Poursuivant les travaux de Tabarly, le français Alain Thébault mit au point l'Hydroptère, qui fut, en 2009, le premier multicoque à dépasser 50 nœuds.

Dès les années 2000, les foils firent 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 passa elle aussi aux catamarans avec les fameux AC72 à foils. La popularisation des foils dans le nautisme moderne s'est accélérée, notamment grâce à ces compétitions de voile et aux records de vitesse. Aujourd'hui, cette technologie est à la pointe des dernières innovations et du développement dans le monde nautique.

Types et Applications des Foils

La technologie du foil a assurément fait ses preuves dans le monde de la compétition, mais les plans porteurs ne sont plus réservés à ce domaine. Ils sont désormais présents sur de nombreux bateaux à moteur, sur des voiliers, et bien entendu sur les multicoques, avec un objectif qui n'est plus forcément de voler, mais plutôt d'assurer une portance et un amortissement. Cela permet d'optimiser performances, consommation (pour les multipowers) et confort. La conception des plans porteurs intègre un compromis entre portance, stabilité et maniabilité. Pour la pratique du foil, il est important de choisir un foil adapté à son niveau et à ses objectifs. En général, les foils avec une aile avant plus grande procurent plus de portance et de stabilité et sont destinés aux débutants. À mesure que l'on progresse, on peut opter pour des ailes plus petites qui permettent des vitesses plus élevées et des manœuvres plus agiles.

Classification des Foils par Forme : L'Alphabet Foilesque

De nombreuses formes de foils existent, chacune avec des performances et des usages spécifiques.

Foils en C : Comme leur nom le suggère, les foils en C ont une forme courbée plus ou moins prononcée. Ils ne permettent pas au bateau de voler hors de l'eau, mais offrent un effet de portance qui soulève le multicoque, procurant une semi-sustentation. Leurs principaux avantages sont d'améliorer la vitesse et le confort. 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, un trimaran dont les appendices courbés permettent de diminuer la surface mouillée.
Foils en E (Échelle) : Pure invention conceptuelle selon certaines interprétations, le foil en échelle correspond aux différentes barres d'un "E" majuscule, rappelant les étages des plans porteurs. Les premiers à avoir dessiné et testé des foils en échelle seraient les frères Meacham en 1897, avec un modèle équipé de cinq surfaces portantes. La portance est fonction de la hauteur de vol, avec une courbe de portance en escalier.
Foils en J : Ces foils sont recourbés vers l'intérieur. Lorsque le bateau arrive sur le foil, le centre de portance verticale de l'aile se trouve à l'intérieur de la coque, offrant un certain moment de redressement. Les premiers foils utilisés dans la Coupe de l'America étaient aussi de ce type, autorégulant leur hauteur de vol. Quand le bateau vole à une certaine hauteur et que le foil sort de l'eau, la surface du manche immergée diminue, augmentant la dérive sous le vent, ce qui diminue l'angle d'arrivée de l'eau au niveau du tip, faisant perdre de la portance au foil et le bateau s'enfonce à nouveau.
Foils en L : Reconnaissables à leur forme en L avec une partie horizontale qui génère la portance, ces foils sont utilisés sur les monocoques de course au large (IMOCA) ou les nouveaux supports de la Coupe de l'America. Leur principal avantage est d'améliorer la stabilité par rapport à des foils droits et d'offrir une meilleure sustentation. Ils 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 prennent de la place, même repliés.
Foils en O / U : Assez proches des foils en U, cette forme a été utilisée par les frères Loïck et Gilles Durand sur leur tripode O PAF. Ces foils fermés en forme de U ou de O allongé, apparus dans les années 50 (comme le catamaran Skid d'Arthur Locke en 1954), ne sont pas très populaires aujourd'hui. La forme en "O" permet une réalisation simple. La surface portance reste constante ou presque avec l'élévation (jusqu'à un certain point) mais la partie antidérive diminue et l'angle de dérive augmente, diminuant l'angle d'incidence et la portance.
Foils en S : Il s'agit d'une évolution du C qui se serait marié avec un L, avec la partie haute du foil verticale. La régulation de ces foils, dont la partie basse une fois complètement enfoncée se rapproche d'un foil en L, est plus difficile à gérer. La gestion de la surface antidérive et de la portance est en effet plus simple qu'avec un foil en C, mais reste arbitraire avec une régulation de la portance en début d'enfoncement et de la force antidérive ensuite.
Foils en T : 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, et sur les planches de surf à foil. Les avantages des foils en T sont multiples, offrant une grande stabilité en vol et évitant le tangage. Sur le plan négatif, ils ont une traînée hydrodynamique plus importante au démarrage et sont moins réactifs lors des manœuvres. Les nouveaux profils utilisés en SailGP, légèrement courbés vers l'extérieur, déplacent le centre de poussée de l'aile vers l'extérieur, augmentant considérablement le moment de redressement et permettant d'augmenter la pression dans la voile, ce qui peut générer 15% de performance en plus. Réguler des T-Foils est un travail à plein temps, typiquement, un membre de l'équipage règle l'angle des flaps à l'extrémité du foil une fois par seconde.
Foils Transversaux : Il s'agit d'une lame qui relie les deux coques d'un multicoque. Ce système n'est pas conçu pour le vol à proprement parler, mais il allège le catamaran en diminuant sa surface mouillée. Cette lame est le plus souvent complétée par des mini plans porteurs greffés sur les safrans. En diminuant la surface mouillée, elle permet d'augmenter la vitesse, de diminuer la consommation de carburant et d'améliorer sensiblement le confort, notamment dans le clapot, car les coques passent au-dessus des crêtes des vagues et la lame bloque roulis et tangage. L'Ifly 15 en est un exemple.
Foils en V : Très utilisés, notamment sur les multicoques de course, ils se composent d'une lame inclinée à plus ou moins 45° vers le centre du multicoque. Le premier avantage de ce système est sa simplicité. Le foil en V est pratiquement autorégulateur, le bateau retrouvant son assiette et son équilibre de manière presque automatique, y compris par mer formée. Il offre également une très faible surface mouillée et donc peu de traînée.
Foils en Y (Inversé) : Inventés par Sylvestre Langevin, ces foils sont une des marques de fabrique de ses foilers. D'autres ont essayé ce type de plan porteurs comme Adrian Thompson sur le F40 Promocéan. Ces foils s'autorégulent en diminuant leur portance en se rapprochant de la surface. La forme en Y permet de réaliser une régulation "souple", ce qui n'est pas le cas avec des foils en T qui décrochent d'un coup lorsque le profil ventile. L'augmentation de l'angle formé par chaque demi-plan porteur et la jambe de force doit limiter les interférences entre la portance des demi-plans porteurs et celle de la jambe de force, également soumise à la dérive.
Foils en Z : Mentionnés comme étant en discussion, il n'y a pas d'informations précises, mais l'on évoque une forme pyramidale avec comme base le plan porteur, soulevant des questions sur leur solidité et leur intérêt.

Applications Spécifiques :

Voiliers : Pour un voilier, la propulsion longitudinale n'est pas obtenue par une hélice mais par un ensemble de voiles, introduisant un paramètre complexe : le couple de chavirement.
- Monocoques à déplacement : Créer de la portance antidérive en plus de la portance verticale de manière à supprimer les dérives transversales est un objectif. Si l'on veut de la puissance, il faut de la surface de voilure, ce qui générera une force propulsive mais aussi une force non négligeable qui va vouloir faire chavirer le voilier. Pour contrecarrer ce couple et augmenter la puissance, l'architecte déplace au vent le centre de gravité en utilisant une quille pendulaire souvent accompagnée de ballasts liquides. L'utilisation d'une quille pendulaire diminue la surface antidérive, obligeant à mettre en place des dérives. Imaginer sustenter entièrement un monocoque sur deux foils principaux et le safran (3 points) est illusoire. Des essais réels ont été réalisés, comme sur WILD OATS XI (Foil DSS, Dynamic Stability System), où le foil latéral accroit le couple de redressement et déjauge la carène. Les IMOCA ont des foils avec une épaisseur relative d'environ 14% et ne possèdent pas de T-Foils sur les gouvernes, ce qui signifie que la poupe s'abaisse lorsque le bateau commence à voler, augmentant l'angle d'attaque du foil principal, générant trop de portance, et faisant sortir le bateau de l'eau à l'avant jusqu'au décrochage. Cela ne permet pas des phases de vol stables et longues.
- Multicoques (Catamarans, Trimaran) : Pour les multicoques, la géométrie de la plateforme permet de contrecarrer le couple de chavirement. Sur le catamaran (AC72), ce sont les foils sous le vent qui servent de pivot au couple de chavirement. Les Ultims ont désormais tous un T-Foil en bas de la dérive dans la coque principale, permettant de contrôler activement le moment de redressement et la hauteur de vol. Cela signifie que lorsque la coque coule, le foil se met à flotter et pousse le bateau vers l'extérieur. Les équipes de course travaillent continuellement à améliorer les profils des foils pour maximiser la performance.
- Dinghies (Moth) : Sur le Moth, le déport du barreur, et de sa masse, et la distance sensiblement horizontale entre sa position et le centre de portance du foil, génèrent le couple qui empêche de chavirer.
Hydoptères (Hydrofoils) : Ces bateaux 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.
Bateaux à moteur : Pour un navire motorisé, c'est presque trop simple. Il suffit d'avoir une vitesse de propulsion pour que la surface active, associée à un profil adéquat du foil, génère une force ascensionnelle (portance) supérieure à la masse du bateau. La carène n'a plus de fonction "archimédienne", elle sert uniquement de "contenant". Les foils améliorent l'efficacité et la vitesse des bateaux à moteur, leur permettant de naviguer plus rapidement et plus efficacement. Les foils transversaux sont de plus en plus populaires pour les powercats.
Sports nautiques : Des disciplines comme le kitefoil, le windfoil, le wingfoil, le supfoil ou encore le dock foil sont des sports de plus en plus populaires pour les sensations qu’ils procurent.
- Kitefoil : Les débutants (70-80 Kg) nécessitent une maîtrise du kitesurf et choisiront des ailes d'environ 1400cm², un fuselage de 65-75 cm et un mât de 80-85 cm. Les riders expérimentés opteront pour des ailes/fuselage plus petits et un mât plus long (95-120 cm).
- Windfoil : Les débutants (70-80 Kg) doivent avoir une bonne technique de windsurf et choisiront des ailes d'environ 1500cm², un fuselage de 85-90 cm et un mât de 80-85 cm. Les experts réduiront la surface des ailes et le fuselage pour un mât plus long.
- Wingfoil : Un débutant (70-80 Kg) aura besoin d'ailes d'environ 1700cm² pour une portance et un décollage rapides, un fuselage de 70-75 cm et un mât de 80-85 cm. Un rider intermédiaire réduira ces caractéristiques pour plus de performances. Une grande surface d'ailes reste incontrôlable par vents soutenus.
- Surfoil : Permet de pratiquer le surf avec de petites vagues. Pour débuter, une surface de 1000 à 1300cm² est conseillée pour maximiser le contrôle. Avec la pratique, des ailes plus petites à profil fin et un aspect ratio élevé procurent plus d'accélération, de vitesse et de dynamisme.
- Supfoil : De plus en plus orientée vers le downwind foil. Un foil plus grand avec une surface de portance plus importante est préférable pour des conditions de vent faible.

Les paramètres de design d'un foil comprennent la surface de l'aile, le profil, l'aspect ratio (longueur/largeur), la longueur du fuselage et la longueur du mât. Un aspect ratio élevé (aile longue et étroite) est associé à une meilleure performance en termes de portance et d'efficacité car il réduit la traînée, idéal pour les vitesses élevées. Un aspect ratio plus bas (aile courte et large) offre une meilleure maniabilité et une plus grande stabilité. Plus le fuselage est long, plus le foil est stable ; plus il est court, plus il est maniable et agile. La longueur du mât varie selon la pratique et les conditions, allant de 75 cm pour les débutants ou eaux peu profondes à 90 cm pour la vitesse maximale et les fortes houles.

Avantages et Défis des Foils

L'intégration des foils dans le design naval a apporté des avantages considérables tout en présentant des défis techniques et économiques importants.

Avantages des Foils :

Augmentation de la Vitesse : L'avantage le plus évident est l'augmentation spectaculaire de la vitesse. En soulevant la coque hors de l'eau, les foils réduisent la surface mouillée et, par conséquent, la traînée hydrodynamique, qui peut atteindre la puissance sixième de la vitesse. Il est facile de comprendre que la vitesse du navire augmente au fur et à mesure que la coque sort de l'eau. Les performances annoncées et les simulations réalisées pour un IMOCA prévoient un gain de 5 jours sur le Vendée-Globe, ce qui conduirait à boucler le Tour du Monde en 73J 2H sur la base d'une distance parcourue identique, faisant passer la moyenne de 15,3 à 16,3 nœuds.
Amélioration du Confort : Sur les multicoques de plaisance, les foils améliorent le confort en permettant au bateau de glisser au-dessus des vagues et du clapot, diminuant ainsi le tangage et le roulis. Les coques passent au-dessus des crêtes des vagues, offrant une navigation plus fluide et plus stable, même dans des conditions de mer agitée.
Optimisation de l'Efficacité : Pour les navires motorisés, notamment les powercats, la diminution de la surface mouillée entraîne une réduction significative de la consommation de carburant. Les foils permettent d'obtenir une traînée limitée à environ 10% du poids de l'embarcation, ce qui représente un excellent rendement.
Potentiel de Vitesse : Les foils offrent la possibilité d'aller plus vite que le vent, permettant d'atteindre des vitesses supérieures à 30 nœuds avec un vent limité à 20 nœuds. Les bateaux de SailGP et de l'America's Cup naviguent quelque part entre trois et quatre fois la vitesse du vent.

Les Foils sur les Voiliers : Une Révolution Hydrodynamique