Le terme "foil", issu de l'anglais signifiant "feuille de métal", ou "aile d'eau", désigne une surface portante immergée, horizontale ou inclinée par rapport à la coque d'un navire. Depuis plusieurs dizaines d’années, ces sortes d’ailes sous-marines fleurissent sous la coque des planches et des bateaux à voile, marquant une avancée significative dans la conception navale. Leur fonctionnement s’apparente à celui de l’aile d’un avion : le mouvement d'eau autour de ce profil crée une force semblable à la portance produite par une aile d'avion. Cette force, dirigée pour l'essentiel vers le haut, s'ajoute à la poussée d'Archimède et a la capacité de soulever le navire, qui est alors parfois appelé foiler ou navire planant. Ce soulèvement de la coque réduit, voire supprime, sa surface mouillée, ce qui a pour effet de réduire ou d'annuler la traînée hydrodynamique, cette force de résistance née du frottement avec l'eau. Seule reste alors la traînée aérodynamique. Lorsque la vitesse du bateau est suffisamment importante, la partie horizontale du foil fait décoller la carène, permettant des performances jusqu'alors inatteignables.
Comprendre le Foil : Principes Fondamentaux et Typologies
Le principe fondamental derrière le foil est donc la génération de portance hydrodynamique, qui permet de partiellement ou totalement échapper à la navigation dite Archimédienne, c'est-à-dire strictement basée sur le déplacement. En comparaison, la dérive ou la quille d'un voilier, un plan vertical placé sous la coque, produit une force de même nature mais dirigée sur le côté, pour s'opposer au couple produit par la force du vent sur les voiles. L'amélioration des performances grâce aux foils est devenue un enjeu majeur, particulièrement dans le domaine de la vitesse, bien que l'approche ait parfois été un frein au développement de ces navires et de leurs appendices.
Les foils peuvent être classifiés en différents types selon leur conception et leur orientation par rapport au mouvement de l’eau, chacun offrant des caractéristiques spécifiques de manœuvrabilité et de stabilité. Les types courants incluent les foils en V, en L et en T. Le foil en V, par exemple, est souvent utilisé pour sa capacité à offrir une bonne stabilité directionnelle. Les foils en L, avec leur surface portante perpendiculaire au déplacement, sont privilégiés pour leur forte capacité à contrer la dérive latérale, tandis que les foils en T sont réputés pour leur efficacité dans les conditions de mer agitée. Ces différentes configurations permettent d'adapter les foils aux exigences variées des applications, qu'il s'agisse de performance pure, de stabilité ou d'efficacité énergétique.
L'Évolution Technologique des Foils : Matériaux, Modélisation et Systèmes Actifs
La conception des foils a considérablement évolué, grâce aux avancées technologiques et à une meilleure compréhension des dynamiques fluides. Les matériaux utilisés, tels que les composites à base de fibres de carbone, ont révolutionné les performances des foils en réduisant leur poids tout en augmentant leur résistance et leur flexibilité. Ces progrès matériels sont cruciaux pour la fabrication de pièces composites haute performance, utilisant différents procédés comme le préimprégné ou la stratification sous vide.
L'innovation ne se limite pas seulement aux matériaux et conceptions. Des logiciels de simulation de pointe permettent aujourd’hui de prédire avec précision les performances d’un foil avant même sa fabrication, ce qui permet d’optimiser les designs pour une efficacité maximale. Des systèmes de foils actifs, qui ajustent leur angle et leur positionnement en temps réel via des mécanismes automatisés, sont de plus en plus courants. Ces systèmes améliorent la stabilité et la performance globale du navire en s’adaptant dynamiquement aux changements de conditions maritimes et de vitesse. Cette rapidité est actuellement recherchée pour les voiliers de compétition, mais ce n’est pas la seule application du foil.
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Applications Diversifiées des Foils : De la Compétition à l'Énergie Renouvelable
L'angle d'attaque de ces sujets est toujours celui de la performance en vitesse, mais les applications multiples de la sustentation hydrodynamique ouvrent des horizons inexplorés, bien au-delà de la seule recherche de la rapidité.
Performance et Compétition Navale
L'utilisation du foil sur les bateaux de compétition, comme les IMOCA, permet de gagner en vitesse, et leur usage se démocratise. Nous avons développé, grâce en particulier à des essais en bassin de carène, une recherche sur les navires alternatifs équipés d'appendices sustentateurs aussi appelés foils. Les foils n'ont pas encore recueilli toute l'attention qu'ils méritent, même si certains projets sont déjà médiatisés.
La nouvelle version "Full Foiling" de l'ETF26 résulte du travail collectif d'architectes, ingénieurs et navigateurs. Ce catamaran volant a franchi une étape décisive avec cette version "Full Foiling", résultat de deux années de recherche et de développement menées par une équipe d'experts. Il incarne le savoir-faire de concepteurs tels que Guillaume Verdier, Loïc Goepfert et leurs partenaires techniques. Sous la direction de l'architecte naval Guillaume Verdier, bien connu pour ses travaux sur des projets de haute performance, l'ETF26 "Full Foiling" s'est doté de nouveaux foils plus allongés. Ces foils offrent une portance accrue, permettant au catamaran de décoller dès 14 nœuds, contre 16 auparavant. Guillaume Verdier, accompagné de Loïc Goepfert, Raphaël Censier et Roland Allanic, a supervisé les essais et les ajustements nécessaires pour affiner ce nouveau design. Le véritable exploit de cette nouvelle version "Full Foiling" réside dans sa capacité à voler au près dès 8 nœuds de vent. Guillaume Verdier, associé aux ingénieurs et navigateurs du projet, a mis au point un profil de foil permettant une portance suffisante pour maintenir le vol même dans des conditions de vent légères. Les essais, réalisés fin 2023 avec un prototype de foil, ont permis de finaliser un design optimisé au printemps 2024.
Afin de répondre aux exigences des nouveaux foils, le bateau a nécessité de nombreux ajustements. Les plans porteurs des safrans ont été élargis et un système de réglage de rake différentiel a été intégré pour offrir une meilleure stabilité et maniabilité en vol. Le réglage du mât, la forme des voiles et les angles de cales ont également été repensés. Loïc Goepfert, spécialiste du développement de ces systèmes, a travaillé en étroite collaboration avec l’équipe technique pour affiner ces paramètres. L'ETF26 "Full Foiling" devient un support de choix pour l'entraînement des régatiers de haut niveau. Déjà adopté par des équipes Youth et Women de la Coupe de l'America, ainsi que par des équipes du circuit SailGP, ce catamaran volant offre une transition idéale entre la voile olympique, notamment avec le Nacra 17, et les compétitions professionnelles telles que la SailGP et l'America's Cup. La mise au point de la version "Full Foiling" ouvre des perspectives excitantes pour la Classe ETF26. Avec ses performances accrues, ce catamaran attire de plus en plus d'équipes désireuses de se lancer dans les ETF26 SERIES, lesquelles constituent un tremplin pour les jeunes navigateurs et un moyen de se préparer aux compétitions professionnelles. Nous proposerons par exemple un voilier sportif qui utilise des foils. Il s'agit d'un monocoque d'aspect révolutionnaire mais il est en fait le résultat d'une recherche qui ne renie rien des principes de sécurité et de maniabilité des voiliers comparables plus traditionnels. L'amélioration des performances est évidente mais modérée et donc bien gérée. Le bateau doit rester parfaitement utilisable et sain en course hauturière. Nous avons aussi été approchés pour participer à l'adaptation de systèmes de sustentation partielle sur un monocoque OPEN 60 destiné au Vendée-Globe. Ces études, parce qu'elles sont pionnières et impliquent du temps et du matériel, restent coûteuses. Toutefois, nous nous faisons une règle de limiter nos ambitions à des objectifs raisonnables, que nous sommes certains d'atteindre dans une fourchette de coût et de risques maîtrisés. De nombreux navires utilisent déjà ces principes, certains avec un succès étonnant et pourtant encore peu connu. Nous sommes persuadés que la maîtrise de nos ambitions est le garant des progrès que nous promettons à nos commanditaires.
Au-delà de la Vitesse : Économie d'Énergie et Nouveaux Usages
Outre leur utilisation dans les domaines navals traditionnels, les foils trouvent de nouvelles applications. L’un des avantages majeurs de l’utilisation des foils est leur potentiel à réduire la consommation de carburant et les émissions de CO2 en diminuant la résistance hydrodynamique, ce qui contribue à un profil environnemental plus favorable pour les navires motorisés. Dans le secteur des sports aquatiques, des planches de surf à foil et des kayaks équipés permettent aux athlètes d’atteindre des vitesses impressionnantes avec moins d’effort. Dans le domaine de la recherche, certains submersibles sont équipés de foils pour améliorer leur manœuvrabilité et leur efficacité à des profondeurs importantes.
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Le Foil au Service de la Production d'Énergie Renouvelable
La technologie des foils représente une avancée significative dans la conception navale. Elle offre non seulement des gains de vitesse et d'efficacité, mais elle contribue aussi à une navigation plus écologique. De plus, leur capacité à améliorer l'efficacité des navires ouvre la voie à des innovations futures, y compris la conception de navires à émission zéro utilisant les foils en combinaison avec des sources d'énergie renouvelables.
Dans la quête de répondre aux enjeux climatiques, l'innovation s'oriente vers de nouvelles façons de produire de l'électricité. C'est dans cet esprit que chez Foil-o-Écologie, la technologie Rythmos a été développée : une hydrolienne très productive et respectueuse de l'environnement, créant de l'électricité grâce à l'oscillation d'un foil imitant le battement des nageoires des cétacés ou des poissons. L'électricité va devenir le principal vecteur d'énergie pour l'habitat, les transports ou encore l'industrie. Pour être à la hauteur, la production d'électricité doit être renouvelable et novatrice. Mais les énergies renouvelables actuelles sont trop souvent critiquées pour leurs nuisances, leur intermittence ou leur faible taux de prévisibilité. Les avantages offerts par la technologie Rythmos sont notables en comparaison : l'énergie est prédictible et régulière. En effet, les courants de marée sont périodiques et calculés en fonction des trajectoires de la Terre, du Soleil et de la Lune. De même pour les rivières, le flux est saisonnier et très stable. Cela permet un hydrolien fluvial au cœur des villes, car les fleuves et rivières traversent de nombreuses villes dans le monde entier. Leur exploitation et leur raccordement sont donc plus simples et plus économiques que pour les hydroliennes des océans. Cette approche permet une réponse optimale aux besoins, puisque les hydroliennes des rivières ont une production d'électricité qui répond efficacement aux exigences de la consommation.
La Recherche Fondamentale et Appliquée pour l'Optimisation des Foils
Améliorer la performance des foils est un enjeu d’avenir, exigeant une recherche approfondie en mécanique et hydrodynamique. C’est pourquoi l’ENSTA Bretagne, en collaboration avec l’IRENav et l’IFREMER, développe des outils de modélisation capables d’analyser leur performance. L’objectif est de mettre à disposition des industriels et des architectes navals un logiciel de simulation capable de calculer la performance de leur futur foil, que ce soit pour améliorer la vitesse des bateaux à voile de compétition ou pour produire des bateaux à moteur plus économes en énergie.
Dans cette optique, une équipe de chercheurs en mécanique et hydrodynamique de l’ENSTA Bretagne (laboratoire IRDL), en partenariat avec l’IFREMER et l’IRENav, a lancé en 2020 le projet OptiFoil, visant la mise au point de modèles complexes. « Dans l’idéal, il s’agit de développer des modèles numériques capables d’évaluer la performance de n’importe quel type de foil », présente Matthieu Sacher, maître de conférences à l’ENSTA Bretagne et spécialiste des interactions fluide-structure. La modélisation de certains phénomènes physiques, comme la ventilation ou la cavitation, qui peuvent apparaître lorsque le foil évolue proche de l’interface air-eau, ou la réponse non-linéaire de la structure d’un foil sous un chargement hydrodynamique, constituent un véritable défi scientifique. Or, ces phénomènes peuvent influencer l’efficacité du foil. Pour cela, les scientifiques du projet OptiFoil ont décidé de tester dans un premier temps la performance du foil en fonction des propriétés mécaniques de sa structure. Dans un bassin à circulation d’eau d’IFREMER à Boulogne-sur-Mer, ils ont étudié la réponse structurelle du foil lorsque celui-ci est soumis à un écoulement. Le design des fibres qui composent sa structure peut en effet influencer sa performance. « Lorsque le foil avance dans l’eau, les efforts hydrodynamiques induisent des déplacements et des déformations de sa structure. Des couplages de flexion-torsion peuvent apparaître et modifier la vitesse de l’engin. Les résultats expérimentaux sont en cours d’analyse. Ils nous permettront d’affiner nos modèles. » Dans un second temps, c’est la géométrie du foil qui sera testée. Avec le projet OptiFoil, les scientifiques seront capables de proposer des modèles d’évaluation de la performance des foils. « Pour le moment, nous nous sommes concentrés sur des cas d’étude stationnaire. Nous espérons poursuivre ces développements dans un futur projet, en incluant des cas dynamiques : houle, phases de transition (virement de bord, changements de réglages, etc.) ou réponses dynamiques face à des perturbations extérieures. » Pour mener à bien ces recherches, les chercheurs du projet OptiFoil ont constitué une équipe dédiée qui fait intervenir des doctorants et ingénieurs de recherche en post-doc, ainsi que des élèves-ingénieurs de l’ENSTA et des étudiants du master recherche de l’École Navale. Des talents comme Maïmouna Bocoum, récente lauréate du prix Irène Joliot-Curie et ayant débuté son riche parcours académique par l’ENSTA, sont représentatifs de l'excellence de ces équipes. Les Rencontres de Lindau, un forum scientifique international qui réunit chaque année plusieurs dizaines de prix Nobel et de jeunes chercheurs parmi les plus prometteurs au monde, sont un exemple des plateformes où de telles avancées peuvent être partagées et discutées.
L'Industrialisation et l'Innovation "Made in France" dans le Secteur du Foil
L'industrialisation des foils représente également un axe majeur de développement, avec des entreprises françaises jouant un rôle de premier plan. Foil and Co est une société française spécialisée dans la conception et la production d'équipements dédiés aux loisirs nautiques, notamment le Windsurf, le SUP et le Windfoil. Cette entreprise, spécialisée dans la fabrication de pièces en composite, conçoit et fabrique des hydrofoils et des pièces composites pour les sports nautiques depuis son atelier de 3 000 m² à Pencran, en Bretagne. Au sein de l'atelier de production, les équipes participent à la fabrication de pièces composites haute performance selon différents procédés, comme le préimprégné et la stratification sous vide, exigeant rigueur et habileté manuelle dans un environnement de production technique.
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Foil And Co. est fier d’accompagner des initiatives comme celle où AFS a eu le plaisir d’accompagner Zoé Roffi dans un défi aussi ambitieux qu’inspirant : apprendre le foil et aller surfer le Mascaret en seulement 1 mois. L'entreprise partage des valeurs fondamentales d'efficacité, de créativité et de durabilité, qui se reflètent dans ses produits et ses partenariats. Une visite de leur usine de production révèle les coulisses de la fabrication, du plan à la découpe, du drapage à la sortie du moule, du détourage au ponçage, jusqu’à la mise en housse, avant le grand départ vers les océans du monde entier. Cela met en lumière la beauté de la proximité et le dynamisme des PME industrielles françaises.
L'objectif de Foil And Co. et AFS est de développer les appendices - dérives et safrans - en faisant de leur Ocean Fifty un véritable laboratoire en pleine mer. Ils s'engagent à éco-concevoir, tester et innover pour développer la performance de nouveaux appendices made-in-France. Soutenir les PME MadeInFrance devient essentiel car elles investissent dans les territoires en apportant de l’innovation. Chez Foil And Co., à Pencran dans le Finistère, l’intelligence artificielle (IA) ne s’impose pas, elle s’intègre progressivement dans le quotidien des équipes. Elle ne remplace pas les métiers, elle libère du temps, facilite les tâches répétitives, recentre chacun sur sa valeur ajoutée. Et surtout, elle ne vient pas d’en haut, elle naît du terrain. Cette approche s’inscrit dans une série d’entretiens exploratoires menés par des agences pour affiner l'offre d’accompagnement des transformations via l’innovation. La saison événementielle est intense chez AFS, pour qui aime bouger et les sports nautiques, et pour qui la routine n’est pas un problème.