Depuis le Vendée Globe 2016, les foils sont apparus sur les IMOCA. Ils remplacent les dérives sur les nouveaux bateaux. S'ils n'ont pas pu vraiment démontrer leur efficacité sur l'édition 2020 en raison de conditions météo très particulières, le premier mois de course sur le Vendée Globe 2024 montre que les voiliers les plus rapides sont bien des voiliers à foils. Les foils sur un IMOCA fonctionnent comme des ailes immergées, générant une force de portance qui soulève partiellement la coque hors de l'eau. Sur le Vendée Globe 2024, les bateaux les plus rapides seront probablement ceux dotés de foils, ces appendices tout en carbone qui permettent aux Imoca de décoller.
La genèse et le rôle des appendices porteurs
L’intérêt pour un bateau de « déjauger », c’est-à-dire de sortir sa coque de l’eau, est connu depuis déjà longtemps. Quand il déjauge, le bateau voit sa résistance à l’avancement notablement réduite. Dès 1908, les frères Wright - ceux-là mêmes qui construisirent un des premiers aéroplanes - firent décoller un catamaran doté de plans porteurs. D’autres tentatives vont se succéder. Italiens, anglais, américains se lancent dans cette course au voilier volant. Graham Bell, l’inventeur du téléphone, assemble à son tour un ambitieux hydrofoil à moteur. 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 ».
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. La première génération de foil était très performante en portance mais manquait de stabilité et faisait perdre le cap aux skippers. Le rôle du foil est de soulager la coque, 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. Les foils apportent un gain de vitesse. Mais pas dans toutes les conditions. Un foiler sera plus rapide sous certaines allures. Les premiers foilers ont été créés dans les années 70.
Attention ! Il ne faut pas confondre hydroptère (les foils supportent la totalité du poids du bateau), et les foilers (les foils contribuent seulement à réduire la surface mouillée). Les monocoques ne volent pas. Le tip transmet une force de portance au bateau qui navigue ainsi d’une manière plus aérienne.
Stratégie de conception et maintenance de haut niveau
Pour tout comprendre sur les foils, le team Initiatives Cœur revient sur la construction des foils de secours de l’Imoca de Samantha Davies, des essais statiques réalisés aux tests sur l’eau. En prévision du Vendée Globe 2024, une seconde paire de foils de secours a été fabriquée cette année pour l’Imoca de Sam Davies, Initiatives-Cœur 4. Les foils sont des pièces hautement stratégiques des Imoca, et les skippers doivent pouvoir surveiller, en navigation, les pressions exercées sur ces appendices pour, si nécessaire, adapter leur allure ou leur voilure. Après avoir été minutieusement mis en place dans Initiatives-Cœur 4, les foils ont été testés en navigation par le team de Samantha Davies. À six mois du départ du Vendée Globe 2024, Samantha Davies a un programme chargé, avec deux transatlantiques dans l’Atlantique Nord, The Transat CIC de Lorient à New York, puis la New York Vendée. Avant de savoir si les foils sont un réel avantage, il faut d’abord connaître les foils, leurs histoires et leur technologie.
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Les foils sont majoritairement construits en carbone. La difficulté pour les foils de l'America's Cup ou de SailGP est qu'avec des profils classiques, on peut couvrir une plage de vitesse de 20 à 25 nœuds dans laquelle le foil ne cavite pas du tout. Et cette plage doit être choisie consciemment, et elle est aussi difficile à élargir. Si tu veux décoller à 20 nœuds, ta plage de vitesse sans cavitation est alors de 20 à 40 nœuds. Si tu veux atteindre 45 nœuds, la vitesse de décollage est de 25 nœuds. Le poids plus élevé des bateaux offshore comme les Imocas et les Ultims est un problème, ils doivent ainsi être beaucoup plus épais. Pour les foils, l'épaisseur est toujours un problème. La vitesse de cavitation est déterminée par le pourcentage d'épaisseur. C'est pourquoi les foils Imoca ont une épaisseur relative d'environ 14% et les foils SailGP d'environ 10%. Mais on peut dire que tous les foils, qu'ils soient Imoca, Ultim, SailGP ou America's Cup, sont à la limite de la résistance.
Physique des fluides : cavitation et performance pure
La technique du foil n'en est-elle qu'à ses débuts ? Récemment, la série de régates SailGP a testé de nouveaux foils et annoncé un saut de performance incroyable de 15%. Cela semble surprenant, car dans le haut du classement, on se bat souvent pour chaque dixième de nœud. Les nouveaux profils sont des foils en T qui sont légèrement courbés vers l'extérieur. Le centre de poussée de l'aile est ainsi déplacé vers l'extérieur et le moment de redressement augmente considérablement, ce qui permet d'augmenter la pression dans la voile. Il est possible d'obtenir 15% de performance en plus. Si on était resté au J-Foil, il n'y aurait pas eu cette nette augmentation.
Selon SailGP, la limite de cavitation a été repoussée de six nœuds et l'on espère désormais atteindre 59 nœuds. Pour un foil traditionnel, il y a un côté qui est en surpression et l'autre en dépression. À des vitesses plus élevées, la dépression est telle que la pression de vapeur de l'eau devient inférieure à celle de l'eau, et celle-ci s'évapore directement à la surface du profil. Cela signifie qu'une partie du foil ne travaille plus dans l'eau liquide, mais dans la vapeur d'eau. Cela provoque une traînée de bulles qui augmente drastiquement la résistance. Une fois que la cavitation a commencé, on peut encore atteindre deux ou trois nœuds de plus, puis c'est fini. Mais il est tout à fait possible de construire des foils qui ne cavitent qu'à partir de 60 nœuds. Mais ils sont alors assez mauvais à des vitesses inférieures. L'idée de frontière est donc fondamentalement fausse. Prenons les foils Imoca : ils cavitent à environ 35 nœuds. On le fait exprès, parce qu'un Open 60 ne navigue pas plus vite, il ne vole pas complètement.
Celle-ci endommage le matériau du foil à cause des bulles de vapeur qui implosent. Lors de l'implosion des bulles de vapeur, les températures peuvent atteindre plusieurs centaines de degrés. Cela endommage le matériau, des trous ou un délaminage peuvent apparaître. C'est pourquoi les foils sont conçus de manière à ce que la cavitation se produise le plus en arrière possible à grande vitesse. Il faut également distinguer les deux phénomènes de cavitation et de ventilation. La cavitation est l'effet de l'évaporation de l'eau sur le foil. La ventilation signifie que l'aile aspire de l'air à la surface de l'eau. À des vitesses supérieures à 60 nœuds, un foil ne fonctionne tout simplement plus pour l'eau liquide. On s'assure donc qu'au moins le côté surpression fonctionne encore.
Architecture et stabilité des monocoques de course
Est-ce que le fait que les Imoca n'aient pas de T-Foils sur les gouvernes fait une grande différence par rapport aux autres foilers ? Oui, cela fait une grande différence. L'absence de safran en T sur les Imoca a pour conséquence que la poupe s'abaisse lorsque le bateau commence à voler. Cela augmente l'angle d'attaque de l'aileron principal, génère trop de portance et le bateau sort de l'eau à l'avant jusqu'au décrochage de l'aile principale. Le bateau s'écrase. On n'obtient donc pas de longues phases de vol stables comme sur les bateaux de l'America's Cup, de SailGP ou les Ultims.
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Charles Caudrelier a déclaré qu'il n'y aurait pas de T-Foils sur les bateaux offshore, car ils ne fonctionnent que s'ils sont régulés tout le temps, ce qu'un skipper en solitaire ne pourra jamais faire, et les systèmes automatiques sont interdits. Ils ont besoin de foils qui régulent eux-mêmes leur hauteur de vol. Les premiers dans la Coupe de l'America étaient aussi comme ça, ces J-Foils. Cela fonctionne ainsi : entre la tige du foil, qui est en fait toujours dans le bateau, et le tip, il y a toujours un angle : le tip va vers l'intérieur et légèrement vers le haut. Lorsque l'on navigue et que le bateau vole à une certaine hauteur et que le foil sort de l'eau en raison d'une augmentation de la vitesse ou d'une vague, la surface du manche dans l'eau diminue. Par conséquent, la dérive sous le vent augmente. Et cette dérive diminue l'angle d'arrivée de l'eau au niveau du tip. Le foil perd alors de la portance et le bateau s'enfonce à nouveau. La dérive diminue et le processus se répète, mais en sens inverse.
En revanche, les jours où les Tris atteignent 700 milles sont nettement plus nombreux. Les améliorations se situent plutôt au niveau de la vitesse moyenne et du contrôle des bateaux. Par exemple, les Ultims ont désormais tous un T-Foil en bas de la dérive dans la coque principale. Cela permet 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. Si tu as trop de pression et que tu devrais peut-être plutôt ouvrir l'écoute, tu peux mettre le T-Foil sur Downforce, ce qui tire alors le bateau vers le bas et augmente immédiatement le moment de redressement. C'est plus facile avec un simple réglage du foil qu'en ouvrant les écoutes et en les resserrant péniblement.
Standardisation et enjeux de classe IMOCA
Un IMOCA 60 pieds est un voilier de classe 60. C’est un monocoque parmi les plus rapides. Il est construit en matériaux composites pour être à la fois léger et résistant aux pires conditions du grand large. La classe IMOCA est une jauge qui définit les règles qui régissent la course et qui garantissent l’équité sportive. Cette classe a été fondée en 1991 par la Fédération Internationale de Voile. La jauge IMOCA impose des caractéristiques techniques aux voiliers participant à la course et particulièrement au Vendée Globe. Avant le départ, les voiliers sont soumis à différents tests. Ils doivent répondre à trois critères garantissant la sécurité des skippers : le voilier doit être capable de se remettre à l’endroit sans assistance extérieure, le cloisonnement intérieur doit être garanti en cas de retournement, la flottabilité doit être importante en cas de chavirage ou de voie d’eau.
Pour adapter la conduite du voilier aux conditions de vent et de mer rencontrées, chaque skipper emmène jusqu’à neuf voiles. L’IMOCA est bien plus qu’un simple bateau. Les ingénieurs ont conçu ce voilier monocoque pour affronter les océans les plus impitoyables, en faisant de lui le fleuron de la technologie de la course au large. Les skippers utilisent ce voilier lors de courses emblématiques telles que le Vendée Globe, ce qui en fait un synonyme de performance, de résistance et d’innovation. L’IMOCA (International Monohull Open Class Association) est une classe de voiliers monocoques, généralement d’environ 60 pieds (environ 18 mètres). Les designers conçoivent ces voiliers pour la course au large en solitaire, en suivant un équilibre subtil entre légèreté, solidité et performance.
La coque est souvent construite en matériaux composites ultra-légers comme la fibre de carbone. Les IMOCA n’ont cessé d’évoluer pour atteindre des performances incroyables. Parmi les innovations notables, les foils représentent probablement la révolution la plus significative de ces dernières années. Cependant, tous les IMOCA ne sont pas équipés de foils. Il existe deux grandes catégories d’IMOCA : ceux équipés de foils, plus rapides mais plus fragiles, et ceux sans foils, qui misent sur la robustesse et une approche plus traditionnelle. L’autonomie est une autre priorité pour ces voiliers. Étant donné que les skippers sont seuls pendant toute la durée de la course, les ingénieurs équipent les IMOCA de panneaux solaires et d’hydro-générateurs pour produire l’énergie nécessaire à bord.
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