L'ingénierie nautique a constamment cherché à repousser les limites de la vitesse et de l'efficacité sur l'eau. Parmi les innovations marquantes de ces dernières décennies, l'émergence des foils, ces sortes d'ailes sous-marines, a transformé le paysage de la navigation, des compétitions les plus prestigieuses aux loisirs et aux transports urbains. Depuis plusieurs dizaines d'années, on voit fleurir sous la coque des planches et des bateaux à voile ces dispositifs ingénieux. Constituées d’une partie horizontale, reliée à la coque par un bras vertical, leur fonctionnement s’apparente à celui de l’aile d’un avion. Lorsque la vitesse du bateau est suffisamment importante, la partie horizontale du foil fait décoller la carène, réduisant considérablement la surface en contact avec l’eau et, par conséquent, la traînée hydrodynamique. Cette rapidité est actuellement recherchée pour les voiliers de compétition, mais ce n’est pas la seule application du foil, dont l'usage ne cesse de se démocratiser.
Records de Vitesse sur l'Eau : Une Concurrence entre Technologies
Le monde de la vitesse nautique est un terrain d'innovation constante, où différentes approches technologiques rivalisent pour atteindre les performances les plus extrêmes. Il est intéressant de noter que le record de vitesse sur 500 m en voilier, toutes catégories confondues, n'est pas détenu par un bateau équipé d'un foil. Ce record impressionnant a été enregistré par le Vestas Sailrocket 2, atteignant une vitesse de 125.9 km/h. Ce navire est équipé de trois boudins qui permettent de réduire drastiquement la surface en contact avec l’eau, illustrant une approche différente de la réduction de traînée.
Cependant, dans la catégorie des embarcations spécifiquement équipées d’un foil, un hydroptère détient le record de vitesse, capable d’atteindre 95.12 km/h. Cette comparaison met en lumière les prouesses techniques que permettent les foils, bien qu'ils ne soient pas encore les détenteurs absolus de tous les records de vitesse en voilier. L'hydroptère, avec son système de régulation assez complexe et intéressant à étudier, représente un jalon important dans l'ingénierie des foils, démontrant la capacité de ces dispositifs à générer une portance suffisante pour soulever la coque hors de l'eau.
L'impact des foils est également particulièrement visible dans les courses au large. La course du Vendée Globe, par exemple, organisée en 2016-2017, comptait 29 participants, et 6 d'entre eux avaient embarqué avec des bateaux équipés de foils. À l'arrivée de cette compétition exigeante, les 4 premiers étaient équipés de foils. Cette observation souligne que le foil est un équipement très avantageux, notamment lors de courses de longue durée, car il permet un gain de vitesse considérable pendant la totalité de la course, contribuant ainsi de manière décisive à la performance des navigateurs.
Le Principe Fondamental des Foils et leurs Avantages en Navigation
Le fonctionnement du foil repose sur des principes hydrodynamiques qui, bien maîtrisés, offrent des avantages substantiels aux embarcations. Le foil permet de réduire considérablement la traînée hydrodynamique des bateaux, une réduction estimée à environ 90%. Ce gain d'efficacité a pour conséquence directe un gain de vitesse considérable sur une longue durée. La puissance nécessaire pour propulser un bateau équipé de foils est significativement moindre comparée à un navire sans.
Lire aussi: Le guide complet de la planche à voile iQFOiL
Par exemple, pour un bateau équipé de foils et pesant 300 kg, la puissance requise pour atteindre 30 nœuds (soit 55,56 km/h) ne sera que de 5 Kw. En contraste, sans foil, il faudrait une puissance de 16 Kw pour atteindre la même vitesse. Les avantages du foil sur un bateau à moteur se traduisent donc par une économie d'énergie notable, représentant plus des deux tiers de la consommation. Cette efficacité énergétique est un atout majeur, tant pour la performance que pour l'impact environnemental.
Pour les voiliers, les bénéfices sont également significatifs. D'une part, le travail du gréement, c'est-à-dire le matériel nécessaire à la manœuvre des voiliers, des voiles en vitesse élevée est moins important puisqu'il faut moins d'énergie pour le faire fonctionner. D'autre part, le foil permet d’aller plus vite que le vent. Cela signifie concrètement que l'on peut atteindre une vitesse de 30 nœuds (soit 55,56 km/h) avec un vent de 20 nœuds (soit 37,04 km/h), étant donné que la traînée aérodynamique du bateau est réduite. Cette capacité à dépasser la vitesse du vent est une avancée majeure pour la navigation à voile, ouvrant de nouvelles perspectives en termes de performance et de stratégie de course.
La Complexité Technique et les Défis Structurels des Foils
Malgré les avantages indéniables qu'ils procurent, l'intégration et l'optimisation des foils présentent des défis techniques et structurels considérables. La vitesse élevée, bien que recherchée, a ses limites. Comme pour tous les navires, la résistance de l'eau induit de très fortes contraintes, qui peuvent endommager la structure des foils et des bateaux eux-mêmes. La conception de ces éléments doit donc prendre en compte des forces hydrodynamiques intenses, nécessitant des matériaux robustes et des ingénieries complexes.
Sur des embarcations comme l'Hydroptère, par exemple, un système de régulation assez complexe et intéressant à étudier est mis en œuvre pour gérer l'équilibre et la stabilité à haute vitesse. Cette complexité contraste parfois avec la mise au point de prototypes plus simples, où il est relativement facile de faire un proto, puis un test, puis une modification, puis un test. Cependant, même pour des applications plus simples comme les foils de kite ou de planche, la question de la robustesse et de la performance reste centrale.
La modélisation de certains phénomènes physiques constitue un véritable défi scientifique. Par exemple, la ventilation, où de l'air est aspiré le long du foil, ou la cavitation, formation de bulles de vapeur due à une baisse de pression, peuvent apparaître lorsque le foil évolue proche de l'interface air-eau. Ces phénomènes peuvent influencer de manière significative l'efficacité du foil, en réduisant sa portance ou en augmentant sa traînée. De plus, la réponse non-linéaire de la structure d’un foil sous un chargement hydrodynamique intense est une autre difficulté majeure. Comprendre comment la structure réagit et se déforme sous l'effet des forces de l'eau est crucial pour assurer sa durabilité et optimiser sa performance. Ces aspects démontrent que la technologie des foils est loin d'être simple et nécessite une recherche et un développement continus pour surmonter ces contraintes et exploiter pleinement leur potentiel.
Lire aussi: Guide pratique du Foil Surf
Diversification des Applications et Démocratisation de la Technologie Foil
L'évolution de la technologie des foils ne se limite pas aux records de vitesse ou aux courses de haute performance. Son usage se démocratise progressivement, touchant divers secteurs, de la construction navale de série aux solutions de transport urbain et aux loisirs nautiques.
On observe une nette tendance à la commercialisation de planches de série équipées de foils. Ces produits sont de plus en plus accessibles, permettant à un public plus large de découvrir les sensations uniques de la "navigation en vol". De même, des "navettes taxi" équipées de foils sont désormais commercialisées dans le monde entier, illustrant une application pratique et potentiellement transformatrice pour le transport de passagers sur l'eau. Dubaï a été l'un des premiers à en commander, soulignant l'intérêt global pour cette technologie. Pour des villes comme Paris, l'implémentation de tels projets sur la Seine se heurte toutefois à des complexités administratives, car cinq organisations gèrent le fleuve (Voies navigables de France, Ports de Paris, La Ville de Paris, La DRIEA, La DRIEE), et toutes ne sont pas en accord avec de telles innovations.
Dans le domaine des loisirs, l'eFoil, une planche de foil électrique, permet de glisser ou de "voler" au-dessus de l'eau, offrant une expérience unique. Des entreprises comme eFoil Expérience proposent des sessions pour découvrir l’essence du foil électrique, que ce soit sur des spots prisés comme Le Moutchic à Lacanau ou Piqueyrot à Hourtin. Ces offres, adaptées à tous les niveaux, des débutants aux surfeurs expérimentés, promettent des expériences inoubliables, guidées par un instructeur dévoué et qualifié. Les séances se déroulent sur les lacs du Médoc, dans des environnements naturels exceptionnels, offrant des conditions idéales pour une expérience mémorable et sécurisée sur l’eau. Des lieux comme Piqueyrot, réputé pour ses vastes étendues et son calme, ou Bombannes à Carcans, connu pour ses eaux calmes et ses paysages pittoresques, sont parfaits pour une initiation en toute sérénité. Une session standard d'eFoil dure environ 1h30, incluant l’équipement, le briefing initial sur la plage et le temps sur l’eau. Il suffit de venir avec son enthousiasme, car tout l’équipement nécessaire est fourni, y compris la combinaison adaptée. Pour ceux qui tombent amoureux de l'expérience, il est même possible d'obtenir des conseils pour l'achat de son propre équipement, témoignant de la maturité croissante de ce marché. L'utilisation du foil sur les bateaux de compétition, comme les IMOCA, permet de gagner en vitesse. Leur usage se démocratise, et cette tendance se confirme à travers toutes ces nouvelles applications.
La Recherche Scientifique et l'Optimisation des Foils : Le Projet OptiFoil
L'amélioration de la performance des foils est un enjeu majeur pour l'avenir de la navigation et de l'ingénierie navale. Pour relever ce défi, des institutions de recherche de pointe s'engagent dans des projets ambitieux de modélisation et d'expérimentation. L’ENSTA Bretagne, en collaboration avec l’IRENav et l’IFREMER, développe ainsi des outils de modélisation sophistiqués capables d’analyser en profondeur la performance de ces dispositifs. L’objectif principal est de mettre à disposition des industriels et des architectes navals un logiciel de simulation performant, capable de calculer la performance de leur futur foil. Ceci est crucial, que ce soit pour améliorer la vitesse des bateaux à voile de compétition ou pour produire des bateaux à moteur plus économes en énergie, répondant ainsi à des besoins variés du secteur maritime.
Dans cette optique, une équipe de chercheurs en mécanique et hydrodynamique de l'ENSTA Bretagne, affiliée au laboratoire IRDL, en partenariat avec l'IFREMER et l'IRENav, a lancé en 2020 le projet OptiFoil. Comme l'explique Matthieu Sacher, maître de conférences à l'ENSTA Bretagne et spécialiste des interactions fluide-structure, « Dans l’idéal, il s’agit de développer des modèles numériques capables d’évaluer la performance de n’importe quel type de foil ». Ce projet s'attaque à des problématiques scientifiques complexes. La modélisation de certains phénomènes physiques, tels que la ventilation ou la cavitation qui peuvent apparaître lorsque le foil évolue proche de l'interface air-eau, représente un véritable défi. De même, la compréhension de la réponse non-linéaire de la structure d’un foil sous un chargement hydrodynamique est essentielle, car ces phénomènes peuvent influencer directement l'efficacité du foil.
Lire aussi: Tout savoir avant d'acheter une planche à voile foil d'occasion
Pour cela, les scientifiques du projet OptiFoil ont entrepris des recherches structurées. Dans un premier temps, ils ont décidé de tester la performance du foil en fonction des propriétés mécaniques de sa structure. Pour ce faire, ils ont étudié la réponse structurelle du foil lorsque celui-ci est soumis à un écoulement dans un bassin à circulation d'eau de l'IFREMER à Boulogne-sur-Mer. Le design des fibres qui composent sa structure peut en effet influencer considérablement 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 », précise Matthieu Sacher. Les résultats expérimentaux de cette phase sont en cours d’analyse, et permettront d’affiner les modèles numériques développés. Dans un second temps, c’est la géométrie du foil qui sera testée, complétant ainsi l'étude des paramètres influençant la performance.
Avec le projet OptiFoil, les scientifiques seront capables de proposer des modèles d’évaluation de la performance des foils de plus en plus précis. Pour le moment, les recherches se sont concentrées sur des cas d’étude stationnaire. Cependant, l'espoir est de poursuivre ces développements dans un futur projet, en incluant des cas dynamiques plus complexes, tels que l'étude de la houle, des phases de transition (comme le virement de bord ou les changements de réglages), ou encore des réponses dynamiques face à des perturbations extérieures. Pour mener à bien ces recherches de pointe, l'équipe du projet OptiFoil est composée de doctorants et d'ingénieurs de recherche en post-doctorat, ainsi que d'élèves-ingénieurs de l'ENSTA et d'étudiants du master recherche de l'École Navale, créant un environnement multidisciplinaire et stimulant. Il est à noter que Maïmouna Bocoum, récente lauréate du prix Irène Joliot-Curie, a débuté son riche parcours académique par l’ENSTA, illustrant l'excellence de la formation et de la recherche dans cette institution. Par ailleurs, depuis plus de 5 ans, l’équipe de Lords of the Ocean, créée par deux diplômés ENSTA, sillonne les mers à la recherche des grands requins, montrant la diversité des engagements des alumni de l'école.