La « Formule 1 des mers » n’est plus un concept futuriste. Vous avez sûrement déjà vu ces images impressionnantes de voiliers qui semblent voler au-dessus de l’eau. Ces bateaux ne touchent plus la surface de la mer et atteignent des vitesses totalement folles. Cette magie technologique est rendue possible grâce à une invention appelée le « foil ». C’est un terme technique et désormais incontournable dans la navigation. Longtemps réservé à la course au large comme le Vendée Globe, cet équipement se démocratise aujourd’hui. On le retrouve désormais sur des planches de surf, des kitesurfs et même des bateaux à moteur. Mais comment une simple pièce de carbone peut-elle soulever plusieurs tonnes hors de l’eau ? Pour faire très simple, un foil est une aile rigide placée sous la coque du bateau. Elle ressemble beaucoup à une aile d’avion, mais elle est conçue pour fonctionner sous l’eau. Généralement fabriqués en fibre de carbone, les foils sont à la fois extrêmement solides et très légers. Ils peuvent avoir plusieurs formes différentes selon le type de navire : en L, en T ou en C. Sur un voilier, ils sont souvent placés sur les côtés pour apporter de la stabilité. Sur un bateau à moteur, ils peuvent être situés directement sous la coque centrale.
La physique de la sustentation : principes hydrodynamiques fondamentaux
La magie de la portance permet même à un petit dériveur léger de s’affranchir de la gravité et voler au-dessus des vagues. Le fonctionnement du foil repose sur le même principe physique que celui qui fait voler les avions. Ce principe s’appelle la portance dynamique et il est lié à la vitesse du fluide. Lorsque le bateau accélère, l’eau s’écoule très vite autour de la forme profilée du foil. La forme bombée de l’aile oblige l’eau à accélérer sur la partie supérieure du foil. Cette accélération crée une dépression qui « aspire » littéralement le foil vers le haut. Plus le bateau va vite, plus cette force d’aspiration verticale devient puissante et efficace. À un moment précis, cette force devient supérieure au poids total du bateau lui-même.
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, réduisant ainsi la surface de contact avec l’eau et la traînée et augmentant la vitesse. Cette portance est générée par la différence de pression entre le dessus et le dessous du foil, similaire au fonctionnement des ailes d'un avion. L'objectif principal est de réduire drastiquement la traînée hydrodynamique, c’est-à-dire les frottements de l’eau. Une coque classique doit pousser une grande quantité d’eau pour avancer, ce qui freine le navire. En s’élevant dans les airs, le bateau ne subit plus que le frottement de l’air. Au-delà de la vitesse pure, les foils apportent un confort de navigation assez surprenant. En volant au-dessus des vagues, la coque ne tape plus contre le clapot de la mer. Les passagers ne ressentent plus les chocs habituels, ce qui réduit considérablement le mal de mer. C’est une sensation de glisse très douce, souvent comparée à celle d’un tapis volant silencieux.
Trajectoire historique et pionniers de l’hydroptère
Contrairement à ce que nombre de personnes pensent, les foils ne sont pas une invention récente. L’idée d’utiliser des surfaces portantes sous l’eau pour soulever un bateau est développée par l’Anglais Thomas W. Moy 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 lui aussi anglais, invente le système des foils transversaux pour les navires rapides. Un prototype de foiler sera réalisé en 1885 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.
En 1906, l’ingénieur-inventeur italien Enrico Forlanini fait les premiers essais de l’Idroplano, un catamaran de 10 m de long doté de foils. L’Anglo-Américano-Canadien Alexander Graham Bell achète le brevet de Forlanini et, avec son assistant Frederick W. Baldwin, améliore le système, construisant plusieurs prototypes d’hydroptères, et s’offre même un record du monde avec une vitesse de 131 km/h. 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. 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. 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 réellement apparaître sous les feux de la rampe avec le marin français Eric Tabarly et son trimaran Paul Ricard qui, en 1980, bat le record de la traversée de l’Atlantique.
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Typologie des foils : de l’appoint au vol pur
La conception des plans porteurs intègre un compromis entre portance, stabilité et maniabilité. Les foils se déclinent en de multiples formes, chacune ayant des performances et des usages spécifiques.
- Foils en C : Ils ne permettent pas au bateau de voler hors de l’eau, mais offrent un effet de portance qui soulève le multicoque. Leur utilisation permet de diminuer la surface mouillée. Un exemple emblématique est le Rapido 40.
- Foils en L : Ce sont les foils que l’on peut voir sur les monocoques de course au large ou sur les nouveaux supports de la Coupe de l’America. Leur principal avantage est d’améliorer la stabilité par rapport à des foils droits. Ils offrent une meilleure sustentation et proposent un bon compromis entre performance et contrôle.
- Foils en T : Constitués d’une partie verticale et d’une aile perpendiculaire horizontale en bout de foil, ils offrent une grande stabilité en vol et évitent le tangage. Ils sont très présents sur les safrans.
- Foils en V : Utilisés sur les multicoques de course, ces lames inclinées à environ 45° vers le centre du multicoque sont pratiquement autorégulateurs, permettant au bateau de retrouver son assiette et son équilibre de manière presque automatique.
- Foils transversaux : Souvent utilisés sur les powercats, ils relient les deux coques et agissent comme une aile marine qui permet au bateau de sortir partiellement de l’eau en prenant de la vitesse, bloquant ainsi roulis et tangage.
La mutation des trimarans : l’intégration des foils d’appoint
Bien avant le « mariage pour tous », foilers et trimarans classiques se sont rapprochés au point de donner naissance aux trimarans à foils d’appoint : flotteurs longs et volumineux équipés de foils. Le but des architectes, comme Dick Newick, était la diminution du tangage par la mise en place de foils de petite taille. Dans un second temps, la possibilité de les escamoter permettait, par rapport aux foilers, de limiter la traînée dans le petit temps.
En 1986, le duo VPLP dessine le F40 à foils Biscuit Cantreau. C’est ici que les deux catégories se rejoignent, car ce modèle est équipé de foils assez puissants. Cette évolution marque un tournant : longs flotteurs à fort volume associés à des foils rétractables permettant d’obtenir une formidable puissance et une bonne stabilité longitudinale, tout en diminuant le problème des foilers à foils fixes : la traînée par petit temps. Biscuit Cantreau avait dès le départ de longs flotteurs équipés de foils à 45°. D’après VPLP, à 15 nœuds ils développaient 610 kg de portance et pour 20 nœuds 1090 kg.
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