L’avènement des foils a radicalement transformé le monde des bateaux, permettant à divers types d'embarcations de naviguer à des vitesses incroyables. En réduisant la traînée et en augmentant l'efficacité, les foils permettent aux bateaux de s'élever au-dessus de la surface de l'eau, offrant une navigation plus fluide et rapide. Cette évolution, particulièrement marquée dans l'univers des multicoques, a redéfini les standards de vitesse et d'efficacité dans le monde nautique.
Contrairement à ce que nombre de personnes pensent, les foils ne sont pas une invention récente. Toutefois, leur adoption sur les voiliers et multicoques a été très progressive, et s’est tout récemment popularisée. L’idée d’utiliser des surfaces portantes sous l’eau pour soulever un bateau a été développée par l’Anglais Thomas W. Moyet en 1861, puis en 1869, relayée par l’ingénieur mécanicien français Emmanuel D. Farcot. Ce dernier a déposé des brevets où il ajoutait à un bateau des plans porteurs latéraux dont l’inclinaison pouvait être réglée en fonction de la vitesse. Cela a eu pour effet de faire légèrement décoller le bateau, validant ainsi le principe de l’hydrofoil. Le principe a été 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, inventait le système des foils transversaux pour les navires rapides. Un prototype de foiler a été réalisé en 1895 par le comte Charles de Lambert, un aventurier et pilote d’avion français. Il s’agissait d’un catamaran dont les deux flotteurs étaient réunis par des plaques en dessous. Tracté par un cheval sur la berge, le multicoque s’élevait rapidement au-dessus de l’eau. L’inventeur a continué à améliorer son invention, allant jusqu’à concevoir un catamaran avec cinq foils latéraux et un moteur pour atteindre la vitesse de 40 km/h en frôlant la surface de l’eau. En 1887, l’inventeur américain William M. Meacham a repris la même idée à Chicago.
En 1906, l’ingénieur-inventeur italien Enrico Forlanini a fait les premiers essais de l’Idroplano, un catamaran de 10 m de long et de seulement 1,62 t doté de foils. Le tout était propulsé par un moteur de 70 ch et atteignait 27 nœuds. Il a récidivé en 1911 avec un catamaran de 10 m de long propulsé cette fois par un moteur Fiat de 100 ch ; l’engin est parvenu à parcourir 34 km à une vitesse moyenne de 40,5 nœuds. L’Anglo-Américano-Canadien Alexander Graham Bell (l’inventeur du téléphone) a acheté le brevet de Forlanini et, avec son assistant Frederick W. Baldwin, a amélioré le système, construisant plusieurs prototypes d’hydroptères, et s’offrant même un record du monde avec une vitesse de 131 km/h (71 nœuds).
Jusqu’alors orienté vers les bateaux à moteur, le système des foils a fait son apparition sur les voiliers avec, en 1938, le Catafoil, réalisé par les Anglais Robert Rowe Gilruth et Bill Carl, au départ des pionniers de l’aviation. En 1950, c’est au tour de Towboat II du scientifique américain J. Gordon Baker de prendre son envol. Il s’agissait d’un cat-boat que beaucoup considèrent comme le premier vrai voilier à foils. En 1969, le marin inventeur anglais James Grogono a modifié un Tornado pour lui ajouter des foils. Une innovation qui lui a permis 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 ont été développés, dont l’ingénieux Hydrofolie, un trimaran équipé de foils réglables conçu par l’architecte français Xavier Joubert. Les multicoques à foils sont cependant réellement apparus sous les feux de la rampe avec le marin français Eric Tabarly et son trimaran Paul Ricard qui, en 1980, a battu le record de la traversée de l’Atlantique. Poursuivant les travaux de Tabarly, le français Alain Thébault a mis au point l’Hydroptère, qui a été, en 2009, le premier multicoque à dépasser 50 nœuds. Dès les années 2000, les foils ont fait leur apparition sur (ou plutôt sous) les voiliers de course - et plus particulièrement les multicoques. Ces derniers, de plus en plus fiables et performants, ont battu tous les records de la course au large, de la traversée de l’Atlantique au tour du monde. En 2013, l’America’s Cup est passée elle aussi aux catamarans avec les fameux AC72 à foils.
Définition et Principe Fondamental des Foils
Dans sa définition sémantique, la « foil » est un « profil » capable de générer une force lorsqu’il traverse un fluide. Par exemple, les voiles ont un profil très similaire à celui d’une aile d’avion et sont donc des foils. Étant flexibles, ils changent de concavité sur chaque bord. Mais c’est précisément leur profil aérodynamique qui permet à un bateau de remonter au vent et de compenser la dérive latérale. Même l’aileron d’une quille ou d’un gouvernail, si l’on observe la section, a son propre profil, cette fois symétrique, contrairement à la voile qui a un profil asymétrique. L’étude des forces générées par les voiles, les quilles, les coques et les gouvernails est un sujet très complexe, et l’optimisation des formes en ingénierie navale est en constante évolution, comme on peut le constater en regardant les bateaux produits aujourd’hui et ceux d’il y a seulement dix ans.
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Un foil, dans le contexte des systèmes de sustentation, est un appendice hydrodynamique profilé fixé sous une coque (foils latéraux) et/ou greffé sur les appendices traditionnels (dérive, safran). De manière un peu plus technique, en avançant, le foil crée une dépression au-dessus et une surpression en dessous. Cette différence de pression génère 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. Les foils sont souvent construits à partir de matériaux composites comme la fibre de carbone pour offrir une combinaison optimale de légèreté et de résistance. Les profils des foils sont conçus pour maximiser la portance tout en minimisant la traînée. Des ajustements précis dans la forme et l'angle des foils peuvent améliorer significativement les performances d'un bateau. Les profils des foils peuvent être modifiés pour s'adapter aux conditions de navigation spécifiques. Les systèmes de stabilisation active utilisent des capteurs et des contrôleurs pour modifier en temps réel l'angle des foils, garantissant une portance et une stabilité optimales dans diverses conditions de navigation.
La quille, en position très reculée, soutient un foil en « V » inversé ayant pour fonction une légère sustentation de l’arrière (1,5t à 20 nœuds). Cette sustentation arrière compense le cabré dû à la vitesse. Par ailleurs, la tenue horizontale du bateau étant stabilisée, le travail des foils est facilité, l’aileron de quille ayant lui, une fonction de tenue anti-dérive de la partie arrière, les foils latéraux poussant la partie milieu avant du bateau.
Le Trimaran à Foils : Une Architecture Spécifique
L’idée originelle du premier FOILER - effectivement réalisé et naviguant en haute mer « PAUL RICARD » - a consisté à utiliser un foil sous le vent pour assurer la stabilité et le plan anti-dérive. Les positions relatives des foils latéraux et de la voilure sont prépondérantes d’une part comme sur un bateau classique pour assurer l’équilibre à la barre, d’autre part pour régler l’enfoncement du foil sous le vent. Pour l’équilibre à la barre, la poussée sur la voilure doit être égale et opposée à celle exercée sur le foil sous le vent, en se rapportant à un plan horizontal. La poussée de la voilure s’exerçant vers l’avant explique la position avancée des foils par rapport au centre de voilure. En plaçant arbitrairement, dès le début du concept, la mâture au-dessus du centre de gravité de l’ensemble, on obtient la position des foils et donc celle des bras de liaison.
L’enfoncement du foil sous le vent est difficile à équilibrer. L’idéal correspond à une coque immergée de vingt centimètres, évitant la ventilation de la partie haute du foil. Si, dans un plan perpendiculaire à l’axe du bateau, la résultante de la poussée sur la voilure passe au-dessus du centre de poussée sur la voilure, la composante verticale est trop forte, le foil sort, ventile et le bateau dérape. Si cette résultante de la poussée du foil passe sous le centre de poussée de la voilure, le foil s’enfonce jusqu’à ce que l’enfoncement du flotteur rétablisse d’équilibre avec une perte d’efficacité. C’est un moindre mal. Une marge de sécurité est prise dans ce sens de façon à tenir compte de la difficulté à déterminer la position exacte du centre de poussée sur la voilure.
Le but recherché est de déterminer le profil donnant le meilleur Cz, sans être au détriment de la traînée. La hauteur de l’aile serait inférieure à la corde de l’aile. En effet, le sol figure une ligne de courant non déformée, donc le filet à l’infini. En fait, le rapprochement du sol diminue la divergence en aval sur l’intrados. Cz étant proportionnel à la cambrure, cela incite à choisir comme profil de base déjà cambré (Göttingen n° 652). Les aérodynamiciens procèdent de la façon suivante : compte tenu du cahier des charges qui donnera les caractéristiques souhaitées pour le profil (coefficients de portance, de traînée et de moment), ils déterminent une répartition des pressions sur l’aile en tenant compte de l’effet de plaque de la coque du flotteur. Les formes extérieures étant définies, il reste à chercher la manière de remplir les volumes, c’est-à-dire à calculer la structure en fonction des efforts mécaniques du couple de redressement.
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Les coques actuellement utilisées en multicoque tiennent plus du tube trop plein à l’arrière que de la carène balancée sur toute sa longueur. Pour ces trimarans, le choix s'est porté sur une carène longue, avec une étrave verticale et une forme de l’avant à l’arrière très progressive, permettant (à longueur équivalente) la vitesse d’une carène tubulaire, mais ensuite, sans transition brutale, permettant de monter progressivement et horizontalement avec l’accélération de l’écoulement. Le foil sous le vent représente en surface à peine la dérive et le safran supplémentaire des catamarans ou trimarans. Pour ce qui est des flotteurs, leur volume a été limité à 5m3 afin de limiter leur longueur à 10,50 m, limitant ainsi le choc dû aux vagues et évitant d’induire trop de torsion dans la poutre. Leur finesse est comparable à celle des flotteurs de catamarans : 5 m3 à ajouter au demi-volume du bras de liaison, 12 m3 en cas de chavirage, dérapage. La stabilité latérale obtenue avec une envergure de 26,000 m est considérable : le moment de redressement maxi est évalué à 89 600 mkg+ sans sécurité (à 25 nds, portance foil = 7,658T). La stabilité longitudinale a été soignée par un centrage maximal des poids, à partir de la position du moteur mât aile (1 200 kg) sur le centre de gravité général.
Conception et Technologie des Composants Spécifiques au Trimaran à Foils
Le dessin du mât aile dépend du profil choisi (NACA 65 A 012 ) et, à partir du moment de redressement maxi de 89600 mkg, la compression sur le mât est évaluée à 57,6 t, dont 16 t encaissées par la poutre bras de liaison et le haubanage latéral, et 25,4 t par l’étai. Le mât pourrait être fabriqué à partir de profils existants ou extrudé en deux parties.
Après avoir pris connaissance du projet, la société ZODIAC a proposé une voile épaisse gonflée entièrement (foc + grand-voile) par la pression d’arrêt du vent, gonflement effectué par deux écopes en tête des voiles, le profil étant réalisé par lassage interne des goussets de lattes. D’autre part, Monsieur Verrier - de la Société ZODIAC - s’est occupé d’adapter un mât tournant à cette voile. Le roulement de pied de mât est un « SKF » classique du commerce sur roulement de portée semi-sphérique, fonctionnant dans la graisse, derrière des joints d’étanchéité. Il est à noter que ce moteur mât aile + voile gonflable est particulièrement adapté pour fonctionner sur un foiler, du fait du peu de mouvements brutaux, ce genre de mouvements étant d’autant plus néfaste que le moteur est sophistiqué.
Typologies de Foils et Leurs Applications sur les Trimarans
Les foils se déclinent dans de nombreuses formes et configurations, chacune ayant des performances et des usages spécifiques en fonction des supports. La conception des plans porteurs intègre un compromis entre portance, stabilité et maniabilité.
Les foils en C ont une forme courbée plus ou moins prononcée en fonction des modèles. Ils ne permettent pas au bateau de voler hors de l’eau. Toutefois, leur utilisation offre un effet de portance qui soulève le multicoque. Leurs principaux avantages sont donc d’améliorer la vitesse et le confort en procurant une semi-sustentation. Ils sont également très faciles à contrôler, car moins extrêmes que les autres foils. À l’inverse, ils ne procurent pas les performances et les sensations des réels foilers. 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, et donc d’améliorer performances et confort. Dès 1972, Bernard Smith a proposé d’utiliser des foils courbes dans son brevet 3 631 828. Derek Kelsall a réalisé vers la fin des années 70 des moules de foils courbes et utilisé ce type de foils sur « Bites and Pieces ». John Shuttleworth, qui a travaillé chez Derek, a lui aussi dessiné des foils courbes qu’il a présentés en 1984 dans Multihulls International.
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Les foils en L sont reconnaissables à leur forme en L avec une partie horizontale qui génère la portance. 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 aussi une meilleure sustentation, et 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 ils prennent également de la place, même repliés. La seconde évolution, comme mentionné, a été de donner une forme en L au foil. Pourquoi introduire ce pli ? La partie horizontale a pour rôle de « redresser » ce type de voilier à foil. La partie verticale a pour rôle de créer une « portance » perdue après le basculement de la quille. On dit que ces voiliers à foil ont des appendices « moustaches ». Ces foils ont révolutionné la Solitaire du Figaro avec le Figaro 3. Sur les voiliers à foils équipés d’une quille basculante et d’appendices à moustaches, cela redresse en partie et contrecarre en partie la dérive latérale. Dans le monde de l’IMOCA, les foils moustaches existent depuis l’édition 2016-2017.
Les foils en T sont constitués d’une partie verticale et d’une aile perpendiculaire horizontale en bout de foil. Ils sont utilisés depuis très longtemps, puisque ce sont ceux que l’on trouve notamment sur les safrans de bateaux, sur les dérives, mais aussi sur les planches de surf à foil. Les avantages des foils en T sont multiples et, en premier lieu, ils offrent une grande stabilité en vol et évitent le tangage. Sur le plan négatif, ils ont une traînée hydrodynamique plus importante au démarrage et sont également moins réactifs lors des manœuvres. Les catamarans de l’America’s Cup ont été les premiers à naviguer totalement soulevés de l’eau. Pour ce faire, les foils se présentent sous la forme d’un T ou d’un L inversé de sorte que la partie verticale reste pour contrecarrer la dérive latérale. La partie horizontale sert à la place uniquement à soulever la coque. Pour améliorer l’équilibre du multicoque, il était préférable d’avoir deux points de levage. En fait, il y a un deuxième foil sur chaque gouvernail en forme de T.
Le foil en V est très utilisé, notamment sur les multicoques de course. Il se compose d’une lame inclinée à plus ou moins 45° vers le centre du multicoque. Le premier avantage de ce système, c’est sa simplicité, puisqu’il s’agit plus ou moins d’une seule lame par coque. Autre bon point, le foil en V est pratiquement autorégulateur, c’est-à-dire que le bateau retrouve son assiette et son équilibre de manière presque automatique y compris par mer formée. Le foil en V offre également une très faible surface mouillée, et donc peu de traînée. Un voilier à foil très célèbre qui a introduit ce type de foil en forme de V pour sortir de l’eau est l’Hydroptere, un trimaran volant en V-foil qui a établi de nombreux records.
Les foils en U sont, comme leur nom le suggère, des foils fermés en forme de U ou de O allongé. Un système qui est apparu dans les années 50, mais il n’est pas très populaire.
Le foil transversal est une lame qui relie les deux coques. Il agit ainsi comme une aile marine qui permet au bateau de sortir (un peu) de l’eau en prenant de la vitesse. Ce système ne permet pas le vol à proprement parler, mais il allège le catamaran, ce qui diminue sa surface mouillée. Cette lame est le plus souvent complétée par des mini plans porteurs greffés sur les safrans. Côté avantage, le foil transversal, en diminuant la surface mouillée, permet d’augmenter la vitesse, mais il diminue aussi la consommation de carburant. En outre, il améliore sensiblement le confort, notamment dans le clapot, puisque les coques vont passer au-dessus des crêtes des vagues et que la lame bloque roulis et tangage.
L’école américaine du grand Richard Newick et de Walter Greene dessine des trimarans très performants (victoire d’Olympus photo dans la Route du Rhum 1978, victoire de Moxie Ostar 80….) qui sont au départ équipés de flotteurs submersibles. Les suivants n’ont pas autant de volume que ceux de l’école anglaise et, à tort, on pense que Dick et Walter dessinent toujours des flotteurs dont le volume est inférieur au déplacement du bateau. L’école anglaise de Derek Kelsall (VSD…) et de John Shuttleworth (Brittany Ferries GB…) utilise des flotteurs insubmersibles dont le volume est bien supérieur à 100% du déplacement. En 1982, le plan Morisson Exmouth Challenge, touche l’eau. Puis en 1985, Apricot plan Irens et Paragon plan Robert Humphrey et Thompson. Ces bateaux sont équipés de flotteurs de très grand volume, compris entre 150 et 200% du déplacement du bateau.
En 1986, une nouvelle évolution s’est opérée avec le duo VPLP qui a dessiné le F40 à foils Biscuit Cantreau. Biscuit Cantreau était équipé de foils assez puissants. C'est ici que les deux catégories se rejoignent puisque « BC1 » était équipé de foils assez puissants. Biscuit Cantreau est donc (pour certains) le tournant de cette évolution : longs flotteurs à fort volume + foils rétractables permettant d’obtenir une formidable puissance, une bonne stabilité longitudinale, et de diminuer 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. Sachant que la jauge F40 imposait un poids mini de 1800 kg, et que Biscuit Cantreau était sorti trop léger et qu’il avait fallu mettre un plancher en CP très épais, cela montre la puissance du foil qui n’était pas là pour faire jolie ! L’équipage tirait dessus au point de décoller la coque centrale à la limite du décrochage du safran. Rapidement, le bateau est retourné au chantier CDK pour devenir en 1987 « CDK le média de la mer » avec l'ajout d’un troisième bras pour renforcer la structure et naviguer comme un catamaran.
Pour la mise en place de foils sur les 60 pieds, il a fallu attendre 1993 et la mise en place de foils dessinés par Marc Lombard sur le plan Ollier Harris Wilson. C’est Jean Maurel qui a osé équiper l’ancien Elf Aquitaine III de grands plans porteurs à 45°. La même année, Marc Lombard a aussi équipé de foils le plan Irens Fujicolor II. Loïck Peyron a récupéré ce bateau vieux de 4 ans qu’il souhaitait doper et a installé un gréement inclinable et des foils Lombard. Le duo VPLP ne se serait mis aux foils que pour Groupama et Brocéliande.
Avantages et Défis des Trimarans à Foils
L’objectif du foil n’est plus forcément de voler, mais plutôt d’assurer une portance et un amortissement. Il est ainsi possible d’optimiser performances, consommation (pour les multipowers) et confort. Dès les premières expérimentations, le multicoque a représenté un support idéal pour les foils grâce à sa légèreté (pas de lest) et à la possibilité de stabiliser facilement la plateforme rectangulaire. Les multipowers - et plus particulièrement les powercats - tirent eux aussi avantage du principe. Alors que certains pontoon boats (catamarans ou trimarans) se contentent d’ajouter des ailettes fixes sous les tubes pour décoller un peu le bateau de l’eau, la grande tendance, c’est plutôt l’utilisation de foils transversaux fixés entre les coques.
Avantages des foilsLa recherche de meilleures performances a toujours été l’une des premières motivations derrière l’innovation. Le foil ne fait pas exception, puisque le but est d’abord d’aller plus vite. Le fait d’adopter des foils diminue la surface mouillée, et donc les frottements. La friction des foils demeure, qui n’est pas nulle, mais est bien inférieure à celle de la coque. Le deuxième avantage des foils, au moins sur les multicoques de plaisance, c’est l’amélioration du confort. En effet, en diminuant la surface mouillée, le foil transversal permet d’augmenter la vitesse, mais il diminue aussi la consommation de carburant et améliore sensiblement le confort, notamment dans le clapot, puisque les coques vont passer au-dessus des crêtes des vagues et que la lame bloque roulis et tangage.
Défis et limitesCependant, l'utilisation des foils présente également des défis :
- Coût : Les matériaux et la technologie nécessaires pour fabriquer des foils de haute qualité peuvent être coûteux, limitant leur accessibilité pour certains navigateurs.
- Complexité technique : La conception et l'installation des foils nécessitent une ingénierie précise et une compréhension approfondie de l'hydrodynamique. Par exemple, l'ajustement de la portance des foils en fonction des conditions de navigation peut nécessiter des systèmes de stabilisation active.
- Phénomènes hydrodynamiques : La ventilation et la cavitation peuvent affecter la performance des foils, nécessitant des régulations actives pour maintenir une portance optimale. Les essais et les tests sont essentiels pour développer des solutions efficaces.
- Efficacité limitée : Un foil, sur un multicoque à voile, n’est efficace qu’à partir d’une certaine force de vent.
- Robustesse en haute mer : Malgré de très nombreuses études et améliorations, l’Hydroptère ne semble pas en mesure d’affronter la forte houle. Le fait que l’équipe ait décidé de développer une régulation de l’incidence du safran confirme que l’autorégulation des foils en V n’est efficace que par mer relativement plate. C’est d’ailleurs pour cela que l’armée US est passée des foils en V aux foils en T régulés alors que leurs bateaux n’étaient pas confrontés au couple de chavirage de la voilure. Le principal problème du vol en haute mer réside dans la maîtrise de la régulation.
- Sécurité et stabilité : Les voiliers à foil de l’America’s Cup dépendent des foils eux-mêmes pour leur capacité à rester droit. Autrement dit, si un foil sort accidentellement de l’eau en raison d’une mauvaise manœuvre, le bateau se couche. Ceci sans la capacité de se redresser tout seul, comme cela est arrivé à Luna Rossa. Un tel bateau ne serait autorisé ni dans la classe Mini 650 ni dans la classe IMOCA.