Dans les sports nautiques, la quête incessante de vitesse et d'exploration toujours plus lointaine a toujours été un moteur d'innovation. Une technologie, récemment remise au goût du jour, a permis de faire des progrès considérables sur la vitesse des voiliers : les foils. La preuve en est avec des événements majeurs comme l'ARKEA ULTIM CHALLENGE, l'une des courses autour du monde les plus récentes, qui a vu s'affronter la dernière génération de trimarans Ultim. Ces voiliers gigantesques sont équipés de foils qui, à pleine vitesse, leur permettent de faire émerger l'intégralité de leur coque au-dessus de l'eau, offrant des performances autrefois inimaginables.
Qu'est-ce qu'un Foil et Comment Fonctionne-t-il ?
Un foil est un appendice immergé, un plan porteur fixé sous la coque d'un bateau. Le principe est assez semblable à celui d'une aile d'avion. Il s'agit d'imaginer que l'on place sous la coque du bateau, au bout d'un mât, une aile asymétrique à l'image d'une aile d'avion : courbe au-dessus et plate en dessous. Cette asymétrie créée une dépression au-dessus et une surpression en dessous, générant ainsi la portance permettant au bateau de s'envoler. Cette portance est exponentielle avec la vitesse : plus on va vite, plus ça pousse et plus on vole !
Le fonctionnement des foils repose sur les principes fondamentaux de l'hydrodynamique. 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. Cette action réduit considérablement la surface de contact avec l'eau et, par conséquent, la traînée hydrodynamique. La traînée est une force qui s'oppose au déplacement du bateau sur l'eau ; plus elle est faible, plus le bateau pourra aller vite. La réduction de la traînée permet donc au bateau d'aller plus vite, mais offre aussi une plus grande maniabilité du navire. En outre, le foil procure une plus grande stabilité au bateau en diminuant le tangage (stabilité longitudinale) et le roulis (stabilité latérale), ce qui est crucial pour le confort et la performance en mer.
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, garantissant une portance et une stabilité optimales dans diverses conditions. Il existe de nombreux types de foil, en forme de T, de L ou de U, chacun ayant des caractéristiques et des usages spécifiques que nous explorerons plus en détail.
L'Émergence et l'Impact des Foils dans la Course au Large
Dans l'univers de la course au large, les foils ont radicalement transformé la donne. Les trimarans Ultim, véritables géants des mers (32 mètres de long pour 23 de large), sont des bijoux de technologies, résultats d'une innovation continue. Aujourd'hui, les trimarans Ultim les plus récents décollent de l'eau à partir d'une vitesse de 22 nœuds, soit 40 km/h, contre 28 nœuds pour la génération précédente. Ces vaisseaux accélèrent ensuite jusqu'à des vitesses de pointe autour de 40 nœuds et peuvent atteindre les 45 nœuds, soit 83 km/h. Les deux foils permettant ces prouesses mesurent environ 6 mètres de long pour un poids autour de 400 kg chacun.
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L'innovation est un processus constant dans ce domaine. Entre 2016 et 2024, pas moins de 26 profils de foils ont été testés sur le Maxi Edmond de Rothschild, bateau vainqueur de l'ARKEA ULTIM CHALLENGE en 50 jours et 19h. L'amélioration principale de la dernière génération est sa vitesse par vent faible, un avantage significatif en course.
Le Vendée Globe, une autre course emblématique, a également validé l'importance des foils. Après une édition 2020 qui n'avait pas permis aux foilers d'exprimer tout leur potentiel, notamment dans la mer formée, l'édition 2024 a validé leurs performances et leur fiabilité. Les sept premiers au classement se sont alignés sur un Imoca à foils de dernière génération, mis à l'eau entre 2021 et 2023. En revanche, le premier non-foiler, Monnoyeur-Duo For a Job (Benjamin Ferré), a pris la 16e place, tandis que Jean Le Cam, quatre ans plus tôt, avait terminé 4e sans foils. Ces résultats témoignent de l'avantage décisif que procurent les foils dans la compétition moderne.
Cependant, la limite principale du foil est la mer elle-même. Lorsque les vagues dépassent les 3 mètres d'envergure, mère nature reprend ses droits et perturbe alors le vol des vaisseaux. Le contexte environnemental complexe des courses océaniques impose des contraintes sévères à ces systèmes sophistiqués, mais les avancées continuent de repousser les limites de ce qui est réalisable.
Une Histoire Riche : L'Évolution des Foils à travers les Âges
L'engouement actuel pour les foils et les voiliers "volants" n'est pas le fruit d'une invention soudaine, mais l'aboutissement d'une étonnante histoire de développement. Le principe technique est connu depuis les années 1930, et même plus tôt. Dès 1861, il y a donc plus de 150 ans, l'Anglais Thomas William Moy installe deux ailes fixes sous un sloop qu'il fait tirer par un attelage de chevaux le long d'un canal. Selon la tradition, la coque est alors entièrement soulevée hors de l'eau. Cette innovation est relayée en 1869 par l'ingénieur mécanicien français Emmanuel D. Farcot, qui 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 1895 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. L’inventeur continuera 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 reprendra la même idée à Chicago.
Cette invention révolutionnaire est suivie par toute une série de véhicules expérimentaux, souvent à vocation militaire, initialement propulsés par moteur. Sur le continent, Enrico Forlani est considéré comme l'un des pionniers. En 1906, le constructeur italien met au point le premier hydroptère à propulsion autonome, l'Idroplano, un catamaran de 10 m de long et de seulement 1,62 t doté de foils. Le tout est propulsé par un moteur de 70 ch et atteint 27 nœuds. Il récidive en 1911 avec un catamaran de 10 m de long propulsé cette fois par un moteur Fiat de 100 ch ; l’engin parvient à parcourir 34 km à une vitesse moyenne de 40,5 nœuds. L'Anglo-Américano-Canadien Alexander Graham Bell (l'inventeur du téléphone) 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 (71 nœuds) avec son "HD-4" en 1919. Cet hydroptère a établi un record de vitesse sur l'eau qui est resté inégalé pendant de nombreuses années.
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La première utilisation connue d'hydrofoils sur des voiliers remonte à 1938. Les Américains Robert Gilruth et Bill Carl se construisent un petit catamaran de 3,65 mètres de long avec une grande aile en forme de V fixée à une structure sous l'eau. Le bateau peut déjà décoller avec seulement cinq nœuds de vent et atteint tout de même une vitesse de douze nœuds - une sensation à l'époque. En 1950, c'est au tour de Towboat II du scientifique américain J. Gordon Baker de prendre son envol. Il s’agit d’un cat-boat que beaucoup considèrent comme le premier vrai voilier à foils. Avec le véhicule expérimental "Monitor", Gordon Baker va encore plus loin. Même l'US Navy participe au développement de la construction. Le monocoque dispose de foils en échelle montés sur le côté. Plus tard, transformé du gréement traditionnel en deux voiles à ailes rigides, le "Monitor" établit un record de 30,4 nœuds pour les embarcations à voile, ce qui semble encore respectable aujourd'hui.
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 cependant réellement apparaître sous les feux de la rampe avec le marin français Éric Tabarly. En 1976, il transforme une coque de Tornado en un petit trimaran et construit des ailes pour les flotteurs latéraux ainsi que pour le gouvernail. Tabarly expérimente minutieusement différents foils, profondeurs de profil et réglages et transpose ensuite son expérience à la construction du premier véritable foiler de haute mer, le trimaran "Paul Ricard". En 1980, Tabarly pulvérise le record transatlantique de la goélette "Atlantic" datant de 1905. Le "Paul Ricard" n'a mis que dix jours et cinq heures pour effectuer le trajet, marquant un tournant décisif.
Son compatriote Alain Thébault a pris une part similaire au développement, poursuivant les travaux de Tabarly avec le triple foiler "Hydroptère". Basé sur le concept du "Paul Ricard", le trimaran construit en 2005 est fortement modifié à plusieurs reprises et la technologie est encore affinée. En 2009, l'"Hydroptère" établit deux records : 51,36 nœuds de moyenne sur 500 mètres et 50,17 nœuds sur le mille marin. De plus, les férus de vitesse français franchissent pour la première fois la barre incroyable des 100 kilomètres par heure. L'"Hydroptère" est ainsi devenu le voilier le plus rapide du monde.
Cependant, les records des Français ne durent pas longtemps. Après une décennie de recherche et de développement, l'Australien Paul Larson a établi en novembre 2011 un nouveau record mondial avec le "Sailrocket 2", qui n'a jamais été battu. En Namibie, cette voile asymétrique conçue exclusivement pour battre des records de vitesse atteint une vitesse vertigineuse de 65,45 nœuds sur une distance de 500 mètres, avec des pointes à 68,01 nœuds. Dans des conditions idéales, Larson estime qu'il est possible de dépasser les 70 nœuds.
Dès les années 2000, les foils font leur apparition sur (ou plutôt sous) les voiliers de course, et plus particulièrement les multicoques. Ces derniers, de plus en plus fiables et performants, battent tous les records de la course au large, de la traversée de l’Atlantique au tour du monde. La Coupe de l'America 2013 est un jalon majeur, car elle passe elle aussi aux catamarans avec les fameux AC72 à foils. Ces cuppers peuvent sans aucun doute être considérés comme les voiliers les plus sophistiqués de tous les temps.
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Si l'on considère à quel point le potentiel des chasseurs de records sur ailes s'est développé tôt et de manière tumultueuse, le transfert de la technique dans la construction en série a été relativement long. Le précurseur a été la classe International Moth. En l'espace de quelques années, cette classe de construction à une main s'est presque entièrement métamorphosée, passant du planeur au foiler. Près de 5000 unités sont aujourd'hui enregistrées dans le monde, dont beaucoup sont des foilers, notamment tous les nouveaux bateaux. Dès huit nœuds de vent, un navigateur de 80 kilos peut décoller avec un Moth moderne, c'est la règle d'or dans cette classe. La dérive et le safran sont des foils en T avec des ailes montées à l'horizontale. La profondeur du profil est réglable sur les deux foils. Le foil de gouvernail est réglé par la rotation de la barre franche, le foil principal sur la dérive par un capteur de résistance automatique.
La Science du Vol : Portance, Résistance et Stabilité
Le fonctionnement du foil, au-delà de sa simplicité apparente, est une lutte constante entre la flottabilité et la résistance. En avançant, le foil crée une dépression au-dessus et une surpression en dessous. Cette différence de pression génère une force verticale, la portance, qui soulève le bateau. Cette portance est particulièrement efficace pour réduire la surface mouillée du bateau, minimisant ainsi les frottements avec l'eau et augmentant de manière significative la vitesse.
Cependant, la conception et la mise en place de foils ont recours à des technologies de pointe qui doivent être savamment maîtrisées. Le constructeur Hugh Welbourn, l'un des plus ardents défenseurs de la technique des ailes en tant qu'inventeur du Dynamic Stability System (DSS), reconnaît sans ambages les limites de la faisabilité : "Un foil génère davantage de moment de redressement et donc des charges nettement plus élevées dans la coque et le gréement", explique le Britannique. Pour compenser ces charges, il faudrait intégrer des renforts structurels complexes dans le bateau, ce qui augmente le poids et le coût.
Les foils sont particulièrement adaptés aux multicoques (catamarans et trimarans), qui représentent un support idéal grâce à leur légèreté (pas de lest) et à la possibilité de stabiliser facilement la plateforme rectangulaire. Les catamarans de la Coupe de l'America sont ce qu'on appelle des foilers à trois points. Ils "tiennent" pour ainsi dire sur trois pieds, sur l'aile en forme de L ou de Z sous le vent et sur les deux plus petits foils au niveau des safrans. L'aile au vent est à chaque fois rattrapée, non seulement parce que c'est avantageux d'un point de vue hydrodynamique, mais aussi parce que les règles de la Coupe l'imposent. Les deux foils ne peuvent être abaissés que pendant les manœuvres et pour une durée maximale de 15 secondes. Cette situation exige de la part des équipes un travail d'équipe parfaitement coordonnée et un timing précis.
Ce mode de fonctionnement, très spécifique à la course, n'est pas adapté à la vie quotidienne et aux masses. C'est pourquoi les fabricants de catamarans et de trimarans s'orientent désormais vers des foilers à quatre points pour une plus large clientèle ; les quatre appendices de la coque restent abaissés en permanence. Bien sûr, quatre ailes produisent plus de résistance dans l'eau que trois, mais la position de vol est plus stable et le passage de la barre est plus facile lors des manœuvres.
Par rapport aux multicoques, le développement des monocoques à foils est compliqué par une composante majeure : la gîte. Contrairement aux kats et aux tris, qui présentent une stabilité dimensionnelle suffisante en raison de leur largeur, le monocoque nécessite un moment de redressement nettement plus important pour ne pas chavirer. La force latérale est contrebalancée par le lest de la quille, le lest d'eau ou le poids de l'équipage sur la tranche haute. Des kilos, donc, qui sont en fait la dernière chose dont on puisse avoir besoin pour voler. En utilisant les foils comme levier sous le vent, il est possible de soutenir le moment de redressement, mais pas de neutraliser complètement la force de gravité. C'est pourquoi les grands monocoques ne pourront pas décoller complètement de sitôt. Pour les monos, la règle est la suivante, du moins dans un avenir proche : oui au foil, non au vol. Un effort considérable est mis en œuvre sur un Open 60 de dernière génération, où de nombreuses forces se combinent. Le foil sous le vent et la quille déployée génèrent tous deux une portance dynamique. À une vitesse de 20 nœuds, les appendices de la coque génèrent ensemble jusqu'à six tonnes de lift, soit environ 75 pour cent du poids total du yacht.
Diversité des Foils : Formes et Fonctions
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.