L'univers de la navigation a connu une transformation radicale avec l'avènement des hydrofoils, ces engins capables de s'élever au-dessus de la surface de l'eau pour réduire la traînée et accroître exponentiellement leur vitesse. Un hydroptère (du préfixe hydro- et du suffixe -ptère) ou hydrofoil est un type de bateau dont la coque s’élève et se maintient en équilibre hors de l’eau à partir d'une certaine vitesse grâce à la portance de plans porteurs immergés ou foils, qui fonctionnent selon le même principe qu’une aile d'avion.
Origines et pionniers des hydrofoils
La technologie des hydroptères n'est pas nouvelle. Les bateaux à foils génèrent une force ascendante lorsqu'ils accélèrent, ce qui compense le poids et permet à la coque de s'élever au-dessus de l'eau. Le secret de leur efficacité se trouve sous l'eau. À partir de 1894, l'américain William E. Meacham explore le concept d'hydrofoil. Il teste à Chicago en 1897 un modèle remorqué équipé de 5 surfaces portantes. En 1897, le comte de Lambert expérimente un catamaran équipé de quatre plans transversaux. Avec la vitesse, les coques sortent de l'eau et l'engin est porté par ses surfaces planantes (ou plans porteurs) à la surface.
En 1898, le professeur italien Enrico Forlanini, connu pour ses conceptions de dirigeables, invente ce qui sera appelé l'hydroptère. À l'origine, il voulait tester des foils en vue d'une application sur les avions. En 1905, il conçoit et construit le premier véritable hydroptère et le teste en 1906 sur le lac Majeur, atteignant 38 nœuds (70 km/h) avec un moteur de 75 ch. Les foils sont du type à échelle, à 4 étages ; la configuration est complexe, avec des plans porteurs fixes et d'autres rétractables à grande vitesse. En 1907, A. Crocco et O. Ricaldoni testent un hydroptère de 8 m de long, propulsé par deux hélices aériennes à pas variable disposées sur des bras en V. La configuration est de type trois points (un avant, deux arrières), les foils en acier sont du type en V (perçant la surface).
En 1907 également, l'américain Peter Cooper Hewitt construit et teste un hydroptère à propulsion par hélice immergée, présentant toute une série de foils décalés en hauteur et en longueur. La configuration montre des foils latéraux avant et des foils axiaux arrières. L'hélice est sur un pied, en attaque frontale (comme sur un avion). Fin 1907, le brésilien Alberto Santos-Dumont teste sur la Seine un engin réalisé dans le but d'atteindre 100 km/h pour remporter un pari de 50 000 francs. Présenté parfois comme une hydroplane devant recevoir des ailes par la suite, il s'agirait en fait d'un véritable hydroptère, de configuration trimaran, car il présente un grand foil avant de 4 m d'envergure et un foil arrière (directionnel) d'un mètre.
De la recherche aux applications militaires et commerciales
Pendant la Seconde Guerre mondiale, les forces militaires de plusieurs pays ont utilisé des hydroptères expérimentaux pour leur vitesse et leur agilité. Tout au long de la guerre froide, la technologie des hydroptères a été explorée en raison de ses avantages en termes de vitesse, de silence et de stabilité pour les navires militaires. Les États-Unis et l'Union soviétique ont beaucoup investi dans la technologie des hydroptères. Le constructeur Boeing a construit pour la marine américaine des hydroptères de la classe PHM Pegasus (PHM signifie Patrol Hydropter Missile). Motorisés par une turbine de 18 000 ch, ces hydroptères étaient capables de naviguer à 48 nœuds (89 km/h).
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La marine canadienne s'intéressa aussi aux hydroptères et fit construire en 1965 un navire expérimental, destiné à la lutte anti sous-marins, le NCSM Bras d'Or. Réalisé en aluminium par l'avionneur De Havilland Canada pour la coque et doté d'une propulsion mixte (diesel + turbine à gaz, pour un total de plus de 50 000 ch et une vitesse de presque 60 nœuds), c'était un navire très en avance sur son époque. Les navires italiens de la classe Sparviero ont servi à la fois la marine italienne et les forces maritimes d'autodéfense japonaises. Dans les années 1950, Gordon Baker tente de concevoir un modèle commercialisable. Le Supramar PT 20 (longueur 21 m, 72 passagers) construit sous licence par Rodriquez est le premier hydroptère ayant effectué un service régulier, entre l'Italie et la Sicile, en 1956. Le Freccia del Sole avait une vitesse de service de 34 nœuds, environ trois fois plus élevée que celle des navires à passagers du moment.
Mécanique du vol : portance et traînée
La différence entre les hydroptères et les autres bateaux réside dans la portance. Les hydroptères s'élèvent au-dessus de la surface de l'eau grâce à leurs structures en forme d'ailes, ce qui réduit considérablement la traînée et augmente leur vitesse. Le principe est assez semblable à celui d'une aile d'avion. Imaginer que l'on place sous la coque du bateau au bout d'un mat une aile asymétrique à l'image d'une aile d'avion : courbe au-dessus et plate en dessous. Cette asymétrie créée 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 foil permet donc au bateau d'aller plus vite en réduisant la trainée hydrodynamique. La trainée est une force qui s'oppose au déplacement du bateau sur l'eau, plus elle est faible, plus le bateau pourra aller vite. Lorsque les bateaux planants classiques accélèrent, la traînée sur leur coque augmente en raison de l'accroissement du déplacement de l'eau et des frottements de surface. Comme les hydroptères se soulèvent au-dessus de la surface de l'eau, l'augmentation de leur vitesse peut avoir l'effet inverse : ils deviennent plus efficaces à grande vitesse qu'à faible vitesse de déplacement. Cela est dû au fait que la coque a un contact minimal avec l'eau, ce qui réduit les frottements et donc la traînée.
Typologie des foils et stabilité
Les hydroptères varient en forme et en taille, et sont principalement classés en deux familles : les foils en V et les foils en T. Les foils en V forment généralement un V ou un U sous la largeur du bateau afin de percer la surface de l'eau, s'élèvant au-dessus de la surface de l'eau lorsque le foil est porté. Les foils en forme de T sont entièrement immergés sous l'eau et présentent généralement une aile horizontale plutôt que l'aile incurvée des foils en forme de V. Cela leur permet d'être moins affectés par l'action des vagues et donc d'être plus stables en mer.
Toutefois, les foils en T ne sont pas autostables. L'angle d'attaque des hydroptères doit être ajusté en permanence en fonction de l'évolution des conditions. Cela nécessite l'intervention de capteurs et d'ordinateurs de bord. Les hydrofoils, en particulier les variantes entièrement immergées, peuvent accroître considérablement la stabilité d'un bateau. Comme la coque du bateau a moins de contact avec les vagues, il en résulte une moindre réaction aux conditions des vagues. Les foils en V partiellement immergés restent stables en roulis et maintiennent automatiquement la hauteur de vol.
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Performance moderne : l'avènement des trimarans Ultim
Dans les sports nautiques, c’est toujours plus vite et toujours plus loin. Une innovation récemment remise au goût du jour a permis de faire des progrès considérables sur la vitesse des voiliers. La preuve par l’exemple avec l’ARKEA ULTIM CHALLENGE, l’une des plus récentes courses autour du monde en date ayant vu s’affronter la dernière génération de trimarans Ultim. Ces voiliers gigantesques sont équipés de foil qui leur permettent à pleine vitesse de faire émerger au-dessus de l’eau l’intégralité de leur coque. 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.
Entre 2016 et 2024, pas moins de 26 profils de foils ont été testé 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. 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. Les applications du foil ne se limitent pas au trimaran. Elles sont utilisées aussi sur des voiliers monocoques et des vaisseaux moto propulsés.
Innovations et diversité des supports
Des adaptations du foil ont été créées pour des sports comme la planche à voile, le ski nautique ou le kitesurf. L'ajout du foil sur ces planches a grandement augmenté leur vitesse de déplacement sur l'eau. Entre 1965 et 1978, Claude Tisserand expérimente divers hydrofoils (nommés Véliplanes) en baie de Saint Florent en Corse. Une adaptation sur la coque d'un dériveur olympique 470 est chronométrée à 16 nœuds à Weymouth. Certaines planches à voile sont équipées de foils : le pionnier en ayant été le planchiste allemand Niko Stickl lors de la semaine de vitesse de Weymouth au début des années 1980.
Le Wingfoil est d'apparition relativement récente, fin des années 2010. Le flotteur, parfois gonflable, et l'aile ne sont pas reliés ; le pratiquant doit utiliser un "leash", un filin de sécurité spiralé, relié à la taille ou au poignet. Le foil est de plus en plus utilisé en kitesurf depuis que Marc Blanc a inauguré son usage en course en 2009. Une dernière innovation datant de 2023 est un vélo à foil se déplaçant sur l'eau. Bien que le principe technique soit connu depuis les années 1930, les technologies liées au foil sont redevenues innovantes et performantes grâce aux progrès réalisés en science des matériaux et mécanique des fluides.
Enjeux environnementaux et économiques
Parmi les enjeux de ce domaine on trouve la préservation des espaces naturels et la décarbonation des produits. La technologie des hydroptères électriques, développée par des entreprises telles que Candela, est en train de devenir une tendance majeure dans l'industrie nautique. En exploitant l'énergie électrique, les hydroptères peuvent atteindre des vitesses élevées tout en ne produisant aucune émission. Cela minimise leur empreinte carbone et réduit l'impact sur l'environnement.
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Les bateaux à foils font preuve d'une fonctionnalité et d'une durabilité impressionnantes. Le marché des hydroptères de plaisance et des hydroptères commerciaux pour passagers est encore jeune, et de nombreuses entreprises commencent à proposer ces produits. Beaucoup d'entre eux sont également électriques, car l'efficacité accrue permet désormais d'obtenir d'excellentes performances avec une batterie de taille raisonnable. Si l'investissement initial est élevé, notamment en raison des matériaux comme la fibre de carbone, ils permettent de réaliser des économies à long terme sur les coûts d'exploitation grâce à l'efficacité énergétique et à une maintenance réduite.
Navigation et sécurité dans des conditions difficiles
Naviguer sur un hydroptère dans des eaux agitées présente des défis, notamment celui de garder le contrôle en cas de vents forts et de vagues. Les opérateurs doivent constamment ajuster les réglages pour garantir la stabilité et les performances. Une mauvaise conception ou un mauvais entretien augmentent le risque de chavirement ou de perte de contrôle. Malgré ces difficultés, la navigation à foils dans des conditions difficiles peut être exaltante.
Les bateaux à foils sont dotés de dispositifs de sécurité et de stabilisation sophistiqués, tels que la suspension active et les gyrostabilisateurs, qui les rendent sûrs pour les voyages côtiers dans des eaux modérément agitées. La conception d'un bateau à foils pour les eaux agitées exige de prendre en compte plusieurs facteurs clés. L'un des plus importants est la forme et la taille du foil. Une aile plus grande et plus large améliore la portance et la stabilité. Le choix du matériau est un autre élément critique. Les bateaux à foils sont plus sensibles aux poids élevés. Des matériaux légers mais durables comme la fibre de carbone ou l'aluminium sont idéaux pour ces bateaux, car ils peuvent supporter les contraintes importantes qui accompagnent les eaux agitées sans peser autant que l'acier.
La vitesse est essentielle pour maintenir la stabilité des bateaux à foils dans les eaux agitées. Contrairement aux bateaux conventionnels qui réduisent leur vitesse pour atténuer l'impact des vagues, les bateaux à foils doivent maintenir leur vitesse pour améliorer la portance, en maintenant la coque élevée et en réduisant la traînée. Bien que des vitesses plus élevées augmentent la portance, ces bateaux sont conçus pour équilibrer vitesse et stabilité. Les différentes hauteurs et types de vagues ont un impact distinct sur les performances des bateaux à foils, ce qui nécessite des techniques de manipulation spécifiques.