Depuis le Vendée Globe 2016, une transformation majeure a redéfini le visage des monocoques de course au large : l'apparition des foils sur les IMOCA. Ces appendices sophistiqués, qui remplacent les dérives sur les nouveaux bateaux, ont initié une ère nouvelle où la vitesse et l'efficacité hydrodynamique atteignent des sommets inédits. Si leur pleine efficacité n'a pas pu être véritablement démontrée lors de l'édition 2020 en raison de conditions météorologiques très particulières, les premiers mois de course du Vendée Globe 2024 ont clairement mis en lumière la suprématie des voiliers à foils, confirmant leur rôle pivot dans la performance actuelle de la classe. Les IMOCA, acronyme de l'International Monohull Open Class Association, sont reconnus comme les monocoques les plus rapides et puissants de la planète, menés par un marin seul. Ces bateaux, mesurant tous 18,28 mètres de long, sont de véritables concentrés de technologie où chaque optimisation compte pour les skippers engagés dans ces défis extrêmes. Conçus pour allier légèreté, robustesse et performance, les IMOCA d’aujourd’hui volent littéralement sur les océans grâce à leurs foils, les modèles les plus récents dépassant les 40 nœuds, soit plus du double de la vitesse atteinte par les premiers bateaux de la classe.
Les Foils : Principes Fondamentaux de la Portance Hydrodynamique
Au cœur de cette révolution se trouve le fonctionnement ingénieux des foils, qui agissent comme des ailes immergées. Leur mission principale est de générer une force de portance qui soulève partiellement la coque hors de l'eau. Cette idée d'obtenir une portance hydrodynamique est loin d'être nouvelle, les principes sur l'effet de la portance sur la vitesse des embarcations sont connus depuis plus d'un siècle. L'efficacité de cette portance est d'autant plus importante que la vitesse est élevée, car elle s'inscrit dans une dynamique où le mouvement à travers l'eau permet de maximiser cet effet. L'interaction entre la vitesse du bateau et le foil est un facteur prépondérant.
Un des avantages les plus spectaculaires des foils est leur capacité à réduire la traînée hydrodynamique, qui est le principal frein à l'avancement d'un bateau. En soulevant la coque, les foils réduisent la surface mouillée du bateau, diminuant ainsi considérablement la résistance de frottement. La traînée générée par les foils est sensiblement indépendante de la vague créée par le bateau, ce qui est un atout majeur à haute vitesse. Ils permettent d'obtenir une traînée limitée à environ 10% du poids de l'embarcation, un excellent rendement qui contraste avec la résistance bien plus importante d'une coque conventionnelle. À des vitesses élevées, la traînée peut même atteindre la puissance sixième de la vitesse, ce qui signifie que la résistance augmente de manière exponentielle (proportionnelle à V6). Cependant, avec les foils, l'objectif est de retarder au maximum cette augmentation drastique de la traînée. La consommation d'énergie pour maintenir le vol est étonnamment faible, n'étant que de 5 kW pour un IMOCA en phase de vol, ce qui représente un excellent rendement pour un tel gain de performance.
L'Impact des Foils sur la Vitesse et la Performance des IMOCA
L'introduction des foils a littéralement catapulté les performances des IMOCA, leur permettant d'atteindre des vitesses impressionnantes et de naviguer plus vite que le vent. Il est désormais courant d'observer des vitesses supérieures à 30 nœuds avec un vent limité à 20 nœuds, une prouesse impensable il y a quelques années pour des monocoques. Cette capacité à "voler" offre non seulement une accélération significative mais aussi une bonne stabilité et une maniabilité et une aisance déconcertante à haute vitesse. Le gain en stabilité est un élément crucial, car il permet aux skippers de maintenir des allures rapides sur de plus longues périodes, réduisant la fatigue liée aux mouvements violents de la coque.
Olivier Douillard, navigateur français et expert en performance dont la société AIM45 est spécialisée dans l'analyse de données pour les équipes IMOCA, a mené une étude révélatrice sur les changements de performance au cours des 20 dernières années. En comparant les données des meilleurs IMOCA depuis le Vendée Globe 2002, il a pu quantifier la progression stupéfiante. L'analyse montre que les performances globales ont augmenté de 48% en moyenne sur cette période. Avant 2016 et l'introduction des foils, les IMOCA avaient besoin de 30 nœuds de vent réel pour atteindre 20 nœuds de vitesse. Ce chiffre est tombé à 18 nœuds en 2016 avec les foils, et a continué de diminuer à mesure que les foils sont devenus plus optimisés, atteignant désormais un niveau remarquable de 14 nœuds de vent réel pour atteindre 20 nœuds de vitesse. Cette transformation est profonde pour un voilier de huit tonnes.
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Les gains ne sont pas uniformes sur toutes les allures, mais ils sont partout significatifs. Au près (face au vent), les meilleurs IMOCA naviguent aujourd'hui 49% plus vite qu'en 2002, passant de 9 à 14 nœuds de vitesse au VMG (Velocity Made Good), qui représente le meilleur compromis entre cap et vitesse. Au portant (vent arrière), l'augmentation est également de 49%, avec des vitesses passant de 15 à 24 nœuds au VMG. Même dans les vents légers (autour de 8 nœuds), les performances ont augmenté d'environ 27%, quelle que soit l'allure. Les chiffres les plus spectaculaires sont obtenus au reaching haut (autour de 80° du vent), où les derniers foilers atteignent des vitesses 73% plus élevées qu'il y a 20 ans, passant de 13 à 22 nœuds. Au reaching bas (autour de 120° du vent), l'augmentation est de 44%, avec des vitesses dépassant les 27 nœuds, faisant de cette allure la plus rapide. Olivier Douillard confie que ces chiffres sont "bluffants" et que "la marche franchie est énorme". Il estime que le taux d'augmentation des vitesses a probablement atteint un palier, à moins de changements radicaux des règles, comme l'autorisation de plans porteurs sur les safrans rendant le bateau entièrement volant. Néanmoins, il prédit une augmentation progressive des vitesses grâce à l'apprentissage continu des marins et à l'ajustement toujours plus précis des réglages. La capacité des skippers à naviguer de manière rapide et surtout stable est une clé de cette progression.
Ingénierie des Foils : Conception et Contraintes
La conception d'un foil est une tâche complexe qui implique l'optimisation de plusieurs paramètres géométriques et hydrodynamiques. La portance et la traînée d'un foil sont principalement influencées par la cambrure, qui est aussi ramenée à la longueur de la corde, l'incidence (l'angle d'attaque du foil par rapport au flux d'eau) et l'épaisseur relative du foil. Un profil de foil mince est généralement plus "pointu" et offre de meilleures performances à faible incidence, mais sur une plage d'incidence très réduite. L'efficacité d'un foil est souvent maximisée à un point précis de son fonctionnement, généralement le point 2, où le foil présente les meilleures performances en termes de portance et de traînée.
L'épaisseur relative du foil est un paramètre crucial, surtout à haute vitesse. C'est l'épaisseur du foil par rapport à sa longueur de corde. Un foil plus épais est plus solide mais cavite plus tôt, tandis qu'un foil plus mince est plus rapide mais potentiellement plus fragile ou nécessite une corde plus longue pour une résistance structurelle équivalente. Par exemple, un foil de 11% d'épaisseur relative cavitera à environ 48 nœuds, alors qu'un foil de 16% cavitera à 38 nœuds. Il y a donc un compromis constant à trouver entre la robustesse structurelle, la surface mouillée (qui doit être réduite pour minimiser la traînée) et la vitesse de cavitation attendue. Tous les foils, qu'ils soient destinés aux IMOCA, aux Ultims, au SailGP ou à l'America's Cup, sont conçus à la limite de la résistance des matériaux pour maximiser leurs performances.
Le Défi de la Cavitation et de la Ventilation
La Cavitation : Le "Mur du Son" de l'Eau
La cavitation est un phénomène hydrodynamique majeur qui pose une limite physique aux vitesses atteignables par les foils immergés. Il s'agit de la formation et de l'implosion de bulles de vapeur d'eau sur la surface du foil lorsque la pression locale chute sous la pression de vapeur de l'eau. Lorsque le bateau atteint des vitesses élevées, la dépression sur l'extrados (la partie supérieure) du foil devient si intense que l'eau s'évapore directement à la surface du profil. Cela signifie qu'une partie du foil ne travaille plus dans l'eau liquide, mais dans la vapeur d'eau, ce qui provoque une "traînée de bulles" qui augmente drastiquement la résistance. Une fois que la cavitation a commencé, la vitesse ne peut augmenter que de deux ou trois nœuds supplémentaires avant d'être sévèrement limitée.
Cette limite de cavitation était perçue comme une sorte de "mur du son" pour la vitesse en mer, particulièrement au-delà de 50 nœuds pour des bateaux comme les IMOCA ou les Ultims. Cependant, il est tout à fait possible de concevoir des foils qui ne cavitent qu'à partir de 60 nœuds, mais ces foils s'avèrent alors assez mauvais à des vitesses inférieures. Un foil qui commence à caviter à 40 nœuds sera plus rapide dans la plage de zéro à 40 nœuds qu'un foil conçu pour caviter à 50 nœuds. C'est pourquoi, dans les classes ouvertes comme les IMOCA, le choix du foil est une décision active lors de la conception, car il faut déterminer la plage de vitesse où la cavitation doit commencer. Par exemple, les foils IMOCA cavitent aux alentours de 35 nœuds. Ce choix est délibéré, car un Open 60 ne vole pas complètement et ne navigue généralement pas plus vite. Il ne servirait à rien d'utiliser des profils qui ne caviteraient qu'à 40 nœuds, mais qui seraient plus lents entre zéro et 33 nœuds.
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Outre l'aspect de la grande vitesse, un problème de cavitation peut également survenir à faible vitesse. Si le foil doit générer une portance suffisante à basse vitesse, il faut travailler avec un angle d'attaque élevé. Cela peut provoquer des pics de dépression qui entraînent une cavitation locale sur l'extrados à l'avant, même à faible vitesse, freinant ainsi le bateau. La difficulté pour les foils de l'America's Cup ou de SailGP réside dans la capacité à couvrir une plage de vitesse de 20 à 25 nœuds sans cavitation. Cette plage doit être consciemment choisie et est difficile à élargir. Si l'on souhaite décoller à 20 nœuds, la plage sans cavitation pourrait être de 20 à 40 nœuds. Si l'on vise 45 nœuds, la vitesse de décollage serait de 25 nœuds. La cavitation peut également causer des dommages matériels importants en quelques heures, car l'implosion des bulles de vapeur génère des températures pouvant atteindre plusieurs centaines de degrés, provoquant des trous ou un délaminage du matériau du foil. C'est pourquoi les foils sont conçus pour que la cavitation, si elle se produit, se manifeste le plus en arrière possible sur le profil à grande vitesse, minimisant ainsi les dommages sur la structure.
La Ventilation : Aspirer l'Air pour Voler Plus Vite
À côté de la cavitation, le phénomène de ventilation est une autre considération cruciale pour les foils ultra-rapides, notamment ceux des bateaux visant des records de vitesse. La ventilation se distingue de la cavitation en ce qu'elle implique l'aspiration d'air à la surface de l'eau vers la zone de dépression du foil. Alors que la cavitation fait travailler le côté dépression dans la vapeur d'eau, la ventilation le fait travailler dans l'air.
Des projets comme le Sailrocket et le SP80, qui vise à atteindre les 80 nœuds, utilisent des "foils ventilés" ou même "superventilants". Ces profils sont conçus pour percer la surface de l'eau. À très grande vitesse, la cavitation commence à se produire, mais elle est suivie par une ventilation jusqu'à ce que le foil soit complètement ventilé du côté de la dépression sur toute sa surface. Cela signifie que l'effet d'aspiration du côté dépressionnaire est perdu, mais la surpression de l'autre côté continue de générer une force, bien que plus faible. L'avantage de ces foils ventilés est qu'ils permettent de dépasser la limite de vitesse imposée par la cavitation lorsque l'eau liquide ne peut plus "suivre" le foil au-delà de 60 nœuds. On n'a pas le choix, un foil ne fonctionne tout simplement plus pour l'eau liquide à ces vitesses. L'objectif est alors de s'assurer qu'au moins le côté surpression fonctionne encore. Une fois dans cette zone, il n'y a, en principe, plus de limite physique à des vitesses encore plus élevées.
Ces profils de foils ventilés ont une forme très distincte : ils sont très pointus à l'avant et émoussés à l'arrière, presque comme un coin. Cependant, ces foils sont très inefficaces aux basses vitesses (de zéro à trente nœuds), ce qui explique les difficultés rencontrées par des équipes comme Sailrocket pour faire la transition vers des vitesses très élevées. Contrairement aux foils des IMOCA qui poussent le bateau hors de l'eau, les foils de Sailrocket ou des modèles de kite à très haute vitesse tirent le bateau vers l'eau, car la voile tire fortement le bateau vers le haut. Le foil garantit ainsi le contact avec l'eau. Pour Sailrocket, la partie supérieure du foil fonctionnait entièrement en l'air, seule la partie inférieure restant dans l'eau, ce qui fut une source de défis pour éviter le décollage et le chavirement du bateau.
Évolution Technologique et Diversité des Foils
Des Foils en "J" aux Foils en "T" : Stabilité et Contrôle
L'évolution des foils a également vu l'émergence de différentes configurations, notamment les foils en "J" et les foils en "T". Les foils dits de "1ère génération" sur les IMOCA sont souvent des J-foils, qui facilitent leur construction et permettent une auto-régulation de la hauteur de vol. Le fonctionnement de ces foils auto-régulés est ingénieux : la tige du foil, toujours dans le bateau, et le "tip" (l'extrémité) ont un angle spécifique, le tip allant vers l'intérieur et légèrement vers le haut. Lorsque le bateau prend de la vitesse ou rencontre une vague et que le foil sort de l'eau, la surface de la tige immergée diminue, augmentant la dérive sous le vent. Cette dérive réduit l'angle d'arrivée de l'eau au niveau du tip, entraînant une perte de portance et le bateau s'enfonce à nouveau. La dérive diminue alors, et le processus se répète en sens inverse, créant une forme de stabilité naturelle.
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En revanche, les nouveaux profils, souvent des foils en "T" ou des configurations similaires légèrement courbées vers l'extérieur, ont démontré une capacité à améliorer significativement la performance. Lors de la série de régates SailGP, l'introduction de ces foils en T a permis un saut de performance de 15%. La différence majeure réside dans le déplacement du centre de poussée de l'aile vers l'extérieur lorsque le bateau "vole". Pour les J-foils classiques, le centre de portance verticale se situe à l'intérieur de la coque, offrant un certain moment de redressement. Les T-foils, en déplaçant le centre de poussée plus à l'extérieur, augmentent considérablement ce moment de redressement, permettant ainsi d'augmenter la pression dans la voile et donc la puissance du bateau de 10 à 15%. Il ne s'agit pas d'une nouvelle forme intrinsèquement moins résistante, mais d'une configuration qui permet d'exploiter plus efficacement la puissance vélique. C'est comme installer un moteur de 50 chevaux de plus dans une voiture existante.
Cependant, les T-foils sur les safrans, tels qu'utilisés dans l'America's Cup ou le SailGP, posent un défi majeur pour les courses en solitaire comme le Vendée Globe. Ils nécessitent une régulation active et constante de leur angle de "flaps" pour maintenir une hauteur de vol stable. Dans l'America's Cup, un membre d'équipage est dédié à cette tâche, réglant l'angle du foil une fois par seconde, ce qui est impossible pour un skipper en solitaire et les systèmes automatiques sont interdits en IMOCA. L'absence de T-foils sur les safrans des IMOCA a pour conséquence que la poupe s'abaisse lorsque le bateau commence à voler. Cela augmente l'angle d'attaque de l'aileron principal, générant trop de portance et provoquant le "décrochage" de l'aile principale, le bateau s'écrasant dans l'eau. Il n'est donc pas possible d'obtenir de longues phases de vol stables comme sur les America's Cupper ou les Ultims. Charles Caudrelier, skipper d'Ultim, a confirmé qu'il n'y aurait pas de T-foils sur les bateaux offshore comme les Ultims ou IMOCA, car ils ne fonctionnent qu'avec une régulation constante. Les Ultims, cependant, ont trouvé une solution avec un T-foil en bas de la dérive centrale, permettant de contrôler activement le moment de redressement et la hauteur de vol, poussant le bateau vers l'extérieur quand la coque s'enfonce, ou tirant le bateau vers le bas avec un "downforce" pour augmenter le moment de redressement.