Voilà un peu plus de 10 ans que les foils se sont imposés sur la plupart des voiliers de course, qu'il s'agisse de monocoques ou de multicoques. Ces appendices, loin d'être une invention récente, ont vu leur adoption sur les voiliers et multicoques être (très) progressive avant de se populariser tout récemment. L'idée d'utiliser des surfaces portantes sous l'eau pour soulever un bateau est une quête de longue date, transformant radicalement les standards de vitesse et d'efficacité dans le monde nautique.
L'Émergence des Foils dans le Monde Nautique : Une Longue Histoire d'Innovation
L'histoire des foils est jalonnée d'expérimentations et d'améliorations continues. En effet, la recherche de meilleures performances a toujours été l'une des premières motivations derrière l'innovation depuis la création des bateaux. Le foil ne fait pas exception, puisque le but est d'abord d'aller plus vite. Dès 1861, l'Anglais Thomas W. Moyet développe l'idée d'utiliser des surfaces portantes sous l'eau pour soulever un bateau. Cette idée est ensuite 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. Par la suite, 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 1985 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.
En 1906, l'ingénieur-inventeur italien Enrico Forlanini 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 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).
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, 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'agit d'un cat-boat que beaucoup considèrent comme le premier vrai voilier à foils. 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 (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 seront développés, dont l'ingénieux Hydrofolie, un trimaran équipé de foils réglables conçu par l'architecte français Xavier Joubert.
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Les multicoques à foils vont cependant réellement apparaître sous les feux de la rampe avec le marin français Éric Tabarly et son trimaran Paul Ricard qui, en 1980, bat le record de la traversée de l'Atlantique. Poursuivant les travaux de Tabarly, le français Alain Thébault met au point l'Hydroptère, qui sera, en 2009, le premier multicoque à dépasser 50 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. En 2013, l'America's Cup passe elle aussi aux catamarans avec les fameux AC72 à foils. Si la technologie foil a assurément fait ses preuves dans le monde de la compétition, les plans porteurs ne sont plus réservés à ce domaine.
L'engouement pour les foils et les voiliers "volants" ne fait que commencer. Pourtant, la technologie des ailes portantes, qui semble aujourd'hui encore étrangère, voire farfelue, à la plupart des navigateurs, a derrière elle une étonnante histoire de développement. 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 foils qui leur permettent à pleine vitesse de faire émerger au-dessus de l'eau l'intégralité de leur coque.
Principes Fondamentaux et Avantages des Foils
Un foil est un appendice hydrodynamique profilé fixé sous une coque (foils latéraux) et/ou greffé sur les appendices traditionnels (dérive, safran). 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 portance est générée par la différence de pression entre le dessus et le dessous du foil, similaire au fonctionnement des ailes d'un avion. De manière un peu plus technique, en avançant, le foil crée une dépression au-dessus et une surpression en dessous. 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 traînée hydrodynamique.
Le fonctionnement des foils repose sur les principes de l'hydrodynamique. Lorsque le bateau accélère, l'eau s'écoule sur le profil incurvé du foil, générant une portance qui soulève le bateau. Cela réduit le contact avec l'eau et donc la résistance. Les foils sont particulièrement efficaces sur les hydroptères et les voiliers, permettant à ces bateaux d'atteindre des vitesses élevées tout en maintenant une stabilité optimale. La traînée est une force qui s’oppose au déplacement du bateau sur l’eau, et plus elle est faible, plus le bateau pourra aller vite. La réduction de la traînée permet aussi une plus grande maniabilité du navire. Le foil offre aussi une plus grande stabilité au bateau en diminuant le tangage (stabilité longitudinale) et le roulis (stabilité latérale).
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. Pour ces derniers, le fait d'adopter des foils diminue la surface mouillée, et donc les frottements. 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.
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Typologie et Configurations des Foils
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
Comme leur nom le suggère, les foils en C ont une forme courbée plus ou moins prononcée en fonction des modèles. Les foils en C 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 améliorer performances et confort. 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.
Les 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. Ils sont reconnaissables à leur forme en L avec une partie horizontale qui génère la portance. 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. Les bateaux à quille de cantonnement, comme l'Imoca Open 60 du Vendée Globe, ont besoin d'un foil qui non seulement produit de la portance, mais qui empêche aussi la dérive latérale, car la quille déployée ne peut pas assumer cette tâche. Les foils coudés à l'extrémité produisent les deux, le lift et le guidage latéral.
Les Foils en T
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. Sur l'International Moth, 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.
Les Foils en V
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.
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Les Foils en U (ou O allongé)
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.
Les Foils Transversaux
Si les catamarans à moteur utilisent d'autres types de foils, notamment pour des utilisations commerciales, les foils transversaux sont de plus en plus populaires pour ce type de multicoques. Le foil transversal est en fait 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.
Performances et Vitesses Stratosphériques des Catamarans et Multicoques à Foils
Les foils ont radicalement transformé le monde des bateaux en permettant à divers types de bateaux 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.
Les Records et les Géants des Mers
L'Hydroptère, par exemple, a démontré les capacités des foils en atteignant des vitesses supérieures à 50 nœuds en 2009. L'Australien Paul Larson a établi en novembre 2011 un nouveau record mondial avec le "Sailrocket 2", qui n'a jamais été battu, atteignant une vitesse vertigineuse de 65,45 nœuds sur une distance de 500 mètres, avec des pointes à 68,01 nœuds. L'ARKEA ULTIM CHALLENGE a mis en lumière la dernière génération de trimarans Ultim. Ces voiliers gigantesques 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. Ces géants des mers (32 mètres de long pour 23 de large) sont des bijoux de technologies, résultats d'une innovation continue. 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.
Les catamarans de la Cup 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 coordonné et un timing précis.
Sur le circuit SailGP, les F50 flirtent d'ores et déjà avec les 100 km/h. Ces bolides sont équipés d'une aile rigide, déjà vue sur les catamarans de la prestigieuse Coupe de l'America. « C'est comme une aile d'avion, mais posée verticalement », décrit Matthieu Vandame, membre du Team France. De par sa structure, l'aile propose beaucoup moins de frottements dans l'air qu'une voile. Les foils, largement améliorés dans leur composition et leur design, permettent à ces F50, plantés à un mètre au-dessus de l'eau, de diminuer la traînée et d'aller encore plus vite. Ben Ainslie, à la barre du F50 anglais, a failli franchir la barre des 100 km/h et celle des 53 nœuds a été officiellement franchie par son équipage dans près de 20 nœuds de vent. Marie Riou, seule femme engagée en Sail GP, décrit une accélération complètement grisante : « On est à 40 nœuds et, d'un coup, ça accélère et on ne sait pas jusqu'à combien ça va aller. On entend alors juste un sifflement de plus en plus fort, causé par l'eau qui frotte sur le foil et les safrans. » La vitesse maximale théorique de ces bateaux est pile 100 km/h, mais des évolutions technologiques sont encore possibles, et on s'attend à dépasser de plus en plus les 50 nœuds et, dans un futur proche, atteindre 60 nœuds (plus de 110 km/h).
Les Petits Foils et Leurs Applications Étendues
Dans aucune autre classe, le thème du foiling n'a eu un impact aussi impressionnant et durable que sur l'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. Celui qui maîtrise le dériveur filigrane en fibre de carbone Moth peut atteindre une vitesse de pointe de 30 nœuds - et ce avec un petit bateau de 3,30 mètres de long et de 35 kilos seulement. 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.
De nouvelles possibilités d'apprendre à "voler" s'offrent à nous, car des chantiers navals renommés comme Beneteau veulent produire en série des foilers au format yacht. Des foilers high-tech pour une personne sont disponibles à partir d'environ 10 000 euros. Le White Formula Whisper, un catamaran de 5,40 m de long et 110 kg, peut être navigué à deux et a une grand-voile de 12,6 m². Le Waszp, une version apprivoisée du Moth, de 3,35 m de long et 48 kg, peut atteindre de bonnes vitesses avec une grand-voile de 6,9 ou 8,2 m². L'iFly 15, de fabrication allemande, est également un exemple de catamaran de classe A avec un haut niveau de développement.
Les applications du foil ne se limitent pas au trimaran. Elles sont utilisées aussi sur des voiliers monocoques et des vaisseaux moto propulsés. 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. 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.
Défis, Limites et Perspectives d'Avenir
Malgré les avancées spectaculaires, l'utilisation des foils présente également des défis et des limites. Le transfert de technologie des cuppers vers la production en série sera faible, car leur distance par rapport à tout ce qui est conventionnel et qui flotte est trop grande - et les solutions qui permettent de manipuler les bolides sont trop spécialisées.
Les Contraintes Techniques et Environnementales
La conception et la mise en place de foils ont recours à des technologies de pointe qui doivent être savamment maîtrisées. Un foil, sur un multicoque à voile, n'est efficace qu'à partir d'une certaine force de vent. Le coût, les matériaux et la technologie nécessaires pour fabriquer des foils de haute qualité peuvent être coûteux, limitant leur accessibilité pour certains navigateurs. De plus, la complexité technique de la conception et de l'installation des foils nécessite une ingénierie précise et une compréhension approfondie de l'hydrodynamique. Les phénomènes hydrodynamiques tels que la ventilation et la cavitation peuvent affecter la performance des foils, nécessitant des régulations actives pour maintenir une portance optimale.
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 constructeur Hugh Welbourn, 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. » Pour compenser ces charges, il faudrait intégrer des renforts structurels complexes dans le bateau. De ce fait, et à cause du profilé inséré dans la coque, on perdrait beaucoup de place sous le pont. De plus, les coûts seraient nettement plus élevés que pour un bateau sans foils. « Rien que pour cette raison, l'utilisation sur des yachts normaux est très discutable. »
La Spécificité des Monocoques à Foils
Par rapport aux multicoques, le développement des monocoques à foils est compliqué par une composante : 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.
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