L'univers de la navigation a été radicalement transformé par l'intégration des hydrofoils, permettant à divers types de bateaux d'atteindre 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 plus rapide. Les catamarans, en particulier, bénéficient grandement de l'ajout de foils. Ces embarcations sont de plus en plus utilisées dans des courses internationales, démontrant les avantages des foils en termes de performance et de stabilité. Les compétitions de catamarans ont montré l'efficacité des foils pour augmenter la vitesse et la maniabilité. Que ce soit pour les voiliers, les hydroptères, les catamarans ou même les bateaux à moteur, les foils ont redéfini les standards de vitesse et d'efficacité dans le monde nautique.
L'Émergence des Catamarans à Foils : Des Performances Remarquables
Les catamarans offrent de nombreuses caractéristiques spécifiques et sont de ce fait une excellente alternative aux yachts traditionnels, possédant un espace habitable plus vaste (parfois deux fois plus grand que sur un monocoque), une excellente stabilité et une très grande autonomie. Cependant, les amateurs de bateaux à moteur choisissent les catamarans principalement pour leurs hautes performances. Aujourd'hui, ces navires peuvent atteindre des vitesses supérieures à 30 nœuds, parfois même avec un vent limité à 20 nœuds, lorsque le poids total en charge est limité à quelques tonnes. Les foils ont ainsi ouvert la possibilité d'aller plus vite que le vent, une prouesse autrefois inimaginable pour la plupart des navigateurs.
Par exemple, l'équipe d'architectes navals Sunreef a décidé de développer un système à hydrofoils rétractables qui permettra aux luxueux navires Sunreef d’atteindre une vitesse maximum de 70 nœuds et de voler littéralement à la surface de l’eau. Une solution de ce type est le meilleur choix pour ceux qui veulent exploiter à fond le potentiel offert par les bateaux à moteur. Le premier modèle équipé d’hydrofoils sera le Sunreef 40 H, un catamaran à moteur de 40 pieds de type open. Cette innovation offre une maniabilité et une aisance déconcertante. Les bateaux à foils atteignent des vitesses plus élevées et des performances supérieures par rapport à la puissance du moteur, même dans des eaux agitées, grâce à leur efficacité. Ils permettent de réaliser des économies à long terme sur les coûts d'exploitation grâce à l'efficacité énergétique et à une maintenance réduite. Par exemple, le prix d'achat du bateau à foils électrique Candela C-8 est de 330 000 euros, hors options, mais le coût d'une batterie pleine est d'environ 10 euros, ce qui permet de parcourir plus de 50 milles nautiques.
Un des principaux avantages des hydroptères est leur capacité à maintenir des vitesses élevées par gros temps, puisqu'ils survolent simplement les vagues. 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. Les foils ont la capacité d'obtenir une traînée limitée à environ 10% du poids de l'embarcation, ce qui représente un rendement excellent dans le cas présent. Cela est d'autant plus important que la vitesse est élevée. La traînée par les foils est sensiblement indépendante de celle-ci, ce qui est un avantage considérable. Par exemple, une puissance de seulement 5kw peut être nécessaire pour maintenir des vitesses élevées. En outre, la coque des vibrations haute fréquence s'améliore considérablement, et un flotteur oscillant auto adaptatif est naturellement stable, contribuant à un niveau sonore réduit et à une bonne stabilité générale.
Le Principe Fondamental des Hydrofoils : Dompter la Traînée
La différence fondamentale entre les hydroptères et les autres bateaux réside dans la portance. Un hydroptère (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. Un plan porteur désigne une surface portante, profilée ou non, qui avance dans l'air, dans l'eau ou sur l'eau. 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. C'est un contraste frappant avec les bateaux traditionnels qui restent immergés et sont ralentis par la résistance de l'eau.
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Un bateau à déplacement représente l'un des plus anciens types de conception de coque. Il se déplace dans l'eau en la poussant sur le côté, contrairement aux bateaux planants qui se déplacent sur le dessus. Ces bateaux sont connus pour leur efficacité et leur vitesse réduite. En matière de conception marine, une règle commune associe la vitesse d'un bateau à déplacement à sa longueur, souvent exprimée en tant que vitesse de coque. Cette estimation indique la vitesse maximale qu'une coque à déplacement peut atteindre efficacement sans augmenter la résistance et la consommation de carburant de manière significative. Au-delà de la vitesse de la coque, l'augmentation de la vitesse exige beaucoup plus de puissance, ce qui devient inefficace lorsque le bateau monte la vague arrière au lieu de fendre l'eau. 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. À l'inverse, 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. Cela réduit la traînée et permet au bateau de maintenir une vitesse élevée. Les coques des bateaux à foils réduisent considérablement la résistance à l'eau et permettent d'atteindre des vitesses plus élevées que les coques traditionnelles.
Le fonctionnement des foils repose sur les principes 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, réduisant ainsi la surface de contact avec l’eau et la traînée et augmentant la vitesse. 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. La portance est "gratuite" aux faibles angles d’incidence, c'est-à-dire qu'elle ne coûte rien. Jusqu’à un certain angle d’incidence (environ 3 à 7° selon le profil), la vitesse est transformée en portance sans que la traînée n’augmente. Par contre, au-delà de cet angle critique, la traînée augmente alors beaucoup plus vite que la portance. La courbe portance/traînée, qui définit l’efficacité du profil en fonction de l’angle d’incidence, ressemble à la moitié d’un seau, un fond plat puis un flanc qui remonte brutalement. Les aérodynamiciens ont appelé cette portion de courbe « lift-drag bucket », le seau portance-traînée.
Un foil mince est plus ‘’pointu’’ et offre de bonnes performances à faible incidence mais sur une plage d'incidence très réduite. Des ajustements précis dans la forme et l'angle des foils peuvent améliorer significativement les performances d'un bateau. La cambrure est aussi ramenée à la longueur de la corde, et le nombre de Reynolds augmente avec la vitesse, influençant la surpression sur l’intrados, l’incidence et l’épaisseur relative du foil. C’est à un point d'incidence optimal que le foil à les meilleures performances en termes de traînée (drag).
Types de Foils et Technologies Associées
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'élevant au-dessus de la surface de l'eau lorsque le foil est porté. Les foils en V partiellement immergés restent stables en roulis et maintiennent automatiquement la hauteur de vol.
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, par conséquent, d'être plus stables en mer. Ils sont également plus efficaces car ils génèrent moins de traînée. 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 systèmes de stabilisation active, utilisant des capteurs et des contrôleurs, ont également amélioré la performance et la stabilité des bateaux équipés de foils. Les modèles dits de deuxième génération, plus sophistiqués, ont des plans porteurs complètement immergés qui nécessitent une stabilisation active, tandis que les modèles dits de 1ère génération facilitent leur construction.
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Au sein de ces deux familles, il existe de nombreuses variantes et conceptions différentes pour des objectifs variés. 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. La rétraction manuelle et automatique des foils est de plus en plus courante sur les bateaux à foils modernes, offrant aux capitaines une plus grande souplesse d'utilisation. Cela permet également de faciliter l'entretien et de réduire les problèmes liés aux récifs et aux zones peu profondes.
L'Héritage des Hydrofoils : Une Histoire de Vitesse et d'Innovation
La technologie des hydroptères n'est pas nouvelle, ses origines remontent au début du XXe siècle, avec des inventeurs comme Alexander Graham Bell et Casey Baldwin qui ont expérimenté des modèles à surface perforante. Les premières expérimentations avec un foil ou plusieurs remontent au début du 20ème siècle. 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. Les essais ne sont pas satisfaisants à cause de problèmes de moteur.
En 1964, l'ingénieur américain Alexander Graham Bell et son assistant Frederick W. Baldwin ont développé le HD-4, un hydroptère capable d'atteindre des vitesses impressionnantes grâce à l'utilisation de foils. Cet hydroptère a établi un record de vitesse sur l'eau qui est resté inégalé pendant de nombreuses années. 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.
Des pionniers comme Éric Tabarly ont été parmi les premiers à expérimenter avec les foils pour améliorer les performances des voiliers et réduire la surface de contact avec 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. La popularisation des foils dans le nautisme moderne s'est accélérée dans les années 1980, notamment grâce à des compétitions de voile et des records de vitesse. Les courses et compétitions ont joué un rôle clé dans cette évolution.
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Le cap des 30 nœuds n'a été passé que dans les années 1970 (sur 500m) avec des machines exceptionnelles. En 1976, le « Crossbow 2 », un catamaran asymétrique de 22,87 m portant 120 m² de toile sur deux mâts, avec un rapport voilure / déplacement de 0,078, conçu par Roderick MacALPINE DOWNIE et barré par Timothy COLEMAN, atteint les 33,8 nœuds. Doté de coques extrêmement fines et d'un gréement entièrement latté, il ne peut naviguer que sur une seule amure. Les premiers records officiels datent de 1972, et il fallut attendre 37 ans pour qu’en 2009 un bateau, L’hydroptère, complètement supporté par foils, établisse un record sur 500m toutes catégories. Le projet Hydroptère, initié par Alain Thébault, a démontré les capacités des foils en atteignant des vitesses supérieures à 50 nœuds. Le dernier apport de John Ilett innovait par soustraction : il retirait aux vieux foils leurs fonctions antidérive et stabilisatrice. En mars 2014, Ned Goss sur un Moth Mach 2 a maintenu durant 10 secondes 35,9 nds, avec une pointe à 36,5 nds.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, les forces militaires de plusieurs pays ont utilisé des hydroptères expérimentaux pour leur vitesse et leur agilité. La technologie des hydroptères a été explorée tout au long de la guerre froide 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, ce qui a donné naissance à des navires comme la classe Pegasus de Boeing et la classe Sarancha de l'Union soviétique. Les États-Unis et d'autres marines ont été les premiers à utiliser des navires à foils en forme de T, ce qui a donné naissance à des patrouilleurs rapides tels que la classe Pegasus, qui pouvait atteindre une vitesse de croisière de 48 nœuds. 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). La coque en aluminium fut réalisée par une filiale de Lockheed Seattle. Capable de vitesses de l'ordre de 40 nœuds, l'USS Plainview n'effectua qu'un total de 268 h de vol déjaugé sur foils. 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 (du nom du lac canadien où Graham Bell avait expérimenté un hydroptère au tout début du XXe siècle). 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, peut-être trop. Lancé en 1966, le Bras d'Or vit sa mise en service retardée de deux ans par un incendie dans la salle des machines, puis ses essais tournèrent au cauchemar d'ingénieur avec des dysfonctionnements de l'ordinateur de bord et des systèmes de propulsion, qui lui valurent l'humiliation de rentrer à maintes reprises en remorque à son port d'attache. Désarmé à Halifax, le navire fut finalement exposé en 1983 comme bateau-musée à l'Islet sur Mer près de Québec. Le film Opération Tonnerre de la série des James Bond met en scène un hydroptère baptisé le Disco Volante (en fait un Supramar PT20 camouflé en yacht classique moyennant l'ajout d'une poupe factice). Bien que nombre de ces navires aient été mis en service entre les années 60 et 80, peu d'entre eux sont encore en service aujourd'hui. Les navires italiens de la classe Sparviero ont servi à la fois la marine italienne et les forces maritimes d'autodéfense japonaises.
Défis et Complexités des Hydrofoils de Performance
Malgré les avantages considérables, l'utilisation des foils présente également des défis. Au-dessus de 30 nœuds, la traînée commence à augmenter en raison de phénomènes de cavitation sur l'extrados côté bord de fuite. La cavitation est un phénomène hydrodynamique qui, tout comme la ventilation, peut affecter la performance des foils, nécessitant des régulations actives pour maintenir une portance optimale. La connaissance de la vitesse imposée par cette cavitation des foils est mieux connue depuis les années 50. Les essais et les tests sont essentiels pour développer des solutions efficaces.
La complexité technique est un autre aspect à considérer. 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. De plus, le coût des matériaux et de la technologie nécessaires pour fabriquer des foils de haute qualité peut être relativement élevé, limitant leur accessibilité pour certains navigateurs. Les bateaux à foils exigent un investissement initial, car ils sont souvent équipés de foils, de coques et de ponts en carbone. Le prix des billets d'hydroptère est généralement plus élevé que celui des services de ferry traditionnels en raison de la consommation de carburant, en particulier pour les hydroptères à turbine comme le Boeing 929 Jetfoiler. Toutefois, les passagers estiment que le prix élevé est justifié par les temps de trajet plus courts et le confort supérieur par rapport aux ferries classiques.
Il existe également des limites inhérentes à la taille des bateaux à foils. Comme l'écrivait déjà Galilée en 1638, "On ne peut pas extrapoler du petit vers le plus grand, parce que de nombreux systèmes qui fonctionnent en petite taille ne fonctionnent pas en taille plus grande". C'est l'effet d'échelle : si l'on double une longueur, la voilure sera multipliée par quatre (car c'est une surface) et le volume, donc le poids, par huit (2^3). Cela signifie que le rapport poids-puissance, capital pour la vitesse, se dégrade considérablement. Par exemple, extrapoler un Moth à 60 pieds ne serait pas viable car le rapport poids-puissance passerait d'un excellent 57m²/T à un misérable 10,5m²/T, avec une voilure qui n'aurait que 237m² tandis que le déplacement se monterait à 22666 kg pour une échelle de 545%.
Enfin, un défi majeur est le couple de cabanement. Puisque le centre de voilure est au-dessus du centre de gravité, il se crée à chaque augmentation de portance un couple de chavirement longitudinal, dit « couple de cabanement ». C’est pour combattre ce couple infernal qu’on a reculé les gréements et que la quête de mât est sortie de son purgatoire centenaire. Ce couple pervers s’intensifie si la portance de la voilure augmente ET si la traînée du bateau s’accroît. En d’autres termes, pour combattre le couple de cabanement, contrôler la portance de la voilure ne suffit pas : il faut aussi contrecarrer les variations de résistance à l’avancement du bateau, lesquelles caractérisent la progression d’un voilier dans une mer formée. Gordon Baker avait testé un premier hydroptère sur lequel il s’était pris quelques pelles ; la tendance au crash-dive (le couple de cabanement augmente, le bateau pique du nez, l’incidence diminue, donc la portance, le bateau plonge, crash) l’avait interpellé à grand coups de flotte dans la tronche. Monitor a volé parfaitement avec une stabilité de cuirassé, ayant vaincu clairement et sans appel le couple de cabanement grâce à un système ingénieux où le pied de mât est monté sur un axe transversal et le gréement peut pivoter d’avant en arrière, commandant l’angulation du foil arrière. Ce système mécanique permet un feedback crucial entre la voilure et le bateau.