La voile, sport emblématique, est inscrite au programme des Jeux olympiques modernes depuis le début, en 1896. Cependant, le mauvais temps a fait que les épreuves ne se déroulèrent pour la première fois qu’en 1900, lors de l’édition parisienne, entre Meulan, dans les Yvelines, et Le Havre. Naturellement, les embarcations utilisées ont beaucoup évolué, et nous sommes loin du cotre Bona Fide, le voilier avec lequel John Howard Taylor remporta une médaille d’or au tournant du XXe siècle. Aujourd'hui, une révolution technologique transforme radicalement le monde de la navigation : l'intégration des foils. Ces appendices subaquatiques ont redéfini les standards de vitesse et d'efficacité, permettant aux bateaux de ne plus simplement glisser sur l'eau, mais de véritablement voler au-dessus. Cette transformation, particulièrement visible dans les compétitions de haut niveau, soulève des problématiques physiques nouvelles liées à des équilibres dynamiques inédits, ainsi qu'un renouvellement drastique des sensations de conduite pour les marins.
Comprendre le Principe Fondamental des Foils : De la Poussée d'Archimède au Vol Hydrodynamique
Historiquement, les bateaux sont habituellement soutenus par la poussée d’Archimède, une force opposée au poids du volume d’eau déplacé par la coque. Ce phénomène, bien que fondamental pour la flottabilité, présente un inconvénient majeur : lorsque le bateau se déplace, il crée un système de vagues qui se propagent à la surface de l’eau. L’énergie cinétique contenue dans ce sillage est perdue pour la propulsion, ralentissant ainsi le bateau. Les bateaux à déplacement traditionnels, l'un des plus anciens types de conception de coque, se déplacent dans l'eau en la poussant sur le côté, et sont connus pour leur efficacité mais aussi pour leur vitesse réduite. Une règle commune associe la vitesse d'un bateau à déplacement à sa longueur, souvent exprimée en tant que vitesse de coque, indiquant la vitesse maximale qu'une coque peut atteindre efficacement. Au-delà, l'augmentation de la vitesse exige beaucoup plus de puissance et devient inefficace, le bateau montant la vague arrière au lieu de fendre l'eau.
C'est là qu'intervient la technologie des foils. Un foil est un appendice immergé et fixé sous la coque d'un bateau. Son fonctionnement repose sur des principes hydrodynamiques similaires à ceux d'une aile d’avion, mais appliqués sous l'eau. Lorsque le bateau atteint une certaine vitesse, les foils, grâce à leur profil incurvé, 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. En ajoutant ces surfaces portantes sous l’embarcation, la coque sort de l’eau quand la vitesse est assez grande : la traînée de vagues et la traînée de friction en sont considérablement diminuées, autorisant alors des vitesses beaucoup plus élevées. Cette réduction drastique de la surface de contact avec l’eau est la clé de l'augmentation spectaculaire de la vitesse et de l'efficacité. 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, et des ajustements précis dans leur forme et leur angle peuvent améliorer significativement les performances.
Une Révolution Historique : De l'Expérimentation à la Compétition Olympique
Les premières expérimentations avec un foil ou plusieurs remontent au début du 20ème siècle. 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. En 1906, 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, établissant un record de vitesse sur l'eau qui est resté inégalé pendant de nombreuses années. Ces premières utilisations étaient principalement expérimentales, mais elles ont rapidement montré leur potentiel à transformer la performance des bateaux.
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. Au fil des années, de nombreuses innovations ont été apportées aux foils. Les foils en composites de carbone offrent une résistance et une légèreté optimales, permettant aux bateaux de maximiser leur performance. Les systèmes de stabilisation active, utilisant des capteurs et des contrôleurs, ont également amélioré la performance et la stabilité des bateaux équipés de foils. Des innovations récentes incluent des développements dans les foils électriques et les efoils, des planches de surf électriques équipées de foils, qui gagnent en popularité dans les sports nautiques. Le projet Hydroptère, initié par Alain Thébault, a démontré les capacités des foils en atteignant des vitesses supérieures à 50 nœuds. De même, les voiliers de la Coupe de l'America utilisent des foils pour améliorer leur performance en course, établissant de nouveaux standards de vitesse et de maniabilité.
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Le dernier changement majeur au niveau olympique date des Jeux de Tokyo de 2021 où le catamaran Nacra 17, utilisé depuis les JO de 2016 à Rio, est devenu un foiler. À Marseille, pour les Jeux de Paris, deux épreuves jusqu’ici jamais vues mettront en jeu de tels foils : la planche à voile et le kitesurf. Avec des vitesses supérieures à 70 km/h, ce dernier engin, où l’athlète sur une planche est tracté par une voile similaire à celle d’un parapente, est le plus rapide. Ces évolutions technologiques sont souvent adaptées des gros bateaux comme les IMOCA ou les Ultim vers les plus petites embarcations, les événements servant souvent de tremplin pour de jeunes talents.
La Mécanique du Vol : Équilibres de Forces et de Moments
Le vol au-dessus de l'eau n'est pas sans une complexité physique considérable. Commençons par décrire l’équilibre de base d’un foiler propulsé par une voile dans le cas de la planche IQFoil. La voile fait avancer l’engin qui la porte en déviant le vent, ce qui crée une différence de pression de part et d’autre de la toile. La vitesse est fixée, en régime permanent, par l’équilibre des forces et des moments. Dans le sens de déplacement, la force propulsive est compensée par la traînée hydrodynamique du foil ainsi que par celle, aérodynamique, de la planche et du planchiste. Dans la direction transverse, la force de dérive due à la voile est équilibrée par le foil, en partie par sa partie verticale, le « shaft », en partie par la portion horizontale, l’« avion », du fait de l’angle de gîte (l’inclinaison par rapport à la verticale). Selon la verticale, le poids total est compensé par la portance du foil.
Une conséquence de ces équilibres est que le planchiste doit être lourd pour compenser le couple de chavirage, en particulier lorsque le vent est fort. Les planches IQFoil sont notablement plus rapides que les anciennes planches olympiques RS-X. Le vent apparent, celui perçu par la voile, étant la composition du vent réel et du vent « vitesse » dû au déplacement sur l’eau, est plus fort pour les mêmes conditions de vent réel. La force vélique, qui est proportionnelle au carré du vent apparent, est donc notablement plus grande. Les planchistes qui pratiquaient la RS-X ont été contraints de s’alourdir de 20 kilogrammes pour continuer à être performants en IQFoil. En revanche, les trop gros gabarits sont pénalisés lorsque, par vent faible, le foil peine à sustenter leur poids. Pour un kitefoil, les équilibres sont similaires à ceux d’une planche IQFoil, à ceci près que la traction est assurée par une voile reliée par un câble au harnais du sportif. La surface de voile, choisie selon la force du vent, varie de 9 à 23 m².
L'optimisation des performances des foils exige une compréhension approfondie de la dynamique des fluides. Un foil mince est plus "pointu", offrant de meilleures performances à faible incidence mais sur une plage d'incidence très réduite. La cambrure est aussi ramenée à la longueur de la corde. L'écoulement autour du foil devient d'autant plus important que la vitesse est élevée, et le nombre de Reynolds augmente. La traînée d'un foil est sensiblement indépendante de sa vitesse, permettant d'obtenir une traînée limitée à environ 10% du poids de l'embarcation, un gain considérable par rapport aux systèmes traditionnels. Sur un Figaro 3, par exemple, la vitesse augmentant, le foil exerce une poussée verticale qui allège le bateau, et vers 14 nœuds de vitesse, on regagne entre 400 et 500 kilos de poussée verticale. Ce type de foil est un véritable turbo.
Défis Hydrodynamiques et Aérodynamiques
Si les foils offrent des avantages indéniables, leur utilisation s'accompagne de défis spécifiques. L'interaction entre la surface libre de l'eau et le foil peut conduire à des phénomènes complexes. Lorsque le nombre de Froude est supérieur à 1, le déplacement du foil immergé provoque une déformation de la surface libre, un contraste avec les situations où ce nombre est bien inférieur à 1 et l'influence de la surface est comparable à celle d'une paroi rigide.
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Un phénomène très gênant pour les kiters est la ventilation. Il s’agit de la progression d’une poche d’air, depuis la surface, le long de la partie verticale du foil, le shaft. Cette ventilation est provoquée par la dépression induite par l’écoulement d’eau lorsque le shaft n’est pas parfaitement aligné avec la direction du mouvement. La brusque entrée d’air modifie soudainement la force sur le foil et déstabilise la planche. L’apparition de cette ventilation dépend des conditions environnementales et oblige, quand elle est très fréquente, les kiters à « lever le pied » pour éviter la chute. La ventilation est plus fréquente en présence de clapot, les fluctuations locales de vitesse favorisant la naissance de la poche d’air, mais lui permettant également de se résorber plus facilement.
Un autre phénomène crucial est la cavitation. À grande vitesse, elle peut apparaître sur l'extrados du foil, côté bord de fuite, et la traînée peut atteindre la puissance sixième de la vitesse (proportionnelle à V⁶). Au-dessus de 30 nœuds, la traînée commence à augmenter significativement. La traînée imposée par cette cavitation des foils est mieux connue depuis les années 50.
L'aérodynamisme de l'athlète est également un facteur critique. Sur les planches IQFoil et les kitefoils, la traînée aérodynamique de l’athlète représente une fraction très importante de la traînée globale et doit être minimisée. Pour cela, des sportifs ont été placés dans des souffleries, respectant les attitudes qu’ils adoptent en navigation, afin de mesurer les variations de traînée associées à des changements de position de jambes et de bras ainsi qu’à des modifications d’équipement. En particulier, placer les bras en travers du vent pour les kiters dégrade la traînée et peut se traduire par une perte d’une dizaine de mètres sur un des bords de la régate, un handicap rédhibitoire au niveau international. Les analyses permettent d'indiquer aux sportifs quelle est la position optimale du point de vue aérodynamique, bien qu'ils doivent ensuite trouver un compromis entre la minimisation de traînée et d’autres contraintes comme les capacités à manœuvrer et observer les adversaires et le plan d’eau.
Diversité des Applications et Innovations Modernes
Les foils ont radicalement transformé le monde des bateaux, permettant à divers types d'embarcations de naviguer à des vitesses incroyables.
Voiliers Monocoques et Multicoques :En compétition, les monocoques se retrouvent dans divers événements tels que la Coupe de l'America ou encore les courses au large prestigieuses comme le Vendée Globe. Les modèles populaires incluent notamment les Class40, les IMOCA (International Monohull Offshore Class Association) spécifiquement conçus pour être des machines de course au large, et les Mini 6.50, compacts et puissants, repoussant les limites techniques et humaines. Le Figaro 3 et ses étonnants foils sont un exemple notable. L'architecte Vincent Lauriot Prévost a souligné que les foils du Figaro 3, inclinés à 45 degrés avec la gîte, génèrent à la fois une force antidérive horizontale et une force verticale qui tend à soulager le bateau et augmenter le couple de redressement, agissant comme un véritable turbo. Le Figaro 3 pèse 200 kilos de moins que le Figaro 2, et sans les foils, il gagnerait 250 kilos de ballast pour la même puissance. Avec les foils, vers 14 nœuds, on regagne entre 400 et 500 kilos de poussée verticale.
Contrairement aux monocoques, les multicoques possèdent au moins deux coques, ce qui leur permet d'être généralement plus rapides et stables. Les catamarans disposent de deux coques parallèles, tandis que les trimarans, avec leurs trois coques, combinent la stabilité des catamarans avec une surface de pont étendue, propice à l'installation de gréements puissants. Les catamarans bénéficient également de l'ajout de foils, augmentant leur vitesse et leur maniabilité.
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Hydroptères et Bateaux à Moteur :Les hydoptères utilisent des foils pour se soulever entièrement hors de l'eau, atteignant des vitesses de plus de 50 nœuds. Les foils améliorent l'efficacité et la vitesse des bateaux à moteur, leur permettant de naviguer plus rapidement et plus efficacement. Les systèmes électriques intégrés dans ces foils permettent de modifier en temps réel les paramètres pour optimiser les performances. Les hydroptères combinent certains des meilleurs aspects des bateaux à déplacement (efficacité) et des bateaux planants (vitesse). Leur secret réside sous l'eau : ils génèrent une force ascendante qui compense le poids et permet à la coque de s'élever. Cela réduit considérablement la résistance à l'eau et permet d'atteindre des vitesses plus élevées que les coques traditionnelles.
Sports Nautiques :Des disciplines comme le wingfoil et le windsurf intègrent des foils pour offrir des performances optimales et des sensations de glisse incomparables. Le wingfoil combine une aile tenue à la main avec des foils fixés sous une planche, permettant des performances exceptionnelles même par vent léger. Le windsurf utilise des foils pour réduire la résistance et augmenter la vitesse. Les hydroptères sont de plus en plus utilisés à des fins commerciales et récréatives, notamment pour les planches de surf, même électriques, qui permettent de surfer sur des eaux calmes.
Classification des Foils :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 d'elle lorsque le foil est porté. Ils 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. Cela leur permet d'être moins affectés par l'action des vagues et donc d'être plus stables en mer, et ils sont également plus efficaces car ils génèrent moins de traînée. Toutefois, les foils en T ne sont pas autostables ; l'angle d'attaque doit être ajusté en permanence en fonction de l'évolution des conditions, nécessitant l'intervention de capteurs et d'ordinateurs de bord.
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, facilitant l'entretien et réduisant les problèmes liés aux récifs et aux zones peu profondes.
Performance Accrue et Stabilité Améliorée
L'un des principaux avantages des hydroptères est leur capacité à maintenir des vitesses élevées par gros temps, puisqu'ils survolent simplement les vagues. C'est pourquoi 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. 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. Les foils permettent d’aller plus vite que le vent, avec la possibilité d'atteindre une vitesse supérieure à 30 nœuds avec un vent limité à 20 nœuds, lorsque le poids total en charge est limité à quelques tonnes.
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. L'Hydroptère, par exemple, a démontré une bonne stabilité. Des tests comparatifs, comme ceux réalisés avec Yoann Richomme et Adrien Hardy aux Sables-d'Olonne avec 23-25 nœuds de vent, ont montré une différence de comportement frappante : sans foil, sous spi, il était très difficile d'attaquer, menant à des chavirages fréquents, tandis qu'avec le foil, il était possible de remonter à 130-135 degrés du vent sous spi, allant tout droit et serrant le vent sans appréhension. Le foil offre une maniabilité et une aisance déconcertante.
Instrumentation, Modélisation et Optimisation des Réglages
Pour comprendre l’influence des différents paramètres mesurés en navigation ou en laboratoire, il est indispensable de construire des modèles physiques de comportement des embarcations. Les équipes de recherche ont mis au point des protocoles d’analyse des entraînements, des séances dites d’« autoconfrontation augmentée » où les athlètes revivent leur navigation. Dans ces séances, ils disposent d’enregistrements vidéo et audio - leurs propres commentaires sur les moments clés enregistrés au fil de la navigation - synchronisés avec des mesures physiques (vitesse, angle de gîte, etc.). Ces données permettent aux athlètes de progressivement « calibrer » de façon précise leurs sensations associées à différents réglages et à différents modes d’adaptation techniques, pour les différentes conditions de vent et de mer rencontrées.
L’instrumentation des voiliers de compétition et le recueil de données physiques sont désormais une routine lors des courses au large comme la Route du Rhum, mais ce qui est possible sur un voilier de 18 mètres de long ne l’est pas sur une planche de kitefoil de 1,4 mètre sur 0,4. Des instrumentations spécifiques ont été développées, adaptées aux conditions de navigation, en partant de capteurs déjà disponibles commercialement. Le défi consistait à les intégrer dans un boîtier suffisamment petit et étanche et de synchroniser toutes les mesures. Un aspect crucial est le post-traitement des données de façon à les présenter de manière synthétique aux athlètes et à leurs entraîneurs dans un délai court. Ainsi peut-on accéder à la position de la voile, celle du planchiste, l’écoulement autour du foil, la position du mât (articulé à sa base sur une rotule) par rapport à la planche et l’angle de dérive, c’est-à-dire entre le cap suivi et l’axe de la planche.
Pour optimiser les performances, des modèles de prédiction de vitesse (VPP - Velocity Prediction Programs) ont été spécifiquement construits pour des embarcations de type IQFoil ou kitefoil. Dans ces VPP « statiques », où la vitesse est considérée comme indépendante du temps, on écrit la loi fondamentale de la dynamique, à savoir l’équilibre des forces et des moments. On peut alors chercher les valeurs des paramètres (angles de gîte, position du centre de gravité, poids de l’athlète, etc.) qui maximisent la vitesse pour des conditions extérieures (vitesse et direction du vent) données. Toutefois, le point de fonctionnement idéal du système ainsi trouvé n’est pas forcément utilisable en navigation, car il doit être assez stable pour que l’athlète puisse maîtriser sa trajectoire. De nombreux réglages sont possibles, comme celui du rake du foil, avec un palan directement depuis le cockpit, offrant une multitude de configurations à tester et une phase d'apprentissage rigoureuse.
Coût et Accessibilité : Les Défis Économiques et Sociaux des Foils
Cependant, l'utilisation des foils présente également des défis, notamment économiques. Les matériaux et la technologie nécessaires pour fabriquer des foils de haute qualité peuvent être coûteux, limitant leur accessibilité pour certains navigateurs. La conception et l'installation des foils nécessitent une ingénierie précise et une compréhension approfondie de l'hydrodynamique. La technologie des hydroptères électriques, développée par des entreprises comme Candela, est 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, minimisant ainsi leur empreinte carbone et réduisant l'impact sur l'environnement.
Néanmoins, investir dans un hydroglisseur demande de prendre en compte le coût initial. 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. Les bateaux à foils exigent un investissement initial, car ils sont souvent équipés de foils, de coques et de ponts en carbone. Cependant, 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.
Malgré ces coûts, l'objectif de certains acteurs, comme Birdyfish, est de démocratiser la pratique du foil en voile légère, pour qu'elle ne soit plus réservée à une élite professionnelle. La croissance du marché des hydroptères augmentera la disponibilité et l'accessibilité pour les utilisateurs récréatifs et commerciaux.