Origine du foil

L’origine du foil est lointaine car c’est dès l’année 1861 en Grande-Bretagne que Thomas Moy installe 3 foils horizontaux sous un canot. Tiré par un cheval (Surrey Canal), le canot se soulève au-dessus de l’eau. Puis en 1885 en France, De Lambert réalise « une sorte de catamaran » avec des tonneaux fixés 2 par 2 l’un derrière l’autre. Remorqué aussi par un cheval, le bateau se soulève environ de 20 cm entraînant les tonneaux hors de l’eau.

 

Une dizaine d’années plus tard, De Lambert et Phillips construisent le premier hydroptère, catamaran supporté par 4 hydrofoils transversaux d’une surface totale de 5,10 m2. Ils l’équipent d’un moteur récupéré sur l’avion d’Horatio Philips et d’une hélice « sur long arbre », tournant à 800 tours/min. En 1897, l’aventure se poursuit aux USA avec le canot de William et Larned Meacham, équipé de foils à l’avant et à l’arrière.

 

A l’aube du 20ème siècle (1904), De Lambert est à l’origine du premier hydroptère autopropulsé à l’aide d’un moteur à explosion de Dion de 14 cv. Avec 5 foils transversaux en forme de U, ce bateau de 6 m x 3 m atteint 31,975 km/h et il est baptisé « l’hydroplane ».

 

Et ainsi de suite, des bateaux quelquefois très « originaux » vont voir le jour tout autour de notre planète. Aux Etats-Unis avec les frères Wright et leur hydroptère à foils en forme d’échelle ; en France avec Santos Dumon et son trimaran à coques gonflables et foils qui devait atteindre les 100 km/h, au Canada avec Alexander Graham Bell et Baldwin, etc.

 

Pendant une quarantaine d’années, la technique des foils s’améliore et séduit dans un premier temps les concepteurs de navires à moteur. La marine marchande et la marine de guerre installeront des foils sur leurs navires afin de gagner en vitesse et en stabilité et petit à petit, cette technique de l’hydrofoil intéresse les constructeurs de bateaux de plus petite taille car c’est un fait avéré, les hydrofoils sont faits pour voler !

 

Dans les années 2000, Ray Hamilton invente le « foil-surfing » en fixant un foil sous sa planche et les sports de glisse améliorent leurs performances : kite surf, wakeboard, sandboard, etc.

 

Le foil, comment ça fonctionne ?

 

Un foil ou un hydrofoil trouve sa définition en mécanique des fluides : « aile profilée qui se déplace dans l’eau et transmet une force de portance à son support ».

 

Le foil a une forme profilée qui donne à son côté supérieur bombé (extrados) une longueur plus importante que celle de son côté inférieur (intrados), qui lui, est plat. Les molécules d’eau situées au-dessus du foil sont ainsi accélérées pour arriver en même temps que celles qui sont passées sous le foil, malgré une distance plus importante à parcourir. On en déduit que les molécules d’eau du côté supérieur du foil sont plus rapides que celles du côté inférieur du foil.

 

D’après le théorème de Bernoulli : à altitude égale, la pression d’un fluide diminue quand sa vitesse augmente et inversement. On sait que la vitesse de l’eau au niveau de l’intrados est faible et donc que la pression est élevée, générant une force de poussée sur le foil ; tandis qu’au niveau de l’extrados, la vitesse du fluide est élevée et donc, la pression est faible, générant une force d’aspiration sur le foil.

 

C’est la différence de pression entre l’intrados et l’extrados du foil qui crée la force de portance : déplacement de l’eau de la zone de pression élevée vers la zone de faible pression. Cette force de portance réduit la surface mouillée de la carène et donc la traînée tout en augmentant la vitesse du voilier.

 

La force de portance obtenue par l’intermédiaire des foils permet des performances accrues du bateau en augmentant sa vitesse maximale. Cette force de portance sur le foil entraîne l’embarcation vers le haut, soulageant le bateau et parfois même, sortant sa coque hors de l’eau.

 

Le foil sur les bateaux à moteur

 

Pour un navire à moteur, c’est encore plus simple car il suffit d’une vitesse de propulsion issue de l’ensemble « moteur + hélice » pour que la surface active associée au profil adapté du foil génèrent une portance (force ascensionnelle) supérieure à la masse du bateau, lui permettant de sortir de l’eau.

 

Dans cette situation, la partie immergée de la coque (carène) n’a plus de fonction « archimédienne ». Le navire est alors « porté par ses ailes » et se comporte comme un avion. La vitesse du navire augmente au fur et à mesure que sa coque sort de l’eau. Il n’y a alors plus de centre de carène C (point d’application de la poussée d’Archimède qui fait flotter le navire) et l’équilibre du bateau à moteur se gère comme sur un avion, avec les gouvernes.

 

Le foil sur les bateaux à voile, monocoques à déplacement

 

Voilier à carène à déplacement : ce type de bateau à voile répond au principe d’Archimède, il ne déjauge pas et pousse l’eau pour avancer, ce qui ne lui permet pas de dépasser une vitesse théorique, en relation avec la longueur de flottaison. Le fond de coque légèrement en forme de « V » assure la stabilité de cap. Un voilier à déplacement, est apte à naviguer sur toutes sortes de mers, y compris par gros temps.

 

Sur un voilier à déplacement, c’est la voile qui fournit la propulsion longitudinale : propulsion vélique, introduisant alors un paramètre relativement complexe nommé « couple de chavirement », dont il faut tenir compte dans la composante latérale de la force propulsive du voilier et la gérer. Cette composante, parallèle à l’axe du voilier, fournit la vitesse de ce dernier.

 

On explique ainsi que sur un moth, il est évident que c’est le déport du barreur et de sa masse corporelle combinés à la distance horizontale entre le centre de portance du foil et sa position qui génèrent le couple qui va stabiliser le bateau et l’empêcher de chavirer. Sur un catamaran, lorsque le bateau est sous le vent, ce sont les foils qui vont alors servir de pivot au couple de chavirement.

 

Pour les monocoques à déplacement, la situation est différente. Si l’on veut de la puissance, il est nécessaire que la surface de voile soit suffisante pour générer de la force propulsive, induisant alors la vitesse du voilier mais également une force non négligeable qui pourrait intervenir pour faire chavirer ce dernier. Pour contrecarrer le couple de chavirage ainsi créé, on va déplacer au vent le centre de gravité du bateau en utilisant une quille pendulaire et des ballasts liquides. Une partie du problème est solutionné mais ajouter une quille pendulaire diminue la surface antidérive, obligeant à installer des dérives, ce qui complique un peu plus la mise en place des foils sur un voilier monocoque à carène à déplacement.

 

Il est donc pratiquement impossible que des foils installés sur un monocoque à déplacement puissent extraire totalement la coque hors de l’eau. Pourtant, les foils sur un voilier monocoque améliorent malgré tout les performances de ce bateau de plusieurs façons :

 

  • en accentuant le travail de la quille pendulaire afin d’augmenter le couple opposé au chavirement : la puissance augmente aussi et le voilier améliore ses performances de vitesse,
  • en sustentant la carène vers le haut et donc, en diminuant la surface mouillée de la coque : pour une puissance identique, le bateau va plus vite,
  • en créant une portance antidérive qui s’ajoute à la portance verticale afin de supprimer les dérives transversales. Attention, la portance antidérive dépend de la forme du foil.

 

La mise en œuvre de la conception de ce type de foils, réunissant ces trois fonctions, paraît compliquée et il semble également que l’amélioration des performances sera moins spectaculaire pour un monocoque à déplacement que pour un vrai « foiler » qui est totalement sustenté, passant du régime « archimédien » à un régime « de vol ».

 

Les foilers (monocoques) sur la solitaire autour du monde (« Vendée Globe »)

 

Les foilers monocoques de la course en solitaire autour du monde « Vendée Globe » apparaissent en 2016, mais ils ne volent pas, « la jauge IMOCA » interdisant un plan porteur (foil) sur un safran. Les architectes navals de CDK Technologies ont construit l’Imoca Charal en faisant évoluer la forme de sa coque pour aboutir « à une coque novatrice, avec une étrave très frégatée, un tableau arrière très arrondi et fermé ». C’est certainement une des solutions pour accentuer l’effet des foils sur les monocoques et les faire littéralement « voler », ce qui n’est pas encore tout à fait le cas, même s’ils gagnent énormément de vitesse avec leurs foils.

 

Les foilers (trimarans) sur la course en équipage, la « Route du Rhum »

 

Sur la « Route du Rhum », cette problématique ne s’applique pas aux trimarans qui deviennent des « trimarans volants ». C’est le cas des grands multicoques « Ultimes » qui alimentent le débat entre « performances et sécurité ». La Route du Rhum 2018 sera le « galop d’essais » des skippeurs de ces géants des mers équipés de foils. Le but étant d’atteindre des vitesses élevées en décollant de la surface de l’eau. Les Ultimes de dernière générations peuvent atteindre des vitesses de pointe au-delà des 80 km/h.