Foils en T ou foils en V ?

Tout d’abord une mise en garde, je ne qu’un simple passionné. Il faut donc faire attention à mes élucubrations !

Au siècle dernier, lorsque j’ai commencé à m’intéresser aux foils, j’ai essayé de lister les avantages et inconvénients des deux principaux types de foils. Je rassemble sous le terme “foils en V” les foils aussi appelé à 45° (ou traversants) et les foils courbes (aussi appelés en cuillère). Sous l’appellation “foils en T”, l’ensemble des foils nécessitant un asservissement (régulation de l’incidence en temps réel). Il est bien entendu difficile de généraliser et illusoire de penser que chaque point sera valable pour l’ensemble des cas! Les avantages et inconvénients listés concernent surtout les engins ayant vocation à voler (hydroptères), même si j’évoque aussi dans cet article quelques foilers (engins “archimédiens”).

Bien évidemment, il ne s’agit que de mon point de vue et comme tout l’intérêt d’un blog est la possibilité d’échanger, échangeons…

I – Les foils en V

Bien qu’appelés foils de première génération, les foils en V ne sont pas dépassés. C’est simplement une solution apparue vers la fin du 19^ème et le début du 20^ème siècle, soit environ ½ siècle avant les foils avec asservissement. D’ailleurs avant les foils en V, existaient les foils en échelle (superposition de plans). Les foils en V pourraient donc s’appeler foils de seconde génération et le foils en T foils de 3^ème génération !? Non car la notion de génération est surtout attachée au fait que les foils de seconde génération nécessitent un asservissement (les foils en échelle fonctionnant comme les foils en V par diminution de la surface). Les foils courbes ou en cuillère, ont été pour la première fois utilisés par Marc Lombard en 1999 sur Banque Populaire II (même si d’après MVP-VLP, ce cabinet avait dans l’idée de mettre des foils courbes dès 1986 sur un formule 40). Ces foils différent surtout par le fait de ne pas être rectilignes et sont presque exclusivement présents sur les trimarans n’ayant pas vocation à décoller.

A – Quelques exemples

En V : Icarus des frères Grogono, Spitfire 12 de BDG Marine, Loisirs 3000 de M Gahagnon & JB Cunin (premières évolutions), l‘Hydroptère de A Thébault, Vestas Sailrocket de Malcom Barnsley & Paul Larsen, Syz & Co de VPLP et du Team Syz & Co…

A noter sur ce dernier, la présence de volets de bord de fuite sur les foils avant. Volets qui seront, réglables en navigation. Ce qui, bien qu’étant une régulation, ne peut être considéré comme un asservissement. S’ils sont bien réglables “manuellement”, ils se rapprocheraient de ceux utilisés il y a bien longtemps sur Cotes d’Or II (1986).

En cuillère : trimarans Orma de M Lombard, VPLP, N Irens ; Banque Populaire V de VPLP, Enya 3 d’Olivier Schaller…

B – Foils en V

Développés aussi bien pour faire décoller un engin que pour soulager les flotteurs, ils sont utilisés sur des engins de vitesse et hauturiers. Pour les engins hauturiers n’ayant pas vocation à voler, c’est l’option foils en cuillère qui est dorénavant la plus choisie.

Foil en V, l’Hydroptère « Baptême 2001 »- Photo FM Saint Nazaire 2001

Foil en V avec volets, Cote d’Or II foiler d’Eric Tabarly – Photo FM Hennebont 2005

C – Foils en cuillère

Apparus sur les trimarans Orma de Marc Lombard, les foils courbes , ont de multiples avantages. Lorsqu’ils sont incorporés dans les flotteurs (ce qui est la majeure partie des cas), la sortie du foil se fait vers le fond du flotteur, et non pas sur le bordé (cas des foils en V rectilignes), ce qui permet de diminuer les risques de ventilation. Ils développent, par rapport aux foils “classiques”, une meilleure portance et une meilleure force antidérive pour une profondeur identique. Le puit de foil est plus verticale ce qui d’un point de vue structurelle, est plus facile à gérer.

Utilisé sur un engin ayant vocation à voler, il semble que cette solution ne soit pas parfaite. Ce type de foil se situe entre le foil en V et le foil en L, la base du foil se rapprochant de l’horizontale. Le rapport surface mouillée/enfoncement n’est pas linéaire, ce qui entraîne de fortes variations de surface mouillées donc des instabilités de portance. Olivier Schaller, qui est un lecteur assidu de Foilers, pourra sans doute nous donner son point de vue sur la question et me contredire si besoin !

Foils courbes, SOPRA plan Lombard pour Philippe Monnet – Photo FM Lorient 2002

D – Avantages des foils en V

• Les foils en V conservent en navigation le même angle d’incidence (par rapport à la plate forme). La régulation de la hauteur de vol se fait par une diminution de la surface (auto régulation), ce qui permet de se passer d’un système de régulation fragile et difficile à mettre en oeuvre. De même la stabilité latérale est le fruit de la dérive qui modifie l’incidence du foil au vent par rapport à celui sous le vent. Plus, bien entendu, de la différence de surface immergée des foils quand le bateau gîte.
• Pour la même surface efficace (par rapport à un foil en T), les foils en V sont plus long. De ce fait l’allongement (rapport long/largeur), est plus important ce qui améliore la finesse du foil.
• La mise en place d’un système de rétraction est plus facile à concevoir sur les foils en V.

E – Inconvénients des foils en V

• Les foils en V ont comme inconvénient d’être “traversants”. L’interface air/eau augmente les risques de ventilation. Ce qui oblige les concepteurs à avoir recours à des fences pour éviter que l’air ne descende le long du profil.
• La surface efficace correspond à la projection du foil sur le plan horizontal. Les foils en V, pour une même efficacité que des foils en T, doivent donc être plus longs.
• Du fait de leur plus grande longueur, les efforts sont plus importants (contre partie de l’allongement !).
• Une bonne partie du foil travail à faible profondeur : ils ont donc plus de chances d’être perturbés par les mouvements de l’eau en surface (vagues).
• Le foil ne travail pas à une profondeur constante. Il évolue donc dans un “milieu différent” entre la base et la partie proche de l’air, il y a donc risques d’instabilité.
• Les molécules d’eau exécutent une rotation dans les vagues, ce qui a tendance à modifier l’angle d’incidence réel du plan. Ce phénomène est plus important près de la surface, les foils en V sont donc plus sensibles à ce phénomène.
• Il n’y a pas de régulation de la portance en fonction de l’état de la mer comme cela peut exister sur certains systèmes de régulation (”palpeur en avant”). D’où une plus grande instabilité.
• De part leur portance liée à l’enfoncement, ils sont plus sensibles au moment de chavirement induit par les voiles. Problème d’autant plus difficile à résoudre si le gréement est prévu pour avoir une surface de voilure ajustable (multiplication des configurations).

II – Les foils en T et autres systèmes nécessitants un asservissement

Apparu environ 50 ans après les foils en V, les foils avec asservissement sont dû au génie de l’anglais Christopher Hook. C. Hook travailla dès 1945 à la résolution des problèmes de ventilation en développant des foils asservis sur des engins à moteur (Hydrofin avec hélice aérienne puis Icarus avec hors bord). C’est au départ à partir d’une structure en T inversé que les systèmes d’asservissement ont été mis au point. Ensuite, plusieurs formes de plans porteurs ont été développées sur le même principe : T, Y, L, U, O…

A – Quelques exemples

En T : Force 8 des frères Pattison ; Windrider, Scat, Eifo… de Sam Bradfield ; Stress Boat de Christophe Chenot, Moth à foils, PK de “l’aut. con” de F Monsonnec, Le Foilboard PAV de G Delerm, Calliope de G Chapman, Tétrafoil de C Tisserand (pionnier des foils sur un voilier en France !)…

En Y : Foilers de Sylvestre Langevin comme Meccarillos, Avenir … ; Promocéan F40 de Marc Lombard,  Sebago 60 pieds d’Adrian Thomson, planche à voile de Rich Miller.

En L : Trifoiler de Greg Ketterman ; Kiteboatspeed sur la base d’un Trifoiler ; Sylphe de Tadeg Normand ; Loisirs 3000 de M Gahagnon & JB Cunin (dernières évolutions).

En U : Brest Nautic de M Gahagnon

En O : O Paf des frères Durand

B – Les foils en T

Dans la famille des foils nécessitants un asservissement, le foil T est de part sa “simplicité” le modèle le plus répandu.

Foil en T, Windrider Rave de Sam Bradfield - Photo FM Carnac 2008

C – Les foils en L

Variante des foils en T, les foils en L, surtout développés par Greg Ketterman (TF20, TF2, Avocets, Longshots, Trifoiler), permettent de supprimer la jonction jambe de force/foil et donc de la traînée. Toutefois, ils sont aussi plus difficiles à réaliser et on peut imaginer qu’en l’absence d’intersection jambe de force/plan porteur, ils sont plus exposés à la ventilation.

Foil en L, Trifoiler de G Ketterman - Photo FM Lanester 2005

Foil en L, Sylphe de Tadeg Normand - Photo FM Douarnenez 2004

D – Les foils en Y, U et O

Les foils en Y, surtout utilisés sur des engins n’ayant pas vocation à décoller (à l’exception de la planche  à foils de Rich Miller). Ils permettent de travailler à une profondeur plus importante ce qui limite les problèmes de ventilation.

Les foils en U, que je n’ai “vu” que sur l’engin Brest Nautic, ont une surface mouillée plus importante (2 jambes de force) mais ont l’avantage de ne pas avoir de “nœud” de liaison (comme les foils en L), tout en ayant une plus grande solidité.

Les foils en O ont, sauf erreur, seulement été utilisés par les frères Durand. Ils permettent, d’après leurs concepteurs, d’obtenir un foil très solide, donc pouvant être très fin tout en étant “facilement” réalisable.

Schéma foil en Y, U et O - FM

E – Avantages des foils en T

• Un foil en T, fonctionne à la même profondeur sur toute la longueur du profil (moins vrai pour foil en U, Y et O).
• Il travail théoriquement à une profondeur assez importante (fonction de la longueur de la jambe de force et de la hauteur de décollage).
• Son plan porteur n’a pas de zone traversante (air/eau). Il y a donc moins de risques de ventilation pour la partie portante (moins vrai pour U et O).
• Du fait de sa profondeur, le plan porteur est moins soumis aux perturbations dues aux vagues et à la rotation des molécules d’eau.
• Le foil est moins long, donc plus résistant (attention à la flexion des foils en L !).
• Pour le foil en T, l’architecture même du système est plus solide, sa portance étant transmise verticalement par l’intermédiaire de la jambe de force.
• Si le système de mesure de la hauteur de vol se trouve en avant des foils, une régulation en fonction de l’état de la mer peut exister.

F – Inconvénients des foils en T

• Obligation d’avoir un système de régulation de l’incidence du plan.
• Les systèmes de régulation sont fragiles et difficiles à concevoir : il faut faire léger et solide, créer un système capable de s’adapter à des conditions différentes (mer et vitesse), doser avec finesse la modification de portance…
• Le mouvement du plan porteur peut générer des décrochages. Une “filtration” des mouvements est donc nécessaire. Exemple sur le Trifoiler : souplesse des baguettes de liaison palpeur/flotteurs et système d’amortisseurs situé entre le flotteur et le gréement.
• Il n’est pas très évident de mettre en place un système de rétraction sur ce type de foils (sauf pour U).
• Sur les foils en T et en Y, la présence d’un «nœud de liaison» entre la jambe de force et le ou les plans porteurs (Y), occasionne une perte de surface portante sur l’extrados et surtout de la traînée (d’où la mise en place par certains concepteurs de bulbes à la liaison).

G – Les systèmes de régulation de l’incidence du plan porteur

Différents systèmes possibles :

• Par mouvement complet du plan et de la jambe de force (Trifoiler).
• Avec mouvement du plan porteur seulement. Dans ce cas, celui-ci est articulé en bas de la jambe de force. (Force 8, Calliope, Tétrafoil).
• Par le mouvement d’un volet fixé sur le bord de fuite (”flap”) et qui cabre artificiellement le profil (Windrider, Moth)

La régulation peut se faire grâce à :

• Des capteurs et à des vérins (engins à moteur, Boeing Jetfoil …)
• Un palpeur en avant des foils (Trifoiler, Force 8 )
• Un palpeur ou « traînard » en arrière du foil (Windrider, Moth)

III – Alors, quelle « lettre » pour quel programme ?

Petite photographie des engins qui labourent la surface au 21ème siècle.

• Engins hauturiers : l’Hydroptère, foils en V ; trimarans de 60 pieds et autres géants non conçus pour voler, foils en V (courbes) ; Spitfire 12, foils en V ; Scat, foils en T. Scat ne mesure “que 12m” et ses performances en haute mer sont sûrement moins convaincantes que celles de l’Hydroptère. Il est vrai que le programme et l’investissement n’est pas le même non plus.
• Engins de loisirs : Windrider & Moth, foils en T ; Trifoiler, foils en L. De nombreux engins de “loisirs ” avec foils en V griffent aussi la planète (Inox marine …) mais pour ce programme en terme de quantité ce sont les foils en T qui sont les plus nombreux.
• Engins de vitesse : l’Hydroptère, foil en V ; Vestas Sailrocket, foils en V (même si le but du foil, pour cette engin, n’est pas le décollage mais une accroche au plan d’eau). A part Kiteboatspeed qui dispose de foils en L (engin réalisé sur la base d’un Trifoiler et propulsé par une aile de kite), les engins les plus pointus du moment utilisent  des foils en V.

Que faut il en déduire ? Pour la haute mer et la vitesse, le “V ” l’emporte, pour les loisirs, le “T” est le plus approprié ? A voir car avec des moyens économiques et techniques du niveau de ceux de l’Hydroptère par exemple,  je serais curieux de savoir ce qu’un engin basé sur l’architecture développée par Greg Ketterman serait capable de faire (43.55 nœuds en 1992 à Tarifa).

Alors, foils en V ou foils en T ?

Peut être que l’un d’entre vous travail secrètement sur les foils en X …?