Les foils du Vendée Globe

Le départ du 8ème Vendée Globe a été donné le 8 novembre. Pour ce tour du monde à la voile en solitaire, sans escale ni assistance qui se court tous les 4 ans, 29 marins s’affrontent sur des monocoques de 60 pieds IMOCA. Et pour la première fois, 7 bateaux sont équipés de foils:

• « Safran II » de Morgan Lagravière
• « Banque populaire VIII » d’Armel Le Cléac’h
• « St. Michel-Virbac » de Jean-Pierre Dick
• « No Way Back » de Pieter Heerema
• « Edmond de Rothschild » de Sébastien Josse
• « Hugo Boss » d’Alex Thompson
• « Maître Coq (ex Banque Populaire) » de Jérémie Beyou

Il vole ! (presque)

Pour les amateurs de bateaux volants c’est assez surprenant de voir des foils ajoutés à des bateaux lestés par 3.1 tonnes de plomb et des ballasts, alors que jusqu’ici les foilers étaient ultra légers afin de soulever leur(s) coque(s) hors de l’eau.

En fait, comme l’expliquent bien la vidéo ci-dessous, le rôle principal des foils est de créer un couple de redressement du bateau :

En prime, la portance du « tip » du foil associée à celle de la quille inclinable génère une poussée verticale qui réduit notablement le déplacement du bateau. A 20 noeuds, cette poussée représente 60% du poids du bateau, et il décolle pratiquement dans les vagues

Ces foils remplissent encore un autre rôle. La quille inclinable n’est pas un plan anti-dérive très efficace. C’est pourquoi les 60 pieds IMOCA étaient jusqu’ici équipés de deux dérives-sabre, dont l’une est abaissée pour que le bateau « cape » mieux, notamment au près. Mais comme le Vendée Globe se court principalement au portant ces dérives sont avantageusement remplacées par des foils dont la partie plongeante (le « shaft ») fonctionne comme un petit plan anti-dérive*.  Selon Quentin Lucet, architecte au cabinet VPLP qui a conçu 6 des 7 foilers de la flotte, les foils de ces bateaux se distinguent justement par ce « shaft » plutôt que par le « tip » [1].

D’ailleurs on peut voir ces foils non comme une révolution, mais comme une évolution. Sur les IMOCA des éditions précédentes, les dérives-sabre étaient inclinées vers l’extérieur du bateau. Mais pour le Vendée Globe 2012-2013, le chantier VPLP a eu l’idée d’incliner les dérives de « Macif » et « Banque Populaire » plutôt vers l’intérieur pour qu’avec la gîte elles génèrent une force verticale comme des foils. Résultat : les deux bateaux ont remporté la course dans un mouchoir de poche (François Gabart arrivant 3h avant Armel Le Cléac’h après 78 jours de course!), laissant le 3ème à plus de deux jours.

Pour cette édition, « Banque Populaire » rebaptisé « Maitre Coq » a remplacé ses dérives par de vrais foils, et VPLP a conçu les 6 autres foilers tout neufs. Enfin presque, parce que la plupart ont déjà  pris le départ de la Transat Jacques-Vabre 2015. Mais un seul l’a terminée (« Banque Populaire VIII », à la 2ème place), tous les autres devant abandonner sur casse…

Car la grande inconnue est là : ces foils créent des forces énormes sur la structure, des accélérations et des chocs auxquels aucun bateau ni homme n’a été soumis pendant une si longue période. Les bateaux qui survivront à ces conditions extrêmes battront probablement le record de François Gabart en 78 jours. Dans ce cas nous verrons certainement des bateaux volants au Vendée Globe 2020.

Pour l’instant c’est bien parti : à l’heure où j’écris, les 3 bateaux en tête de la course sont des foilers (Hugo Boss, Banque Populaire VIII, Edmond de Rotschild) et les 4 autres sont 5,7,9 et 24èmes.

Reste un petit mystère que je n’ai pas éclairci : sur les sites et forums anglophones [4], les foils de ce type sont baptisés « DSS » comme « Dynamic Stability Systems » [5], le nom d’une entreprise fondée par Hugh Welbourn pour exploiter son brevet [6] qui me semble assez large. VPLP a-t-il acquis une licence de ce brevet ? Pourtant ils ne sont pas mentionnés dans les partenaires de DSS… Ou ont-ils déposé leur propre brevet, que je n’ai pas trouvé ? Ou jouent-ils sur l’antériorité du brevet de Rougier & Emig [7] aujourd’hui échu ?

Note* : outre les problèmes de construction, la jauge IMOCA limite à 5 le nombre d’appendices mobiles. Avec la quille inclinable et deux safrans, il faut chosir : dérives ou foils, car utiliser des foils ou dérives fixes serait trop handicapant dans le petit temps.

Sources:

1. Raphaël Bonamy, « Vendée Globe. Les foils ? Ça marche comme ça…« , 04/11/2016, sur Ouest-France
2. « Vendée Globe : des machines volantes vont s’affronter sur l’eau« , 4/11/2016, Sciences et Avenir
3. Chloé Lottret « Un voilier du Vendée Globe 2016 expliqué« ,06-11-2016, Bateaux
4. « DSS foils to revolutionise IMOCA 60 fleet« , 22 October 2014, The Daily Sail
5. « Dynamic Stability Systems – Technology«
6. Hugh Burkewood Welbourn « Hydrofoil system for mono-hull sailboats », 2007, brevet WO 2007116318 A3
7. Francois Paul Louis Co Rougier, Marc Emig « Disposition architecturale permettant d’augmenter de la stabilite des voiliers de type monocoque par des foils », 2004, brevet FR2877311B3

(article aussi publié sur Dr.Goulu.com)

Cinq ans, +17 noeuds. Et après ?

Ce blog a été créé il y a un peu plus de 5 ans. Fin 2007, les records de vitesse à la voile homologués sur 500 m dans les différentes catégories étaient les suivants:

• 48.14 noeuds par Simon Mckeon sur « Yellow Pages » (Classe C: voile de 21.84 à 27.88m²) en Australie en 1993
• 47.92 noeuds par Alexandre Caizergues sur kitesurf en Namibie en 2007
• 46.82 noeuds par Finian Maynard sur windsurf avec voile de 10m², France, 2004
• 44.81 noeuds par Alain Thebault et l’équipage de « l’Hydroptère » (Classe D : voile de plus de 27.88m²), France, 2007
• 44.65 noeuds par Simon Mckeon sur « Yellow Pages » (classe B : voile de 13.94 à 21.84m²), Australie, 1993
• 43.55 noeuds par Russell Long sur « Longshot » (classe A : voile de 10 à 13.94m²), Espagne, 1992

Quelle que soit la voile, aile rigide ou gonflable et quel que soit l’engin, la planche ou la coque, les records ne s’écartaient guère plus de 10%, mais tenaient parfois plus de 10 ans. A l’époque on s’interrogeait : avait-on atteint des limites physiques, notamment celles liées à la cavitation ? Allait-on pouvoir franchir un jour le mur des 50 noeuds à la voile ?

Quelle meilleure réponse que le tableau actuel des records:

• 65.45 noeuds par Paul Larsen sur « Vestas Sailrocket 2″ (classe B) Namibie, le 24 novembre 2012 !

• 55.65 noeuds par Rob Douglas USA Luderitz sur kitesurf en Namibie en 2010
• 51.36 noeuds par Alain Thebault sur « l’Hydroptère » en France en 2010
• 50.07 noeuds par Simon Mckeon sur « MacQuarie Innovation » (classe C), Australie 2009

Depuis le premier franchissement des 50 noeuds par Sebastien Cattellan sur son kitesurf en 2008, 12 autres records à plus de 50 noeuds ont été homologués, mais le tout récent run de Vestas Sailrocket 2 à plus de 65 noeuds  laisse pantois, pour ne pas dire « sur le cul ». Presque 10 noeuds de plus que le kitesurf le plus rapide ! 17 noeuds de plus que le record absolu en 2007 ! Il faut le voir pour le croire :

Pour ma part j’en suis convaincu même si je n’ai pas de « preuve » à vous apporter : Sailrocket a trouvé une solution à la cavitation des foils, y compris le safran. Je suis prêt à parier un truc qui me tient particulièrement à coeur, disons un biscuit, que leurs foils ne créent pas de portance avec un extrados convexe (je suis prudent, pour ne pas trop risquer de perdre mon biscuit…).

Mais où va-t-il donc si vite ?

Alors que va-t-il se passer, disons dans les 5 prochaines années? Mon pronostic:

• Sailrocket va se dépêcher de battre aussi le record en classe C en s’ajoutant un petit bout de « voile » comme l’avait fait « Yellow Pages » à l’époque.
• Même si l’équipe de l’Hydroptère a annoncé ne plus viser la vitesse absolue, l’Hydroptère 2 ne se privera pas d’ajouter un record en classe D si l’occasion se présente.
• Un génial bricoleur pulvérisera enfin  le record en classe A qui n’attend que ça attend depuis 20 ans.
• Les kiters ne vont pas s’avouer vaincus, leur matériel évoluant toujours. Je vois d’ici des ailerons en coin et des trous dans la planche pour la ventilation …
• Mais tout ce petit monde passera beaucoup de temps sur les quelques bons spots de la planète à attendre que le vent souffle à la bonne vitesse et sous le bon angle par rapport à la plage.

Car pour dépasser 50 noeuds, et à plus forte raison 60, il faut des conditions idéales, rares. Selon le très dynamique et intéressant blog de l’équipe de Sailrocket, le vent était bien régulier, entre 27 et 28 noeuds pendant le run. Des conditions qu’ils n’ont pas eu pendant les semaines précédentes.

Pourquoi pas des records relatifs, et polaires ?

Sailrocket a réalisé la performance d’aller 2.4 fois plus vite que le vent. Les kites atteignent 1.8 fois la vitesse du vent environ. Ne serait-ce pas un progrès d’arriver à augmenter ce facteur plutôt que la vitesse absolue ? Le record (inofficiel) actuel me semble être celui de USA 17 aka BOR 90 aka BMW Oracle qui a atteint 27 noeuds dans 6 noeuds de vent : facteur 4.5. Peut-on faire mieux pour moins cher ? Puis-je rêver d’un « Hobie Cat » du futur atteignant 50 noeuds dans 10 ou 15 noeuds de vent ?

De plus, tous ces engins de vitesse fonctionnent bien au grand largue, mais au près serré ou au vent arrière, peu de bateaux atteignent la vitesse du vent. A ces allures, tout régatier le sait, c’est la VMG qui fait la différence. Alors pourquoi ne mesurerait-on pas des records de vitesse (relative) de remontée au vent ou de vent arrière ?

En fin de compte, un voilier « parfait » devrait avoir une courbe des vitesses polaires parfaitement circulaire révélant sa capacité à naviguer à un certain facteur de la vitesse du vent quelle que soit la direction relative du vent. Ne devrait-on pas définir les records par rapport à cet idéal, par exemple en mesurant la « surface dans la polaire relative » ?

un diagramme polaire « typique » des vitesses d’un bateau au hasard

J’entends déjà ceux qui se disent « ce Dr. Goulu n’a jamais navigué, sinon il saurait que vent debout les voiles faseyent et qu’on ne peut pas aller plus vite que le vent au vent arrière ». En fait je me dis surtout que, n’en déplaise à Planet Solar, le premier tour du monde à l’énergie renouvelable date d’il y a presque  500 ans, et que là maintenant il y en a au moins 13 en cours, et qui passent par les 3 caps, les 40 èmes rugissants, et en solitaire en prime. Le seul tout petit avantage des bateaux à moteur, écolos ou pas, c’est leur insolente capacité à remonter pile face aux airs, et il faut aujourd’hui admettre que les voiles traditionnelles ont leur limites et innover dans ce domaine.

Une idée serait par exemple de faire des bateaux à éoliennes. D’ailleurs je ne sais pas si vous avez réalisé mais le « Vestas » de « Vestas Sailrocket » est un des principaux fournisseurs d’éoliennes. Une éolienne orientable face au vent apparent qui entraîne une hélice et hop!, voilà un bateau à vent qui remonte le vent. En fait il y a plusieurs modèles réduits, de petits engins monoplaces et même un catamaran de 36 pieds propulsés par des éoliennes.

Sur terre, il existe un concours de véhicule éoliens « vent debout » : la compétition Aeolus. Elle a été remportée cette année par Chinook, un engin canadien qui a remonté le vent à 58.5% de la vitesse du vent réel, soit tout près de la limite de Betz qui est (?) la limite théorique. A combien arriverait-on sur l’eau ?

Et puis il y a quelque chose que j’ai lu cet été et que je n’ai pas cru. Pourtant c’est paru dans « Pour la Science », journal sérieux, et publié par des gens sérieux puisqu’ils sont membres du C@fé des Sciences Mais même comme ça j’ai eu de la peine à l’admettre.  Dans « Plus vite que le vent« , Jean-Michel Courty et Édouard Kierlik prétendent qu’il est possible d’aller…

Plus vite que le vent au vent arrière

avec un véhicule éolien. Et pourtant c’est vrai ! Cette video montre différentes étapes, notamment (à partir de 1:22) un modèle réduit qui atteint 10 noeuds avec 7 noeuds de vent réel arrière.

(Note du 16/12/12 l’explication qui suit n’est pas correcte, je m’en suis aperçu en rédigeant « encore plus vite que le vent » sur mon blog)

L’idée est que le véhicule est propulsé d’abord par un vent apparent venant de l’arrière, puis de l’avant lorsqu’il dépasse la vitesse du vent réel. Evidemment, le franchissement de cette limite est délicat : il faut que le véhicule stocke un peu d’énergie pour continuer à accelérer lorsque le vent apparent est nul. Il semblerait que l’inertie de l’éolienne suffise pour qu’elle soit ensuite entraînée par le vent venant de l’avant. Ce char qui fait le vent nécessaire à sa propulsion sent un peu le mouvement perpétuel...

(voici donc une interprétation plus correcte (je crois…))

Dans leur article, Jean-Michel Courty et Édouard Kierlik utilisent l’analogie du yoyo : quand un yoyo est posé au sol et qu’on tire doucement sur la ficelle, il se rapproche en enroulant la ficelle autour de son axe, donc plus vite que le déplacement de la ficelle. Ce comportement ne se produit cependant que si certaines relations entre le rapport de transmission (le rapport entre le périmètre de l’axe et le périmètre du yoyo) entre le coefficient de frottement du yoyo au sol sont satisfaites.

Sur « Blackbird », c’est le vent réel arrière qui joue le rôle de la ficelle et l’hélice celui de l’axe. Avec un rapport de transmission entre le périmètre des roues et le pas de l’hélice bien choisi et des coefficients de frottement avec la route et avec l’air suffisants, le véhicule exploite avec une sorte de bras de levier la différence de vitesse relative entre les deux milieux, différence qui reste d’amplitude et de direction constante lorsque le véhicule accélère.

Le 3 juillet 2010, le « char à éolienne » Blackbird a atteint ainsi 2.8 x la vitesse du vent au vent arrière (video ici).

Et sur l’eau ? Qui arrivera à naviguer plus vite que le vent au vent arrière ?

les projets Hydros

Ce blog a été fondé il y a 5 ans, peu après que l’Hydroptère soit renfloué par Thierry Lombard et développe une collaboration scientifique avec l’EPFL qui a abouti, entre autres, au record de vitesse d’un voilier emportant plusieurs personnes (pour ne froisser personne…)

Aujourd’hui je ne pouvais manquer la conférence de presse d’ « Hydros« , la nouvelle identité de la branche suisse de l’aventure « Hydroptère ».  Thierry Lombard l’a dit clairement : après l’arrivée de DCNS comme sponsor principal de l’Hydroptère océanique, il ne se sentait plus en phase avec les valeurs « militaires et nucléaires » portées par le projet. Mais en tant que propriétaire du bateau Hydroptère.ch qui sert de plateforme technologique à la collaboration avec l’EPFL  et actionnaire de la société qui exploite ses résultats, il souhaite poursuivre l’aventure avec une équipe motivée par les défis sportifs, mais aussi par le transfert du savoir accumulé vers des domaines comme les énergies renouvelables et l’efficience énergétique.

Concrètement, sous la direction de Jérémie Lagarrigue, Hydros va poursuivre 3 projets:

1. Après des transformations hivernales et un curieux « incident », l’Hydroptère.ch est prêt à s’attaquer au « ruban bleu » , le dernier des records lémaniques qui lui manque encore. Selon son skipper Daniel Schmäh, l’Hydroptère.ch est le seul voilier capable de naviguer efficacement en archimédien, en hydroplanage et en vol sur foils, donc il ne lui manque que de bonnes conditions météo pour battre ce record. Et pourquoi pas remporter le Bol d’Or, le rêve de tout banquier genevois (et le mien)…

   

   L’Hydroptère.ch

   A la fin de l’année l’Hydroptère.ch ira s’exhiber de par le monde, en Asie nous a-t-on dit, pour satisfaire des sponsors qui n’ont pas été nommés.

2. Participer à la « Petite Coupe de l’America » avec un catamaran de classe C en 2013 à Falmouth. 2 bateaux sont en cours de conception en collaboration avec VPLP. On ne nous en a montré que ça:

   En fait sur l’image montrée à la conférence, les dérives/foils étaient plus fortement courbées et il y avait de petits foils en T au bout de chaque safran. On nous a dit que l’objectif n’était  que de délester en grande partie les flotteurs, mais qu’après tout, s’il s’avérait possible de voler, pourquoi pas… Les engins et seront construits par le chantier Décision, qui a réalisé les Alinghi et les Planet Solar entre nombreuses autres constructions en matériaux composites. Pour les « Classe C », Décision utilisera une technologie développée à l’EPFL consistant à tisser de la fibre de carbone directement sur la géométrie du bateau (et de l’aile) en suivant les contraintes mécaniques calculées plutôt qu’en raccommodant des « tissus » de carbone préparés à l’avance. Comme j’ai oublié le nom de cette technologie (ETCT ? EPTC ? un truc comme ça…) je n’ai rien retrouvé à ce sujet. Si vous connaissez, un commentaire serait apprécié, Merci !

   

   première vue du Classe C Hydros

3. L’Hydro Contest a été le moins bien décrit lors de la conférence, mais il s’agit d’un prix destiné à encourager les étudiants des grandes écoles à étudier les moyens d’augmenter l’efficacité énergétique des bateaux de tous types, moteur compris. je n’ai notamment pas bien saisi la relation avec l’ « Hydro Speed Tour » mentionné sur le site et dans la plaquette, un « concours mondial de vitesse ouvert à tous et gratuit, destiné à tous types de supports, aquatiques, aériens ou terrestres » et illustré par ce graphique:
   
   En le voyant, je me suis dit « tiens, bonne idée : un record de vitesse relative au vent, ou même de VMG face au vent plutôt que de vitesse absolue », mais ce n’est pas ça. Du moins pas encore parce que comme le concours n’a pas l’air très clair, je viens d’envoyer l’idée au responsable de comm…

Le slogan et l’objectif d’Hydros, c’est de « multiplier l’énergie ». L’idée est que les projets sportifs ci-dessus et la collaboration scientifique permettent de développer des compétences utiles dans les énergies renouvelables et l’efficience énergétique. On a par exemple mentionné que la maîtrise de la  cavitation et de la ventilation permettrait de concevoir de meilleures hydroliennes, ou que les voiles-ailes pourraient faire progresser les pales d’éoliennes. Et sous-entendu que le chantier Décision pourrait être intéressé à produire des pales d’éoliennes en carbone. Des « éoliennes à kite » comme KiteGen ont aussi été citées comme exemple d’innovations qui pourraient résulter des projets d’Hydros.

De bonnes nouvelles donc : la poursuite de projets en cours, de nouveaux projets dont on reparlera sur Foilers, des marins bretons prêts à en découdre sur LE Lac, une startup prometteuse… Merci M. Lombard, et bon vent à Hydros !