YACHT : Récemment, la série de régates SailGP a testé de nouveaux foils et annoncé un saut de performance incroyable de 15%. Cela semble surprenant, car dans le haut du classement, on se bat souvent pour chaque dixième de nœud. La technique du foil n'en est-elle qu'à ses débuts ?
Martin Fischer : 15 pour cent, c'est tout à fait possible. Ils ont toutefois testé une autre configuration, jusqu'à présent ce sont des foils dits en J, c'est-à-dire recourbés vers l'intérieur. Lorsque le bateau arrive sur le foil, la portance verticale de l'aile, le centre de gravité, se trouve à l'intérieur de la coque. On a donc un certain moment de redressement. Et ce moment est donné par la distance entre le centre de gravité du bateau et le centre de poussée du foil dans le sens latéral. Or, les nouveaux profils sont des foils en T qui sont légèrement courbés vers l'extérieur. Le centre de poussée de l'aile est ainsi déplacé vers l'extérieur et le moment de redressement augmente considérablement, ce qui permet d'augmenter la pression dans la voile. Il est possible d'obtenir 15% de performance en plus.
Si on était resté au J-Foil, il n'y aurait pas eu cette nette augmentation ?
Exactement. Ils n'ont pas trouvé une nouvelle forme particulièrement astucieuse qui offre une résistance tellement plus faible, mais ils ont simplement augmenté la puissance du bateau de 10 à 15 pour cent. C'est comme si tu installais un moteur de 50 chevaux de plus dans une voiture existante.
Selon SailGP, la limite de cavitation a été repoussée de six nœuds et l'on espère désormais atteindre 59 nœuds. Jusqu'à présent, de nombreuses équipes, comme les Imocas ou les Ultims, disaient qu'au-delà de 50 nœuds, il y avait une sorte de mur du son pour la cavitation ...
En principe, cette limite existe déjà. Pour un foil traditionnel, c'est comme ça, il y a un côté qui est en surpression et l'autre en dépression. À des vitesses plus élevées, la dépression est telle que la pression de vapeur de l'eau devient inférieure à celle de l'eau, et celle-ci s'évapore directement à la surface du profil. Cela signifie qu'une partie du foil ne travaille plus dans l'eau liquide, mais dans la vapeur d'eau. Cela provoque une traînée de bulles qui augmente drastiquement la résistance. Et si cela se produit sur de grandes parties de l'aile, on ne peut alors plus aller beaucoup plus vite. C'est typiquement le cas : une fois que la cavitation a commencé, on peut encore atteindre deux ou trois nœuds de plus, puis c'est fini. Mais il est tout à fait possible de construire des foils qui ne cavitent qu'à partir de 60 nœuds. Mais ils sont alors assez mauvais à des vitesses inférieures. Un exemple : Si nous avons un foil qui cavale à 40 nœuds et un autre qui cavale à 50 nœuds, celui qui commence à 40 est plus rapide dans la plage de zéro à 40 nœuds. Et l'autre foil n'est alors plus rapide qu'entre 40 et 50 nœuds. Ce serait donc à peu près bien par grand vent descendant, mais sur tous les autres parcours et avec moins de vent, le bateau serait plus lent.
En SailGP, cela n'a pas d'importance, ce sont des bateaux de classe unique, ils utilisent tous le même foil, et c'est la direction de course qui décide lequel utiliser. Mais pour la Coupe de l'America, les Imoca ou les Ultim, le choix revient à l'équipe. Dans les classes ouvertes, il faut bien réfléchir au moment où la cavitation peut commencer. C'est une décision active lors de la conception.
Différents états de fonctionnement d'un foil
L'idée de frontière est donc fondamentalement fausse ?
Non, tu peux avoir de la cavitation même à 10 nœuds. Cela dépend uniquement de la dépression du profil. Prenons les foils Imoca : ils cavitent à environ 35 nœuds. On le fait exprès, parce qu'un Open 60 ne navigue pas plus vite, il ne vole pas complètement. C'est pourquoi il ne sert à rien d'utiliser des profils qui ne cavalent qu'à 40 nœuds, mais qui seraient plus lents de zéro à 33. Mais il y a déjà une limite supérieure. Au-delà de 60 nœuds, il devient difficile de ne pas caviarder avec un foil conçu pour être utilisé en eau vive. Outre l'aspect de la grande vitesse, il y a aussi un problème de cavitation à faible vitesse. Si le foil doit encore atteindre une portance suffisante, il faut travailler avec un angle d'attaque élevé. On a alors, même à faible vitesse, des pics de dépression qui font que le profil cavite localement sur l'extrados à l'avant, même à faible vitesse, ce qui freine à nouveau.
La difficulté pour les foils de l'America's Cup ou de SailGP est qu'avec des profils classiques, on peut couvrir une plage de vitesse de 20 à 25 nœuds dans laquelle le foil ne cavite pas du tout. Et cette plage doit être choisie consciemment, et elle est aussi difficile à élargir. Si tu veux décoller à 20 nœuds, ta plage de vitesse sans cavitation est alors de 20 à 40 nœuds. Si tu veux atteindre 45 nœuds, la vitesse de décollage est de 25 nœuds.
L'idéal est-il de construire le plus d'ensembles de foils possible ?
En fait, oui, mais dans la Coupe de l'America, c'est interdit, nous ne pouvons utiliser qu'un seul jeu de foils. Cela a été fait à dessein afin de maintenir les coûts dans une certaine mesure, car ils sont extrêmement élevés. SailGP utilise plus de profils en raison des différents lieux de l'événement, avec des conditions de vent très différentes, afin que les bateaux puissent voler même par vent faible.
Combien coûte environ un jeu de foils pour un bateau AC ?
L'un d'entre eux est nettement supérieur à un million d'euros, et avec le foil de réserve, cela représente trois à trois millions et demi d'euros. Nous ne voulions pas que les équipes développent des profils extrêmes qui pourraient ensuite entraîner de très grandes différences de vitesse. Dans ce cas, ce sera une partie de poker : Quel foil choisir dans quel vent ? Si vous vous trompez, c'est comme si vous utilisiez des pneus pluie en Formule 1 par temps sec. Il faut s'attendre à ce que toutes les équipes construisent des foils plus ou moins polyvalents. Nous aurons ainsi des régates raisonnables avec des vitesses comparables. C'est aussi ce que nous voyons lors des tests avec les bateaux LEQ12 : Tous ont évolué dans des directions similaires et modérées.
Le poids plus élevé des bateaux offshore comme l'Imocas et l'Ultims n'est-il pas un problème, ils doivent ainsi être beaucoup plus épais ?
Pour les foils, l'épaisseur est toujours un problème. La vitesse de cavitation est déterminée par le pourcentage d'épaisseur. Cela signifie qu'un foil de 11 % d'épaisseur par rapport à la longueur de la corde cavitera à 48 nœuds, un foil de 16 % d'épaisseur à 38 nœuds. C'est l'épaisseur relative. Et bien sûr, on veut réduire la surface mouillée. Un exemple : pour des raisons de solidité, tu dois avoir cinq centimètres d'épaisseur pour que le foil ne casse pas. Si tu choisis alors un profil de dix pour cent, cela signifie 50 centimètres de corde. Avec 20 pour cent, cela ne représente que 25 centimètres de corde. Il s'agit donc toujours de trouver le meilleur compromis entre la cavitation attendue et la vitesse. Les foils rapides doivent être plus fins, mais la surface mouillée est plus grande. C'est pourquoi les foils Imoca ont une épaisseur relative d'environ 14% et les foils SailGP d'environ 10%. Mais on peut dire que tous les foils, qu'ils soient Imoca, Ultim, SailGP ou America's Cup, sont à la limite de la résistance.
Est-ce que le fait que les Imoca n'aient pas de T-Foils sur les gouvernes fait une grande différence par rapport aux autres foilers ? Cela ne leur permet pas de voler de manière aussi stable qu'un America's Cupper, par exemple.
Oui, cela fait une grande différence. L'absence de safran en T sur les Imoca a pour conséquence que la poupe s'abaisse lorsque le bateau commence à voler. Cela augmente l'angle d'attaque de l'aileron principal, génère trop de portance et le bateau sort de l'eau à l'avant jusqu'au décrochage de l'aile principale. Le bateau s'écrase. On n'obtient donc pas de longues phases de vol stables comme sur les bateaux de l'America's Cup, de SailGP ou les Ultims.
Lors d'une récente interview de YACHT à l'occasion du lancement des Ultims, Charles Caudrelier a déclaré qu'il n'y aurait pas de T-Foils sur les bateaux offshore, car ils ne fonctionnent que s'ils sont régulés tout le temps, ce qu'un skipper en solitaire ne pourra jamais faire, et les systèmes automatiques sont interdits. C'est vrai ?
Oui, ils ont besoin de foils qui régulent eux-mêmes leur hauteur de vol. Les premiers dans la Coupe de l'America étaient aussi comme ça, ces J-Foils. Cela fonctionne ainsi : Entre la tige du foil, qui est en fait toujours dans le bateau, et le tip, il y a toujours un angle : le tip va vers l'intérieur et légèrement vers le haut. Lorsque l'on navigue et que le bateau vole à une certaine hauteur et que le foil sort de l'eau en raison d'une augmentation de la vitesse ou d'une vague, la surface du manche dans l'eau diminue. Par conséquent, la dérive sous le vent augmente. Et cette dérive diminue l'angle d'arrivée de l'eau au niveau du tip. Le foil perd alors de la portance et le bateau s'enfonce à nouveau. La dérive diminue et le processus se répète, mais en sens inverse.
Dans quelle mesure la régulation avec des T-Foils est-elle plus compliquée en comparaison lors de la Coupe de l'America ?
C'est un travail à plein temps. Typiquement, un membre de l'équipage règle l'angle des flaps à l'extrémité du foil une fois par seconde. Le membre de l'équipe ne se concentre sur rien d'autre. Ce n'est évidemment pas possible avec un Ultim ou un Imoca.
Avec les Ultims qui naviguent à plein régime, on aurait pu s'attendre à une amélioration spectaculaire des etmales. Pourquoi la marque existante ne tombe-t-elle pas ?
En revanche, les jours où les Tris atteignent 700 milles sont nettement plus nombreux. Les améliorations se situent plutôt au niveau de la vitesse moyenne et du contrôle des bateaux. Par exemple, les Ultims ont désormais tous un T-Foil en bas de la dérive dans la coque principale. Cela permet de contrôler activement le moment de redressement et la hauteur de vol. Cela signifie que lorsque la coque coule, le foil se met à flotter et pousse le bateau vers l'extérieur. Si tu as trop de pression et que tu devrais peut-être plutôt ouvrir l'écoute, tu peux mettre le T-Foil sur Downforce, ce qui tire alors le bateau vers le bas et augmente immédiatement le moment de redressement. C'est plus facile avec un simple réglage du foil qu'en ouvrant les écoutes et en les resserrant péniblement.
Encore une question sur la cavitation. Celle-ci endommage le matériau du foil à cause des bulles de vapeur qui implosent. Quelle est l'intensité de cet effet et combien de temps faut-il pour que les dommages deviennent critiques ?
Cela peut aller très vite, pas en quelques minutes, mais en quelques heures. Lors de l'implosion des bulles de vapeur, les températures peuvent atteindre plusieurs centaines de degrés. Cela endommage le matériau, des trous ou un délaminage peuvent apparaître. C'est pourquoi les foils sont conçus de manière à ce que la cavitation se produise le plus en arrière possible à grande vitesse, c'est-à-dire que les implosions commencent derrière le profil.
Que se passe-t-il réellement lors des tentatives de records de haute vitesse ? L'équipe suisse SP80 tente actuellement de battre le record de 65,45 nœuds établi en 2012 par l'équipe britannique Sailrocket de Paul Larsen et s'est fixé comme objectif de se rapprocher du mur des 80 nœuds. Paul Larsen a expliqué à YACHT qu'ils avaient déjà utilisé des "foils ventilés". Maintenant, les Suisses parlent même de "foils superventilants". Qu'est-ce que cela signifie ?
Il faut pour cela distinguer les deux phénomènes de cavitation et de ventilation. La cavitation est l'effet de l'évaporation de l'eau sur le foil. La ventilation signifie que l'aile aspire de l'air à la surface de l'eau. Sur un foil qui ventile, le côté dépression fonctionne dans l'air. Dans le cas d'un foil qui cavite, le côté dépression fonctionne dans la vapeur d'eau.
Les profils de Sailrocket ou maintenant de SP80 percent la surface de l'eau et, à très grande vitesse, la cavitation commence à se produire, ce qui entraîne une ventilation jusqu'à ce que le foil soit complètement ventilé du côté de la dépression, c'est-à-dire sur toute sa surface. On perd l'effet d'aspiration du côté dépressionnaire, mais la surpression de l'autre côté fait qu'une force, bien que plus faible, est encore générée. Il faut savoir que les foils des bateaux fonctionnent différemment : Ils ne poussent pas le bateau hors de l'eau, mais le tirent vers l'intérieur, le maintiennent dans l'eau. En effet, tant pour les Sailrocket que pour les modèles de kite, la voile tire fortement le bateau vers le haut. Cela signifie que le foil garantit le contact avec l'eau. Dans le cas de Sailrocket, la partie supérieure fonctionnait entièrement en l'air, seule la partie inférieure fonctionnait encore dans l'eau. Au début, quand ils ne maîtrisaient pas encore bien cet aspect, c'est justement pour cette raison que le bateau a décollé et s'est retourné en l'air.
Quel est alors l'avantage de ces foils ventilés ?
On n'a pas le choix, à des vitesses supérieures à 60 nœuds, un foil ne fonctionne tout simplement plus pour l'eau liquide. On s'assure donc qu'au moins le côté surpression fonctionne encore. Une fois que l'on est dans cette zone, il n'y a en principe plus de limite physique à des vitesses encore plus élevées. De tels profils ont un tout autre aspect que les foils qui ne doivent fonctionner que dans l'eau liquide. Ils sont très pointus à l'avant et émoussés à l'arrière, presque comme un coin. Le problème, c'est que ces foils sont très mauvais dans les zones de faible vitesse, c'est-à-dire de zéro à trente. La surface de voile est en effet plutôt réduite pour la haute vitesse. Sailrocket a mis beaucoup de temps à réussir cette transition par ses propres moyens, ils ont tourné autour de 30 nœuds pendant des années. Quand ils ont finalement dépassé les 40 nœuds, ils ont très vite atteint le record de 65 nœuds.
Jusqu'à présent, les voiliers les plus rapides étaient proportionnels à la vitesse du vent. Les bateaux de SailGP et de l'America's Cup naviguent quelque part entre trois et quatre fois la vitesse du vent, les voiliers terrestres et de glace déjà six à huit fois. Qu'est-ce qui vient encore en voile ?
Les bateaux qui battent les records de vitesse ont en effet un facteur d'efficacité très mauvais en la matière. Ils se situent plutôt autour de deux fois ou deux fois et demie la vitesse du vent. C'est pourquoi ils dépendent de ces spots de vent à grande vitesse comme le canal de Lüderitz au large de la Namibie ou les couloirs de mistral en Méditerranée. Le facteur entre la vitesse du vent et celle du bateau dépend en premier lieu du rapport entre la portance et la résistance. Si ce dernier est bon, le premier l'est aussi. Mais ce rapport est beaucoup, beaucoup plus mauvais pour les foils ventilés que pour les profils normaux. Un foil normal pourrait atteindre des rapports de 1:20, un foil hyperventilant est déjà bien servi à 1:5.
Chez les surfeurs, c'est encore pire. Ils atteignent 50 nœuds dans environ 50 nœuds de vent, le rapport est donc presque de 1 à 1. C'est pourquoi il n'est plus possible de faire de grands sauts. Et bien sûr, l'aérodynamique d'un véliplanchiste est tout simplement misérable à cause du coureur dans le vent, avec les bras tendus et tout ça. Pour les vitesses, l'hydrodynamique et l'aérodynamique jouent un rôle équivalent.
Bon mot d'ordre : les Ultim ont récemment investi massivement dans l'amélioration de l'aérodynamisme : Les bômes ont reçu des revêtements jusqu'au pont, appelés "sweepers de pont", afin que l'effet de plaque d'extrémité soit efficace et réduise les turbulences. Quelle importance cela a-t-il dans la Coupe de l'America ?
C'est extrêmement important. Nous verrons lors de la Coupe que les bateaux sont tous complètement optimisés sur le plan aérodynamique. L'aérodynamique est presque plus importante que l'hydrodynamique. Un exemple : le safran est perfectionné d'un point de vue aérodynamique. En effet, il sort de l'eau avec son manche lors du foil. Cette partie est alors optimisée pour la résistance de l'air et non pour la résistance de l'eau.
Concernant le matériau des foils : chez SailGP, les nouveaux sont désormais fabriqués en titane et non plus en fibre de carbone, tandis que chez les Imoca et les Ultim, il s'agit de complexes stratifiés composés de centaines de couches de fibre de carbone. La construction est si chère et si longue. Qu'en est-il de la Cup ?
La construction des foils prend vraiment une éternité, l'un d'entre eux prend des mois. Ils sont fraisés dans de l'acier, ce qui permet de les rendre encore plus fins. C'est un acier très résistant qui doit être forgé et traité spécialement. Le fraisage prend ensuite beaucoup de temps, car l'acier est extrêmement dur.
Lors du laminage des fibres de carbone, les sources d'erreur sont nombreuses : teneur en résine, inclusions d'air, pression d'application. Est-ce que c'est beaucoup plus facile avec l'acier ?
Exactement. Avec le métal, le risque que quelque chose se passe mal est nettement plus faible.
Alors croisons les doigts pour que cette coupe soit plus passionnante et plus serrée que la dernière fois.
Nous préférerions qu'il n'y ait pas de suspense. Si nous dominons tellement que les autres n'ont aucune chance, cela me conviendrait (rires). L'Angleterre essaie de gagner la Coupe depuis 170 ans, il est temps !
