Les Hydrofoils
1. Principe

 

a) Introduction et principe de l'hydrofoil

Lorsque l'on veut augmenter la vitesse d'un bateau sans en augmenter de manière démesurée la puissance, se posent alors les problèmes de trainée sur la coque et de résistance des vagues à l'avancement. Pour passer outre ces difficultés, il existe en fait trois solutions: réduire la surface en contact avec l'eau et lui donner une forme aérodynamique (c'est le cas des bateaux multicoques), réduire la partie immergée (comme c'est le cas sur aéroglisseurs) ou enfin déjauger c'est à dire sortir la coque du bateau hors de l'eau et l'y maintenir .
Cette dernière solution peut être envisagée grâce à des surfaces portantes comparables à des ailes, les foils, qui, au delà d'une certaine vitesse, vont fournir une force verticale capable de contrer l'effet de la force de pesanteur. Ce système présente de plus l'avantage de réunir de très bonnes performances à la fois du point de vue de l'efficacité (avec une diminution très importante de la traînée totale par rapport à une embarcation classique) et, en navigation, de la stabilité et de la pilotabilité (ce qui permet au véhicules qui en sont équipés de tenir de nombreux records de vitesse). Toutefois, l'existence d'une vitesse minimale pour permettre le déjaugeage impliquera aussi la nécessité d'élaborer une coque présentant de faibles frottements .

Les foils peuvent en fait équiper toutes les sortes de véhicules circulant sur l'eau en permanence ou de manière épisodique (comme par exemple les hydravions ou les véhicules amphibies alors équipés de foils rétractables).
On peut en particulier classer ces véhicules selon un critère de propulsion:



. une propulsion motorisée (moteur à explosion ou tirant son énergie du rayonnement solaire) donnant lieu à une propulsion par "jet d'eau" ou à hélices.

exemples: c'est en particulier le cas :
des hydrofoils militaires …ou encore des hydrofoils de transport de passagers comme celui effectuant la liaison entre Hong-Kong et Macao ...et pour la propulsion solaire du Golden Eagle V
hydrofoil militaire hydrofoil reliant Hong-Kong et Macao le Golden Eagle V


. une propulsion par voiles qui comporte principalement des embarcations multicoques plus stables.

exemples : cette catégorie comporte en particulier les bateaux visant à battre les records de vitesse à la voile sur courte distance comme
l'Hydroptère …ou encore le Yellowpage Endevour …mais aussi les quelques planches à voile équipées de foils comme le Foilboard
l'hydroptère Yellowpage Endevour foilboard


. une propulsion humaine (rames, pédalage...)

exemple : ils s'appuient en général sur l'usage d'un pédalier relié à une hélice au dessus ou au dessous de l'eau

Nij Atao


. une propulsion venant d'une autre embarcation

exemple : il s'agit principalement de skis nautiques tractés par des hors-bord comme le "AirChair".

AirChair


Toute catégories confondues, la taille des embarcations peut varier
du modèle réduit de quelques centaines de grammes au ferry ou au navire de guerre de plusieurs tonnes
modèle réduit hydrofoil de la marine américaine


Toutefois, malgré la multiplicité des vehicules pouvant utiliser un système de foils, le principe et les principales règles d'utilisation restent les mêmes quelles que soient les échelles ou les puissances mises en jeu.

Les foils utilisés sur ces véhicules peuvent être classés selon deux catégories de fonctionnnement et de performances différents: les foils traversants aussi dits de première génération et les foils totalement immergés ou de deuxième génération.

Dans la pratique, sauf exception, les hydrofoils sont équipés d'au moins 2 foils (un à l'avant et l'autre à l'arrière) disposés en fonction la répartition du poids de l'embarcation selon l'une des trois dipositions possibles.
Ces foils n'appartiennent pas forcément à la même catégorie: la tendance actuelle des voiliers de compétition utilisant des foils est d'ailleurs d'employer les deux systèmes simultanément, le système traversant assurant la stabilitéet le système totalement immergé la peformance.

 

b) Principe du foil

  • Vocabulaire du foil

    • Description des caractéristiques d'un foil

     

  • Présentation des différentes forces mises en jeu

    • Les forces exercées par le fluide sur le foil peuvent être décomposées en deux catégories qui se distinguent par la nature du phénomène physique qui les provoque :

    - la première catégorie comprend les forces de pression qui sont dues au mouvement même du foil par rapport au fluide. Ces forces, perpendiculaires au profil en tout point, peuvent être modélisées par une résultante unique, perpendiculaire à la direction principale de l'écoulement et dirigée vers le haut : la portance.

    - la seconde catégorie comprend les forces de viscosité qui sont dues à la nature visqueuse du fluide. Ces forces, tangentes au profil en tout point, peuvent être modélisées par une résultante unique, parallèle à la direction principale de l'écoulement et de sens contraire au mouvement du foil : la traînée.

     

  • Les coefficients aérodynamiques

    • Afin de comparer les aptitudes des différents foils, on a déterminé des coefficients adimensionnels appelés coefficients aérodynamiques (voir aussi la partie Aérodynamique).

    - Cx, coefficient de traînée : intensité de la traînée sur une aile de même profil que l'aile considérée, de surface 1 m² et placée dans une veine d'air de pression dynamique 1 kg / m².

    - Cz, coefficient de portance : intensité de la portance sur une aile de même profil que l'aile considérée, de surface 1 m² et placée dans une veine d'air de pression dynamique 1 kg / m².