LES HYDROFOILS
I – Fonctionnement des foils
Les hydrofoils peuvent adopter différentes formes selon les époques ou l’usage qu’il en est fait, cependant ils ont tous étés crées dans le même but général: parer aux problèmes de traînée sur la coque, aux frottements de l’eau et à la résistance des vagues à l'avancement. Pour ce faire, on peut avoir recours à plusieurs techniques, les trois principales étant réduire au maximum la surface de coque en contact avec l’eau (Exemple : trimarans, catamarans), minimiser l’importance de la partie immergée (Exemple : aéroglisseurs) ou enfin déjauger, soit faire décoller la coque hors de l’eau. C’est cette dernière solution qu’utilisent les hydrofoils. En effets, leurs plans porteurs permettent au-delà d’une certaine vitesse atteinte dans un fluide de générer une force qui est transmise au support (coque du bateau) lui permettant ainsi de s’élever en dehors de l’eau. Les hydrofoils fonctionnent donc à la manière d’ailes d’avion, mais alors que celles-ci fonctionnent dans les aires, les hydrofoils eux fonctionnent dans l’eau.
Les foils étant non pas symétriques mais bombés, l’eau peut s’écouler par deux chemins :
•soit ils passent au-dessus sur la surface extérieure : l’extrados.
•soit ils passent au-dessous sur la surface inférieure : l’intrados.
Au niveau de l’extrados le chemin parcouru par l’eau est plus long ce qui a pour conséquence d’augmenter la vitesse et donc créer une dépression. Au contraire, une surpression se créée au niveau de l’intrados. Le résultat de l’addition de ces deux phénomènes est la force de portance qui permet de maintenir la coque hors de l’eau.
II – Les types de foils
On peut distinguer deux grandes familles d’hydrofoils : les foils dits en V ou à 45° et les foils en T. Les premiers datent de la fin du XIXème début XXème (« de la première génération »). Les seconds quant à eux sont plus récents (« de la seconde génération »). Ils ont étés crées environ 50 ans plus tard pour régler les problèmes entre autre de ventilation par la mise en place d’un système d’asservissement sur le plan porteur.
(hydrofoil en V)
(Hydrofoil en T)
A– Les hydrofoils en V
Bien que plus anciens que leurs homologues en T, les hydrofoils en V restes très utilisés dans de nombreux domaines et ne craignent pas d’être relégués au statut de vestiges de l’aéronautique, car ils possèdent toujours de nombreux atouts dont ne sont pas dotés les autres.
a – Avantages des hydrofoils en V
Les hydrofoils en V possèdent trois grands avantages :
- Ces hydrofoils sont très « autonomes », ils ne nécessitent pas de systèmes complexes pour les assister. L’angle d’incidence du plan porteur n’est pas modifié lors de la navigation, ce qui signifie qu’aucune assistance pour l’orienter lors de la navigation n’est nécessaire, la régulation de la hauteur de « vol » se fait simplement en diminuant la surface efficace du plan porteur et la stabilité latérale est assurée par la dérive, à l’arrière du bateau.
- Par rapport aux hydrofoils en T, ceux en V nécessitent plus de longueur de surface efficace pour une même efficacité, de ce fait leur finesse (rapport longueur/largeur) est augmentée. Cela a pour effet de limiter la création de traînées (indésirables car s’opposant aux déplacements).
- A causes des mauvaises conditions météorologiques, il peut être pratique voire indispensable de rétracter les hydrofoils, chose beaucoup plus facile à faire sur des un système en V.
Photo d’un système de rétraction
b- Inconvénients des hydrofoils en V
Cependant, si d’autres systèmes d’hydrofoils ont étés mis au point après celui-ci, c’est car il a des défauts. Voici les plus importants :
- Les hydrofoils en V sont traversants, ce qui cause la présence d’une interface aire/eau favorisant la ventilation (phénomène similaire à la cavitation mais dut à la présence d’une interface).Pour remédier à ce problème, les concepteurs mettent souvent des « fences » pour empêcher au maximum l’air de descendre le long du profil du plan porteur.
- Comme dit précédemment, les hydrofoils en V sont pour une même surface efficace plus longs. Cela réduit donc par exemple le minimum de profondeur nécessaire pour naviguer. De plus, les efforts faits par le plan porteur durant son mouvement sont plus importants.
- Quand le bateau prend de la vitesse, l’hydrofoil travail très près de la surface et est donc susceptible d’être perturbé par les irrégularités de la mer. De plus, étant donné sa longueur, il agit à différentes profondeurs et dans différents milieux ce qui augmente les risques d’instabilité.
- Les molécules d’eau exécutent une rotation dans les vagues, ce qui modifie l’angle d’incidence réel du plan. Ce phénomène étant plus important près de la surface, les foils en V y sont plus sensibles (surtout lorsqu’ils prennent de la vitesse).
B – Les hydrofoils en T
Ces hydrofoils ont étés crées une cinquantaine d’années après leurs confrères en V, avec pour objectif principal de palier à certains de leurs défauts. Ils sont nés des travaux de l’anglais Christopher Hook qui depuis 1945 cherchait une solution entre autre au problème de ventilation. La solution qu’il a trouvée fût de créer des hydrofoils à asservissement (en T) qui donnèrent par la suite naissance à de nombreux autres types d’hydrofoils à asservissement (Y, L, U, O…).
a – Avantages des hydrofoils en T
Nous allons donc nous pencher tout d’abord sur les problèmes résolus par cette innovation et les principaux avantages qu’elle apporte.
- Les hydrofoils en T fonctionnent à la même profondeur sur toute la longueur du profil ce qui évite certaines perturbations auxquelles étaient sujets les hydrofoils en V.
- Bien que cela dépende en partie de la hauteur de décollage et la longueur de l’hydrofoil, il travail normalement à profondeur assez importante ce qui améliore sa stabilité en le rendant moins sensible à la rotation des molécules d’eau dans les vagues.
- Le plan porteur de l’hydrofoil en T n’a pas de partie traversante et n’a donc pas de problèmes de ventilation.
- L’hydrofoil en T, de par le fait qu’il soit plus court et son architecture interne est plus résistant que l’hydrofoil en V.
b- Inconvénients des hydrofoils en T
Bien qu’ayant succédés aux hydrofoils en V, ceux en T ne les ont pas remplacés pour autant car ayant aussi plusieurs défauts et contraintes non négligeables.
- Les hydrofoils en T nécessitent un système d’asservissement permettant de réguler l’incidence du plan. De plus ces systèmes de régulation sont fragiles et doivent prendre en compte de nombreux paramètres : joindre la solidité à la légèreté et l’efficacité et surtout être performants.
- Comme dit précédemment, un système de rétraction des hydrofoils peut s’avérer utile. Avec des hydrofoils en T, ce système est difficile à mettre en place à cause de la forme des plans porteurs et de la présence du système d’asservissement.
- Sur les V hydrofoils en T, la présence d’une jonction mécanique au-dessus des plans porteurs occasionne une perte de surface portante qui bien que légère peut se faire ressentir et dans certains peut créer une traînée.
c – usage des hydrofoils en T
III- Les limites des hydrofoils
A – La cavitation
La cavitation est un phénomène provoqué par une brusque baisse de pression dans un milieu liquide. Il se manifeste par la formation de nombreuses petites bulles (pouvant ainsi donner l’impression que l’eau boue sans aucune variation de température) qui implosant en quelques millisecondes. Ce phénomène mis en évidence en 1894 par Osborne REYNOLDS est à l’origine de nombreuses nuisances telles que la baisse des performances ou l’érosion comme on peut le voir sur cette photographie d’une pièce de pompe hydraulique :
B – La ventilation
Ce phénomène est dut à la présence d’une interface aire/eau trop importante sur le foil. En raison de la dépression présente lors du déplacement sur la partie supérieure du foil, une aspiration d’air se créée. L’air aspiré longe alors la partie verticale des foil causant une diminution de la portance.
La seule solution trouvée est le placement de « fences » sur la partie verticale des foils, empêchant ainsi la circulation d’air.
(fences sur un foil en V)
