Un projet audacieux à la pointe de l’innovation
Né d’une ambition régionale portée par la Provence-Alpes-Côte d’Azur, le foiler PACA incarne à la fois l’élan visionnaire de la voile française des années 80 et les aléas techniques d’un prototype en avance sur son temps.
Conçu par Gilles Vaton et mené par Paul Ayasse, ce maxi trimaran promettait des performances fulgurantes, marqué par des pointes de vitesse impressionnantes.
Ce bateau, aussi fascinant qu’éphémère, mérite qu’on replonge dans son épopée.
Caractéristiques
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- MAXI FOILER « PROVENCE-ALPES-CÔTE D’AZUR » (PACA)
- LOA : 23,600 M
- LWL : 22,600 M
- B MAX COQUE : 3,912 M
- BWL COQUE : 2,441 M
- B TOTAL : 20,600 M
- DÉPLACEMENT À VIDE : 9,400 T
- D MAX : 10,165 T
- SURFACE MOUILLÉE ( à mi-charge) : 42,281 M2
Genèse du projet
Une ambition régionale propulsée par l’innovation
Le projet PACA est né d’une volonté du Conseil Régional de Provence de marquer sa présence dans le monde de la voile, à l’image d’autres territoires comme la Charente-Maritime. Inspiré par les performances du foiler « Charles Heidsieck », le bateau est conçu pour allier audace technologique et communication territoriale.
Malgré les hésitations initiales autour d’un catamaran, le choix se porte sur un trimaran à foils, validé par Gaston Deferre en 1984. La conception, appuyée par des calculs du CEA sur supercalculateur, donne naissance à une structure légère en composite époxy.
Les premiers essais révèlent un potentiel impressionnant : vitesses soutenues à plus de 30 nœuds, stabilité remarquable dans les vagues, et une capacité de vol partiel. Même avec un mât provisoire, le bateau démontre une vélocité hors norme, laissant entrevoir des performances encore plus spectaculaires avec un gréement optimisé.
Face aux multicoques classiques de l’époque, le foiler PACA se distinguait comme une véritable machine de course très largement en avance sur son temps.
CONCEPTION GÉNÉRALE
Avec le premier trimaran à foils réalisé – celui de TABARLY (Paul RICARD), avec le second – CHARLES HEIDSIECK, une nouvelle génération de Formules I de la voile apparait qui, au contraire des catamarans, obtient une réduction maximale du contact avec l’eau.
L’idée et le principe de base du foiler consiste à utiliser un foil sous le vent, pour assurer la stabilité et le plan anti-dérive.
Le concept originel du nouveau MAXI FOILER PROVENCE-ALPES-CÔTE D’AZUR est d’être, avec CHARLES HEIDSIECK, le premier à obtenir une semi-sustentation d’ensemble par plusieurs effets :
• Utiliser un plan porteur pour équilibrer l’effort latéral du gréement, à la place de l’immersion d’une coque soumise à la poussée d’Archimède, et apportant une réduction de la trainée, avec diminution importante de surface mouillée.
• Utiliser le bras de liaison coque/flotteur à des fins de sustentation, la pression statique obtenue par ralentissement de l’air dans une tuyère divergente-convergente, la tuyère étant constituée par le dessous du bras de liaison et la surface de l’eau.
• Utiliser une coque centrale différente de celle employée habituellement en multicoque, qui n’utilise actuellement pas l’écoulement à grande vitesse pour la sustentation, le planning, grâce à des formes arrières légèrement inversées.
• Utiliser un moteur mât/voile gonflable plus puissant, à surface égal, que la classique voile lattée.
• Obtenir un équilibre longitudinal très centré de l’ensemble par l’emplacement reculé du moteur mât/voile et donc de la poutre bras de liaison.
• Enfin réduire au maximum la trainée aérodynamique du trimaran. Cette semi-sustentation de l’ensemble permet une réduction de surface mouillée (déjà plus faible que sur les catamarans), une annulation des mouvements de tangage et un meilleur fonctionnement du moteur voilure.
Cette semi-sustentation de l’ensemble permet une réduction de surface mouillée (déjà plus faible que sur les catamarans), une annulation des mouvements de tangage et un meilleur fonctionnement du moteur voilure.
Pour le nouveau PACA, une légèreté et une rigidité de construction très importante sont obtenue par une construction en composite époxy carbone permettent ainsi un meilleur rendement des foils et du bras de liaison.
Nous irons plus loin encore dans la sustentation et les coques ne feront qu’affleurer l’eau, en quasi-hydroptère.
FOILS LATÉRAUX ET MILIEU
Les positions relatives des foils latéraux et de la voilure sont prépondérantes d’une part comme sur un bateau classique pour assurer l’équilibre à la barre, d’autre part pour régler l’enfoncement du foil.
Pour l’équilibre à la barre, la poussée sur la voilure doit être égale et opposée à celle exercée sur le foil sous le vent, en se rapportant à un plan horizontal. La poussée de la voilure s’exerçant vers l’avant explique la position avancée des foils par rapport au centre de voilure.
En plaçant, dès le début de la conception, la mâture au-dessus du centre de gravité de l’ensemble, on obtient la position des foils et donc celle des bras de liaison. Le centrage est optimum.
L’enfoncement du foil sous le vent est délicat à équilibrer. L’idéal correspond à une carène flotteur immergée de 200mm, évitant la ventilation de la partie haute du foil, entre 20 à 30 Nds.
Si, dans un plan perpendiculaire à l’axe du bateau, la résultante de la poussée sur la voilure, la composante verticale est trop forte, le foil sort, ventile et le bateau dérape. Si cette résultante de la poussée du foil s’enfonce jusqu’à ce que l’enfoncement du flotteur rétablisse l’équilibre avec une perte efficacité. C’est un moindre mal… Une marge de sécurité est prise dans ce sens de façon à tenir compte de la difficulté à déterminer la position exacte du centre de poussée sur la voilure. Les foils sous le vent sont calculés pour une poussée moyenne de 5 tonnes à 20 Nds (10 T à 25 Nds).
Les foils seront en avant du centre de l’aire de flottaison pour contrer le tangage par un léger cabré de l’ensemble.
La quillette (ou aile de raie), en position très reculée, soutient en foil en « V » inversé ayant pour fonction une sustentation de l’arrière (1,5 T). Cette sustentation arrière compense le cabré dû à la vitesse et annule aussi le tangage auprès, pas d’ehets balançoire, tout tangage est « cassé ».
Par ailleurs, la tenue horizontale du bateau étant stabilisée, le travail des foils latéraux est facilité, l’aileron vertical de la quille ayant lui, une fonction de tenue anti-dérive de la partie arrière, les foils latéraux poussant la partie milieu avant du bateau. Aux allures portante, le bateau sera tenu en ligne et l’énergie perdue habituellement par dérapage sera récupérée,
stabilité de route parfaite et facilité de barre.
Cette « quille » protège le safran des chocs importants (épaves et autres) … Enfin, cette conception, et les foils à 45° permettent en fonctionnement en « autostabilité » (comme un Autogire…)
BRAS DE LIAISON À EFFET HYPERSUSTENTATEUR
Le concept du bras en aile étant de privilégier la portance due à l’intrados en ehet de sol, la « tuyère » étant constituée par le dessous du bras de liaison en aile, la surface de l’eau et les flancs intérieurs des flotteurs ; le problème relevant de techniques aéronautiques, il s’agit d’un problème « d’hypersustentation en effet de sol ».
Le but recherché est de déterminer le profil donnant le meilleur Cz, sans être au détriment de la trainée. La hauteur de l’aile sera inférieure à la corde de l’aile. L’intérêt essentiel de la formule est la finesse élevée (rapport entre le coefficient de portance Cz et le coefficient de trainée Cx) ; l’inconnue principale est la tenue par clapot court.
Hypothèse :
• l’écoulement est permanent et bidimensionnel (les flotteurs, foils latéraux et coque centrale réalisant l’allongement infini en première approximation), et turbulent.
• l’air est considéré comme incompressible (vitesse maximale envisageable : 40 M/S).
• augmentation de la divergence des filets. Deux possibilités :
• rapprochement de l’intrados du filet non déformé à l’infini : c’est « l’effet de sol ». En effet, le sol figure une ligne de courant non déformée, donc le filet à l’infini. En fait, le rapprochement du sol diminue la divergence du filet en amont et leur convergence en aval sur l’intrados.La combinaison des deux effets précédents donne lieu à l’hypersustentation en effet de sol.
• Cz étant proportionnel à la cambrure, incite à choisir comme profil de base un profil déjà cambré (Göttingen n°652). La poussée vers le haut doit avoisiner 1,5 t avec 30/40 Nds de vent apparent.
L’aérodynamicien procédera de la façon suivante : compte tenu du cahier des charges qui donnera les caractéristiques souhaitées pour le profil (coefficients de portance, de trainée et de moment), il déterminera une répartition des pressions sur l’aile en tenant compte de l’effet de plaque de la coque du flotteur.
Ces paramètres de pression constituent les données du programme qui, en vertu des lois de la mécanique des fluides,calculent les coordonnées du profil.
Les formes extérieures étant définies, il reste à chercher la manière de remplir les volumes, c’est-à-dire à calculer la structure en fonction des efforts mécaniques du couple de redressement. La poutre sera en carbone époxy et nida (calculs au CEA de Cadarache par la méthode des éléments finis).
Par rapport au CHARLES HEIDSIECK, où la partie travaillante est constituée par la moitié seulement du profil -côté bord d’attaque- (et où l’arrière de ce profil n’est qu’un carénage), nous adapterons le profil dans son ensemble au travail poutre. La masse économisée devrait atteindre 1 100 kg par rapport au précédent système.
MÂT AILE ET VOILE GONFLABLE
Le moteur habituel d’un multicoque classique -foc, mât tournant et grand-voile lattée à fort rond de chute- est très mal adapté aux vitesses atteintes actuellement : beaucoup de trainée, rendement très faible, rond de chute rendant les manœuvres dihiciles et dangereuses, voiles fragiles, etc. Notre grand-voile sera plus rectangulaire possible.
Sachant par ailleurs, que les rendements, -notés de 1 à 10 – des inhérentes formules, donnent schématiquement et par ordre de grandeur et à surface égale :
1,7 : voiles + mâture classique
1,8 : voiles classiques + mât tournant
2,4 : voiles épaisses + mât tournant
2,8 : voiles épaisses + mât tournant + fente
5,0 : rotor + aspiration couche limite
La formule : voiles épaisses + mât tournant + fente, – en gardant la possibilité d’un génois maxi léger pour le petit temps- s’impose.
Le dessin du mât aile dépend du profil choisi (NACA 65 A 015) et, à partir du moment de redressement maxi de 70 000 M/KG, la compression sur le mât est évaluée à 42,4 T, dont 60T encaissées par la poutre bras de liaison et le haubanage latéral, et par l’étai avant. Le mât peut être fabriqué à partir de profil existant ou extrudé en deux parties.
En ce qui concerne la voilure, nous avons opté dès le départ pour une voilure gonflée et non rigide : un poids inférieur et une relative facilité de mise en œuvre sont primordiaux. L’idée originelle consiste, en partant de l’âme centrale en voile classique, mais sans rond de chute, à marier deux poches en tissu mixte étanche venant de part et d’autre à 50% de la corde du profil.
Après avoir pris connaissance du projet, la société ZODIAC propose une voile épaisse gonflée entièrement (foc + grand-voile) par la pression d’arrêt du vent, gonflement effectué par deux écopes en tête des voiles, le profil étant réalisé par passage interne des goussets de lattes.
Il est à noter que ce moteur mât aile + voile gonflable est particulièrement adapté à fonctionner sur un voilier, du fait du peu de mouvements brutaux de ce genre de multicoque -mouvements6
d’autant plus néfastes que le moteur voilure est sophistiqué. Le principe général de sustentation par plusieurs points favorise encore ce concept.
COQUE CENTRALE ET FLOTTEURS
Les coques actuellement utilisées en multicoque tiennent plus du tube que de la carène balancée sur toute sa longueur. L’idée actuelle est que, au niveau de la trainée, des carènes aussi fines n’ont pratiquement pas de vitesse limite.
L’ennui vient du fait que, d’une part à la moindre surcharge ce gente de carène est pénalisé en surface mouillée par des flancs verticaux, d’autre part, vu leur conception longue et étroite, il n’y a aucune réduction de surface mouillée avec la vitesse.
Nous avons choisi une carène permettant -à longueur équivalente- la vitesse carène tubulaire, mais ensuite, sans transition brutale, permettant de monter progressivement et horizontalement avec l’accélération de l’écoulement. La carène est en V profond dans sa partie avant, contrairement à G.HEIDSIECK qui est en U. La réduction de surface mouillée au niveau des flancs de la carène et de l’étrave devenant rapidement effective, et ceci d’autant plus qu’un surcroit de vitesse augmente la portance des foils, diminue la trainée par allègement de l’ensemble, constituant un cercle vertueux…
Au départ, le principal avantage de cette formule est la réduction de surface mouillée de la coque.
Avec 22,60 M de LWL contre 23,0 M pour le catamaran « FORMULE TAG », nous obtenons seulement 42M2 contre 79M2 pour « TAG »…
Le foil sous le vent représente en surface à peine la dérive et le safran supplémentaire des catamarans (ou trimarans conventionnels).
Le rapport voilure/surface mouillée devient extraordinaire pour le MAXI FOILER PROVENCE-ALPES-CÔTE D’AZUR : 5,42M2 contre 2,91M2 pour « TAG » (ceci malgré un rapport voilure/déplacement raisonnable de 25,5 M2/T, compte tenu du bon rendement de voilure gonflable).
Un autre avantage est l’absence totale de dérive du MAXI FOILER, à opposer à la dérive des coques des catamarans, avec le supplément de trainée engendré par le tiers arrière des deux coques et des dérives, ceci expliquant en partie l’impossibilité de bien serrer de vent des catamarans, dû aussi au tangage violent des cata…
Pour ce qui est des flotteurs, nous avons limité leur volume total à 5M3 chacun afin d’obtenir une longueur de 12,000M, limitant ainsi les chocs dus aux vagues, et évitant ainsi la torsion dans la poutre. Les 5M3 sont à ajouter au demi-volume du bras de liaison, rendant ainsi le MAXI FOILER pratiquement inchavirable.
STABILITÉ ET ÉVALUATION DES CONTRAINTES
La stabilité latérale obtenue avec envergure de 23,00M est considérable : le moment de redressement maximum est évalué à 70 000 mkg. La stabilité longitudinale a été soignée en centrage maxi des poids, à partir de la position de moteur mât/aile (900 kg) sur le centre de gravité général. Le centrage de la poutre est axé en arrière de ce centre de gravité général ( 2 050 kg)
FOILS LATÉRAUX
Portance avec état de surface parfait
V : 10 nds P : 1 110 kg
15! 2 720
20: 5 160 kg … (vitesse moyenne stabilité : 60 372 m/kg)
25: 8 480
30: 12 680
35: 17 650
Surface efficace : 2,54 m2 à 45° de dièdre
Prof NACA 16.80.28 modifié pour être :
• Optimal et constant sur l’ensemble du foil;
• être plan à l’intrados de 10 à 100% des cordes (facilité de fabrication);
• développer une portance, normal au foil de 5 tonnes à incidence nulle à 20 nœuds
(trainée minimal);
• éviter tout risque de cavitation dans un domaine de vitesse et d’incidence très large
(risque de vibration, d’érosion, affaiblissement);
• permettre une bonne répartition des contraintes exercées permettant une meilleure
tenue du point de vue résistance des matériaux et durée de vie;
• garantie de fiabilité par fabrication SNIAS (AEROSPATIALE/HELICO);
• surface parfaite : + de portance;
• prix équivalent avec ferrures;
• attaque de jambe de force reculée et décalée de 0,30m par rapport au bord d’attaque
foil;
• montage rigoureux pour vérification de l’incidence nulle.
FOIL QUILLETTE
Portance avec état de surface parfait
V : 10 nds P : 260 kg
15 : 1 200
20 : 1 972
Surface efficace : 1,5m2
Amélioration : revoir et profiler les ferrures de fixation.
À 20 nœuds
Foil sous le vent : 5 160 kg
Foil au vent : 1 500
Quillette : 1 200
Total sustentation : 7 860 kg
À 25 nœuds
Foil sous le vent : 8 480 kg
Foil au vent : 1 700
Quillette : 1 972
Total sustentation : 12 152 kg
Améliorer à 10 nœuds – Portance de foils
———— 1,6 t (+ 10% et + de cambrure) ?
