Foil

Boeing Jetfoil sous un bateau à Hong Kong.

Les foils sont classés en deux familles :

• Foils à surface variable, traversant la surface :
  • Foils à échelle : plusieurs plans superposés. Système le plus ancien qui n'est plus utilisé à cause de la complexité de construction et la forte traînée due aux nombreuses interactions entre les montants et les plans porteurs.
  • Foils en oblique ou en « V », montés sur les hydroptères de première génération, suisses, italiens et russes (navire à grande vitesse), voilier L’Hydroptère.

• Foils à surface fixe immergés, le plus souvent en « T » inversé (Boeing Jetfoil, transport de passagers) ; Trifoiler & Windrider Rave, Moth à foil, hydroptères de loisirs). Il existe d'autres formes, en « Y » inversé, en « U », en « L », en courbe (dits « en cuillère »).

Dans le cas des foils traversant la surface, plus le bateau va vite, plus il monte et moins la surface immergée est importante. La vitesse compense la perte de surface portante, la portance restant constante.

Pour une vitesse donnée, le bateau s’élève jusqu'à ce que la portance soit égale au poids. La portance est dite autorégulée puisque (théoriquement) le bateau ne risque pas de monter au point de sortir un foil de l'eau. Ces foils ont généralement un angle de calage fixe mais ils peuvent aussi être réglables (calage variable).

L'immersion du foil étant réglée sur le niveau de la surface, le bateau suit le profil des vagues (inconfort par mer agitée).

Dans le cas des foils complètement immergés, la surface portante est entièrement et constamment immergée.

L’avantage de cette configuration est sa capacité à isoler le bateau de l’effet des vagues dès que sa vitesse est suffisante, pour que le navire décolle, et que la houle ne soit pas trop forte. Les supports ou montants ou « jambes » qui relient les foils à la coque ne contribuent généralement pas à la portance. Cette configuration à foils immergés peut présenter un rendement (portance/traînée) plus élevé mais n'est pas naturellement stable en tangage et en roulis. D'autre part la surface portante est constante quelle que soit la vitesse et la hauteur de vol. Sans système de régulation, rien ne stabilise la profondeur d'immersion : le foil peut arriver à l'interface air/eau. Pour ces deux raisons le navire doit être équipé d'un système de stabilisation active piloté par des capteurs d'altitude (comme sur le Moth à foil) ou par une centrale (capteurs d'altitude, accéléromètres).

Pour faire varier les portances longitudinales et transversales en fonction de la vitesse, du rayon de virage demandé et du poids du bateau, les foils doivent être équipés d'un système de variation de portance agissant sur le calage ou la cambrure du profil ou sur l'écoulement local.

On trouve dans cette famille le plus souvent des foils en « T » inversé, mais aussi en « U » ou en « L ».

Le système est piloté par des capteurs (gyroscopes, accéléromètres et capteurs de hauteur de vol) ; des vérins contrôlent la portance des foils.

Le système est souvent piloté mécaniquement par des palpeurs placés en avant du bateau ou par un capteur d'altitude (le plus souvent un flotteur qui plane à la surface de l’eau), cf. « Moth à foil » ou « Moth Foiler ».

Le Decavitator, au Musée de la science de Boston

Engins mus par la force humaine (human powered) :

• Le Decavitator est un engin de record de type catamaran propulsé par une hélice aérienne. La sustentation est assurée en dynamique par deux petits foils avant et un foil principal arrière. Un foil supplémentaire (rétractable) est immergé aux basses vitesses.
• L'aquaskipper est un engin de plage qui présente un double foil à l'avant et un grand foil à l'arrière. Le mouvement de haut en bas donné par l'utilisateur, imprime un mouvement ondulatoire sur le foil arrière grâce à un ressort en fibre de verre placé entre la fourche avant et la plateforme arrière. Le « surfeur » se tient debout sur la plateforme arrière[6].
• Les courses biennales de sous-marin à propulsion humaine rassemblent les élèves ingénieurs, universitaires, indépendants pour une compétition de technologie[7].

L'Aerosail de Stephane Rousson

Un voilier des airs ou voilier « sans masse » est un ensemble mobile maritime composé d'un élément maritime et d'un élément éolien,

Ce mode de transport utilise la force du vent, l'énergie éolienne, pour se déplacer comme un voilier.

Un voilier des airs a pour objectif de supprimer les traînées hydrodynamiques de la coque dans l’eau, la masse volumique des parties immergées devenant très faibles. Leurs masses est essentiellement sustentée par la partie aérienne ce qui en fait la différence principale avec les voiliers de type hydroptère dont la masse est sustenté par l'hydrofoil, d'où le nom de voilier sans masse (faisant référence à la masse volumique de la partie immergée très faible).

L'ensemble peut-être composé pour la partie aérienne d'un ballon, d'une aile de kite ou tout autre forme aérienne permettant d'engendrer une force aérodynamique et pour la partie maritime d'un hydrofoil. Les deux parties étant reliées par un ou plusieurs câbles.

Une enveloppe d'un ballon assimilée à une voile reliée à une dérive stabilisée sur 3 axes (aile d'eau ou foil) permet au voilier des airs de naviguer au vent. Le câble reliant l'hydrofoil au ballon sert de mât et le ballon de voile. L'Aerosail utilise un hydrofoil avec un profil symétrique permettant à l'aile de pouvoir aller dans les deux sens.

Une surface portante est caractérisée par :

• la forme du plan : le plus souvent rectangulaire ou trapézoïdale ;
• l'envergure de l'aile et la corde moyenne du profil, la surface étant le produit des deux ;
• l'allongement, qui est l'envergure divisée par la corde moyenne.

Le choix de la forme en plan est lié à la distribution de portance en envergure souhaitée :

• pour des raisons hydrodynamiques, un fort allongement permet de réduire la traînée induite par la portance ;
• pour des raisons structurelles (poutre en flexion, moment fléchissant), il est souhaitable de limiter l'allongement et d'épaissir les profils.

• Selon l'effet Coanda et la loi de Newton.

Du fait de la viscosité du milieu, la masse d'air en mouvement qui rencontre un profil cambré suit la surface de ce profil ; la masse d'air est déviée, c'est l'Effet Coanda[8]. En réaction à la quantité de mouvement de la masse d'air déviée dans un sens (vers le bas pour un profil porteur), l'aile est tirée dans l'autre sens (vers le haut), en vertu de la troisième loi de Newton[9]

• Selon la différence des vitesses et des pressions.

La dissymétrie d'un profil cambré entraîne des vitesses plus élevées sur l'extrados et plus faibles sur l'intrados. L'hypothèse d'incompressibilité du fluide étudié permet d'expliquer cela. En effet, cette hypothèse permet de montrer la conservation du débit volumique de l'écoulement. Sur l'extrados, les lignes de courant se resserrent, la surface diminue donc la vitesse augmente par conservation du débit volumique et l'inverse se produit sur l'intrados. Selon le théorème de Bernoulli, utilisable uniquement sous certaines hypothèses supposées vérifiées lorsqu'un foil fonctionne, ( écoulement homogène, incompressible et statonnaire[10]) la pression diminue quand la vitesse augmente et inversement. Ainsi, une surpression se crée sur l'intrados et une dépression sur l'extrados ce qui entraîne une force de portance vers le haut et permet au foil de se soulever.
Cette explication s'applique mal à la portance des profils symétriques minces et des plaques planes sans épaisseur.

Le profil est la section longitudinale (parallèle à la vitesse) d'une aile portante.

Les profils sont généralement définis par leurs caractéristiques géométriques principales et leurs caractéristiques hydrodynamiques (coefficients de portance, traînée, moment en tangage). Les profils les plus connus (NACA) sont classés géométriquement par familles (distribution d'épaisseur, cambrure, épaisseur).

La géométrie d'un profil est définie par les éléments suivants :

• La cambrure (rapport flèche de la ligne moyenne/corde) :
  • si le profil est symétrique (portance de chaque côté), la cambrure est nulle.
  • si le profil est asymétrique (portance privilégiée dans un sens), la cambrure est le plus souvent de l'ordre de 2 à 5 %. On peut faire varier la cambrure avec un volet mobile au bord de fuite.

    un profil asymétrique est dit « plan-convexe » si l'intrados est plat.

• L'épaisseur relative (par rapport à la corde), critère important pour la tenue en flexion de l'aile ;
• La distribution de l’épaisseur (rayon du bord d’attaque, emplacement de l'épaisseur maximale).

Le profil est choisi en fonction des critères principaux suivants :

• La cambrure : elle est fonction du coefficient de portance (Cz) demandé ; c'est le critère le plus important ;
• L'épaisseur : elle conditionne la résistance en flexion de l'aile et la déformation sous charge (en fonction de la portée) ;
• La vitesse : distribution de l'épaisseur et des pressions dynamiques pour éviter la cavitation. Il existe des profils dits « cavitants ou super cavitants » (profils spéciaux à faible dépression relative à l'extrados) pour empêcher ou retarder la cavitation aux grandes vitesses.

Le Cz ou coefficient de portance, dépend de la masse, de la surface portante et de la vitesse. Valeur fréquente : 0,4 à 0,7 à la vitesse de croisière. La portance est F = q S Cz avec q = pression dynamique = 1/2 rho V² et rho = masse volumique du fluide.

Le Cx ou coefficient de traînée du foil, dépend :

• Du profil et de son état de surface. La rugosité de surface influe sur le coefficient de traînée de frottement (effet de la laminarité),
• De la traînée induite par la portance (influence de l'allongement, de la forme en plan, des interactions),
• De la proximité de la surface (influence de l'immersion sur le champ de vagues).

La calage (en anglais incidence ou rake, est l'angle entre la corde du profil (droite joignant le bord d'attaque au bord de fuite) et la référence de position (en général l'assiette de fonctionnement nominal, à la vitesse de croisière). Le calage peut être réglable pour modifier la portance. Bien noter que incidence en anglais ne veut pas dire incidence en français. Noter aussi que le terme anglais rake désigne en aviation, par exemple pour les hélices, la pente locale du bord d'attaque (forme en plan, angle de flèche) et non un angle de calage.

Angle d'incidence d'un foil

L'angle d'incidence (en anglais AoA, angle of attack) d'un foil est l'angle entre la corde du profil (droite joignant le bord d'attaque au bord de fuite) et l'écoulement (le vecteur vitesse local). Quand l'assiette augmente, l'incidence et la portance augmentent.

L'angle d'incidence d’un gouvernail, qui est une surface verticale à profil symétrique, est égal à zéro lorsque le gouvernail est dans l'axe du bateau, sous réserve que le bateau ne dérive pas (n'avance pas en crabe).

La portance augmente avec l'incidence (pente de portance). À partir d’un certain angle, dont la valeur varie en fonction du profil et de l'allongement de la surface portante, il y a un décollement de l'écoulement dit décrochage et perte de la portance.

Pour un profil symétrique comme un gouvernail, l’angle de portance nulle est égal à zéro : le gouvernail doit être dans l’axe des filets d'eau pour annuler la portance latérale.

Pour un profil asymétrique, pour obtenir une portance nulle, le plan doit être mis en incidence négative ; c’est cet angle qui est appelé « angle de portance nulle ». Un ordre de grandeur de cet angle est donné par la valeur de la cambrure (rapport flèche/corde) du profil : un profil cambré à 4 % a un angle de portance nulle d'environ -4°.

• Aile (aéronautique)
• Hydroptère
• Profil (aérodynamique)
• Foiler
• Moth (bateau)
• Voilier des airs
• Wing foil

• Le Foilflex (« trottinette » sur foil)
• (en) Human powered Hydrofoil