Battre le record du monde de vitesse sur l’eau avec un engin non-motorisé: c’est le projet un peu fou, nommé SP80, qu’ont lancé trois ingénieurs de l’EPFL. Leur embarcation, qui ressemble à un avion flottant tracté par une voile de kite, est pensée pour atteindre les 80 nœuds marins, soit près de 150 km/h!
Pourquoi c’est fou. Le record actuel est de 65,45 nœuds ou 121,1 km/h (en moyenne sur une distance de 500 mètres). Aller plus vite nécessite de repenser voire dépasser la technologie qui a permis d’atteindre cette haute vitesse. Un pari que les trois amis espèrent remporter en ressortant des planches à dessin des constructeurs de navires des concepts datant du siècle passé, et en les optimisant.
Les protagonistes. Passionnés de voile et de vitesse, les trois co-fondateurs du projet sont ingénieurs en mécanique à l’EPFL, et d’origine française. Deux ont achevé leurs études (le Lyonnais Xavier Lepercq, 26 ans, et le Breton Mayeul van der Boeck, 25 ans) et sont employés dans le privé. Le troisième, Benoit Gaudiot, Toulonnais de 21 ans, fait son bachelor, et a été membre de l’équipe de France de kitesurf de vitesse. Ils se sont rencontrés dans le cadre de l’Hydrocontest, une compétition d’étudiants visant à faire développer par des équipes universitaires les technologies des bateaux du futur. Mayeul van den Broek:
«Alinghi jadis, et plus récemment l’Hydroptère, nous ont fait rêver. C’est grâce à ces projets que nous sommes venus tous les trois étudier à l’EPFL. Et que nous y revenons maintenant pour développer notre projet.»
En l’occurrence, un bateau en fibres de carbone de 7 m de long et de 6 m de large pour 150 kg.
Le point de départ. Longtemps, la technologie privilégiée pour gagner en vitesse sur l’eau fut celle des foils. Les foils sont des sortes d’ailes immergées qui, par l’entremise d’une différence de pression sur leur deux faces du fait de l’écoulement de l’eau, permet au navire de s’élever sur l’eau à partir d’une certaine vitesse. C’est ainsi qu’un voilier resté célèbre, l’Hydroptère, fut le premier à passer la barre des 50 nœuds (que les marins appelaient le «mur du vent»). Les voiliers de la dernière Coupe de l’America, à San Francisco, étaient aussi équipés de foils pour «voler».
Aller plus vite nécessitait toutefois de franchir un palier supplémentaire en termes de technologie. Les foils des voiliers volants ont un profil ovoïde à l’avant puis pointu à l’arrière, comme une aile d’avion. Cette forme est très hydrodynamique, mais a le fort inconvénient, à cause de la différence de pression sur ses deux faces, de générer des bulles à partir d’une certaine vitesse. Ce phénomène, appelé cavitation, finit, s’il est trop important, par freiner l’embarcation, la rendre très instable, voire endommager le foil.
La solution. Utiliser un profil très particulier pour le foil, «inspiré de travaux de design réalisés il y a plusieurs décennies mais largement oubliés depuis», explique Xavier Lepercq. Celui-ci n’est plus oblong, mais de forme triangulaire. Le bord d’attaque est très tranchant, et le foil se termine par un bord de fuite plat.
«Cette géométrie particulière, dite de ‘supercavitation’ ou ‘superventilation’ a pour effet de créer une poche d’air autour puis derrière l’aileron. De quoi se départir du phénomène de cavitation.»
C’est avec cette technologie que Paul Larsen, à bord du Vestas, un voilier asymétrique équipé de flotteurs, d’une immense voile, et d’hydrofoils supercavitants, a établi le record actuel, le 24 novembre 2012 en Namibie. Elle est aussi installée sur les hors-bord offshore équipés de puissants moteurs, dont les vitesses peuvent atteindre 190 noeuds (350 km/h).
L’idée des trois compères. Benoit Gaudiot:
«La marque de Paul Larsen tient toujours depuis sept ans. Mais nous sommes persuadés qu’il est possible d’aller plus vite encore.»
Comment? Avec une aile de kite pour la traction du navire. Au contraire d’une voile traditionnelle, qu’il faut toujours orienter de manière optimale, et avec laquelle l’équilibre du bateau tient toujours en deux points, la voile de kite permet de n’avoir qu’un seul point de traction, et donc une seule ligne de direction.
Les avantages. Il y en a plusieurs, estiment les trois concepteurs:
- Utiliser un kite permet une grande polyvalence: selon Mayeul van den Broek, la surface de la voile peut être choisie sans trop de contraintes, à l’inverse d’un voilier, sur lequel la voile ne peut pas être de taille disproportionnée par rapport à la coque.
- Une plus grande stabilité, surtout à haute vitesse. Benoit Gaudiot:
«En 2018, j’ai testé notre aileron dans le Sud de la France, jusqu’à une vitesse de 41 noeuds, sur une planche de kite. De façon très surprenante: plus j’allais vite, plus je gagnais en stabilité. C’est très prometteur pour notre concept.»
- La possibilité d’installer un système d’urgence:
«Détacher la voile de kite peut se faire en un seul clic, et même à distance depuis la côte, tandis que se débarrasser d’une voile simplement et rapidement n’est pas évident.»
Les défis. Il y en a deux, principalement:
- L’aileron supercavitant permet plus de stabilité, mais surtout à haute vitesse. Xavier Lepercq: «La stabilité doit être garantie à toutes vitesses, mêmes faibles, et à tout moment. Nous devons encore travailler sur ce point.»
- Il s’agira de gérer la puissance dans la phase de décollage. Benoit Gaudiot: «Installer la grande voile du kite (20 à 30 m²) dans un vent fort, entre 25 et 30 nœuds ne sera pas une sinécure.» Par ailleurs, «les kites n’aiment pas les vents instables.»
Xavier Lepercq:
«Le plus gros risque est la casse de l’aileron arrière supercavitant qui s’accroche dans l’eau. Cela pourrait mener à un crash sérieux. Nous devons encore faire les études appropriées à ce sujet »
La construction du navire. Pour l’heure encore au stade de concept sur le papier, le prototype devrait être construit en fibres de carbone haute de gamme, avec l’aide de la société ntpt, pour laquelle travaille Xavier Lepercq. Les pièces métalliques, elles, seront imprimées à trois dimensions par l’entreprise partenaire 3D Précision SA.
Surtout, les trois ingénieurs ont développé eux-mêmes un simulateur informatique qui leur permet d’évaluer les écoulements de fluides sur leur prototype pour l’améliorer.
L’avis des experts. Alain Thébault, pilote de l’Hydroptère (mais actuellement surtout actif sur des projets navires électriques, les SeaBubbles et les Hi-bus):
«On ne peut pas en rester au record actuel. J’encourage ces ingénieurs à persévérer, ces initiatives nées de projets d’étudiants sont importantes.
Cela dit, je me demande si le kite est le moyen de traction le plus approprié. Pour aller très vite, il ne permet pas d’obtenir un effet multiplicateur de la vitesse du vent aussi grand qu’une voile (ce qu’on appelle la ‘finesse’, dans le jargon). Par ailleurs, à très haute vitesse, leur navire, qui ne volera pas, devra faire face à slamming important, à savoir des contacts très réguliers avec les vagues. On peut évidemment tenter de naviguer très près des côtes, où le clapot est moindre – mais le danger est plus important.
L’utilisation de foils supercavitants est par contre une idée juste. C’est aussi un projet pour ma retraite que de tenter d’atteindre les 100 noeuds à la voile. »
Mohamed Farhat, maître d’enseignement et de recherche au laboratoire de machines hydrauliques de l’EPFL, qui ne fait pas partie du projet:
« C’est une idée très intéressante, mais sur laquelle il faut rester prudent. Faire entrer de l’air sur le foil pour éviter la cavitation est une technique connue et efficace, déjà expérimentée jadis par les militaires sur des torpilles par exemple. Cela dit, il faut garantir la stabilité, ce qui n’est pas évident.
Car dès que l’on introduit de l’air dans une telle situation au-delà d’un certain seuil, les effets peuvent devenir imprévisibles. Et les codes utilisés actuellement pour la modélisation physique ne permettent pas, à l’heure actuelle, de bien les simuler. Une de mes étudiantes effectue son travail de master sur les ailerons supercavitants de SP80; ses résultats sont attendus d’ici quelques semaines.»
Les prochaines étapes. Les trois ingénieurs ambitionnent maintenant de construire une maquette moitié moins grande que le prototype final, et de la tester sur le Lac Léman en mars 2020. L’engin lui-même devrait être fabriqué d’ici fin 2020. Les premiers essais et les développements finaux sont prévus en 2021. La tentative de record, elle, devrait avoir lieu en 2022, probablement au large de Narbonne (Sud de la France), où la tramontane devrait aider.
Le budget total du projet s’élève à 800’000 CHF sur quatre ans. «Nous sommes à la recherche de sponsors, dit Mayeul van den Broek. Nous avons actuellement des fonds pour tenir jusqu’à fin 2020.»
Le mot de la fin. S’imaginer à 150km/h sur l’eau, cela fait-il peur? Benoit Gaudiot, appelé à piloter le prototype:
«Oui, un peu quand même. Mais c’est comme d’aller à 130km/h sur l’autoroute dans une voiture récente, par rapport au déplacement à la même vitesse sur une route de campagne étroite dans une Twingo. L’acceptation de la sensation de vitesse – et la peur qui va avec – vient directement de la stabilité de l’engin (ou de son manque de stabilité). Nous espérons construire un engin aussi stable que possible.»
