Les flotteurs d'un trimaran de loisir

Veau lumineux ou sommaire cible ?

Flotteurs volumineux ou submersibles ? That is the question.

 

La présentation du projet Trek+Ultra a inspiré de nombreux et enrichissants échanges de point de vue sur cette question fondamentale.

Je vous propose dans cette page de faire la synthèse des infos apportées par chacun et de poursuivre ici le développement de la réflexion et les remontées d'expérience via les commentaires bienvenus de chacun.

 

Un max de plaisir, sans risquer sa peau ni se ruiner

Au-delà du projet susnommé, le débat porte plus généralement sur le meilleur compromis de volume (et écartement) des flotteurs pour un trimaran de loisir sachant que l'objectif à atteindre est triple :

 

 

1. sécurité
2. économie
3. plaisir

 

 

 

Sécurité

On pourrait dire qu'un trimaran sécurisant est un engin sur lequel le risque de chavirage est réduit à un niveau tel qu'il en devient fort improbable … même si cette éventualité reste toujours possible lorsque des erreurs ou incidents (écoute bloquée, manœuvre malvenue, casse, …) viennent s'ajouter à des éléments extérieurs défavorables (rafale violente, vague perfide, obstacle, …).

 

On comprend aisément que le statut de "quasi-inchavirable" ne dépend pas uniquement de la conception du voilier mais également des conditions de navigation, de l'expérience de l'équipage, des décisions du skipper, …
Difficile de garantir la survie de l'équipage totalement novice parti en pleine tempête en balançant toute la toile pour le fun…

Pour esquisser des limites, disons que les conditions de nav sont celles de la catégorie C (force 6 et 2 mètres de creux), que l'équipage est moyennement expérimenté (il sait naviguer mais sans forcément être aguerri aux subtilités des multicoques) et que le skipper a raisonnablement décidé d'adapter la surface de voile aux conditions de vent sans chercher à naviguer "sur le fil du rasoir".

Dans ces conditions, moyennant l'application de consignes claires et faciles à mettre en pratique, le bateau doit permettre à l'équipage de naviguer sans risque, sans stress ni angoisse, et sans exiger de sa part une condition physique particulière, des dons d'équilibriste ou des réflexes de champions.

Afin de limiter également le périmètre de l'étude, ne seront pas abordés ici les réflexions visant à obtenir une inchavirabilité totale ou un redressement plus ou moins facile du trimaran en cas de chavirage.
Si certains d'entre vous souhaitent développer l'analyse des solutions existantes ou novatrices (gréement "fusible", flottabilité en tête de mât, ressalage à l'aide des flotteurs, …), qu'ils ne se privent pas de me faire parvenir un petit texte qui permettra d'ouvrir ces autres sujets de discussion.

 

Economie

Pour que le trimaran de loisir envisagé puisse être accessible au plus grand nombre, il est important que son coût reste "raisonnable"… Mais où s'arrête la raison ?

 

Comparée à la solution "la moins chère", la solution proposée pourra être plus onéreuse si elle apporte une sécurité et un plaisir de navigation justifiant cette dépense.
Là encore, pour mettre des limites, disons qu'un surcoût de 5% du prix total est acceptable (1000 € de plus pour un tri de 20 000 € au départ) et qu'un maximum de 10% reste envisageable (2000 € de plus). Au delà, la facture commence à s'alourdir significativement.

 

Plaisir

 

Le plaisir tiré de la navigation à la voile est complexe à mesurer. Il dépend de multiples facteurs dont l'importance, de plus, diffère selon les individus.

D'entrée de jeu, on pense à la performance pure (là, c'est facile, il suffit de mesurer la vitesse à l'aide d'un GPS ou d'un speedo) mais c'est loin d'être le seul critère. Prenons l'exemple extrême d'un ferry lancé à 30 nœuds mais sur le pont duquel on n'éprouvera aucun plaisir ni sensations.

Le passage en douceur et en silence dans les vagues, l'absence d'à-coups et de sillage contribuera au bonheur des uns … et à l'assoupissement des autres.
A contrario, la vivacité des accélérations, les gerbes d'eau et les départs au surf combleront les autres … mais pourront contrarier les uns.

Super tout ça … Et on fait comment pour notre trimaran de loisir ?

Si l'objectif commun est d'arriver à un engin capable de satisfaire une majorité d'entre nous, je ne vois qu'une solution politiquement correcte : le compromis.
Cela donne un engin qui préfère les moyennes aux extrêmes. Ni trop nerveux, ni trop souple. Pas le plus rapide mais pas le plus lent.
Une unité qui n'a pas la prétention de combler le barreur "tête brûlée" cherchant à sauter les vagues en équilibre sur un flotteur, ni celle d'exaucer l'équipière souhaitant faire la sieste dans un calme absolu … mais qui a l'ambition de pouvoir convenir aux deux ensemble.
Bref, pas excellent dans un domaine mais plutôt bon partout.

 

Que faut-il choisir ?

Maintenant que les bases de notre recherche sont un peu plus clairement annoncées, voyons quels choix s'offrent à nous pour y répondre.

 

 

Qu'est-ce qui fait chavirer ?

Si l'on oublie la casse, il reste 2 causes principales de chavirage :

1. le vent trop fort
2. l'enfournement

 

 

Trop de vent

 

Quand le vent forcit, que ce soit progressif ou bien soudain sous la forme d'une rafale ^{(flèche bleue)}, l'énergie captée par les voiles augmente considérablement.

En simplifiant, on peut dire que ce surcroît de puissance doit être absorbé de 2 manières possibles :

 

• sous forme d'accélération du bateau ^{(flèche verte)} (c'est l'effet recherché)
• sous forme de gîte ^{(flèche rouge)} (là, c'est plutôt subi)

 

L'atout du multicoque léger, c'est qu'il transforme facilement la puissance du vent en accélération. Chouette !

Mais arrive un moment, plus particulièrement au près et face aux vagues, où il n'arrive plus à accélérer (ou plus suffisamment).
La surpuissance va alors se transformer en force de basculement, annonciatrice du chavirage.

Quelle est la meilleure parade pour éviter ce dénouement fâcheux ? Vaut-il mieux un flotteur qui accepte ou qui refuse de s'enfoncer dans l'eau ?
Il est amusant de voir que les différents constructeurs de trimaran vantent leur choix de volume de flotteur comme étant un élément de sécurité, que ce choix les ait amené à opter pour un flotteur peu ou, au contraire, très volumineux.
Essayons de comprendre et de juger par nous même.

 

Cas du flotteur submersible

Si le volume du flotteur est modéré, ce dernier peut s'enfoncer dans l'eau et "consomme" ainsi le trop plein d'énergie de la rafale. Ce mouvement amortisseur étant progressif, la personne qui s'occupe de l'écoute de GV dispose de plusieurs secondes pour réagir en choquant afin d'enrayer le phénomène.

 

On notera que le flotteur enfoncé sous l'eau freine le bateau ce qui diminue la part de la puissance du vent dévolue à la vitesse qui, du coup, vient augmenter un peu plus la part déjà utilisée à faire gîter le bateau.

Cependant, en enfonçant un flotteur dans l'eau, le tri se met à gîter et le mât s'incline, permettant aux voiles de s'effacer en partie et de diminuer ainsi la puissance du vent encaissée.

C'est le même principe que celui du monocoque qui gîte jusqu'à se retrouver en équilibre… sauf qu'ici, plus le trimaran est gîté et moins le flotteur est efficace pour l'aider à ne pas chavirer. Il ne faut donc pas en abuser.

Dans la pratique, l'expérience en Magnum 21 ou Astus 20 montre que la rafale à force 6, encaissée au près serré, parvient à faire plonger profondément le flotteur sous l'eau si l'on est surtoilé et que l'on n'a pas eu le réflexe de choquer l'écoute. Cependant, cette rafale mal négociée est, normalement, incapable de faire chavirer le trimaran car il se retrouve tellement gîté que les voiles sont déventées. Le bateau fini par se remettre à plat tout seul lorsque la rafale est passée.

Cependant, l'histoire montre aussi que dans des cas particuliers et défavorables - une vague malvenue ou l'équipage qui dégringole en s'accrochant à la GV ou encore, un effet dynamique pervers - le mouvement de gîte peut se poursuivre jusqu'au chavirage. Ces "coups de pas de bol" sont heureusement fort rares.

 

Cas du flotteur insubmersible

Là, lorsque la puissance du vent n'est plus transformée en vitesse … c'est la coque centrale qui décide de s'envoyer en l'air !

 

Plus le flotteur est volumineux et plus le moment du chavirage peut arriver brusquement et sans signe annonciateur.

Lorsque la coque centrale décolle, de la même manière qu'avec le flotteur submersible, le tri s'incline et les voiles s'effacent en partie ce qui réduit l'énergie assignée au chavirage. Par contre, aux forts angles de gîte, le trimaran expose au vent ses 2 trampolines qui peuvent représenter une surface significative pour peu qu'il s'agisse d'un trimaran large. Heureusement qu'avec son flotteur sous le vent qui reste posé sur l'eau, on n'est pas exposé au même phénomène de freinage qu'avec un flotteur submersible.

 
En règle générale, les calculs montrent que l'angle de chavirage est plus vite atteint avec les trimarans qui montent sur leur flotteur tandis que ceux qui l'enfoncent sous l'eau disposent d'une dizaine de degrés de gîte supplémentaire avant de partir faire la culbute, entraînés par leur mât.

Pour éviter le retournement sans préavis, il faut réagir rapidement en choquant en grand la grand-voile. Comme en cata de sport, lorsque la brise est là, il convient de rester vigilant avec la main sur l'écoute mais avec l'expérience et la connaissance du bateau, on pourra se régaler à naviguer en équilibre sur son flotteur.

Et côté performance, il n'y a pas photo. C'est avec ce type de flotteur qu'on ira le plus vite, particulièrement au près.

 

Cas du flotteur intermédiaire

Entre le flotteur "très submersible" qui disparaît sous l'eau au moindre petit pet de vent et le flotteur "très insubmersible" qui refusera de s'enfoncer d'un pouième, même sous la torture, il existe une quantité de solutions intermédiaires avec par exemple, des flotteurs submersibles à fond relativement plat qui mettront du temps avant de commencer en s'enfoncer ou des flotteurs légèrement insubmersibles à fond en V qui s'enfonceront progressivement sous l'effort même s'ils ne disparaissent jamais complètement sous l'eau.

 

 

L'enfournement

 

Un autre moyen pratique pour mettre un multicoque cul par-dessus tête est de lui faire un joli croche-pied.
Commencez par le lancer à pleine vitesse, puis plantez lui brutalement l'étrave du flotteur sous une vague. Peut-être aurez-vous alors la chance d'avoir un joli cliché souvenir vous montrant le nez planté dans l'eau avec la jupe à la verticale.

Si "faire un soleil" est une figure acrobatique couramment pratiquée en cata de sport, c'est bien moins évident avec un trimaran de loisir plus grand. Je dirais même que cela me paraît difficilement envisageable avec un tri à flotteurs submersibles.
Car pour y arriver, il faut arriver avec une grande vitesse et parvenir à le planter net pour que son élan l'entraîne poupe par-dessus proue. Or, lorsque l'on plante brutalement un flotteur submersible sous l'eau, il se passe la même chose que lorsqu'une rafale fait plonger le même flotteur : le bateau ralentit mais ne s'arrête pas.

L'inertie de la coque centrale avec son équipage est trop importante et emporte le flotteur qui est traîné sous l'eau.
On pourrait s'attendre à ce que ce frein latéral fasse abattre le bateau mais il n'en est rien. Il continue tout droit en ralentissant seulement à cause de son labourage mais aucune velléité d'acrobatie.

Qu'en est-il avec un tri à flotteur insubmersible qui enfourne à pleine vitesse ? Le risque de soleil est-il important ? A partir de quel volume le risque existe-t-il ? Que ceux qui ont testé n'hésitent pas à nous faire part de leurs enseignements …

 

Stabilité latérale

 

Autre remarque concernant les flotteurs submersibles.
Ceux-ci limitent le plus souvent leur volume en réduisant leur longueur par rapport à un flotteur insubmersible. C'est ainsi que l'on voit parfois des flotteurs dont l'étrave se retrouve pas mal reculée par rapport à celle de la coque centrale.

Si ce n'est pas gênant la plupart du temps (c'est même très bien, j'imagine, pour la manoeuvrabilité du bateau), il existe un risque de manque de soutien de la part du flotteur dans le cas très particulier d'une rafale encaissée (= gîte) combinée à une vague abrupte inclinant le bateau vers l'avant… C'est le cas du gamin qui bascule avec son vélo dans un virage serré parce que ses roulettes stabilisatrices sont montées tout à l'arrière.

 

Qu'est-ce qui coûte ?

 

Regardons maintenant le problème sous l'angle financier.

 

Construction du flotteur

 

Un flotteur plus volumineux, c'est plus de matière... donc plus d'argent et de poids.

En première approximation, si l'on considère que la section reste la même et que l'on joue seulement sur la longueur du flotteur pour augmenter son volume, on peut dire grossièrement qu'un flotteur X % plus volumineux est X % plus long donc X % plus cher.

Passer d'un flotteur de 80% ^(*) de flottabilité à 120% reviendrait alors à augmenter son prix de construction de 50% soit un impact d'environ 7% sur le coût total du bateau.

Gyls29 nous indique que si l'augmentation du volume du flotteur est obtenue en jouant sur les 3 dimensions (longueur, largeur et hauteur du flotteur), l'impact sur le coût s'en retrouve nettement diminué.

En effet, si l'on applique un facteur d'échelle 2 sur un flotteur :

 

• sa longueur se retrouve multipliée par 2 (idem pour sa largeur et sa hauteur)
• sa surface de matière est multipliée par 4
• son volume est multiplié par 8

 

Sachant que le poids et le coût varient approximativement en fonction de la surface de matière, une augmentation de 50% du volume du flotteur, en augmentant ses 3 dimensions au lieu d'une seule, nécessite une augmentation de seulement 25% de surface de matière, soit 25% seulement du coût du flotteur (et de son poids). L'impact sur le coût total du trimaran se limite alors à 3 ou 4 %, soit 2 fois moins qu'en se contentant d'allonger le flotteur.

^(*)Le volume du flotteur (en litre) est souvent exprimé en le comparant (en %) au déplacement total du bateau (en kilo).
Ainsi, pour un tri  de 100 kg :

 

• des flotteurs à 80% (submersibles) feront 80 litres
• des flotteurs à 100% (limite entre submersible et insubmersible) feront 100 litres
• des flotteurs à 120% (insubmersible) feront 120 litres

 

 

Impact sur la structure

 

On l'a expliqué précédemment, en s'enfonçant dans l'eau, un flotteur permet de dissiper une partie de l'énergie de la rafale.
Si le volume plus important du flotteur limite son enfoncement, cette énergie est alors transformée en accélération.

C'est bien … sauf que cette transmission d'énergie plus importante suppose des efforts plus conséquents sur la structure (poutres, liaisons, gréement,…) lorsqu'il s'agit de faire passer un voilier de plusieurs centaines de kilos de 16 à 20 nœuds en quelques secondes.

Autre conséquence, le bateau est plus rapide (surtout au près, face au vagues) donc il doit encaisser des chocs plus violents sur une mer formée. Là aussi, ces efforts supplémentaires doivent être pris en compte dans les renforts de structure.

Au final, pas évident d'évaluer l'impact financier sur la construction du bateau.
Faut-il rajouter 5, 10 ou 15% sur le prix total lorsque l'on passe d'une puissance de flotteur de 80% à 120 % ?…

A titre d'exemple, on peut comparer les prix du Magnum 21 standard (flotteurs à 80%) et du Tricat 22 (flotteur à 200%). Ce dernier est environ 40% plus cher sachant qu'en plus des renforts de structure et de la construction de flotteurs plus imposants, ce surcoût intègre des voiles et de l'accastillage également revus à la hausse.

 

Qu'est-ce qui fait plaisir ?

On l'a vu précédemment, en cherchant à contenter un maximum de skippers et d'équipiers, on s'oriente vers des solutions intermédiaires : pas trop submersible pour ne pas frustrer celui qui veut continuer d'accélérer … et pas trop insubmersible pour ne pas angoisser le skipper peu aguerri.

 

Un enseignement intéressant apporté par Martial : si le flotteur peu volumineux convient parfaitement au multicoquiste débutant qui sera rassuré par l'impossibilité de porter trop de toile, il est probable qu'au bout de quelques années, une fois l'utilisation de la bête parfaitement assimilée et maîtrisée, celui-ci se retrouve méchamment tenté par des flotteurs plus volumineux afin d'accroître la puissance et les possibilités de sa machine …

 

Parlons chiffres

 

 

Echelle de puissance

 

La puissance du trimaran, c'est-à-dire sa capacité à accélérer et à atteindre des vitesses élevées, dépend de plusieurs facteurs.

 

Puissance du moteur

 

Ce sont les chevaux disponibles sous le capot. Cette puissance s'exprime communément en comparant la surface de voile au près avec le poids du bateau en navigation.

Avec un équipage de 2 personnes et 50 kilos d'équipement (+200 kg au total), on obtient les ratios suivants :

	Poids à vide (kg)	surface au près (m²)	Ratio m²/tonne
Multi 23 Sport	305	29	57,4
Kelsall 28 (Martial)	800	55	55,0
Hobbie Cat 16	145	18,9	54,8
Multi 23 Loisir	300	26	52,0
Trokril 21	350	27,5	50,0
Tricat 22 Sport	300	23	46,0
Trek+Ultra	325	24	45,7
Magnum 21 S	335	23	43,0
Typhoon 25	500	30	42,9
Tricat 22 raid	300	21	42,0
Astus 20.1	380	23	39,7
Astus 16.1	240	17,2	39,1
Magnum 21 standard	330	20	37,7
Corsair F24	816	33,8	33,3
Dragonfly 800	1050	34	27,2

 

Volume des flotteurs

Plus il y a de volume et plus l'engin est capable de continuer d'accélérer sous les rafales.
Cette puissance s'exprime en % du volume en litre d'un flotteur comparé au poids total du bateau en kilos.

 

Avec notre même équipage de 2 personnes et ses 50 kilos d'équipement, on obtient les ratios suivants :

	poids à vide (kg)	flotteur (litres)	%
Multi 23	305	1000	198%
Tricat 22	300	950	190%
Corsair F24	816	1780	175%
Trek+Ultra (tonic)	340	575	106%
Kelsall 28 (Martial)	800	1000	100%
Typhoon 25	500	650	93%
Trek+Ultra (cool)	325	475	90%
Astus 20.1	380	500	86%
Magnum 21	335	350	65%

 

Ecartement des flotteurs

Le volume des flotteurs ne suffit pas à caractériser la capacité du trimaran à transformer une rafale en vitesse. Une donnée tout aussi fondamentale est à prendre en compte : l'écartement du flotteur par rapport au mât.

 

En schématisant, on peut considérer qu'un flotteur 2 fois moins volumineux aura le même effet si le trimaran est 2 fois plus large.

Donc, en simplifiant, si l'on veut comparer réellement la puissance "encaissable" par un trimaran avant qu'il ne faille choquer les écoutes, il convient de multiplier le volume du flotteur par son écartement du mât (en gros, la moitié de la largeur du trimaran).

	volume flotteur (litres)	largeur totale (m)	puissance
Corsair F24	1780	5,5	4895
Kelsall 28 (Martial)	1000	6,3	3150
Multi 23	1000	4,8	2400
Tricat 22	950	5,02	2385
Typhoon 25	650	6	1950
Trek+Ultra (tonic)	575	4,65	1337
Trek+Ultra (cool)	475	4,65	1104
Astus 20.1	500	3,88	970
Magnum 21 S	350	4,9	858
Magnum 21 standard	350	4,08	714

Autre chiffre synonyme de puissance, intéressant à comparer : le rapport entre la longueur du bateau et sa largeur.

	longueur (m)	largeur (m)	ratio largeur/longueur
Typhoon 25	7,5	6	80%
Trokril 21	6,3	5	79%
Magnum 21 S	6,3	4,9	78%
Trek+Ultra	6	4,65	78%
Corsair F24	7,3	5,5	75%
Dragonfly 800	8	6	75%
Astus 16.1	5,1	3,8	75%
Kelsall 28 (Martial)	8,5	6,3	74%
Tricat 22	6,8	5,02	74%
Multi 23	6,7	4,8	72%
Magnum 21 standard	6,3	4,08	65%
Astus 20.1	6,1	3,88	64%
Hobbie Cat 16	5	2,4	48%

Il s'agit de nuancer les chiffres ci-dessus car il ne suffit pas d'ajouter indéfiniment du volume au flotteur ou de l'écarter sans fin de la coque centrale pour accroître la vitesse du bateau à loisir.
Au bout d'un moment, soit c'est la coque centrale qui décolle jusqu'à l'éventuel chavirage, soit c'est le gréement qui casse.

 

Conclusion … provisoire

 

Tentons de faire la synthèse et de tirer une conclusion de toutes ces belles paroles.

Dans notre recherche du meilleur compromis, il est clair que la solution tourne autour de cette limite entre flotteur submersible et insubmersible.

Il faut absolument conserver des flotteurs capables de s'enfoncer dans l'eau pour que l'équipage soit prévenu du danger potentiel.

D'un autre côté, il faut essayer d'y mettre un maximum de volume pour avoir le plaisir de disposer d'un bateau capable de continuer d'accélérer lorsque le vent monte.

Enfin, l'écartement du flotteur est également à prendre en compte dans le bilan de puissance du bateau sachant que celui-ci impacte le coût total de l'engin au fur et à mesure que la puissance augmente.

Pour parler plus concrètement, qu'est ce que cela donne concernant le projet du trimaran de loisir Trek+Ultra ?

La longueur est fixée à 6 m et la largeur entre 4,60 m et 4,70 m afin de disposer de la place nécessaire pour pouvoir installer des tentes double sur les trampolines.
On arrive alors à un ratio largeur/longueur de 78% qui est l'un des plus important du comparatif… pas très loin de ce que l'on trouve sur les trimarans de course.

Du coup, pour limiter les coûts liés à la puissance, le volume des flotteurs ne sera pas trop ambitieux.
Avec 475 litres, on arrive à 90% du poids total du bateau avec son équipage. Le flotteur reste submersible mais le bras de levier offert par la largeur importante du bateau lui permet un potentiel de vitesse supérieur à ceux des Magnum 21 et Astus 20 pris en exemple.

Comparativement à ces derniers, la position avancée de la poutre avant permet de bien avancer la position de l'étrave du flotteur pour qu'il remplisse correctement sont rôle de "béquille" en toute circonstance.

Cette solution n'est pas très éloignée des exemples connus (Astus 20 et Magnum) donc présente le mérite de limiter les risques de mauvaises surprises techniques et financières.

Cependant, à entendre l'ami Martial nous expliquer comment il se régale avec son tri depuis qu'il l'a boosté, il est clair qu'une autre version plus puissante mérite d'être étudiée.
Avec un volume de flotteur revu à la hausse (575 litres), on passe à 110% du déplacement total c'est-à-dire à un flotteur "légèrement insubmersible". Probablement un compromis entre performance et sécurité proche de l'idéal.
Reste à calculer quel serait l'impact sur le coût total de cette version "tonique" comparé à la version plus "cool". Si le surcoût reste acceptable, il n'y aura plus à hésiter !

De Jean-marc Schwartz, février 2008