Architecture du voilier

L’architecture est bien évidemment l’un des points les plus importants dans le choix d’un bateau pour le voyage. Les formes de carène, de coque, des appendices, impacteront directement les performances et la stabilité du voilier, et donc la sécurité et le confort de l’équipage.

Comprendre l’architecture du voilier, c’est comprendre son fonctionnement dans le milieu dans lequel il évolue : l’eau et l’air. La théorie de la mécanique des fluides, et plus précisément l’étude de l’hydrodynamique et de l’aérodynamique adaptées aux caractéristiques du voilier, vont permettre de le dessiner. Conception de la carène, du plan de dérive, du plan de voilure, vont influer sur la stabilité, facteur essentiel à la puissance du voilier, ainsi que sur la résistance à l’avancement conditionnant directement la vitesse. Quant à l’équilibre et au comportement du voilier dans la mer formée et les vagues, ce sont des éléments essentiels de confort et de sécurité.

De plus pour un voilier de grand voyage, le dessin de la carène et des plans de forme doit tenir compte des conséquences de surcharges importantes (autonomie, matériels redondants, pièces de rechange, pleins d’eau, de carburant, et vivres pour les grandes traversées), sans nuire aux capacités nautiques et aux performances du navire.

Une bonne conception architecturale conditionne aussi la robustesse de la construction, la simplicité de l’entretien du bateau, et une ergonomie réussie du plan de pont et des aménagements intérieurs. L’architecte naval se doit d’élaborer non seulement un voilier sûr et performant, mais aussi confortable et agréable à vivre en voyage, ainsi que facile à entretenir ou réparer loin de sa base.

L’évolution de l’architecture et du dessin des carènes des voiliers de croisière bénéficie des retombées de la course au large, et notamment des classes Open 60 ou plus récemment Open 40. On assiste de plus en plus à des carènes très performantes aux allures portantes avec un arrière très large et porteur, un recul du maître bau et une optimisation de la longueur de flottaison. Cette tendance améliore aussi l’habitabilité des voiliers de 40 pieds, mais n’est pas sans conséquence sur la capacité d’accueil de certains ports déjà anciens.

lignes d'architecture navale du voilierDessin d’architecture navale : extraits de plans de forme de la carène d’un voilier

Plus précisément à partir d’un cahier des charges, du programme des navigations anticipées et d’un budget établis avec l’armateur, l’architecte naval élabore un avant-projet définissant les dimensions caractéristiques du navire et une première idée de son agencement.
Ensuite l’architecte établit un devis de poids détaillé comprenant non seulement les éléments de construction (coque, pont, roof et superstructures, renforts), les équipements et pièces d’accastillage (moteur, winches, etc), les aménagements intérieurs, ainsi que le lest, le gréement et les appendices (quille ou dérive, safrans). Le poids et la position spatiale (verticale, transversale et longitudinale) de ces différents éléments donne une position théorique pour le centre de gravité du navire, dont la position réelle pourra être vérifiée ultérieurement en inclinant le voilier avec des manœuvres reliées à des dynamomètres.
Le poids du navire doit correspondre au déplacement de la carène, volume d’eau déplacé par cette partie immergée de la coque multiplié par la densité de l’eau de mer, et les centre de gravité et centre de carène alignés verticalement. Au déplacement lège s’ajoute la charge utile, incluant notamment le remplissage des réservoirs en eau et gasoil ainsi que l’équipage, l’équipement non obligatoire et les vivres, donnant le déplacement en charge du navire.

Des calculs hydrostatiques permettent de connaître les moments de redressement du voilier et d’établir les courbes de stabilité du navire, ainsi que les positions d’équilibre (gîte, assiette, enfoncement), la forme de la carène et donc son déplacement résultant variant avec la gîte, et les paramètres fondamentaux de la carène : courbes des aires, courbe des distances horizontales GZ entre centres de gravité et de carène en fonction des angles de gîte, positions des métacentres, plan de flottaison, surface mouillée et coefficients caractéristiques de la carène (eg. coefficient prismatique, position longitudinale du centre de carène, etc) qui influent notamment sur la résistance à l’avancement de celle-ci.
Chaque alternative du dessin de carène et d’appendices peut-être évaluée précisément afin de maximiser la vitesse du voilier aux différentes allures. Les programmes de VPP (Velocity Prediction Program) permettent de calculer les vitesses théoriques aux différentes allures, angles et forces de vent et d’établir les polaires du voilier.
Alors que par le passé les essais en bassin de la carène et des comparaisons par rapport à des séries connues (eg. Delft series, analyse d’Holtrop) permettaient d’évaluer les différentes carènes possibles, aujourd’hui les logiciels informatiques sont universellement utilisés. Cela va des modeleurs 3d, aux calculs hydrostatiques et de stabilité statique, aux simulations d’écoulement et de résistance des carènes (programmes d’analyse CFD : calculs de dynamique des fluides validés au préalable par des tests en bassin), aux prédictions de vitesse VPP à partir des différentes positions d’équilibre (poids, déplacement, moments : poussée vélique, résistance à la dérive, redressement en fonction notamment de la gîte, etc), aux calculs des structures (résistance aux efforts et à la pression hydrostatique basée en général sur la théorie des éléments finis : eg. poutres).
Toute production CE doit répondre à des normes internationales (eg. ISO 12217 et 12215) fixant des critères minimum de stabilité et de solidité définissant l’échantillonnage minimum auquel doit satisfaire la construction.

Comme de nombreux éléments de l’étude architecturale sont liés (eg. poids du navire et échantillonnage de la coque et structure, stabilité : volume et forme de la carène, position du lest, gréement, ballasts) l’architecte naval procède par itérations successives, en général à partir de travaux antérieurs ou d’éléments connus, jusqu’à atteindre une optimisation satisfaisante correspondant au cahier des charges.

L’architecte naval élaborera un dossier complet comprenant non seulement les plans de forme de carène, mais aussi un dossier détaillé pour la construction du navire (plans de structure de coque, pont, sections, échantillonnage, plan de voilure et de gréement, plan de pont (implantation de l’accastillage), plan de répartition du lest, ainsi que divers plans de détails (eg : cadènes, réservoirs, et le cas échéant le système de relevage de la quille ou dérive), les fichiers de découpe pour la coque, le pont et les superstructures, les plans d’agencement et d’aménagement intérieur et des schémas de principe pour la plomberie et les appareils électriques, ainsi que pour l’assèchement, la propulsion motorisée et l’hydraulique du navire.

L’architecte établit généralement un dossier pour la consultation des chantiers et pourra à la demande de l’armateur assister celui-ci dans le suivi de la construction; il assistera par ailleurs le constructeur pour établir le dossier de certification CE (eg. devis de poids définitif après pesées par le chantier, vérification de la stabilité et des critères d’envahissement suivant la norme ISO et la catégorie de navigation envisagée, c.a.d. la catégorie A pour un voilier de grand voyage !

Des ouvrages de références sur l’architecture navale du voilier : voir ici

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