CAP SUR n°1- La motorisation sur les voiliers catamarans

« Cap Sur », c’est quoi ?

Ce sont des articles rédigés par les architectes, designers et ingénieurs navals de l’agence Vincent Lebailly Yacht Design. Ces articles abordent différents sujets conceptuels (nautiques bien entendu) et s’autorisent un regard critique quant aux solutions techniques, ergonomiques et stylistiques, apportées par nos concepteurs et constructeurs contemporains.

Dans le présent article nous abordons la motorisation des catamarans voiliers de voyage.

Théorie puis essais et photos à l’appui, nous passerons en revue les solutions existantes pour motoriser un catamaran voilier de grande croisière et proposerons notre vision d’une solution que nous privilégions et argumenterons sa présentation en intégrant des notions essentielles telles que coût, rendements, masses et entretiens.

Introduction :

La majorité des constructeurs de catamarans de grande plaisance équipent leurs unités de deux moteurs de propulsion identiques.

Une conception de montage symétrique qui se justifie par plusieurs facteurs :

Pour l’usager tout d’abord :

• La simplicité d’utilisation est un facteur clé dans le choix de cette solution technique. Les deux moteurs sont positionnés au même endroit sur chaque carène et disposent de la même puissance. Le comportement du bateau qu’il pivote sur tribord ou sur bâbord s’en trouve quasiment identique. Ceci est par ailleurs d’autant plus appréciable dans le monde de la location pour lequel la majorité de ces catamarans construits sont dédiés : Une bi motorisation identique permet en effet une « symétrie » des manœuvres et un équilibre optimal du bateau dans ses performances au moteur, d’autant plus dans les manœuvres portuaires avec des capitaines et équipages qui doivent prendre le bateau en main dès la première manœuvre.
• Disposer des deux moteurs à bord, c’est aussi et surtout une sécurité. L’autonomie du bateau est préservée en cas de panne de l’un des deux moteurs grâce à la propulsion du second moteur qui lui est identique. Un catamaran avec deux moteurs c’est également une propulsion soulagée, qui travaille sur deux moteurs et non sur un seul.

Du côté constructeur, cette bi-motorisation présente également plusieurs avantages :

• Une construction optimisée et calibrée avec un montage identique dans les flotteurs bâbord et tribord.
• Une maintenance identique de la part des techniciens avec des pièces de rechange standardisées et communes aux deux moteurs.

Cependant, un catamaran voilier demeure avant toute considération mécanique, un voilier à part entière. Ce voilier, comme ses confrères monocoques, équipés à presque 100% d’un unique moteur de propulsion, se déplace (ou devrait se déplacer) principalement à l’aide de la poussée vélique. Tout comme un monocoque, il serait donc tout à fait envisageable, de faire d’un catamaran une unité voilier équipée d’un seul moteur de propulsion, avec tous les avantages que cette configuration procure.

C’est la thèse que nous allons défendre ici :

1. Les effets néfastes d’une « bi motorisation à l’identique » ?

Car disposer de deux moteurs identiques c’est aussi un sur-coût pour le futur propriétaire. Deux moteurs tehrmiques de 20cv coûteront toujours nettement plus cher que l’asquisition d’un unique moteur de 40cv

A cela s’ajoutent les prix d’achats pour les matériels périphériques qui augmentent la note (hélice, arbre, supports divers, échappements etc). Il convient également d’additionner les temps d’installation qui sont sensiblement similaires entre un moteur de 20cv et un moteur de 40cv. Donc si l’on multiplie le nombre de moteurs par deux, il convient d’additionner les temps d’alignement et d’installation des aspirations d’eau (pour un moteur à ligne d’arbre), les poses d’échappement, les liaisons avec circuits gasoil puis câblages divers (électricité et commandes moteurs etc…) … autant d’heures qui coûtent chers au constructeur et qui sont facturées à l’armateur in fine.

Disposer des deux moteurs de propulsion c’est également un surpoids notable pour le bateau. A titre comparatif, en reprenant notre exemple ci-dessus : un moteur Yanmar de 20cv en sail drive représente un poids de 140kg (équipé de son sail drive). A cela s’ajouteront les accessoires tels que hélice, échappement, câbleries etc. Deux moteurs Yanmar de 20cv représenteront donc une masses approximative totale de 300kg environ dédiée à la propulsion. Un moteur sail drive de 40cv de la même marque présente un poids net avec sail drive de 236kg soit un poids total de 250kg une fois équipé. C’est donc un gain notable de 50kg pour le bateau soit 20% du poids total de la propulsion qui peut être économisé.

Comme expliqué précédemment, la maintenance est certes standardisée et simplifiée pour les techniciens lorsque deux moteurs identiques sont installés, mais elle est également plus coûteuse, avec deux fois plus de filtres à entretenir voire à changer si besoin est, deux presse étoupes (dans les cas de lignes d’arbre), deux fois plus de nables, d’échappements, de vannes etc…donc autant de risques d’entrées d’eau doublées et à régulièrement vérifier.

Cette « double motorisation à l’identique » entraîne par ailleurs des vibrations plus conséquentes dans la structure du bateau avec des nuisances sonores en provenance des deux flotteurs, touchant ainsi toutes les cabines du voilier.

On comprend ainsi aisément qu’en terme de poids, de coût, de risques de nuisance et de frais d’entretiens, la « bi motorisation à l’identique » est potentiellement une solution pénalisante pour l’armateur.

1. Quelle solution alternative ?

A l’identique d’un monocoque voilier, un catamaran peut parfaitement légitimement être équipé d’un unique moteur de propulsion in-board, positionné dans l’une des deux coques seulement. Si un monocoque voilier sait se mouvoir avec un seul moteur de propulsion, pourquoi un catamaran ne le saurait-il pas ?

Désormais la fiabilité des moteurs in-board correctement entretenus sait satisfaire 99% des constructeurs de monocoques voiliers qui ont fait ce choix (il demeure quelques unités majoritairement sur-mesure (comme notre ISMERIA59’ qui font le choix d’une bi motorisation, mais cela reste marginal).

Pourquoi un catamaran ne saurait il pas bénéficier des mêmes garanties de sécurité avec moteur unique de propulsion ?

Le concept consiste à n’équiper qu’un seul flotteur d’un moteur de propulsion. Le moteur est donc désaxé de l’axe navire et nous analyserons quels en sont les impacts dans le comportement du voilier.

Tout d’abord, les avantages d’une telle configuration :

• Sur le plan du confort sonore, ce sont des vibrations et des bruits localisés dans un seul flotteur de la structure du bateau. Si le moteur se trouve dans le flotteur tribord, alors les agencements à bâbord ne seront que très peu affectés par le bruit.
• Par ailleurs, l’implantation géométrique du moteur dans le flotteur ne viendra impacter qu’un seul flotteur. Nous consacrerons donc au moteur et à ses périphériques un « véritable emplacement », avec des dispositions (portes, accès avant et arrière, ventilation) permettant un entretien digne de ce nom. Le moteur se trouve par ailleurs potentiellement mieux placé, idéalement plus au centre de la longueur du flotteur afin de limiter les effets d’inerties des masses éloignées.

• Disposer d’un seul moteur de propulsion, c’est aussi une simplification de la maintenance à bord par le fait qu’il n’y a qu’un seul moteur in-bord à vidanger, entretenir et contrôler. Le nombre de passe coques, et autres pompes sont divisés par deux d’où des risques limités et plus aisément contrôlables.
• Comme il l’a été présenté au chapitre précédent, l’achat d’un seul moteur entraîne un gain financier mais surtout un gain de poids pour le bateau en général.

Il est maintenant parfaitement légitime de s’interroger sur le comportement du bateau impacté par

1. Le déséquilibre de l’assiette transversale du bateau avec une masse unique si excentrée transversalement
2. D’une poussée de propulsion unique excentrée par rapport à l’axe du navire lui-même

Pour ce qui concerne le 1^er point : Bien entendu, disposer d’un seul moteur de propulsion vient notablement désaxer le centre de gravité du catamaran. Il convient donc d’appréhender cette solution dès la conception du navire afin d’équilibre le bateau par des masses compensatrices placées sur le bord opposé : cuisine, parc batteries, cuves diverses etc.

Ainsi sur un catamaran où un moteur de propulsion de 150kg aura été positionné à l’axe de la coque bâbord, nous pourrons organiser la pose d’un réservoir de stockage de gasoil de 200L en symétrie, au sein de la coque tribord (sous une couchette par exemple), et un réservoir dit journalier, dans la nacelle, à l’axe navire, qui alimentera le moteur par simple gravité !

C’est donc une articulation habile des masses du bord dès la conception et la construction du bateau qui viendra nous assurer une position parfaitement axiale du centre de gravité final du navire.

Pour ce qui concerne le second argument, à savoir l’axe de poussée d’hélice décalé par rapport à l’axe navire : Il est juste de dire qu’un couple de force se créé entre la propulsion d’un unique moteur excentré sur un catamaran, avec la résistance de deux carènes symétriques.

La résistance des deux carènes sera représentée par une force positionnée à l’axe du bateau (entre les deux flotteurs) alors que la poussée de l’hélice sera excentrée le long d’un axe de flotteur. Le couple créé tendra si le moteur est installé dans le flotteur bâbord sur cet exemple, à faire tourner le bateau vers tribord en marche avant (et inversement en marche arrière).

Ce sont très majoritairement les safrans qui viendront contrecarrer ce couple et permettre au catamaran d’avancer droit. Pour cela il faut que les safrans recoivent de l’eau à une vitesse minimale pour demeurer opérationnels (nous en reparlerons plus tard).

Selon les calculs menés par notre agence, sur un catamaran de 12 mètres utilisant un moteur de 30 chevaux (excentré dans un flotteur) lancé à pleine puissance (vitesse de 7 nœuds), l’angle de barres franches nécessaire pour contrer ce couple sera compris entre 3° et 5° maximum. Il est à rappeler en comparaison qu’un safran peut être poussé à +/- 35° sur chaque bord.

En bout de barre franche, cet effort sur les safrans sera équivalent à une traction de 12kg et 25kg environ pour un pilote automatique de type tiller repris sur un bras de levier plus faible. A titre informatif, la poussée d’un pilote de barre franche de type SIMRAD TP32 est de 85kg.

Un essai en réel a été réalisé sur un bateau de notre agence, ce même catamaran de 12mètres, équipé d’un unique moteur Yanmar 3YM30 (30cv) d’une ligne d’arbre et d’une hélice JProp. Lorsque le bateau navigue, l’angle de la barre franche sous pilote permettant de contrer le couple crée par le moteur excentré n’est pas visible à l’œil nu. Il est probablement inférieur à 5° ce qui confirme nos calculs préliminaires et vérifie que l’équilibre du bateau est parfaitement conservé et n’implique qu’une compensation négligeable de la part de l’appareil de gouverne.

Par ailleurs ce couple peut également être partiellement inhibé par une étude optimisée de la ligne de propulsion : Une hélice de propulsion de par son pas, présente une tendance naturelle à faire tourner le bateau en marche avant et plus intensément encore, en marche arrière. Ainsi, une hélice avec un pas « clockwise » ou « pas à droite » (sens de rotation de l’hélice dans le sens des aiguilles d’une montre lorsque l’on regarde le bateau de l’arrière vers l’avant) amènera la poupe du navire à chasser vers la droite en marche avant. Le couple généré par le pas seul aura ainsi tendance à faire virer le bateau vers bâbord.

Une hélice avec un pas anti-clockwise (sens de rotation anti horaire lorsque l’on regarde le bateau de l’arrière vers l’avant) aura bien entendu l’effet inverse.

L’objectif de la bonne conception de la ligne de propulsion visera ainsi à allier un moteur unique positionné dans un flotteur bâbord avec une hélice clockwise afin que les effets de couple s’opposent (ou inversement). En pratique, il convient de rappeler qu’en marche avant le couple généré par le désaxement du moteur sera bien plus fort que le couple généré par le pas de l’hélice…mais cette conception ira tout de même « dans le bon sens ».

En marche arrière, les effets de cette saine conception seront plus notables car les effets de pas sont nettement plus important.

La considération de positionner le moteur au sein du flotteur tribord ou dans le flotteur bâbord est guidée par l’agencement intérieur bien entendu (accès pour la maintenance), mais également par la ligne d’échappement puisqu’au sein d’un catamaran, la sortie d’échappement sera privilégiée flanc intérieur de coque pour éviter absolument son envahissement. Si la sortie d’échappement au moteur est positionnée sur sa gauche lorsque l’on regarde de l’arrière vers l’avant, alors le moteur sera de préférence positionné dans une coque tribord et l’inverseur choisi viendra permettre idéalement, l’installation d’une hélice anti-clockwise.

Il est ainsi démontré que la compensation des safrans de direction, associée à une conception de ligne de propulsion adaptée, permet tout à fait d’inhiber aisément le couple généré par le décalage du moteur de propulsion par rapport à l’axe du bateau.

Et à faible vitesse ?

A très faible vitesse, les safrans ne produisent que très peu de force (pour rappel la réaction d’un safran est proportionnelle à la vitesse du fluide mise au carré). Par contre, le couple de la propulsion lui, est déjà actif dès les premiers tours d’hélice. Il s’ensuit une rotation directe et instantanée du bateau lorsque l’on donne des tours et moteur, à vitesse nulle.

Dès que le bateau prend de la vitesse (1 nœud) alors le bateau redevient manœuvrant et le couple peut être corrigé par la rotation progressive des deux safrans mais ceci demeure tout de même inacceptable lorsque l’on souhaite s’extraire d’une place de port, quitter un mouillage ou casser son ère à l’entrée d’une marina par exemple.

Il est donc confirmé ici qu’un moteur de propulsion désaxé seul n’est pas suffisant pour manœuvrer un catamaran lorsque les vitesses sont trop faibles (départs, arrivées par exemple)

A ce moteur de propulsion, il nous faut ajouter une motorisation complémentaire que nous nommerons « moteur de direction ».

Le moteur de direction

Le moteur de direction agira tel un propulseur d’étrave sur un monocoque.

Son objectif est de contrer les rotations du bateau générées par (dans notre cas, le couple dû au moteur désaxé et) dans le cas d’un monocoque plus généralement, le fardage (poussée du vent sur la coque et ses superstructures), ou tout simplement le pas de sa propre hélice.

Les besoins énergétiques de cette motorisation secondaire demeurent bien moins importants que ceux de la motorisation de propulsion.

Sauf exception, elle n’a pas vocation à être utilisée comme une propulsion à part entière (nous avons vu précédemment que si le moteur de propulsion était correctement dimensionné, alors sa manœuvrabilité en déplacement était parfaitement satisfaisante).

L’objectif du moteur de direction est, à faible vitesse, d’utiliser l’écartement des flotteurs pour réaliser un couple de rotation permettant au catamaran de manœuvre plus aisément. Ainsi, comme tout catamaran, la rotation du bateau dans le sens voulu se fera comme avec un char d’assaut : un moteur en marche avant alors que sur le flotteur opposé, le moteur sera actionné en marche arrière.

Notre motorisation secondaire ici nommée « motorisation de direction » devra être placée dans le flotteur opposé à celui du moteur de propulsion bien entendu.

L’un des avantages majeurs de cette configuration demeurera de disposer d’un moteur de direction potentiellement hors-bord et/ou rétractable. Ce moteur n’étant utilisé majoritairement que dans les baies, mouillages et ports protégés pour assister la direction du bateau dans ses manœuvres d’approche ou de départ, un moteur hors-bord placé dans une des jupes par exemple (pour une extraction aisée si besoin) demeure assez bien positionné pour jouer son rôle (peu de houle donc hélice demeurante totalement immergée). Le principal intérêt de conserver un moteur rétractable est qu’au mouillage, l’hélice et l’arbre (long ou court) peuvent être extrait de l’eau, des courants, des algues etc…Il s’ensuit un bien meilleur vieillissement de cette motorisation secondaire que sur un catamaran voilier « classique » où les deux arbres et les deux hélices demeurent immergés et exposés en permanence.

Disposer d’une motorisation dissymétrique assumée, c’est également la possibilité de disposer d’une motorisation hybride et plus écologique. Le moteur de direction ne nécessitant que peu de puissance et une durée d’utilisation limitée, une solution électrique en devient parfaitement adaptée (sans nécessiter un parc batterie ni même un groupe électrogène surdimensionné). Cette hybridation de l’appareil de propulsion présente de nombreux avantages :

• La possibilité de revendiquer une motorisation propre et non polluante, ce qui dans certaines zones du globe devient une réelle nécessité. Ainsi, certains Fjords norvégiens sont désormais interdits aux navires à motorisation exclusivement thermiques. L’autonomie de la motorisation dite de direction pourra être étudiée afin de permettre une propulsion à faible vitesse sur une durée adaptée.
• La sécurité de disposer de deux sources d’énergie pour la motorisation de son catamaran. Une motorisation thermique et une motorisation électrique, c’est une opportunité de séparer les risques d’un gasoil pollué qui affectera les deux moteurs thermiques d’un catamaran à propulsion symétrique.
• Enfin et probablement surtout, la possibilité d’utiliser le moteur de direction comme un hydro générateur ponctuel. Si nous souhaitons ce moteur rétractable lors des longues périodes de mouillages, il peut néanmoins, tel un hydro générateur classique, être totalement descendu lorsque le bateau navigue sous voiles, afin d’assurer la fonction élémentaire de recharge des batteries du bord. Ceci évite l’investissement d’un hydro générateur complémentaire, permet la mutualisation des supports et espaces dédiés dans les jupes et permet donc une parfaite mutualisation des investissements et des masses du bord.

Lors des essais sur notre catamaran EPIC de 12 mètres, nous avons pu vérifier la capacité d’un moteur électrique à compenser la couple généré par notre moteur de propulsion.

Nous avons utilisé le plus petit modèle de la marque TEMO que nous avons installé sur la jupe opposée au flotteur recevant le moteur de propulsion. Ce moteur ne dispose que d’un poussée de 12kg et pourtant, positionné tel un propulseur de poupe, il avait parfaitement la capacité de contrer totalement (voire de faire pivoter le bateau dans le sens inverse) le couple créé par notre moteur de propulsion excentré. Le plus petit des moteur électrique permet donc d’assurer cette fonction de « moteur de direction » sur le catamaran EPIC.

Le catamaran O Yacht Class6 de Maxence Valdelièvre présente une ergonomie technique de motorisation similaire.

Sur cette unité voilier catamaran de 63 pieds, la motorisation principale est constituée d’un moteur inboard thermique de 80cv à ligne d’arbre. La coque opposée présente dans un puits étanche localisé dans la jupe arrière, un moteur électrique rétractable faisant office d’hydrogénérateur.

Sur le catamaran de Maxence Valdelière, il s’agit d’un moteur RIM Drive Technology de 11kw avec hélice en tunnel. Le poids du moteur est limité à 14kg seulement. Bien entendu les accessoires complémentaires tels que batteries et circuit électrique dédié, panneaux solaires et chargeur/régulateurs dédiés montent le poids total de cette installation à 150kg environ. Mais ceci demeure toujours parfaitement concurrentiel avec une bi motorisation thermique…et la fonction hydro-générateur est déjà intégrée…

Sur d’autres unités, on préfèrera potentiellement une symétrie des lignes d’arbre avec un moteur de direction (ici à bâbord) stocké dans le flotteur avec arbre d’hélice protégé par la quille. Dans le cas de l’INSULA52’, il s’agit d’un moteur électrique de 10kW (associé à un moteur thermique de propulsion sur tribord de 75cv). Bien entendu ce moteur électrique assure également la fonction d’hydro génération lorsque le bateau navigue sous voile ! Le moteur électrique du flotteur bâbord est beaucoup moins encombrant que son homologue thermique et peut très aisément être positionné sous les planchers d’une zone aménagée.

Conclusion de notre CAP SUR n°1 :

Loin de nous l’idée de considérer cet article comme parfaitement exhaustif sur le sujet de la propulsion moteur des catamarans voiliers !

Il a été tenté de présenter par une démonstration simple et illustrée, comment une alternative à la propulsion classique des catamarans voiliers du marché pouvait être proposée dès la conception du navire.

Notre solution idéale de motorisation pour un catamaran voilier de propriétaire se dessinerait donc ainsi :

• Un moteur à propulsion thermique, correctement dimensionné comme propulsion unique du bateau, positionné en ligne d’arbre dans l’un des deux flotteur, avec une position avancée afin de centrer les masses et protéger la ligne d’arbre dans la quille du bateau et l’hélice juste en arrière de cette dernière.
• Un moteur électrique de direction, autonome et idéalement relevable afin d’optimiser sa longévité au mouillage et dans les ports. Ce moteur présentera la fonction hydro-génération afin de recharger les batteries du navire (son propre parc ainsi que le parc service du bateau) lorsque le bateau est sous voiles.

Ces deux moteurs complémentaires réunissent selon nous l’expérience et la sécurité des moteurs thermiques qui sont aujourd’hui difficilement contournables sur un bateau de voyage, avec la modernité et les véritables avantages techniques et écologiques d’une motorisation secondaire électrique….mais tout demeure bien entendu discutable et ouvert au débat !

A bientôt pour un prochain « Cap Sur »