America's Cup - AC75 designs February 2021

 LATEST AC75 - DEVELOPMENTS - ANALYSIS

AC75 DESIGNS

(End January 2021)

The first four AC75s built in 2019—we have already featured them on the blog—have had their share of surprises. Built in view of the 2020 regattas in Cagliari and Portsmouth, they are now destined to be scrapped (!) as these races have been canceled.

 

As we could see, the design teams had come up with very different architectural solutions in answer to the new rules. As a result, it was not easy for them to be sure about what the second boat would look like. However, everyone retained that it was essential to design a slim hull under the main hull, a kind of long keel, to facilitate the take-off.

         

It’s never obvious to redraw the shape drawings of a boat for which we have no documents from the designer’s office. The design teams are increasingly comprised of hydrodynamic and aerodynamic engineers, and the amount of creative work left to the designers is increasingly reduced. For our own part, we’ve never spent so much time understanding and reproduce the lines of these yachts. It is difficult to reference, as usual, the designers’ personality. If it’s impossible to mistake a William Fife’s drawing with a Nat Herreshoff, from now on the ideas fly, as much as the crafts! And each one builds on a powerful idea to avoid slowing down in maneuvers or wind changes, and quickly recover speed.  

 

Britannia 2

Back to the first Britannia.

This one looked almost like a semi-trailer, with a bow as a cap and back boards that could help with beam wind propulsion. Another, more interesting feature was to dig a central tunnel in order to increase the surface area of the lower part of the mainsail. Consequently, the mast support was positioned higher on a console. Indeed, the rule stipulates that the mast base must be at least 1.50 m above the measurement waterline, at the same height as the sheer line. The rule also specifies the longitudinal location of the spar step. Amazing, by the way, these rules, where the characteristics are not called by name. We talk on a reference line or plane, but never about “hull length” or “freeboard.” By going down the central section of the deck, it’s possible to save more than two square meters of sail. However, this option has some disadvantages. Thus, this sailboat would win the prize for the largest hull development and, in general, this is not the purpose. From an aerodynamic point of view, the semi-trailer solution is not a panacea. The hull, very wide at the aft end, with a fairly round hull, adheres before take-off and slams during water landings. Very soon, it became obvious to add a central edge to soften the hull’s fall in the water.

            

For the latter yacht, Britannia 2, the design team has completely reviewed its copy. Exit, the wind tunnel. A large, flat-bottomed keel, which extends from under the bowsprit, quickly widens to end, deep enough, in a tapered position, ahead the rudder. The hull itself is lined with a second one, narrower, which begins in front of the foils to stop on the stern. It is designed for trim adjustments. In fact, the boat is made up of three superposed hulls. Britannia 2 is cambering while losing height. This prevents the hull from undergoing a violent rise in wetted surface area.

As all competitors have found, the AC75 does not need width at the waterline when at rest. Arms and foils operate as stabilizers. This is a feature that was little taken into consideration in the first generation, but that everyone has integrated since then. A great deal of aerodynamic work has been done to ensure good aerodynamic leak. However, the priority seems to have been given to a better penetration of the sea spray, with a freeboard diving well below the bowsprit. The outline of the Britannia 2’s bow appears to create less buoyant lift than its rivals, notably in light airs, when lifting onto its foils. When forced to increase the curve of the foils’ flaps, the British lose speed, especially in tacking. To make this set flying, wide foils have been retained, with initially wings “Stuka type,” allowing self-stability, then broad V-shaped wings, with a spoiler at the tips. The ballast is positioned in the central part of the wings, without creating a bump. Tricky choices, but which have been carefully fine-tuned by a outstanding staff and a continuously progressing development.

 

Patriot

 

The first version of the New York YC Challenger AC75 focused on “aerodynamics.” The result was a big soap worn to cross the limits of the rule in a shape that provided less resistance. 

When some observers realized that the next Cup monohulls would fly, they thought that only the foils would be decisive. So, farewell to the naval architects! But it’s not so easy to stay stable and up in the air, sea and the wind are by definition unstable. On the water—and above it—nothing is obvious. 

For their second racer, Patriot, the Americans have opted to refine the front shapes considerably while maintaining a broad deck but remaining below the allowed width. There’s not a single spot where the hull or the underbody would be flat. All surfaces are perfectly rounded. The forward sections are in a very open V-shape, which creates a figure suitable for lift at the beginning of speeds. The keel—thin—starts under the bowsprit and dips almost straight down to the arms of the foils. Then it climbs beneath the hull at the last part. The deck is slightly recessed to gain sail area, favor the wind acceleration in the lower part of the sails and increase the plaque effect by reducing its inclination. In this way, the center of gravity is dropped.

 

AC75s tend to tip forward during tacking, losing speed, going from 40 knots to 30 knots, even 25 knots if the hull contacts the water, and to 18 knots when the hull plunges deeper in water.

On the three views of the line plan, the hull is shown in the boat’s measurement position, i.e., at rest. In this configuration, the mast is inclined five degrees aft. However, when flying, the pitch changes and the yachts heel forward, often by about one point five degrees. Sometimes the curve can be as much as five degrees. However this doesn’t last. Only Luna Rossa 2 leans fairly less. In fact, the boat is in its trim when the bands on the sails become horizontal. On the other side, all the sail planes are represented in the highest-flying position. But this difference in display is not a problem for designers who only work with computer programs.

 

On Patriot’s water lines (see drawing view), the narrowness of the waterline, and therefore its thinness, can be clearly discerned, with particularly pinched water entrances. The foils are wide V-shaped, slim, with a shell in the center and two small spoilers folded down at each end. At the peak right from the first trials, it was without considering the progress made by the other teams.

 

Luna Rossa 2

 

Right from the beginning, the Italians had decided on a long keel and a symmetrical silhouette, with the freeboard measurement point culminating at the very foot of the mast. Below the waterline, the water lines were nearly balanced. The fact that cockpits are lateral is a result of multihull habits in which the central section has become the indispensable mainsail base plate, following the theory that the ideal plate perfectly reflects the sail above, like a mirror, with all its strength.

The version #2 of Luna Rossa doesn’t show any radical change, but the keel, still V-shaped, is deeper and the cut of the freeboard on the front is more marked. The front water lines are more pronounced. The foils remain in an inverted V shape, with a fairly large surface area, and the ballast is incorporated in the arms and foils, which are fitted with spoilers at the wingtips, with an almost straight trailing edge.

 The double mainsail is kept in a battened position, without a boom at its foot. These winglets are known to reduce air or water turbulence at the ends. On airliners, the fuel saving is about 3.5%. With a relatively conventional concept, Luna Rossa focused its energy on maximizing its advantage and has enjoyed the benefits.

 

Te Rehutai

 

The initial departure of the defender boat, Te Aihe, had surprised: inverted multihull bow, canoe hull under a lightened TP52 hull, wide wing foils, without bulbs. The audacity of the New Zealanders had impressed.

With Te Rehutai, the amazement is still full. A broad bow wafer with rounded edges, a keel that starts in the axis of the bowsprit, widening to the horizontally, while a true keel, curved, comes to stick underneath to die on the transom in the shape of a reversed cake mold. This emphasizes the two functions of the hull: to control the wind at deck level and, for the hull, to manage changes in trim and hull height. It can also be added that the aerodynamic problem is crucial, and that the design of the bow and the entire forepeak can play an important role in its ability to rise in the air. These shapes would still be basic on Te Rehutai if on the bridge, the channel did not start so early, from the tack of the Solent—rule obliges—so that the official support of the mast is carried by a 60-centimeter-high pylon. As a result, the jib and mainsail areas are increased, and the plate slope is decreased. Below, the flat hull flared at the stern to end in a very wide V at the transom.

What is for sure is that all the ingredients that seemed to give an advantage over the first boats launched were found on this machine, whose design is innovative, to say the least. As on Britannia 2, two horizontal V-shaped rods at the masthead are used to trim the mainsail opening. The arms of the foils have a protrusion on the back, before the part left open to each contestant, which increases the buoyancy of the arms and thus the stability of the boat. The foils have a prominent, seamless bulb with slim, flat, chopper-shaped wings with winglets. Their newest design is just as thin, but less curved.

 

If the first flights seemed quite stationary, and some flights in light airs were amazing, the control of these monohulls is a matter for specialists who admit to spending a lot of time behind the screens. The America’s Cup has often been contested with a wide range of skills and disparate sailboats. The winning team will be the one that will have found the most multi-purpose racer, between technology and a sense of the sea, in such a way as to be able to explore the full potential of these monohulls of the future.

 

AC75 DATA

AC75

Foil monohull

Overall length: 22.86 m

Hull’s length: 20.70 m

Beam: 5 m maxi

Beam foils out: 16 m

Draft: 5 m

Air draft: 28 m

Surface of the mast: 17.2 m².

Mainsail: 142 m².

Solent: 90 m².

Genoa: 205 m².

Sail area upwind with Solent: 232 m².

Sail area downwind: 347 m².

Foil weight: 2 × 1,175 t

No-load displacement: 6,195 t

Crew members, weight: 1.12 t

Team members, number: 10 + 1s

AMERICA'S CUP: AC75 designs February 2021

DERNIÈRES ÉVOLUTIONS DES AC75 - ANALYSE (JANVIER 2021)

Les quatre premiers AC75 construits en 2019 — nous les avons déjà présentés sur le blog — ont eu leur lot de surprises. Réalisés en prévision de régates à Cagliari et à Portsmouth en 2020, ils sont désormais destinés au rebut, ces épreuves ayant été annulées. Comme nous avions pu le voir, les design teams avaient répondu à la nouvelle jauge par des solutions architecturales bien différentes. Résultat : pour le deuxième bateau, il ne leur a pas été aisé de tirer des certitudes. Cependant, tout le monde a retenu qu’il était indispensable de créer une fine coque sous la coque principale, sorte de quille longue, pour faciliter le décollage.

Il n’est jamais évident de redessiner les plans de forme d’un bateau dont on n’a aucun document provenant du cabinet d’architecte. Les équipes de concepteurs sont de plus en plus composées d’ingénieurs en hydrodynamique et en aérodynamique, et la part de création qui reste aux designers est de plus en plus réduite. Pour ma part, je n’ai jamais passé autant de temps pour arriver à comprendre et reproduire les formes de ces voiliers. Difficile de se référer, comme d’habitude, à la personnalité de l’architecte. S’il est impossible de confondre un plan de William Fife avec un plan de Nat Herreshoff, désormais les idées volent, autant que les bateaux ! Et chacun exploite une idée forte pour éviter de ralentir dans les manœuvres ou les changements de vent, et reprendre rapidement de la vitesse.  

 

Britannia 2

Retour sur le premier Britannia.

Celui-ci tenait presque d’un semi-remorque, avec un avant à casquette et des flans arrière qui pouvaient participer à la propulsion par vent de travers. Une autre trouvaille, plus intéressante, avait consisté à creuser un tunnel au centre, de façon à augmenter la surface de la partie basse de la grand-voile. De ce fait, le support du mât se trouvait rehaussé sur une console. En effet, la jauge prévoit que le pied de mât doit être au moins à 1,50 m au-dessus de la flottaison de mesure de jauge, à la même hauteur que celle du livet. La jauge définit également la position longitudinale du pied de mât. Étonnantes, d’ailleurs, ces jauges, où les caractéristiques ne sont pas nommées. On parle de ligne ou de plan de référence, mais jamais de « longueur de coque » ou de « franc-bord ». En descendant la partie centrale du pont, il est possible de gagner plus de deux mètres carrés de voilure. Cette solution présente néanmoins quelques inconvénients. Ainsi, ce voilier remportait le prix du plus grand développé de coque et, en général, ce n’est pas le but. Au point de vue aérodynamique, la solution semi-remorque n’est pas la panacée. La coque, très large sur l’arrière, avec une carène assez ronde colle avant le décollage et tape lors des amerrissages. Très vite, il est apparu évident d’ajouter une arête centrale pour adoucir la retombée de la coque dans l’eau.

                          

Pour le second voilier, Britannia 2, le design team a revu entièrement sa copie. Exit, le couloir de vent. Place à une quille rapportée importante, à fond plat, qui débute sous le bout-dehors, s’élargit rapidement pour se terminer, assez profond, en pointe, en avant du safran. La coque proprement dite est doublée d’une seconde coque, plus étroite, qui commence en avant des foils pour mourir sur l’arrière. Elle est destinée aux changements d’assiette. En fait, le voilier se compose de trois coques superposées. Britannia 2 se cambre en perdant de la hauteur. Cela permet d’éviter que la carène subisse une augmentation violente de surface mouillée.

Comme l’ont constaté tous les concurrents, l’AC75 n’a pas besoin de largeur à la flottaison à l’arrêt. Les bras et les foils font office de stabilisateurs. C’est une notion qui avait été peu prise en compte dans la première génération, mais que tous ont intégrée depuis. Un gros travail d’aérodynamique a été entrepris, pour une bonne pénétration dans l’air. Cependant, la priorité semble avoir été donnée à un meilleur passage des embruns, avec un livet plongeant bien en dessous du bout-dehors. 

La forme de l’étrave de Britannia 2 semble générer moins de portance que ses concurrents, notamment dans les petits airs, au moment de se hisser sur ses foils. Obligés d’augmenter l’angle des volets de foils, les Anglais perdent de la vitesse, particulièrement dans les virements de bord. Pour faire voler cet ensemble, de larges foils ont été retenus, avec dans un premier temps des ailes « à la Stuka », favorisant l’autostabilité, puis de larges ailes en V, avec un becquet aux extrémités. Le lest est placé dans la partie centrale des ailes, sans former de protubérance. Des options délicates mais qui ont été parfaitement ajustées par une organisation remarquable et une mise au point qui n’a cessé de progresser.

Patriot

 

La première version de l’AC75 du défi new-yorkais avait privilégié la question « aérodynamisme. » Résultat : un gros savon usé pour passer les limites de la jauge dans une forme offrant une moindre résistance. 

 

Lorsque certains découvrirent que les prochains monocoques de la Cup voleraient, ils pensèrent que, pour ce faire, seuls les foils seraient déterminants. Adieux donc aux architectes navals ! Or, ce n’est pas si simple de rester stable et en l’air, la mer et le vent sont par définition instables. Sur l’eau — et au-dessus — rien n’est évident. 

Pour leur second voilier, Patriot, les Américains ont choisi d’affiner énormément les formes avant tout en conservant un large pont, mais demeurant en dessous de la largeur autorisée. Il n’y a pas un seul endroit où la coque ou la carène serait plan. Toutes les surfaces sont arrondies à souhait. Les sections avant sont en V très ouvert, créant une forme propice à la portance dès le début des accélérations. La quille — fine — commence sous le bout-dehors et plonge presque rectiligne jusqu’aux bras des foils. Puis elle remonte sous la carène, au quart arrière. Le pont est légèrement creusé pour un gain de surface de voilure, favoriser l’accélération du vent dans la partie basse des voiles et augmenter l’effet de plaque en diminuant sa pente. De plus, cela permet de descendre le centre de gravité.

 

Les AC75 ont tendance à basculer sur l’avant lors des virements de bord, en perdant de la vitesse, passant de 40 nœuds à 30 nœuds, voire 25 nœuds si la coque touche l’eau, et à 18 quand elle s’enfonce un peu plus.

 

Sur les trois vues du plan de forme, la coque est représentée en position de jauge du bateau, c’est-à-dire à l’arrêt. Dans cette position, le mât est incliné de 5 degrés sur l’arrière. Or, en vol, l’assiette longitudinale change et les voiliers s’inclinent sur l’avant, en général d’environ 1,5 degré. Il arrive que l’angle atteigne 5 degrés, mais cela ne dure pas. Seul Luna Rossa 2 bascule un peu moins. En fait, le voilier est dans son assiette lorsque les bandes de repères sur les voiles sont horizontales. Par contre, tous les plans de voilure sont représentés dans la position de vol maximum. Mais cette différence de représentation n’est pas un problème pour les designers qui travaillent uniquement sur programme informatique.

Sur les lignes d’eau de Patriot (voir la vue en plan), on distingue bien l’étroitesse de la flottaison, donc sa finesse, avec des entrées d’eau particulièrement pincées. Les foils sont en large V, fins, avec un obus au centre et deux petits becquets rabattus à chaque extrémité. Au top dès les premiers essais, c’était sans compter les progrès obtenus par les autres équipes.

 

Luna Rossa 2

 

Dès le départ, les Italiens avaient opté pour une quille longue et une silhouette symétrique, le point de jauge de franc-bord culminant au pied du mât. Sous la flottaison, les lignes d’eau étaient quasiment symétriques. 

Le fait que les cockpits soient latéraux vient des habitudes prises sur les multicoques où la partie centrale est devenue la plaque indispensable de pied de grand-voile, suivant la théorie que la plaque idéale reflète parfaitement la voile qui est au-dessus, comme un miroir, avec toute sa puissance. 

 

La version numéro 2 du Luna Rossa ne présente pas de changement radical, mais la quille, toujours en V, est plus profonde et la découpe du livet sur l’avant est plus marquée. Les lignes d’eau avant sont plus pincées. Les foils restent en V inversé, d’assez grande surface, et le lest est intégré aux bras et aux foils, qui sont équipés de becquets en bout d’aile, avec un bord de fuite presque rectiligne. La grand-voile double est maintenue par des lattes, sans bôme à son pied. On sait que ces winglets diminuent les tourbillons d’air ou d’eau aux extrémités. Sur les avions de ligne, le gain de carburant est de l’ordre de 3,5 %. Avec un concept relativement classique, Luna Rossa a consacré son énergie sur une optimisation de son parti pris et en a apprécié les résultats.

Te Rehutai

Le parti du premier voilier de la défense, Te Aihe, nous avait surpris : étrave de multicoque inversée, coque canoë sous une coque de TP52 allégé, foils en aile larges, sans bulbe. L’audace des Néo-Zélandais avait frappé les esprits. 

         

Avec Te Rehutai, la surprise est encore totale. Une large galette sur l’avant, aux bords arrondis, une quille qui débute dans l’axe du bout-dehors, s’évasant, jusqu’à l’horizontale, alors qu’une vraie quille, arrondie, vient se coller dessous pour mourir au tableau arrière en forme de moule à gâteau inversé. Cela met en évidence les deux fonctions de la coque : maîtriser le vent au niveau du pont et, pour la carène, gérer les changements d’assiette et de hauteur de la coque. On peut ajouter également que le problème aérodynamique est primordial, et que la forme de l’étrave et de l’ensemble de l’avant peut jouer un rôle important dans sa capacité à s’élever dans l’air. Ces formes seraient encore simples sur Te Rehutai si sur le pont, le canal ne débutait pas si tôt, dès le point d’amure du Solent — jauge oblige —, de sorte que le support officiel du mât est supporté par un pylône de 60 centimètres de haut. De ce fait, la surface du foc et de la grand-voile se trouve augmentée, et la pente de la plaque est diminuée. En dessous, la carène plate s’évase sur l’arrière pour terminer en un V très ouvert au tableau arrière. 

 

Ce qui est sûr, c’est que tous les ingrédients qui paraissaient donner un avantage sur les premiers bateaux mis à l’eau se sont retrouvés sur cet engin, dont les formes sont pour le moins innovantes. Comme sur Britannia 2, deux barres horizontales en V, en tête de mât, servent au réglage de l’ouverture de la grand-voile. Les bras des foils présentent une excroissance sur l’arrière, avant la partie laissée libre à chaque concurrent, ce qui augmente la flottabilité des bras et donc la stabilité du voilier. Les foils ont un bulbe proéminent, plat, avec des ailes plates, fines et en forme de hachoir, avec winglets. Leur dernière version est aussi fine, mais moins courbe.

 

Si les premiers vols ont semblé assez stationnaires, et que certains vols par petit temps ont étonné, la maîtrise de ces monocoques est une affaire de spécialistes qui avouent passer pas mal de temps sur les écrans. La Coupe de l’America s’est souvent disputée avec un large panel de compétences et des voiliers disparates. 

 

L’équipe gagnante sera celle qui aura su trouver le voilier le plus polyvalent, entre technologie et sens marin, afin de pouvoir exploiter tout le potentiel de ces monocoques du futur.

AC75 Caratéristiques

 

AC75

Monocoque à foil

Longueur hors tout : 22,86 m

Longueur de coque : 20,70 m

Bau : 5 m maxi

Bau, foils sortis : 16 m

Tirant d’eau : 5 m

Tirant d’air : 28 m

Surface du mât : 17,2 m²

Grand-voile : 142 m²

Solent : 90 m²

Génois : 205 m²

Surface de voiles au près avec Solent : 232 m²

Surface de voiles au portant : 347 m²

Poids des foils : 2 x 1,175 t

Déplacement à vide : 6,195 t

Équipiers, poids : 1,12 t

Équipiers, nombre : 10 + 1s