Rapport de Jean Schmitt
De nombreux UAV sont conçus avec des systèmes de propulsion à deux moteurs ou coaxiaux, dans lesquels deux rotors tournent autour du même axe, mais dans des directions opposées.
La conception de tels systèmes implique plusieurs variables à prendre en compte, comme la taille relative des hélices, leur vitesse et la distance entre les rotors. En faisant les bons choix de conception, vous pourrez créer un UAV aux performances optimales en matière de poussée, de couple et d’efficacité.
Nous avons récemment réalisé une étude comparant différentes configurations à deux moteurs et à rotors coaxiaux.
Nous avons étudié l’effet de chaque variable sur les performances, notamment :
- Vitesse des rotors
- Distance entre les rotors
- Taille des hélices
- Vitesse relative des rotors
Nous pensons que ces résultats sont pertinents pour tous les concepteurs d’aéronefs sans pilote, car ils peuvent contribuer à concevoir de meilleurs appareils, plus efficaces et plus performants.
Méthodologie
Ce rapport résume nos conclusions sur les interactions physiques entre les rotors lors des essais coaxiaux, en mettant l’accent sur l’influence du rotor avant sur le rotor arrière. Nous avons quantifié les effets de la distance entre les rotors, de la vitesse de rotation et du diamètre des hélices.
Pour les essais, nous avons utilisé deux bancs de poussée Flight Stand 50, qui mesurent jusqu’à 50 kgf de poussée et 30 Nm de couple, ainsi que le régime, la tension, le courant, la puissance mécanique, la puissance électrique, le rendement des hélices, le rendement des moteurs et le rendement global du système de propulsion.
Le logiciel Flight Stand commande le banc de poussée et vous permet de tester jusqu’à 8 groupes motopropulseurs simultanément. Vous pouvez également commander le Flight Stand à distance afin de rester à une distance de sécurité des hélices en rotation.
Lors des essais coaxiaux, deux Flight Stands ont été placés dos à dos sur un système de rails, avec un moteur sans balais et une hélice montés sur chacune des unités de mesure de force (FMU) des bancs.
Les deux hélices ont été réglées pour tourner dans des directions opposées afin que les couples des moteurs se compensent et équilibrent la structure. Sur un UAV, cette configuration coaxiale permet d’éviter la rotation autour de l’axe vertical en vol causée par le couple.
L’hélice arrière a été montée à l’envers afin de s’assurer que le flux d’air qu’elle produisait était dirigé dans le même sens que celui généré par l’hélice avant (figure 1).
Pour les essais faisant varier la distance entre les rotors, celle-ci a été mesurée entre les deux FMU.
Effet de la vitesse des hélices et de l’écartement des rotors sur la génération de poussée et de couple
Nous avons d’abord étudié les effets de la vitesse de rotation et de l’écartement des rotors sur la poussée et le couple produits par le rotor 2 (R2), situé à l’arrière. Nous nous attendions à ce que les performances de R2 soient affectées par le rotor 1 (R1), puisque R2 se trouve directement dans le flux d’air généré par R1.
Nous avons effectué la première série d’essais avec R1 tournant à deux vitesses différentes : 1 600 et 2 200 tr/min. Nous avons également répété les essais avec quatre distances entre les rotors : 10, 30, 50 et 70 mm. Les résultats sont présentés aux figures 2 et 3.
Figure 2 : Poussée de R2 en fonction de sa vitesse, pour quatre distances coaxiales et deux vitesses de R1
La figure 2 montre l’évolution de la poussée de R2 en fonction de sa vitesse, pour différentes vitesses de R1 et différentes distances entre les rotors. Comme on peut le voir, deux groupes de courbes se dessinent, chacun correspondant à une vitesse différente de R1. La poussée de R2 était plus faible à toutes les distances et à toutes les vitesses de R2 lorsque R1 tournait à la vitesse supérieure de 2 200 tr/min.
Figure 3 : Couple de R2 en fonction de sa vitesse, pour quatre distances coaxiales et deux vitesses de R1
La figure 3 montre l’évolution du couple de R2 en fonction de sa vitesse, pour les mêmes vitesses de R1 et les mêmes distances que lors de l’essai précédent. Là encore, deux groupes de courbes se dessinent, déterminés par la vitesse de R1. Comme pour la poussée, le couple de R2 était plus faible lorsque R1 tournait à 2 200 tr/min.
Pour la poussée comme pour le couple, la distance entre les rotors ne semble pas avoir d’effet significatif sur la poussée générée par R2. En général, nous pouvons conclure qu’une augmentation de la vitesse de rotation du rotor avant (R1) réduit la poussée et le couple générés par le rotor arrière (R2).
Pour en savoir plus : Analyse de la puissance et du rendement des moteurs sans balais
Effet de la taille de l’hélice arrière sur la génération de poussée et de couple
Dans cette section, nous examinons l’effet de la taille (du diamètre) de l’hélice de R2 sur la poussée et le couple générés. Deux tailles d’hélices arrière ont été utilisées : 40” (la même taille que l’hélice avant) et 47”.
Dans la pratique, les UAV utilisent des moteurs et des configurations d’hélices variés. Les fabricants choisissent souvent une conception coaxiale, car elle offre une forte densité de poussée, ce qui permet à un aéronef de transporter des charges plus lourdes tout en restant compact.
Bien que cette conception soit particulièrement efficace pour les petits aéronefs, elle est moins courante sur les aéronefs VTOL ou eVTOL de plus grande taille en raison de son rendement inférieur. Plus loin dans ce rapport, nous examinerons le rendement de R2 lorsque R1 est placé et tourne à différentes vitesses et positions. Pour les aéronefs de grande taille qui doivent parcourir de longues distances, cette perte de rendement constitue un inconvénient majeur. C’est pourquoi la conception coaxiale est principalement réservée aux drones plus petits, pour lesquels la compacité et une poussée maximale sont prioritaires.
La vitesse de rotation a été modifiée tandis que la distance entre les FMU était maintenue constante à 20 mm.
Figure 4 : Poussée de R2 en fonction de sa vitesse avec une hélice arrière de 40” (en haut) et de 47" (en bas)
La figure 4 montre la poussée générée par R2 en fonction de sa vitesse, pour quatre vitesses différentes de R1. Le graphique du haut présente les résultats obtenus avec une hélice arrière de 40", et celui du bas avec une hélice arrière de 47". Comme prévu, l’hélice de 47” a généré davantage de poussée que celle de 40”, quelles que soient les vitesses de R1 et de R2.
Avec les deux tailles d’hélices, nous avons constaté une diminution de la poussée de R2 lorsque la vitesse de R1 augmentait de 1 600 à 2 200 tr/min. Nous avons observé une baisse similaire du couple (données non présentées). La diminution de la poussée semblait plus importante avec l’hélice arrière de 47”, comme le montre l’écart plus grand entre les points de mesure de la poussée à 1 600 et à 2 200 tr/min.
Nous avons deux hypothèses pour expliquer ce phénomène.
Hypothèse 1 : le flux d’air généré par l’hélice avant exerce une force sur l’hélice arrière. Cette charge résistante, orientée dans la direction opposée à la force générée par la poussée de R1 (figure 5), est mesurée par la FMU. Par conséquent, cette charge résistante est soustraite de la valeur brute de poussée enregistrée.
Figure 5 : Poussée et forces résistantes subies par R1 et R2
Hypothèse 2 : R1 génère des turbulences, et la traînée induite s’oppose à la poussée et au couple générés par R2. Nous savons que cette traînée existe grâce à l’effet de moulinet observé lorsque les gaz sont appliqués à R1, mais pas à R2. Plus R1 tourne vite, plus la traînée générée est importante et plus la perte de poussée observée est marquée.
Lorsque les gaz sont appliqués au rotor avant, ce qui le fait tourner, l’hélice arrière se met à tourner sans que les gaz lui soient appliqués. Le couple est négatif, car la mesure porte sur le couple résistant du moteur, qui tend à freiner la rotation de l’hélice. Il est induit par la traînée générée par le flux d’air de R1.
Cette réaction peut être observée en l’absence d’alimentation électrique : R2 tourne de lui-même et se comporte comme une sorte d’éolienne (figure 6).
Figure 6 : Forces aérodynamiques à l’origine de l’effet de moulinet sur une pale de rotor (source)
Le graphique 3D de la figure 7 montre l’évolution du couple de R2 en fonction des variations de vitesse de R1 et de R2. Les surfaces bleue et jaune ont été interpolées à partir des points de mesure présentés.
Le graphique bleu montre l’évolution du couple lorsque la distance entre les rotors est de 10 mm, tandis que le graphique jaune présente le couple pour une distance de 25 mm. Ce graphique met en évidence la présence d’un couple négatif lorsque peu ou pas de gaz sont appliqués à R2.
Figure 7 : Évolution du couple de R2 en fonction de la vitesse des rotors – distance de 10 mm (bleu) et de 25 mm (jaune)
Rendement des hélices
Le rendement de l’hélice est l’un des principaux indicateurs des performances du rotor, car il mesure la poussée générée par rapport à la puissance fournie.
Le rendement de l’hélice se calcule en divisant la poussée générée par la puissance mécanique de l’hélice (vitesse de rotation de l’hélice multipliée par le couple).
Nous avons étudié l’évolution du rendement de l’hélice en fonction de la vitesse de rotation et de la distance entre les rotors. À la figure 8, le rendement de l’hélice de R2 est représenté en fonction de la vitesse de R2. Chaque courbe correspond à une combinaison différente de vitesse de R1 (1 600 ou 2 200 tr/min) et de distance entre les rotors (10, 30, 50 ou 70 mm).
Les mesures ont été prises à des vitesses de R2 de 1 200, 1 400, 1 600, 1 800, 2 000 et 2 200 tr/min, puis les courbes ont été interpolées à partir de ces points.
Figure 8 : Rendement de l’hélice de R2 en fonction de la vitesse et de la distance entre les rotors
Comme on peut le voir, deux groupes de courbes se dessinent, séparés selon la vitesse de rotation de R1. Pour toutes les vitesses de R2 et toutes les distances entre les rotors, le rendement de l’hélice de R2 est supérieur lorsque R1 tourne à la vitesse plus élevée de 2 200 tr/min.
Pour les courbes correspondant à une vitesse de rotation de R1 de 2 200 tr/min, le rendement de l’hélice de R2 diminue de façon régulière sur toute la plage de vitesses de R2. Lorsque R1 tourne à 1 600 tr/min, le rendement de R2 augmente et atteint un pic lorsque la vitesse de R2 atteint environ 1 450 tr/min, avant de diminuer progressivement, parallèlement à l’autre groupe de courbes correspondant à la vitesse supérieure de R1.
À grande vitesse, la distance entre les rotors a un effet négligeable sur le rendement de l’hélice de R2. À plus faible vitesse pour R1 et R2, une distance plus courte est associée à un rendement plus élevé au sein du groupe.
Cette différence est plus marquée lorsque les vitesses de R1 et de R2 sont faibles que lorsque la vitesse de R1 est élevée et celle de R2 faible. L’effet devient visible lorsque R2 tourne à 1 750 tr/min ou moins.
Conclusion
En conclusion, cette étude nous a permis d’observer les effets de plusieurs variables sur les performances des systèmes à rotors coaxiaux. Nous avons constaté que le rotor avant a une incidence considérable sur le rotor arrière.
Notre étude a permis de dégager plusieurs conclusions importantes :
- Augmenter la vitesse de l’hélice avant peut réduire la poussée et le couple générés par l’hélice arrière.
- Augmenter la taille (le diamètre) de l’hélice arrière peut accentuer la diminution relative de la poussée générée par l’hélice arrière lorsque la vitesse de l’hélice avant augmente.
- Dans une configuration coaxiale, un chevauchement plus important des disques d’hélice (en %) peut entraîner une perte de poussée plus importante pour l’hélice arrière.
- Sous l’influence de l’hélice avant, l’hélice arrière peut générer une poussée et un couple négatifs, ainsi qu’un effet d’autorotation.
- À faible vitesse (<1 750 tr/min), le rendement de l’hélice arrière peut être supérieur lorsque la distance entre les rotors est plus courte.
- À vitesse plus élevée (>1 750 tr/min), la distance entre les hélices a peu ou pas d’effet observable sur le rendement de l’hélice arrière.
- Le rendement de l’hélice arrière peut être supérieur lorsque l’hélice avant tourne à une vitesse plus élevée.
Pour en savoir plus : Comment tester les moteurs sans balais
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