Comment fonctionne un WindShaper

 

Par Lauren Nagel

WindShapers est la toute dernière technologie en matière d’essais aérodynamiques pour drones, mais de quoi s’agit-il exactement ? Les termes « soufflerie à ciel ouvert », « générateur de vent » et « créateur de flux d’air 3D » sont tous exacts, mais ne rendent pas pleinement compte des possibilités du WindShaper.

Dans cet article, nous expliquerons ce qu’est un WindShaper, comment il fonctionne et en quoi il constitue une amélioration par rapport aux autres technologies d’essai de drones. Voici un aperçu :

Table des matières

1. Qu’est-ce qu’un WindShaper (concept et structure) ?
2. Comment contrôler le WindShaper
3. Quels types de profils de vent puis-je générer ?
4. Avantages et inconvénients
5. Systèmes compatibles (essais de propulsion, mécanisme d’inclinaison, etc.)

Figure 1 : Un drone à voilure fixe vole devant un WindShaper de 12 x 8 modules

1. Qu’est-ce qu’un WindShaper ?

Le composant principal d’un WindShaper est son mur de ventilateurs, qui génère des profils de vent pour tester les drones dans diverses conditions. Les essais possibles comprennent notamment les essais de résistance au vent et les essais en vol libre.

Les WindShapers sont très modulables : ils sont composés d’unités de base appelées « modules de vent », qui peuvent être empilées et combinées selon toutes les configurations. La taille du WindShaper est indiquée par le nombre de modules qu’il contient ; un WindShaper de 6 x 3 modules, par exemple, mesure 6 modules de large sur 3 modules de haut.

Chaque module de vent mesure environ 25 x 25 cm et contient 9 pixels de vent individuels. Chaque pixel de vent est contrôlé individuellement et comprend deux ventilateurs. Selon la taille du WindShaper, les ventilateurs peuvent générer une vitesse de vent allant jusqu’à 16 m/s (36 mph), ou jusqu’à 45 m/s (100 mph) avec un convergent.

Figure 2 : Un WindShaper de 2 x 2 modules, avec un module de vent et un pixel de vent identifiés

La vitesse et la durée de fonctionnement de chaque ventilateur peuvent être programmées individuellement, ce qui permet à l’utilisateur de créer des profils de vent en 3D. Nous y reviendrons plus en détail à la section 3.

En plus du mur principal de ventilateurs (1), les utilisateurs peuvent ajouter des murs latéraux (2) pour créer des vents transversaux, simuler des angles et diversifier les possibilités d’essai. Les autres composants clés comprennent les boîtiers de distribution électrique (3) et l’ordinateur embarqué (4), tous visibles dans la figure 3 ci-dessous.

Figure 3 : La structure d’un WindShaper

Vous l’aurez sans doute remarqué : les WindShapers existent dans toutes les formes et toutes les tailles. Certains tiennent sur un bureau, tandis que d’autres nécessitent leur propre espace de laboratoire.

2. Comment contrôler le WindShaper

Le WindShaper se contrôle avec le logiciel WindControl, dont l’interface graphique est illustrée ci-dessous (figure 4). La légende PWM, tout à droite, indique la puissance fournie, et chaque carré bleu pâle représente un pixel de vent (unité de ventilateur). Les ventilateurs de l’appareil sont constitués de deux couches de rotors contrarotatifs, appelées couches de ventilateurs. Par défaut, les deux couches sont réglées sur la même vitesse ou valeur PWM. Cela garantit les meilleures performances et le niveau de rotation tourbillonnaire le plus faible, mais les couches de ventilateurs peuvent être contrôlées indépendamment si nécessaire. 

Ce WindShaper comprend un mur principal de 12 modules de large sur 8 modules de haut, ainsi que deux murs latéraux de 2 modules sur 8, soit un total de 1 008 pixels de vent, ou 2 016 ventilateurs contrôlables individuellement. Les trois murs peuvent être contrôlés simultanément, manuellement ou à l’aide de l’API Python avancée.

Figure 4 : L’interface du logiciel WindControl

Le contrôle manuel du mur est simple : il suffit de saisir les valeurs de vitesse pour chaque pixel (ou groupe de pixels), qui sont activées immédiatement. Lorsque l’utilisateur souhaite modifier la puissance d’un groupe de pixels, il lui suffit de sélectionner ces pixels et de saisir une nouvelle valeur, ce qui permet de contrôler le WindShaper de manière dynamique. Il est également possible de saisir une fonction mathématique afin que l’appareil reproduise n’importe quel profil de vent constant ou variable dans le temps.

L’appareil est également fourni avec une API Python qui permet à l’utilisateur de programmer des essais automatisés. Le flux d’air est défini à l’avance et s’exécute de façon autonome, sans intervention. L’utilisateur peut ainsi se concentrer sur le contrôle de l’aéronef ou du profil aérodynamique, ou sur l’observation de l’essai. L’API Python permet également de générer des flux plus complexes et de connecter directement le WindShaper à d’autres systèmes (drone, caméras de suivi, sondes connectées, etc.).

Une fois les essais terminés, les données de chaque module de vent peuvent être exportées dans un dossier ZIP sur l’ordinateur, avec des informations horodatées sur les performances et l’état du WindShaper.

3. Quels types de profils de vent puis-je générer ?

Avec un WindShaper, vous pouvez créer différents régimes de vent, constants ou variables dans le temps. Voici quelques catégories de base de profils de vent, utilisables seules ou combinées.

Écoulement uniforme

Ce réglage reproduit l’écoulement constant que l’on observe le plus souvent dans une soufflerie traditionnelle, idéal pour évaluer l’aérodynamique d’un drone. Pour générer un régime constant, on règle la vitesse du flux du WindShaper sur la vitesse à laquelle le drone se déplacerait dans un air calme, tandis que le drone reste en position au-dessus du sol. Dans ce scénario, la vitesse relative du vent ressentie par le drone correspond à la vitesse à laquelle il volerait. Un redresseur de flux peut être utilisé pour obtenir un écoulement moins turbulent.

Figure 5 : Un drone vole dans un vent constant

Écoulement turbulent

L’écoulement turbulent est idéal pour simuler les conditions auxquelles un drone risque d’être confronté dans son environnement de travail en raison de la météo et du relief. À l’altitude à laquelle les drones volent généralement, il est peu probable qu’ils rencontrent un écoulement laminaire. Dans ce mode d’essai, le niveau de turbulence peut être contrôlé en modulant la puissance fournie à chaque pixel de vent. Le niveau de turbulence peut être uniforme sur l’ensemble du WindShaper ou varier d’une zone à l’autre de la zone d’essai. 

Figure 6 : Un drone vole dans des conditions de vent turbulent

Écoulement cisaillé

Le terme « écoulement cisaillé » désigne un profil de vent dans lequel des couches de fluide adjacentes se déplacent parallèlement à des vitesses différentes. Cela peut entraîner des instabilités de l’écoulement près des murs, de la végétation ou dans les zones où les effets thermiques sont perceptibles. Il est possible de simuler ce phénomène en réglant les pixels de vent d’un réseau de ventilateurs sur une faible vitesse, et ceux d’un réseau adjacent sur une vitesse plus élevée. Cette technologie permet également de générer facilement une couche limite, sans recourir aux générateurs de couche limite traditionnels, tels que les blocs de rugosité ou les piques utilisés dans les souffleries classiques.

Figure 7 : Un groupe de drones vole dans un environnement soumis au cisaillement du vent

Écoulement variable dans le temps

Les écoulements variables dans le temps permettent de créer des profils de vent uniques en modifiant la vitesse du vent de chaque pixel au fil du temps. Un pixel de vent donné peut commencer à 2 m/s, passer à 10 m/s, puis revenir à 2 m/s, et ainsi de suite. Ce niveau de contrôle permet de créer des profils de vent reproduisant des conditions de vol réelles, comme le passage d’un véhicule près d’un drone (figure 8). 

Figure 8 : La vitesse du vent subi par un drone varie lorsqu’il vole derrière un camion

Rafales de vent

Les variations soudaines de la vitesse du vent (rafales) peuvent être difficiles à gérer pour un drone. Il est possible de simuler des rafales en provoquant des variations rapides de la vitesse du vent généré par les pixels de vent. Cela permet d’étudier le déplacement du drone ou sa résistance aux rafales, ainsi que la réactivité du contrôleur de vol. L’ajout de murs latéraux au WindShaper est un autre moyen de simuler des rafales et des vents transversaux.

Figure 9 : Un drone est pris dans une rafale de vent lorsqu’il vole autour d’un bâtiment

Vent vertical / optimisation de la phase d’atterrissage

Lors de l’atterrissage, les drones subissent un vent relatif venant du bas, causé par leur propre sillage (flux descendant), ce qui crée une situation instable. Pour simuler cette situation, le WindShaper est placé à l’horizontale et génère un flux d’air équivalent au flux descendant du drone.

Figure 10 : Un drone s’exerce aux décollages et aux atterrissages

Comme vous pouvez le constater, les WindShapers permettent de générer une grande variété de profils de vent, et cet article ne les couvre pas tous. Si vous avez un type d’essai spécifique en tête, contactez notre service commercial pour savoir si c’est possible. 

4. Avantages et inconvénients

L’utilisation d’un WindShaper pour les essais et la validation de drones présente plusieurs avantages et inconvénients. Voici quelques-uns des plus importants :

Avantages

• Contrôle et répétabilité des essais : lors d’un vol d’essai en extérieur, la météo et le vent sont imprévisibles, ce qui complique l’obtention de résultats reproductibles. Avec un WindShaper, vous pouvez programmer les conditions de vent et reproduire le même essai autant de fois que nécessaire.
• Praticité : le WindShaper est monté sur roulettes, ce qui permet de le déplacer facilement et de le positionner là où vous en avez besoin. Sa forme compacte facilite également son rangement.
• Grande zone d’essai : la conception modulaire du WindShaper permet de construire une zone d’essai de la taille souhaitée. Vous pouvez ainsi tester des aéronefs de taille réelle, voire plusieurs aéronefs pour étudier le vol en formation.
• Écoulements variables dans le temps : comme chaque pixel de vent est contrôlé individuellement, il est possible de créer des écoulements variables dans le temps sur toute la zone d’essai, ce qui est impossible avec un ventilateur unique dans une soufflerie traditionnelle. Cela permet de reproduire des écoulements atmosphériques complexes, variables à la fois dans le temps et dans l’espace.
• Essais en vol libre : la conception du WindShaper offre suffisamment d’espace pour que le drone vole devant lui tout en restant dans le flux de vent programmé. À l’inverse, dans la plupart des souffleries traditionnelles, le drone doit rester immobile dans la soufflerie ou être attaché d’une manière ou d’une autre.
• Possibilités d’essai quasi infinies : comme chaque pixel de vent est contrôlé individuellement, les possibilités d’essai sont presque infinies et comprennent différentes configurations de turbulence, de rafales, d’effets thermiques, et bien plus encore.
• Essais horizontaux et verticaux avec un seul appareil : grâce à sa capacité d’inclinaison, le WindShaper peut servir de source de vent horizontale ou verticale. Avec une soufflerie traditionnelle, il faudrait construire deux installations distinctes.
• Uniformité à la demande : l’uniformité de l’écoulement peut être ajustée par logiciel afin d’obtenir un profil parfaitement plat sur toute la section d’essai, contrairement aux souffleries traditionnelles.

Figure 11 : Essai d’un quadricoptère avec un WindShaper de 8 x 8 modules

Inconvénients

• Vitesse du vent limitée : les murs de vent WindShaper permettent d’atteindre une vitesse maximale de 20 m/s (45 mph), ou jusqu’à 58 m/s (130 mph) avec un convergent. Bien que cela convienne à l’essai de la plupart des drones, cette vitesse n’atteint pas le domaine transsonique ou supersonique.
• Niveau de turbulence : par rapport aux souffleries de qualité aéronautique, l’intensité de turbulence d’un WindShaper est plus élevée (environ 5 %). Toutefois, un filtre de flux facultatif (voir section 5) peut être utilisé pour ramener le niveau de turbulence en dessous de 1 %.
• Bruit : en raison de leurs petits ventilateurs, les WindShapers produisent un bruit de fréquence plus élevée que les souffleries traditionnelles. Mais comme ce bruit est de haute fréquence, il se propage moins loin et peut facilement être atténué par un mur en béton ou une paire de bouchons d’oreille (contrairement aux grandes souffleries, qui peuvent faire vibrer tout un bâtiment et nécessitent des amortisseurs pour fonctionner correctement).

5. Systèmes compatibles

Le WindShaper peut être associé à plusieurs systèmes complémentaires pour améliorer vos essais de drones. Pour plus d’informations sur ces accessoires, contactez notre équipe commerciale : 

Banc d’essai de propulsion

Les WindShapers peuvent être associés à un banc d’essai de mesure afin d’enregistrer les données de performance pendant que votre système de propulsion est soumis à différentes conditions de vent. La station WindShaper 2 x 2 est spécialement conçue pour cette application. Elle permet de tester des moteurs et des hélices générant jusqu’à 5 kgf de poussée et mesurant jusqu’à 16 pouces de diamètre.

Figure 12 : Une station WindShaper de 2 x 2 modules

Vous pouvez également utiliser un banc d’essai plus grand avec un WindShaper de dimensions personnalisées pour tester des drones plus imposants. Par exemple, le Flight Stand existe en deux tailles, permettant de mesurer une poussée de 15 ou 50 kgf sur des configurations à moteur unique ou coaxiale.

Un banc d’essai de propulsion vous permet de mesurer la poussée, le couple, le régime, la puissance et le rendement de votre système à chaque étape de votre vol.

Convergent

Un dispositif convergent vous permet d’augmenter la vitesse maximale du vent, de 16 m/s (36 mph) à 45 m/s (100 mph). Le convergent se fixe à l’avant du WindShaper et fait passer de l’air à grande vitesse dans une zone d’essai fermée. Notez que ce dispositif réduira la taille de votre zone d’essai, en fonction de la taille du WindShaper. L’ajout d’un divergent après la section d’essai (comme illustré à la figure 14) peut augmenter davantage la vitesse du vent, au-delà de 55 m/s (135 mph).

Filtre de flux / réduction de la turbulence

Un filtre de flux peut être ajouté à votre WindShaper afin de réduire les turbulences indésirables et de garantir une faible intensité de turbulence. Cette fonction assure un flux d’air uniforme et constitue une excellente option pour les essais aérodynamiques plus traditionnels utilisant des mesures de force ou de pression, qui peuvent bénéficier d’un meilleur rapport signal/bruit.

Figure 15 : un WindShaper de 6 x 3 avec un filtre de réduction de la turbulence

Mécanisme d’inclinaison

L’option de mécanisme d’inclinaison permet de faire pivoter votre WindShaper à 90 degrés, pour le positionner à la verticale ou à l’horizontale. Cette configuration est idéale pour simuler les effets des ascendances thermiques et de l’effet de sol, ainsi que pour s’entraîner aux atterrissages dans différentes conditions. Il ne s’agit pas seulement d’un outil de mesure des performances de votre drone : il permet également à vos pilotes de perfectionner leurs compétences.

Conclusion

S’il vous reste des questions, laissez-nous un commentaire ci-dessous et nous ne manquerons pas de vous répondre.

Si vous souhaitez acheter un WindShaper, vous pouvez demander un devis à notre équipe commerciale.