Par Lauren Nagel
Introduction
Lorsqu’il s’agit des performances d’un drone, il existe un compromis nécessaire entre deux facteurs importants : la charge utile et l’autonomie de vol.
Disposer d’une bonne capacité de charge utile est de plus en plus important pour les drones de livraison, les drones cargo, les drones de recherche et de sauvetage, et bien plus encore.
Pouvoir prédire l’impact de la charge utile sur l’autonomie de vol peut vous aider à fixer des objectifs et des attentes réalistes.
Dans cet article, nous aborderons :
- Calcul de la charge utile du drone
- Comment augmenter le régime moteur (tr/min) et la poussée des moteurs à courant continu
- Comparaison de la charge utile des drones avec un calculateur d’autonomie de vol
- Charges utiles de drones bien connus
- Bonus : Comment augmenter l’autonomie de vol et la capacité de charge utile
Figure 1 : Drone agricole transportant une charge utile
1. Calcul de la charge utile du drone
Nous pouvons partir du principe que l’ajout d’une charge utile réduit l’autonomie de vol.
La plupart des gens le supposent intuitivement, mais pourquoi est-ce vrai ? Dans le cadre de cet article, nous supposons que la charge utile est augmentée tandis que les composants du drone restent les mêmes. Notez que réduire le poids de la structure est également une bonne option et produit le même effet que de réduire la masse de la charge utile.
Tout revient finalement à ceci : pour surmonter un poids plus élevé, une poussée plus importante est requise de la part des hélices, ce qui nécessite un régime moteur plus élevé, qui consomme plus d’énergie de la batterie, réduisant ainsi l’autonomie de la batterie et le temps de vol disponible.
Examinons cela un peu plus en détail :
Lorsque vous ajoutez de la masse à un drone, vous augmentez la poussée nécessaire pour le soulever du sol.
Lorsqu’un drone est en vol stationnaire, il est en équilibre, la poussée est donc égale au poids :
Figure 2 : Drone en vol stationnaire à l’équilibre
Pour la plupart des drones, il est souhaitable que leur poussée maximale soit environ deux fois supérieure à celle requise pour le vol stationnaire, ce qui leur permet de décoller, de monter et de fonctionner de manière fluide. En fin de compte, une masse plus importante exige une poussée plus élevée.
À lire également : Quelle charge utile un drone peut-il transporter
Il existe plusieurs façons de calculer la poussée, mais elle dépend généralement de plusieurs facteurs, notamment du diamètre et du pas de l’hélice, de la densité de l’air, de la vitesse et de la vitesse de rotation (tr/min), comme le montre cette équation de la poussée dynamique de l’hélice :
D’après cette équation, dérivée par Electric Aircraft Guy, il existe plusieurs façons d’augmenter la poussée : nous pouvons modifier les dimensions de l’hélice ou augmenter le régime moteur. Cette équation est assez générique. Pour obtenir une poussée plus précise, envisagez de faire des tests avec un banc d’essai de poussée.
Puisque nous conservons nos hélices inchangées, nous devrons donc augmenter le régime moteur.
2. Comment augmenter le régime moteur à courant continu
Pour augmenter le régime moteur, nous devons puiser davantage d’énergie électrique dans la batterie, plus précisément augmenter la tension.
En savoir plus : regardez cette vidéo pour voir comment la tension affecte la vitesse du moteur.
La capacité de la batterie est souvent exprimée en watt-heures (Wh). Si vous disposez d’une capacité de 70 Wh, vous pouvez puiser 70 watts pendant 1 heure ou 1 watt pendant 70 heures.
Plus la puissance puisée est élevée, plus la durée de vie de la batterie est courte. Et c’est ici que nous bouclons la boucle.
Puisque nous allons puiser une tension plus élevée (et donc une puissance supérieure) pour atteindre un régime moteur plus élevé, la batterie se déchargera plus rapidement et notre autonomie de vol sera réduite.
3. Comparaison de la charge utile et de l’autonomie de vol du drone
Examinons maintenant cela en pratique. Nous avons développé un calculateur d’autonomie de vol de drone qui vous permet de saisir les informations de votre drone, telles que le poids du drone et de la batterie, la capacité de la batterie et le nombre d’hélices. Il combine ces informations avec des données de propulsion et estime votre autonomie de vol pour vous.
Pour cet article, nous empruntons les données de ce système de propulsion avec un moteur T-Motor MN4014 et une hélice APC 12x6e afin de démontrer la relation entre la charge utile et l’autonomie de vol.
Figure 3 : Calculateur d’autonomie de vol avec données d’exemple
Avec une charge utile nulle et une masse de drone de 1,6 kg (batterie incluse), nous obtenons une autonomie de vol de 39,6 minutes.
À mesure que nous augmentons la charge utile par incréments de 0,2 kg, observez ce qui arrive à l’autonomie de vol : 
Figure 4 : Graphique de l’autonomie de vol du drone en fonction de la charge utile
À mesure que la charge utile augmente progressivement, l’autonomie de vol diminue.
4. Charges utiles de drones bien connus
Ce qui est considéré comme une « bonne » charge utile dépend de nombreux facteurs, tels que la taille et la fonction du drone. Voici les charges utiles de quelques drones bien connus à titre de référence :
- Charge utile du DJI AGRAS T40 : 50 kg (110 lbs)
- Charge utile du DJI Inspire 2 : 0,8 kg (1,8 lbs)
- Charge utile du drone MQ-9A Reaper : 1 746 kg (3 850 lbs)
- Charge utile du drone Predator RQ-1 : 204 kg (450 lbs)
- Charge utile du drone Lancet-3 : 3 kg (6,6 lbs)
- Charge utile du drone SYPAQ : 3 kg (6,6 lbs)
- Charge utile du drone RQ-11 UAV Raven : 0,18 kg (0,4 lbs)
5. Bonus : Comment augmenter l’autonomie de vol et la capacité de charge utile du drone
L’équation ci-dessous montre comment la capacité de la batterie et la puissance puisée sont liées à l’autonomie de vol du drone. Plus vous puisez de puissance, plus l’autonomie de vol sera courte :
Il existe un moyen simple d’augmenter à la fois l’autonomie de vol et la capacité de charge utile de votre drone, et tout repose sur une variable clé : l’efficacité. Augmenter l’efficacité de votre système de propulsion réduit la puissance puisée dans la batterie, augmentant ainsi votre autonomie de vol.
L’amélioration de l’efficacité n’est pas le sujet de cet article, mais nous avons un guide complet sur Comment augmenter l’autonomie de vol et la capacité de charge utile du drone, que vous pouvez lire si vous cherchez à améliorer les performances de votre drone.
Conclusion
Dans cet article, nous avons démontré comment la charge utile du drone affecte l’autonomie de vol. Les variables clés sont la poussée, le régime moteur, la puissance électrique et la capacité de la batterie.
Si vous avez des questions ou des sujets que vous souhaiteriez que nous abordions, laissez-nous un commentaire ci-dessous.