Par Lauren Nagel
Les essais en soufflerie constituent une étape essentielle dans la conception et le développement des drones, car les systèmes de propulsion se comportent souvent différemment dans des conditions statiques par rapport à des conditions réelles.
La poussée et l'efficacité des hélices, par exemple, sont cruciales pour la réussite d'une mission, mais varient considérablement en fonction de l'évolution de la vitesse de l'air. Caractériser les performances d'un drone à différentes vitesses de l'air est essentiel pour tout aéronef dont les opérations ne se limitent pas au vol par temps calme.
Pour tester l'évolution des performances d'une hélice en fonction de la vitesse de l'air, nous avons mis à profit notre banc d'essai d'hélices, en testant des hélices de drone à des vitesses de l'air allant de 0 à 38 mph (0 - 17 m/s).
Table des matières :
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Procédure d'essai en soufflerie
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Poussée de l'hélice vs. régime moteur à différentes vitesses de l'air
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Rapports poussée/puissance de l'hélice
- Efficacité de l'hélice (2 méthodes)
Figure 1 : Installation d'essai d'hélice en soufflerie
1. Procédure d'essai en soufflerie
Notre installation d'essai comprend trois équipements de mesure clés :
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Windshaper 2x2 - un mur modulaire de ventilateurs générant des vitesses d'air supérieures à 16 m/s, remplaçant la soufflerie traditionnelle. La vitesse et le niveau de turbulence de chaque ventilateur individuel sont contrôlés à l'aide du logiciel WindControl.
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Banc de poussée Série 1585 - un banc de mesure de poussée d'hélice mesurant la poussée, le couple, la vitesse de rotation, le courant et la tension afin de déduire la puissance et l'efficacité. Les essais ont été automatisés à l'aide du logiciel Flight Stand.
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Capteur de pression de vitesse de l'air - connecté à un tube de Pitot et au logiciel Flight Stand, les données de vitesse de l'air sont synchronisées avec les mesures du banc de poussée.
Figure 2 : Banc de poussée d'hélice Série 1585 avec capteur de vitesse de l'air et tube de Pitot
Nous avons installé une hélice de 9” à 210 cm du Windshaper et avons effectué un test par étapes automatisé avec quatre niveaux de gaz : 1550, 1700, 1850 et 2000 µs.
Figure 3 : Test par étapes tracé dans le logiciel Flight Stand
Chaque essai utilisait une vitesse de l'air et un niveau de turbulence constants à travers les ventilateurs, et a été répété à 6 vitesses différentes :
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0 m/s (0 mph)
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4,2 m/s (9,4 mph)
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7,5 m/s (16,8 mph)
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10,7 m/s (24 mph)
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14 m/s (31,3 mph)
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17 m/s (38 mph)
Figure 4 : Puissance des ventilateurs Windshaper réglée à 100 % (17 m/s) dans le logiciel WindControl
Les mesures de poussée ont été « tarées » en enregistrant la poussée à 0 % de gaz à chaque vitesse de l'air, et en soustrayant la poussée mesurée de la poussée totale enregistrée à chaque étape de gaz. À la vitesse de l'air la plus élevée, l'hélice a été délicatement immobilisée pour l'empêcher de tourner pendant la mesure de référence. Cet effort visait à isoler la poussée générée par l'hélice.
Pour aller plus loin : CFD vs. Essais d'hélices expérimentaux (Résultats)
Autres considérations concernant l'installation d'essai :
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Il est essentiel de laisser suffisamment d'espace derrière le Windshaper pour assurer une admission d'air efficace
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Nous nous sommes assurés que l'entrée du tube de Pitot n'était pas obstruée pour garantir la mesure d'un flux d'air régulier
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Nous avons cherché à minimiser la distance entre le tube de Pitot et l'hélice d'essai tout en limitant les perturbations du flux d'air. La prochaine fois, nous visualiserons les flux aérodynamiques avec une WindProbe 3D.
Figure 5 : Mur de vent Windshaper 2x2 avec 36 ventilateurs contrôlés individuellement
2. Poussée de l'hélice vs. régime moteur à différentes vitesses de l'air
Le graphique ci-dessous montre les résultats de la génération de poussée par rapport au régime moteur dans chaque condition de vent. Les quatre points de données à chaque vitesse de l'air représentent les relevés à chaque étape de gaz.
Figure 6 : Graphique de la poussée de l'hélice vs. régime moteur à des vitesses de l'air de 0 à 17 m/s
La génération de poussée augmente à mesure que les gaz augmentent et était la plus élevée dans la condition sans vent. À mesure que la vitesse de l'air augmentait, une vitesse de rotation plus élevée était nécessaire pour obtenir la même poussée.
Pour une poussée donnée, le régime de l'hélice augmentait à mesure que l'entrée des gaz et la vitesse de l'air augmentaient. Le vent provenant du Windshaper est responsable du régime plus élevé, poussant sur les pales de l'hélice et la faisant tourner encore plus vite.
Un régime plus élevé est généralement associé à une génération de poussée plus élevée, mais cela n'est vrai qu'à vitesse de l'air constante. La poussée de l'hélice dépend des propriétés physiques de l'hélice, c'est-à-dire le rayon, le pas, mais aussi de la pression de l'air s'écoulant à travers la zone du disque de l'hélice.
L'équation ci-dessous pour la poussée dynamique de l'hélice (Electric Aircraft Guy) démontre comment la vitesse de l'air vers l'avant de l'hélice est liée à la génération de poussée. Notez que les coefficients sont théoriques et varieront en fonction du profil de l'hélice, du nombre de Reynolds et des conditions environnementales.
Néanmoins, l'équation est utile pour comprendre comment les changements de paramètres affecteront la poussée de l'hélice. Par exemple, à mesure que la vitesse de l'air vers l'avant augmente, la poussée de l'hélice diminue.
Cette diminution de la poussée se produit parce que la poussée est le produit de la différence de vitesse de l'air entrant et sortant de l'hélice. La poussée de l'hélice peut également s'exprimer comme suit :
Pour aller plus loin : Comment calculer la poussée de l'hélice (statique et dynamique)
Lorsqu'une hélice est stationnaire, c'est-à-dire lorsqu'un aéronef est au repos, l'air environnant est rapidement accéléré à son entrée dans l'hélice. Lorsque l'aéronef accélère et que l'hélice gagne en vitesse vers l'avant, la vitesse relative de l'air rencontrant les pales de l'hélice (V0) augmente, tandis que Ve n'augmente pas proportionnellement, ce qui entraîne une génération de poussée plus faible.
De plus, à mesure que la vitesse de l'air augmente, il y a un changement dans le vecteur de flux d'air relatif au niveau de l'hélice. Ce vecteur représente la somme du vecteur vitesse de rotation de l'hélice et du vecteur vitesse de l'air. L'angle entre le vecteur de flux d'air relatif et la ligne de corde de l'hélice est l'angle d'attaque. À mesure que l'amplitude du vecteur vitesse de l'air augmente, l'angle d'attaque diminue, ce qui entraîne une réduction de la génération de poussée.
Figure 7 : Changement de l'angle d'attaque de l'hélice avec une augmentation de la vitesse de l'air (Roddy Mc Namee)
Regardez la vidéo de Roddy Mc Namee sur l'Angle d'attaque des pales d'hélice pour en savoir plus.
3. Rapports poussée/puissance de l'hélice
À mesure que la vitesse de l'air augmente, la puissance mécanique diminue. Dans le graphique ci-dessous, nous visualisons la baisse de la poussée et de la puissance, ainsi que le rapport poussée/puissance :
Figure 8 : Poussée, puissance et rapports poussée/puissance de l'hélice à 9000 RPM
Le graphique compare la poussée et la puissance à 9000 RPM à chacune des six vitesses de l'air, en dérivant les valeurs de leurs courbes de performance. Le rapport poussée/puissance est simplement la poussée divisée par la puissance.
Dans le graphique, il est clair que la poussée diminue plus rapidement que la puissance. Même si moins de poussée est générée à mesure que la vitesse de l'air augmente, une quantité similaire de puissance est consommée, ce qui entraîne un rapport poussée/puissance plus faible aux vitesses de l'air plus élevées.
Entre 0 et 17 m/s, la poussée diminue de 75 %, tandis que la puissance ne diminue que de 19 %.
Cela se traduit par une baisse de l'efficacité de l'hélice à des vitesses de l'air plus élevées, comme nous le verrons dans la section suivante.
Recommandé pour vous : 2 méthodes pour équilibrer les hélices de drone