Par Lauren Nagel
La croyance populaire veut que, du moins en théorie, les hélices monopales atteignent une efficacité supérieure à celle des hélices de même taille dotées de plus de pales. Ce phénomène s'explique par quelques facteurs différents, sur lesquels nous nous pencherons ci-dessous.
Nous avons décidé de mettre cette théorie à l'épreuve en comparant les performances d'une hélice de drone monopale avec une hélice bipale de même marque.
Lisez la suite pour découvrir nos résultats inattendus.
Table des matières :
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Pourquoi les hélices monopales sont-elles plus efficaces
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Configuration expérimentale
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Résultats : Hélices 1 pale vs 2 pales
- RPM et poussée
- Efficacité de l'hélice
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Efficacité globale
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Discussion : Compromis de performance et facteurs perturbateurs
1. Pourquoi les hélices monopales sont-elles plus efficaces
Les hélices monopales ont été utilisées commercialement dans quelques cas, notamment sur des Piper Cubs modifiés et des motoplaneurs, mais n'ont pas vraiment réussi à s'imposer ailleurs.
Cela est quelque peu surprenant étant donné que les modèles à 1 pale seraient plus efficaces que ceux à 2 pales ou plus ; alors pourquoi ne sont-ils pas plus courants ?
Commençons par examiner la théorie derrière l'efficacité améliorée des hélices monopales.
Une théorie suggère que moins de pales signifie moins de sources de tourbillons marginaux consommatrices d'énergie. Ces tourbillons peuvent entraîner une perte d'énergie à faible rapport d'avance ; les limiter peut donc améliorer l'efficacité.
Une autre théorie majeure stipule que les hélices monopales sont plus efficaces parce qu'elles ne subissent pas la turbulence de sillage des autres pales et tournent donc dans un air moins perturbé.
Pour déterminer si cette théorie se vérifie dans la pratique, nous l'avons mise à l'épreuve en utilisant notre Flight Stand 15.
Figure 1 : test d'hélices monopales et bipales de même taille et de même marque
2. Configuration expérimentale
Pour cette expérience, nous avons acquis un jeu d'hélices en fibre de carbone et avons modifié l'une des deux pour en faire une hélice monopale. Nous avons ensuite effectué un test par paliers sur une gamme de RPM.
Création de l'hélice monopale
Le processus de création de l'hélice monopale a été assez simple :
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Couper la majeure partie de l'une des pales
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Percer un trou au centre de la partie restante de la pale
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Fixer un boulon dans le trou
Figure 2 : Gros plan de l'hélice monopale après modifications
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Équilibrer grossièrement l'hélice à l'aide d'un équilibreur statique, en ajustant le boulon et/ou en ajoutant des rondelles jusqu'à ce qu'elle soit visiblement équilibrée
Figure 3 : hélice monopale montée sur un équilibreur statique
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Équilibrer dynamiquement l'hélice à l'aide du Flight Stand, en ajoutant du ruban adhésif pour obtenir une classe de qualité ISO acceptable (6,996 G)
Figure 4 : Équilibrage de l'hélice monopale avec le logiciel Flight Stand
Bien que nous ayons cherché à atteindre une classe de qualité de 6,3 G, cela n'a pas été possible malgré plusieurs tentatives et des corrections de poids de plus en plus précises (discussion dans la section 4).
Le Flight Stand 15 mesure les vibrations pour évaluer la qualité de l'équilibrage du système ; il est donc possible que les effets aérodynamiques du boulon aient influencé les résultats, que la position axiale du contrepoids nécessite un équilibrage sur deux plans, ou que la poussée non équilibrée provoque simplement plus de bruit...
L'hélice bipale a atteint une classe de qualité de 5,552 G sans aucune modification.
L'hélice monopale avait une masse finale de 29 g, tandis que l'hélice bipale avait une masse de 18 g.
Nous avons utilisé une hélice sens horaire (CW) et une hélice sens anti-horaire (CCW), car c'est ce que nous avions sous la main, et cette différence n'est pas censée impacter les performances.
Figure 5 : hélices monopale et bipale modifiées côte à côte
Recommandé pour vous : Comment équilibrer une hélice à 3 pales
Test de comparaison des performances
À l'aide du logiciel Flight Stand, nous avons conçu et exécuté un test par paliers automatisé avec cinq niveaux de commande des gaz :
- 1200 µs
- 1350 µs
- 1500 µs
- 1650 µs
- 1800 µs
Ci-dessous, une capture d'écran de l'interface graphique du logiciel juste après l'achèvement du premier test.
Figure 6 : test par paliers automatisé dans le logiciel Flight Stand
3. Résultats expérimentaux : Hélices 1 pale vs 2 pales
RPM et poussée
À la même entrée de gaz, le régime (RPM) atteint était pratiquement identique pour les hélices monopales et bipales. La plus grande différence s'est produite à 1650 µs, où les lectures de RPM étaient respectivement de 2330 et 2318, soit une différence de seulement 12 RPM ou 0,5 %. Cela indique que notre ESC contrôle le RPM en boucle fermée, car la charge était très différente pour les deux hélices.
Au même régime, la poussée de l'hélice bipale était nettement supérieure à celle de l'hélice monopale. Ce résultat n'est pas surprenant, car l'hélice bipale a une surface de production de portance presque double de celle de l'hélice monopale. La différence devient de plus en plus prononcée à mesure que le régime augmente.
Figure 7 : poussée vs vitesse de rotation pour les hélices monopales et bipales
Efficacité de l'hélice
Lorsque nous traçons l'efficacité de l'hélice, calculée en divisant la poussée (gf) par la puissance mécanique (W), nous pouvons constater qu'à toutes les vitesses de rotation, l'hélice monopale est plus efficace que l'hélice bipale. Cela concorde avec la théorie abordée dans la première section.
Figure 8 : efficacité de l'hélice monopale et bipale vs RPM
Cependant, lorsque nous traçons l'efficacité de l'hélice par rapport à la poussée, dans l'intention de comparer des conditions présentant des avantages de vol équivalents, nous voyons que l'hélice monopale ne maintient une efficacité supérieure qu'à faible poussée.
Figure 9 : efficacité de l'hélice monopale et bipale vs poussée
Pour aller plus loin : Comment la vitesse du vent réduit l'efficacité de l'hélice
Efficacité globale du groupe motopropulseur
En examinant l'efficacité globale du groupe motopropulseur, calculée comme la poussée (gf) divisée par la puissance électrique d'entrée (W), nous observons que le système bipale est plus efficace à toutes les vitesses de rotation. Les deux systèmes gagnent en efficacité à mesure que le régime augmente, avec un plateau se formant après environ 2500 RPM.
La différence absolue maximale s'est produite à 1500 µs et 1720 RPM, l'hélice bipale atteignant une efficacité globale du groupe motopropulseur supérieure de 1,89 gf/W par rapport au système monopale. La différence maximale en termes de pourcentage s'est produite à 1200 µs et 495 RPM, où l'hélice bipale était 65 % plus efficace.
Figure 10 : efficacité du groupe motopropulseur vs RPM pour les systèmes de propulsion monopale et bipale
Ceci est probablement observé en raison de l'efficacité du moteur et de l'ESC du système, le rapport entre la puissance mécanique de sortie et la puissance électrique d'entrée. Contrairement à l'efficacité supérieure de l'hélice du système monopale, le système bipale a démontré une efficacité moteur et ESC bien plus élevée.
L'hélice choisie pour ces expériences se situait dans la fourchette basse des hélices adaptées à ce moteur, et l'hélice monopale aurait été encore moins bien adaptée au moteur, car elle générait moins de couple.
Le résultat de l'utilisation en dessous de la zone d'efficacité maximale du moteur est que, malgré l'efficacité supérieure de l'hélice à une poussée inférieure à 0,175 kgf, l'efficacité globale du groupe motopropulseur reste plus faible pour l'hélice monopale sur toute la gamme de poussée et de RPM.
Dans une expérience de suivi, il existe plusieurs modifications que nous pourrions apporter pour comparer les performances des hélices dans des conditions idéales. Nous abordons ces points dans la section suivante.
Consultez notre guide Cartographie de l'efficacité des moteurs pour en savoir plus sur la mesure de l'efficacité des moteurs.
Discussion : Compromis de performance et facteurs perturbateurs
Compromis de performance
Bien qu'il semble que les hélices monopales soient effectivement plus efficaces à faibles valeurs de poussée, nous devons également reconnaître les compromis de performance liés à leur utilisation.
Premièrement, afin d'atteindre l'équilibre, le contrepoids doit être plus lourd que la pale d'origine qui a été retirée, puisque la masse est désormais plus proche du moyeu. Le contrepoids est essentiellement un poids mort car il ne contribue pas à la portance, mais contribue probablement à la traînée (c'était presque certainement le cas dans notre conception).
De plus, l'une des raisons majeures pour lesquelles les hélices monopales n'ont pas été adoptées plus largement est le niveau élevé de vibrations qu'elles produisent. Cela résonne dans tout le système, entraînant des effets en aval non négligeables comme une durée de vie plus courte des roulements et des composants. Les conséquences des vibrations dans les drones peuvent être graves.
Enfin, dans cette expérience, nous avons étudié la différence de performance entre les hélices monopales et bipales dans une condition statique, mais cela n'est pas nécessairement représentatif de leurs performances en vol. À l'avenir, nous pourrions effectuer les mêmes tests dans des conditions de vol simulées à l'aide d'une Windshaper pour obtenir des résultats plus réalistes.
Facteurs perturbateurs
Les expériences réalisées pour cette recherche ont atteint leur objectif de nous permettre de comparer les performances des hélices monopales et bipales. Cela dit, il y a eu quelques facteurs perturbateurs qui ont rendu la comparaison imparfaite.
Premièrement, le contrepoids sur l'hélice monopale était encombrant et peu aérodynamique. Dans un monde idéal, nous aurions fabriqué une hélice avec un contrepoids parfaitement profilé qui atteindrait une classe de qualité d'équilibrage ISO < 6,3 G. Cela aurait probablement conduit à de meilleures performances encore que ce que nous avons observé.
Ensuite, pour des raisons de mobilité et de sécurité, notre Flight Stand 15 est monté sur un chariot, les tests sont donc effectués avec des clôtures entourant l'hélice. Cela a sans aucun doute un impact sur la dynamique locale et les performances de l'hélice, mais nous sommes convaincus que l'impact était assez constant d'un test à l'autre, maintenant la validité de la comparaison.
De plus, comme discuté ci-dessus, le moteur que nous avons utilisé pour cette expérience était probablement surdimensionné pour les hélices testées. Puisque nous mesurons le couple et la puissance mécanique, cela n'a aucun effet sur la validité du résultat. Cependant, si nous concevions cela pour un vrai drone, nous utiliserions les mêmes hélices sur un moteur plus petit (ou des hélices plus grandes sur le même moteur) afin de fonctionner dans la zone d'efficacité maximale du moteur. Cela changerait le résultat final en termes de performance globale du groupe motopropulseur.
Enfin, dans cette expérience, nous nous sommes concentrés sur l'exécution des hélices via le même test exact, plutôt que de les comparer selon des indicateurs de performance égaux. Il pourrait être intéressant de se concentrer sur l'obtention de la même poussée avec une hélice à une pale et à deux pales, soit en utilisant des régimes différents, soit en acceptant des pales ayant des formes et des diamètres différents. C'est-à-dire tester une hélice à une pale avec un diamètre deux fois supérieur à celui d'une hélice à deux pales, et comparer leur puissance et leur efficacité à poussée égale.
Dans un environnement réel, nous devons également tenir compte du fait que la poussée maximale réalisable par une hélice à une pale est plus limitée que pour une hélice à deux pales. Nous ne pouvons pas laisser l'extrémité de l'hélice dépasser la vitesse du son sans une très forte baisse de performance.
Résumé
En résumé, nos résultats confirment l'idée que les hélices à une pale sont effectivement plus efficaces que les hélices de même taille avec davantage de pales. Cela dit, le gain d'efficacité s'accompagne de compromis en termes de performances : réduction de la poussée, augmentation de la masse, vibrations plus élevées et dégradation plus rapide des composants.
Nous vous remercions d'avoir pris le temps de lire cet article et espérons qu'il a été instructif. Si vous avez des questions ou des recommandations pour de futurs tests, faites-le nous savoir dans les commentaires ci-dessous.
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