Par Lauren Nagel
Dans le monde des drones, des UAV et des aéronefs eVTOL, disposer d'une configuration moteur-hélice optimisée permet non seulement à votre appareil de voler, mais aussi d'atteindre des performances optimales.
Les données des fabricants peuvent vous donner une idée des moteurs et des hélices qui fonctionneront dans votre conception, mais les tests ne sont pas normalisés, il est donc impossible de comparer les pièces entre les différents fabricants.
Voici quelques façons dont un banc de poussée peut vous aider à améliorer les performances de votre drone :
Augmentez votre temps de vol
Une raison majeure pour tester vos moteurs et hélices est d'augmenter le temps de vol de votre drone. Augmenter le temps dans les airs de votre véhicule vous permettra de tourner de plus longues vidéos, de collecter plus de données, de maintenir un contact visuel sur une cible et de voler plus loin avec une seule charge. Des tests et des modifications simples peuvent ajouter de précieuses minutes à votre temps de vol, vous offrant un avantage concurrentiel sur vos rivaux. Un excellent exemple provient de deux étudiants en master de génie mécanique à l'Université d'Ottawa qui ont pu plus que doubler le temps de vol de leur drone hélicoptère de reconnaissance en testant diverses combinaisons moteur-hélice.
Tout au long du processus de test, les étudiants ont pu déterminer que des composants électriques plus légers fonctionneraient tout aussi bien et ont trouvé un moteur plus efficace que celui qu'ils utilisaient précédemment. Le résultat est qu'ils ont augmenté le temps de vol de leur hélicoptère de 3 à 7 minutes sans compromettre le bruit ou la charge utile (et ils ont trouvé une idée pour une excellente entreprise aérospatiale). Cet exemple montre que le temps de vol peut être amélioré grâce à des modifications de base de votre conception axées sur l'augmentation de l'efficacité.
Pour aller plus loin : Comment augmenter le temps de vol de votre drone
Augmentez votre charge utile
De nombreuses applications émergentes pour drones exigent que les véhicules transportent toutes sortes de charges utiles plus longtemps et plus loin que jamais auparavant. Répondre aux demandes de capacité de charge utile nécessite souvent de tester plusieurs moteurs et hélices, mais l'investissement initial sera presque toujours rentable en raison de l'amélioration du fonctionnement de votre UAV. Maximiser la capacité de charge utile d'un drone est important pour des industries telles que la conception eVTOL, l'expédition et la livraison, la vidéographie, le transport de marchandises, le transport humain, et plus encore.
Les drones de loisir ont fréquemment une charge utile allant jusqu'à 2 kg, tandis que les drones de la catégorie « levage lourd » peuvent transporter des centaines de kilogrammes de fret. Quelles que soient vos exigences en matière de charge utile, tester plusieurs configurations moteur/hélice peut garantir que vous en aurez pour votre argent. SkyDrive, une entreprise aérospatiale basée à Tokyo, utilise ces tests pour optimiser la géométrie, la taille et les composants de ses drones. Plus récemment, ils ont pu construire un drone de levage lourd capable de voler 15 minutes avec une charge utile de 30 kg. Leur produit final, « CargoDrone », contient 4 rotors coaxiaux pour un total de 8 hélices et moteurs.
Augmentez votre autonomie
Des antennes améliorées et des prolongateurs de portée ont considérablement amélioré notre capacité à faire voler des UAV dans des territoires inexplorés. Le facteur limitant n'est plus la distance à laquelle nous pouvons communiquer avec le drone, mais la durée pendant laquelle le véhicule peut rester en vol avec une seule charge. Tester le système de propulsion d'un drone peut aider à étendre son autonomie en maximisant l'efficacité du groupe motopropulseur, contribuant à une durée de vol plus longue. Ceci est particulièrement important lors de missions dans des terrains inaccessibles ou au-dessus de l'eau.
Si un drone ne peut pas rassembler la puissance nécessaire pour le voyage de retour, il pourrait être perdu complètement. Les projets vidéographiques ambitieux et les vols de reconnaissance exigent la garantie que le véhicule et les images collectées ne seront pas perdus. Avec cette garantie, des images fantastiques peuvent être collectées en toute confiance, comme cette visite époustouflante du Cervin dans les Alpes suisses. Tester et optimiser votre système de propulsion peut rendre ces vols possibles avec l'avantage supplémentaire de savoir exactement à quoi s'attendre de votre UAV.
Vérifiez vos niveaux sonores
Alors que beaucoup attendent avec impatience l'avenir des drones et des aéronefs eVTOL, l'une des plus grandes préoccupations sociétales demeure l'augmentation des niveaux sonores et leur impact sur notre environnement. Avec le potentiel pour les drones de survoler nos têtes pour livrer des colis, inspecter des bâtiments et transporter les gens au travail, il s'agit d'une préoccupation juste et valable. Pour de nombreuses applications de drones, la quantité de son produite sera un facteur important pour décider s'ils sont mis en service ou non. Cela est vrai non seulement pour les applications quotidiennes, mais surtout pour les opérations de surveillance et de reconnaissance qui exigent le silence. Tester le système de propulsion de votre drone vous permet d'anticiper les niveaux sonores produits et de résoudre tout problème avant son premier vol. Cette perspicacité peut finalement conduire à une solution UAV plus efficace et compétitive.
Un exemple inspirant de cette technologie en action se trouve dans les efforts de surveillance et de conservation de la faune. Le programme « SnotBot » d'Ocean Alliance utilise des drones grand public modifiés pour collecter des échantillons organiques de baleines afin de mieux comprendre la santé de la population. Les drones utilisés lors de ces expéditions sont exceptionnellement silencieux afin de ne pas déranger ou effrayer les baleines, une exigence primordiale pour la durabilité de leurs recherches. Les moteurs et les hélices produisent la majorité du bruit dans un UAV, donc tester et comparer les moteurs et les hélices est votre meilleur pari pour concevoir la version la plus silencieuse de votre conception.
Réduisez les vibrations
Tous les groupes motopropulseurs génèrent un certain degré de vibration, mais une réverbération excessive peut endommager vos composants et indique généralement un manque d'efficacité. Effectuer un test de vibration pour votre système de propulsion est un excellent moyen d'équilibrer votre hélice, de détecter les inefficacités et de rationaliser votre conception. Ce faisant, vous remarquerez probablement que les pièces durent plus longtemps et que vous obtenez de meilleures performances avec une seule charge de batterie.
La réduction des vibrations est particulièrement importante dans le monde de la vidéographie par drone, où les vibrations peuvent provoquer des vidéos instables ou floues, symptômes de l'effet Jello. Les stabilisateurs et le montage en post-production peuvent améliorer la qualité de vos vidéos, mais réduire la quantité de vibrations auxquelles vous êtes confronté en premier lieu peut vous faire gagner du temps et de l'argent. Réaliser ces vols et vidéos plus fluides peut être facilement atteint avec un peu de tests.
Augmentez la fiabilité
Il existe une grande incitation à accroître la fiabilité dans l'industrie des drones, car le taux de défaillance des drones est environ deux ordres de grandeur plus élevé que celui observé dans l'aviation commerciale. Pour que les UAV prennent en charge les fonctions actuellement occupées par des aéronefs pilotés, leur fiabilité, ou temps moyen entre pannes (MTBF), doit augmenter. Tester votre système de propulsion peut aider à prévenir et à prédire les pannes, car les données peuvent fournir un aperçu de l'état de vos composants.
Effectuer une évaluation de la Fiabilité, Disponibilité, Maintenabilité et Sécurité (RAMS), par exemple, est un excellent moyen de prouver la fiabilité de votre drone, car il s'agit d'un test reconnu par l'industrie que les consommateurs connaissent et en lequel ils ont confiance. Une fois qu'un système a été optimisé, les données des tests de fiabilité peuvent être une ressource utile à référencer ou même à publier dans le cadre d'une stratégie marketing.
Prévenez le givrage en vol
Tester vos moteurs et hélices peut aider à comprendre comment les facteurs environnementaux affectent votre drone, comme le risque et l'impact du givrage en vol. Le givrage en vol ou « givrage atmosphérique » peut être un obstacle majeur aux opérations de drones, car l'accumulation de glace modifie les propriétés aérodynamiques de l'aéronef. L'accumulation de glace entraîne une augmentation du poids et de la traînée, conduisant à une perte de portance, inhibant ainsi les capacités de vol de votre drone. Les expériences en soufflerie du CNRC ont également démontré comment la température et le type d'hélice affectent l'accrétion de glace, et que le couple augmente linéairement avec le temps d'exposition aux conditions de givrage. La résistance aux basses températures est essentielle pour les drones opérant dans des climats froids, à haute altitude et dans des conditions météorologiques difficiles.
Savoir comment un drone réagit aux basses températures peut aider à le concevoir en conséquence et à déterminer si ses opérations nécessitent un investissement supplémentaire dans des produits de dégivrage. UBIQ Aerospace, un leader mondial de la technologie de dégivrage, étudie les modèles et les effets de l'accumulation de glace sur les UAV en testant l'aérodynamisme des hélices dans des expériences en soufflerie. Leurs tests leur ont permis d'affiner leur technologie D•ICE, qui atténue l'accumulation de glace pour les UAV à voilure fixe. Pour toute opération de drone par temps froid, les tests d'hélice peuvent être une source d'informations inestimable pour anticiper les performances.
Pour aller plus loin : Quelles conditions causent le givrage des drones
Maintenance préventive
L'un des meilleurs moyens d'économiser du temps et de l'argent sur la maintenance des drones, et de la maintenance de n'importe quel véhicule d'ailleurs, est de réparer l'usure avant qu'elle ne devienne un problème. Il est infiniment préférable d'investir dans des pièces de rechange que de devoir remplacer un drone entier en raison d'une panne fatale.
Tester vos moteurs et hélices est une partie importante de ce protocole, car les dommages ne sont pas toujours évidents. Une érosion mineure due aux dégâts des eaux ou aux débris peut affecter l'efficacité du moteur, limitant ainsi les performances du drone. Les hélices peuvent également se déséquilibrer avec le temps et entraîner une augmentation des vibrations, usant l'ensemble du système de propulsion. Tester votre groupe motopropulseur dans le cadre de votre programme de maintenance préventive peut aider à détecter ces inefficacités, ce qui se traduit par des performances de drone améliorées et de grandes économies de temps et d'argent.
Acquérir des diagnostics
En plus de la phase de conception, les données sur les moteurs et les hélices peuvent être utiles tout au long de la durée de vie de votre véhicule. Enregistrer des diagnostics à des intervalles programmés, toutes les 50 heures de vol par exemple, peut aider à surveiller les performances d'un drone au fil du temps. De tels tests sont utiles pour détecter l'usure ainsi que les pertes d'efficacité.
Les tests de diagnostic des moteurs et des hélices peuvent également fournir un aperçu des raisons pour lesquelles un UAV ne fonctionne pas de manière optimale, ou donner un avertissement qu'il pourrait ne pas atteindre les performances auxquelles vous vous attendez en raison de dommages imprévus. Les drones opérant dans des environnements très humides, à haute température ou poussiéreux et remplis de débris peuvent s'user plus rapidement que prévu et vous surprendre avec des temps de vol plus courts que prévu ou des performances d'accélération maximale inférieures à celles attendues. Les tests de diagnostic du système de propulsion peuvent détecter ces faiblesses avant qu'une panne ne survienne, évitant ainsi des situations inconfortables ou potentiellement dangereuses.
Améliorez la sécurité
La sécurité est peut-être la préoccupation numéro un des investisseurs et des régulateurs dans l'industrie des drones et des véhicules électriques. Sans certaines garanties, les véhicules aériens ne seront pas autorisés à pénétrer sur le marché et à remplir leur fonction. Atteindre une conception plus sûre peut être accompli relativement facilement en testant les composants du système, en particulier les moteurs et les hélices qui effectuent des milliers de tours par minute.
Mieux comprendre ces éléments peut aider à prévenir la surchauffe, la panne de moteur, la perte de puissance, etc., évitant ainsi les accidents et les blessures. À mesure que nos cieux sont de plus en plus peuplés de véhicules aériens, les citoyens doivent être convaincus qu'ils fonctionneront comme prescrit, ne posant aucune menace pour les activités humaines. Les tests de sécurité peuvent augmenter considérablement la crédibilité des véhicules individuels et de l'industrie dans son ensemble, garantissant les performances et favorisant la tranquillité d'esprit des investisseurs, des fonctionnaires et du public.
Obtenez une certification
Une autorisation spéciale est requise pour de nombreuses opérations courantes de drones sous la forme d'une dérogation ou d'une exemption d'une autorité de régulation. Aux États-Unis, par exemple, une dérogation est requise pour toute opération non incluse dans la Partie 107 des règles de la FAA sur les petits UAS. La liste des opérations nécessitant une dérogation comprend le vol de nuit, au-delà de la ligne de mire visuelle (BVLOS), au-dessus des personnes, à plus de 400 pieds au-dessus du niveau du sol (AGL), ou à plus de 100 miles par heure. Cette liste chevauche naturellement les activités de nombreuses opérations de drones de loisir et commerciaux.
L'obtention d'une dérogation dépend en grande partie de la capacité du demandeur à convaincre la FAA que son opération est sûre, et des tests approfondis du système de propulsion d'un UAV sont une partie importante de l'évaluation d'un véhicule sûr. Effectuer et démontrer la répétabilité des tests de propulsion peut grandement soutenir une demande de dérogation tout en fournissant au concepteur des informations précieuses. Bien que les réglementations varient dans le monde entier, de nombreux concepteurs trouveront les données de propulsion utiles ou obligatoires pour les certifications de drones dans le monde entier.
Améliorez la conception de la structure
L'amélioration de l'efficacité d'un drone est un processus circulaire qui commence par certaines hypothèses. Ces hypothèses peuvent inclure le poids total du drone et le poids des composants individuels, ainsi que son utilisation prévue. Une fois ces hypothèses initiales posées, des tests de propulsion peuvent aider à déterminer si votre conception répondra aux exigences de l'usage envisagé. Pour les drones de course, vous pouvez déterminer si votre conception répond aux exigences de vitesse, ou, pour un drone de livraison, si elle atteindra les durées de vol minimales.
Le meilleur dans tout cela, c'est que si votre conception initiale ne répond pas à vos besoins, vous pouvez remplacer les moteurs et les hélices par de nouveaux pour trouver une configuration idéale. Une fois que vous avez trouvé votre ensemble de motorisation idéal, vous pouvez également essayer de nouvelles batteries ou modifier votre châssis. Les hypothèses initiales guident le processus d'optimisation, mais une fois que vous avez terminé une première phase d'examen, vous pouvez prendre des décisions éclairées concernant d'autres modifications de votre conception.
Lectures complémentaires : Calculs et hypothèses de conception de drones
Assurance qualité
Les tests de propulsion peuvent renforcer et légitimer l'assurance qualité offerte aux investisseurs et clients potentiels. Étayer un argumentaire de vente par des données de performance rigoureuses est un excellent moyen de susciter la confiance dans votre produit et de donner à votre équipe commerciale un avantage concurrentiel. En plus des ventes, tester vos moteurs et hélices peut fournir des informations précieuses pour les fiches techniques et permettre aux concepteurs d'avoir l'esprit tranquille en sachant que les véhicules fonctionneront comme annoncé.
Les tests de propulsion vous permettront également de mieux standardiser vos produits, en garantissant que chaque unité fonctionne de manière identique. Cela se traduit par moins de temps passé sur les demandes d'assistance client, car le niveau de sécurité supplémentaire garantira un nombre plus faible de produits défectueux quittant l'usine. Que votre opération soit grande ou petite, tester les moteurs et les hélices est un excellent moyen de légitimer votre garantie de qualité et d'assurer la cohérence entre les produits.
Étudier la réponse des gaz
Il est souvent nécessaire d'apprendre avec quelle rapidité un système de propulsion peut réagir à un changement de commande d'entrée. Les données issues de ces tests permettent de savoir avec quelle rapidité le drone peut réagir à des perturbations telles que des rafales de vent. Une méthode courante pour tester physiquement la réactivité d'un système de propulsion consiste à le soumettre à un signal de commande de balayage de fréquence. Un balayage de fréquence est un signal sinusoïdal dont la fréquence est constamment variée pour couvrir tout le spectre des fréquences à tester. Avec les données collectées, le concepteur du drone peut déterminer à quelle vitesse le système de propulsion peut réagir à des changements soudains de gaz.
Une autre méthode pour en apprendre davantage sur le temps de réaction d'un groupe motopropulseur consiste à le soumettre à un échelon. Tandis que les données sont enregistrées à haute vitesse, un changement soudain de gaz est appliqué. Après un certain temps, l'hélice se stabilise à une nouvelle vitesse de rotation. Le temps nécessaire pour stabiliser la vitesse est appelé temps de stabilisation. Enfin, un test proportionnel intégral dérivé (PID) peut mesurer la cohérence de votre système de propulsion sur une période prolongée en commandant une poussée ciblée et constante. Ces tests peuvent être effectués à l'aide d'un dynamomètre doté de capacités de script suffisantes, permettant une compréhension complète de la réponse aux gaz d'un drone.
Apprendre de la reproduction de vol
Les tests de propulsion peuvent contribuer à une reproduction de vol plus simple et plus efficace pour des applications telles que l'agriculture, la surveillance, la recherche, etc. La possibilité d'enregistrer des vols à l'aide d'un équipement de test de propulsion permet aux concepteurs de planifier et d'enregistrer un itinéraire automatiquement, puis de reproduire les données des gaz plus tard. Sans même quitter le laboratoire, les concepteurs peuvent optimiser leur plan de vol en fonction des données collectées sur les performances du moteur et de l'hélice. Les applications agricoles de la technologie des drones autonomes sont souvent basées sur le principe de l'efficacité, minimisant les coûts de main-d'œuvre et d'intrants avec l'avantage supplémentaire de protéger la santé humaine.
Le drone agricole d'Airboard Agro est un excellent exemple, car il pulvérise les cultures sur des itinéraires préprogrammés sur des terrains difficiles, effectuant le travail laborieux et répétitif auparavant effectué par les humains. Pour récolter réellement les avantages de cette technologie, les drones doivent être optimisés pour la tâche spécifique qu'ils effectueront, en tenant compte de la vitesse, de la poussée et de la stabilité requises. Les tests de propulsion sont une excellente ressource pour améliorer ces reproductions de vol et garantir que les drones atteindront leur efficacité maximale pour les missions autonomes.
Prévenir la surchauffe et les défaillances thermiques
L'une des causes les plus courantes de défaillance des drones est la surchauffe du moteur, entraînant une panne moteur. Des valeurs nominales de température et de tension maximales sont souvent fournies avec les moteurs électriques, mais il peut être difficile de savoir quand votre moteur approche de ces limites. De plus, bien que le refroidissement du moteur dépende du courant, les valeurs nominales de courant ne sont pas standard dans l'industrie. Une façon de tester les limites d'un moteur consiste à mesurer sa température à différents intervalles de vitesse à l'aide de sondes thermiques, une stratégie utile pour contourner les pannes.
À l'université d'État de Kent, dans l'Ohio, le laboratoire du Dr Blake Stringer effectue de tels tests thermiques avec des moteurs électriques pour étudier leurs propriétés thermiques et examiner la gestion des moteurs eVTOL de petits systèmes aériens sans pilote (sUAS) dans des conditions de haute puissance. Cette vidéo produite dans leur laboratoire montre les conséquences malheureuses de l'emballement thermique, entraînant la surchauffe et la destruction du moteur. Ces études deviennent de plus en plus importantes à mesure que les opérations de drones s'allongent et se déplacent vers des climats plus difficiles et plus chauds. Tester les moteurs tôt dans le processus de conception peut prévenir la surchauffe et finalement éviter de payer le coût de leur remplacement.
Lectures complémentaires : Comment automatiser les tests de propulsion pour votre drone
Conclusion
Nous espérons que cet article a démontré la multitude d'avantages liés au test du système de propulsion de votre drone. Nous proposons plusieurs outils capables d'effectuer ces fonctions de test et de vous aider à faire passer votre conception au niveau supérieur :
- Série 1585 - mesure jusqu'à 5 kgf de poussée / 2 Nm de couple
- Flight Stand 15 - mesure jusqu'à 15 kgf de poussée / 8 Nm de couple
- Flight Stand 50 - mesure jusqu'à 50 kgf de poussée / 30 Nm de couple
- Flight Stand 150 - mesure jusqu'à 150 kgf de poussée / 150 Nm de couple
- Flight Stand 500 - mesure jusqu'à 500 kgf de poussée / 1500 Nm de couple
- Windshapers - souffleries à ciel ouvert pour les tests de vol libre
Nos bancs d'essai mesurent la poussée, le couple, le régime (RPM), le courant, la tension, la puissance mécanique, la puissance électrique, l'efficacité du moteur, l'efficacité de l'hélice et l'efficacité globale. Consultez notre boutique en ligne pour obtenir le vôtre ou contactez notre équipe commerciale pour obtenir un devis sur nos plus gros outils.