Par Lauren Nagel
En 2019, le Conseil national de recherches du Canada (CNRC) a publié un rapport sur le givrage des hélices de drones à haut régime. La procédure et les résultats sont décrits dans deux rapports, portant sur la phase 1 et la phase 2. Nous en avons résumé les principales conclusions dans cet article.
Introduction
Le givrage des hélices est un danger bien connu des opérateurs et des concepteurs de drones. Une mauvaise évaluation des conditions météorologiques peut entraîner des dommages se chiffrant à des milliers de dollars et la perte d’un aéronef de valeur.
Comme le montre ce rapport, les variations de performance en conditions givrantes sont non linéaires et peuvent être trompeuses, ce qui risque d’amener les opérateurs à sous-estimer le danger pour leur drone.
Le CNRC a cherché à enrichir les connaissances dans ce domaine, car « les données sur le givrage de ces hélices à des vitesses de rotation élevées (tr/min) sont presque inexistantes ».
Ses objectifs étaient de réaliser des essais de givrage ciblés afin de caractériser le givrage des hélices de petits systèmes d’aéronef sans pilote (UAS) à haut régime, d’évaluer les effets du givrage sur les performances des hélices de petits UAS testées ainsi que leur tolérance au givrage, et de constituer une base de données de référence sur le givrage des hélices de petits UAS à haut régime.
Les chercheurs ont étudié six principales variables influant sur le givrage des hélices en vol :
- Diamètre médian en volume (DMV) des gouttelettes d’eau, mesuré en μm
- Teneur en eau liquide (LWC) dans la zone d’essai, mesurée en g/m3
- Température statique de l’air (SAT), mesurée en °C
- Vitesse du rotor, mesurée à 8 000 et 9 000 tr/min
- Angle de dérapage, mesuré à 0° et 30°
- Matériau des pales : fibre de carbone (CF) ou plastique renforcé de fibres de verre (GFR)
Pour en savoir plus : Pourquoi tester les moteurs et les hélices de votre drone
Les essais ont eu lieu dans la soufflerie de givrage en altitude du CNRC (figure 2). Le vent traversait la section d’essai à 15 m/s, tandis qu’un système de pulvérisation d’eau produisait des gouttelettes afin de simuler des conditions givrantes.
Les performances du moteur ont été évaluées à l’aide du banc d’essai RCbenchmark série 1580, capable de mesurer une poussée de 5 kgf et un couple de 1,5 N·m. Outre la poussée et le couple, le banc d’essai fournissait des données sur la tension, le courant, le régime, la résistance des bobinages du moteur et le rendement.
Une nacelle sur mesure a été conçue et installée sur le banc d’essai pour protéger l’équipement contre les dégâts d’eau (figure 3). Le dispositif comprenait également un moteur électrique CC sans balais Turnigy 2834-800, un contrôleur électronique de vitesse (ESC) Hobbyking 50 A et une alimentation LiPo 4S (14,8 V CC).
Quatre hélices, de 8 à 14 pouces de diamètre, ont été testées. Trois étaient en fibre de carbone (CF) et la quatrième en plastique renforcé de fibres de verre (GFR).
Leurs caractéristiques sont résumées dans le tableau 1. Pour toutes les expériences, une réduction de poussée de 50 % était fixée comme seuil de fin de l’essai.
Tableau 1 : Caractéristiques des hélices utilisées lors des essais
Partie 1 : diamètre médian en volume (DMV) des gouttelettes d’eau
La première série d’essais a porté sur l’effet de la taille des gouttelettes d’eau sur l’accumulation de glace et les performances de propulsion des trois hélices CF. Le DMV des gouttelettes était fixé à 20, 40 ou 60 μm, les autres paramètres étant maintenus constants : RPM = 8 000, TAS = 15 m/s, AOS = 0°, SAT = -12 °C et LWC = 0,5 g/m3.
Pour toutes les hélices et toutes les valeurs de DMV, il fallait environ 20 s pour que l’accumulation de glace commence à affecter la poussée, entraînant une baisse lente et progressive de la poussée en N.
Pour Prop1, la baisse de poussée a brièvement marqué un plateau pour un DMV de 20 μm et de 40 μm, avant de reprendre. Cet effet n’a pas été observé à un DMV de 60 μm pour Prop1, tandis que des « plateaux similaires, mais plus courts » ont été observés pour Prop21 et Prop3.
Fait intéressant, il a fallu environ deux fois plus de temps à Prop1 pour atteindre 50 % de poussée (75 à 130 s) qu’à Prop21 (48 à 64 s) et Prop3 (40 à 47 s) (figure 4a).
Figure 4 : Augmentation de la poussée (a) et diminution du couple (b) au fil du temps pour différentes valeurs de DMV
L’accumulation de glace a également entraîné une hausse du couple et de la puissance électrique du moteur. À 50 % de poussée, Prop1 avait atteint 150 % du couple (figure 4b) et 100 % de la puissance électrique (figure 5) par rapport aux valeurs mesurées au début du givrage.
Les hausses du couple et de la puissance électrique étaient plus modérées pour Prop21, à 100 % et 60 %, et pour Prop3, à 40 % et 25 %.
Figure 5 : Augmentation de la puissance électrique en fonction de la durée d’accumulation de glace
Les chercheurs attribuent les plateaux de poussée au détachement de glace et/ou à son ruissellement vers les extrémités des pales. Le tableau 2 présente la masse totale de glace et le temps nécessaire à chaque hélice pour atteindre 50 % de poussée à un DMV de 60 μm.
Le temps nécessaire diminuait à mesure que le diamètre de l’hélice augmentait.
Tableau 2 : Masse de glace et durée de pulvérisation nécessaires pour que les hélices atteignent 50 % de poussée à un DMV de 60 μm
Partie 2 : teneur en eau liquide (LWC)
Cette série d’essais visait à étudier l’effet de la variation de la LWC dans la zone d’essai sur le givrage et les performances des hélices. La LWC était fixée à 0,2, 0,5 ou 1,0 g/m3, les autres variables étant maintenues constantes : RPM = 8 000, TAS = 15 m/s, AOS = 0°, TAS = -12 °C et DMV = 20 μm.
La LWC avait un effet similaire à celui du DMV sur la tolérance au givrage, mais plus marqué. Lorsque la LWC augmentait, le temps nécessaire pour atteindre 50 % de poussée diminuait.
Les temps d’accumulation de glace différaient considérablement selon les trois valeurs de LWC : il fallait de 20 à 50 s pour atteindre 50 % de poussée avec une LWC de 0,2 g/m3, de 45 à 130 s avec 0,5 g/m3 et de 120 à 430 s avec 1,0 g/m3.
Comme dans les résultats relatifs au DMV, la poussée a marqué un plateau pendant un certain temps pour les trois valeurs de LWC, mais les plateaux étaient plus prononcés à 0,2 et 0,5 g/m3 qu’à 1,0 g/m3. De même, aucun détachement de glace n’a été observé avec une LWC de 1,0 g/m3, ce qui explique en partie la baisse plus rapide jusqu’à 50 % de poussée (figure 6).
Figure 6 : Détachement de glace avec une LWC de 0,2 g/m3 (à gauche), mais pas avec une LWC de 1,0 g/m3 (à droite)
Comme dans les résultats relatifs au DMV, une hausse du couple et de la puissance électrique a également été observée, et elle était maximale avec une LWC de 0,5 g/m3. À ce niveau de LWC, les hausses du couple et de la puissance électrique étaient respectivement de 130 % et 80 % pour Prop1, de 100 % et 60 % pour Prop21, et de 30 % et 20 % pour Prop3.
Dans l’ensemble, la LWC a eu un effet plus marqué que le DMV sur la tolérance au givrage, comme le montre la diminution du temps nécessaire pour atteindre 50 % de poussée avec une LWC de 1,0 g/m3 (tableau 3).
Tableau 3 : Masse de glace et durée de pulvérisation nécessaires pour que les hélices atteignent 50 % de poussée avec une LWC de 1,0 g/m3
Partie 3 : température statique de l’air (SAT)
La troisième série d’essais a porté sur les effets de la SAT sur la tolérance au givrage. Trois valeurs de SAT ont été étudiées : -2 °C, -5 °C et -12 °C. Les autres variables étaient maintenues constantes : PM = 8 000, TAS = 15 m/s, AOS = 0°, DMV = 20 μm et LWC = 0,5 g/m3.
Les trois hélices ont connu la baisse de poussée la plus rapide à une SAT de -12 °C, puis à -5 °C. Fait intéressant, à une SAT de -2 °C, Prop21 et Prop3 n’ont jamais atteint 50 % de poussée et ont conservé au moins 80 % de leur poussée initiale pendant toute l’expérience.
À une SAT de -5 °C, Prop1 et Prop21 ont connu plusieurs cycles de détachement de glace. Prop1 a fini par atteindre 50 % de poussée, mais Prop21 n’est jamais descendu jusque-là. Prop1 était la seule hélice à atteindre 50 % de poussée pour les trois valeurs de SAT (figure 7).
Figure 7 : Augmentation de la poussée (a) et diminution du couple (b) au fil du temps pour différentes valeurs de SAT
L’accumulation et le détachement de glace ont également affecté les niveaux de vibration. Les vibrations ont été mesurées par le banc d’essai en termes d’accélération gravitationnelle (g).
L’accumulation de glace s’est accompagnée d’une hausse des vibrations, suivie d’une baisse lorsque la glace s’est détachée de l’hélice (figure 8).
Figure 8 : Vibrations causées par les cycles de détachement de glace
Partie 4 : vitesse du rotor
La série d’essais suivante a étudié la tolérance au givrage à 9 000 tr/min, soit 1 000 tr/min de plus que lors des essais précédents à 8 000 tr/min. La LWC et la SAT ont varié au cours de ces essais, car les résultats précédents avaient montré que ces variables avaient une plus grande incidence sur la tolérance que le DMV.
Dans l’ensemble, l’augmentation de la vitesse de rotation à 9 000 tr/min n’a pas suffi à entraîner des changements importants de l’accumulation de glace et de la perte de poussée.
La figure 9 l’illustre en comparant les poussées normalisées à 8 000 et 9 000 tr/min pour Prop21, dans les conditions de givrage les plus défavorables : SAT = -12 °C, DMV = 20 μm et LWC = 1,0 g/m3.
Figure 9 : Poussée normalisée de Prop21 au fil du temps, à 8 000 et 9 000 tr/min
Après les essais, les chercheurs ont procédé à une inspection visuelle des pales et ont constaté que, dans certaines conditions, le détachement de glace était plus important à 9 000 tr/min. Toutefois, cela n’a pas entraîné de différences notables de performances entre les deux conditions.
Partie 5 : angle de dérapage
La cinquième série d’expériences visait à mesurer la tolérance au givrage d’une hélice de drone en vol vers l’avant. Cette situation a été simulée en inclinant l’hélice selon un angle de dérapage (AOS) de 30° par rapport au flux d’air de la soufflerie.
La vitesse de rotation était fixée à 8 000 tr/min et le DMV à 20 μm. La LWC variait entre 0,2, 0,5 et 1,0 g/m3, et la SAT entre -2, -5 et -12 °C.
Pour en savoir plus : Essais de propulsion en soufflerie à l’Université d’Ottawa
Au début du givrage, les chercheurs ont observé une augmentation de la poussée dynamique, qu’ils attribuent à la diminution de la vitesse de l’air effective perçue par l’hélice à 30°, soit 13 m/s au lieu de 15 m/s.
L’angle de 30° n’a par ailleurs pas entraîné de différence notable dans la tolérance au givrage de Prop21, qui a de nouveau été testée dans les conditions de givrage les plus défavorables (SAT = -12 °C, DMV = 20 μm et LWC = 1,0 g/m3) (figure 10).
Figure 10 : Poussée normalisée de Prop21 au fil du temps, à des angles AOS de 0° et 30°
Partie 6 : matériau des pales
Le dernier essai a comparé la tolérance au givrage des pales GFR à celle des pales CF. L’hélice GFR (Prop22) a été testée dans les mêmes conditions que l’hélice CF de même diamètre (Prop21), avec un AOS de 0° et un régime de 8 000 tr/min. La LWC variait entre 0,2, 0,5 et 1,0 g/m3, et la SAT entre -2, -5 et -12 °C.
Deux différences majeures ont été observées pour l’hélice GFR. La première était une baisse de poussée plus rapide que pour Prop21 avec une LWC de 0,2 g/m3.
La deuxième différence était que Prop22 avait perdu environ 25 % de sa poussée avant le détachement de glace à une SAT de 2 °C (figure 11), une condition qui n’avait pas affecté la poussée de Prop21.
Il en a résulté une hausse correspondante du couple et de la puissance électrique, qui n’a pas non plus été observée pour Prop21. Pour le reste, la tolérance au givrage de l’hélice GFR était très similaire à celle de l’hélice CF dans les mêmes conditions.
Figure 11 : Poussée, couple et puissance en fonction de la durée d’accumulation de glace pour Prop22
Conclusion
Cette étude caractérise de manière approfondie la tolérance au givrage des hélices de petits drones à haut régime. Ses résultats offrent plusieurs enseignements pratiques aux opérateurs de drones.
Tout d’abord, les grandes hélices ont mis moins de temps à perdre 50 % de leur poussée à mesure que la glace s’accumulait sur les pales, ce qui laisse penser que le diamètre de l’hélice joue un rôle dans la tolérance au givrage. De plus, les pales GFR ont moins bien résisté au givrage que les pales CF et ont perdu plus facilement leur poussée.
L’étude a également montré que les mesures de performance peuvent être trompeuses si elles sont mal interprétées. Au cours de plusieurs essais, la baisse de poussée a marqué un plateau en raison du détachement de glace des hélices.
Cet effet pourrait amener un pilote de drone à croire que l’impact du givrage a atteint son maximum. Cependant, ces plateaux étaient immédiatement suivis d’une forte baisse de la poussée.
Ces expériences ont confirmé que le givrage des hélices s’aggrave généralement au lieu de s’améliorer sans intervention. Les pilotes de drone devraient donc bien connaître la signification des variations de performances.
Les chercheurs du CNRC ont hâte de mener d’autres expériences avec des hélices plus grandes afin d’enrichir davantage ces connaissances.
Pour en savoir plus : Comment mesurer le rendement d’un moteur sans balais et d’une hélice