Au cours de notre cycle de conception 2022-2023 pour la compétition SAE Aero Design, nous (Aero Design de l'Université d'Alberta) avons décidé de sortir de notre zone de confort et de participer au défi de conception de la Micro Class pour la toute première fois dans les 37 ans d'histoire de notre club (historiquement, notre club a participé exclusivement aux classes Regular ou Advanced).
Dans la Micro Class, il y avait de nouveaux défis qui exigeaient un système de propulsion optimisé, comme une limite de puissance de 450 W, une batterie LiPo 4S, une distance maximale de décollage de 8 pi et une envergure maximale de 36 po. Avec ces exigences, nous avons réalisé qu'il était plus important que jamais de caractériser en détail les performances de notre système de propulsion, car chaque poussée supplémentaire que nous pouvons produire avec notre puissance limitée peut faire une différence significative.
En novembre 2022, Tyto Robotics nous a aidés à atteindre notre objectif en parrainant notre achat du Banc d'essai Series 1580. Le Banc d'essai Series 1580 était robuste et facile à installer, nous permettant d'effectuer plusieurs tests statiques dans différentes conditions avec un temps d'arrêt minimal. Le banc d'essai est arrivé dans une boîte avec tous les composants requis pour son fonctionnement, y compris le matériel, les capteurs de force, la plaque de montage du moteur, les outils d'étalonnage et les composants électriques.
Figure 1 : Banc d'essai Series 1580 installé dans une soufflerie
Avant de recevoir le banc d'essai, une analyse rigoureuse de diverses combinaisons d'hélices, de moteurs, de contrôleurs de vitesse électroniques (ESC) et de batteries a été effectuée dans MATLAB afin de converger vers un ensemble de combinaisons qui maximiseront la poussée dans les 450 W disponibles tout en fonctionnant près de l'efficacité maximale du moteur.
Les trois principaux objectifs des tests étaient de :
- Caractériser l'efficacité de poussée de chaque hélice (poussée/puissance électrique).
- Déterminer comment la tension de la batterie, la poussée, la puissance électrique et le régime moteur ont changé sur 90 secondes lors d'un prélèvement de 450 W (une tentative de vol typique dure 60 secondes).
- Mesurer l'efficacité du moteur à nos points de fonctionnement prévus.
Pour atteindre le premier objectif, chaque hélice a été testée à cinq incréments de 500 tr/min jusqu'à son régime maximal. Le régime maximal a été fixé par un prélèvement de puissance électrique de 450 W. En utilisant la fonction d'enregistrement continu offerte par le logiciel RCbenchmark polyvalent et convivial, 500 échantillons ont été enregistrés à chaque condition de test, et les valeurs moyennes ont été calculées.
Pour accomplir le deuxième objectif, chaque hélice a été maintenue à 450 W pendant 90 secondes.
Pour le troisième objectif, les données de test ont montré que le moteur fonctionnait à environ 76-80 % d'efficacité pour tous les régimes testés.
Après avoir effectué ces tests, nous avons pu affiner et valider notre système de propulsion sélectionné en :
- Déterminant la poussée que chaque hélice génère lorsqu'elle prélève 450 W ou moins, et la puissance maximale que chaque hélice prélève à plein gaz.
- Déterminant quelle hélice produisait plus de poussée avec le même apport de puissance électrique.
- Quantifiant la diminution de la tension de la batterie, de la puissance et de la poussée que nous pouvons attendre avec le temps.
- Identifiant l'écart entre les valeurs rapportées par le fabricant d'hélices et les résultats expérimentaux.
Le Banc d'essai Series 1580 offrait diverses autres caractéristiques utiles, comme la capacité de mesurer le régime de l'hélice à la fois électroniquement et en utilisant une sonde de régime optique.
En plus des paramètres mentionnés ci-dessus, le banc d'essai a pu mesurer le couple du moteur ainsi que les vibrations sur 3 axes, ce qui a fourni des informations précieuses sur les considérations structurelles, de stabilité et de contrôle de l'appareil. En raison de la
difficulté à mesurer ces paramètres, ces facteurs auraient pu être négligés autrement.
Grâce à nos tests, nous avons pu valider notre choix de moteur, d'hélice et de batterie. De plus, nous pouvons maintenant calculer plus précisément et plus fiablement nos performances de vol. Des tests futurs seront effectués dans la soufflerie du Laboratoire de flux turbulent afin de caractériser la poussée dynamique pour que les performances de décollage et de croisière puissent être modélisées plus précisément.
Figure 2 : Vue latérale du Series 1580 dans une soufflerie
Aero Design aimerait remercier Tyto Robotics pour leur parrainage, car il nous a permis d'acheter le banc d'essai de poussée Series 1580 qui est très robuste, précis et convivial. Il est parfait pour effectuer des tests de poussée dans différentes conditions afin de valider un système de propulsion et de mesurer divers paramètres tels que la poussée de l'hélice, le régime de l'hélice, le courant, la tension, le couple du moteur et l'efficacité.
Deep Rajani – VP Finance & Chef d'équipe Aérodynamique (Auteur)
Daniel Kichma – Chef d'équipe Propulsion (Auteur)
Ejouan Agena – Membre senior de l'équipe de conception
Mckenna Warawa – Membre de l'équipe de conception
Michael Caulfield – Membre de l'équipe de conception
Équipe SAE Aero Design
