Par Lauren Nagel
Kendy Edmonds et le Dr Blake Stringer, de l’Université d’État de Kent, étudient la capacité des méthodes de propulsion actuelles des sUAS à être mises à l’échelle dans leur fascinant article de recherche : Unmanned VTOL Propulsion Research – Scalability of Quadcopter Rotor-Motor Configuration Outside the sUAS Regime.
Les avantages de la mise à l’échelle des quadricoptères sont évidents : une charge utile plus importante, une plus grande autonomie, un temps de vol stationnaire plus long, etc. Cependant, les grands multirotors coûtent plus cher à tester et à construire. Il est donc tentant de tester d’abord des versions à petite échelle.
Bien que cette stratégie soit valable, les concepteurs doivent connaître les limites de leurs modèles.
L’un des principaux problèmes abordés dans l’article concerne la réponse transitoire des configurations à rotors à vitesse variable : dans quelle mesure l’augmentation de l’inertie influe-t-elle sur le temps de réponse des systèmes de plus grande taille ?
Les auteurs soulignent les différences de puissance et de maniabilité entre les drones à pas fixe et à vitesse variable, et les hélicoptères à pas variable et à vitesse constante. Un drone quadricoptère nécessite 27 % de puissance en plus en vol stationnaire et en manœuvre qu’un hélicoptère ayant la même capacité de charge utile (figure 1).
À partir de cette analyse, ils tirent deux conclusions : « (1) À mesure que la taille de l’aéronef augmente, un diamètre de rotor plus grand contribue à maintenir les besoins en puissance à un niveau raisonnable. (2) Plus les rotors sont grands, plus la puissance nécessaire pour les faire tourner afin de vaincre l’inertie et la traînée de profil des pales augmente. »
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Figure 1 : Puissance nécessaire en vol stationnaire en fonction du poids et de la charge du disque, en hp (à gauche) et en kW (à droite)
Afin d’étudier plus avant la capacité des rotors à vitesse variable à être mis à l’échelle, les chercheurs ont effectué plusieurs tests pour mesurer la réponse transitoire de différentes configurations de rotors à l’aide du banc d’essai RCbenchmark Series 1780 (figure 2).
Cinq moteurs ont été testés : Turnigy RotoMax 150cc, KDE Direct 10218XF105 (Mega), T-Motor P80 120kv, KDE Direct 7215XF-135 (KDE) et KDE Direct 4215XF465 (Mini), ainsi que trois rotors différents : une hélice en fibre de carbone à trois pales, d’un diamètre de 30,5” et d’un pas de 9,7”, de KDE Direct ; une hélice en fibre de carbone à deux pales, d’un diamètre de 27” et d’un pas de 8,8”, de Falcon ; et une hélice en fibre de carbone à deux pales, d’un diamètre de 15” et d’un pas de 5,5”, fabriquée par T-Motor.
Figure 2 : Montage expérimental avec le banc d’essai Series 1780
Les résultats des expériences sur la réponse transitoire sont présentés à la figure 3.
Fait intéressant, ils notent que « la réponse de chaque configuration rotor-moteur présente une variabilité nettement supérieure à celle attendue », ce qui souligne l’importance des essais de propulsion lors de la conception des systèmes.
À partir de ces données, ils tirent deux conclusions principales : 1) « Le processus de décélération est plus sensible à la taille du rotor-moteur que le processus d’accélération » ; 2) « L’influence de tous les facteurs d’entrée doit être étudiée plus en détail afin de déterminer les principales variables d’entrée qui affectent la réponse transitoire. La plage des valeurs d’entrée doit être aussi large que possible. »
Figure 3 : Temps de stabilisation de tous les moteurs en fonction de la variation du régime moteur
Une troisième conclusion inattendue de l’étude concerne la thermodynamique : 3) « La température et la gestion thermique sont des considérations importantes pour les moteurs à vitesse variable, surtout s’ils sont de grande taille et ne disposent d’aucun autre moyen de refroidissement que le flux d’air généré par le rotor. » Après qu’un moteur de l’expérience a commencé à fumer, les chercheurs ont effectué des tests de suivi qui leur ont permis de caractériser le pic de température des moteurs après l’arrêt de l’hélice et du refroidissement qu’elle assurait.
Cela montre qu’une stratégie de gestion thermique est nécessaire pour les drones équipés de moteurs plus gros, un aspect important à prendre en compte par les fabricants lors de la conception. Lorsqu’un moteur est agrandi, la surface disponible pour dissiper la chaleur augmente avec le carré de sa taille, tandis que la masse de cuivre augmente avec son cube.
Cette étude constitue une excellente ressource pour les fabricants qui conçoivent de grands drones. Consultez l’article complet pour en savoir plus sur leur procédure de test.
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