l’héritage du Tiny Whoop partie 2 : les hélices carénées et leurs effets aérodynamiques

Le Tiny Whoop. On ne pourra pas nier que son succès n’est pas retentissant. La première raison étant probablement le fait qu’il est utilisable en intérieur sans crainte de décorer vos murs de petites traces artistiques post modernes. Ni d’abimer vos hélices en vous cognant partout. Je ne possède pas de Blade Inductrix car je suis allergique aux moteurs brushed. C’est pourtant bien comme ça que j’ai débuté. En revanche, son carénage m’a immédiatement interpellé. La forme de ses hélice combinée à ce cercle blanc qui frôle les bouts de pales m’a intrigué et a réveillé en moi l’ingénieur aéronautique raté que je suis. Car je suis persuadé qu’il ne s’agit pas de simple protections d’hélices, sans quoi une grille toute simple aurait suffi.

Ce petit multi brushed apporte bien des éléments de réflexion. Qu’apportent son carénage ? Est-il utilisé dans l’optique de protéger les hélices ou est-ce pour optimiser le rendement ? Ou augmenter la poussé sans allonger les hélices ?

Pour le savoir, il faut connaitre les différences entre une hélice standard et une hélice carénée. Attardons-nous sur

Les tourbillons de bouts de pale

Une aile et une hélice fonctionnent grâce à des propriétés identiques. Mais les hélices ont un angle d’incidence très différent. On peut assimiler cet angle au pas. Tout comme une aile, une hélice peut décrocher. Le pas a certaines limites que l’on ne peut franchir, je n’ai personnellement rien vu au dessus de 50.

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Les traits rouges représentent la pression dynamique, pas l’écoulement de l’air

Sans entrer dans les histoires d’écoulement, de pression statique et dynamique, on peut dire que les hélices ont un autre point commun avec les ailes :

Les tourbillons marginaux

Ils se forment en bout d’aile et en bout de pale. Ils augmentent la traînée et conséquemment, font baisser le rendement. C’est à dire le rapport entre la force transmise nécessaire pour voler et la force résultante. Plus simplement, pour un poussée identique un couple moteur / hélice avec un bon rendement dépensera moins d’énergie ( électrique en l’occurrence ) qu’un couple avec un mauvais rendement. De plus, chaque élément a son propre rendement.

Les tourbillons marginaux sont délétères à ce niveau. En aéronautique, on cherche à les éliminer depuis très longtemps. Sur un avion, les winglets ont corrigé ce problème en bonne partie :

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Source : accrodavion

Sur une aile ou sur une pale ( à pas fixe ), on retrouve le même phénomène. A leurs extrémités, des tourbillons se forment et ils augmentent la traînée.
Sur un avion les winglets corrigent ce phénomène en empêchant ces tourbillons de se former. Un gain réel est constaté et les économies de carburant sont indéniables grâce aux winglets, nous explique Alain Rolland, créateur du site accrodavion. Un blog très technique mais très intéressant.

Des winglets au bout des pales ?

background-image-05-26-2016_01-59-05Sur une pale, les winglets ne sont une option possible mais inutilisée dans le monde du multirotor. Il a fallu trouver d’autres solutions. Les carénages en sont une, comme sur le Tiny Whoop.

Encore une fois, je ne vais pas entrer dans des explications trop scientifiques mais je dois aborder une chose ou deux, dont :

L’effet Venturi

Simplement, cet effet est basé sur l’incompressibilité de l’air. Si vous prenez une forme large qui se rétrécit en son milieu puis s’élargit à nouveau, vous obtenez un goulot d’étranglement. Le volume de l’air ne pouvant pas se modifier, l’air est accéléré dans la partie étroite. Si en plus vous faites un trou ai niveau du goulot, vous favorisez cette accélération.

Ce dessin avec un cube d’air explique bien la chose :

venturis01Les dimensions du cube d’air ne lui permettent pas de passer dans l’étranglement sans « s’amincir ». L’hypothèse d’incompressibilité de l’air impose alors qu’il s’allonge pour compenser l’amincissement et conserver ainsi le même volume.

Tout ça pour dire ?

Que le carénage du tiny whoop n’est pas la manifestation complète de l’effet Venturi mais qu’il a le même effet que les Winglets. Si j’ai soulevé ce point c’est pour étaler ma science, pour y revenir plus tard et voir si nous pouvons tirer parti de cet effet sur une machine de type racer. On observe tout de même une forme évasée de la pièce en plastique transparent, qui se rétrécit sur le bas. L’air est donc accéléré.

De plus, le carénage a un véritable effet puisqu’il supprime les tourbillons marginaux. La traînée est diminuée, la poussée théoriquement augmentée de 30 à 50 % selon l’étude de Bell effectuée dans les années 60 et qui portait sur le VTOL. Des chiffres à prendre en considération mais avec précaution.

téléchargement (1)wfsgjTexas_GemLe carénage

Il a un triple rôle.

  • Empêcher les tourbillons, nous l’avons vu.
  • Ce faisant, augmenter la poussée et améliorer le rendement
  • Protéger les hélices, améliorer la sécurité

Pour que ça marche, deux conditions :

                                 1-La distance hélice / carénage

En dehors des calculs savants, un carénage doit respecter des critères précis pour optimiser son efficacité. Une de ces règles est de respecter une distance minime entre le bout de l’hélice et le carénage. Car ce dernier prévient la formation des tourbillons. Si la distance est trop importante, les tourbillons génèrent des perturbations.

Regardez les photos et vous observez que la distance entre les bouts de pale et le carénage est limite. Sur le marché, on constate que certains carénages ne respectent pas la bonne distance. Ils ne sont pas aussi efficaces que possible.

Les tourbillons d’extrémités de pale (en 2) ne peuvent se former si l’espace entre l’hélice et le carénage (au bout des flèches, dessin 3) est suffisamment petit.

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source : accrodavion

2-le poids

Pourquoi le carénage n’est-il pas plus exploité ? Les nouveaux matériaux permettent aujourd’hui d’obtenir de la solidité mais aussi un poids léger. Si le bénéfice du carénage est annulé par un poids trop important, cela n’a aucun intérêt. C’est ici que l’impression 3D entre en jeu. Non seulement elle permet d’envisager et d’essayer plusieurs formes de par sa facilité d’usage mais elle fournit une pièce très légère. Bien sur, on peut utiliser également le carbone. Shendrone a sorti un quadri qui mélange ces deux technologies.

avantages, inconvénients

La perfection n’étant pas de ce monde, voici un condensé des avantages et inconvénients du carénage.

  • impossibilité pour les tourbillons de se former
  • meilleure traînée
  • poussée augmentée ( diminution de la perte de traction due aux tourbillons pour être exact )
  • Augmentation du temps de vol.

 

  •  Ces avantages agissent à faible vitesse
  • les bénéfices sont perdus au delà d’une vitesse X.

Tout dépend donc de la vitesse limite. Hélas, je ne la connais pas. 120 km / h, est une vitesse faible ? En aéronautique, on peut dire que oui. comme le dis Laurent Michelet, redac chef de RC Pilot  :  » Belle théorie…. Qui oublie juste les traînées d’interaction qui ruinent le gain de la disparition des vortex marginaux… C’est pourquoi les hélices carénées ne sont quasiment jamais utilisées en grandeur « .

Certes. Mais nous ne sommes pas en échelle grandeur et les matériaux sont plus légers. Quant aux traînées d’interaction, il faut parfois savoir oublier la théorie et faire des essais. On est pas à l’abri de surprises ! Shendrones semble avoir plutôt bien réussi son coup. Je pense qu’on leur faire confiance.

La question reste entière quant au point dont je parlais tout à l’heure :

Un racer caréné ?

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forme d’un carénage qui augmente significativement la poussée et le temps de vol. Cliquez.

Shendrones s’est lancé dans l’aventure et ses conclusions sont intéressantes. Avant d’agir, le concepteur s’est renseigné et a consulté cette page à gauche.  Cliquez pour découvrir la forme idéale du carénage appliquée à un multirotor. Le fichier 3d est fourni. Le résultat est à l’image ( carénage bleu ).

Pour résumer, un quad stable était à l’étude et Shendrones était aussi intrigué que moi par les carénages. Après avoir constaté que les carénages étaient généralement trop larges, il a réduit le diamètre conseillé de 35 mm via une série d’éssais. Afin que des tripales 4 pouces passent.

téléchargement (2)

Une carte de vol au format mini, carrée, était indispensable pour se glisser au centre de poussée, sans gêner les carénages :

...and the bottom of the real thing.
Liberty Ducted, face du dessous

Le but du Liberty ducted n’est pas tant d’aller plus vite mais d’emporter plus de matériel. Shendrones a réussi à obtenir une distance hélice / carénage d’1 mm. Les Bullnoses étaient toutes indiquées de par leur forme qui épouse la forme évasée :

téléchargement (3)

Le résultat

When I fired it up I was pleasantly surprised to find that the 603 gram quad hovered on just 25% throttle – the ducts work! I could pop the throttle and it would recover from rapid descents almost immediately, like a much lighter quad. With a minimum throttle of 1050 it was tough to land, shooting up as soon as it tapped the ground, a sign that P was too high. I eventually brought it down to 4, which is very surprising to me. It seems the motors have enough thrust to have pitch and roll authority with default pids. I dropped min throttle to 1020 and it got less jumpy on landing

 

En armant les moteurs, j’ai été agréablement surpris de voir que les 603 grammes décollaient à 25 % de gaz. Les carénages fonctionnaient ! J’ai pu stoppé facilement les redescentes rapides, quasi immédiatement. Comme s’il était plus léger. Avec 1050 de minimum throttle, il était difficile d’attérir. Ça rebondissait dès que le quad touchait le sol, signe que le P était trop haut. Je l’ai descendu à 4 et j’ai été surpris de voir que finalement les PID de base étaient bons. J’ai descendu le min trhottle à 1020, il rebondissait moins. 

Regardez la vidéo, attention le monsieur n’est pas spécialiste du vol à vue.

Intégration du FPV

Une série d’éssais fut nécéssaire encore une fois.

tuto montage

cliquez pour le tuto

conclusion

Il semble que le concept soit validé. Shendrones le dit lui même, ça fonctionne. Avec quelques modifications des PID. De plus la conception est l’impression ne posent pas de problèmes particuliers. On pourrait même aller plus loin et incliner les carénages de 10 degrés. Conserver un poids classique et favoriser la puissance au lieu de l’emport, à l’inverse du Liberty ducted.

Je songe depuis longtemps à faire un châssis FPV Passion. Pas pour le vendre mais plutôt comme une vitrine de compétence. Bien sur, je saurai m’entourer des personnes car seul je n’y arriverai pas. Je sais que les hélices contrarotatives améliorent aussi le rendement en récupérant une partie de l’air du moteur supérieur. Pourquoi ne pas concilier les 2 technos ? Pas facile…

contra-rotating

Vidéo complémentaires, en anglais.

10 commentaires Ajoutez les votres
  1. Belle théorie…. Qui oublie juste les trâinées d’interaction qui ruinent le gain de la disparition des vortex marginaux… C’est pourquoi les hélices carénées ne sont quasiment jamais utilisées en grandeur.

    1. Je n’ai pas voulu aller trop loin. Et j ai mis que le bénéfice était perdu au delà d’une certaine vitesse. Je pense qu au niveau d’un racer, ça peut marcher. Shendrone à bien réussi.

      1. Disont qu’il faut tout mettre a l’échelle. Dans mon ancien taf je fesai bien des pales d’eoliennes de 2.15m avec des winglet… Mais que pour se model la…

  2. On as fait des tests au boulot avec des multistars 2204 et DAL 5×4 avec carenage imprimé 3d.avec un goulet d etranglement sous l helice c est la cata : 30gr de poussée plein gaz a la place de 550gr initialement.avec juste le carenage il n y avais pas de gain significatif,voir même une perte de rendement.bref je veux pas briser ton rêve mais tu ne tiens pas la solution miracle.d autant que l inductrix n est pas concu pour aller vite,j imagine la traînée significative des carenages a forte incidence sur un 250.bref…

  3. On as fait des tests au boulot avec des multistars 2204 et DAL 5×4 avec carenage imprimé 3d.avec un goulet d etranglement sous l helice c est la cata : 30gr de poussée plein gaz a la place de 550gr initialement.avec juste le carenage il n y avais pas de gain significatif,voir même une perte de rendement.bref je veux pas briser ton rêve mais tu ne tiens pas la solution miracle.d autant que l inductrix n est pas concu pour aller vite,j imagine la traînée significative des carenages a forte incidence sur un 250.bref.

    1. Tout avis est le bienvenu. Je pense malgré tout qu’il y a un e piste mais que ça ne verra probablement pas le jour. Pourtant, les winglets fonctionnent sur un avion… Et puis le gars de shendrones à l’air satisfait. Il n’y croyait pas au départ non plus. Après 30 g au lieu de 550…y a clairement un truc qui va pas ! Au moins vous avez tenté et ça c’est cool

  4. Petit rappel quand aux turbines sur nos modèles réduits, elles ne poussent vraiment qu’une certaine vitesse atteinte.
    Sur nos multi-copteres on a besoin de poussée statique, ce qui est qqpart antinomique… La théorie de Fred. est peut-être vraie mais pas à basse vitesse, d’où l’affirmation de Tony

    1. Moi je parlais bien de faible vitesse. Et je n’ai pas voulu entrer dans les histoires de pousses statiques et dynamiques. En revanche, le tout est de savoir ce qu’on entend par faible vitesse. Si 200 c’est faible…

  5. Dans tous les cas ce ne sera pas utilisable sur un racer (pour faire des courses). Les règlements FAI et FFAM interdisent les protections d’hélices de quelque nature que ce soit … Mais j’ai bien compris que l’idée n’était pas de faire des race avec ça 😉

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