Comment bien concevoir un avion-hélicoptère VTOL/ ADAV ?

[Remundo]

cette fois pour la distraction... quelques demi-cinglés qui aiment s'envoyer en l'air.

[Remundo]

Redondance (en aéronautique)

Le mot redondance a une interprétation littéraire, signifiant "répétitions" ou "redites" qui peut avoir une connotation péjorative (lourdeur du discours) ou au contraire informative (insistance / précision)

Dans le domaine aéronautique, la redondance est une affaire purement technique que l'on peut résumer ainsi :
multiplier les systèmes pour éviter une défaillance globale.

On peut chercher à rendre redondants les systèmes, qu'ils soient informatiques, hydrauliques, mécaniques.

Néanmoins, en particulier pour des dispositifs non sustentateurs, il faut éviter le poids-mort dans les appareils volants.

Je m'intéresse aujourd'hui à la redondance des propulseurs.

Pour les avions légers
* le monomoteur n'a pas de redondance : si son unique hélice ne fonctionne plus, il poursuit sa route en planant, le pilote n'a pour seul moyen d'action que de manipuler les gouvernes (de profondeur et de direction) ainsi que les ailerons sur les ailes. L'avion perd irréversiblement de l'altitude, d'autant plus si sa finesse est médiocre.
* le bi-moteur, et a fortiori les multi-moteurs, sont redondants : un propulseur peut défaillir, mais les autres propulseurs maintiennent une maîtrise suffisante de l'appareil (même s'il faut compenser des déséquilibres de poussée-traction avec les dispositifs déflecteurs sur les ailes).

Pour les hélicoptères
* le monorotor n'a pas de redondance, et la casse du rotor de queue mène fréquemment à l'accident par autolacet. Néanmoins un hélicoptère monorotor peut se poser en catastrophe en laissant "planer" son rotor tout en gérant la descente en altitude (technique appelée autorotation).

* les multirotors (souvent 2) paraissent redondants, mais en réalité, la panne d'un rotor entraine un énorme déséquilibre, a priori non compensable

Pour les ADAV/VTOL
* On pourrait imaginer une certaine redondance en basculant du mode avion au mode hélicoptère si l'un des modes vient à défaillir, mais que l'autre est soutenable

Je veux aborder plus particulièrement dans le cas d'un ADAV multirotor en mode hélicoptère stationnaire.

Dans ce cas, les forces aérodynamiques de traînée et portance sont à peu près nulles (en dehors de celles subies par les pales des hélices). L'équilibre de l'aéronef résulte des forces F1, F2, F3... des différents rotors et du poids mg de l'appareil.

Voici un schéma qui représente la situation avec 5 forces.

sustentation_multirotor.png (11.07 Kio) Consulté 1598 fois

L'appareil se suspend à un "polygone de sustentation" (qui n'est pas forcément plan), les sommets de ce polygone étant les points où s'exercent les tractions/poussées des hélices.

L'équilibre des forces donne :

eq17.png (5.88 Kio) Consulté 1618 fois

cette équation garantit l'immobilité du centre de gravité de l'appareil



L'équilibre des moments des forces ramenés en G le centre de gravité donne :

eq18.png (10.21 Kio) Consulté 1618 fois

cette équation garantit la non rotation de l'appareil (qui pourrait le retourner et le rendre encore plus incontrôlable)

La solution la plus réduite semble être un bi-rotor contrarotatif (pour éviter le contre-couple et les effets gyroscopiques) en-dessous duquel pend le centre de gravité (c'est en gros ce que font les hélicoptères bi-rotor).

Un drone quadri-rotor qui perdrait un rotor peut éventuellement se rattraper moyennant un algorithme assez complexe gérant les 3 dernières hélices disponibles (3 poussées) garantissant à la fois l'équilibre des forces + l'équilibre des moments + une compensation du contre-couple.

Plus il y a d'hélices et d'orientations possibles, plus cela paraît jouable (redondance) de garantir le contrôle de l'aéronef.

Je pense qu'avec 3 hélices, si le centre de gravité est à l'aplomb du polygone (disons que si la verticale passant par G transperce le polygone), on peut récupérer l'appareil.

avec seulement 2 hélices, l'appareil risque de basculer (G va vouloir s'aligner avec la ligne de sustentation), sauf si G est déjà à l'aplomb de cette ligne par conception.

Néanmoins, cela relève de calculs assez complexes et surtout ensuite d'algorithmes de commande très réactifs et performants.

Dites-moi ce que vous en pensez à l'occasion.

[Christophe]

J’ai vu quelques vidéos de drones défaillants…un quad qui perd un moteur est perdu et se crashe, pourtant il existe des drones tri mais la config d’un quad est faite pour 4 portances…

Je ne vois pas comment un algo aussi complexe qui soit pourrait gérer le couple et le balancier sur l’axe défaillant : il faudrait que l’hélice restante pousse…vers le haut pour compenser le poids du moteur HS ! C’est n’est possible qu’avec une hélice à pas variable qui fonctionnerait en retro propulsion…et qui devrait être super réactive…d’après moi c’est impossible de cette manière.

Pour rappel : une helice qui tourne à l’envers ca fonctionne très moyennement…essayer de faire décoller un avion en marche arrière…c’est la même chose

L’arrêter serait encore le meilleur truc à faire ?

Encore que le couple c’est pas trop grave ca donnerait juste un mouvement de lacet…de quoi atterrir en sécurité.

Les hexa sur 5 moteurs peuvent s’en sortir…

Fais une recherche youtube.

C’est pourquoi les drones humains sur base quad sans aile porteuse…sont par nature dangereux…même avec une config 4*2…bien que cela ajoute une sécurité en plus…

Il y aura vite des morts et ils seront interdits…ben oui en ville y a des pigeons ! (double sens)

[Remundo]

Je pense que c'est un sujet à creuser...

Si l'on regarde un trirotor

sustentation_trirotor.png (8.18 Kio) Consulté 1567 fois

La défaillance d'un rotor ne semble pas rattrapable. En effet les 2 rotors restants exercent un moment de rotation qui fait basculer l'appareil.

Par ex si F3=0, G va tenter de passer à l'aplomb de la ligne 1-2

Encore que si on imagine des rotors inclinables, la situation n'est pas désespérée. L'appareil sera penché, mais stationnaire.

Si l'on regarde un quadrotor

sustentation_quadrotor.png (8.41 Kio) Consulté 1567 fois

La défaillance d'un rotor, si les 3 autres restent à force égale, fait basculer l'appareil.

MAIS il y a une solution (au moins mathématique), même en supposant les rotors non inclinables.

Il faut éteindre le rotor diamétralement opposé au rotor défaillant. Le point G reste suspendu à la ligne de sustentation définie par la diagonale des 2 rotors encore en marche.

Par exemple si F4=0, il faut AUSSI F2 = 0, et G reste à l'aplomb du milieu de la diagonale 1-3.

[Christophe]

C’est ce que je viens de dire : éteindre est encore la meilleure solution…

Sauf qu’en vrai éteindre ne fonctionnera pas sur un quad car en l’air tout bouge…et la moindre perturbation renversera la machine…comme celle des hélices arrêtées qui seront pas calées pareil par rapport au vent relatif…bref c’est mort !

C’est comme faire tenir n’importe quoi en équilibre sur un pivot parfait : un souffle et cela bascule…la c’est pire car le souffle est d’office !

Sinon retro propulsion d’urgence…

Avec une aile porteuse c’est différent…les quad humains c’est de la me…de…ils ont des millions mais c’est de la me..de

[Remundo]

si tu places G en-dessous des rotors, ça marche bien.

C'est l'hélicoptère bi-rotor.

* les hélices contrarotatives implantées sur différents axes parallèles (plus simple !)
comme le CH47 Chinook

Effectivement si G est au-dessus des rotors, ça bascule. Et les rotors à l'envers vont accélérer l'appareil vers le bas... en plus du poids.

Volocoptère, le taxi multirotor, place bien G en-dessous du polygone de sustentation

Si l'on pousse à l'extrême le multirotor, il existe un projet de taxicoptère avec beaucoup d'hélices, appelé "VOLOCOPTERE"

et avec tous ces rotors, doit pouvoir maintenir une stabilité acceptable même si 1 ou 2 défaillent.

[Christophe]

Place 2 balourds de 750 kg à 10m de la carlingue et dont la trainée varie avec la vitesse…il va marcher beaucoup moins bien ! Place en un, il ne décollera jamais…ou plutôt si et se retourner directement…

Le volocopter est de fait plus sécurisé que les quad, j’en parlais ici en 2016… transports-electriques/l-ehang-184-premier-drone-pour-homme-t14437-10.html

[Remundo]

placer des balourds, comme tu dis, revient à déplacer violemment G en dehors du polygone/ligne de sustentation, donc clairement déstabiliser l'aéronef.

Faut pas faire n'impot'quoi hein

J'essaie dans ce fil de réunir toute la bonne matière pour justement ne pas faire d'erreurs de conception.

L'aéronautique n'est pas ma spécialité, mais j'ai de la bonne volonté, et je me soigne, surtout quand je trouve des bons docteurs ou de la documentation fort instructive.

[Macro]

ou de la documentation fort instructive.

Je vais faire le balourd

Moi j'ai fait des avions grace a la documentation... Enfin plutot des planneurs...Qui traversaient les salles de classes en enervant mes profs... Ca m'a attiré quelques soucis...Mais au moins je ne me suis pas crashé....

J'ai aussi collé des mouches sur des confettis...Ca vole mal et pas longtemps...Une piste a ameliorer

[Remundo]

ah et tes notes ont-elle "décollé" ? Furent-elles stables ?