Didacticiel : concevoir une hélice de drone quadricoptère 10 pouces avec Heliciel

Un constructeur de drone quadricoptère de prise de vue veut dimensionner ses hélices et prédire son autonomie AVANT d'acheter moteurs et batterie. Ses données :

• Masse totale en vol : 2 000 g (châssis, caméra, batterie compris), 4 moteurs ;
• en stationnaire, chaque hélice doit donc porter 500 g, soit une poussée cible de 4,905 N par moteur ;
• hélices 10 pouces (254 mm), 2 pales — le standard des châssis 450 ;
• batterie 4S 5 000 mAh (14,8 V), rendement moteur + contrôleur estimé à 75 % (donnée du constructeur des moteurs) ;
• air à 20 °C au niveau de la mer.

• Organisation et phases de conception :

1. Partir d'un modèle de la bibliothèque drones
2. Design en vol stationnaire : 500 g par moteur
3. Autonomie théorique sur la batterie
4. La courbe des gaz : poussée et puissance selon le régime
5. Bruit
6. Bilan et modèle à télécharger

1 : Partir d'un modèle : Heliciel est livré avec une bibliothèque d'hélices de drones (1,2 à 6 pouces, 2 à 9 pales). Nous chargeons une 5 pouces 3 pales de type racer… que nous allons transformer en 10 pouces bipale de porteur — encore une fois, le modèle n'est qu'un point de départ.

2 : Design en vol stationnaire : le vol stationnaire est LE point de design d'un multirotor (vitesse d'avance nulle — Heliciel la ramène à 0,001 m/s pour le calcul BEM). Nous demandons : Ø 254 mm, 2 pales, air à 20 °C, objectif de poussée 4,905 N. Heliciel cherche le régime :

• régime de sustentation : 5 800 tr/min ;
• puissance à l'arbre : 38,4 W par moteur, couple 0,063 N·m ;
• chiffre de mérite : 0,80 — c'est l'indicateur de qualité d'un rotor en stationnaire (rapport entre la puissance idéale de Froude et la puissance réelle) : 0,80 est une très bonne valeur, les hélices de drones du commerce se situent typiquement entre 0,55 et 0,75 ;
• pas géométrique : 115 mm à 0,7 R — notre hélice calculée est l'équivalent d'une « 10 × 4,5 » du commerce, mais avec un vrillage optimum au lieu d'un pas constant ;
• Mach en bout de pale : 0,23.

3 : Autonomie théorique : Heliciel enchaîne le calcul BEM du stationnaire et le bilan électrique avec NOS hypothèses (aucune valeur cachée) :

• puissance électrique totale : 206 W (4 × 38,6 W arbre / 0,75 de rendement moteur+ESC) ;
• courant tiré sur la batterie : 13,9 A (soit 2,8 C sur 5 000 mAh — très tranquille) ;
• autonomie théorique en stationnaire : 21,5 minutes à décharge complète. En pratique, on ne décharge une LiPo qu'à 80 % : comptez plutôt ~17 minutes de vol stationnaire — et moins en vol de translation ventée.

4 : La courbe des gaz : le contrôleur de vol module le régime en permanence. L'analyse multi-points balaie le régime de 3 500 à 8 000 tr/min, géométrie figée :

Lecture : à 8 000 tr/min, les 4 moteurs délivrent 4 × 9,3 N = 37,2 N, soit un rapport poussée/poids de 1,9 : assez pour tenir un stationnaire par vent soutenu et manœuvrer sereinement (on recommande ≥ 2 pour un porteur). Le tableau donne aussi le couple à chaque régime : la donnée à confronter à la courbe Kv/couple de vos moteurs pour vérifier qu'ils tiendront 8 000 tr/min sous charge.

5 : Le bruit : fréquence de passage des pales 193 Hz (harmoniques 387 et 580 Hz) — le « bourdonnement » caractéristique — et bout de pale à 77 m/s (Mach 0,23). Passer en 3 pales de plus petit diamètre monterait la BPF (son plus aigu, souvent perçu comme plus agressif) : le grand bipale lent est le choix de la discrétion et de l'autonomie.

6 : Bilan et modèle à télécharger

• Hélice bipale Ø 254 mm (10″), pas 115 mm (~10×4,5), vrillage optimum ;
• stationnaire : 500 g/moteur à 5 800 tr/min, 38,4 W arbre, chiffre de mérite 0,80 ;
• autonomie théorique : 21,5 min (100 % de décharge) / ~17 min à 80 % ;
• poussée max (8 000 tr/min) : rapport poussée/poids 1,9.

Le projet complet est téléchargeable ici : helice_drone_10pouces_hover.hlc (à ouvrir avec Heliciel). Il est également intégré aux modèles livrés avec le logiciel. Pour l'impression 3D de vos prototypes, exportez le STL depuis Heliciel — et équilibrez soigneusement avant le premier vol.

Je reste à votre disposition pour toutes remarques ou compléments d'information via contact@heliciel.com

• JF Iglesias développeur Heliciel.