Porter 1 kg : hexacoptère ou X8 coaxial ?

Un drone de livraison doit porter une charge utile avec de la réserve : pour manœuvrer, pour le vent, pour la batterie qui baisse. Deux architectures répondent à la même place au sol : plus de bras (hexa), ou deux hélices superposées sur chaque bras (X8 coaxial). Heliciel les calcule toutes deux, et le X8 est calculé honnêtement : son hélice du dessous travaille dans le jet de celle du dessus.

• Déroulé du didacticiel :

1. Le cahier des charges
2. L'hexa
3. Le X8 coaxial
4. Ce que l'hélice du dessous reçoit
5. La réserve de poussée : le hors design
6. Le carénage
7. Le bilan
8. Exporter la pale aval

1 : Le cahier des charges

Châssis de 650 mm de diagonale, plaque 180 × 120 mm, châssis nu 450 g, moteurs de 55 g ; batterie 4S 5 000 mAh, contrôleur et GPS repris du quadri ; un colis de 1 kg (200 × 150 × 120 mm) sous le châssis. Pourquoi 650 mm : sur un hexa, les moteurs voisins sont séparés d'une demi-diagonale. À 450 mm, cela ferait 225 mm pour des hélices de 254 mm — elles se chevaucheraient. À 650 mm, 325 mm.

2 : L'hexa

Onglet Paramètres châssis : Nb Bras = 6, Diag. mm = 650. Puis Reconstruire design optimisé au point fixe (écoulement 0,001 m/s, la convention du vol stationnaire).

L'hexa vu de dessus : six rotors, colis sous la plaque

La fenêtre complète : 6 hélices, 2 415 g

Six poussées, une résultante

Au point fixe : 29,4 N de poussée pour 23,7 N de poids, 230,6 W à l'arbre. La traînée des six bras dans le souffle des rotors retire 1,5 N : la poussée nette vaut 1,18 fois le poids. C'est juste.

3 : Le X8 coaxial

Même châssis, Nb Bras = 4 et case +Contra-Rotatif : huit hélices, deux par bras, qui tournent en sens inverses. Deux moteurs de plus : 2 525 g. À la reconstruction, Heliciel conçoit d'abord l'hélice du dessus, puis celle du dessous pour le flux qu'elle reçoit.

Le X8 et l'onglet Géométrie Hélices

Une paire coaxiale : une hélice au-dessus du bras, une en dessous

Poussées amont et aval : l'hélice du dessous pousse ici un peu plus

4 : Ce que l'hélice du dessous reçoit

Le groupe Géométrie hélice contra-rotative affiche le modèle d'interaction. La distance entre les deux plans d'hélices n'est pas saisissable ici : elle se déduit du châssis (hauteur moteur, épaisseur du bras, longueurs d'axes) : 100,5 mm, soit x/D = 0,40. Le facteur d'influence, 49,8 %, dit quelle part du sillage de l'hélice du dessus atteint celle du dessous.

Le modèle d'interaction, lu dans l'interface

L'hélice du dessous reçoit donc un flux de 5,92 m/s et une rotation de −19,6 rad/s, de sens opposé au sien. Elle a été dessinée pour eux. Résultat par hélice : dessus 4,90 N pour 38,4 W, dessous 5,27 N pour 60,5 W. L'hélice du dessous pousse un peu plus, mais demande 58 % de puissance en plus : elle travaille dans un air déjà accéléré.

Particules amont et aval : le jet de l'étage du dessus alimente celui du dessous

5 : La réserve de poussée : le hors design

Performances hors design recalcule le drone à un autre régime sans retoucher les pales : c'est ce que fait le contrôleur de vol quand il accélère ou ralentit les moteurs. À 5 000 tr/min, l'hexa ne tient plus son poids (20,8 N nets pour 23,7 N) ; le X8, si (29,5 N pour 24,8 N). À 6 300 tr/min, le X8 pousse 47,9 N — près du double de son poids.

6 : Le carénage

Case Carénée sur les deux étages, puis reconstruction. Deux effets à l'écran et dans les chiffres : les tourbillons de bout de pale disparaissent (le carénage les empêche), et une traînée de carénage apparaît (0,20 N en haut, 0,08 N en bas). Sur ce cas au point fixe, la poussée ne gagne presque rien (40,8 contre 40,7 N) : l'intérêt du carénage se juge ici sur d'autres critères que la poussée au point fixe — la protection des hélices, par exemple.

Sans carénage, deux étages d'anneaux de tourbillons par bras ; avec carénage, plus aucun

Une paire carénée

7 : Le bilan

* Le banc ne compte pas la masse des carénages : pour un bilan complet, l'ajouter comme un module.

• Le X8 a la réserve : 1,60 fois son poids contre 1,18, et il porte encore à 5 000 tr/min.
• L'hexa a le rendement : 0,127 N par watt contre 0,103, soit environ 19 % de puissance en moins pour la même poussée — de l'autonomie en plus, à batterie égale.
• La différence vient de l'étage du dessous : 0,087 N/W contre 0,127 pour celui du dessus. C'est le prix de la compacité coaxiale, et Heliciel le chiffre au lieu de l'estimer.

8 : Exporter la pale aval

Barre d'outils, Exporter 3D : la pale aval, version gauche — elle tourne en sens inverse de l'amont —, au format STL pour l'impression, ou IGES pour la CAO. Le carénage s'exporte de la même façon. Le projet se sauvegarde au format .mlrot.

Pour aller plus loin : le quadri de prise de vue et l'étude de vol, une paire contrarotative seule, distance réglable, la présentation du projet multirotor.