Pourquoi il tient en l’air, et pourquoi il n’y tient pas

Ce qui paie réellement la portance

Il est utile de distinguer le poids, la portance, la traînée et la poussée, les quatre forces qu’une machine volante doit équilibrer. Sur une voilure fixe, l’essentiel de la portance provient de l’aile qui se déplace dans l’air. En vol horizontal stabilisé, la poussée équilibre la traînée, et non le poids lui-même. La traînée est inférieure au poids, ce qui explique que la croisière puisse être économe en énergie. Un multirotor n’a pas d’aile en ce sens. Chaque rotor est une aile tournante, et la force ascendante est la réaction à l’accélération de l’air vers le bas. Inclinez la poussée pour vous déplacer latéralement, et sa composante verticale doit toujours supporter le poids ; la poussée totale en vol d’avancement est donc supérieure au poids.

Le vol stationnaire, c’est cette réaction payée sans interruption. En mots, d’après la théorie de la quantité de mouvement : la poussée est le débit de quantité de mouvement communiquée vers le bas à l’air, et la puissance est à peu près cette poussée multipliée par la vitesse communiquée à l’air. Pour une même surface de rotor, un aéronef plus lourd doit pousser plus d’air ou le pousser plus vite. Le pousser plus vite est le choix coûteux. L’énergie dans le sillage croît avec le carré de la vitesse, alors que la poussée ne croît qu’avec le produit de la vitesse et de la quantité d’air. La puissance en stationnaire augmente donc plus vite que le poids. Un disque plus grand obtient la même poussée avec une vitesse d’air plus faible, mais c’est un autre aéronef, avec un autre bruit et une autre aire.

Stationnaire, vent et creux de la courbe

Le vol stationnaire n’est pas toujours la puissance la plus élevée que l’aéronef exigera. Une montée franche ou une accélération rapide peuvent être pires. Un vol d’avancement modéré consomme souvent moins de puissance que le stationnaire, car le rotor rencontre de l’air neuf et le coût induit diminue, jusqu’à ce que la traînée parasite et l’inclinaison du vecteur poussée augmentent de nouveau. La puissance en fonction de la vitesse air forme généralement un creux, pas une rampe. Ce que le stationnaire détruit, c’est l’autonomie en distance. L’autonomie est une distance par unité d’énergie, et un stationnaire ne couvre aucun terrain pendant que le compteur tourne. Attendre au-dessus d’une porte n’est pas une pause bon marché. C’est un vol sans progression ; un plan doit donc convertir ces minutes en distance perdue avant de déclarer la route faisable.

Le vent n’est pas une gêne dessinée sur la carte. L’aéronef vole à une vitesse air ; la mission a besoin d’une vitesse sol. Face à un vent de face, vous dépensez plus de minutes, ou vous volez à une vitesse air plus élevée, où la traînée est plus forte, pour couvrir la même distance. Le vent arrière de l’aller est souvent le vent de face du retour. Tenir une position dans le vent est aussi un travail : l’aéronef continue de pousser contre l’air. Un vent moyen et une rafale sont différents. Les rafales exigent une marge de poussée et d’assiette pour que le contrôleur puisse corriger. Si le stationnaire moyen utilise déjà presque toute la poussée, il ne reste rien pour corriger, et l’aéronef n’est contrôlable en aucun sens utile. Par jour de vent, la marge fait partie de la portance ; ce n’est pas une décoration.

Un aéronef d’inspection qui tient sa position à côté d’un ouvrage rencontre le même vent sous une autre forme. Les rafales qui tournent autour des piles et des angles de bâtiments, et la dérive qui fixe la distance d’éloignement, sont traitées dans comment les drones d’inspection tiennent leur position dans le vent près des ouvrages (Airffic Inspection).

Le fait d’être repoussé par son propre souffle rotor près des parois est traité dans faire voler des drones en espace confiné, dans le guide Inspection.

Pourquoi la charge utile ronge l’autonomie

Ajoutez de la masse, et la poussée nécessaire au stationnaire augmente avec elle. À surface de rotor fixe, la puissance augmente plus vite que la poussée ; une petite hausse de charge utile peut donc retrancher beaucoup de minutes. La batterie contient une réserve d’énergie fixe, sauf si vous ajoutez de la batterie, et la batterie ajoutée est une masse qu’il faut soulever. Au-delà d’un certain point, davantage de batterie n’achète plus d’autonomie utile. Elle achète du poids. La cargaison et la batterie se disputent aussi le même volume, et la structure grossit pour contenir les deux. Une brochure qui cite l’autonomie et la charge utile comme des chiffres indépendants est incomplète. Il s’agit d’un seul compromis, et ce compromis se déplace de nouveau lorsque le vent, la réserve et une batterie vieillie sont pris en compte.

Le moyen de stockage fixe un plafond avant que la route ne le fasse. En prédimensionnement, les batteries lithium-ion actuelles, comptées en tant que packs et non en tant que cellules affichées, se situent de l’ordre de quelques centaines de wattheures par kilogramme. Ce chiffre varie selon la chimie et selon la part de structure et de refroidissement incluse. Les carburants liquides se situent de l’ordre de dix kilowattheures par kilogramme d’énergie chimique. Un petit moteur thermique en gaspille une grande partie en chaleur et apporte sa propre masse et ses propres défaillances, mais ce qui reste explique encore pourquoi les aéronefs de longue endurance ne sont pas des multirotors à batterie. Les batteries sont choisies parce que la chaîne de propulsion est simple, le contrôle rapide et la mission courte, et non parce que le stockage est dense. L’hydrogène paraît dense par kilogramme, puis perd cet avantage à cause du réservoir. Cessez de demander à une seule cellule de faire le travail d’un camion.

Tourner ne suffit pas

La rotation elle-même n’annule pas la gravité. Les pales ne produisent de la poussée qu’en accélérant de l’air, et cette poussée a un plafond fixé par le diamètre, la vitesse de rotation, la surface des pales, le couple moteur et la puissance électrique que la batterie peut fournir avant que sa tension ne s’effondre. Les concepteurs ne font pas de stationnaire avec une poussée égale au poids. Ils gardent une marge au-dessus du poids pour que la machine puisse s’incliner, monter et encaisser une rafale. Une valeur de poussée tenue une seconde sur un banc n’est pas la poussée que vous pouvez tenir pendant une sortie. Le même courant chauffe les bobinages et fait chuter la tension de la batterie. Une hélice plus grande augmente la poussée pour une puissance donnée, et elle modifie aussi le bruit, la vitesse en bout de pale et l’aire nécessaire. Il n’existe aucune astuce restante par laquelle une rotation suffisante réglerait la facture.

La gravité est continue, et le bilan énergétique court pendant tout le temps où l’aéronef n’est pas au sol. Le contrôle aussi. Une chaîne de commande de vol met continuellement à jour son estimation, ferme les boucles d’assiette et de vitesse angulaire, et bute sur l’allocation de poussée lorsque les commandes saturent. Un aéronef exploité près de cette saturation peut « voler » sur une brochure et n’avoir plus aucune ressource au moment où le vent demande une correction. Lorsque quelqu’un propose une charge lourde, demandez d’abord la surface du disque, la marge de poussée et l’énergie par minute. Une vidéo de pales qui tournent ne prouve pas que ces trois conditions sont remplies. Un plan incapable d’y répondre doit être abandonné avant d’être armé.

Inclinez pour avancer, et la part verticale de la poussée diminue. Cette relation se ressent plus vite qu’elle ne se lit. Survoler une carte du monde dans votre navigateur (Airffic Simulation, en japonais) permet de l’essayer sans casser d’aéronef. Cela ne remplace pas une formation opérationnelle.

Pour voir comment la taille et le poids modifient la manière dont un drone vole, essayez piloter un multirotor dimensionné dans le navigateur.