Skip to main content

10 Juin, 2024

Un « monocoptère » en forme de graine change d’envergure pour plus d’agilité et d’efficacité

Un « monocoptère » en forme de graine change d’envergure pour plus d’agilité et d’efficacité

Le FROW-P avec son aile complètement rétractée

Les drones multirotors ont beau avoir la cote, les « monocoptères » à rotation complète sont en réalité beaucoup plus économes en énergie. Un nouveau modèle se distingue encore davantage, car il peut se faufiler dans des espaces étroits ou se laisser tomber comme un faucon en réduisant l’envergure de ses ailes en vol.

Il est bien connu que les drones à voilure fixe consomment moins de batterie que leurs homologues multirotors. Cela est principalement dû au fait que les ailes des premiers offrent une surface portante beaucoup plus importante que les rotors plus petits des seconds. Les multirotors conservent toutefois un avantage de taille : ils peuvent décoller et atterrir à la verticale, et rester en vol stationnaire sur place.

Certains scientifiques ont entrepris de combiner les meilleures caractéristiques des deux modèles en créant des drones VTOL (décollage et atterrissage verticaux) qui volent en faisant tourner horizontalement l’ensemble de leur corps… qui prend la forme d’une grande aile.

Tous ces aéronefs expérimentaux ont été inspirés par la graine de l’érable à une aile, de type « samare », qui tourne gracieusement sur elle-même jusqu’au sol lorsqu’elle est libérée de l’arbre.

Les monocoptères basés sur cette graine ont utilisé des mécanismes tels que les volets d’ailes pour se diriger, et des caméras qui transmettent une image par tour pour une vidéo en temps réel relativement stable.

Cela nous amène au drone FROW (Foldable Rotary Origami Wing), créé par Hitesh Bhardwaj, Xinyu Cai, Luke Soe Thura Win et Shaohui Foong de l’Université de technologie et de design de Singapour. Il existe en fait deux versions de l’appareil, le FROW-A (pour actif) et le FROW-P (pour passif).

Si le FROW-A vole en faisant tourner l’ensemble de son corps, il possède en réalité deux ailes inspirées des samares et reliées au milieu par un moyeu équipé d’électronique. Chaque aile est composée de panneaux de balsa encapsulés dans une fine membrane de polymère, ainsi que d’une tige télescopique en fibre de carbone qui s’étend sur toute la longueur de l’aile. À l’extrémité de chaque aile se trouve un moteur/propulseur.

Le drone FROW-A avec les deux ailes complètement déployées

En mode de vol normal, les deux ailes sont complètement déployées pour maximiser la portance. S’il est nécessaire de réduire l’envergure des ailes lors d’un vol dans un espace restreint, deux servomoteurs situés dans le moyeu enroulent des câbles qui sont attachés à la tige de chaque aile.

Chaque tige se rétracte alors vers l’intérieur, entraînant avec elle le reste de l’aile. La partie balsa/membrane de l’aile se replie en accordéon lorsqu’elle est tirée vers l’intérieur, ce qui permet de réduire l’envergure totale du FROW-A de 39 %. Lorsque le moment est venu de redéployer les ailes, les servomoteurs relâchent les câbles, ce qui permet à la force centrifuge de tirer les ailes vers l’extérieur.

Le FROW-A avec ses ailes complètement rétractées

Deux ailes sont nécessaires car une fois rétractées, une seule aile devrait tourner si vite que le moteur de l’hélice et le servo de rétraction de l’aile s’épuiseraient. Le FROW-P utilise en quelque sorte cette limitation, puisqu’il est conçu pour plonger rapidement comme un faucon lorsqu’il est raccourci.

Contrairement au FROW-A, le P ne comporte qu’une seule aile. Et au lieu d’être relié à un servo, le câble de la tige de l’aile est connecté à un mécanisme d’enroulement à ressort non alimenté (situé à l’extrémité non propulsive de l’aile).

Le drone FROW-P inspiré de la samare, ici avec une aile complètement déployée pour une portance maximale.

Tant que le FROW-P tourne suffisamment vite pour maintenir la portance, la force centrifuge l’emporte sur la tension du ressort, ce qui maintient l’aile en extension. Cependant, dès que le moteur du drone se relâche et que sa vitesse de rotation diminue, la réduction de la force centrifuge permet au ressort d’enrouler l’aile, réduisant ainsi l’envergure totale de 69 %.

En conséquence, l’avion descend rapidement en autorotation, mais il peut facilement reprendre son envol en relançant son moteur. Entre autres applications, cette fonctionnalité pourrait permettre au FROW-P de contourner des conditions météorologiques dangereuses lorsqu’il vole à haute altitude, ou même d’échapper à des avions qui le poursuivent.

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-3190/acd739