L’innovation technologique ne cesse de croître, les drones occupent une place de plus en plus importante dans notre univers. En témoigne le marché mondial qui sera multiplié par dix en 10 ans, passant de 28 milliards de dollars en 2021 à 260 milliards en 2030. Tous les secteurs industriels sont concernés, des missions de surveillance à la logistique de livraison, de la cartographie aux missions militaires. Les drones modernes offrent des solutions efficaces et polyvalentes. Cependant, la conception et le développement de ces appareils doivent être soigneusement adaptés aux missions spécifiques pour lesquelles ils sont destinés. Les performances attendues des drones actuels et les techniques d’optimisation disponibles doivent répondre aux besoins variés des utilisateurs. Ainsi différents types de drones peuvent être envisagés, selon des besoins en capacité et des environnements d’opération différents, avec pour objectif de maximiser leur efficacité. Et pour cela, la simulation CFD (Computational Fluid Dynamics) devient indispensable dans l’élaboration et l’optimisation des performances des drones, qu’ils soient aériens ou sous-marins.
Typologie des Drones et leurs Performances
2.1 Types de Drones
Les drones multi-rotor sont les plus courants, offrant une grande stabilité et une facilité de manœuvre. Ils sont idéaux pour des missions de courte durée nécessitant une grande précision. Cependant, leur autonomie est limitée en raison de leur mauvais rendement énergétique.
Les drones à voilure fixe sont conçus pour des vols de longue distance et dispose d’une meilleure efficacité en déplacement. Un de leur principal inconvénient est la nécessité d’une piste de décollage et d’atterrissage, ou d’un dispositif de lancement, ce qui limite leur déploiement dans des environnements restreints.
Pour palier cet inconvénient, les drones hybrides, à voilure fixe mais avec une capacité de décollage et d’atterrissage verticale, constituent une alternative très intéressante permettant ainsi le déploiement d’aéronefs performants quelque soit le terrain.
2.2 Performances en Fonction du Type de Drone
La distance parcourue varie considérablement entre les types de drones. Les drones à voilure fixe peuvent couvrir des centaines de kilomètres, tandis que les drones multi-rotor sont plutôt limités à quelques dizaines de kilomètres.
En termes de vitesse, les drones à voilure fixe sont les plus rapides, atteignant des vitesses au delà des 100 km/h . Les drones multi-rotor, en revanche, auront une vitesse maximale plutôt aux environs des 50 km/h.
La capacité d’emport est également un facteur crucial. Les drones multi-rotor peuvent transporter des charges variées en forme. Les drones à voilure fixe auront une capacité d’emport plus efficace mais la charge aura besoin d’être adaptée en forme pour ne pas trop pénaliser la finesse de l’ensemble.
Environnements d’Utilisation : Aérien et Sous-marin
Drones Aériens (UAV)
Les drones aériens, ou UAV (Unmanned Aerial Vehicles), ont la contrainte de l’air turbulent, du vent et des rafales de vent, des courants ascendants thermiques, et leur conception doit prendre en compte la robustesse à ces phénomènes. Ainsi la stabilité et l’autonomie du drone sont deux composantes essentielles dans l’optimisation des performances, notamment aérodynamique. La réduction de la traînée et l’amélioration de la finesse participeront à augmenter son domaine de vol et à améliorer son exploitation en minimisant les besoins en rechargement.
Drones Marins et Sous-marins (AUV)
Les drones sous-marins, ou AUV (Autonomous Underwater Vehicles), évoluent dans un milieu à priori plus stable et à des vitesses beaucoup plus faibles. Cependant du fait de la viscosité de l’eau, le nombre de Reynolds sera assez similaire aux drones multi-rotors aériens, et les phénomènes hydrodynamiques pourront ainsi être approchés de façon similaire par la simulation. La réduction des turbulences d’interaction et le contrôle du risque de cavitation sont par exemple des sujets qui amèneront à l’optimisation hydrodynamique. Là aussi augmenter l’étendue des missions en distance et en temps constitue un objectif de premier plan.
Optimisation des Performances des Drones Modernes par la Simulation CFD
Introduction à la CFD (Computational Fluid Dynamics)
La CFD (Computational Fluid Dynamics) est une technique de simulation numérique qui permet de modéliser et d’analyser les flux de fluides autour des objets. Dans le contexte des drones, la CFD joue un rôle crucial dans la conception et l’optimisation des performances. Elle permet de prédire avec précision les comportements aérodynamiques et hydrodynamiques, réduisant ainsi les coûts et le temps de développement.
Application de la CFD dans la Conception des Drones
L’application de la CFD dans la conception des drones permet d’optimiser la forme et les caractéristiques techniques des appareils. Par exemple, en ajustant la forme des ailes ou des hélices, on peut réduire la traînée et améliorer la portance. Cependant c’est bien l’analyse du besoin et notamment la compréhension des objectifs de la mission du drones qui permet de cadrer le développement.
Étapes d’un Plan d’Expérience Numérique CFD
Un plan d’expérience numérique CFD comprend plusieurs étapes clés :
- Cadrage : Objectifs à atteindre et contraintes à prendre en compte.
- Modélisation : Création du modèle numérique paramétrable du drone.
- Simulation : Calculs multiprocesseurs sur cloud, analyse et optimisation.
- Validation : Projection des résultats dans le contexte de la mission et vis-à-vis de l’existant.
Ces étapes permettent de délivrer une valeur globale au développement, portant sur la performance pure mais aussi sur l’aspect économique.
Solutions sur-mesure
Ce marché très segmenté, tant par la finalité des missions que par la variété de types de drones existants, voit l’importance croissante des formations en essaims ainsi que la nécessité pour chaque acteur d’augmenter l’efficacité de sa mission. Ceci constitue un terrain idyllique pour multiplier les optimisations de formes et de conception dans les années à venir. Dans ce contexte la CFD (Computational Fluid Dynamics), alliée à la juste créativité et aux compétences aéronautiques, sera un élément incontournable pour développer l’avantage concurrentiel nécessaire, que ce soit pour les drones sous-marins ou aériens, pour les drones multi-rotor, à voilure fixe ou encore hybrides.
