Aérodynamique et gestion énergétique des drones aériens
Optimiser l’autonomie énergétique des drones est un enjeu crucial tant pour les missions civiles que pour les opérations militaires. En effet, la capacité d’un drone à parcourir de longues distances sans nécessité de rechargement ou de ravitaillement peut déterminer le succès ou l’échec d’une mission.
Cependant, améliorer la consommation énergétique des drones et sécuriser leurs opérations tout en multipliant les missions reste un défi de taille. Quelles sont les solutions permettant d’augmenter la distance parcourue ? Quels sont les avantages des missions en essaim, les principes d’optimisation aérodynamique et les innovations technologiques qui pourraient révolutionner ce domaine ? Une fine compréhension des phénomènes ajoutée à des designs innovants rendent possibles des conceptions plus efficaces et plus sobres, capables de répondre aux exigences croissantes des utilisateurs.
Contrôler la gestion énergétique des drones aériens pour optimiser leur autonomie
Les drones modernes, qu’ils soient utilisés pour des missions civiles ou militaires, sont confrontés à des contraintes opérationnelles importantes dans des milieux variés et exigeants. La limitation de l’autonomie énergétique sur l’étendue de la mission dépend principalement de la capacité de la batterie et de l’efficacité aérodynamique globale, c’est-à-dire celle des propulseurs, celle de l’ensemble drone et charge emportée, et celle de leurs interactions. Tout ceci dans le respect des lois de mécanique du vol auxquelles s’ajoute un certain nombre de règles de sécurité.
D’autres facteurs extérieurs influencent également l’autonomie d’un drone. Il s’agit notamment des conditions météorologiques qui, lorsque instables, se traduisent par des rafales qui altéreront le fonctionnement nominal du drone, surtout si sa conception n’a pas prévu de robustesse face à ces contraintes. Il s’agit également de la variabilité dans le profil de la mission, que ce soit par les différentes charges à emporter, ou par l’alternance plus ou moins brutale des phases d’accélération, de pleine vitesse et de vol stationnaire.
Enfin les missions où le déplacement s’effectue en essaim présentent l’avantage de pouvoir tirer profit des interactions de sillage ou de portance, à l’image des oiseaux migrateurs, pour diminuer drastiquement la consommation énergétique et augmenter très significativement la distance parcourue.
Missions civiles et militaires menées par des essaims de drones
Les missions en essaim sont de plus en plus courantes dans les secteurs civil et militaire. Selon des études récentes, environ 30% des missions civiles et 50% des missions militaires pourraient utiliser ce principe de vol en formation.
Que ce soit lors de mission de surveillance côtière, où les zones à couvrir dépassent les 100 km² et où la formation en essaim favorise la réalisation en une seule opération, ou que ce soit dans le domaine militaire, notamment lors de la réalisation de missions de reconnaissance en terrain hostile, tout démontre leur capacité à opérer efficacement en groupe.
Ainsi les formations de vol en V, typiquement pour les drones à voilure fixe, ou les formations de vol en ligne rapprochée, plus vraisemblables pour les drones à voilure tournante comme les quadrirotors, conduisent à des gains potentiels très significatifs et s’illustrent par le fait que chaque nouveau drone qui entre dans l’essaim abaisse la consommation de l’ensemble. Ainsi, un système de rotation dans l’organisation de la formation de l’essaim permet de partager uniformément les bénéfices obtenus.
L’optimisation aérodynamique de l’essaim de drones pourra également conduire à l’apparition de drones spécialisés dans le cas de certaines missions. Ainsi peut-on imaginer un drone leader et superviseur chargé d’entrainer dans son sillage, avec la plus grande efficacité, une troupe de drones qui opèreraient une mission bien précise une fois arrivés sur le lieu d’intervention. Le drone leader et superviseur resterait statique durant l’intervention puis assurerait en apportant la même efficacité globale aérodynamique le retour à la base.
Enfin n’oublions pas que deux drones seulement suffisent pour constituer un essaim.
Simulations aérodynamiques et Innovations pour l’optimisation de l’autonomie énergétique des drones
L’utilisation de la Simulation CFD (dynamique des fluides numérique) permet l’optimisation de la conception et du design par l’analyse des flux d’air autour des drones et des efforts pariétaux qu’ils subissent. La réduction des zones de traînée excessive, le contrôle de la turbulence, la détermination des sensibilités aux différents cas de vol, la prédiction des zones de courant ascendants de type ‘upwash’, et l’ajustement de la position et de l’incidence lors du cas de vol en essaim sont des facteurs clés qui permettront de pousser les limites de la performance bien au-delà du niveau actuel.
Compte tenu du caractère aéronautique des drones aériens, et donc de la culture aérodynamique implicite, il est assez surprenant d’observer certains drones, notamment dans le domaine de la logistique, transporter des charges absolument anti-aérodynamiques, comme le colis cubique, sans aucune précaution vis-à-vis des contraintes que cela engendre notamment sur la traînée et donc sur l’autonomie énergétique. L’innovation et la simulation aérodynamiques peuvent remédier à cela en assurant le développement de dispositifs à géométrie variable légers permettant le profilage autour de la charge pour abaisser le coefficient de traînée.
Au-delà de l’optimisation aérodynamique du drone en lui-même, le futur verra le développement du jumeau numérique de l’essaim dans lequel l’optimisation aérodynamique du positionnement des drones jouera un rôle fondamental, ouvrant ainsi la voie à une nouvelle ère dans l’optimisation énergétique du déplacement des drones.
