Les systèmes de propulsion électrique destinés aux drones convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique afin d'entraîner les hélices, les rotors et les ventilateurs carénés des aéronefs multirotors, à voilure fixe et à décollage et atterrissage verticaux (VTOL). Ces systèmes associent des moteurs électriques, des variateurs de vitesse électroniques (ESC), des dispositifs de stockage d’énergie et des composants de gestion de l’alimentation afin de fournir une poussée contrôlée pour des applications telles que la surveillance, la cartographie, l’inspection et la livraison de fret.
Cette catégorie présente les fabricants de systèmes de propulsion électriques pour drones, notamment des configurations à entraînement direct, à engrenages, intégrées, distribuées et hybrides-électriques.
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Les systèmes de propulsion électriques utilisent des moteurs électriques pour générer une poussée destinée aux drones (UAV), en convertissant l’énergie électrique en énergie mécanique afin d’entraîner des hélices, des rotors ou des ventilateurs carénés. Ces systèmes sont utilisés sur les aéronefs multirotors, à voilure fixe et à décollage et atterrissage verticaux (VTOL), et permettent des applications allant de la levée et de l’inspection aériennes à la surveillance, à la cartographie et à la livraison de fret.
La propulsion électrique des drones combine généralement des moteurs, des contrôleurs électroniques de vitesse (ESC), des hélices, des systèmes de stockage d’énergie et des équipements de gestion de l’alimentation électrique au sein d’une architecture de propulsion coordonnée. Les configurations vont des unités de propulsion intégrées compactes aux systèmes multimoteurs distribués ; le choix dépend du poids de l’aéronef, des exigences en matière de poussée, de l’autonomie, des conditions d’exploitation et des caractéristiques de vol requises.
Système de propulsion électrique pour drone, série P, de HOBBYWING.
Les systèmes de propulsion électrique à entraînement direct relient le moteur électrique directement à l’hélice ou au rotor, sans boîte de vitesses intermédiaire, ce qui réduit la complexité mécanique, le poids et les besoins d’entretien tout en évitant les pertes de transmission liées à la boîte de vitesses. Ces configurations sont largement utilisées dans les drones multirotors et les drones à voilure fixe, en particulier lorsque la simplicité, la fiabilité et la réactivité du contrôle du moteur sont des critères importants.
Les systèmes de propulsion électrique à engrenages utilisent un réducteur entre le moteur et l’hélice, ce qui permet à chaque composant de fonctionner à une vitesse de rotation plus proche de sa vitesse optimale. Cela permet à des moteurs électriques à vitesse plus élevée d’entraîner des hélices plus grandes et tournant plus lentement, avec des caractéristiques de couple et de poussée adaptées, bien que les composants supplémentaires de la chaîne cinématique augmentent le poids, la complexité mécanique et les besoins en maintenance.
Les systèmes de propulsion électrique intégrés combinent des moteurs, des variateurs (ESC) et des hélices adaptés les uns aux autres au sein d’ensembles coordonnés, souvent fournis sous forme d’unités de propulsion prêtes à être installées. Les composants sont sélectionnés en fonction de leur compatibilité en termes de tension, de courant, de vitesse de rotation et de caractéristiques de poussée, ce qui réduit l’effort d’intégration pour les fabricants de drones ; certains systèmes intègrent également des fonctions de surveillance du moteur, de protection thermique, de diagnostic et des interfaces de communication pour la connexion aux contrôleurs de vol.
La propulsion électrique distribuée utilise plusieurs propulseurs à entraînement électrique répartis sur la cellule du drone, ce qui permet de contrôler chaque moteur indépendamment pour la répartition de la poussée et le contrôle d’assiette. Ces configurations sont courantes sur les aéronefs multirotors et à décollage et atterrissage verticaux (VTOL), où le fonctionnement coordonné des moteurs assure la portance et la maniabilité ; certaines architectures peuvent également prendre en charge la redondance de propulsion ou un contrôle tolérant aux pannes lorsqu’elles sont associées à des systèmes de commande de vol adaptés.
Les systèmes à ventilateur caréné électrique (EDF) utilisent des moteurs électriques à grande vitesse pour entraîner des ventilateurs enfermés dans des conduits aérodynamiques, qui influencent le flux d’air traversant l’unité de propulsion et peuvent offrir des avantages en termes d’encombrement ou d’aérodynamique dans des configurations adaptées. La propulsion EDF est utilisée sur certains drones à voilure fixe à grande vitesse et sur des aéronefs sans pilote spécialisés, bien que le rendement, la consommation d’énergie, les caractéristiques acoustiques et les performances de poussée dépendent de la turbine, de la géométrie du conduit, de la vitesse de fonctionnement et des conditions de vol.
Les systèmes de propulsion hybrides-électriques pour drones combinent la propulsion électrique à une production d’énergie électrique embarquée, généralement à l’aide d’un moteur à combustion interne couplé à un générateur. Les systèmes hybrides en série utilisent des hélices ou des rotors à entraînement électrique alimentés par le générateur et un système de stockage d’énergie, tandis que les architectures en parallèle peuvent également transmettre la puissance mécanique du moteur. Les batteries peuvent fournir une puissance supplémentaire lors du décollage, des manœuvres exigeantes ou dans des conditions transitoires, ce qui permet aux configurations hybrides-électriques d’étendre l’autonomie au-delà de celle des systèmes comparables fonctionnant uniquement sur batterie, au prix d’un poids, d’une complexité et d’un entretien accrus.
Les composants de propulsion électrique des drones doivent fonctionner comme un système coordonné afin de fournir une poussée contrôlée tout en gérant les charges électriques, les contraintes mécaniques, la température et l’énergie disponible. Les spécifications de chaque composant dépendent donc de l’architecture de l’appareil, de la puissance de propulsion requise, de la tension, du profil de mission et de l’environnement d’exploitation.
La compatibilité de ces composants influe directement sur le rendement de la propulsion, la réactivité des commandes et la fiabilité. Les commandes du contrôleur de vol sont traitées par les ESC, qui régulent le fonctionnement des moteurs afin d’entraîner les hélices et de générer la poussée requise ; l’adéquation entre les moteurs, les ESC, les hélices et les sources d’alimentation revêt donc une importance particulière lors de l’intégration d’un drone.
Les systèmes de propulsion électriques et à combustion présentent des caractéristiques différentes en termes d’autonomie, de complexité mécanique, d’exigences opérationnelles, de délivrance de puissance et d’intégration à l’aéronef. La propulsion électrique est largement utilisée dans les drones de petite et moyenne taille, tandis que les systèmes à combustion restent importants pour les aéronefs et les missions nécessitant une plus grande capacité énergétique embarquée ou une autonomie prolongée.
| Facteur de comparaison | Propulsion électrique des drones | Propulsion des drones à combustion |
| Densité énergétique et autonomie de vol | Les systèmes alimentés par batterie présentent généralement une densité énergétique embarquée plus faible, ce qui peut limiter l’autonomie de vol. | Les carburants liquides offrent une énergie spécifique plus élevée, ce qui peut permettre des durées de vol plus longues. |
| Déploiement de la puissance et réponse de l’accélérateur | Les moteurs électriques offrent une réponse rapide en couple et un contrôle électronique précis. | La réponse du moteur dépend de la commande des gaz, de la dynamique du moteur et des composants associés de la chaîne cinématique. |
| Complexité mécanique et maintenance | Le nombre réduit de pièces mobiles dans les configurations à entraînement direct réduit généralement les besoins en maintenance mécanique. | Les moteurs nécessitent des systèmes mécaniques supplémentaires et un entretien plus important, notamment en matière d’alimentation en carburant, de lubrification et d’entretien. |
| Caractéristiques en matière de bruit et de vibrations | Ils génèrent généralement moins de vibrations au niveau du groupe motopropulseur et peuvent fonctionner plus silencieusement, bien que le bruit de l’hélice ou du rotor reste important. | La combustion dans le moteur ainsi que les composants alternatifs ou rotatifs génèrent du bruit et des vibrations supplémentaires. |
| Capacité d’emport et taille de l’aéronef | Convient à une large gamme de tailles de drones, la capacité de charge utile dépendant de la puissance du moteur, du poids des systèmes de stockage d’énergie et de la conception de la cellule. | Souvent avantageux pour les aéronefs de plus grande taille et les missions de longue durée, où la densité énergétique du carburant permet une plus grande autonomie globale de la mission. |
| Logistique opérationnelle et ravitaillement en énergie | Nécessite la recharge ou le remplacement des batteries, ou le recours à une autre source d’énergie électrique. | Nécessite le stockage, la manutention et le ravitaillement en carburant, ce qui peut permettre des rotations rapides lorsque des infrastructures de ravitaillement adaptées sont disponibles. |
| La propulsion hybride-électrique comme alternative | Les propulseurs à entraînement électrique peuvent être alimentés par des batteries et des générateurs embarqués, ce qui permet d’allier un contrôle électrique à une disponibilité énergétique accrue. | Les moteurs à combustion peuvent fournir de la puissance mécanique ou alimenter des générateurs au sein d’architectures hybrides. |
» , N8L, d’IPET Systems.
Les systèmes de propulsion électrique des drones peuvent être soumis à des exigences électriques, environnementales, logicielles, matérielles et de navigabilité, en fonction de la classification de l’aéronef, de l’environnement d’exploitation, de l’usage prévu et des critères de certification. Les normes applicables fournissent des méthodes et des recommandations pour évaluer la conception des unités de propulsion, les performances environnementales, le matériel électronique, l’assurance logicielle et la protection des équipements.
Les exigences applicables dépendent de la base de certification du drone, du cadre d’homologation opérationnelle, des spécifications d’acquisition et du rôle du système de propulsion au sein de l’aéronef. Les fabricants peuvent également réaliser des essais de poussée, d’endurance, thermiques, vibratoires, électriques et au niveau du système afin de vérifier les performances dans les conditions d’exploitation prévues.
Les avancées en matière de propulsion électrique des drones se concentrent sur l’amélioration de la densité de puissance, du rendement énergétique, de la gestion thermique, de l’intégration des systèmes et du contrôle de la propulsion. Ces progrès concernent tout particulièrement les drones de grande taille, les plateformes de transport lourd, les aéronefs autonomes et les missions de longue endurance, où les performances électriques et mécaniques doivent être soigneusement équilibrées par rapport au poids de l’aéronef.
Les améliorations constantes apportées à la conception des moteurs, à l’électronique de puissance, à la gestion thermique et aux systèmes d’énergie électrique élargissent la gamme de tailles d’aéronefs et de profils de mission pouvant être pris en charge par la propulsion électrique des drones.
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