Study of the sensitivity to the lateral wind of a Mini Unmanned Aerial Vehicle with VTOL flight

354 Pages·2014·46.13 MB·English

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InstitutSupérieurdel’Aéronautiqueetdel’Espace(ISAE)

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DavidGOMEZARIZA
le
jeudi28novembre2013
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Etudedelasensibilitéauventlatérald'unmini-droneàcapacitédevol
stationnaire
StudyofthesensitivitytothelateralwindofaMiniUnmannedAerialVehicle
withVTOLflightcapabilities
et discipline ou spécialité
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EDMEGeP:Dynamiquedesfluides
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Équiped'accueilISAE-ONERAEDyF
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M.Jean-MarcMOSCHETTA(directeurdethèse)
M.GillesGRONDIN(co-directeurdethèse)
Jury:
M.Jean-MarcMOSCHETTA -Directeurdethèse
M.GillesGRONDIN-Co-directeurdethèse
M.PhilippeDEVINANT-Rapporteur
M.StephenPRIOR-Rapporteur
M.MichelCOSTES-Examinateur
M.DanielTROUCHET-Examinateur

“The most exciting phrase to hear in science, the one that heralds the most discoveries, is not
Eureka! (I found it!) but That’s funny...”
Isaac Asimov
“Anybody who has been seriously engaged in scientific work of any kind realizes that over the entrance
to the gates of the temple of science are written the words: ’Ye must have faith.’ ”
Max Planck
ii
Acknowledgments
My thesis was possible due to the guidance, support and encouragement of many people, and I am
thankful to each one of them.
I would like to thank Bertin Technologies for the opportunity to work on the MiniREC project. I
am especially thankful to professor Jean-Marc MOSCHETTA and Gilles GRONDIN, my supervisors
during this thesis. Their advice, support and guidance throughout my research were invaluable. I
especially appreciate their encouragement and their faith in me during the most difficult moments
of the thesis.
I would also like to thank Mr. Daniel TROUCHET for his technical inputs and ideas which were
essential for my work.
Many thanks to professor Emanuel BENARD and Rémi CHANTON for all their help with the wind-
tunnel tests. I am also thankful to Hervé BELLOC and all the S4 wind tunnel technicians for their
support and help during the long hours of experimental testing. Special thanks to Patrick MOREL
for his help with the fabrication of the different experimental models and his ever-friendly presence.
I also appreciate the support I received from Serge MORETTI (especially for for the numerical
meshes), Roger BARENES and Patrick CAZENAVE. A special thank you to Christiane BOYER for
all her help with anything and everything during all my time in the DAEP lab.
As for my fellow students, I would like to thank Dominic HICKEY and Kwanchai CHINWICHAR-
NAM for their hard work and enthusiastic help. Another special thanks to Murat BRONZ for his
help in the manufacturing process of Neo-MiniREC and for all the long discussions that gave birth
to great ideas. I would also like to thank my fellow Phd. candidates Fazila ZAWAWI and Peng LV
for being part of the student life during my thesis and the long discussions. You all made my life
very interesting.
I would like to thank my mother and my family for their unconditional support, encouragement and
prayers. And the most specialty thank you to my wife Priya Anita BALLA the love of my life and
my rock for all her help , inputs and vivid discussions that took me out of more than one mental
blockage you are brilliant.
Over all i would like to thank to God Yehowah who was with me through all and bless me with the
wisdom and the support that i needed to finish this thesis.
“You are worthy, our Lord and God, to receive glory and honor and power, for you created all
things, and by your will they were created and have their being”
Revelation 4:11
Study of the sensitivity to the lateral wind
of a Mini Unmanned Aerial Vehicle with VTOL flight capabilities
Abstract: In the current development of Vertical Take-off and Landing (VTOL) mini-UAS and
MAVs,configurationsliketilt-proprotorsandtilt-bodyarebeingappliedmoreandmoreoften. These
types of configurations have been shown to be very sensitive to the effect of the lateral wind when
they are in transition flight or simply in low speed flight. For this reason, a correct understanding of
thebehaviorofaproprotorandtheproprotor-winginteractionatincidenceisnecessaryforthedesign
andconceptionofthistypeofUAS.AscalemodeloftheMiniRECmini-UASwastestedattheISAE
S4 Eiffel-type wind tunnel to understand the aerodynamic load behavior of the proprotor during the
transition from vertical flight to horizontal flight. Also, to observe the effect of the scale and study
the type of proprotor used generally by MAVs, a second experiment for proprotors at incidence was
conducted at the SaBRE wind tunnel. A hot film anemometer was used to characterize the propeller
wake. Theexperimentalresultsshowedthegreatimpactoftheseloadsoverthelongitudinalstability
of the mini-UAS at high angles of incidence. It was also shown that the nature of the flow for a
proprotor at incidence is highly unsteady, which makes its modeling a complex process.
From a numerical point of view the study of the propeller at incidence was done using the Glauert’s
hypothesis for an actuator disk at incidence. The analytic results are compared with experimental
results obtained from the 2D hot film measurements and a CFD simulation of an actuator disk at
incidence loaded with a uniform load equivalent to the mean experimental SaBRE thrust values and
URANS CFD simulation of the full propeller.
The results of the S4 experiment were also compared to Ribner’s model for propellers in yaw and
the Young’s model which is a statistical modification of Ribner’s analysis. The present modification
of Ribner’s model gives good results for single rotors even at high angles of attack. However, it was
clearly shown that some improvement or a new model were needed to correctly predict the thrust
and the off-axis loads produced by single and coaxial proprotors. For this a first order quasi-steady
methodbasedonbladeelementmomentumtheorywasdeveloped. Finally,anaerodynamicprototype
(with reduced sensitivity to the lateral wind) was designed on these bases, built and tested in the
S4 wind-tunnel. The test showed that the initial conclusion about the contribution of the proprotor
to the total longitudinal sensitivity of the mini-UAS were justified and that the new configuration
showed a reduced sensitivity to the lateral wind which makes it a perfect candidate for future designs
of tilt-body VTOL mini-UAS .
Keywords: Mini-UAS, MAV, Proprotor, Propeller at incidence, Tilt-Rotor Equilibrium transition,
VTOL, Lateral wind, Actuator disk, Ribner’s model, Free propeller CFD simulation.
Étude de la sensibilité au vent
latéral d’un mini-drone à capacité de vol stationnaire
Résumé: Dans l’évolution actuelle de mini-drones à décollage et atterrissage vertical (DAV), les
configurations convertibles de type “rotor basculant ” et “corps basculant ” sont de plus en plus
souvent utilisées. Ces configurations se sont avérées être très sensibles à l’effet du vent latéral en vol
de transition ou tout simplement en vol à basse vitesse. Pour cette raison, une bonne compréhension
ducomportementd’unproprotoretdel’interactionproprotor-voilureenincidenceestnécessairepour
la conception de ce type de drones. Un modèle à l’échelle du mini-drone MiniREC a été testé à la
soufflerie S4 de type Eiffel de l’ISAE pour comprendre le comportement de la charge aérodynamique
du proprotor au cours de la transition du vol vertical au vol horizontal. Aussi, pour observer l’effet
d’échelle et étudier le type de proprotor utilisé généralement par les micro-drones, une deuxième
expérience pour proprotors en incidence a été réalisée à la soufflerie SabRe. Un anémomètre à film
chaud a été utilisé pour caractériser le sillage de l’hélice. Les résultats expérimentaux ont montré la
grande influence de ces forces sur la stabilité longitudinale du drone à des angles d’incidence élevés.
Il a également été montré que l’écoulement généré par un proprotor en incidence est de nature très
instable, ce qui rend sa modélisation complexe.
D’un point de vue numérique, l’étude de l’hélice en incidence a été faite en utilisant l’hypothèse
de Glauert pour un disque actuateur en incidence. Les résultats analytiques sont comparés avec les
résultatsexpérimentauxobtenusàpartirdesmesuresàfilmchauden2DetunesimulationCFDd’un
disque actuateur en incidence chargé avec une charge uniforme équivalente aux valeurs moyennes de
poussée expérimentales SabRe et une simulation CFD URANS de l’hélice complète.
En outre, les résultats de l’expérience S4 ont été comparés au modèle de Ribner pour les hélices
en lacet et le modèle de Young qui est une modification statistique de l’analyse de Ribner. La
modification proposée du modèle de Ribner donne de bons résultats pour les rotors isoles, même
à des angles d’attaque élevés. Toutefois, il a été clairement démontré que son amélioration ou
un nouveau modèle sont nécessaires afin de prévoir correctement la poussée et les forces produites
par les proprotors simples et coaxiaux. Pour cela un méthode quasi-stationnaire du premier ordre
basée sur la théorie de la dynamique des éléments de pales a été développée. Enfin, un prototype
aérodynamique avec une sensibilité réduite au vent latéral a été conçu, construit et testé dans la
soufflerie S4. Le test a montré que la première conclusion relative à la contribution du proprotor à
la sensibilité longitudinale totale des mini-drones était justifiée et que la nouvelle configuration était
un candidat idéal pour les futures conceptions de mini-drones basculant à décollage et atterrissage
vertical.
Keywords: Mini-drone, Micro-drone, Proprotor, Corps basculant, Rotor en incidence, Transition
equilibré, ADAV, Vent lateral, Disque actuator, le modèle de Ribner, Simulation CFD de l’hélice
isolé.
Résumé des Chapitres
Chapitre 1: Introduction
Motivation et contexte
Au cours des dernières années, un grand intérêt a été démontré dans le développement des mini-
drones capables de missions complexes dans les domaines de la reconnaissance et de la surveillance.
Des véhicules aériens de taille réduite capables de vol autonome en milieu urbain sont en cours de
développement. Après 1992, lorsque DARPA a introduit le concept de micro Aéronef Sans Pilote
(ASP ou MAV pour sont sigles en anglais) dans un atelier intitulé “Future Technology - Driven Revo-
lutions in Military Operations” [1], différentes plateformes micro-ASP ont été étudiés et développées.
McMichael explique et montre dans [2] comment la réduction de la taille du véhicule influe sur le
poids total et le fonctionnement du micro-ASP et les différentes applications possibles.
Avec la réduction de la taille du véhicule, la plateforme fonctionne dans une plage de nombres de
Reynolds inférieure pour laquelle l’écoulement est laminaire et les forces de viscosité sont dominantes
sur la stabilité de l’aéronef. Ces plateformes sont également utiles pour être capable de vol sta-
tionnaire et vol en translation. Il a été répondu à ce défi par différentes configurations ADAV. Ces
configurations ont déjà été utilisées sur les avions à grande échelle, mais sont limitées par l’effet de
décrochage de la pale en retrait. En fait d’autres configurations comme l’hélice carénée, la voilure
basculante et le corps basculant ont été étudiées et développées.
L’unedesapplicationslesplusprometteusespourlesmini-ASPestlaconfigurationàcorpsbasculant.
Les systèmes de contrôle électronique modernes nouvelles utilisés dans les mini-drones aident à sur-
monter les problèmes d’instabilité en mode de vol stationnaire et les difficultés lors de l’atterrissage.
Parmi les différents concepts de mini-ASP et micro-ASP ADAV de type corps basculant dévelop-
pés, le plus populaire est la configuration à rotor-coaxial en raison de sa simplicité mécanique et
des avantages opérationnels. Toutes les variations de type à corps basculant (mini et micro ASPs
ADAV) sont constitués d’un ou deux rotors liés en configuration de traction et/ou en configuration
de poussée combinés avec une voilure fixe et des surfaces de contrôle.
Les plupart des micro-ASP ADAV se comportent de maniéré satisfaisante à l’intérieur mais ont des
difficultésdanslesécoulementsturbulentsenextérieur. Pouroptimiserlesperformances, ilestnéces-
saire de comprendre les différents phénomènes aérodynamiques, en particulier pendant la transition
du vol horizontal au vol vertical.
Études expérimentales des MAVs de type corps basculant
Quelques exemples de ces derniers mini-ASP récemment développés et testé avec succès dans le Dé-
partement d’Aérodynamique, Énergie et Propulsion (DAEP) de l’ISAE sont présentés en Figure 1.
Le micro-ASP Mini-Vertigo, qui a été développé par l’Université d’Arizona en collaboration avec
l’ISAE [3], a été l’une des premières plates-formes “tail-sitter” développées pour la recherche ex-
périmentale, avec un bi-rotor coaxial contra-rotatife. Ce micro-ASP ADAV est une version à échelle
réduited’uneautreplate-formeexpérimentaleappeléeVertigo développéparl’ISAEencollaboration
avec l’ONERA et piloté avec succès à la fin de 2006.
Le système de propulsion coaxial a été testé en conditions statiques et en vol de translation par
vi
Figure1: Exemplesdesprototypesminietmicro-ASPADAVa)Vertigo,b)miniVertigoc)MAVION
Hybrid configuration.
Shkarayev dans [3]. Les mesures de fil chaud ont montré un écoulement instable derrière l’hélice en
traction. On a également découvert que le souffle de l’hélice augmente la traînée aile à 0◦ d’incidence
allant jusqu’à un facteur quatre. La deuxième étude réalisée sur le micro-ASP Mini-Vertigo a été
faite par Randall comme indiqué dans [3] à la soufflerie basse vitesse de l’Université d’Arizona, où
la gamme complète d’angles d’attaque de 0◦ à 90◦ pouvait être couverte. L’étude a montré qu’aux
angles d’attaque élevés, le sillage retardait le décrochage de 24◦ et a augmenté la portance maximale
de près de 230%. Une autre variation de la configuration tail-sitter est le MAVion présenté dans la
Fig.2. LeMAVionestunmicro-ASPhybrideavecdeuxrotorscontrarotatifssimplesenconfiguration
tandem capable de réaliser de ce déplacer sur terre et de voler comme un avion, avec la capacité de
man?uvre près et sur les murs. Ce concept a été étudie en la soufflerie SaBRE par Itasse dans [4].
L’étudeduMAVioneffectuéparItasseamontrélepossibilitéd’utiliserunmodèlelinéaireenfonction
de l’angle d’attaque pour étudier les points d’état d’équilibre au cours de la transition d’équilibre
entre le vol vertical e le vol d’avancement.
Le même type d’études ont été également effectués par Bataille dans [5] pour le mini-drone Vertigo
Figure 2: MAVion model dans la soufflerie SaBRE à l’ISAE. [4]
à la soufflerie S4. Bataillé montre comment une transition d’équilibre entre le vol horizontal et ver-
tical vol était possible pour une configuration Corps basculant. Le modèle Vertigo a été testé dans
vii
une gamme des angles comprise entre 0◦ et 90◦. Bataillé construit un modèle longitudinal valable
jusqu’au décrochage en combinant les équations non linéaires de Polhamus de portance et du traînée,
telles que présentées par Mueller pour les ailes de faible allongement (LAR) [6] et [7] avec le disque
del’actuateurdeGlauertàuneincidencetellequeprésentéeparMcCormick[8]. Cetteméthodes’est
avérée très efficace. Mais il n’a pris en compte que la modification de l’écoulement vu par l’aile et
non l’effet de l’aile latérale sur l’hélice. Cela rend la méthode moins précise quand l’angle d’attaque
augmente et se rapproche de décrochage.
En 2009, d’autres études en plus d’un mini-drone à corps basculant, à aile fixes et rotor coaxiaux
a été effectuées par Gomez dans [9] dans la soufflerie S4. Le MiniREC a été développé par Bertin
Technologies basé sur la base du mini-drone ADAV Vertigo. Le prototype était équipé d’une struc-
ture pour protéger les pales des murs ou des obstacles. La conception se compose de quatre ailes en
plaques planes identiques installées d’un façon symétrique autour du fuselage cylindrique. Les ailes
ont été munis de volets de type boîte, qui ont ensuite été remplacés par des volets plaque plane.
Les essais ont montré qu’une transition équilibré complète pouvait être réalisée avec le modèle
MiniREC. Cette transition équilibré consistait à équilibrer les forces longitudinales (portance et
du traînée) qinsi que le moment de tangage à des vitesses différentes d’écoulement libre, ce qui
représente la véritable transition entre vol stationnaire et vol de croisière.
En outre, les phénomènes mentionnés par Bataille dans [5] où la stabilité longitudinale du drone a
été affecté dans un grand pourcentage par la force normale générée par l’hélice lorsque le rotor est
attaqué par un vent latéral. Les résultats de l’étude montrent également la nécessité d’améliorer
encore le prototype MiniREC afin de réduire la sensibilité au vent latéral et réduire la traînée pour
augmenter la vitesse de croisière.
L’hélice inclinée
Au cours de la transition du changement de l’angle d’attaque de l’axe du rotor par rapport au flux
libre produit une variation des efforts aérodynamiques et les moments de l’hélice en fonction de
l’angle d’attaque. Plusieurs méthodes ont été proposées pour le calcul des forces de l’axe et des
moments dans le plan de l’hélice à angle d’attaque inférieur pour le cas d’un aéronef à grande échelle
comme celui proposé par Ribner dans [10] et [11] et plus tard modifié par Young et présentée dans
[12]. La méthode est basée sur la théorie de l’élément pale et suppose que le disque de l’hélice se
comporte comme un aileron aérodynamique. Aussi méthodes plus complexes comme celui présenté
par Phillips dans [13] qui est basé sur la théorie de la dynamique de l’élément pale ont montré une
bonne corrélation.
En raison du fait que les tilt-rotors fonctionnent également à des angles très élevés d’attaque il est
sûr de dire qu?après un point l’hélice se comportera plus comme un rotor en vol d’avancement. Pour
les deux types de voilures tournantes un phénomène courant qui résulte de l’interaction de la voilure
tournante avec le composant écoulement libre dans le plan (ou vent latéral) est connue comme la
avançant et reculant phénomènes de pale. Ce phénomène a été étudié en détail pour les hélicoptères
à grande échelle en vol d’avancement. L’auteur tient à recommander [14] et [15]. La pale avançant
va produire beaucoup plus de portance que la pale reculant qui provoque un déséquilibre du rotor
ou de la poussée de l’hélice à travers le disque qui va produire un moment (roulis pour le rotor
de l’hélicoptère et lacet pour l’hélice). Aussi, si la théorie de l’impulsion est prise en compte, la
différence de poussée va produire une différence de l’hélice ou de la vitesse induite axiale du rotor qui
dans le cas de l’hélice dans la configuration du tracteur par rapport à l’aile va produire deux zones
viii
d’écoulement différentes au cours de l’aile. L’un des phénomènes les plus importants pour une hélice
ou rotor à incidence est la force normale ou latéral qui est censé être responsable de la production
d’un moment à cabrer très fort déjà signalé dans les essais en soufflerie mentionnés précédemment
pour le tail-sitter à voilure tournante par Bataillé dans [5] et par Gomez dans [9]. Les analyses de
cette force ont été présentées par Glauert dans [16], Seddon dans [15] et par Leishman dans [14]. Des
études sur les hélices à grande échelle précédentes à incidence ont été effectuées par Yaggy et Rogallo
dans[17]pourrotorsuniquesàforteincidenceouBiermannetHartmanpourrotorscoaxiauxàfaible
incidence de lacet dans [18] et [19]. Ceux-ci ont montré l’augmentation variation des charges 1P avec
l’augmentation de l’angle d’attaque et l’augmentation de “l’avance ratio”.
Concept de proprotor simple et coaxial
Leconceptdeproprotorestutilisépourunevoiluretournantequiagitcommeunrotordesustentation
et un rotor de propulsion. Le concept a été largement utilisé dans le cas de n’importe quel type
de tilt-rotor. Comme est indiqué dans [20] les principaux défis dans la conception de proprotors
haute performance sont dirigés lié au fait que proprotors rencontrent les limitations aérodynamiques
communes aux deux hélices d’avions et des rotors d’hélicoptères. Pour un proprotor pour être
efficace dans les deux conditions de vol, vol statique et vol de croisière, une combinaison de faible
chargement de disque, grande figure de mérite et une bonne efficacité propulsive sont nécessaires, qui
sont également applicables aux micro-ASP tail-sitter et mini-drones proprotors.
Une bonne solution pourrait être trouvée dans l’utilisation de la configuration du proprotor coaxial
qui permet de maximiser le diamètre du proprotor pour une dimension totale du véhicule donné.
Comme le chargement de puissance proprotor diminue considérablement lorsque les augmentations
de chargement de disque efficaces (diminution de la superficie de proprotor), comme indiqué par
Mayo dans [21], il est important dans le domaine des mini-ASP de maximiser la taille de proprotor
lorsque la réduction des effectifs du véhicule en raison d’effets Reynolds. D’autres avantages sont la
réduction du système de commande de plate-forme en supprimant la nécessité d’un rotor anti-torque
et à l’annulation du couple et les effets gyroscopiques.
D’autres avantages d’une configuration coaxiale pour une configuration de proprotor convertible ont
été présentés plus clairement par Leishman dans [22]. Dans l’ensemble, les résultats suggèrent que si
le concept tilt-proprotor convertibles étaient en fait être techniquement réalisé alors il pourrait être
jusqu’à 50% plus petit et jusqu’à 65% plus léger qu’un hélicoptère classique lors de l’exécution de la
même charge utile sur la même distance.
Pour résumer, après une analyse des configurations possibles du rotor du rotor coaxial a démontré
être une bonne configuration à appliquer aux plates-formes ADAV mini-ASP parce qu’il combine en
fait une bonne performance en vol stationnaire avec un certain nombre d’avantages pratiques.
Problématique
Dans la poursuite de l’étude et la conception des micro-ASP et mini-drones avec une capacité de
vol vertical et horizontal, les phénomènes aérodynamiques subis pendant le vol de transition et
l’interaction avec le vent latéral représente un formidable défi. La compréhension du comportement
des proprotors à incidence est importante pour le cas de micro-ASP et mini-ASP ADAV où les
charges et moments d’un proprotor micro-ASP ou mini-ASP pourraient représenter plus de 60% du
total des charges et des moments. Ce problème sera étudié en détail dans les chapitres suivants.