De la même manière que l'on ne choisirait pas les mêmes pneus pour une Formule 1 et un 4x4 en raison de leurs usages et caractéristiques distincts, le choix des systèmes de propulsion pour un drone « hybride » - capable de nager, rouler ou voler - sera fondamentalement différent pour chaque modalité. Pas le même usage, pas les mêmes caractéristiques. Cet article se concentrera sur la composante "voler", car c'est dans ce domaine que le rôle des hélices est le plus critique et où les nuances de leur sélection sont les plus prononcées, tout en illustrant les principes de spécialisation applicables à tout mode de locomotion. Il est crucial de souligner que les hélices sont les composants sans lesquelles rien ne se passe, jouant un rôle vital dans la capacité d'un drone à défier les lois de la gravité.
Le choix d’un modèle d'hélice influence la puissance du drone, sa consommation électrique et donc son autonomie, sa stabilité et sa réactivité. La plupart des drones FPV peuvent accueillir plusieurs sortes d’hélices, et comprendre leurs caractéristiques est essentiel pour optimiser les performances de vol.
Les Fondamentaux des Hélices de Drone : Taille et Pas
Pour assembler un drone et surtout bien choisir ses pièces, il faut suivre quelques étapes, dont la sélection des hélices et des rotors. Il est important de commencer par connaître, ou du moins estimer, le poids total du drone une fois monté, avec sa batterie et sa GoPro incluse. Grâce à cette première information, il sera possible de choisir les rotors et les hélices appropriés.
La taille d'une hélice est une première donnée facile à appréhender. On met généralement du 4 pouces sur un racer 4 pouces, du 5 pouces (voire 5,1 ou 5,2 pouces si cela passe), et ainsi de suite. La taille des hélices, mesurée en pouces de diamètre, doit correspondre à la taille de votre châssis. Par exemple, un châssis de 5 pouces utilise des hélices de 5 pouces, et un whoop de 3 pouces utilise des hélices de 3 pouces. Un châssis de 5 pouces accepte des hélices allant jusqu'à 5,1 pouces. Des hélices plus grandes heurteraient le châssis, tandis que des hélices plus petites réduiraient les performances. Le diamètre de vos hélices est le facteur le plus important qui influence la façon dont votre drone FPV vole. Il détermine la quantité de poussée générée, l'efficacité avec laquelle l'énergie de la batterie est utilisée, et le type d'expérience de vol obtenue.
Le pas de l'hélice, quant à lui, est un aspect un peu plus problématique et ne doit pas être choisi n'importe comment, car les différences entre un pas fort et un pas faible sont importantes pour votre style de pilotage. Que signifie réellement un "pas d'hélice" ? Il s'agit de la distance parcourue par l'hélice lors d’un tour complet d'une de ses pales. Autrement dit, c'est la distance que l’hélice parcourt en faisant un tour complet sans « glisser », en gardant une trajectoire linéaire. Plus le pas est important, plus la courbure de l'hélice est grande, donc plus on avance. Le pas d’une hélice varie en fonction du nombre des pales de celle-ci, du poids de la machine et de la pression atmosphérique. Pour plus de précision, on pourrait rentrer dans des notions de mécanique un peu abstraites. Pour un quadricoptère, la moyenne historique pour les hélices est de 4,5 pouces, bien que les configurations évoluent constamment.
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Les fabricants utilisent plusieurs nomenclatures qui donnent des informations sur les caractéristiques des hélices. Par exemple, pour les hélices de drone FPV, un code comme "5149" indique la dimension en pouces de l'hélice (ici 5.1 pouces), et le chiffre qui suit (ici 49) représente le pas. Les hélices sont généralement vendues par paires, avec des hélices CW (ClockWise) destinées à tourner dans le sens des aiguilles d’une montre et des hélices CCW (Counter ClockWise) pour le sens inverse.
L'Influence du Pas d'Hélice sur le Style de Vol
Le pas de l'hélice a un impact significatif sur la puissance du drone, l'autonomie, le style de vol, la surchauffe des moteurs ou des batteries, et le KV des moteurs. Pour bien comprendre ce qu'implique un pas faible ou un pas fort, il est utile d'imaginer les deux extrêmes.
Le Pas Fort : Puissance et Réactivité Extrêmes
Avec un pas très fort, un tour d'hélice fait beaucoup avancer le drone. Les pales sont très inclinées, ce qui brasse beaucoup d'air et génère du bruit. Gemfan, par exemple, propose des hélices avec des pas allant de 26 à 52. Un pas de 52 est considéré comme très fort.
Ce type d'hélice est principalement utilisé pour la course (race), là où il faut d'énormes accélérations et une "tenue de route" irréprochable. Le drone, par exemple un racer 5 pouces, est extrêmement réactif et accroche bien dans les virages, ce qui est idéal pour des parcours exigeants.
Cependant, un pas fort a des implications sur la batterie et l'autonomie : la batterie est très sollicitée. Chaque accélération mène rapidement vers le "low battery". L'autonomie sera forcément diminuée, ce qui est moins important en race, vu que les runs durent à peine 2-3 minutes. Il est recommandé d'utiliser des batteries avec un taux de décharge élevé (par exemple, 100C) pour faire face à cette demande énergétique intense.
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La surchauffe est un autre aspect à considérer : le déplacement d'air étant plus important, l'appui sur les pales est considérable. Cette friction et cette charge de travail accrue peuvent entraîner une surchauffe des moteurs et des batteries. Par conséquent, ce genre d'hélice conviendra à des moteurs puissants, avec un KV assez faible (1800 ou moins), car ils privilégient le couple à la vitesse de rotation.
Le Pas Faible : Précision et Autonomie Accrue
À l'opposé, une valeur de pas extrêmement faible, comme un pas de 26 chez Gemfan, est utilisée principalement pour le freestyle, où l'on a besoin de beaucoup de précision, de stabilité et de souplesse. Ici, on est dans le vol d'orfèvre, avec une fluidité démentielle. Un tel pas permet une moindre réactivité, ne permettant pas les mouvements brusques.
Ce pas faible peut également servir pour le long range : vu qu'on tire assez peu sur la batterie, on peut aller plus loin. En effet, l'inclinaison des pales d'hélice étant faible, on tire beaucoup moins sur la batterie, ce qui se traduit par une meilleure autonomie.
Concernant les moteurs, la vitesse de rotation importante doit compenser l'appui plus faible des hélices sur l'air. Il faudra donc un KV important, généralement plus de 2000 KV. Il est utile de rappeler que le Voltage est directement lié à la vitesse en tours par minute. Le drone aura plus tendance à glisser avec un pas faible, offrant une "tenue de route" moins agressive.
Le Pas "Standard" : Polyvalence
Pour ceux qui débutent ou qui recherchent un compromis, un pas "standard" et polyvalent est souvent préférable. Des hélices comme les 5149 sont un bon exemple de valeur intermédiaire. Le choix final dépendra des préférences et des objectifs du pilote. Il est souvent conseillé d'essayer différents pas pour voir lequel convient le mieux à son style de pilotage.
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Si votre drone tremble plein gaz, est peu performant, difficilement contrôlable ou a peu d'autonomie, il est possible que le problème vienne d'un choix d'hélice inadapté. Changer de type d'hélice peut faire une différence significative.
La Taille des Hélices et Ses Implications Spécifiques
La taille des hélices, mesurée en diamètre, est un facteur primordial qui doit être strictement adapté à votre châssis. Un châssis de 5 pouces accepte des hélices allant jusqu'à 5,1 pouces, tandis que des hélices plus grandes heurteraient le châssis et des hélices plus petites réduiraient les performances. Voici un aperçu des différentes tailles d'hélices et de leurs usages courants dans le monde du FPV :
Hélices de 65-75 mm (Whoop) : Ces hélices équipent les drones whoop pilotés en intérieur. Elles ne pèsent presque rien et génèrent une poussée minimale, mais les drones sont si légers (moins de 20g) que cela fonctionne parfaitement. Les hélices 65mm Toothpick sont un bon exemple de cette catégorie, idéales pour les vols agiles dans des espaces restreints.
Hélices de 3 pouces : Elles sont parfaites pour les cinewhoops légers transportant une GoPro ou une caméra d'action similaire. Elles offrent suffisamment de poussée pour transporter 100 à 200g de poids supplémentaire tout en gardant le drone suffisamment compact pour voler près des personnes ou des objets, permettant des prises de vue stables et immersives dans des environnements complexes.
Hélices de 5 pouces : Sur un châssis de 210-220 mm, cette configuration constitue la plus populaire au monde pour les drones FPV. Ces hélices génèrent suffisamment de poussée pour le freestyle agressif, la course et le transport de caméras d'action. Les hélices 5x3 sont une option économique pour l'apprentissage, tandis que les pilotes recherchant la performance peuvent opter pour des options à pas plus raide, offrant plus de réactivité et de vitesse.
Hélices de 6 pouces : Elles allient l'agilité du freestyle et l'efficacité de la longue portée. Elles conviennent aux châssis en X étiré transportant des équipements photo plus lourds. Le pack d'hélices Diatone 6045 est un excellent choix pour cette catégorie, offrant un bon équilibre entre performance et autonomie pour des vols plus longs.
Hélices de 7 pouces : Ces hélices sont conçues spécifiquement pour la distance (long range). Sur un châssis de 7 pouces avec des moteurs efficaces (classe 1404-1507) et une batterie Li-Ion, il est possible d'atteindre des temps de vol de 20 à 30 minutes et plus. L'hélice tripale 7x4.5 est un choix populaire dans cette catégorie, privilégiant l'efficacité pour maximiser l'autonomie.
Les hélices plus grandes déplacent plus d'air par révolution, ce qui signifie plus de poussée à des RPM (tours par minute) inférieurs, une meilleure efficacité et moins de chaleur du moteur. Cependant, les hélices plus grandes ont une plus grande inertie de rotation, elles accélèrent et ralentissent donc plus lentement. C'est pourquoi les quads freestyle de 5 pouces sont plus réactifs que les quads longue portée de 7 pouces. Cette inertie rend le drone moins agile pour des manœuvres rapides.
Les hélices plus grandes nécessitent également des moteurs à KV plus faible. Par exemple, un moteur 2306 1950KV fonctionne bien avec des hélices de 5 pouces et une batterie 4S. Mais si l'on passe à des hélices de 7 pouces, il faudrait quelque chose comme un 1404 3800KV ou un 1507 1300KV pour maintenir une consommation de courant raisonnable et optimiser l'efficacité. Le diamètre de l'hélice est une partie de l'équation ; le pas et le nombre de pales affectent également les performances au sein de la même catégorie de taille.
Le Nombre de Pales : Bi-pales, Tri-pales et Au-delà
Le nombre de pales d'une hélice est un autre facteur déterminant pour les caractéristiques de vol d'un drone FPV.
Hélices bi-pales : Elles sont généralement plus efficaces, ce qui les rend idéales pour la longue portée. Moins de pales signifie moins de résistance à l'air, et donc une consommation d'énergie réduite, permettant des vols plus longs.
Hélices tri-pales : Elles génèrent plus de poussée par taille, ce qui les rend excellentes pour le freestyle. Le surcroît de poussée offre une meilleure réactivité et permet des manœuvres plus agressives et dynamiques.
La différence entre les bi-pales et les tri-pales est plus prononcée sur les grandes tailles d'hélices (5 pouces et plus). Bien que les hélices avec plus de pales puissent offrir une poussée accrue et une meilleure réponse aux gaz, elles sont aussi souvent moins efficaces et peuvent entraîner une consommation de courant plus élevée ainsi qu'une augmentation de la température des moteurs.
Choisir ses Moteurs (Rotors) en Fonction du Style de Vol
Le choix des rotors est une étape cruciale qui se fait en fonction du style du drone : Racer, Freestyle ou Cinématique. Le diamètre de la cloche des moteurs sera différent selon le style, la taille et le poids du drone (par exemple, 2207, 2306, 2806). De même, selon que l'on souhaite un drone en 4S, 5S ou 6S, ce seront les valeurs de KV qui seront différentes (1350Kv, 1750Kv, 2580Kv). Le choix des moteurs se fait en fonction de leur rendement, soit le nombre de tours que peut faire le moteur en 1 minute et pour 1 volt. Cette valeur s’exprime en Kilo Volt, notée KV. Plus le KV d’un moteur est grand, meilleur est son rendement et donc plus il est économe en énergie.
Voici des directives générales pour la sélection des rotors, bien que ce ne soit pas une règle fixe, et des variations peuvent exister :
- Pour un drone de course (6S) : Les rotors seront plutôt de type 2207 - 1900Kv.
- Pour un drone de Freestyle (4S) : Les rotors seront de type 2306 - 2580Kv.
- Pour un drone Cinématique (6S) : Les rotors seront de type 2506 - 1700Kv.
Pour donner une orientation plus précise, le tableau suivant présente des correspondances entre la taille du cadre, la taille de l'hélice, le type de moteur et le KV :
- Cadre de 150 mm ou moins : Hélices de 3 pouces ou moins, moteurs 1105-1306 ou moins, KV de 3000 et plus. Ces configurations sont typiques des micro-drones et whoops nécessitant une agilité maximale.
- Cadre de 180 mm : Hélices de 4 pouces, moteurs 1806, 2204, KV de 2600KV - 3000KV. Pour les drones plus petits mais performants.
- Cadre de 210 mm : Hélices de 5 pouces, moteurs 2205-2208, 2305-2306, KV de 2300KV-2600KV. C'est la configuration la plus courante pour les drones de freestyle et de course de taille moyenne.
- Cadre de 250 mm : Hélices de 6 pouces, moteurs 2206-2208, 2306, KV de 2000KV-2300KV. Offre un bon compromis entre agilité et capacité de charge pour des châssis plus grands.
- Cadre de 350 mm : Hélices de 7 pouces, moteurs 2506-2508, KV de 1200KV-1600KV. Idéal pour les drones longue portée ou cinématiques nécessitant une grande autonomie.
- Cadre de 450 mm et plus : Hélices de 8, 9, 10 pouces ou plus, moteurs 26XX et plus, KV de 1200KV et moins. Ces configurations sont destinées aux drones de transport lourd ou de très longue portée, privilégiant l'efficacité.
Cas Pratique : Sélection des Rotors pour un Drone Cinématique 7 pouces
Pour l'exercice, imaginons la construction d'un Drone Cinématique avec un châssis Mark4 7 pouces, alimenté en 6S. Le drone complet pèse un peu plus de 1 kg. Pour la Cinématique, il s'agit souvent de drones 7 pouces, il faudra donc des hélices de grande taille et, par conséquent, des rotors entre 2506 et 2806.
Après avoir estimé le poids total du drone, la recherche de rotors adaptés commence. Deux modèles ont été considérés : le rotor T-Motor F90 1500Kv et le rotor RCINPOWER SmooX 2806,5 - 1750Kv.
En examinant le rotor T-Motor F90 1500Kv, ses spécifications techniques indiquent un Rated Voltage (Lipo) de 5S à 6S, ce qui signifie qu'il n'est pas compatible avec les batteries 4S. Le courant consommé (Current (A)) est de 10,65A à 50% de puissance et de 47,07A à 100%. La poussée (Thrust (g)) est de 980g à 50% et de 1840,71g à 100%.
Pour le rotor RCINPOWER SmooX 2806.5 - 1750Kv, deux informations sont particulièrement importantes : le nombre de cellules (No. of Cells) qui indique une compatibilité avec des batteries 4S à 6S, et le Max Current de 50A à 100% d'accélération. Il est plus pertinent de se baser sur la colonne "Load Current (A)" pour connaître l'ampérage exact en fonction de l'hélice utilisée. En considérant une batterie 4S (16V), il faut trouver le bon équilibre entre la consommation en Ampères (Load Current (A)), qui doit être la plus basse possible, et la poussée en gramme (Pull (g)), qui doit être élevée.
En comparant les données avec différentes hélices, par exemple, les Gemfan 70403 et les Dalprops 70563 (toutes deux pour un drone 7 pouces), on constate des différences significatives. Pour les hélices Gemfan 70403, avec une batterie 16V (4S), la consommation est de 5,8A à bas régime et 31,6A à pleine puissance, avec une poussée de 645g à bas régime et 1947g à pleine puissance. L'efficacité (g/W) est de 6.950 à bas régime et 3.851 à pleine puissance. En revanche, avec les Dalprops 70563, la consommation d’Ampères est supérieure (10,6A à bas régime), et l'efficacité est moindre. Le choix optimal est celui qui offre une petite consommation d’Ampère tout en fournissant suffisamment de puissance pour soulever le drone, ce qui fait de la ligne correspondant aux Gemfan 7040*3 une solution idéale pour ce cas.
Finalement, en choisissant le rotor RCINPOWER SmooX 2806.5 - 1750Kv et les hélices Gemfan 7040*3, le drone complet pesant approximativement 1 kg aura, par rotor, une poussée de 645 g à 50% de puissance, soit un total de 2580 g pour les quatre rotors réunis. Cela signifie que le drone pousse à 50% une fois et demie son poids en consommant seulement 5,8A.
Une règle générale est que la poussée maximale produite par tous les moteurs doit être au moins le double du poids total du quadricoptère. Si la poussée est trop faible, l’hélicoptère ne répondra pas bien aux commandes et pourrait même avoir du mal à décoller. Les ratios poussée/poids recommandés varient selon le style de vol :
- Pour un drone de course : un ratio de 10/1 à 13/1.
- Pour un drone Freestyle : un ratio de 5/1.
- Pour un drone Cinématique : un ratio de 3/1 à 4/1.
Pour notre drone Cinématique de l'exemple, la poussée à 100% est de 7,79 Kg, ce qui donne un ratio de plus de 7/1. Même si l'on ne vole jamais à 100% de la puissance sur de longues distances avec un drone Cinématique, un ratio de 3/1 à 60% de la puissance est plus réaliste et amplement suffisant.
Choisir les ESC (Electronic Speed Controllers)
Une fois les rotors et hélices choisis, l'étape suivante consiste à sélectionner les ESC, qui sont les contrôleurs de vitesse électroniques pour les moteurs. En reprenant l'exemple du rotor SmooX 2806 1750Kv, qui consomme 31,6A à 100% de sa puissance, il faudra acheter des ESC simples ou un ESC 4en1 d'un minimum de 32A. Cependant, il est clairement recommandé de prendre des ESC de 45A et plus pour avoir une marge de sécurité et éviter la surchauffe ou la défaillance.
Choisir la Bonne Batterie
Enfin, il faut choisir la batterie appropriée pour le drone. On trouve principalement deux types de batteries : les LiPo et les Li-Ion. Les LiPo sont des batteries très couramment utilisées, surtout pour les drones de course et de freestyle, grâce à leur capacité de décharge élevée. Pour les drones cinématiques, les batteries Li-Ion sont également utilisées, offrant souvent une meilleure densité énergétique pour une autonomie prolongée.
L'important ici est le courant de décharge (exprimé en Ampères et souvent en taux C). Il faut toujours avoir des batteries avec une capacité de décharge supérieure aux Ampères consommés par l'ensemble des moteurs à pleine puissance. Si la capacité de décharge de la batterie est trop faible par rapport à la consommation, la batterie risque de chauffer excessivement, ce qui peut entraîner une dégradation prématurée, une perte de performance, ou même un accident.
Par exemple, si l'on désire utiliser une batterie Li-Ion avec une décharge de 30A et un maximum de 45A, et que les rotors avec les hélices choisies ont une consommation maximale de 31,6A, alors la batterie Li-Ion avec une décharge maximale de 45A est un choix sûr. On peut voler sans risque que la batterie ne chauffe et ne se détériore, car sa capacité de décharge maximale est supérieure à la consommation maximale du système de propulsion.
Pour s'assurer de la compatibilité et pour optimiser les réglages, il est possible de faire un test en temps réel de la consommation. En utilisant l'OSD (On-Screen Display) de Betaflight, on peut sélectionner l'affichage de la consommation ampèremétrique de la batterie et la position des gaz. Grâce à cela, on peut voir en temps réel la consommation d’ampères pour la puissance fournie. En poussant progressivement la vitesse de 0 à 100%, on peut déterminer exactement la consommation d'ampères à chaque niveau de puissance. Par exemple, à 20% de la puissance, une consommation de 3,67A pourrait être observée.