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Modern urban reconnaissance missions dictate the need for a Micro Air Vehicle (MAV) platform capable of performing a complex mission : rapid and efficient ingress to a target location followed by slow loiter for quality image capture. This may be achieved using a tilt-body fixed-wing vehicle which combines the speed, range, and gust-hardiness of a fixed wing with the loiter and precision capability of a rotorcraft vehicle.

Les essais en environnement libre et en soufflerie ont été effectués pour étudier la performance propulsive et la déformation de pales de référence et de pales souples. La poussée et le couple ont été évalués par deux méthodes: une mesure directe par balance et une estimation indirecte par bilan de quantité de mouvement, les deux méthodes ayant leurs avantages et limitations respectifs. La méthode indirecte s’est construite sur l’acquisition de champs de vitesse obtenus par PIV et s’appuie sur une estimation de la pression par mise en œuvre de l’équation de Poisson. En vol stationnaire, les pales flexibles ne peuvent pas aider à l’amélioration du rendement en mode rotor (FM), à chargement faible, puisque la distribution de vrillage est sans doute assez éloignée de l’optimal de vol stationnaire. En vol avancé, le rendement propulsif des pales flexibles est la plupart du temps plus élevé que l’hélice rigide de référence en raison de la torsion bénéfique généré en rotation. Dans le cas des pales flexibles, la vitesse axiale se trouve être inférieure au cas rigide, à même station aval; ceci correspondant à la la déformation de vrillage négatif. Pour les deux pales, la différence de poussée entre celle déduite du champ PIV test 2 et celle obtenue avec la balance est plus grande que la différence entre les valeurs déduites du champ PIV test 1 et de la mesure directe. La technique de mesure laser pour les déplacements (LDS) a été utilisée pour mesurer la déformation stationnaire des pales lors de leur rotation. Par analyse du nuage de points mesurés par la LDS, la flexion et la torsion de la lame en rotation ont été identifiées à l’aide des régressions multiples. The wind tunnel tests were conducted to explore the performance difference caused by the potential twist deformation between baseline blades and flexible blades. The balance was built in SaBre wind tunnel for measuring the thrust and torque of blades. The BEMT predictions of blades with varied twist were also performed in hover and forward flight, respectively. In hover, flexible blades cannot help in improving the FM at light disk loading since the twist generated on flexible blades is probably beyond the ideal hover twist. In forward flight, the propulsive efficiency η of flexible blades is mostly higher than baseline blades due to the beneficial twist generated in rotation. A Particle Image Velocimetry (PIV) approach of loads determination was developed based on control volume method to obtain thrust and torque of small-scale proprotor, especially for off-optimum conditions. The pressure Poisson equation was implemented for the pressure estimation based on the PIV velocity data. The axial velocity of flexible blades is found to be lower than baseline blades on the same station at downstream. This corresponds to the lower inflow ratio distribution along flexible blade, which results from the negative twist deformation. For both baseline blades and flexible blades, the thrust differences between PIV test 2 and balance are larger when compared to the differences between PIV test 1 based on near field and balance. The Laser Displacement Sensor (LDS) technique was employed for measuring the stationary deformation of rotating flexible blades. By obtaining the LDS point cloud, the bending and torsion of the rotating blade were identified using the multiple regressions.

Dans l’évolution actuelle de mini-drones à décollage et atterrissage vertical, configurations convertibles de type “tilt-rotors” et “tilt-body” sont de plus en plus souvent utilisées. Ces configurations se sont avérées être très sensibles à l’effet du vent latéral quand ils sont en vol de transition ou tout simplement en vol à basse vitesse. Pour cette raison, une bonne compréhension du comportement d’un proprotor et de l’interaction proprotor-voilure à incidence est nécessaire pour la conception de ce type de drones. Un modèle à l’échelle du mini-drone MiniREC a été testée 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 normalement par les MAV, une deuxième expérience pour proprotors à 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 incidence 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 au incidence est de nature très instable, ce qui rend sa modélisation complexe. D’un point de vue numérique, l’étude de l’hélice à l’incidence a été faite en utilisant l’hypothèse de Glauert pour un disque actuateur au incidence. Les résultats analytiques sont comparés avec les résultats expérimentaux obtenus à partir des mesures à film chaud en 2D et une simulation CFD d’un disque actuateur au incidence chargé avec une charge moyenne équivalente aux valeurs de poussée expérimentales SaBRE et une simulation URANS CFD de l’hélice compléte. 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 Ribner. La modification proposée du modèle de Ribner donne de bons résultats pour les rotors seul, 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 proprotors simples et co-axiaux. Pour cela un méthode quasi-stationnaire du premier ordre basée sur la théorie de la dynamique des éléments 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 à propos de la contribution du proprotor à la sensibilité longitudinale totale des mini-drones était justifiée et que la nouvelle configuration fait un candidat idéal pour les conceptions futures de mini-drones basculant à décollage et atterrissage vertical. In the current development of VTOL mini-UAS and MAVs, configurations like tilt proprotors and tilt-body are being applied more and more often. These types of configurations have 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 the behavior of a proprotor and the proprotor-wing interaction at incidence is necessary for the design and conception of this type of UAS. A scaled model of the MiniREC mini-UAS was tested at the ISAE 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 normally 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. The experimental results showed the great impact of these loads over the longitudinal stability of the drone 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 mean load equivalent to 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 method based on blade element momentum theory was developed. Finally an aerodynamic prototype (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 .