Les matériaux derrière les drones modernes : de la fibre de carbone aux batteries lithium-ion

Principaux matériaux utilisés dans les drones :

• Composites renforcés de fibres de carbone (CRFC)
• Thermoplastiques comme le polyester, nylon, polystyrène, etc.
• Aluminium
• Batteries lithium-ion

On dirait hier que les drones étaient des nouveautés, des prototypes construits par des entreprises et des amateurs entreprenants. Maintenant, on dirait que les drones ont envahi le monde. Ils sont partout, servant des rôles dans l'industrie, l'art, et même comme jouets pour enfants. On néglige souvent le fait que ces petites machines volantes ne sont devenues courantes que récemment. Les drones en sont encore à leurs débuts, et à mesure que les technologies des matériaux et des microcontrôleurs s'améliorent, les drones du futur évolueront de façons qui pourraient sembler presque de la science-fiction.

En examinant la façon dont les drones sont conçus et les matériaux dont ils sont faits, nous pouvons comprendre comment cette technologie importante s'est développée et avoir une idée de la façon dont elle pourrait progresser dans un avenir proche.

Alors, qu'est-ce qu'un drone ? Comment sont-ils conçus ? Et qu'est-ce qui motive leur ascension pour devenir une technologie généralisée ?

Découvrons-le.

Qu'est-ce qu'un drone ?

Pour la plupart des gens, un « drone » est un type spécifique de véhicule aérien sans pilote (UAV) : le multirotor ou multicoptère. Comme son nom l'indique, ces machines volent en dirigeant la poussée vers le bas depuis deux ou plusieurs hélices entraînées par moteur.

Les modèles grand public les plus populaires sont les quadricoptères (4 rotors), mais les variantes commerciales incluent des hexacoptères (6 rotors) et des octocoptères (8 rotors) pour fournir une plus grande portance. Bien qu'il existe une grande variété de drones militaires et civils, nous nous concentrerons sur les drones multirotor courants et les matériaux dont ils sont faits.

Pour voler, les drones doivent être capables de générer assez de poussée vers le haut pour surmonter leur propre poids, donc la sélection des matériaux dans un drone est dominée par la minimisation de la masse du drone.

Chaque gramme de matériau utilisé pour fabriquer un drone coûte de l'énergie à soulever, et chaque gramme qui peut être économisé améliore les performances :

• Capacité de charge accrue
• Temps de vol prolongé
• Inertie réduite et manœuvrabilité améliorée

Ce processus de sélection de matériaux et de conception de composants pour minimiser la masse s'appelle « allègement » (lightweighting). Cela nous donne le critère de sélection de propriété de matériau le plus important : minimiser la masse en sélectionnant des matériaux à faible densité.

Analyse pièce par pièce

Les drones sont des dispositifs complexes composés de différents composants travaillant ensemble. Chaque composant remplit une fonction différente, donc différentes considérations entrent en jeu lors de la sélection des matériaux pour chaque pièce. Cependant, pour chaque pièce d'un drone, la densité du matériau doit être prise en compte pour minimiser le poids et maximiser les performances.

Le cadre : tout maintenir ensemble

Le cadre donne au drone sa forme et maintient tous les sous-systèmes en place. Comme il remplit une fonction mécanique, la propriété de matériau la plus importante pour le cadre est la résistance. Pour les drones commerciaux, les thermoplastiques comme les variantes de nylon, polyester et polystyrène sont des choix populaires car ils sont peu coûteux à fabriquer en pièces complexes en utilisant des procédés de moulage par injection.

Les thermoplastiques offrent aussi une bonne résistance et une faible densité, avec plusieurs variétés ayant des résistances à la traction supérieures à 100 MPa et des densités inférieures à 2 g/cm³. De nombreux thermoplastiques sont aussi disponibles en filaments qui peuvent être utilisés pour imprimer en 3D des pièces personnalisées, faisant des thermoplastiques un composant populaire des drones expérimentaux.

Alors que les drones commerciaux peuvent sacrifier un peu de poids supplémentaire pour être plus abordables, les drones industriels priorisent la performance. Un matériau haut en résistance peut être utilisé en plus petites quantités, faisant un drone encore plus léger et plus performant.

Si nous utilisons une recherche Matmatch pour trouver les matériaux de densité la plus faible et de résistance la plus élevée, nous trouvons le choix principal pour les cadres de drones haute performance : les composites renforcés de fibres de carbone. Ces composites offrent haute résistance, faible densité et haute rigidité pour faire des cadres de drones légers et rigides.

Moteurs et hélices : décoller

Sans source de poussée, un drone ne décollerait jamais. Les moteurs qui entraînent les drones sont des moteurs électriques conventionnels avec enroulements en cuivre et aimants permanents. Le carter des moteurs peut être choisi pour minimiser le poids, et les thermoplastiques ou les alliages d'aluminium présentent de bons rapports résistance/poids.

Cependant, les moteurs peuvent générer une chaleur significative. Donc, des matériaux à haute conductivité thermique, comme l'aluminium, peuvent être utilisés pour le carter pour aider à refroidir le moteur.

Les pales de rotor des drones tournent à haute vitesse, donc elles ont tendance à absorber le plus d'usure quand un drone vole (ou s'écrase). Tout comme pour les matériaux du cadre, choisir un matériau optimal pour les pales de rotor est une question de maximiser la résistance tout en minimisant le poids.

Certaines pales de rotor sont faites de composites renforcés de fibres de carbone. Cependant, les pales de rotor sont fréquemment endommagées et remplacées, donc beaucoup sont faites de thermoplastiques pour réduire le coût de leur remplacement quand elles cassent.

Puisque les pales de rotor sont généralement endommagées dans des impacts à haute vitesse pendant qu'elles tournent, un ingénieur cherchant à concevoir une pale de rotor durable pourrait filtrer les matériaux par résistance à l'impact et densité pour sélectionner un matériau approprié.

Batteries : la puissance de voler

De tous les composants d'un drone, les améliorations de la technologie des batteries pourraient être la percée la plus importante qui a rendu les drones multirotor modernes possibles. De la même manière que les rapports résistance/poids sont considérés lors de la conception de composants mécaniques, la performance des batteries peut être mesurée en termes du poids de la batterie.

Des mesures comme l'énergie spécifique (J/kg) et la puissance spécifique (W/kg) décrivent la capacité d'une batterie à stocker et libérer de l'énergie en fonction de sa masse.

D'anciennes batteries au plomb et Ni-Cd pesaient trop lourd pour qu'un drone qu'elles alimentaient puisse voler longtemps, s'il pouvait même se soulever du sol. Cependant, les batteries lithium-ion modernes offrent assez d'énergie et de puissance dans un paquet léger pour rendre possibles les drones multirotor d'aujourd'hui. Les avancées futures dans la technologie des batteries et des condensateurs permettront des drones encore plus légers et plus performants.

Capteurs : le système nerveux du drone

Les drones multirotor sont engagés dans un acte d'équilibre délicat chaque fois qu'ils volent. Si un moteur fournit trop de poussée, le drone s'inclinera ou même se renversera. Tout comme le corps humain utilise un réseau complexe de sens et de nerfs pour s'équilibrer en marchant, les drones multirotor utilisent un ensemble impressionnant de capteurs et de mécanismes de rétroaction pour rester en l'air.

Les parties les plus vitales du « système nerveux » d'un drone sont ses capteurs d'inclinaison. Combinant un mélange de capteurs gyroscopiques et d'accéléromètres, les capteurs d'inclinaison sont liés dans des boucles de rétroaction avec les moteurs du drone.

Un drone en vol fait constamment de minuscules ajustements à la poussée du moteur pour rester de niveau, lui permettant de récupérer des courants d'air et des manœuvres extrêmes. Certains drones avancés peuvent aussi incliner indépendamment chaque rotor, permettant au drone de contrôler à la fois la direction et la force de la poussée qu'il obtient de chaque rotor.

Les drones peuvent aussi employer une variété d'autres capteurs pour surveiller leurs systèmes internes et le monde autour d'eux. Les capteurs de courant et de tension aident le drone à suivre l'énergie puisée dans ses réserves, aidant son pilote à savoir quand il est temps d'atterrir et de recharger.

Les capteurs GPS et magnétiques aident à la navigation en mesurant la position et l'orientation du drone. Les capteurs de flux d'air permettent aux drones de détecter leur vitesse aérienne ou les courants de vent, et cette information peut être réinjectée dans ses circuits d'équilibrage pour rendre le vol du drone encore plus stable.

Microcontrôleurs et caméras : des drones plus intelligents

Les mêmes avancées en technologie de micropuces qui ont créé le smartphone moderne rendent possible que les drones soient des ordinateurs volants. Beaucoup des mêmes puces qu'on trouve dans les smartphones (Intel, Nvidia, Qualcomm, Arm, etc.) apparaissent aussi dans les drones.

À mesure que les drones deviennent plus intelligents, ils deviennent capables de s'attaquer à des tâches plus sophistiquées avec moins de contrôle humain. Actuellement, cela signifie que les drones peuvent suivre des chemins prédéterminés sans pilote humain ou enregistrer des mesures d'un éventail encore plus large de capteurs. Mais les chercheurs apprennent à programmer les drones pour effectuer des tâches de plus en plus complexes sans aide humaine.

Pour la plupart des gens, le but principal des drones est de transporter une caméra à des hauteurs qu'un humain ne pourrait pas autrement atteindre. Même les drones de base grand public transportent une caméra qui diffuse soit la vidéo vers un smartphone, soit enregistre des images en mémoire.

Les studios de cinéma utilisent des drones haut de gamme pour tourner leurs films à gros budget. Cependant, les avancées dans le domaine de la « vision par ordinateur » transforment les caméras en plus qu'une simple charge utile ou aide pour les pilotes humains. Les drones du futur utiliseront les caméras pour voir le monde autour d'eux et utiliser cette information pour se piloter eux-mêmes.

Les drones deviennent de plus en plus capables de voler sans aide ni d'un pilote humain ni même du GPS pour naviguer, et cela donne naissance à une puissante nouvelle capacité : les drones travaillant ensemble. Les essaims de drones étaient auparavant composés d'équipes de drones utilisant le GPS et communiquant avec un contrôleur central pour déterminer où chaque individu s'insère dans le groupe.

Cependant, la recherche de pointe a produit des drones qui utilisent leurs propres capteurs embarqués, et même leurs caméras, pour reconnaître d'autres drones et voler en formation. Bientôt, il pourrait devenir courant de voir des équipes de drones autonomes agissant comme sauveteurs, soignant des cultures, ou volant en formations de recherche pour aider les efforts de secours en cas de catastrophe.

Technologie à impact mondial

Les drones semblent être partout maintenant. Ils tournent des films, jouent dans des films, aident à vendre l'immobilier, diffusent des sports, créent de nouveaux sports, travaillent dans les fermes et usines, chassent d'autres drones, et bientôt ils pourraient livrer des colis. À mesure que les matériaux, l'IA et les microcontrôleurs s'améliorent, les drones continueront de révolutionner une large gamme d'industries.

L'avenir des drones

Les drones gagnent en popularité jour après jour et révolutionnent la façon dont le monde travaille et joue. Les matériaux utilisés dans les drones sont sélectionnés pour améliorer les performances avec des cadres à haute résistance et de grandes capacités de batterie tout en minimisant le poids.

Minimiser le poids des drones maximise leurs performances, qu'il s'agisse de rendre un drone de cinéma capable de tournages plus longs ou de rendre un drone de course encore plus manœuvrable. Les drones deviennent constamment plus intelligents, aussi, et il ne faudra pas longtemps avant que les drones autonomes ne deviennent une partie inhérente de la vie quotidienne.