Le duo père-fils sud-africain bat le record de vitesse en quadricoptère à 363 MPH !

En tant que Sud-Africain, et bien qu'il s'agisse pratiquement de notre sport national, je ne suis pas vraiment un adepte du patriotisme ou de la fierté nationale. Pourtant, parfois, un compatriote fait quelque chose de si indéniablement cool que je ne peux m'empêcher de ressentir un peu de suffisance imméritée.

Il en va de même pour l'équipe père et fils, Mike et Luke Bell, qui ont (une fois de plus) conçu et construit le drone quadricoptère le plus rapide au monde. Cela peut ne pas paraître impressionnant à première vue, mais une fois que vous aurez compris tout le travail d'ingénierie qu'il a fallu faire pour conserver le titre de pilote le plus rapide du monde, je pense que vous en serez également fiers.

À quelle vitesse sont-ils allés ? Le drone a atteint 585 kilomètres par heure, soit 363,502MPH !

La mission : la vitesse change tout

Le drone en question est le Peregreen 3, qui est leur troisième conception de drone record. Le duo dynamique a établi des records en 2023 et 2024, mais ce dernier record a été battu par un concurrent suisse connu sous le nom de Sammy.

Pour reconquérir le titre, il leur faudrait aller plus vite. Cependant, comme l’ont montré les différents records de vitesse sur terre, sur mer et dans l’air au fil des années, les progrès ralentissent jusqu’à atteindre les limites. Vous ne pouvez pas, par exemple, doubler votre puissance et doubler votre vitesse. Plus vous poussez fort, plus la physique repousse et avoir le dernier mot en matière de vitesse du quadricoptère n'allait ni être rapide ni facile.

La tentative finalement réussie de battre un record a obligé Mike et Luke à retourner à la planche à dessin, et le nouveau design reposait sur trois piliers principaux. Tout d’abord, une nouvelle structure entièrement imprimée en 3D pour remplacer l’ancien cadre en fibre de carbone. Deuxièmement, un système de refroidissement par eau pour faire face à l'immense libération d'énergie requise, et enfin la recherche de la perfection aérodynamique pour maximiser chaque once de vitesse supplémentaire.

Glissement, forme et stabilité passive

À des centaines de kilomètres par heure, l’air devient un mur de briques si vous n’y faites pas attention. Dans ce cas, la recherche de la vitesse a révélé que la clé pour aller plus vite résidait davantage dans un meilleur coefficient de traînée que dans l’ajout de plus de puissance dans le mélange.

Ce que j'ai trouvé intéressant, c'est la façon dont l'équipe a utilisé un outil appelé AirShaper qui leur a permis de simuler le flux d'air sur leurs modèles 3D au lieu d'utiliser une soufflerie coûteuse. C'est le genre de logiciel de simulation pour lequel les entreprises ont payé des millions dans le passé, et cela m'étonne toujours que les gens ordinaires puissent désormais accéder à cette puissance simplement à partir d'un navigateur Web.

Malgré cela, aucune simulation n’est parfaite et ils ont effectué des tests pratiques avec des modèles à plus petite échelle dans le vent réel. Comment? En montant le modèle réduit sur un pivot et en le plaçant par la fenêtre d'une voiture en mouvement. Si le modèle restait naturellement stable et pointait face au vent, ils étaient sur la bonne voie. Cette « stabilité passive » était ce qu’ils recherchaient, que la forme qui leur donnait ce résultat paraisse étrange ou non.

Pour réduire encore davantage la traînée, l'équipe a scellé la verrière, donnant au modèle final un dessus lisse et fermé. Chaque ouverture était une source de turbulences, de sorte que même la disposition des composants électroniques était dictée par le flux d'air.

Puissance, accessoires et limites de la poussée

Même si la puissance seule ne suffit pas, elle constitue ici un ingrédient nécessaire. Nous parlons entre 15 et 16 heures kilowatts de puissance à plein régime. C'est pourquoi les courses à vitesse maximale sont brèves. En cas de robinets pleins, les piles seraient vides en un peu plus de 20 secondes. Selon l'équipe, il leur reste environ 20 % de batterie lorsque le Peregreen 3 atterrit après une course, ce qui ne représente en aucun cas une grosse marge de sécurité.

C'est une quantité d'énergie presque absurde pour quelque chose qui tient dans un sac à dos. Les moteurs RCN Power Supernova 3220 du drone font tourner des hélices APC 7 × 5 pouces à pas élevé, conçues pour une efficacité de poussée à grande vitesse. Choisir le mauvais pas d’hélice peut ruiner les performances ; trop raide et les moteurs ne peuvent pas tourner assez vite ; trop peu profond, et le drone manque de « vitesse » avant la vitesse terminale.

Les pointes de ces accessoires peuvent facilement dépasser la vitesse du son, ce qui provoque des oscillations et une instabilité. Ainsi, un mauvais emplacement ou une densité de l'air incorrecte à ce moment-là peut entraîner un démontage rapide et imprévu. C'est exactement ce que l'équipe de Peregreen 3 a dû découvrir au cours d'innombrables vols d'essai.

L'alimentation de ces moteurs nécessitait des batteries spéciales : les packs Speedrun Drag Series V4 de SMC, conçus pour des sursauts de courant courts et violents. Chaque pack délivre un ampérage énorme pendant quelques secondes avant que la chaleur ne devienne un problème. En parlant de chaleur, oh mon Dieu…

Génie thermique : des ESC flambants au refroidissement par eau

Avec toute cette puissance à bord, et étant donné la rapidité et la violence avec lesquelles elle doit être libérée pour atteindre ces vitesses, la chaleur sera toujours un problème.

Bien qu'il existe différents endroits où la chaleur peut s'accumuler dans un drone comme celui-ci, pour le Peregreen 3, l'ESC (contrôleurs de vitesse électroniques) qui convertit la puissance de la batterie en impulsions d'énergie qui font tourner les moteurs prendrait littéralement feu.

Pour les maintenir en vie, l’équipe a conçu l’un des systèmes de refroidissement les plus fous jamais installés sur un drone. Ils ont fraisé des dissipateurs thermiques en aluminium, utilisé des tampons thermiques pour un contact direct, puis ont enfermé les ESC dans une chambre à eau imprimée en résine. C’est l’une des solutions les plus cool que j’ai jamais vues sur un drone, et elle semble s’inspirer directement des conceptions de refroidissement par eau des PC.

Les conduits d'air n'étaient pas suffisants car il n'est pas possible de faire passer le volume d'air à travers le drone pour le refroidir efficacement. De plus, l'ajout d'aérations aggrave le problème de traînée, de sorte que le refroidissement par eau semble être la seule solution qui n'est pas vouée à l'échec.

Matériaux, fabrication et compromis réels

Ce passage à l’impression 3D présentait de nombreux avantages. La structure a été imprimée dans un composite nylon-carbone, et l'utilisation d'une imprimante impliquait un contrôle exact de la structure interne et externe.

Ils ont imprimé la structure principale en Fibbron PA6 CF, un nylon résistant à la chaleur avec des fibres de carbone intégrées, tandis que les inserts structurels, les joints et les composants de refroidissement provenaient d'impressions en résine et en TPU. Même les dissipateurs thermiques en aluminium ont été fraisés CNC en interne.

Mais il y a eu des compromis. À 6 livres, le drone était plus lourd que idéal et son endurance de vol dépassait à peine deux minutes avec des gaz normaux. Le corps imprimé en 3D était résistant mais pas indestructible, et chaque course de vitesse risquait une perte totale en cas d'échec.

Pourtant, la récompense a été énorme. Après d'innombrables prototypes, crashs et refontes, l'équipe père-fils a emmené Peregreen 3 sur un terrain d'essai et a observé la télémétrie grimper : 570 km/h, puis 585 km/h, ce qui en fait (officieusement) le quadricoptère le plus rapide du monde.