Thrust-to-Weight Ratio

Aussi appelé: TWR, T/W ratio
Catégorie: Actuation & drivetrain › Ratings
Mots-clés: aerial-robotics, propulsion, multirotor, vehicle-design, dynamics

Le rapport entre la poussée maximale disponible d'un engin et son poids ; pour les multirotors, il détermine si l'engin peut tenir en vol stationnaire et quelle marge reste pour l'accélération et la commande.

Définition

Le rapport poussée/poids (thrust-to-weight ratio, TWR) compare la poussée maximale que la propulsion d'un engin peut produire à son poids, c'est-à-dire sa masse multipliée par l'accélération de la pesanteur. C'est un nombre sans dimension. Pour tout engin qui se sustente uniquement par la poussée, comme un multirotor ou une fusée au décollage, un rapport supérieur à 1 est nécessaire rien que pour quitter le sol. Les avions à voilure fixe peuvent voler avec un rapport bien inférieur à 1, car en croisière ce sont leurs ailes, et non leur propulsion, qui portent leur poids.

Pour les multirotors, le TWR se traduit directement en limites de performance. L'accélération verticale maximale vaut environ (TWR − 1)·g. Pour maintenir l'altitude en s'inclinant, la composante verticale de la poussée doit toujours égaler le poids, si bien que l'inclinaison soutenue la plus forte est l'angle dont le cosinus vaut 1/TWR, et l'accélération horizontale correspondante est g·√(TWR² − 1). En vol stationnaire, les moteurs utilisent à peu près 1/TWR de leur poussée maximale, et le reste constitue la marge disponible pour les corrections d'attitude, le rejet des perturbations et les manœuvres. Avec un rapport faible, un contrôleur qui demande une forte poussée collective laisse peu de place à la poussée différentielle entre rotors, et la saturation des moteurs peut faire perdre le contrôle d'attitude.

Le rapport effectif change en fonctionnement. La poussée diminue lorsque la tension de la batterie chute sous charge et à mesure que la charge baisse, et elle dépend de la densité de l'air ; elle est donc plus faible en altitude et par forte chaleur. Ajouter une charge utile, une nacelle ou une batterie plus grosse le réduit, tout comme la perte d'un rotor : après une défaillance, les rotors restants doivent soulever tout l'engin, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles les conceptions tolérantes aux défauts ont besoin d'une marge suffisante. Les multirotors de course et de voltige sont construits avec des rapports élevés pour accélérer rapidement, tandis que les conceptions pour charges lourdes et pour l'endurance acceptent des rapports plus faibles afin d'allonger le temps de vol, car des marges plus grandes impliquent généralement des moteurs et des batteries plus lourds.

Pourquoi c'est important

Le rapport poussée/poids est l'un des premiers chiffres vérifiés lors de la conception, de l'achat ou de la modification d'un robot aérien. Il borne l'accélération et l'inclinaison atteignables, détermine l'autorité de commande restante face aux perturbations et indique aux planificateurs et aux contrôleurs quelles trajectoires sont physiquement réalisables.

Applications principales

Dimensionnement des moteurs, hélices et batteries des multirotors
Fixation des limites d'accélération et d'inclinaison dans les planificateurs de trajectoire
Évaluation de la capacité de charge utile des robots aériens
Vérification de la marge de commande pour le vol tolérant aux défauts après la perte d'un rotor
Comparaison des performances de propulsion des fusées et des avions

En pratique

Une équipe qui prépare un drone pour une tâche de course, avec un rapport d'environ 1,4 comme sur l'engin AlphaPilot, constate que les trajectoires du planificateur exigent des accélérations que le drone ne peut pas fournir : avec ce rapport, l'accélération horizontale maximale en vol en palier vaut à peu près g·√(1,4² − 1), soit environ 1 g. Elle ajoute cette limite, ainsi qu'une marge de poussée pour la commande d'attitude, comme contrainte dans le générateur de trajectoires, et réduit la vitesse prévue dans les virages serrés. Plus tard, lorsqu'une caméra et une batterie plus grosse sont ajoutées, l'équipe pèse à nouveau l'engin et mesure la poussée maximale sur un banc d'essai à une tension de batterie partiellement déchargée, car le rapport en fin de vol est plus faible qu'au décollage.

Idées reçues

Un rapport juste au-dessus de 1 suffit pour un multirotor utilisable — il peut à peine tenir en vol stationnaire et ne laisse presque aucune poussée pour la commande d'attitude, le vent ou les manœuvres
Le rapport est fixé par le matériel — il baisse avec la tension de la batterie, la densité de l'air et chaque gramme de charge utile ajouté, si bien que la valeur en vol est inférieure à celle mesurée au banc avec une batterie pleine
Un rapport plus élevé est toujours préférable — des marges plus grandes impliquent généralement des moteurs et des batteries plus lourds, ce qui réduit le temps de vol et augmente le coût

Qui devrait le savoir

Concepteurs et constructeurs de drones
Ingénieurs en commande de vol et en planification de trajectoire
Ingénieurs en manipulation aérienne et en charges utiles
Étudiants qui apprennent la dynamique des multirotors

Technologies associées

Moteurs sans balais (Brushless Motors)
Contrôleurs électroniques de vitesse (Electronic Speed Controllers)
Banc d'essai de poussée (Thrust Test Stand)
Batteries lithium-polymère (Lithium Polymer Batteries)
Choix des hélices (Propeller Selection)

Termes associés

Projets associés

Drake: MIT robotics toolbox for model-based dynamics, optimization, and control system design
DART: C++ physics engine for articulated rigid body dynamics and robotics simulation
Pegasus Simulator: Photorealistic multirotor simulation on NVIDIA Isaac Sim with PX4-in-the-loop
frax: JAX library for fast, differentiable robot kinematics, dynamics and inverse kinematics
Aerostack2: ROS 2 framework for autonomous multi-drone systems and swarm robotics

Vidéos

Thrust to Weight Ratios | A Drone Design Foundation: The Drone Dojo