APRO : Apprendre aux drones à se faire oublier

Une des spécialités de Benjamin Cotté, enseignant-chercheur à l'IMSIA, un des 13 laboratoires de l’ENSTA, se trouve justement être l’aéro-acoustique. Autrement dit, il cherche à comprendre comment les écoulements d’air autour d’un solide produisent des sons. C’est typiquement le genre de problématique posée par les drones, ce qui lui vaut d’être responsable scientifique du projet APRO (acronyme de « Aéro-acoustique des multiPROpulseurs ») mené sous l’égide de l'Agence de l'innovation de défense (AID) dans le cadre du Centre Interdisciplinaire d'Etudes pour la Défense et la Sécurité (CIEDS).

Pour mesurer précisément les sons produits et bannir toute subjectivité dans leur perception, Benjamin Cotté et son équipe ont commencé par caractériser le bruit émis par les hélices des drones dans la chambre anéchoïque dont ils disposent. Ils ont testé les hélices isolément, puis en interaction, à différentes vitesses de rotation.

À partir de là, les chercheurs ont produit des modèles analytiques permettant une simulation numérique de ces bruits, qui utilisent comme données d'entrée des calculs aérodynamiques considérant l'évolution des couches limites (les zones d'interface entre les pales et l’air) afin de prédire le bruit rayonné.

Ce n’est qu’à l’issue de ces deux premières étapes qu’il est devenu possible de réfléchir aux moyens concrets de réduire ces bruits.

« Au niveau des hélices, nous avons exploré la possibilité de modifier la rugosité des pales. Par impression 3D, nous en avons créées avec une très fine bande de rugosité, entre 50 et 300 microns, là où le profil de l’hélice est le plus épais. Cela revient à modifier les couches limites. Nous avons montré que ça pouvait être bénéfique sur certains régimes de rotation, de l’ordre de 3 à 4 décibels en moins. »

Mais les drones n’ont jamais une seule hélice. Il faut alors tenir compte des interférences possibles entre elles, et aussi des interactions entre bras supports et hélices.

« Nous cherchons à optimiser toute la structure en prenant en compte le maximum de paramètres géométriques possibles, comme le placement des hélices les unes par rapport aux autres, les interactions rotor/stator, etc. » poursuit le chercheur.

« Autre effet intéressant, si on prend le cas d’un quadricoptère, les vitesses de rotation des 4 hélices changent en permanence pour assurer la stabilité du drone. On a donc vu apparaître des effets d’interférence destructive ou constructive entre les hélices, qui ne se croisent pas toujours au même endroit. »
 

Cependant le meilleur moyen pour un drone aérien de se faire oublier, c’est encore de s’éloigner des gens qu’il pourrait gêner. Ça, c’est le travail des chercheurs de l’U2IS, le labo du campus de Paris-Saclay de l'UFR des sciences de l'information et informatique de l'ENSTA.

« Pour nous l’enjeu est de proposer des trajectoires qui atteignent le point voulu, mais par un chemin qui limite les nuisances sonores » résume Rémi Marsal, post doctorant de l’U2IS.

Une première phase, assurée par Damien Hoareau, également post doctorant de l'U2IS, a consisté en une optimisation de trajectoire classique. 

Rémi Marsal est alors intervenu en complément pour proposer d’utiliser des réseaux de neurones plutôt qu’un algorithme d’optimisation traditionnel pour simuler la propagation du son. Le réseau, entraîné sur des données de son rayonné par le drone, estime la propagation du son par rapport à un certain nombre de repères. 
 

De fait, dans les villes de demain, l’avenir du drone se jouera peut-être moins dans ses performances pures que dans sa capacité à se faire oublier. Rendre un drone réellement discret sans dégrader ses performances aérodynamiques reste aujourd’hui une gageure. Mais les travaux menés à l’ENSTA montrent que des marges de progression existent.

Entre mécanique des fluides, acoustique, science des matériaux et intelligence artificielle, la quête du drone silencieux mobilise des compétences très diverses. Une illustration concrète de l'approche pluridisciplinaire développée à l'ENSTA pour répondre aux défis technologiques de demain.