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, cequi 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 chauden 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 complète. 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 longitudinaletotale des mini-drones était justifiée et que la nouvelle configuration fait un candidat idéal pour lesconceptions 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 ofUAS. 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 usednormally 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 highangles of incidence. It was also shown that the nature of the flow for a proprotor at incidence ishighly 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 wasclearly shown that some improvement or a new model were needed to correctly predict the thrustand 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 theS4 wind-tunnel. The test showed that the initial conclusion about the contribution of the proprotorto 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 .

The vision driving the work reported herein is to investigate the fluid-structure interac-tion (FSI) effects of the flexible laminated blades for tilt-body micro-air-vehicles (MAV)proprotors in hover and forward flight configurations. This is in order to exploit the po-tential of flexible-bladed proprotor over the rigid-bladed proprotor in the enhancementof proprotor performance during hovering and cruising at a target forward speed. Forthat, the FSI model taking into account the specific problems devoted to MAV-sizedproprotor made of laminate composite was developed. The FSI model combines aerody-namic model adapting Blade Element Momentum (BEM) theory and structural modeladapting Anisotropic Finite Element Beam (AFEM) theory. The aerodynamic model isdeveloped to be capable of adapting in the analysis on low Reynolds number proprotors.In the structural model, the blade is modeled as an elastic beam undergoing deflectionsin flap, lag, and torsion to capture the coupling effects in anisotropic materials, adaptsthe structural analysis on proprotor blades made of laminate composite. The reliabilityof the developed FSI model is verified through a validation on both aerodynamic andstructural models, separately, on several MAV-sized proprotors. As for a direction to theanalysis on passively-adaptive proprotor blades, an optimal design on actively-adaptiveproprotor was carried out. For this, a program for designing the optimum rigid blades atsingle-point (for either isolated cruise-point or isolated hover-point) and multiple-point(combined cruise and hover point) for proprotors have been developed. The proceduresin the optimal design program employs the numerical iterative inverse design method,based upon the minimum thrust induced losses (MIL). Even if the work in this thesiswas directed primarily towards the proprotor, however, the propulsion system from themotor part was not neglected since the propulsion efficiency is a crucial factor to the suc-cess of MAVs. A cheap and time-effective method of proposing the best motor from theselected commercial motors was developed, based on Taguchi’s method. The sensitivityof the total power consumption to the variation of value of each motor design variableswas also studied. The benefit of the use of tip body in the blade and the effect of bendingon the induced twist and on the thrust degradation, respectively, were also analyzed andidentified. Finally, the systematically designed passively-adaptive composite proprotors were evaluated under steady operating conditions. Hovering and cruise propulsive performance, characterized by total power Ptotal, were compared between the rigid-bladed and flexible-bladed proprotors. As a result of the comparison, the flexible-bladed proprotor with fixed system is found to be capable of slightly enhancing the performance through the reduction in Ptotal over its optimal rigid-bladed proprotor. / L’idée principale du travail rapporté ici est d’étudier les effets de l’intéraction fluide-structure (FSI) de pales laminées flexibles pour les proprotors de micro véhicules aériens(MAV) de type tilt-body dans les configurations de vol stationnaire et en avant. Eneffet, le but est d’exploiter les possibilités offertes par les proprotors à pales flexiblespar rapport aux proprotors à pales rigides pour améliorer leur performance dans cesphases de vol. Le modèle FSI a été développé à cet effet. Ce modèle tient compte desproblèmes spécifiques liés aux proprotors de MAV faits de composite laminé. Il com-bine l’adaptation de modèle aérodynamique par la théorie d’élement de pale (BEM) etl’adaptation de modèle structurel par la théorie des éléments finis de poutre anisotropes(AFEM). Le modèle aérodynamique est développé pour être capable de s’adapter àl’analyse des proprotors à bas nombres de Reynolds. Dans le modèle structural, la paleest modélisée comme une poutre élastique subissant des déviations dans la flexion, latraction et la torsion afin de capturer les effets de couplage de matériaux anisotropes.Il adapte l’analyse structurale des pales du proprotor faites de composite laminé. Lafiabilité du modèle FSI développé est vérifiée à travers une validation par modèles aéro-dynamique et structural, séparément, sur plusieurs proprotors de MAV. Afin de se dirigervers une analyse de pales de proprotors à adaptation passive , une recherche de designoptimal a été effectuée pour des proprotor à adaptation active. Pour cela, un programmepour la conception de pales rigides optimales à un unique point de fonctionnement (soitle vol de croisière soit le vol stationnaire) et à plusieurs points (combinant croisière etvol stationnaire) ont été développés. Les procédures du programme de design optimalemploient les mèthodes de design inverse par itération numérique, sur la base de pertesde poussée induites minimales (MIL). Même si le travail dans cette thèse a été dirigéprincipalement vers le proprotor, la partie moteur du système de propulsion n’a pasété négligée puisque l’efficacité de la propulsion est un facteur crucial pour le succès desMAVs. Une méthode simple et rapide de sélection du meilleur moteur parmi les moteurscommerciaux choisis est élaborée sur la base de la méthode de Taguchi. La sensibilitéde la consommation d’énergie totale à la variation de la valeur de chaque variable deconception du moteur a été étudiée. Le bénéfice de l’utilisation de la charge à la pointe de la pale et l’effet de la flexion sur la torsion induite et sur la dégradation de la poussée respectivement ont aussi été analysés et identifiés. Enfin, les proprotors à pales flexibles conçues systématiquement ont été évalués dans des conditions de fonctionnement stables. Performances en vol stationnaire et performances croisière propulsive, caractérisées par la puissance totale Ptotal ont été comparées entre les proprotors à pales rigides et à pales flexibles. En tant que résultat de la comparaison, les proprotors à pales flexibles s’avère capable d’améliorer légèrement les performances par la réduction de la Ptotal surson optimal proprotors à pales rigides.