Ducts et shrouds autour de rotors de multirotors cachés

Synthèse exécutive

Pour un drone urbain de 3 à 3,5 kg, avec empreinte maximale de 55 cm et hélices entièrement cachées, la littérature conduit à une conclusion assez nette sur le plan strictement aérodynamique : si le masquage complet des hélices est non négociable, le meilleur compromis n’est pas le rotor ouvert, mais un vrai duct complet et léger, dimensionné pour le hover, avec petit jeu de pointe, lèvre d’entrée bien arrondie, diffuseur modéré et duct relativement court. En revanche, si l’on élargit la question à l’efficacité globale et au comportement en vent, l’open rotor reste la référence : les gains statiques d’un duct peuvent être réels, parfois très forts en petit Reynolds, mais ils sont payés par davantage de masse, de traînée en translation et de sensibilité aux moments aérodynamiques en vent de travers. Pereira conclut même que, pour un véhicule réel, le bénéfice global peut n’être que marginal, et que la sécurité peut devenir la raison principale de choisir un shroud plutôt qu’un rotor ouvert. Des essais NASA plus récents montrent aussi un tableau beaucoup moins spectaculaire que les meilleurs cas MAV : légère amélioration en hover, mais nette dégradation en axial low-speed forward flight.

Pour un tel cahier des charges, cela pousse vers un verdict pratique : duct complet oui, mais pas “EDF pur” à forte charge disque. Il faut au contraire rester aussi proche que possible d’une logique de rotor lent à grand diamètre relatif, puis construire autour un shroud aérodynamiquement utile, pas une simple cage. En d’autres termes : un “propeller-in-duct” optimisé hover, pas un ventilateur très chargé. La littérature montre aussi que les gains du shroud diminuent quand le rotor isolé est déjà très bon ; autrement dit, plus le rotor nu est efficace, moins le duct “magique” fait gagner.

Ce que le duct apporte réellement en vol stationnaire

Le mécanisme physique principal est double : le duct réduit les pertes de bout de pale en autorisant une charge aérodynamique plus proche du tip, et surtout il crée une suction sur la lèvre d’entrée qui ajoute une part de poussée portée par le duct lui-même. Dans le modèle de quantité de mouvement repris par Pereira, un shrouded rotor à expansion ratio de 1,0 peut théoriquement produire environ 26 % de poussée en plus à puissance égale, ou demander environ 29 % de puissance en moins à poussée égale, par rapport à un rotor ouvert de même taille. Dans les mesures NASA 2025 sur un propulseur ducté moderne, la répartition hover était proche de 48 % de poussée par l’hélice et 52 % par le duct, en accord raisonnable avec une prédiction théorique 44/56, ce qui confirme que le duct n’est pas un simple “cache-hélice” : il porte réellement une part majeure de la charge.

Cela dit, les gains publiés couvrent une plage très large. Dans la thèse de Pereira sur des rotors MAV, les meilleurs cas ont atteint jusqu’à 94 % de poussée en plus à puissance identique ou 49 % de puissance en moins à poussée identique à tip speed égal ; si l’on compare à aire disque égale, il rapporte jusqu’à 90 % de poussée en plus ou 62 % de puissance en moins. À l’autre extrême, l’étude NASA 2025, sur une géométrie commune plus représentative d’un propulseur contemporain non extrême, conclut seulement à une légère amélioration de l’efficacité propulsive en hover et montre que le propulseur ducté doit tourner 4,6 % plus vite pour égaler la poussée du propulseur isolé testé. La bonne lecture de ces deux résultats ensemble est simple : le duct peut faire beaucoup, mais seulement si la géométrie rotor+shroud est vraiment optimisée comme un système complet ; il ne faut pas extrapoler les meilleurs cas MAV à un multirotor de 3–3,5 kg sans prudence.

Une autre conclusion importante, souvent sous-estimée, est que la quasi-totalité du bénéfice statique vient de l’entrée, pas du diffuseur. Pereira montre que jusqu’à 80 % de la poussée d’entrée est produite par la moitié interne de la lèvre, et que la poussée négative du diffuseur n’atteint qu’environ un quart de la poussée positive de l’entrée. Donc, pour un drone où la masse compte, il vaut mieux investir le gramme structurel dans une bonne lèvre, une bonne rigidité locale et un petit jeu de pointe, plutôt que dans un long arrière de duct.

Géométrie du duct qui compte vraiment

La donnée la plus robuste sur la lèvre d’entrée est celle de Pereira : dans sa campagne systématique, porter le rayon de lèvre de 6 % à 13 % du diamètre du rotor réduisait l’intensité du pic de suction local, mais augmentait quand même la poussée nette de la lèvre et du shroud, parce que la surface utile augmentait et que le rotor était davantage déchargé. Son optimum expérimental, dans le domaine testé, combine r_lip ≈ 13 % D_t avec un faible tip clearance, un diffuseur modéré et une longueur de diffuseur intermédiaire. Le message de design est qu’une lèvre trop “vive” n’est pas idéale pour le hover ; il faut une lèvre franchement arrondie, mais pas au point d’alourdir inutilement l’encombrement frontal.

Sur le diffuseur, la littérature est étonnamment convergente. Pereira identifie un optimum autour de 10° d’angle de diffuseur dans ses tests : augmenter à 20° dégrade davantage la performance, et réduire à 0° la dégrade aussi. Plus précisément, à longueur égale, le diffuseur à 20° produisait jusqu’à quatre fois plus de poussée négative que celui à 10°, avec au final une baisse de 20 à 30 % de la poussée nette du shroud. C’est un résultat très fort : un diffuseur trop agressif ne “récupère” pas le jet, il paie surtout en gradient de pression défavorable et en pertes.

Concernant la longueur du duct, Pereira donne un optimum expérimental avec L_d ≈ 50 à 72 % D_t, et montre que la performance augmente avec l’expansion ratio seulement jusqu’à σ_d ≈ 1,2 environ ; au-delà, que l’on gagne cette expansion par la longueur ou par l’angle, la performance se détériore. De plus, allonger un diffuseur de 31 % D_t à 72 % D_t à angle constant de 10° double presque sa poussée négative, mais modifie peu la poussée nette du shroud. En clair : un duct trop long coûte de la masse et de la traînée avec peu de retour hover. Pour un drone compact, cela plaide contre un long “tube” profond et pour un duct plutôt court à moyen, avec une expansion modérée.

Sur la position axiale du rotor et le throat, les données publient moins de lois universelles, mais elles restent utiles. L’étude expérimentale 2023 sur un UAV coaxial ducté indique que, pour une configuration single rotor dans le même programme d’essais, le tip clearance dominait l’amélioration de performance, tandis que la position du rotor dans le duct jouait un rôle secondaire ; le meilleur cas était obtenu avec le rotor placé à environ 0,31 corde de duct depuis la lèvre, pour environ 20 % d’amélioration de power loading par rapport au rotor isolé. Une autre étude expérimentale sur ducted propeller place le rotor au narrowest inner section du duct. La lecture pratique de ces travaux, pour un avant-projet, est qu’il faut viser un rotor ni collé à la lèvre, ni très reculé, avec le plan du rotor voisin du throat / de la zone de section minimale, souvent autour de 25 à 35 % de la corde du duct depuis le bord d’attaque.

Le jeu de pointe est l’un des leviers les plus puissants

Sur le tip clearance, la littérature est encore plus claire que sur la forme du duct : plus c’est petit, mieux c’est, jusqu’à la limite de rub, de tolérancement, de dilatation et de flexion. Dans les essais de Pereira, la meilleure configuration du domaine testé utilisait δ_tip = 0,1 % D_t, et l’augmentation du jeu de 0,1 % D_t à 1,6 % D_t réduisait la suction d’entrée et la poussée nette du shroud. Le même travail montre aussi que réduire le tip clearance rend le sillage plus uniforme et diminue le facteur de correction de puissance induite κ.

Sur une échelle plus grande et plus proche d’un propulseur réel, Akturk et Camci rapportent sur un ducted fan de 559 mm qu’en passant d’un jeu de 3,04 % à 1,71 %, l’efficacité hover augmentait de 17,85 % à haut régime ; inversement, en passant de 3,04 % à 5,17 %, on observait jusqu’à 18,1 % de baisse d’efficacité hover. La même étude indique aussi qu’à 3,04 % de jeu, le fait d’avoir le duct autour du rotor apportait jusqu’à 38 % d’augmentation d’efficacité hover par rapport au rotor seul, à fort régime. Un travail plus récent sur UAV ducté signale également que le gain devient particulièrement intéressant pour des petits jeux δ ≤ 0,015 R.

La conséquence de design, pour un drone produit, est assez nette. En objectif idéal, il faut viser un jeu inférieur à 1 % du diamètre, voire mieux si la tenue géométrique le permet. En objectif industriel réaliste, 1 à 2 % du diamètre est déjà très ambitieux et utile ; à 3 %, on commence à perdre une part visible du bénéfice ; à 5 %, on est dans une zone clairement dégradée. C’est une inférence de synthèse à partir des campagnes MAV, ducted fan 559 mm et UAV récents, donc ce n’est pas une loi universelle, mais c’est une bonne règle de pré-dimensionnement.

Si, pour des raisons de sécurité mécanique, de dilatation, de fabrication ou de débris, le gap ne peut pas être fermé suffisamment, la voie exotique la plus crédible dans la littérature est le traitement de tip : Akturk et Camci rapportent par exemple qu’un inclined squealer tip pouvait augmenter la poussée d’environ 10,73 % en hover à 2400 rpm, en modifiant la trajectoire du vortex de fuite et en réduisant la leakage mass flow rate. Ce n’est pas le premier levier à actionner — le premier levier reste le gap lui-même — mais c’est une piste sérieuse en cas de contrainte forte sur la tenue au contact.

Le prix à payer hors hover

Le point dur des ducts n’est pas le hover. C’est la translation, particulièrement pour un véhicule compact soumis au vent urbain. Pereira montre qu’en vol axial la poussée du rotor ducté est d’abord supérieure à celle du rotor ouvert puis devient rapidement inférieure quand la vitesse augmente, probablement à cause de la traînée du shroud. Il montre aussi que, dans presque toutes les conditions de translation testées, la traînée du rotor shroudé est beaucoup plus élevée que celle du rotor ouvert. Cela va exactement dans le sens des résultats NASA 2025 : en low-speed axial inflow, le propulseur ducté délivre moins de poussée et moins de puissance mécanique, mais la perte de poussée est beaucoup plus grande que la baisse de puissance, ce qui conduit à une efficacité propulsive nettement pire sur toute la plage d’advance ratio testée ; pour égaler la poussée du propulseur isolé, il a fallu faire tourner l’hélice ductée 16,5 % plus vite.

Le résultat CFD/validation de Zhang et Barakos apporte une borne utile : pour les cas étudiés, le duct contribue davantage que l’hélice à très faible advance ratio (µ < 0,1), mais la poussée totale du système ducté chute plus vite à mesure que µ augmente, sous l’effet de la traînée croissante du duct, et le rotor ouvert repasse devant vers µ ≈ 0,2. Pour un drone multirotor urbain qui doit au moins translater proprement entre phases de vol, c’est une information très opérationnelle : un duct complet bien optimisé peut être excellent en stationnaire, mais il ne faut pas lui demander une croisière “efficiente” sans accepter une vraie pénalité.

En vent de travers et en rafales, les ducts ont une autre pénalité : ils fabriquent des charges asymétriques et surtout des moments cabreurs plus importants. Pereira observe en edgewise flow que la force normale du rotor shroudé augmente beaucoup plus vite avec la vitesse que celle du rotor ouvert, et que le centre de pression reste environ 0,75 R plus haut, ce qui donne des moments nose-up nettement plus forts. Zhang et Barakos montrent aussi qu’à AoA = 20°, le ducted propeller produit environ trois fois plus de portance mais 20 % moins de poussée avant que le propulseur ouvert, avec un moment cabreur associé ; leur duct nu a une pente de portance d’environ 3,15 et décroche vers 23°, tandis qu’avec l’hélice en marche le décrochage se retarde vers 45° grâce à la suction. Graf formule le même problème en termes de momentum drag et de centre de pression situé au-dessus du centre de gravité, ce qui réduit la capacité du véhicule à rester “planté” dans le vent.

La bonne nouvelle est qu’un duct peut aussi réguler l’inflow et réduire une partie de la distorsion vue par le rotor en crosswind ; Zhang et Barakos l’illustrent explicitement. Mais cette bonne nouvelle n’annule pas le verdict dynamique : pour un drone urbain hover-capable, le duct complet donne souvent plus de charges aérodynamiques à compenser, pas moins. Il faut donc dimensionner le contrôle en conséquence et ne pas s’attendre à la docilité d’un open rotor.

Masse, architecture et comparaison entre duct complet, shroud partiel et ring

La pénalité de masse est réelle et la littérature la juge suffisamment importante pour changer le verdict système. Pereira écrit explicitement que, dans ses études de trade, les hausses de poids et de taille dues au shroud pouvaient réduire le bénéfice véhicule au point de le rendre seulement marginal ; il ajoute que les bénéfices de sécurité peuvent devenir la motivation principale du choix. Dans un cas où les hélices doivent être cachées et où l’endurance n’est pas la priorité absolue, ce n’est pas rédhibitoire — mais cela signifie que chaque gramme de duct doit “travailler” aérodynamiquement et structurellement.

La manière la plus propre de minimiser cette masse est une architecture coque mince composite + raidisseurs localisés, pas un anneau massif. Un exemple de réalisation crédible emploie des coques minces en CFRP, renforcées par trois longerons circonférentiels et un raidisseur local du bord d’attaque. Cette logique est compatible avec l’usage de noyaux alvéolaires type honeycomb : Hexcel présente explicitement les panneaux sandwich comme des structures offrant une rigidité élevée pour un faible gain de masse, et ses nids d’abeille sont proposés pour les structures aéronautiques et les UAV ; la version over-expanded est en plus facile à former sur courbure simple, ce qui est utile pour des shrouds circulaires. Comme Pereira montre que la moitié externe de la lèvre porte peu de charge, on peut alléger cette zone et concentrer matière et rigidité sur la demi-lèvre interne, les attaches de bras et le bord d’attaque.

Sur la comparaison de concepts, la hiérarchie aérodynamique est la suivante. Le duct complet est le seul concept appuyé par une base expérimentale solide montrant une augmentation statique robuste grâce à la combinaison lèvre + faible contraction de jet + petit tip gap. Le shroud partiel / demi-duct peut être intéressant comme compromis de sécurité, d’intégration ou de transition, et la littérature sur ventilateurs à faible allongement montre qu’un partial shroud peut réduire les tip leakage flows ; il existe aussi des démonstrateurs d’aéronefs “half-duct” capables de hover. Mais l’évidence quantitative, pour un multirotor hover de ce gabarit, reste beaucoup plus mince que pour le duct complet. Le ring ou la cage simple, même si un petit essai “mouth-ring” rapporte une amélioration de poussée par rapport à l’absence de ring, n’offre pas la même capacité à générer de la poussée de lèvre et à contrôler l’expansion du sillage ; il doit donc être considéré d’abord comme organe de protection, pas comme vrai propulseur augmenté. Cette dernière comparaison contient une part d’inférence, parce que la littérature directe “ring de sécurité vs duct complet” est pauvre, mais c’est le sens général le plus défendable des données disponibles.

Verdict et recommandations

Le verdict net est le suivant. Si l’exigence “hélices cachées” est absolue, alors le bon choix aérodynamique pour un drone urbain hover-capable n’est pas l’open rotor, mais un duct complet optimisé pour le hover. Il donnera un meilleur niveau de protection, une esthétique demi-dôme cohérente, et il peut apporter un vrai gain statique si la géométrie est propre. Mais il viendra avec une pénalité certaine en translation, davantage de moments en vent de travers, et une discipline de masse très stricte. Si, au contraire, l’exigence “hélices cachées” devenait négociable, l’open rotor reprend immédiatement l’avantage sur l’efficacité, la robustesse au vent et la simplicité de contrôle.

Tier recommandé pour ce cas. Choisir un duct complet léger autour de chaque rotor, avec lèvre arrondie d’environ 0,10 à 0,13 D, angle de diffuseur autour de 10°, longueur de diffuseur de l’ordre de 0,5 à 0,7 D, expansion ratio visé autour de 1,15 à 1,25, plan rotor proche du throat et typiquement vers 0,25 à 0,35 corde depuis la lèvre, tip clearance aussi petit que praticable — idéalement ≤ 1 % D, mais au minimum dans une logique 1–2 % D plutôt que 3–5 %. Structurellement, employer coques fines CFRP/sandwich, renforts circonférentiels, rigidification locale du bord d’attaque et centrebody arrière bien caréné. Pour rester dans 55 cm d’empreinte, l’inférence géométrique la plus saine est de favoriser moins de rotors, mais plus grands, plutôt que beaucoup de petits rotors, car chaque duct consomme du diamètre utile, ajoute du périmètre mouillé, de la masse et de la traînée.

Tier compromis. Un shroud partiel n’est défendable que pour conserver une partie de la logique “prop cachée / prop protégée” tout en réduisant la masse et la traînée par rapport à un duct complet. Aérodynamiquement, c’est un compromis intéressant si l’on accepte moins de gain hover et une protection moins totale. L’évidence directe étant plus faible, il n’est pas recommandé comme premier choix si la sécurité de proximité humaine et la couverture visuelle des hélices sont prioritaires.

Tier protection pure. Une cage / ring simple n’est recommandable que si la vraie priorité est mécanique et réglementaire, en acceptant un apport aérodynamique faible ou incertain. Un ring bien placé peut aider un peu la poussée dans de petits essais, surtout avec un gap maîtrisé, mais ce n’est pas un substitut de duct. Dans cette voie, il faut assumer qu’il s’agit d’un guard, pas d’un véritable système d’augmentation de poussée.

Questions ouvertes et limites

Les meilleurs résultats quantitatifs trouvés pour la géométrie du duct et le partage de charge proviennent surtout de rotors MAV et de propulseurs ductés isolés plutôt que d’un multirotor urbain complet de 3–3,5 kg ; ils sont donc très utiles pour le design des ducts eux-mêmes, mais moins pour prédire directement la performance d’un véhicule fini. De même, la littérature solide sur duct complet est bien plus riche que celle sur shroud partiel et surtout ring/cage simple, ce qui rend ces comparaisons moins fermes que celles duct-vs-open rotor. Enfin, les gains hover les plus spectaculaires publiés sont aussi ceux qui dépendent le plus d’un rotor de référence imparfait, d’un Reynolds faible ou d’une optimisation très spécifique du couple rotor+duct.