fpv compute thrust to weight

fPV -Rechenschub zum Gewicht

FPV-Schub-Gewichts-Verhältnis berechnen – Eine umfassende Analyse zur Berechnung und Nutzung des Schub-Gewichts-Verhältnisses für FPV-Drohnen

Einführung
In der Welt der First Person View (FPV)-Drohnen ist die Flugleistung ein zentrales Anliegen für Enthusiasten und professionelle Piloten gleichermaßen. Unter den vielen Parametern, die Flugeigenschaften und Handling beeinflussen, ist das Schub-Gewichts-Verhältnis (TWR) ein entscheidender Wert. TWR drückt anschaulich das Verhältnis zwischen dem Gesamtschub aus, der von der Antriebssystem der Drohne und das Eigengewicht der Drohne. Ein höherer TWR bedeutet eine stärkere Steigfähigkeit, eine agilere Reaktionsfähigkeit und verbesserte Manövrierfähigkeit, während ein niedrigerer TWR die Leistungsfähigkeit des Fluggeräts einschränkt.

Dieser Artikel konzentriert sich auf das Konzept von TWR in FPV-DrohnenWir beginnen mit der Erklärung, was TWR ist, wie man es berechnet und warum es wichtig ist. Anschließend besprechen wir die Faktoren, die TWR beeinflussen, wie z. B. Motor Leistung, Propeller Auswahl und Batteriekonfiguration. Praxisbeispiele veranschaulichen, wie Schubdaten und Gesamtgewicht zur Berechnung des TWR verwendet werden. Abschließend erläutern wir, wie die TWR-Ergebnisse interpretiert und für Designentscheidungen genutzt werden können, um sicherzustellen, dass Piloten die gewünschte Leistung und Flugeigenschaften erreichen.

I. Das Grundkonzept und die Bedeutung von TWR verstehen

  1. Definition des Schub-Gewichts-Verhältnisses (TWR)
    Das Schub-Gewichts-Verhältnis ist das Verhältnis des Gesamtschubs, den ein Flugzeug (oder eine Drohne) erzeugen kann, zu seinem Eigengewicht. Da es sich um das Verhältnis zweier Kräfte handelt, ist es dimensionslos (keine Einheiten). Die Kernformel lautet:
TWR=Gesamt Schub (N)Gewicht (N)\Text{TWR} = \frac{\text{Total Thrust (N)}}{\text{Weight (N)}}

Hier werden Schub und Gewicht in derselben Einheit gemessen, idealerweise in Newton (N). Um einen aussagekräftigen TWR zu erhalten, stellen Sie sicher, dass Gewicht und Schub in einheitliche Einheiten umgerechnet werden. Wenn Sie beispielsweise das Gewicht in Gramm messen, müssen Sie es in Newton umrechnen, bevor Sie es durch den Schub in Newton dividieren.

  1. Bedeutung von TWR für FPV-Drohnen
    Bei FPV-Drohnen beeinflusst TWR direkt, wie die Drohne auf Piloteneingaben reagiert und wie leistungsfähig sie in Bezug auf Steigfähigkeit, Beschleunigung und Handling ist. Richtlinien sehen oft so aus:
  • TWR > 1: Die Drohne kann problemlos abheben und schweben; sie kann auch dynamischere Manöver ausführen.
  • TWR ≈ 1: Die Drohne kann bei hoher Drosselung gerade so schweben, mit eingeschränkter Manövrierfähigkeit und träger Reaktion.
  • TWR < 1: Die Drohne kann nicht genügend Schub erzeugen, um die Schwerkraft zu überwinden; sie kann nicht abheben.

Für Renndrohnen, Freestyle-Quads und Hochleistungskonstruktionen ist ein hoher TWR (e.g., 5:1, 10:1 oder sogar höher) ermöglicht schnelle Beschleunigung, agile Steuerung und komplexe Luftstunts. Im Gegensatz dazu benötigen Kameradrohnen oder Luftbildplattformen typischerweise einen geringeren TWR – gerade genug, um stabil zu schweben und ihre Nutzlast zu tragen – obwohl eine gewisse Schubredundanz immer noch für Sicherheit und Windwiderstand von Vorteil ist.

II.So berechnen Sie das Schub-Gewichts-Verhältnis

  1. Datenaufbereitung und Einheitenumrechnung
    Zur Berechnung des TWR benötigen Sie:
  • Das Gesamtgewicht der Drohne, einschließlich Rahmen, Motoren, ESCs, Flugsteuerung, Videosender, Kamera, Batterie und jeglicher zusätzlicher Nutzlast.
  • Der von jedem Motor bei einer bestimmten Konfiguration (Propellertyp, Batteriespannung usw.) erzeugte Schub, der häufig in Motorschubtabellen oder in Herstellerdaten zu finden ist.
  • Einheitliche Einheiten, vorzugsweise Newton für Gewicht und Schubkraft. Als grobe Richtlinie gilt: 1 kg ≈ 9,8 N, 1 g ≈ 0,0098 N.

  1. Die Formel und ein einfaches Beispiel
    Angenommen, ein Quadrocopter wiegt 1000 g (ca. 9,8 N) und jeder Motor kann bei Volllast einen Schub von 500 g (ca. 4,9 N) erzeugen. Vier Motoren erzeugen einen Gesamtschub von 4 × 4,9 N = 19,6 N. Somit beträgt der TWR = 19,6 N/9,8 N = 2. Dieser TWR von 2:1 bedeutet, dass die Drohne problemlos starten, steigen und moderate Manöver ausführen kann.

  2. Motor, Propeller und Spannung mit TWR verbinden
    In der Praxis ist der Wechsel von Motormodellen, Propellergrößen oder Batterie Stromspannung (e.g., 4S vs. 6S) verändert den maximalen Schub. Beispielsweise könnte ein High-kV-Motor an einer 6S-Batterie die Propeller schneller drehen, mehr Schub liefern und so Ihren TWR erhöhen. Umgekehrt, schwerere Nutzlasten oder Motoren mit geringerer Leistung reduzieren TWR.

III. Schlüsselfaktoren, die das Schub-Gewichts-Verhältnis beeinflussen

  1. Motorleistung (Kv, Leistungsbereich und Wirkungsgrad)
    Die Kv-Zahl (U/min pro Volt) des Motors, seine Leistungsabgabekapazität und die Effizienzkurven beeinflussen den Schub. Ein Motor mit hoher Kv-Zahl kann bei gleicher Spannung höhere Drehzahlen erreichen, wodurch kleine Propeller mit hoher Steigung mehr Schub erzeugen können. Höhere Kv-Zahlen bedeuten jedoch oft eine höhere Stromaufnahme, erhöhte Wärmeentwicklung und verkürzte Flugzeit. Die Balance zwischen Kv-Zahl und Effizienz ist entscheidend.

  2. Propellergröße und -geometrie
    Propellerdurchmesser, Steigung und Blattdesign beeinflussen maßgeblich die Schubleistung und den Stromverbrauch. Propeller mit großem Durchmesser erzeugen bei niedrigerer Drehzahl einen deutlich höheren Schub bei höherer Effizienz und eignen sich daher für stabile Flüge und höhere Lasten. Kleinere Propeller mit höherer Steigung zeichnen sich durch hohe Geschwindigkeiten und agile Steuerung aus und sind daher beliebt für Renndrohnen. Beachten Sie, dass statische Schubtests von realen Flugbedingungen abweichen – der tatsächliche Schub im Flug kann aufgrund von Änderungen der Propellereffizienz in bewegter Luft um 20–30 % geringer sein.

  3. Batteriekapazität und Entladerate
    Die Spannung der Batterie (Zellenzahl, e.g., 4S bei 14,8 V oder 6S bei 22,2 V) legt die maximale Motordrehzahl fest. Akkukapazität (mAh) und Entladeleistung (C-Wert) bestimmen, wie gut der Akku den benötigten Strom bei Volllast liefern kann. Eine höhere Spannung ermöglicht oft höhere Drehzahlen und damit mehr Schub, was möglicherweise den TWR verbessert. Es muss jedoch sichergestellt werden, dass der Regler und andere elektronische Geräte diese höhere Spannung verarbeiten können. Akkus mit größerer Kapazität erhöhen das Gewicht und wirken sich auf den TWR aus, daher muss ein Gleichgewicht gefunden werden.

  4. Gesamtgewichtsreduzierung und Strukturoptimierung
    Die Reduzierung des Drohnengewichts ist ein effektiver Weg, den TWR zu erhöhen. Ein leichterer Rahmen, weniger überflüssige Komponenten und eine Batterie mit höherer Energiedichte verbessern Ihr Verhältnis. Gewichtsreduzierung sorgt dafür, dass der verfügbare Schub zu agilerem Flug und erweiterter Manövrierfähigkeit führt, da weniger Schub durch die Überwindung unnötiger Masse verschwendet wird.

IV. Ein praktisches Beispiel: Von den Daten zur Entscheidung
Betrachten wir einen 5-Zoll-FPV-Quad, den Sie für eine Mischung aus Freestyle und leichten Rennen verwenden möchten. Angenommen, das Gesamtgewicht (AUW) beträgt etwa 1000 g (9,8 N).

  1. Anfangsparameter
  • Gewicht: 1000 g ≈ 9,8 N
  • Motorauswahl: Wir wählen einen 2207-Motor. Einige Testdaten zeigen, dass jeder Motor bei 6S-Spannung und einem bestimmten 5-Zoll-Propeller einen Schub von etwa 1600 g (ca. 15,7 N) erzeugen kann.*
    (*Dies ist nur ein Beispielwert; die tatsächlichen Testdaten können abweichen.)

Wenn jeder Motor ~15,7 N erzeugen kann, ergeben vier Motoren insgesamt ~62,8 N. TWR = 62,8 N/9,8 N ≈ 6,4:1. Mit einem TWR von über 6:1 verfügt diese Drohne über eine starke Beschleunigung und hervorragende Manövrierfähigkeit, was sie ideal für Freestyle- oder moderate Rennaufgaben macht.

  1. Empfohlene TWR-Bereiche für verschiedene Flugstile
  • Luftbildfotografie/stabiler Flug: ~2:1 TWR oder etwas darüber ist in Ordnung und bietet ausreichend Schub für grundlegenden Auftrieb und Stabilität.
  • Freistil: ~5:1 bis 10:1 bietet ein großartiges Gleichgewicht zwischen Beweglichkeit und Kontrolle.
  • Rennen: Über 10:1 ist nicht ungewöhnlich und ermöglicht eine extreme Reaktionsfähigkeit, allerdings auf Kosten einer schwierigeren Handhabung und einer schnelleren Entladung der Batterie.
  1. Optimierungsrichtungen
    Wenn Ihr berechneter TWR unter 2:1 liegt, wird die Drohne ohne Vollgas nur schwer schweben können. Um den TWR zu verbessern, beachten Sie:
  • Verwendung von Motoren mit höherem Kv oder Motoren mit größerer Schubleistung.
  • Umstellung von 4S- auf 6S-Akkus zur Erhöhung von Drehzahl und Schub.
  • Reduzierung des Gesamtgewichts durch Auswahl leichterer Komponenten.
  • Auswahl effizienterer Propeller mit höherem Schub.

Wenn Ihr TWR extrem hoch ist (e.g., >10:1), erzielen Sie eine explosive Leistung, finden es aber möglicherweise zu empfindlich oder schwierig, reibungslos zu fliegen. Um es abzumildern:

  • Entscheiden Sie sich für Motoren oder Propeller mit etwas niedrigerem Kv, die weniger Spitzenschub erzeugen.
  • Verwenden Sie auf Effizienz optimierte Propeller statt auf reinen Schub.
  • Erhöhen Sie die Nutzlast der Drohne leicht (e.g., fügen Sie eine Kamera oder ein kleines Zubehör hinzu) für eine kontrolliertere Handhabung.

V. Berücksichtigung anderer Faktoren neben TWR
Obwohl TWR eine wichtige Kennzahl ist, stellt es nur einen Teil des Puzzles dar. Designer und Piloten müssen außerdem Folgendes berücksichtigen:

  1. Flugzeit und Effizienz
    Ein höherer TWR bedeutet oft eine höhere Leistungsaufnahme bei Vollgas, wodurch die Batterie schneller entladen wird. Piloten, denen die Flugzeit am Herzen liegt, bevorzugen möglicherweise einen Motor mit niedrigerem Kv und effizientere Propeller, um einen Kompromiss zwischen einem angemessenen TWR und angemessener Ausdauer zu finden.

  2. ESC-Matching und aktuelle Anforderungen
    Die Verbesserung des TWR kann die Wahl von Motoren und Propellern mit hohem Strombedarf erfordern. Stellen Sie sicher, dass Ihre ESCs Spitzenströme verarbeiten können. Die ESC-Nennwerte, sowohl für Dauer- als auch für Burst-Betrieb, müssen die maximale Stromaufnahme des Motors bei Volllast überschreiten. Bei Wahl eines zu kleinen ESC besteht die Gefahr von Schäden oder Ausfällen.

  3. Kompromisse zwischen Batteriespannung und -kapazität
    Der Wechsel von 4S auf 6S erhöht typischerweise den TWR, erfordert aber Elektronik, die mit höheren Spannungen kompatibel ist. Außerdem kann eine größere Batterie Gewicht hinzufügen und so den TWR reduzieren. Ein guter Ansatz besteht darin, den optimalen Punkt zu finden, an dem die Batterie genügend Leistung liefert, ohne zu viel Masse hinzuzufügen.

  4. Propellereigenschaften und Flugstil
    Rennfahrer verwenden möglicherweise Propeller mit höherer Steigung für Höchstgeschwindigkeit und Schub, während Freestyle-Piloten reaktionsschnellere Propeller mit ausgewogenem Schub und Effizienz bevorzugen. Statische Schubwerte dienen als Richtwerte, aber die tatsächliche Flugleistung hängt stark vom Verhalten der Propeller in bewegter Luft ab. Testergebnisse und Community-Feedback sind von unschätzbarem Wert.

VI. Verwendung der Schubdaten von BLDC-Motoren
Viele FPV-Enthusiasten fragen sich, wie sie die Schubdaten für BLDC-Motoren erhalten.Hersteller und externe Gutachter stellen häufig Schubtabellen zur Verfügung, die den Schub und die Stromaufnahme bei verschiedenen Drosselklappenstellungen, Propellergrößen und Spannungen zeigen. Diese Schubtabellen helfen Ihnen, Ihren TWR vor dem Kauf von Teilen vorherzusagen.

Wenn beispielsweise im Datenblatt eines Motors der Schub bei Vollgas mit einer bestimmten Propeller- und Spannungskonfiguration angegeben ist, können Sie diesen Wert mit der Anzahl der Motoren multiplizieren und anschließend durch das Gesamtgewicht der Drohne dividieren, um den TWR zu ermitteln. Sollte der prognostizierte TWR Ihren Zielen nicht entsprechen, können Sie alternative Motoren, Propeller oder Batteriekonfigurationen ausprobieren.

VII. Fallstudie: Vergleich der Motoren 2207 und 2306
Vergleichen wir zwei gängige Motorgrößen für 5-Zoll-FPV-Drohnen: 2207 und 2306.

  1. 2207 Motoren
  • Oftmals mit hohem Maximalschub (e.g., über 1000 g pro Motor) in einem 5-Zoll-Aufbau, wodurch problemlos ein TWR von über 5:1 erreicht wird.
  • Bekannt als beliebte Freestyle-Wahl, bietet es eine gute Mischung aus Kraft und Effizienz.
  • Geeignet für Piloten, die reaktionsschnelle, leistungsstarke Drohnen wünschen, die Akrobatik und moderate Rennen bewältigen können.
  1. 2306 Motoren
  • Könnte einen etwas geringeren maximalen Schub erzeugen (beispielsweise etwa 850 g pro Motor unter ähnlichen Bedingungen), was zu einem etwas niedrigeren TWR führt.
  • Im mittleren Gasbereich möglicherweise effizienter, wodurch die Flugzeit verlängert wird.
  • Gut für Piloten, denen ruhigere Flüge und eine längere Flugdauer wichtiger sind als reine Kraft.

Aus der Sicht von TWR bieten 2207-Motoren mehr Schub für explosive Beschleunigung, während 2306-Motoren sich durch effizienteres Cruisen bei mittlerer Gasannahme auszeichnen, wodurch die Drohne möglicherweise leichter zu steuern ist und die Flugzeit verlängert wird.

VIII. TWR und Flugsteuerungsgefühl
TWR interagiert auch mit der Flugregler-Abstimmung (PID-Abstimmung). Ein hoher TWR-Wert reagiert selbst auf kleine Gasänderungen scharf, was die Drohne möglicherweise nervös macht. Piloten müssen möglicherweise die PID-Verstärkung oder die Gaskurven (Expos) anpassen, um die Empfindlichkeit zu zügeln. Umgekehrt fühlt sich ein niedriger TWR-Wert sanfter an, fehlt aber möglicherweise die Agilität, die sich erfahrene Piloten wünschen. Bei der Flugregler-Abstimmung geht es darum, die richtige Balance zu finden, damit sich die Drohne kontrolliert und berechenbar anfühlt.

IX. Umweltfaktoren, die den TWR in der Praxis beeinflussen
Der theoretische TWR wird unter statischen Bedingungen berechnet, aber reale Faktoren können den effektiven Schub der Drohne verändern:

  • Wind: Starke Winde erfordern mehr Schub, um Position und Höhe zu halten, wodurch der für Manöver verfügbare Schubüberschuss reduziert wird.
  • Luftdichte: In großen Höhen oder unter heißen und feuchten Bedingungen nimmt die Luftdichte ab, wodurch die Propellereffizienz und damit der effektive Schub reduziert werden.

Bei schwierigen Flugbedingungen bietet ein höherer TWR eine Sicherheitsreserve. Wenn Sie mit starkem Wind oder reduzierter Propellereffizienz rechnen, sollten Sie bei Ihrer Konstruktion einen etwas höheren TWR anstreben, um eine zuverlässige Leistung zu gewährleisten.

X. Von der Theorie zur Praxis: Die Design-Test-Fly-Schleife
Beim praktischen Bau von FPV-Drohnen ist die Berechnung des TWR nur der erste Schritt. Erfahrene Piloten folgen oft diesem iterativen Prozess:

  1. Theoretische Berechnung:
    Beginnen Sie mit der Schätzung des TWR, der Vorhersage der Flugzeit und der Überprüfung der aktuellen Anforderungen.

  2. Komponentenauswahl und Montage:
    Wählen Sie Motoren, Propeller, Regler und Batterien, die Ihren TWR-Zielen entsprechen. Bauen Sie den Drohnen-Prototyp.

  3. Prüfstandstests und Anpassungen:
    Führen Sie Schubtests am Boden durch, um zu überprüfen, ob die tatsächlichen Messungen mit den Vorhersagen übereinstimmen. Nehmen Sie bei Bedarf Anpassungen vor.

  4. Erstflug und PID-Tuning:
    Führen Sie einen Testflug in einem sicheren Bereich durch. Bewerten Sie, ob die Agilität der Drohne Ihren Erwartungen entspricht. Ist sie zu ruckelig? Erwägen Sie eine sanftere PID-Abstimmung oder leichtere Propeller. Ist sie zu träge? Versuchen Sie es mit Propellern mit höherer Steigung oder geringerem Gewicht.

  5. Abschließende Optimierung:
    Verfeinern Sie Ihr Setup auf der Grundlage Ihrer Flugerfahrungen, bis Sie ein Gleichgewicht zwischen Leistung, Steuerbarkeit und Effizienz erreichen, das zu Ihrem Stil passt – sei es Rennen, Freestyle oder stabile Filmsequenzen.

Abschluss
Das Schub-Gewichts-Verhältnis ist ein wichtiger Parameter bei der Entwicklung und Optimierung von FPV-Drohnen. Es ist nicht nur eine einfache Zahl, sondern eine Synthese aus Motorleistung, Propellereigenschaften, Fluggewicht und Batteriekonfiguration. Die Beherrschung der TWR-Berechnung und das Verständnis, wie man sie beeinflussen kann, können Drohnenbauer und Piloten fundierte Entscheidungen treffen und so letztendlich die Flugleistung und das Steuergefühl verbessern.

Von Hochleistungsrennfahrern, die rasante Beschleunigung wünschen, bis hin zu Luftbildfotografen, die einen stabilen, gleichmäßigen Flug wünschen – die Nutzung von TWR-Daten ermöglicht es Piloten, maßgeschneiderte Drohnen zu konstruieren, die ihren spezifischen Anforderungen entsprechen. Mit den Erkenntnissen und Beispielen in diesem Artikel können FPV-Enthusiasten TWR-Berechnungen sicher nutzen, um lohnendere, effizientere und dynamischere Flugerlebnisse zu erzielen.

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