fPV는 무게로 추력을 계산합니다
FPV 추력 대 중량 계산 - FPV 드론의 추력 대 중량 비율 계산 및 활용에 대한 종합 분석
소개
1인칭 시점(FPV) 드론 세계에서 비행 성능은 애호가와 전문 조종사 모두에게 중요한 고려 사항입니다. 비행 특성과 조종성을 결정하는 여러 변수 중 추력대중량비(TWR)는 중요한 지표로 부각됩니다. TWR은 드론이 생성하는 총 추력과 드론의 추진 시스템 그리고 드론 자체 무게. TWR이 높을수록 상승력, 민첩한 반응성, 그리고 향상된 기동성을 의미하며, TWR이 낮을수록 항공기의 성능 한계가 제한됩니다.
이 기사는 TWR 개념에 초점을 맞춥니다. FPV 드론먼저 TWR이 무엇인지, 어떻게 계산하는지, 그리고 왜 중요한지 설명하겠습니다. 그런 다음 TWR에 영향을 미치는 요인들을 살펴보겠습니다. 모터 성능, 추진자 선택 및 배터리 구성. 실제 사례를 통해 추력 데이터와 총 중량을 사용하여 TWR을 계산하는 방법을 설명합니다. 마지막으로, TWR 결과를 해석하고 이를 설계 결정에 활용하여 조종사가 원하는 성능과 비행 특성을 달성할 수 있도록 하는 방법을 살펴보겠습니다.
I. TWR의 기본 개념 및 중요성 이해
- 추력 대 중량비(TWR) 정의
추력대중량비는 항공기(또는 드론)가 생성할 수 있는 총 추력을 자체 무게로 나눈 비율입니다. 두 힘의 비율이므로 무차원(단위 없음)입니다. 핵심 공식은 다음과 같습니다.
여기서 추력과 무게는 모두 동일한 단위, 이상적으로는 뉴턴(N)으로 측정됩니다. 의미 있는 TWR을 얻으려면 무게와 추력을 일관된 단위로 변환해야 합니다. 예를 들어, 무게를 그램 단위로 측정하는 경우, 추력(뉴턴)으로 나누기 전에 무게를 뉴턴으로 변환해야 합니다.
- FPV 드론에 대한 TWR의 중요성
FPV 드론의 경우, TWR은 드론이 조종사의 입력에 어떻게 반응하는지, 그리고 수직 상승, 가속, 그리고 조종 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. TWR에 대한 지침은 다음과 같습니다.
- TWR > 1: 드론이 쉽게 이륙하고 떠 있을 수 있으며, 더욱 역동적인 기동을 수행할 수 있습니다.
- TWR ≈ 1: 드론은 높은 스로틀로만 맴돌 수 있으며, 기동성이 제한적이고 반응이 느립니다.
- TWR < 1: 드론은 중력을 극복할 만큼 충분한 추력을 생성할 수 없습니다. 이륙할 수 없습니다.
레이싱 드론, 프리스타일 쿼드 및 고성능 빌드의 경우 높은 TWR(e.g., 5:1, 10:1 또는 그 이상)은 빠른 가속, 민첩한 조종, 그리고 복잡한 공중 스턴트를 가능하게 합니다. 반면, 카메라 드론이나 항공 사진 플랫폼은 일반적으로 안정적인 호버링과 탑재물 운반에 필요한 정도의 TWR(추진비)을 필요로 합니다. 하지만 안전성과 바람 저항을 위해 어느 정도의 추력 여유는 여전히 유용합니다.
2.추력 대 중량비 계산 방법
- 데이터 준비 및 단위 변환
TWR을 계산하려면 다음이 필요합니다.
- 프레임, 모터, ESC, 비행 컨트롤러, 비디오 송신기, 카메라, 배터리 및 추가 탑재물을 포함한 드론의 총 중량입니다.
- 주어진 설정(프로펠러 유형, 배터리 전압 등)에서 각 모터가 생성하는 추력은 모터 추력 표나 제조업체 데이터에서 흔히 찾을 수 있습니다.
- 일관된 단위, 무게와 추력 모두 뉴턴을 사용하는 것이 좋습니다. 대략적인 기준으로는 1kg ≈ 9.8N, 1g ≈ 0.0098N입니다.
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공식과 간단한 예
쿼드콥터의 무게가 1000g(약 9.8N)이고, 각 모터가 최대 출력으로 500g(약 4.9N)의 추력을 생성할 수 있다고 가정해 보겠습니다. 모터 4개는 총 추력 4 × 4.9N = 19.6N을 생성합니다. 따라서 TWR = 19.6N/9.8N = 2입니다. 이 2:1의 TWR은 드론이 쉽게 이륙하고, 상승하며, 중간 정도의 기동을 수행할 수 있음을 의미합니다. -
모터, 프로펠러 및 전압을 TWR에 연결
실제로 모터 모델, 프로펠러 크기 또는 배터리 전압(e.g., 4S 대 6S)는 최대 추력을 변화시킵니다. 예를 들어, 6S 배터리에 장착된 고전압 모터는 프로펠러를 더 빨리 회전시켜 더 큰 추력을 제공하고, 결과적으로 TWR을 높일 수 있습니다. 반대로, 더 무거운 탑재량 또는 성능이 낮은 모터는 TWR을 감소시킵니다.
III. 추력 대 중량비에 영향을 미치는 주요 요인
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모터 성능(Kv, 출력 범위 및 효율)
모터의 Kv 정격(볼트당 회전수), 출력 용량, 그리고 효율 곡선은 모두 추력에 영향을 미칩니다. 동일한 전압에서 높은 Kv 모터는 더 높은 회전수를 달성할 수 있으며, 이를 통해 작고 높은 피치의 프로펠러가 더 큰 추력을 생성할 수 있습니다. 그러나 높은 Kv는 종종 더 높은 전류 소모, 발열 증가, 그리고 비행 시간 단축을 의미합니다. 따라서 Kv와 효율의 균형을 맞추는 것이 중요합니다. -
프로펠러 크기 및 형상
프로펠러 직경, 피치, 그리고 블레이드 설계는 추력 출력과 전력 소비에 상당한 영향을 미칩니다. 낮은 RPM에서 대구경 프로펠러는 더 높은 효율로 상당한 추력을 생성할 수 있어 안정적인 비행과 더 무거운 하중에 적합합니다. 더 작고 피치가 높은 프로펠러는 고속 및 민첩한 제어에 탁월하여 레이싱 드론에 널리 사용됩니다. 정적 추력 시험은 실제 비행 조건과 다르다는 점을 기억해야 합니다. 실제 비행 중 추력은 유동적인 공기 속에서 프로펠러 효율 변화로 인해 20~30% 감소할 수 있습니다. -
배터리 용량 및 방전율
배터리의 전압(셀 수, e.g., 14.8V에서 4S 또는 22.2V에서 6S)는 최대 모터 RPM을 설정합니다. 배터리 용량(mAh)과 방전 정격(C-값)은 높은 스로틀에서 필요한 전류를 얼마나 잘 공급할 수 있는지를 결정합니다. 전압이 높을수록 RPM이 높아지고, 따라서 추력이 증가하여 TWR(회전율)이 향상될 수 있습니다. 하지만 ESC와 기타 전자 장치가 이러한 높은 전압을 감당할 수 있는지 확인해야 합니다. 배터리 용량이 클수록 무게가 늘어나 TWR에 영향을 미치므로 균형을 맞춰야 합니다. -
전반적인 무게 감소 및 구조 최적화
드론 무게를 줄이는 것은 TWR을 높이는 효과적인 방법입니다. 프레임을 더 가볍게 하고, 불필요한 부품을 줄이며, 에너지 밀도가 높은 배터리를 사용하면 TWR 비율이 향상됩니다. 무게를 줄이면 불필요한 무게를 극복하여 낭비되는 추력을 줄여 가용 추력으로 더욱 민첩한 비행과 향상된 기동성을 확보할 수 있습니다.
IV. 실제 사례: 데이터에서 의사결정까지
프리스타일과 가벼운 레이싱을 혼합하여 사용하고 싶은 5인치 FPV 쿼드콥터가 있다고 가정해 보겠습니다. 전체 무게(AUW)가 약 1000g(9.8N)이라고 가정합니다.
- 초기 매개변수
- 무게: 1000g ≈ 9.8N
- 모터 선택: 2207 모터를 선택해 보겠습니다. 일부 테스트 데이터에 따르면 특정 5인치 프로펠러를 사용하여 6S 전압에서 각 모터가 약 1600g(약 15.7N)의 추력을 생성할 수 있습니다.*
(*이것은 단지 예시 수치일 뿐이며, 실제 테스트 데이터는 다를 수 있습니다.)
각 모터가 약 15.7N의 출력을 낼 수 있다면, 모터 4개로 총 62.8N의 출력을 낼 수 있습니다. TWR = 62.8N/9.8N ≈ 6.4:1. TWR이 6:1을 초과하는 이 드론은 강력한 가속력과 뛰어난 기동성을 갖춰 프리스타일이나 중거리 레이싱에 이상적입니다.
- 다양한 비행 스타일에 권장되는 TWR 범위
- 항공 사진/안정된 비행: ~2:1 TWR 또는 그보다 약간 높으면 기본 양력과 안정성에 충분한 추력을 얻을 수 있습니다.
- 자유형: ~5:1 ~ 10:1은 민첩성과 제어력의 균형이 좋습니다.
- 레이싱: 10:1 이상은 드문 일이 아니며, 극도로 반응성이 뛰어나지만 핸들링이 어렵고 배터리가 빨리 소모됩니다.
- 최적화 방향
계산된 TWR이 2:1 미만이면 드론은 높은 스로틀 없이는 호버링에 어려움을 겪습니다. TWR을 개선하려면 다음을 고려하세요.
- 더 높은 KV 모터나 더 큰 추력 출력을 제공하는 모터를 사용합니다.
- RPM과 추력을 높이기 위해 4S 배터리에서 6S 배터리로 전환합니다.
- 더 가벼운 구성 요소를 선택하여 전체 무게를 줄입니다.
- 더 효율적이고 추력이 높은 프로펠러를 선택합니다.
TWR이 매우 높은 경우 (e.g., >10:1) 폭발적인 성능을 발휘하지만 너무 민감하거나 부드럽게 비행하기 어려울 수 있습니다. 부드럽게 하려면:
- 추력이 덜한 Kv가 약간 낮은 모터나 프로펠러를 선택하세요.
- 단순한 추진력보다는 효율성에 최적화된 소품을 사용하세요.
- 드론의 탑재량을 약간 증가시킵니다.e.g., 카메라나 작은 액세서리를 추가하면 더욱 제어하기 쉬운 조작이 가능합니다.
V. TWR 외 다른 요소 고려
TWR은 필수적인 지표이지만, 전체 퍼즐의 한 조각일 뿐입니다. 설계자와 조종사는 다음 사항도 고려해야 합니다.
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비행 시간 및 효율성
높은 TWR은 종종 최대 출력 시 더 높은 출력을 의미하며, 이는 배터리 소모를 증가시킵니다. 비행 시간을 중시하는 조종사는 낮은 Kv 모터와 더 효율적인 프로펠러를 선호할 수 있으며, 이는 적절한 TWR과 적절한 항속 시간을 제공하는 균형을 이룹니다. -
ESC 매칭 및 전류 요구 사항
TWR을 개선하려면 높은 전류를 소모하는 모터와 프로펠러를 선택해야 할 수 있습니다. ESC가 최대 전류를 감당할 수 있는지 확인하십시오. ESC 정격(연속 및 버스트 모두)은 모터의 최대 스로틀 전류 소모량을 초과해야 합니다. 너무 작은 ESC를 선택하면 손상이나 고장의 위험이 있습니다. -
배터리 전압 및 용량 균형
4S에서 6S로 전환하면 일반적으로 TWR이 증가하지만, 더 높은 전압에 호환되는 전자 장치가 필요합니다. 또한, 더 큰 배터리는 무게를 증가시켜 TWR을 감소시킬 수 있습니다. 좋은 방법은 배터리가 과도한 무게 증가 없이 충분한 전력을 공급할 수 있는 최적의 지점을 찾는 것입니다. -
프로펠러 특성 및 비행 스타일
레이서들은 최고 속도와 추력을 위해 더 높은 피치의 프로펠러를 사용할 수 있는 반면, 프리스타일 파일럿들은 균형 잡힌 추력과 효율성을 갖춘 반응성이 더 좋은 프로펠러를 선호할 수 있습니다. 정적 추력 수치는 참고용이지만, 실제 비행 성능은 유동적인 공기 속에서 프로펠러가 어떻게 작동하는지에 따라 크게 달라집니다. 테스트 결과와 커뮤니티 피드백은 매우 중요합니다.
VI. BLDC 모터 추력 데이터 활용
많은 FPV 애호가들은 BLDC 모터의 추력 데이터를 얻는 방법에 대해 궁금해합니다.제조업체와 제3자 리뷰어는 다양한 스로틀 설정, 프로펠러 크기 및 전압에서 추력과 전류 소모량을 보여주는 추력표를 제공하는 경우가 많습니다. 이러한 추력표는 부품 구매 전에 TWR을 예측하는 데 도움이 됩니다.
예를 들어, 모터 데이터시트에 특정 프로펠러와 전압 구성에서 최대 출력 시 추력이 나와 있다면, 여기에 모터 수를 곱한 후 드론의 총 중량으로 나누어 TWR을 추정할 수 있습니다. 예측된 TWR이 목표에 미치지 못한다면, 다른 모터, 프로펠러 또는 배터리 구성을 고려해 볼 수 있습니다.
VII. 사례 연구: 2207 모터와 2306 모터 비교
5인치 FPV 드론에 사용되는 두 가지 일반적인 모터 크기인 2207과 2306을 비교해 보겠습니다.
- 2207 모터스
- 종종 높은 최대 추력이 가능합니다(e.g., 모터당 1000g 이상)을 5인치 설정으로 쉽게 5:1 이상의 TWR을 달성할 수 있습니다.
- 인기 있는 자유형 선택으로 알려져 있으며, 힘과 효율성이 적절하게 조화를 이룹니다.
- 곡예와 적당한 경주를 처리할 수 있는 반응성이 뛰어나고 강력한 드론을 원하는 조종사에게 적합합니다.
- 2306 모터스
- 최대 추력이 약간 낮아질 수 있습니다(예: 비슷한 조건에서 모터당 약 850g). 이로 인해 TWR이 다소 낮아질 수 있습니다.
- 중간 스로틀 범위에서 효율성이 더 높아져 비행 시간이 늘어날 수 있습니다.
- 강력한 힘보다는 부드러운 비행과 긴 비행 시간을 중시하는 조종사에게 적합합니다.
TWR 관점에서 볼 때, 2207 모터는 폭발적인 가속을 위한 더 많은 추진력을 제공하는 반면, 2306 모터는 중간 스로틀에서 더 효율적인 순항을 제공하여 드론을 더 원활하게 제어하고 비행 시간을 연장할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
VIII. TWR 및 비행 제어 느낌
TWR은 비행 컨트롤러 튜닝(PID 튜닝)과도 상호 작용합니다. 높은 TWR 설정은 작은 스로틀 변화에도 민감하게 반응하여 드론이 "움찔거리는" 느낌을 줄 수 있습니다. 조종사는 민감도를 조절하기 위해 PID 게인이나 스로틀 커브(엑스포)를 조정해야 할 수도 있습니다. 반대로 낮은 TWR 설정은 더 순하게 느껴지지만, 숙련된 조종사가 원하는 민첩성은 부족할 수 있습니다. 비행 컨트롤러 튜닝 과정은 드론이 제어되고 예측 가능한 느낌을 줄 수 있도록 적절한 균형을 찾는 것입니다.
IX. 실제 TWR에 영향을 미치는 환경 요인
이론적인 TWR은 정적 조건에서 계산되지만 실제 요인은 드론의 유효 추력을 수정할 수 있습니다.
- 바람: 강한 바람은 위치와 고도를 유지하기 위해 더 많은 추력을 요구하므로 기동에 사용할 수 있는 추력 여유가 줄어듭니다.
- 공기 밀도: 고도가 높거나 덥고 습한 환경에서는 공기 밀도가 감소하여 프로펠러 효율이 떨어지고 결과적으로 효과적인 추력이 감소합니다.
까다로운 조건에서 비행할 때, 더 높은 TWR은 안전 여유를 제공합니다. 강풍이나 프로펠러 효율 감소가 예상될 경우, 안정적인 성능을 보장하기 위해 설계 시 TWR을 약간 더 높이는 것을 목표로 하십시오.
X. 이론에서 실천으로: 설계-테스트-비행 루프
실제 FPV 드론 제작에서 TWR 계산은 첫 단계일 뿐입니다. 숙련된 조종사들은 종종 다음과 같은 반복적인 과정을 따릅니다.
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이론적 계산:
먼저 TWR을 추정하고, 비행 시간을 예측하고, 현재 요구 사항을 확인하세요. -
구성 요소 선택 및 조립:
TWR 목표에 맞는 모터, 프로펠러, ESC, 배터리를 선택하세요. 프로토타입 드론을 제작하세요. -
벤치 테스트 및 조정:
실제 측정값이 예측값과 일치하는지 확인하기 위해 지상에서 추력 시험을 실행하세요. 필요한 경우 조정하세요. -
초기 비행 및 PID 튜닝:
안전한 곳에서 시험 비행을 해보세요. 드론의 민첩성이 기대에 부합하는지 평가해 보세요. 너무 떨리나요? PID 튜닝을 부드럽게 하거나 프로펠러를 약하게 조정해 보세요. 너무 느리나요? 피치가 높은 프로펠러나 무게가 가벼운 프로펠러를 사용해 보세요. -
최종 최적화:
비행 경험을 바탕으로 레이싱, 프리스타일, 안정적인 시네마틱 등 자신의 스타일에 맞는 성능, 제어성, 효율성 간의 균형을 이룰 때까지 설정을 개선하세요.
결론
추력대중량비는 FPV 드론 설계 및 최적화에 있어 중요한 지표입니다. 단순한 수치가 아니라 모터 성능, 프로펠러 특성, 항공기 중량, 그리고 배터리 구성의 종합적인 결과입니다. 추력대중량비(TWR) 계산을 숙달하고 이를 어떻게 조정할지 이해하면 드론 제작자와 조종사가 정보에 기반한 결정을 내릴 수 있도록 안내하여 궁극적으로 비행 성능과 조종 감각을 향상시킬 수 있습니다.
눈부신 가속을 갈망하는 고성능 레이서부터 안정적이고 꾸준한 비행을 추구하는 항공 사진작가까지, TWR 데이터를 활용하면 조종사는 자신의 특정 요구에 맞는 맞춤형 드론을 제작할 수 있습니다. 이 글에서 제공하는 통찰력과 사례를 통해 FPV 애호가들은 TWR 계산을 통해 더욱 보람 있고 효율적이며 역동적인 비행 경험을 얻을 수 있습니다.