나만의 작은 틸트로터 만들기 3 - 추진 시스템 선정

다음 글에서 이어지는 글이다.

1편 : 나만의 작은 틸트로터 만들기 1 - 요구사항 정의, https://stella47.tistory.com/458

2편 : 나만의 작은 틸트로터 만들기 2 - 로터 어셈블리 한계 하중 추정, https://stella47.tistory.com/460

 

본 글에서는 프롭과 모터, ESC를 선정하려고 한다.

앞선 글에서 로터 어셈블리 1세트 당 최대 추력은 3kg으로 정했다.

그리고 글이 길기 때문에 목차를 정리한다.

 

1. 프롭 선정
2. 최대 소비 전력으로부터 모터-ESC 선정
3. 멀티로터 호버링 특성으로부터 로터 당 비행중량 추정
4. 호버링 추력으로부터 프롭 갯수 선정
5. 비행 소비전력 추정
6. 비행 시간에 따른 배터리 선정
7. 추진 시스템 선정 정리

 

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프롭 선정

기존의 로터 블레이드와 비슷한 크기와 추력을 가지는 프롭을 골라보자.

참고로 T-motor 가 좋은 이유는 쓰로틀 포지션에 대한 상태 정보를 제공해주어서 좋다.

T-motor 의 카본 폴딩 프롭은 15.2'' (386mm) 부터 시작해서 꽤 크다.. [1,2]

T-motor 의 폴리머 폴딩 프롭은 13'' (330mm) 부터 시작한다.

이런 조건으로부터 고른 프롭은 두 가지[3,4]이다.

Prop 1. MF1503 (15x5.4) : $ 34.9

Prop 2. FA15.2x5'' : $ 97.9

 

프롭이 그리 비쌀 필요는 없다...ㅠ

MF1503 으로 하자.

그러나 이 프롭은 데이터가 없으므로 15X5 기준으로 분석해보도록 하자.

 

최대 소비전력으로부터 모터-ESC 선정

프롭-모터의 추력 당 소비전력에 대한 대략적인 추세를 볼 수 있다.

유사한 직경과 피치를 가지는 프롭인 15X5CF를 이용한 데이터로, RPM 범위는 대략 4000~7000 RPM 사이이다.

대략적으로 10 의 감속비를 갖는 기어를 통해 감속된다고 하면 KV도 유사하게 일치한다.

멀티로터의 효율비라고 말하는 추력당 소비전력은 5.5~9.5 g/W 임을 알 수 있다.

프롭-모터의 쓰로틀 포지션에 따른 소비 전력

로터 어셈블리 1세트 당 최대 추력은 3kg으로 정했으므로, 최대 추력에서의 소비전력 효율이 나쁜 상태를 가정하여 5.5 g/W이라하면 모터에서 사용하는 최대 전력은 약 550W 이다.

이때 피치 제어를 통해서 모터의 소비 전력에 1.5배 가량의 여유를 준다면.. 820W 즈음 될 것이다.

헬기의 최대전력소모량을 보면 자중과 유사한 값을 가지는 것을 볼 수 있다.

그러나 Trex450의 스펙 상 전류소모와 실기체의 무게 비율 1:1.5를 미루어보았을 때,

최대 추력이 3kg인 기체의 스펙 상 전류 소모가 2kW일 것이다.

이는 3D 기동으로 Governing을 하다보니 그렇다고 예상된다.

이런 세팅으로 하면 추력에 괭장한 여유가 있을 것으로 생각된다.

멀티로터 정도의 기동 수준이면 좋겠는데..

약 1kW를 소모하는 모터-ESC 세트가 있으면 좋을 것 같은데..

아쉬운대로 T-Rex 470용 470MX + RCL-BL50X를 구해보면 될 것 같다.

블레이드의 피치를 제어하기 때문에 멀티로터처럼 RPM이 높을 필요가 없을 것 같다.

그리고 RC 헬기처럼 곡예기동을 하진 않기 때문에 전력소비가 더 크진 않아도 될 것 같다.

 

정리

1. 멀티로터 모터의 소비전력 당 추력비는 최소 5.5g/W이다.

로터 어셈블리 당 최대 추력 3kg, governing을 고려하여 1.5배 하면 820W 이상 필요

2. Trex 계열 기체의 최대 소비전력 대 비행 중량 비는 1:1.5~1.15 이다.

최대 추력 3kg 에 대해 최대 소비 전력은 2.0~2.6kW 이다.

하지만 이는 3D 기동을 가정하고 있기 때문에 참고만 하도록 한다.

 

멀티로터 호버링 특성으로부터 로터 당 비행중량 추정

고정익과 멀티로터, 그리고 VTOL 기들의 비행 중량 당 최대소비전력 (Max. Power Comsumption per Weight, MPCW) 을 분석해본 결과, (MPCW가 있는 말은 아니지만 쓰기 귀찮아서 줄인다.)

고정익은 0.1~0.4 [W/g] (10~40W/100g) 으로 상대적으로 낮은 편이나 [5]

MPCW은 0.5~1.2 사이에서 움직이는 것을 볼 수 있으며,

대형 VTOL 기체인 FlyingDragon 2120mm 는 상대적으로 매우 낮은 것(MP 0.45, FW 0.23)을 볼 수 있다.

따라서 VTOL기의 최소 MPCW 범위는 0.4~0.5 이며, 최대로는 1.2까지 사용하는 것을 확인했다.

비행체 별 중량 당 최대소비전력 비교표

모터 470MX 1800KV 의 최대 소비 전력은 890W이다.

MPCW 0.5을 가정하면 모터 당 비행 중량은 1.8kg 이하여야한다. (트윈로터 기준 총 3.6kg 이하)

 

호버링 추력으로부터 프롭 갯수 선정

MF1503의 추천 추력으로부터 블레이드 당 추천 추력은 0.5~0.7 kg 이다.

(소비전력 예측으로부터 쓰로틀 포지션이 55~60% 일 것으로 예상한다.)

호버링 기준으로 모터 당 비행 중량 1.8 kg을 만족시키려면 3엽이 필요하다. 

 

비행 소비전력 추정

MF1503이 15X5.4임을 알기에 15X5와 비교했다.

데이터가 있는 15X5CF 기준으로 MF1503과 비교해보면 MF1503이 피치가 조금 더 크기 때문에 추력선이 좌측으로 쪼오끔 평행이동한 형상인 것을 볼 수 있다.

이에 따라 소비전력도 비슷하다고 가정해본다면

최대 RPM은 7000, 2엽에서 최대 소비전력은 600 W 이다.

3엽을 가정하면 900W 일 것이다.

 

비행 시간에 따른 배터리 선정

멀티로터 모드 : 

쓰로틀 포지션이 55%일 때 호버링이 된다면 (블레이드 당 추력 0.5kg, 비행 중량 3kg)

로터 당 약 130W 를 소모할 것이다, (6S 22.2V -> 2 x 5.8A Continuous)

고정익 모드 :

양항비가 나쁜 비행기라고 가정하여 L/D=5라고 한다면

항력=추력=0.6kg 이며 블레이드 당 추력이 0.1kg 가 되므로

매우매우! 적다..

 

멀티로터 모드를 기준으로 호버링 20분이 가능하도록 한다면

6S 3900mAh 정도면 되겠다.

배터리 중량이 700g 가량이 된다.

고정익 모드에서는 100분이나 될 것이다!

 

추진 시스템 선정 정리

1. 허용하중배수를 3으로 해서 로터 어셈블리 당 최대 추력을 3kg으로 가정했다.
2. 다른 모터 추중비를 봤을 때, 최악의 경우 5g/W 이고 최대 550W가 필요하며, 피치 제어의 여유를 고려할 때(1.5배) 820W인 모터-ESC 세트가 필요하다. (T-Rex 470용 470MX + RCL-BL50X)
3. VTOL은 MPCW가 0.5 이상으로 설계 목표를 정한다.
4. VTOL의 MPCW으로부터 로터 1세트 당 비행 중량은 1.8kg 이하여야 한다. 
5. 비행 중량으로부터 프롭은 3엽이 필요하다.

 

Parts	Name	Specification
Rotor Assembly	T-rex 450 Rotor Assembly - 3 paddle
Motor	Align 470MX 1800KV	Input Volt 6S Max Continuous Current 40A / Peak 60A (2 sec) Max Continuous Power 890W/ Peak 1300W (2 sec)
ESC	RCL-BL50X	Input Volt 2~6S Max Continuous Current 50A / Peak 70A
Prop	MF1503 - 3 paddle
Battery	22.2V (LiPo 6S)	over 3900mAh over 700g

 

로터 어셈블리 당 특성

• 820W 이상 최대 소비 전력
• 최대 추력 3kg 가정
• 호버링 추력 1.8kg 이하 (1.5kg으로 하자)
• 3엽 로터

기체 특성

• 비행 중량 3kg 이하

 

다음 장에서는 추진 시스템으로부터 정리된 설계 목표와 제품들을 감당하기 위한 고정익의 공력 형상을 설계할 것이다.

본 글은 추진 시스템으로부터 멀티로터 구성을 설계한 것 과 같다.

 

다음 글 : 4편 나만의 작은 틸트로터 만들기 4 - 로터 어셈블리 모델링

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[1] T-motor, Foldable Carbon Fiber Propeller, https://uav-en.tmotor.com/html/multirotor/propellers/folding/

[2] T-motor, Polymor Folding, https://uav-en.tmotor.com/html/UAV/Multirotor/Propellers/Folding/

[3] T-motor, MF1503, https://uav-en.tmotor.com/html/2019/Folding_0603/251.html

[4] T-motor, FA15.2×5" https://uav-en.tmotor.com/html/2018/folding_0410/100.html

[5] "RC 출력 산출" https://blog.naver.com/leo778/110109670697