드론 페이로드가 비행시간에 미치는 영향

· 3 분 소요

how does payload affect flight time graph

 

작성자: Lauren Nagel

서론

드론 성능에 있어서 페이로드와 비행 시간이라는 두 가지 중요한 요소 사이에는 불가피한 절충이 존재합니다.

충분한 페이로드 용량은 배송 드론, 화물 드론, 수색 및 구조 드론 등에 점점 더 중요해지고 있습니다.

페이로드가 비행 시간에 어떤 영향을 미치는지 예측할 수 있으면 현실적인 목표와 기대치를 설정하는 데 도움이 됩니다.

이 글에서는 다음 내용을 다룹니다:

  1. 드론 페이로드 계산
  2. DC 모터 RPM(및 추력)을 높이는 방법
  3. 비행 시간 계산기를 이용한 드론 페이로드 비교
  4. 유명 드론의 페이로드
  5. 보너스: 비행 시간과 페이로드 용량을 늘리는 방법
페이로드를 장착한 농업용 드론

그림 1: 페이로드를 장착한 농업용 드론

1. 드론 페이로드 계산

페이로드를 추가하면 비행 시간이 줄어든다는 가정에서 시작할 수 있습니다. 
대부분의 사람은 이를 직관적으로 알지만, 왜 그럴까요? 이 글에서는 드론의 구성 요소는 그대로 두고 페이로드만 늘어난다고 가정합니다. 기체 무게를 줄이는 것도 좋은 방법이며, 페이로드 질량을 줄이는 것과 동일한 효과를 냅니다.

결국 핵심은 이것입니다: 더 무거운 무게를 이겨내려면 프로펠러에서 더 큰 추력이 필요하고, 이를 위해서는 더 높은 RPM이 필요하며, 그러면 배터리에서 더 많은 전력을 소모하게 되어 사용할 수 있는 배터리 수명과 비행 시간이 줄어듭니다.

조금 더 자세히 살펴보겠습니다:

UAV에 질량을 추가하면 지면에서 이륙하는 데 필요한 추력이 증가합니다.

드론이 호버링할 때는 평형 상태이므로 추력은 무게와 같습니다:
드론 추력 공식

평형 상태에서 호버링하는 드론
그림 2: 평형 상태에서 호버링하는 드론

대부분의 드론은 원활하게 이륙하고 상승하며 작동할 수 있도록 최대 추력이 호버링에 필요한 추력의 약 두 배가 되는 것이 좋습니다. 결국 질량이 클수록 더 큰 추력이 필요합니다.

추가 읽을거리: 드론은 얼마나 많은 페이로드를 실을 수 있을까

추력을 계산하는 방법은 몇 가지가 있지만, 일반적으로 프로펠러의 직경과 피치, 공기 밀도, 속도, 회전 속도(RPM)를 포함한 여러 요인에 따라 달라집니다. 다음은 동적 프로펠러 추력에 대한 이 공식에서 보여주듯이:

프로펠러 추력 계산Electric Aircraft Guy가 도출한 이 공식에 따르면, 추력을 높이는 방법은 몇 가지가 있습니다: 프로펠러의 크기를 변경하거나 RPM을 높일 수 있습니다. 이 공식은 상당히 일반적입니다. 더 정확한 추력을 얻으려면 추력 스탠드로 테스트해 보십시오.

프로펠러를 동일하게 유지하므로 RPM을 높여야 합니다.

2. DC 모터 RPM을 높이는 방법

RPM을 높이려면 배터리에서 더 많은 전력, 특히 더 높은 전압을 끌어와야 합니다.

더 알아보기: 이 동영상 보기 전압이 모터 속도에 어떤 영향을 미치는지 확인해 보십시오.

배터리 용량은 종종 와트시(Wh)로 표시됩니다. 용량이 70Wh라면 1시간 동안 70와트의 전력을 끌어 쓰거나 70시간 동안 1와트의 전력을 끌어 쓸 수 있습니다.

더 많은 전력을 끌어 쓸수록 배터리 수명은 짧아집니다. 그리고 여기서 다시 처음으로 돌아옵니다.

더 높은 RPM에 도달하기 위해 더 높은 전압(따라서 더 큰 전력)을 끌어 쓰므로 배터리 수명은 더 빨리 소모되고 비행 시간은 짧아집니다.

3. 드론 페이로드와 비행 시간 비교

다음으로 이를 실제로 살펴보겠습니다. 드론과 배터리 무게, 배터리 용량, 프로펠러 개수 등 드론 정보를 입력할 수 있는 드론 비행 시간 계산기를 개발했습니다. 이 도구는 이 정보와 추진 데이터를 결합하여 비행 시간을 추정해 줍니다.

이 글에서는 페이로드와 비행 시간 사이의 관계를 보여주기 위해 T-Motor MN4014 모터와 APC 12x6e 프로펠러를 갖춘 이 추진 시스템의 데이터를 빌려 사용합니다.

UAV 비행 시간 계산기

그림 3: 샘플 데이터가 포함된 드론 비행 시간 계산기

페이로드가 0이고 드론의 질량이 1.6kg(배터리 포함)일 때, 비행 시간은 39.6분입니다.

페이로드를 0.2kg씩 늘릴 때 비행 시간에 어떤 변화가 생기는지 살펴보십시오: 
드론 페이로드 대비 비행 시간 그래프

그림 4: 드론 비행 시간 대비 페이로드 그래프

페이로드가 점차 늘어남에 따라 비행 시간은 줄어듭니다.

4. 유명 드론의 페이로드

무엇이 "좋은" 페이로드인지 여부는 드론의 크기와 기능 등 많은 요인에 따라 달라집니다. 참고를 위해 몇 가지 유명 드론의 페이로드를 소개합니다:

  • DJI AGRAS T40 페이로드: 50kg(110lbs)
  • DJI Inspire 2 페이로드: 0.8kg(1.8lbs)
  • MQ-9A 리퍼 드론 페이로드: 1,746kg(3,850lbs)
  • Predator RQ-1 드론 페이로드: 204kg(450lbs)
  • Lancet-3 드론 페이로드: 3kg(6.6lbs)
  • SYPAQ 드론 페이로드: 3kg(6.6lbs)
  • Raven RQ-11 UAV 페이로드: 0.18kg(0.4lbs)

 

5. 보너스: 드론 비행 시간과 페이로드 용량을 늘리는 방법

아래 공식은 배터리 용량과 전력 소모가 드론의 비행 시간과 어떤 관계가 있는지 보여줍니다. 더 많은 전력을 끌어 쓸수록 비행 시간은 짧아집니다:

드론 비행 시간 계산

드론의 비행 시간과 페이로드 용량을 모두 늘릴 수 있는 간단한 방법이 하나 있는데, 그 핵심 변수는 바로 효율성입니다. 추진 시스템의 효율을 높이면 배터리에서 끌어 쓰는 전력이 줄어들어 비행 시간이 늘어납니다.

효율 개선은 이 글의 주제는 아니지만, 드론의 성능을 향상시키려는 분이라면 읽어볼 수 있는 드론 비행 시간과 양력 용량을 늘리는 방법 가이드가 있습니다.

결론

이 글에서는 드론 페이로드가 비행 시간에 어떤 영향을 미치는지 살펴보았습니다. 핵심 변수는 추력, RPM, 전기 전력, 배터리 용량입니다.

더 궁금한 점이나 다루었으면 하는 주제가 있다면 아래에 댓글을 남겨 주십시오.