작성자: Lauren Nagel
드론, 무인 항공기(UAV), 전기 수직 이착륙기(eVTOL) 분야에서 최적화된 모터-프로펠러 구성을 갖추는 것은 항공기가 비행할 수 있게 할 뿐만 아니라 최적의 성능을 발휘하도록 해줍니다.
제조업체의 데이터는 어떤 모터와 프로펠러가 설계에 적합한지 짐작할 수 있게 해주지만, 테스트 방식이 표준화되어 있지 않아 제조사 간 부품을 비교하는 것은 불가능합니다.
추력 스탠드가 드론 성능을 개선하는 데 도움이 되는 몇 가지 방법은 다음과 같습니다:
| • 비행시간 연장 | • 진단 정보 획득 |
| • 탑재 중량 증가 | • 안전성 향상 |
| • 비행 거리 연장 | • 인증 획득 |
| • 소음 수준 확인 | • 기체 구조 설계 개선 |
| • 진동 감소 | • 품질 보증 |
| • 신뢰성 향상 | • 스ロット틀 반응 연구 |
| • 비행 중 결빙 방지 | • 비행 재현을 통한 학습 |
| • 예방 정비 | • 과열 및 고장 방지 |
비행시간 연장
모터와 프로펠러를 테스트하는 주요 이유 중 하나는 드론의 비행시간을 늘리는 것입니다. 기체의 비행시간이 늘어나면 더 긴 영상을 촬영하고, 더 많은 데이터를 수집하며, 목표물과 시각적 접촉을 유지하고, 한 번의 충전으로 더 멀리 비행할 수 있습니다. 간단한 테스트와 수정을 통해 비행시간을 소중한 몇 분 더 늘려 경쟁사보다 우위를 점할 수 있습니다. 좋은 사례로 오타와 대학의 기계공학 석사 과정 학생 두 명이 다양한 모터-프로펠러 조합을 테스트하여정찰 헬리콥터 드론의 비행시간을 두 배 이상 늘린 사례가 있습니다.
테스트 과정에서 학생들은 더 가벼운 전기 부품도 동일하게 우수한 성능을 낸다는 것을 확인했으며, 기존에 사용하던 것보다 더 효율적인 모터를 찾아냈습니다. 그 결과 소음이나 탑재 중량에 영향을 주지 않으면서 헬리콥터의 비행시간을 3분에서 7분으로 늘렸고, 훌륭한 항공우주 기업을 세울 아이디어도 얻었습니다. 이 사례는 효율성 증대를 중심으로 하는 설계의 기본적인 수정을 통해 비행시간을 개선할 수 있음을 보여줍니다.
추가 읽을거리: 드론의 비행시간을 늘리는 방법
탑재 중량 증가
새롭게 등장하는 많은 드론 활용 분야에서는 기체가 이전보다 더 오래, 더 멀리 온갖 종류의 탑재물을 운반할 수 있도록 요구합니다. 탑재 중량 요구 사항을 충족하려면 종종 여러 모터와 프로펠러를 테스트해야 하지만, 개선된 UAV 운용 덕분에 초기 투자 비용은 거의 항상 회수될 것입니다. 드론의 탑재 중량을 극대화하는 것은 eVTOL 설계, 운송 및 배송, 영상 촬영, 화물 운반, 인원 수송 등의 산업에서 중요합니다.
취미용 드론은 종종 최대 2kg의 탑재 중량을 갖추고 있으며, '중량물 운반' 카테고리의 드론은 수백 킬로그램의 화물을 운반할 수 있습니다. 탑재 중량 요구 사항이 무엇이든 여러 모터/프로펠러 구성을 테스트하면 비용 대비 최고의 성능을 얻을 수 있습니다. 도쿄에 본사를 둔 항공우주 기업인 SkyDrive는 이러한 테스트를 활용하여 드론의 기하학적 구조, 크기 및 부품을 최적화합니다. 최근 이 회사는 30kg의 탑재 중량으로 15분간 비행할 수 있는 중량물 운반 드론을 제작했습니다. 최종 제품인 'CargoDrone'에는 4개의 동축 로터가 장착되어 총 8개의 프로펠러와 모터가 들어 있습니다.
비행 거리 연장
개선된 안테나와 거리 연장 장치 덕분에 미개척지로 UAV를 비행할 수 있는 능력이 크게 향상되었습니다. 이제 제한 요인은 드론과 통신할 수 있는 거리가 아니라, 한 번의 충전으로 기체가 얼마나 오래 비행할 수 있느냐입니다. 드론의 추진 시스템을 테스트하면 동력 계통의 효율을 극대화하여 비행 거리를 늘리고 비행시간을 연장하는 데 도움이 됩니다. 이는 접근하기 어려운 지형이나 해상에서 임무를 수행할 때 특히 중요합니다.
드론이 귀환에 필요한 출력을 내지 못하면 완전히 분실될 수 있습니다. 야심 찬 영상 촬영 프로젝트와 정찰 비행에서는 기체와 수집한 영상이 분실되지 않는다는 보장이 필요합니다. 이러한 보장이 있다면 스위스 알프스의 마터호른을 담은 이 멋진 투어 영상처럼 훌륭한 영상을 자신 있게 촬영할 수 있습니다. 추진 시스템을 테스트하고 최적화하면 이러한 비행이 가능해질 뿐만 아니라, UAV에서 정확히 어떤 성능을 기대할 수 있는지 알 수 있다는 추가적인 이점도 얻을 수 있습니다.
소음 수준 확인
많은 사람이 드론과 eVTOL 항공기의 미래를 고대하고 있지만, 가장 큰 사회적 우려 중 하나는 소음 수준의 증가와 그것이 환경에 미치는 영향입니다. 드론이 머리 위를 날아다니며 택배를 배송하고 건물을 점검하며 사람들을 직장으로 데려다줄 가능성이 있는 만큼, 이는 타당하고 정당한 우려입니다. 많은 드론 활용 분야에서 발생하는 소음의 양은 드론을 사용할지 여부를 결정하는 중요한 요소가 될 것입니다. 이는 일상적인 활용뿐만 아니라 정숙성을 요구하는 감시 및 정찰 작전에서 특히 그렇습니다. 드론의 추진 시스템을 테스트하면 발생하는 소음 수준을 예측하고 첫 비행을 하기 전에 문제를 해결할 수 있습니다. 이러한 통찰은 궁극적으로 더 효과적이고 경쟁력 있는 UAV 솔루션으로 이어질 수 있습니다.
이 기술이 활용되는 고무적인 사례 중 하나는 야생동물 모니터링 및 보전 노력입니다. Ocean Alliance의 'SnotBot' 프로그램은 개체군의 건강 상태를 더 잘 이해하기 위해 고래에서 유기 샘플을 수집하도록 개조된 소비자용 드론을 활용합니다. 이 원정에서 사용되는 드론은 고래를 방해하거나 놀라게 하지 않도록 매우 조용하게 제작되었으며, 이는 연구의 지속 가능성을 위한 가장 중요한 요구 사항입니다. UAV 소음의 대부분은 모터와 프로펠러에서 발생하므로, 모터와 프로펠러를 테스트하고 비교하는 것이 가장 조용한 설계안을 구상하는 데 가장 좋은 방법입니다.
진동 감소
모든 동력 계통은 어느 정도의 진동을 발생시키지만, 과도한 진동은 부품에 손상을 줄 수 있으며 일반적으로 효율성이 떨어진다는 것을 나타냅니다. 추진 시스템에 진동 테스트를 실시하면 프로펠러의 균형을 맞추고 비효율성을 감지하며 설계를 간소화하는 데 큰 도움이 됩니다. 이를 통해 부품이 더 오래 지속되고 한 번의 배터리 충전으로 더 높은 성능을 얻을 수 있음을 알게 될 것입니다.
진동을 줄이는 것은 진동으로 인해 흔들리거나 흐릿한 영상이 발생할 수 있는 드론 영상 촬영 분야에서 특히 중요하며, 이는 젤로 효과의 증상입니다. 스태빌라이저와 후반 편집으로 영상의 품질을 개선할 수 있지만, 애초에 진동을 줄이면 시간과 비용을 절약할 수 있습니다. 약간의 테스트만으로도 이러한 부드러운 비행과 영상을 쉽게 얻을 수 있습니다.
신뢰성 향상
드론의 고장률이 상업용 항공기에서 관찰되는 것보다 약 두 자릿수 더 높기 때문에 드론 업계에서는 신뢰성을 높여야 할 강력한 동기가 있습니다. 무인 항공기가 유인 항공기가 현재 담당하는 기능을 대체하려면 신뢰성, 즉 고장 간 평균 시간(MTBF)이 향상되어야 합니다. 추진 시스템을 테스트하면 데이터를 통해 부품의 상태를 파악할 수 있으므로 고장을 방지하고 예측하는 데 도움이 됩니다.
예를 들어 신뢰성, 가용성, 유지보수성 및 안전성(RAMS) 평가를 수행하는 것은 드론의 신뢰성을 입증하는 훌륭한 방법입니다. 이는 소비자가 인지하고 신뢰하는 업계 공인 테스트이기 때문입니다. 시스템이 최적화되면 신뢰성 테스트 데이터는 참고하거나 마케팅 전략의 일환으로 게시할 수 있는 유용한 자료가 됩니다.
비행 중 결빙 방지
모터와 프로펠러를 테스트하면 비행 중 결빙의 위험과 영향과 같은 환경 요인이 드론에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 데 도움이 됩니다. 비행 중 결빙 또는 '대기 결빙'은 얼음이 쌓이면서 항공기의 공기역학적 특성을 변화시키기 때문에 드론 운용에 큰 장애가 될 수 있습니다. 얼음이 쌓이면 무게와 항력이 증가하여 양력이 감소하고, 결과적으로 드론의 비행 능력을 저해합니다. NRC의 풍동 실험은 온도와 프로펠러 유형이 얼음 부착에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 결빙 조건에 노출되는 시간이 늘어날수록 토크가 시간에 비례하여 증가한다는 것을 보여주었습니다. 저온 내성은 추운 기후, 고고도 및 열악한 기상 조건에서 운용되는 드론에 필수적입니다.
드론이 저온에 어떻게 반응하는지 알면 그에 맞게 설계하고, 제빙 제품에 대한 추가 투자가 필요한지 판단하는 데 도움이 됩니다. 제빙 기술 분야의 세계적인 선도 기업인 UBIQ Aerospace는 풍동 실험에서 프로펠러의 공기역학을 테스트하여 UAV에 얼음이 쌓이는 패턴과 영향을 연구합니다. 이들의 테스트를 통해 고정익 UAV의 얼음 부착을 완화하는 D•ICE 기술을 개선할 수 있었습니다. 추운 날씨에 드론을 운용할 때는 프로펠러 테스트가 성능을 예측하는 데 매우 귀중한 정보원이 될 수 있습니다.
추가 읽을거리: 드론 결빙을 유발하는 조건
예방 정비
드론 유지보수, 더 나아가 모든 기체의 유지보수에서 시간과 비용을 절약하는 가장 좋은 방법 중 하나는 마모와 손상이 문제가 되기 전에 수리하는 것입니다. 치명적인 고장으로 드론 전체를 교체해야 하는 것보다 교체 부품에 투자하는 것이 훨씬 낫습니다.
모터와 프로펠러를 테스트하는 것은 이 절차의 중요한 부분입니다. 손상은 항상 눈에 띄는 것은 아니기 때문입니다. 물에 의한 손상이나 이물질로 인한 경미한 침식도 모터 효율에 영향을 주어 드론의 성능을 제한할 수 있습니다. 프로펠러 또한 시간이 지나면서 균형이 맞지 않게 되어 진동이 증가하고 전체 추진 시스템을 마모시킬 수 있습니다. 예방 정비 일정의 일환으로 동력 계통을 테스트하면 이러한 비효율성을 감지하여 드론 성능을 개선하고 시간과 비용을 크게 절약할 수 있습니다.
진단 정보 획득
설계 단계뿐만 아니라 모터와 프로펠러 데이터는 기체의 수명 내내 유용하게 활용될 수 있습니다. 예를 들어 50 비행시간마다 정기적으로 진단 정보를 기록하면 시간이 지남에 따라 드론의 성능을 모니터링하는 데 도움이 됩니다. 이러한 테스트는 마모와 효율 저하를 감지하는 데 유용합니다.
진단용 모터 및 프로펠러 테스트는 UAV가 왜 최적의 성능을 내지 못했는지에 대한 통찰을 제공하거나, 예상치 못한 손상으로 인해 기대하는 성능을 달성하지 못할 수 있다는 경고를 해줄 수도 있습니다. 습도가 높거나 온도가 높고, 먼지와 이물질이 많은 환경에서 운용되는 드론은 예상보다 빨리 마모되어 예상보다 짧은 비행시간이나 기대에 못 미치는 최대 스로틀 성능으로 당황하게 할 수 있습니다. 추진 시스템의 진단 테스트는 고장이 발생하기 전에 이러한 약점을 감지하여 불편하거나 잠재적으로 위험한 상황을 방지할 수 있습니다.
안전성 향상
안전은 아마도 드론 및 전기차 산업의 투자자와 규제 기관이 가장 중요하게 여기는 요소일 것입니다. 확실한 보장이 없다면 항공기는 시장에 진입하여 그 목적을 수행하도록 허용되지 않을 것입니다. 시스템 구성 요소, 특히 분당 수천 회전하는 모터와 프로펠러를 테스트함으로써 비교적 손쉽게 더 안전한 설계를 달성할 수 있습니다.
이러한 요소를 더 잘 이해하면 과열, 엔진 고장, 전력 손실 등을 방지하여 사고와 부상을 예방할 수 있습니다. 하늘이 항공기로 점점 더 붐비게 됨에 따라 시민들은 항공기가 규정대로 작동하여 인간 활동에 아무런 위협이 되지 않는다는 확신을 가져야 합니다. 안전 테스트는 개별 기체와 업계 전체의 신뢰성을 크게 높여 성능을 보장하고 투자자, 정부 관계자, 일반 대중 모두에게 안심을 줄 수 있습니다.
인증 획득
많은 일반적인 드론 운용에는 규제 당국으로부터의 면제 또는 예외 허가와 같은 특별한 허가가 필요합니다. 예를 들어 미국에서는 FAA의 소형 UAS 규칙 중 Part 107에 포함되지 않은 모든 운용에 면제 허가가 필요합니다. 면제가 필요한 운용 목록에는 야간 비행, 가시거리 밖 비행(BVLOS), 사람 위 비행, 지표면으로부터 400피트 이상 비행 또는 시속 100마일 초과 비행이 포함됩니다. 이 목록은 자연스럽게 많은 취미용 및 상업용 드론 운용 활동과 겹칩니다.
면제 허가를 얻는 것은 주로 신청자가 FAA에 자신의 운용이 안전하다는 것을 설득할 수 있는 능력에 달려 있으며, UAV 추진 시스템에 대한 광범위한 테스트는 안전한 기체를 평가하는 데 중요한 부분입니다. 추진 테스트를 수행하고 재현 가능성을 입증하는 것은 면제 허가 신청을 크게 뒷받침하는 동시에 설계자에게 귀중한 정보를 제공할 수 있습니다. 규정은 전 세계적으로 다르지만, 많은 설계자는 전 세계 드론 인증에 추진 데이터가 유용하거나 필수적이라는 것을 알게 될 것입니다.
기체 구조 설계 개선
드론의 효율성을 개선하는 것은 특정 가정을 바탕으로 시작되는 순환 과정입니다. 이러한 가정에는 드론의 총중량과 개별 부품의 무게뿐만 아니라 사용 목적이 포함될 수 있습니다. 이러한 초기 가정을 세운 후에는 추진력 테스트를 통해 설계가 제안된 목적에 필요한 요구 사항을 충족하는지 확인할 수 있습니다. 레이싱 드론의 경우 설계가 속도 요구 사항을 충족하는지, 배송 드론의 경우 최소 비행 시간을 달성할 수 있는지 확인할 수 있습니다.
가장 좋은 점은 초기 설계가 요구 사항을 충족하지 못할 경우 새 모터와 프로펠러로 교체하여 이상적인 구성을 찾을 수 있다는 것입니다. 이상적인 동력 계통 구성을 찾은 후에는 새 배터리를 시도하거나 프레임을 수정할 수도 있습니다. 초기 가정은 최적화 과정을 안내하지만, 한 차례 검토를 완료하면 설계의 다른 수정 사항에 대해 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다.
추가 읽을거리: 드론 설계 계산 및 가정
품질 보증
추진력 테스트는 잠재적인 투자자와 고객에게 제공하는 품질 보증을 강화하고 신뢰성을 높일 수 있습니다. 엄격한 성능 데이터를 마케팅 제안의 근거로 제시하는 것은 제품에 대한 신뢰를 높이고 영업팀에 경쟁 우위를 제공하는 훌륭한 방법입니다. 판매뿐만 아니라 모터와 프로펠러를 테스트하면 데이터 시트에 유용한 정보를 제공하고, 설계자는 기체가 광고된 대로 성능을 발휘할 것임을 알 수 있어 안심할 수 있습니다.
추진력 테스트를 통해 제품을 더욱 표준화하여 각 기체가 동일하게 성능을 발휘하도록 할 수 있습니다. 이는 추가적인 보안 수준을 통해 공장에서 출고되는 불량 제품 수를 줄여 고객 지원 요청에 소요되는 시간을 단축하는 결과로 이어집니다. 사업 규모가 크든 작든 모터와 프로펠러를 테스트하는 것은 품질 보증의 신뢰성을 높이고 제품 간 일관성을 확보하는 훌륭한 방법입니다.
스로틀 응답성 연구
제어 입력의 변화에 추진 시스템이 얼마나 빨리 반응하는지 파악하는 것이 종종 필요합니다. 이러한 테스트 데이터는 돌풍과 같은 방해 요소에 UAV가 얼마나 빨리 반응할 수 있는지에 대한 통찰력을 제공합니다. 추진 시스템의 반응성을 물리적으로 테스트하는 일반적인 방법은 주파수 스윕 제어 신호를 가하는 것입니다. 주파수 스윕은 테스트할 모든 주파수 대역을 커버하도록 주파수가 지속적으로 변화하는 정현파 신호입니다. 수집된 데이터를 통해 UAV 설계자는 스로틀의 갑작스러운 변화에 추진 시스템이 얼마나 빨리 반응할 수 있는지 확인할 수 있습니다.
동력 계통의 반응 시간을 파악하는 또 다른 방법은 계단 입력 신호를 가하는 것입니다. 고속으로 데이터를 기록하는 동안 스로틀에 갑작스러운 변화를 가합니다. 시간이 지나면 프로펠러는 새로운 회전 속도에서 안정화됩니다. 속도가 안정화될 때까지 걸리는 시간을 정착 시간이라고 합니다. 마지막으로 비례 적분 미분(PID) 테스트는 일정한 목표 추력을 명령하여 장시간 동안 추진 시스템의 일관성을 측정할 수 있습니다. 이러한 테스트는 충분한 스크립팅 기능을 갖춘 다이나모미터를 사용하여 수행할 수 있으며, UAV의 스로틀 응답성을 완벽하게 이해할 수 있게 해줍니다.
비행 복제 학습
추진력 테스트는 농업, 측량, 연구 등의 응용 분야에서 더 간단하고 효율적인 비행 복제에 기여할 수 있습니다. 추진력 테스트 장비를 사용하여 비행을 기록하면 설계자는 경로를 자동으로 계획하고 저장한 다음 나중에 스로틀 데이터를 재현할 수 있습니다. 실험실을 떠나지 않고도 설계자는 모터와 프로펠러 성능에 대한 수집된 데이터를 기반으로 비행 계획을 최적화할 수 있습니다. 자율 UAV 기술의 농업 응용 분야는 종종 효율성 원칙에 기반하며, 노동력과 투입 비용을 최소화하는 동시에 인체 건강을 보호하는 추가적인 이점을 제공합니다.
Airboard Agro의 농업용 드론은 험난한 지형에서 미리 프로그래밍된 경로를 따라 작물에 살포 작업을 수행하며, 이전에 사람이 수행하던 힘들고 반복적인 작업을 대신하는 훌륭한 사례입니다. 이 기술의 이점을 진정으로 누리려면 드론은 필요한 속도, 추력 및 안정성을 고려하여 수행할 특정 작업에 맞게 최적화되어야 합니다. 추진력 테스트는 이러한 비행 복제를 개선하고 자율 임무에서 UAV가 최대 효율을 달성하도록 보장하는 훌륭한 자원입니다.
과열 및 열 실패 방지
드론 실패의 가장 흔한 원인 중 하나는 엔진 과열로 인한 엔진 고장입니다. 전기 모터에는 최대 온도 및 전압 정격이 제공되는 경우가 많지만, 모터가 이러한 한계에 도달할 때를 명확히 알기 어려울 수 있습니다. 또한 엔진 냉각이 전류에 의존함에도 불구하고 업계에는 표준화된 전류 정격이 없습니다. 모터의 한계를 테스트하는 한 가지 방법은 열 프로브를 사용하여 다양한 속도 구간에서 온도를 측정하는 것이며, 이는 고장을 피하는 데 유용한 전략입니다.
오하이오주 켄트 주립대학교의 블레이크 스트린저 박사 연구실에서는 전기 모터의 열 특성을 조사하고 고출력 조건에서 sUAS eVTOL 모터의 관리를 살펴보기 위해 이러한 열 테스트를 수행하고 있습니다. 연구실에서 제작된 이 동영상은 열 폭주로 인해 모터가 과열되고 파괴되는 불행한 결과를 보여줍니다. 드론 운용 시간이 길어지고 더 험하고 더운 기후로 이동함에 따라 이러한 연구는 점점 더 중요해지고 있습니다. 설계 초기 단계에서 모터를 테스트하면 과열을 방지하고 궁극적으로 교체 비용을 지불하는 것을 막을 수 있습니다.
추가 읽을거리: 드론 추진력 테스트 자동화 방법
결론
이 글이 드론의 추진 시스템을 테스트함으로써 얻을 수 있는 수많은 이점을 보여주었기를 바랍니다. 당사는 이러한 테스트 기능을 수행하고 설계의 수준을 한 단계 높이는 데 도움이 되는 여러 도구를 제공합니다:
- Series 1585 - 최대 5 kgf의 추력 / 2 Nm의 토크 측정
- Flight Stand 15 - 최대 15 kgf의 추력 / 8 Nm의 토크 측정
- Flight Stand 50 - 최대 50 kgf의 추력 / 30 Nm의 토크 측정
- Flight Stand 150 - 최대 150 kgf의 추력 / 150 Nm의 토크 측정
- Flight Stand 500 - 최대 500 kgf의 추력 / 1500 Nm의 토크 측정
- Windshapers - 자유 비행 테스트를 위한 개방형 풍동
당사의 테스트 스탠드는 추력, 토크, RPM, 전류, 전압, 기계적 출력, 전기적 출력, 모터 효율, 프로펠러 효율 및 전체 효율을 측정합니다. 온라인 스토어에서 제품을 구매하거나, 더 큰 도구에 대한 견적을 원하시면 영업팀에 문의하십시오.