“결과에 따르면 서로 다른 크기의 프로펠러 조합의 경우 효율을 높이려면 작은 프로펠러를 상류에 배치해야 하지만, 최대 추력 용량 측면에서는 두 개의 동일한 프로펠러가 더 유리한 것으로 나타났습니다.”
최근 연구에서 서로 다른 크기의 동축 로터 성능 특성 조사에서 Max Miles와 Stephen D. Prior 박사는 프로펠러 크기와 이격 거리가 무인항공기 추진 시스템의 추력, 효율 및 전력 소비에 어떤 영향을 미치는지 조사했습니다.
이전 연구에서는 큰 프로펠러의 상류에 작은 프로펠러를 배치하면 성능이 향상될 수 있으며, 최적 이격 비율(z/D)은 0.1에서 0.4 사이인 것으로 나타났습니다. Prior 박사 팀은 이러한 결과를 추가로 검증하고 동축 로터 역학에 대한 이해를 넓히고자 했습니다.
테스트 구성
실험은 팀에 잘 알려진 추력 측정 장비인 Flight Stand 15 Pro를 사용하여 수행되었습니다. Prior 박사는 “지난 10년 동안 스케일 프로펠러에 대한 이해와 측정 능력을 향상하기 위해 다양한 TYTO 추력 측정 장비(1585, 1780, FS15)를 사용해 왔습니다.”라고 언급했습니다. 팀은 또한 프로펠러 설계를 최적화하고 특정 운용 범위에 맞춘 3D 프린팅 프로펠러를 테스트하기 위해 맞춤형 MATLAB 스크립트를 개발했습니다.
그림 1: Flight Stand 15 Pro 추력 측정 장비를 마주 보는 동축 구성으로 배치한 모습
각 프로펠러에는 T-Motor의 U8 Kv100 전기 모터를 사용했으며, 초기 검증 후 성능은 Kv80에 맞춰 보정했습니다. 모터는 T-Motor Alpha 60A 6S ESC로 구동했으며, 완전히 충전된 25C 6S(22.2V) 리튬 폴리머 배터리로 전원을 공급했습니다.
연구에서는 26″와 29″ T-Motor 탄소 섬유 프로펠러 조합을 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.35의 5가지 z/D 비율에서 테스트했습니다. 여기서 z/D 비율은 날개 사이의 거리 z와 날개 직경 D의 비율입니다.
두 프로펠러 모두 동일한 스로틀에서 작동했습니다. 스로틀 20%에서 시작하여 시스템이 안정될 때까지 기다린 후, 최대 90%까지 스로틀을 5%씩 높였습니다. 추력 측정 장비 소프트웨어는 추력, 전류, 토크, RPM, 전기 입력 전력 및 기계적 출력 전력을 기록했습니다.
실험용 동축 구성과 비교할 기준을 마련하기 위해 먼저 프로펠러를 단독으로 테스트했습니다. 이 기준은 “이상적인 동축 쌍”으로, 서로 간섭 없이 독립적으로 작동하는 두 개의 분리된 프로펠러를 의미합니다.
아래에 주요 연구 결과 중 일부를 요약했습니다.
결과
이격 거리(z/D 비율) 최적화
추력 손실이 최소화되는 최적 이격 거리는 구성에 따라 약간씩 달랐습니다. 결과는 그림 2에서 볼 수 있듯이, 이격 거리가 작을 때는 성능이 낮고 이격 거리가 증가함에 따라 향상되다가 결국 다시 감소하는 전형적인 “버킷” 모양을 따랐습니다.
작은 프로펠러를 상류에 배치한 서로 다른 크기의 쌍의 경우 이상적인 z/D 비율은 0.2였으며, 다른 구성에서는 최적 이격 거리가 0.1에서 0.2 사이였습니다.
그림 2: 이상적인 동축 쌍과 비교한 동일 크기 및 서로 다른 크기 동축 추진 시스템의 추력 손실
추력 손실
그림 3은 이상적인 동축 쌍과 비교한 각 동축 추진 시스템의 추력 손실 비율을 보여줍니다. 서로 다른 크기의 프로펠러 조합의 경우, 작은 프로펠러를 상류에 배치했을 때 추력 손실이 가장 적었습니다.
26″ 상류 프로펠러와 29″ 하류 프로펠러 조합은 17.3%의 최소 추력 손실을 보인 반면, 반대 구성은 23.8%의 손실을 보였습니다.
그림 3: 이상적인 쌍과 비교한 서로 다른 동축 시스템의 추력 손실
총 추력
각 구성의 총 추력을 비교했을 때, 동일한 크기의 프로펠러 쌍이 가장 높은 순 추력을 생산했습니다. 29″ 프로펠러 쌍은 최대 스로틀에서 34.9N의 추력을 달성했으며, 이는 성능이 가장 뛰어난 서로 다른 크기의 조합보다 12% 더 높았습니다.
서로 다른 크기의 쌍 중에서는 큰 29″ 프로펠러의 상류에 작은 26″ 프로펠러를 배치한 구성이 반대 구성보다 최대 스로틀에서 2.2N 더 많은 추력을 생산했으며, 이는 7.5% 증가한 수치입니다.
그림 4: 동일 크기 및 서로 다른 크기 동축 프로펠러 조합이 생산한 총 추력
프로펠러 크기가 미치는 영향을 배제하기 위해, 동축 프로펠러의 디스크 면적으로 총 추력을 정규화하여 디스크 부하라고 했습니다.
이렇게 정규화한 결과, 29″ 동일 크기 쌍이 400~1700RPM의 모든 회전 속도에서 가장 높은 디스크 부하와 최대 총 추력을 달성했습니다.
그림 5: RPM에 따른 동축 디스크 부하
전력 소비 및 효율
상류 프로펠러의 후류에 위치한 하류 프로펠러는 단독 프로펠러와 동일한 추력을 생산하기 위해 추가 전력이 필요했습니다. 두 서로 다른 크기의 쌍 모두 동일 크기 쌍에 비해 전력 증가 폭이 작았습니다. 작은 프로펠러를 앞세운 서로 다른 크기의 쌍은 전력이 22.7% 증가한 반면, 동일 크기 쌍은 27% 증가했습니다.
그림 6: 이상적인 쌍과 비교한 동축 시스템의 전력 증가 비율
결론
본 연구는 동축 로터 구성과 성능 사이의 관계를 심층적으로 살펴보았습니다. 기존의 여러 연구 결과를 검증하고, 추력, 전력 및 효율이 프로펠러의 위치, 이격 거리, 상대적 크기에 따라 어떤 영향을 받는지에 대한 귀중한 통찰을 제공했습니다.