SAE Aero Design 대회용 2022-2023 설계 주기에서, 저희(University of Alberta Aero Design)는 기존의 편안한 영역에서 벗어나기로 했으며, 클럽 37년 역사상 처음으로 마이크로 클래스 설계 챌린지에 참가하기로 결정했습니다(역사적으로 저희 클럽은 레귤러 또는 어드밴스드 클래스에만 참가해 왔습니다).
마이크로 클래스에는 450W 전력 제한, 4S 리포 배터리, 최대 이륙 거리 8피트, 최대 날개 길이 36인치와 같은 최적화된 추진 시스템을 요구하는 새로운 과제들이 있었습니다. 이러한 요구 사항을 통해 저희는 제한된 전력으로 생성할 수 있는 추가적인 추력이 조금이라도 많을수록 큰 차이를 만들 수 있기 때문에, 추진 시스템의 성능을 상세하게 특성화하는 것이 그 어느 때보다 중요해졌다는 것을 깨달았습니다.
2022년 11월, Tyto Robotics는 저희가 Series 1580 테스트 스탠드를 구매하는 것을 후원하여 저희의 목표 달성을 도왔습니다. Series 1580 테스트 스탠드는 견고하고 설치가 쉬워 최소한의 가동 중단 시간으로 다양한 조건에서 여러 번의 정적 테스트를 수행할 수 있었습니다. 테스트 스탠드는 하드웨어, 로드셀, 모터 장착 플레이트, 캘리브레이션 도구 및 전기 부품을 포함하여 작동에 필요한 모든 구성 요소가 박스에 담겨 제공되었습니다.
그림 1: 풍동에 설치된 Series 1580 테스트 스탠드
테스트 스탠드를 받기 전에, MATLAB을 사용하여 다양한 프로펠러, 모터, 전자 속도 제어기(ESC) 및 배터리 조합에 대한 엄격한 분석을 수행하여 사용 가능한 450W 내에서 추력을 최대화하는 동시에 모터의 최대 효율 근처에서 작동하는 조합 세트를 도출했습니다.
테스트의 세 가지 주요 목표는 다음과 같습니다:
- 각 프로펠러의 추력 효율(추력/전기 전력)을 특성화합니다.
- 450W를 소모할 때 90초 동안 배터리 전압, 추력, 전기 전력 및 RPM이 어떻게 변하는지 결정합니다(일반적인 비행 시도는 60초입니다).
- 예상 작동 지점에서의 모터 효율을 측정합니다.
첫 번째 목표를 달성하기 위해, 각 프로펠러는 최대 RPM까지 500 RPM씩 5단계로 증가하며 테스트되었습니다. 최대 RPM은 450W의 전기 전력 소모로 설정되었습니다. 다재다능하고 사용자 친화적인 RCbenchmark 소프트웨어가 제공하는 연속 녹화 기능을 사용하여, 각 테스트 조건에서 500개의 샘플이 기록되었으며 평균값이 계산되었습니다.
두 번째 목표를 달성하기 위해, 각 프로펠러는 450W에서 90초 동안 유지되었습니다.
세 번째 목표의 경우, 테스트 데이터는 테스트된 모든 RPM에서 모터가 약 76-80%의 효율로 작동하고 있음을 보여주었습니다.
이러한 테스트를 수행한 후, 저희는 다음과 같은 방법으로 선택한 추진 시스템을 개선하고 검증할 수 있었습니다:
- 450W 이하의 전력을 소모할 때 각 프로펠러가 생성하는 추력과 풀 스로틀에서 각 프로펠러가 소모하는 최대 전력을 결정합니다.
- 동일한 전기 전력 입력에서 어떤 프로펠러가 더 많은 추력을 생성하는지 결정합니다.
- 시간에 따라 예상되는 배터리 전압, 전력 및 추력의 감소량을 정량화합니다.
- 프로펠러 제조업체의 보고된 값과 실험 결과 사이의 불일치를 식별합니다.
Series 1580 테스트 스탠드는 프로펠러의 RPM을 전자적으로 측정하고 광학 RPM 프로브를 사용하여 측정할 수 있는 기능과 같은 다른 유용한 기능을 제공했습니다.
위에 언급된 매개변수 외에도, 테스트 스탠드는 모터 토크뿐만 아니라 3축 진동도 측정할 수 있었으며, 이는 항공기의 구조, 안정성 및 제어 고려 사항에 대한 귀중한 통찰력을 제공했습니다. 이러한 매개변수를 측정하는 데 따르는
어려움 때문에, 그렇지 않았다면 이러한 요소들이 간과되었을 수 있습니다.
테스트를 통해 저희는 모터, 프로펠러 및 배터리 선택을 검증할 수 있었습니다. 또한, 이제 비행 성능을 더 정확하고 신뢰성 있게 계산할 수 있습니다. 향후 테스트는 이륙 및 순항 성능을 더 정확하게 모델링할 수 있도록 동적 추력을 특성화하기 위해 Laboratory of Turbulent Flow의 풍동에서 수행될 것입니다.
그림 2: 풍동 내 Series 1580의 측면도
Aero Design은 Tyto Robotics의 후원에 감사드립니다. 이를 통해 저희는 매우 견고하고 정확하며 사용자 친화적인 Series 1580 추력 스탠드를 구매할 수 있었습니다. 이는 추진 시스템을 검증하고 프로펠러 추력, 프로펠러 RPM, 전류, 전압, 모터 토크 및 효율과 같은 다양한 매개변수를 측정하기 위해 다양한 조건에서 추력 테스트를 수행하는 데 완벽합니다.
Deep Rajani – 재무 부사장 & 에어로다이내믹스 팀장 (저자)
Daniel Kichma – 추진 팀장 (저자)
Ejouan Agena – 시니어 설계 팀원
Mckenna Warawa – 설계 팀원
Michael Caulfield – 설계 팀원
SAE Aero Design 팀
