작성자: Lauren Nagel
켄트 주립대학교의 Kendy Edmonds와 Blake Stringer 박사는 흥미로운 연구 논문인 '무인 VTOL 추진 연구 – sUAS 범위를 벗어난 쿼드콥터 로터-모터 구성의 확장성'에서 현재 sUAS 추진 방식의 확장성을 탐구합니다.
쿼드콥터를 대형화할 때의 장점은 분명합니다. 더 큰 페이로드, 더 긴 비행 거리, 더 긴 호버링 시간 등이 있습니다. 그러나 대형 멀티로터는 테스트와 제작 비용이 더 많이 들기 때문에 소형 버전을 먼저 테스트하는 것이 매력적입니다.
이것이 유효한 전략이긴 하지만, 설계자는 모델의 한계를 인식해야 합니다.
논문에서 다루는 주요 문제 중 하나는 가변 속도 로터 구성의 과도 응답입니다. 즉, 관성의 증가가 더 큰 시스템의 응답 시간에 어떤 영향을 미치는가입니다.
연구진은 가변 속도 고정 피치 드론과 정속 가변 피치 헬리콥터 간의 출력 및 기동성 차이를 지적합니다. 쿼드콥터 드론은 동일한 페이로드 운반 능력을 갖춘 헬리콥터보다 호버링 및 기동 중에 27% 더 많은 전력을 필요로 합니다(그림 1).
이러한 분석을 통해 연구진은 두 가지 결론을 도출했습니다. “(1) 항공기의 크기가 커질수록 로터 직경을 키우는 것이 관리 가능한 전력 요구량을 유지하는 데 도움이 됩니다. (2) 로터의 크기가 커질수록 관성과 블레이드 프로파일 항력을 극복하기 위해 로터를 회전시키는 데 필요한 전력 요구량도 증가합니다.”
추가 읽을거리: 드론에 적합한 모터와 프로펠러를 선택하는 방법 
그림 1: HP(왼쪽) 및 kW(오른쪽) 단위의 호버링 전력 요구량 대 중량 및 디스크 로딩
가변 속도 로터의 확장성을 추가로 조사하기 위해 연구진은 RCbenchmark Series 1780 테스트 스탠드를 사용하여 다양한 로터 구성의 과도 응답을 측정하는 여러 테스트를 수행했습니다(그림 2).
테스트된 모터는 Turnigy RotoMax 150cc, KDE Direct 10218XF105 (Mega), T-Motor P80 120kv, KDE Direct 7215XF-135 (KDE), KDE Direct 4215XF465 (Mini)의 5가지였으며, 세 가지 다른 로터도 테스트되었습니다. KDE Direct의 직경 30.5인치, 피치 9.7인치 탄소 섬유 3엽 프로펠러, Falcon의 직경 27인치, 피치 8.8인치 탄소 섬유 2엽 프로펠러, T-Motor에서 제조한 직경 15인치, 피치 5.5인치 탄소 섬유 2엽 프로펠러입니다.
그림 2: Series 1780 테스트 스탠드를 이용한 실험 구성
과도 응답 실험 결과는 그림 3에 나와 있습니다.
흥미롭게도 연구진은 “각 로터-모터 구성의 응답에서 예상보다 훨씬 더 큰 변동성이 나타났다”고 언급하며, 시스템 설계에서 추진력 테스트의 중요성을 강조했습니다.
이 데이터를 통해 연구진은 두 가지 주요 결론을 도출했습니다. 1) “감속 과정은 가속 과정보다 로터-모터 크기에 더 민감하다”, 2) “과도 응답에 대한 주요 입력 변수를 결정하기 위해 모든 입력 요인의 영향을 추가로 연구해야 한다. 입력값의 범위는 가능한 한 넓어야 한다.”
그림 3: RPM 변화에 따른 모든 모터의 정착 시간
연구에서 도출된 세 번째 예상치 못한 결론은 열역학에 관한 것으로, 3) “온도와 열 관리는 가변 속도 모터에서 중요한 고려 사항이며, 특히 모터가 대형화되고 로터 기류 외에 냉각 장치가 없는 경우 더욱 그러하다.” 실험 중 한 모터에서 연기가 나기 시작하자 연구진은 후속 테스트를 수행했으며, 프로펠러가 멈추고 냉각이 중단된 후 모터의 온도 급상승을 특성화할 수 있었습니다.
이는 더 큰 모터를 탑재하는 드론에 열 관리 전략이 필요함을 시사하며, 제조업체에게 중요한 설계 고려 사항입니다. 모터를 대형화할 때 열 방출이 가능한 면적은 크기의 제곱에 비례하여 증가하는 반면, 구리의 질량은 크기의 세제곱에 비례하여 증가합니다.
이 연구는 제조업체가 대형 드론을 설계할 때 고려할 수 있는 훌륭한 자료입니다. 테스트 과정에 대한 자세한 내용은 전체 논문을 읽어보십시오.
추가 읽을거리: 고RPM에서의 프로펠러 결빙에 관한 연구