그동안 15대의 멀티콥터를 조립한 경험과 시중에 나와있는 제품의 사양을 토대로 자료를 정리해 보았습니다.
기체의 사이즈와 무게
기체 사이즈별로 대략의 무게는 다음과 같습니다.
250쿼드 : 500g내외
350쿼드 : 1kg이하
550헥사 : 2kg이하
580쿼드 : 3kg이하
680헥사 : 4kg이하
800헥사 : 8kg이하
1000옥토 : 11kg
1250쿼드 : 11~22kg
1300옥토 : 12~16kg
1550옥토 : 18~28kg
1600헥사 : 31~47kg
배터리 선택
비행시간을 어느정도 확보하려면 기체무게 1kg당 40Wh 정도가 적당합니다.
또한 배터리의 무게는 총 이륙중량의 20~35% 범위가 됩니다.
250쿼드
0.5kg x 40Wh = 20Wh
(3s x 3.7V x 1800mAh = 20Wh 또는 4s x 3.7V x 1350mAh = 20Wh)
350쿼드
1kg x 40Wh = 40Wh
(3s x 3.7V x 3600mAh = 40Wh)
550헥사
2kg x 40Wh = 80Wh
(3s x 3.7V x 7200mAh = 80Wh)
(4s x 3.7V x 5400mAh = 80Wh)
580쿼드
3kg x 40Wh = 120Wh
(3s x 3.7V x 10800mAh = 120Wh)
(6s x 3.7V x 5400mAh = 120Wh)
기체:1557g(58.3%) + 탑재물:350g(10.9%) + 배터리:823g(30.8%) = 2.670g
동급의 인스파이어1은 6s5700mAh 사용. (배터리 670g 총무게 2935g)
680헥사
4kg x 40Wh = 160Wh
(6s x 3.7V x 7200mAh = 160Wh)
기체:2.3kg(66.8%) + 탑재물:300g(8.7%) + 배터리:840g(24.4%) = 3.44kg
800헥사 (D사)
8kg x 40Wh = 320Wh
(6s x 3.7V x 15000mAh = 333Wh)
기체:3.7kg(46.25%) + 탑재물:2.1kg(26.25%) + 배터리:2.2kg(27.5%) = 8kg
1000옥토 (D사)
10kg x 40Wh = 400Wh
(6s x 3.7V x 20000mAh = 444Wh)
기체:4.4kg(44%) + 탑재물:2.7kg(27%) + 배터리:2.9kg(29%) = 10kg
1250쿼드 (A사)
14kg x 40Wh = 560Wh
(12s x 3.7V x 10Ah = 444Wh)
기체:11kg(78.6%) + 탑재물:0kg(0%) + 배터리:3kg(21.4%) = 14kg
27kg x 40Wh = 1080Wh
(12s x 3.7V x 20Ah = 888Wh)
기체:11kg(40.1%) + 탑재물:10kg(37%) + 배터리:6kg(22.2%) = 27kg
1300옥토 (F사)
12kg x 40Wh = 480Wh
(6s x 3.7V x 22000mAh = 488Wh)
기체:6kg(50%) + 탑재물:2.8kg(23%) + 배터리:3.2kg(26.6%) = 12kg
16kg x 40Wh = 640Wh
(12s x 3.7V x 15000mAh = 666Wh)
기체:6kg(37.5%) + 탑재물:4.6kg(28.8%) + 배터리:5.4kg(33.8%) = 16kg
1550옥토 (K사)
22kg x 40Wh = 880Wh
(6s x 3.7V x 40000mAh = 888Wh)
기체:16kg(73%) + 탑재물:0kg(0%) + 배터리:6kg(27%) = 22kg
탑재시 32kg x 40Wh = 1280Wh
(12s x 3.7V x 40000mAh = 888Wh)
기체:16kg(50%) + 탑재물:10kg(31%) + 배터리:6kg(18.8%) = 32kg
1600헥사 (A사)
28kg x 40Wh = 1120Wh
(12s x 3.7V x 25Ah = 1110Wh)
기체:15kg(48.4%) + 탑재물:10kg(32.3%) + 배터리:6kg(19.4%) = 31kg
탑재시 47kg x 40Wh = 1880Wh
(12s x 3.7V x 44Ah = 1954Wh)
기체:15kg(31.9%) + 탑재물:20kg(42.6%) + 배터리:12kg(25.5%) = 47kg
모터/프롭/ESC 선택예시
모터/프롭의 조합은 최대출력시 10c 이내, 호버링시 3c 이내가 적당합니다.
물론 탑재물을 늘리거나, 반대로 비행시간을 최대로 한다면 경우가 달라질겁니다.
또한 아래 자료는 예시일 뿐으로 그냥 참고만 하시면 됩니다. 비행목적에 따라 또다른 모터/프롭의 조합이 나올수도 있습니다.
250쿼드
1704-1900kv모터, 10A 2s~3s ESC, 5x3프롭(3엽)
최대추력 288g x 4 = 1152g (기체중량 500g일때 추력비 230%)
최대전류 4.81A x 4 = 19.24A (배터리 3s1800mAh 사용시 10.7c)
호버링전류 2.17A x 4 = 8.68A (배터리 3s1800mAh 사용시 4.8c)
350쿼드
2213-980kv,모터, 20A 2s~4s ESC, 8x4.5프롭
최대추력 970g x 4 = 3880g (기체중량 1kg일때 추력비 388%)
최대전류 12.7A x 4 = 50.8A (배터리 3s3600mAh 사용시 14.1c)
호버링전류 2.35A x 4 = 9.4A (배터리 3s3600mAh 사용시 2.61c)
550헥사
2213-980kv,모터, 20A 2s~4s ESC, 8x4.5프롭
최대추력 970g x 6 = 5820g (기체중량 2kg일때 추력비 291%)
최대전류 12.7A x 6 = 76.2A (배터리 3s7200mAh 사용시 10.6c)
호버링전류 3.2A x 6 = 19.2A (배터리 3s7200mAh 사용시 2.67c)
580쿼드
4220-880kv,모터, 30A 3s~6s ESC, 12x3.8프롭
최대추력 1.07kg x 4 = 4.28kg (기체중량 3kg일때 추력비 143%)
최대전류 19.13A x 4 = 76.52A (배터리 3s10800mAh 사용시 7.09c)
호버링전류 4.83A x 4 = 19.32A (배터리 3s10800mAh 사용시 1.79c)
(배터리 3s 보다는 4s~6s 추천)
680헥사
4225-390kv,모터, 45A 2s~6s ESC, 12x6프롭
최대추력 0.8kg x 6 = 4.8kg (기체중량 3.44kg일때 추력비 140%)
최대전류 7.2A x 6 = 43.2A (배터리 6s7200mAh 사용시 6c)
호버링전류 3.04A x 6 = 18.24A (배터리 6s7200mAh 사용시 2.53c)
800헥사
4114-400kv,모터, 40A 6s ESC, 15x5.2프롭
최대전류 22.5A x 6 = 135A (배터리 6s15000mAh 사용시 9c)
호버링전류 8A x 6 = 48A (배터리 6s15000mAh 사용시 3.2c)
1000옥토
4114-400kv,모터, 40A 6s ESC, 15x5.2프롭
최대전류 22.5A x 8 = 180A (배터리 6s20000mAh 사용시 9c)
호버링전류 6.7A x 8 = 53A (배터리 6s20000mAh 사용시 2.7c)
1250쿼드
9025-120kv,모터, 100A 12s ESC, 28x8.5프롭
1300옥토
U7-420kv,모터, 80A 6s ESC, 16x5.4프롭
최대추력 3.36kg x 8 = 26.88kg (기체중량 12kg일때 추력비 224%)
최대전류 28.7A x 8 = 230A (배터리 6s22000mAh 사용시 10.4c)
호버링전류 8.8A x 8 = 70.4A (배터리 6s22000mAh 사용시 3.2c)
1550옥토
100A 12s ESC, 19x10프롭
1600헥사
9025-120kv,모터, 100A 12s ESC, 28x8.5프롭
Disc Loading
기체 사이즈별로 Disc Loading을 계산해 보았습니다.
Disc Loading은 0.10~0.15kg/dm2 범위 입니다.
250쿼드 (최대 6.5"프롭 가능) : 5"프롭 x 4개, 500g, 0.10kg/dm2
350쿼드 (최대 9.5"프롭 가능) : 8"프롭 x 4개, 1kg, 0.08kg/dm2
550헥사 (최대 10.5"프롭 가능) : 8"프롭 x 6개, 2kg, 0.10kg/dm2 (10.5"프롭 적용시 3.3kg에 해당)
580쿼드 (최대 15.5"프롭 가능) : 12"프롭 x 4개, 3kg, 0.10kg/dm2 (15.5"프롭 적용시 4.9kg에 해당)
680헥사 (최대 13.0"프롭 가능) : 12"프롭 x 6개, 4kg, 0.09kg/dm2 (13.0"프롭 적용시 5.6kg에 해당)
800헥사 (최대 15.5"프롭 가능) : 15"프롭 x 6개, 8kg, 0.12kg/dm2 (15.5"프롭 적용시 8.8kg에 해당)
1000옥토 (최대 15.0"프롭 가능) : 15"프롭 x 8개, 최대11kg, 0.12kg/dm2
1250쿼드 (최대 34.5"프롭 가능) : 28"프롭 x 4개, 최대27kg, 0.17kg/dm2 (34"프롭 적용시 0.12kg/dm2)
1300옥토 (최대 19.5"프롭 가능) : 16"프롭 x 8개, 최대16kg, 0.15kg/dm2 (19.5"프롭 적용시 23kg까지 가능)
1550옥토 (최대 23.0"프롭 가능) : 19"프롭 x 8개, 최대28kg, 0.19kg/dm2
1600헥사 (최대 31.0"프롭 가능) : 28"프롭 x 6개, 최대47kg, 0.20kg/dm2 (31"프롭 적용시 0.16kg/dm2)
Remo-H : 128.3"프롭 x 1개, 최대118kg, 0.14kg/dm2
Frame Size
프롭이 겹치지 않는 최소 사이즈는 다음과 같습니다.
쿼드 10inch x 25.4mm x 1.4142(√2) = 360mm
헥사 12inch x 25.4mm x 2 = 610mm
옥토 15inch x 25.4mm x 2.613126 = 996mm
참고자료에 의한 기체설계예
2.4kg 쿼드기체
<Battery : 40Wh/kg>
기체무게 2.4kg x 40Wh = 96Wh
96Wh ÷ (3.7V x 4s) = 6500mAh
<Disc Loading : 10dm2/kg>
기체무게 2.4kg ÷ 프롭4개 = 0.6kg
0.6kg x 10dm2/kg = 60dm2 = 600cm2
D = √(A÷π) x 2 = √ (625÷3.14) x 2 = 27.6cm
27.6cm ÷ 2.54 = 10.9 inch
적정프롭 직경은 11인치
<Frame Size>
쿼드 11inch x 25.4mm x √2 = 395mm (프롭이 겹치지 않는 최소 사이즈)
5.5kg 헥사기체
<Battery : 40Wh/kg>
기체무게 5.5kg x 40Wh = 224Wh
224Wh ÷ (3.7V x 6s) = 10090mAh
<Disc Loading : 10dm2/kg>
기체무게 5.5kg ÷ 프롭6개 = 0.917kg
0.917kg x 10dm2/kg = 91.7dm2 = 917cm2
D = √(A÷π) x 2 = √ (917÷3.14) x 2 = 34.2cm
34.2cm ÷ 2.54 = 13.45 inch
적정프롭 직경은 13.5인치
<Frame Size>
헥사 13.5inch x 25.4mm x 2 = 686mm (프롭이 겹치지 않는 최소 사이즈)
9kg 옥토기체
<Battery : 40Wh/kg>
기체무게 9kg x 40Wh = 360Wh
360Wh ÷ (3.7V x 6s) = 16200mAh
<Disc Loading : 10dm2/kg>
기체무게 9kg ÷ 프롭8개 = 1.125kg
1.125kg x 10dm2/kg = 112.5dm2 = 1125cm2
D = √(A÷π) x 2 = √ (1125÷3.14) x 2 = 37.86cm
37.86cm ÷ 2.54 = 14.9 inch
적정프롭 직경은 15인치
<Frame Size>
옥토 15inch x 25.4mm x 2.613126 = 995mm (프롭이 겹치지 않는 최소 사이즈)
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기체무게 1kg당 40Wh 배터리의 근거는?
모터와 프롭을 잘 조합하고 적당한 무게를 탑재할 경우에 kg당 100W 정도면 호버링이 됩니다. (250은 제외)
(탑재물을 증가시키면 효율이 떨어져서 호버링시 kg당 150W 까지도 전력을 소모합니다.)
호버링시에 2.5c를 사용하고, 배터리 용량의 75%를 사용한다면...
60분 / 2.5c x 75% = 18분 (비행시간은 10~12분 정도가 될겁니다.)
100W / 2.5c = 40Wh
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가솔린엔진과 모터의 추력계산
알콜이 주원료인 글로우 엔진으로 비행을 할 때에는 경험치가 많이 있어서 엔진과 프롭선택이 그닥 어렵지 않았습니다.
20년전부터 가솔린엔진으로 초대형 기체를 만들어 비행하면서 마력과 최대정지추력의 연관관계를 연구(?)를 하다보니 어느정도 답이 나오더군요.
2.3~2.5kg/hp은 1.72~1.86g/W에 해당합니다.
13년전부터 리튬폴리머 배터리의 사용으로 모터를 많이 사용하게 됩니다.
역시 추력을 계산하기 위해 프롭rpm에 따른 최대정지추력을 수없이 테스트 해 보았죠.
초창기 깡통(브러쉬)모터는 고속회전이라 효율이 좋지 않아 1W당 최대정지추력이 3~4g에 불과했습니다.
기어감속을 하면 1W당 최대정지추력이 4~5g으로 올라가고요.
브러쉬리스 모터의 경우는 더욱 고속회전이라 프롭직결시 1W당 최대정지추력이 오히려 1~2.5g으로 줄어듭니다.
기어감속을 하면 1W당 최대정지추력이 4~8g까지 올라가고요.
전동 3D기체가 늘어나면서 큰직경에 저핏치 프롭이 많아지면서 정지추력이 극대화 됩니다.
이후 통돌이(outrunner) 모터가 나오면서 kv값이 더욱 낮아져서 프롭직결을 해도 1W당 최대정지추력이 5g 정도가 나옵니다.
아주 작은 모터를 제외하면 최대rpm은 대개 7,000~8000 정도인데, 호버링시에는 rpm이 4000~5000으로 적당히 낮아지면서
1W당 정지추력이 10g 까지 올라갑니다.
10g/W는 kg당 100W에 해당합니다.