홍라이프 계산기드론 비행 시간 계산기 쉽게 이해하기 — 개념과 원리
멀티콥터는 배터리 하나로 얼마나 제자리 비행(호버링)을 할 수 있을까요? 이 계산기는 드론 무게와 프로펠러로 운동량 이론, 프로펠러 성능지수, 모터 효율을 써서 호버링 시간을 추정하거나, 알고 있는 평균 전류로 계산합니다. 호버링 전력, 전류, 로터당 추력, 호버링 효율도 보여 줍니다.
계산 방법
사용 에너지(Wh) = 용량(Ah) × 전압 × 사용 비율
무게 W = m × 9.80665, 로터당 원판 면적 A = π r²
이상 호버링 전력 P = W^1.5 ÷ √(2 ρ A N), ρ = 1.225kg/m³
기계 동력 = 이상 전력 ÷ 성능지수
전기 전력 = 기계 동력 ÷ 모터·변속기 효율
비행 시간(분) = 사용 Wh ÷ 전기 전력 × 60, 전류 = 전력 ÷ 전압
- 두 번째 방식: 전기 전력 = 평균 전류 × 전압
원리
제자리에 떠 있으려면 로터가 매초 드론 무게만큼의 운동량으로 공기를 아래로 밀어야 합니다. 운동량 이론에 따르면 많은 공기를 천천히 미는 것이 적은 공기를 빠르게 미는 것보다 전력이 덜 들어, 큰 프로펠러가 더 효율적입니다. 이상 전력은 이론적 최소값이고, 실제 프로펠러는 항력과 소용돌이로 에너지를 잃는데 이를 성능지수(보통 0.5~0.7)로 나타내며, 모터와 변속기에서도 손실이 생깁니다. 배터리 사용 에너지를 전기 전력으로 나누면 시간이 나옵니다.
예제 풀이
기본값인 1,400g, 로터 4개, 10인치 프로펠러, 성능지수 0.6, 모터 효율 75%, 5,000mAh·14.8V, 사용 80%로 계산합니다.
- 사용 에너지 = 5 × 14.8 × 0.8 = 59.2Wh입니다.
- W = 13.73N, A = π × 0.127² = 0.0507m²입니다.
- 이상 전력 = 72.2W, 기계 동력 = 120.3W, 전기 전력 = 160.4W입니다.
- 전류 = 160.4 ÷ 14.8 = 10.84A, 로터당 추력 350g, 효율 8.73g/W입니다.
- 비행 시간 = 59.2 ÷ 160.4 × 60 = 22.1분(0:22:08)입니다.
| 배터리 포함 이륙 중량 (g) | 호버링 비행 시간 (분) |
|---|---|
| 350 | 177.1 |
| 700 | 62.6 |
| 1,050 | 34.1 |
| 1,400 | 22.1 |
| 1,750 | 15.8 |
| 2,100 | 12.1 |
| 2,800 | 7.8 |
결과 해석
해면 고도, 바람 없는 공기에서의 호버링 기준입니다. 바람, 빠른 전진 비행, 상승, 차가운 배터리, 고고도(희박한 공기)는 모두 시간을 줄이고, 짐벌·조명 같은 탑재물도 전력을 더 씁니다. 여유를 남기고 착륙하는 것이 현명하므로 사용 비율을 100%보다 낮게 둡니다. g/W를 비교하면 어떤 프로펠러·모터 조합이 효율적인지 알 수 있습니다.
흔한 실수
- 사용 비율 대신 배터리 전체 용량을 쓰는 경우
- 이륙 질량에서 배터리 무게를 빼먹는 경우
- 전진 비행도 호버링과 같은 전력이라고 생각하는 경우
- 너무 낙관적인 성능지수를 쓰는 경우
자주 묻는 질문
큰 프로펠러가 왜 오래 나나요?
더 많은 공기를 더 천천히 밀어 같은 추력에 전력이 덜 들기 때문입니다.
성능지수란 무엇인가요?
호버링 로터의 이상 전력 대비 실제 전력의 비로, 작은 프로펠러는 보통 0.5~0.7입니다.
큰 배터리가 항상 도움이 되나요?
에너지가 늘지만 무게도 늘어 호버링 전력이 커지므로 효과가 점점 줄어듭니다.
출처: L. Bauersfeld and D. Scaramuzza, "Range, Endurance, and Optimal Speed Estimates for Multicopters", IEEE Robotics and Automation Letters 7(2), 2022 (arXiv:2109.04741) · U.S. Standard Atmosphere, 1976 (sea-level density 1.225 kg/m³)