프로펠러 추력 테스트 스탠드 및 전진비

거의 모든 무인기(UAV) 프로그램은 동일한 방식으로 추진 시험을 시작합니다. 모터와 프로펠러를 벤치 스탠드에 볼트로 고정하고, 로드셀, 타코미터(회전속도계), 그리고 스로틀 대비 추력 표를 사용합니다.

이는 유용한 표입니다. 하지만 항공기가 거의 머물지 않는 단 하나의 비행 조건에 대한 표이기도 합니다. 이 표에서 체공 시간, 항속 거리 또는 상승 성능에 대한 결론을 도출하려다 많은 프로그램이 수개월을 낭비하게 됩니다.

1. 정적 추력은 곡선 상의 한 점일 뿐입니다

정지된 공기 중의 프로펠러는 전진비(Advance ratio)가 0 인 상태로 작동합니다. 일반적으로 J로 표기되는 전진비는 항공기의 전진 속도를 프로펠러의 회전 속도 및 직경과 연관시킵니다. 호버링은 J = 0에 해당합니다. 이륙과 상승은 낮은 J 값에 위치합니다. 순항은 곡선의 훨씬 위쪽에 위치합니다.

J 값이 변함에 따라 프로펠러의 추력 계수, 동력 계수 및 효율이 모두 변하며, 그 변화폭은 결코 작지 않습니다. 추진 시스템은 종종 비행 중일 때와 정적 시험에서 상당히 다르게 작동합니다. 이것이 바로 기류 내(in-flow) 시험이 진지한 드론 개발에서 선택적인 개선 사항이 아니라 필수적인 단계로 취급되는 이유입니다. 발표된 풍동 연구에 따르면, 전진비가 0이 아닐 때 시험된 최저 RPM과 최고 RPM 사이에서 최대 약 10%의 효율 차이가 발생한다고 보고됩니다.

실질적인 결과는 다음과 같습니다. 벤치 시험에서 우수한 성능을 보인 프로펠러가 순항 중에는 성능이 떨어질 수 있으며, 최종적으로 출하되는 제품은 정적 수치가 가장 좋았던 제품이 아닌 경우가 많습니다.

2. 올바른 추진 시험의 측정 항목

풍동 내부에 장착된 시험 스탠드는 단일 지점이 아닌 전체 맵을 제공합니다. 일반적으로 두 가지 유형의 시험이 수행됩니다.

정적 성능(Static performance) — 풍속이 0인 상태에서 RPM 범위 전체에 걸쳐 추력과 토크를 측정합니다. 이는 기준점이자 호버링 조건입니다.

전진 유동 성능(Advancing flow performance) — RPM을 고정된 값으로 설정하고, 풍동 속도를 단계적으로 증가시키며 각 지점에서 추력과 토크를 기록합니다. 여러 RPM 설정에 대해 이를 반복합니다. 이를 통해 전진비에 따른 추력 계수, 동력 계수 및 효율 곡선을 구축할 수 있으며, 이는 실제 성능 계산에 필요한 곡선입니다.

추력, 토크, 회전 속도, 입력 전력(전압 및 전류), 그리고 풍동 기준 속도를 동시에 측정합니다. 전기적 입력 측정 없는 효율은 프로펠러 자체에 대한 정보를 제공하지만, 이를 포함하면 실제 체공 시간을 결정하는 전체 추진 체인에 대해 알 수 있습니다.

3. 데이터시트에서 언급하지 않는 보정 값

풍동 내 프로펠러 데이터를 오염시키는 두 가지 효과가 있으며, 두 가지 모두 확립된 처리 방법이 있습니다.

폐쇄 효과(Blockage). 프로펠러는 시험 구간에 비해 작은 물체가 아니며, 자체를 통과하는 유동을 가속시킵니다. 프로펠러 폐쇄 효과에 대한 고전적인 보정은 Glauert(1926)로 거슬러 올라가며 현재도 일상적으로 사용됩니다.

디스크에서의 국부 속도(Local velocity at the disc). 프로펠러는 일반적으로 페어링 앞의 스팅(sting)에서 시험되므로, 블레이드가 실제로 겪는 속도는 시험 구간 입구에서 측정된 속도보다 낮습니다. 따라서 속도 보정 계수를 적용해야 합니다.

둘 중 하나라도 생략하면 효율 곡선이 낙관적으로 도출되며, 이는 항공기가 목표 체공 시간을 달성하지 못하는 비행 시험 단계에서야 비로소 드러나게 됩니다.

4. 벤치 스탠드인가, 풍동인가?

질문	벤치 스탠드	풍동 내 스탠드
호버링 추력 및 RPM 스윕	예	예
모터 및 ESC 열 한계	예	예
순항 시 효율	아니요	예
상승 속도에서 가용 추력	아니요	예
실제 임무를 위한 프로펠러 비교	오해의 소지 있음	예
로터-로터 및 로터-기체 상호작용	아니요	예 , 기체 장착 시
소음 대비 추력 트레이드오프	아니요	예 , 음향 처리된 구간에서

벤치 스탠드가 쓸모없어지는 것은 아닙니다. 내구성 시험, 열 평형(thermal soak) 시험, 부품 스크리닝을 위한 올바른 도구로 남습니다. 단지 항속 거리를 결정하는 질문에 답할 수 없을 뿐입니다.

5. 설비에 요구되는 사항

추진 시험이 핵심 사용 사례인 경우, 풍동 사양은 다음과 같은 특정 방식으로 변경됩니다.

저속 품질 및 안정성. 전진비 곡선의 중요한 부분은 0 근처에서 시작되며, 이 구간은 균일한 저속 유동을 생성하기가 가장 어렵습니다.
디스크 직경 대비 시험 구간 크기. 폐쇄 효과 한계는 신뢰할 수 있게 시험할 수 있는 가장 큰 프로펠러 크기를 결정합니다. 이는 프로젝트 후반에 시험 구간 크기 조정을 강제하는 가장 흔한 요인입니다.
견고하고 잘 정렬된 마운트. 추력 및 토크 측정의 품질은 모터를 지지하는 구조물의 품질에 좌우되며, 스팅의 공진은 데이터에 노이즈로 나타납니다.
모델의 전기 인프라. 고전류 공급, 안전한 배터리 취급, 그리고 이를 견디는 계측 장비가 필요합니다.
동기화된 데이터 수집. 기계, 전기 및 유동 데이터를 동일한 시간 기준으로 수집해야 합니다. 그렇지 않으면 효율은 측정이 아닌 추정치에 불과합니다.
선택적인 음향 기능. 와트당 추력과 추력당 소음은 설계의 인증 가능 여부를 결정하는 두 가지 곡선이므로, 나중에 레트로핏(후장착/개조)하는 것보다 밸런스와 함께 마이크 어레이를 사전에 지정하는 것이 좋습니다.

6. 5가지 실수

정적 추력으로 프로펠러 비교하기. 전진비에 따라 순위가 바뀝니다.
폐쇄 효과 및 속도 보정 무시하기. 두 가지 모두 성능을 부풀립니다.
전력 측정 없이 추력 측정하기. 이 경우 체공 시간 예측은 추측에 불과합니다.
단일 RPM만 시험하기. 효율 맵을 작성하려면 여러 RPM 데이터가 필요합니다.
프로펠러만 단독으로 시험하고 기체 성능과 일치하기를 기대하기. 상호작용 효과는 실제로 존재하며 그 영향이 클 수 있습니다.

7. 역량 구축

추진 성능 측정은 적당한 규모의 풍동에서 얻을 수 있는 가장 가치 있는 활용 사례 중 하나입니다. 시험 구간이 작고 속도가 낮아도 되며, 항공기 성능 향상이라는 즉각적인 보상을 얻을 수 있습니다. 또한 자체 시험 인프라를 구축하는 무인기(UAV) 제조업체에게 자연스러운 첫 번째 역량이기도 합니다.

당사는 마운팅, 계측 및 전기 설비를 공기역학적 개념 단계부터 계획하여 정확히 이러한 종류의 프로그램에 맞춰 풍동과 시험 구간을 설계합니다. 관련 자료:

팬 어레이 풍력 발생기 vs 폐회로식 풍동

및

도심 항공 모빌리티(UAM)를 위한 풍동 시험

프로펠러 크기와 속도 범위를 알려주시면 적합한 시험 구간과 계측 세트를 제안해 드립니다.

출처 및 참고 사항

추력, 토크 및 회전 속도를 측정하는 풍동 내 시험 스탠드; RPM 전반에 걸친 정적 시험 및 고정 RPM에서 풍동 속도를 단계적으로 높이는 전진 유동 시험; 전진비에 따른 계수 및 효율 플롯; 전진비가 0이 아닐 때 시험된 최저 RPM과 최고 RPM 간의 최대 약 10% 효율 차이; Glauert(1926) 폐쇄 효과 보정 및 페어링 앞 스팅에서 시험된 프로펠러에 대한 속도 보정: "Wind Tunnel Study on Drone Propeller Thrust and Efficiency", Unmanned Systems Technology, "Measurement of Static and Dynamic Performance".
낮은 레이놀즈 수에서의 프로펠러 성능 데이터 방법론: Brandt & Selig, AIAA 2011-1255; APC propeller test series, AIAA 2022-4020.
추력 및 성능 계수의 정의: Tyto Robotics, propeller performance coefficients.
설비 지침(디스크 직경 대비 시험 구간 크기, 마운트 강성, 동기화된 데이터 수집)은 TunnelTech의 엔지니어링 관행입니다.

프로펠러 추력 테스트 스탠드: 정적 수치가 오해를 일으키는 이유와 올바른 측정 방법