Эффективность висения и выбор винтомоторной группы

Хороший аппарат — это согласованная пара «мотор + винт», а не самый мощный мотор.

Эффективность висения измеряют в граммах тяги на ватт затраченной мощности (г/Вт): чем больше, тем дольше полёт.

Граммы на ватт

Производители публикуют таблицы: винт такой-то на таком моторе при таком газе даёт столько-то граммов тяги и потребляет столько-то ватт. Делим одно на другое — получаем эффективность. Типичные значения для любительских коптеров — 6–10 г/Вт в режиме висения.

data = [
    ("5 дюймов", 320, 60),
    ("7 дюймов", 340, 45),
    ("10 дюймов", 350, 38),
]
for name, grams, watts in data:
    eff = grams / watts
    print(name, "-> тяга", grams, "г, мощность", watts,
          "Вт, эффективность", round(eff, 2), "г/Вт")

Вывод:

5 дюймов -> тяга 320 г, мощность 60 Вт, эффективность 5.33 г/Вт
7 дюймов -> тяга 340 г, мощность 45 Вт, эффективность 7.56 г/Вт
10 дюймов -> тяга 350 г, мощность 38 Вт, эффективность 9.21 г/Вт

Видно то же правило: больший винт при близкой тяге заметно экономичнее. Маленькие винты — для гоночных дронов, где важна не экономичность, а резкость.

Запас тяги (TWR)

Отношение максимальной суммарной тяги к весу называют thrust-to-weight ratio:

$$ TWR = \frac{T_{\max}}{m g} $$

m = 1.2; g = 9.81
T_max_per_motor = 0.95 * g   # 950 гс на мотор -> в ньютонах
T_max = 4 * T_max_per_motor
TWR = T_max / (m * g)
print("Макс. суммарная тяга:", round(T_max, 2), "Н")
print("Вес:", round(m * g, 2), "Н")
print("TWR:", round(TWR, 2))

Вывод:

Макс. суммарная тяга: 37.27 Н
Вес: 11.77 Н
TWR: 3.17

TWR около 2 считается комфортным минимумом для устойчивого полёта, 3–4 — для манёвренного и ветроустойчивого. Наш аппарат с TWR 3.17 имеет хороший запас.

Как работает под капотом

В висении аппарат работает не на максимуме, а примерно на $1/TWR$ от полного газа. При TWR 3.17 это около 32% газа — у автопилота остаётся большой коридор как вверх (добавить тягу), так и вниз. Если бы TWR был 1.2, висение шло бы на 83% газа, и при порыве ветра автопилоту просто не хватило бы запаса.

Частые ошибки

Гнаться за максимальной тягой в ущерб эффективности — гоночные винты «съедают» батарею.
Проектировать с TWR около 1: нет запаса на ветер и манёвр.
Сравнивать моторы по «КВ» (оборотам на вольт) без учёта винта и напряжения батареи.

Итог

Эффективность висения — граммы тяги на ватт; больше — дольше полёт.
$TWR=T_{\max}/(mg)$; комфортный запас — от 2 и выше.
Висение идёт примерно на $1/TWR$ от полного газа.