Thrust-to-Weight Ratio
- También llamado: TWR, T/W ratio
- Categoría: Actuation & drivetrain › Ratings
- Etiquetas: aerial-robotics, propulsion, multirotor, vehicle-design, dynamics
La relación entre el empuje máximo disponible de un vehículo y su peso; en los multirrotores determina si el vehículo puede mantenerse en vuelo estacionario y cuánto margen queda para aceleración y control.
Definición
La relación empuje-peso (thrust-to-weight ratio, TWR) compara el empuje máximo que puede producir la propulsión de un vehículo con el peso del vehículo, es decir, la masa por la aceleración de la gravedad. Es un número adimensional. Para cualquier vehículo que se sostenga solo por empuje, como un multirrotor o un cohete en el despegue, se necesita una relación superior a 1 simplemente para dejar el suelo. Los aviones de ala fija pueden volar con una relación muy inferior a 1, porque en crucero son sus alas, y no su propulsión, las que soportan su peso.
En los multirrotores, la TWR se traduce directamente en límites de rendimiento. La aceleración vertical máxima es de aproximadamente (TWR − 1)·g. Para mantener la altitud mientras se inclina, la componente vertical del empuje debe seguir igualando el peso, de modo que la inclinación sostenida más pronunciada es el ángulo cuyo coseno es 1/TWR, y la aceleración horizontal correspondiente es g·√(TWR² − 1). En vuelo estacionario, los motores usan aproximadamente 1/TWR de su empuje máximo, y el resto es el margen disponible para correcciones de actitud, rechazo de perturbaciones y maniobras. Con una relación baja, un controlador que pide un gran empuje colectivo deja poco margen para el empuje diferencial entre rotores, y la saturación de los motores puede costar el control de actitud.
La relación efectiva cambia durante la operación. El empuje cae cuando la tensión de la batería desciende bajo carga y a medida que baja la carga de la batería, y depende de la densidad del aire, por lo que es menor en altitud y con calor. Añadir una carga útil, un gimbal o una batería más grande la reduce, y también la reduce perder un rotor: tras un fallo, los rotores restantes deben elevar todo el vehículo, que es una de las razones por las que los diseños tolerantes a fallos necesitan un margen adecuado. Los multirrotores de carreras y acrobáticos se construyen con relaciones altas para acelerar rápidamente, mientras que los diseños de carga pesada y de gran autonomía aceptan relaciones más bajas a cambio de un mayor tiempo de vuelo, ya que los márgenes mayores suelen implicar motores y baterías más pesados.
Por qué importa
La relación empuje-peso es uno de los primeros números que se comprueban al diseñar, comprar o modificar un robot aéreo. Acota la aceleración y la inclinación alcanzables, determina cuánta autoridad de control queda para las perturbaciones e indica a planificadores y controladores qué trayectorias son físicamente factibles.
Aplicaciones clave
- Dimensionamiento de motores, hélices y baterías para multirrotores
- Fijación de límites de aceleración y de inclinación en los planificadores de trayectorias
- Evaluación de la capacidad de carga útil de los robots aéreos
- Comprobación del margen de control para el vuelo tolerante a fallos tras la pérdida de un rotor
- Comparación del rendimiento de propulsión de cohetes y aeronaves
En la práctica
Un equipo que prepara un dron para una tarea de carreras, con una relación de aproximadamente 1,4 como en el vehículo de AlphaPilot, descubre que las trayectorias del planificador exigen aceleraciones que el dron no puede dar: con esa relación, la aceleración horizontal máxima en vuelo nivelado es de aproximadamente g·√(1,4² − 1), es decir, alrededor de 1 g. Añaden este límite, junto con un margen de empuje para el control de actitud, como restricción en el generador de trayectorias, y reducen la velocidad planificada en las curvas cerradas. Más adelante, cuando se añaden una cámara y una batería más grande, vuelven a pesar el vehículo y miden el empuje máximo en un banco de pruebas con una tensión de batería parcialmente descargada, porque la relación al final de un vuelo es menor que en el despegue.
Ideas erróneas comunes
- Una relación apenas superior a 1 basta para un multirrotor utilizable — apenas puede mantenerse en vuelo estacionario y casi no deja empuje para el control de actitud, el viento o las maniobras
- La relación está fijada por el hardware — cae con la tensión de la batería, con la densidad del aire y con cada gramo de carga útil añadido, por lo que el valor en vuelo es menor que la cifra de un banco de pruebas con la batería llena
- Una relación más alta siempre es mejor — los márgenes mayores suelen implicar motores y baterías más pesados, que acortan el tiempo de vuelo y aumentan el coste
Quién debería saberlo
- Diseñadores y constructores de drones
- Ingenieros de control de vuelo y de planificación de trayectorias
- Ingenieros de manipulación aérea y de carga útil
- Estudiantes que aprenden dinámica de multirrotores
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- Controladores electrónicos de velocidad (Electronic Speed Controllers)
- Banco de pruebas de empuje (Thrust Test Stand)
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