Thrust-to-Weight Ratio
- 又稱: TWR, T/W ratio
- 類別: Actuation & drivetrain › Ratings
- 標籤: aerial-robotics, propulsion, multirotor, vehicle-design, dynamics
飛行器最大可用推力與其重量的比值；對多旋翼而言，它決定飛行器能否懸停，以及還剩下多少裕度可用於加速與控制。
定義
推重比（Thrust-to-weight ratio，TWR）把飛行器推進系統所能產生的最大推力，與飛行器的重量（質量乘以重力加速度）相比較。它是一個無因次數。對任何單靠推力懸停的飛行器，例如多旋翼或起飛當下的火箭，光是要離開地面，比值就必須大於 1。固定翼飛機可以在比值遠低於 1 的情況下飛行，因為巡航時承載其重量的是機翼，而不是推進系統。
對多旋翼而言，TWR 會直接轉化為性能極限。最大垂直加速度約為 (TWR − 1)·g。傾斜時若要維持高度，推力的垂直分量仍必須等於重量，因此能持續的最大傾角，是餘弦值等於 1/TWR 的角度，對應的水平加速度為 g·√(TWR² − 1)。懸停時，馬達大約使用其最大推力的 1/TWR，其餘部分就是可用於姿態修正、抗擾與機動的裕度。比值偏低時，要求大總推力的控制器幾乎沒有為旋翼之間的差動推力留下空間，馬達飽和可能讓姿態失去控制。
有效比值會在運作中改變。電池電壓在負載下下降以及電量減少時，推力都會降低；推力也取決於空氣密度，因此在高海拔與炎熱環境下會更低。加裝負載、雲台或較大的電池會降低比值，失去一個旋翼也是：故障後，剩下的旋翼必須撐起整架飛行器，這也是容錯設計需要足夠裕度的原因之一。競速與特技多旋翼以高比值打造，以便快速加速；重載與長航時設計則接受較低的比值，以換取更長的飛行時間，因為較大的裕度通常意味著更重的馬達與電池。
為何重要
推重比是設計、購買或改裝空中機器人時最先檢查的數字之一。它限制了可達成的加速度與傾角，決定還剩多少控制權限可應付擾動，並告訴規劃器與控制器哪些軌跡在物理上可行。
主要應用
- 為多旋翼選定馬達、螺旋槳與電池的規格
- 在軌跡規劃器中設定加速度與傾角限制
- 評估空中機器人的負載能力
- 檢查旋翼失效後容錯飛行的控制裕度
- 比較火箭與飛機的推進性能
實際應用
一個團隊為競速任務準備一架無人機，其比值約為 1.4，與 AlphaPilot 飛行器相當。他們發現規劃器產生的軌跡所要求的加速度超出無人機的能力：在這個比值下，水平飛行時的最大水平加速度約為 g·√(1.4² − 1)，也就是大約 1 g。他們把這項限制連同姿態控制所需的推力裕度，作為約束加入軌跡產生器，並降低通過急彎時的規劃速度。之後加裝了相機與較大的電池，他們重新秤量飛行器，並在電池部分放電後的電壓下，於測試台上量測最大推力，因為飛行結束時的比值會低於起飛時。
常見誤解
- 比值只要略高於 1 就足以做出可用的多旋翼 — 它只能勉強懸停，幾乎沒有剩餘推力可用於姿態控制、抗風或機動
- 比值是由硬體決定的固定值 — 它會隨電池電壓、空氣密度以及每多一公克的負載而下降，因此飛行中的數值會低於滿電時在測試台上量得的數字
- 比值越高一定越好 — 較大的裕度通常意味著更重的馬達與電池，會縮短飛行時間並提高成本
誰需要了解
- 無人機的設計者與製作者
- 飛行控制與軌跡規劃工程師
- 空中操作與負載工程師
- 學習多旋翼動力學的學生
相關技術
- 無刷馬達（Brushless Motors）
- 電子調速器（Electronic Speed Controllers）
- 推力測試台（Thrust Test Stand）
- 鋰聚合物電池（Lithium Polymer Batteries）
- 螺旋槳選用（Propeller Selection）
相關術語
相關專案
- Drake: MIT robotics toolbox for model-based dynamics, optimization, and control system design
- DART: C++ physics engine for articulated rigid body dynamics and robotics simulation
- Pegasus Simulator: Photorealistic multirotor simulation on NVIDIA Isaac Sim with PX4-in-the-loop
- frax: JAX library for fast, differentiable robot kinematics, dynamics and inverse kinematics
- Aerostack2: ROS 2 framework for autonomous multi-drone systems and swarm robotics
影片
- Thrust to Weight Ratios | A Drone Design Foundation: The Drone Dojo