Thrust-to-Weight Ratio
- 又称: TWR, T/W ratio
- 类别: Actuation & drivetrain › Ratings
- 标签: aerial-robotics, propulsion, multirotor, vehicle-design, dynamics
飞行器最大可用推力与其重量之比；对多旋翼而言，它决定飞行器能否悬停，以及还剩多少裕量用于加速和控制。
定义
推重比（Thrust-to-weight ratio，TWR）把飞行器推进系统能产生的最大推力与飞行器的重量（质量乘以重力加速度）进行比较。它是一个无量纲数。对于任何仅靠推力悬停的飞行器，例如多旋翼或起飞时的火箭，仅仅为了离开地面就需要比值大于 1。固定翼飞机可以在比值远低于 1 的情况下飞行，因为巡航时承载其重量的是机翼，而不是推进系统。
对于多旋翼，TWR 直接转化为性能极限。最大竖直加速度约为 (TWR − 1)·g。倾斜时要保持高度，推力的竖直分量仍必须等于重量，因此可持续的最大倾角是余弦等于 1/TWR 的那个角度，对应的水平加速度为 g·√(TWR² − 1)。悬停时，电机大约使用其最大推力的 1/TWR，其余部分就是可用于姿态修正、抗扰和机动的裕量。比值较低时，要求较大总推力的控制器几乎没有给旋翼之间的差动推力留下空间，电机饱和可能导致姿态失控。
有效比值在运行中会变化。电池电压在负载下下降以及电量降低时，推力都会减小；推力还取决于空气密度，因此在高海拔和炎热条件下会更低。加装负载、云台或更大的电池会降低比值，失去一个旋翼也会：失效之后，剩余的旋翼必须托起整架飞行器，这也是容错设计需要足够裕量的原因之一。竞速和特技多旋翼采用高比值设计以实现快速加速，而重载和长航时设计则接受较低的比值以换取更长的飞行时间，因为更大的裕量通常意味着更重的电机和电池。
为何重要
推重比是设计、购买或改装空中机器人时最先检查的数字之一。它限定了可达到的加速度和倾角，决定了还剩多少控制权限可用于应对扰动，并告诉规划器和控制器哪些轨迹在物理上是可行的。
主要应用
- 为多旋翼选定电机、螺旋桨和电池的规格
- 在轨迹规划器中设置加速度和倾角限制
- 评估空中机器人的负载能力
- 检查旋翼失效后容错飞行的控制裕量
- 比较火箭和飞机的推进性能
实际应用
一个团队为竞速任务准备一架无人机，其比值约为 1.4，与 AlphaPilot 飞行器相当。他们发现规划器生成的轨迹要求的加速度超出了无人机的能力：在这一比值下，平飞时的最大水平加速度约为 g·√(1.4² − 1)，即大约 1 g。他们把这一限制连同用于姿态控制的推力裕量，作为约束加入轨迹生成器，并降低了通过急弯时的规划速度。之后加装了相机和更大的电池，他们重新称量飞行器，并在电池部分放电后的电压下于测试台上测量最大推力，因为飞行结束时的比值低于起飞时。
常见误解
- 比值略高于 1 就足以构成一架可用的多旋翼 — 它只能勉强悬停，几乎没有剩余推力用于姿态控制、抗风或机动
- 比值由硬件固定 — 它会随电池电压、空气密度以及每增加一克负载而下降，因此飞行中的值低于满电时在测试台上测得的数值
- 比值越高越好 — 更大的裕量通常意味着更重的电机和电池，这会缩短飞行时间并提高成本
谁需要了解
- 无人机设计者和制作者
- 飞控与轨迹规划工程师
- 空中操作与负载工程师
- 学习多旋翼动力学的学生
相关技术
- 无刷电机（Brushless Motors）
- 电子调速器（Electronic Speed Controllers）
- 推力测试台（Thrust Test Stand）
- 锂聚合物电池（Lithium Polymer Batteries）
- 螺旋桨选型（Propeller Selection）
相关术语
相关项目
- 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
视频
- Thrust to Weight Ratios | A Drone Design Foundation: The Drone Dojo