KR100412628B1 - 해면효과익선 - Google Patents

Abstract

본 발명은 팽창식 익단판을 구비하여 수상 항주 시에는 익단판에 공기를 주입하여 부피를 팽창시킴으로써 선체와 부력을 분배할 수 있도록 하여 파랑 중 주선체의 저항을 감소시켜 내항성능의 증대와 횡복원력의 향상을 꾀하고, 비행 시에는 익단판 내의 공기를 제거함으로 항력을 작게 발생시키는 평판형 익단판으로 변형시킴으로써 운항효율의 증대 효과를 갖게 함은 물론 주익의 하반각을 없애주어 비행시의 횡요를 감소시켜 동적 횡복원성을 크게 향상시킬 수 있도록 하는 팽창형 익단판을 갖는 해면효과익선에 관한 것으로, 주선체, 주익, 보조익, 외부조종익, 수평 방향타, 수직 방향타로 구성되는 해면효과익선에 있어서, 상기 주익 저면의 좌우 양단부에 하향으로 팽창형 익단판이 설치되되, 상기 팽창형 익단판은 팽창 가능한 재질의 익단판 측벽으로 외형을 이루는 튜브형상체로서, 내부에 판상의 중간판을 구비하며, 공기의 유입과 유출이 가능한 익단판 팽창용 송풍기와 연통되는 것을 특징으로 한다.

Description

해면효과익선{WING IN GROUND EFFECTS SHIP}

본 발명은 해면효과익선에 관한 것으로, 보다 상세하게는 팽창식 익단판을 구비하여 수상 항주 시에는 익단판에 공기를 주입하여 부피를 팽창시킴으로써 선체와 부력을 분배할 수 있도록 하여 파랑 중 주선체의 저항을 감소시켜 내항성능의 증대와 횡복원력의 향상을 꾀하고, 비행 시에는 익단판 내의 공기를 제거함으로 항력을 작게 발생시키는 평판형 익단판으로 변형시킴으로써 운항효율의 증대 효과를 갖게 함은 물론 주익의 하반각을 없애주어 비행시의 횡요를 감소시켜 동적 횡복원성을 크게 향상시킬 수 있도록 하는 팽창형 익단판을 갖는 해면효과익선에 관한 것이다.

표면효과는 날개가 지표면이나 수표면 위를 근접하여 날아갈 때 항공기가 공정을 비행할 경우의 무한 유체장으로부터 얻어지는 양력과 더불어 날개와 표면 사이에 가두어진 공기의 작용에 의해 발생되는 공기압력에 의해 위쪽으로 작용하는 힘이 합해져, 이로써 전체적인 양력이 커지고 항력은 감소하게 되는 효과를 말한다.

이와 같은 표면효과 중 특히 해면효과를 이용한 선박을 해면효과익선(WIG ship : Wing In Ground effects ship)이라 하며, 선저에 날개를 장착한 수중익선보다 빠르기 때문에 기존의 선박이나 항공기보다 우수한 운송 효율을 지닌 초고속 해상 운송 시스템이다.

기존의 해면효과익선에는 주로 PAR(Power Augmented Ram) 방식 또는 공기부양 방식이 이용되고 있는데, 상기 PAR 방식은 날개 밑의 추진기에 발생된 공기를 가두어 선체를 부양하는 방식으로서 정수상태에서는 그 효과가 뛰어나나, 파랑 중에는 선체의 종방향 운동으로 날개 밑에 가두었던 공기가 빠져나가게 되므로 그 효과가 급격하게 감소되어 많은 부가 저항을 발생시키며 주날개의 받음각이 일정하지 않아 안정된 양력을 얻을 수가 없는 문제점이 있다.

공기부양 방식은 호버크래프트나 해면효과선(SES : Surface Effect Ship)에 이용되는 방식으로서, 스커트로 선체 주위를 감싸고 부양팬을 이용하여 그 안에 공기를 불어넣어 공기압에 의하여 선체를 부양하는 방식인 바, 정수 중에 초고속을실현할 수 있는 최적의 방법이다. 그러나 상기 공기부양 방식은 파랑 중에는 종방향 운동 성능이 불량하기 때문에 스커트 내의 공기압을 급격히 떨어뜨려, 많은 속도 저하를 일으키므로, 결국에는 이수 속도에 도달하지 못하게 되는 문제점이 있다.

상기한 바와 같이 종래 방식에 의한 해면효과익선은 파랑 중의 내항성능이 불량하고 이수가 불가능하게 되는 치명적 결함을 갖고 있으므로, 해면효과익선의 우수한 운송 효율과 뛰어난 장점에도 불구하고, 상용화는 초기 단계에 머물러 있는 상태이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 즉 적절한 해면효과를 얻기 위하여 해면효과익선의 주익의 단부에 공기를 가둬두기 위한 익단판을 설치하는데, 상기 익단판의 형상은 부력을 얻기 위한 보조 선체의 형상이나 단순 평판형으로 한다.

보조 선체의 형상을 갖는 익단판은 부력을 갖게 하여 횡복원력을 향상시키고 주선체의 저항을 분산시켜 내항성을 향상시키나, 이수 후 항력을 크게 증가시키므로 운송 효율을 저감시키는 문제점이 있으며, 단순 평판형의 익단판은 횡복원력에 대한 약점과 구조적 한계를 갖고 있다.

따라서 일정 부력을 담당하여 내항성을 향상시키면서도 횡복원력을 구비하며, 비행시 항력을 크게 증가시키지 않은 새로운 방식의 익단판이 절대적으로 요구되어 왔다.

한편, PAR방식을 제외한 대부분의 해면효과익선은 해면효과를 얻을 수 있는 비행고도의 제한 때문에 하반각을 갖는 주익 형상을 채택한다. 해면 효과는 주익하단으로부터 수면까지의 높이로 정의되어 평가되나, 실제로는 익단판 하부에서 수면까지의 높이로도 유효하다. 즉, 익단판 하단이 수면에 가까울수록 해면효과가 크게 나타나므로, 일반적으로 익단판 하단은 주 선체의 하단 높이와 동일하게 한다. 이를 위해서 익단부가 익근부보다 하방에 오는 하반각 주익을 갖도록 하는데, 상기 하반각 주익은 비행시 횡요를 증가시킴으로써 횡방향 동적 운동 성능을 크게 저하시키는 약점이 있다.

또한 이수 직전의 고속상태인 스키밍 모드(Skimming Mode)에서는 직진성의 방향 제어가 매우 어렵다. 이는 비행 모드로 변환되기 직전의 스키밍 모드에서는 수중 방향타가 공기 중으로 노출되므로 유체에 의한 방향 제어력이 상실되고, 수직꼬리날개도 비행 항주 속도에 맞추어 설계되었기 때문에 비행 항주 속도보다 저속인 이수 직전의 속도에서는 제어에 필요한 힘을 충분히 얻을 수 없으므로, 작은 파랑에도 방향 제어력을 상실하는 문제가 있다.

전술한 직진성과 같은 방향 제어력의 불량은 해면효과익선의 충돌과 같은 대형사고를 유발하는 중대한 문제점은 물론 빈번한 방향 변경에 의하여 이수 속도의 도달에 걸리는 시간이 길게 되며, 때로는 이수 속도에 도달하지 못하게 되어 운항 불가 상황에 이르기도 한다.

이러한 직진성의 방향 제어 불량을 해결하기 위하여, 해면효과익선의 선미에 고정식 대형 수중타를 설치함으로써 직진 방향성을 확보하는 바, 상기한 대형 수중타의 설치는 이수 후 비행시에 항력을 크게 증가시킴으로 공력 손실을 과대하게 하는 단점이 있기 때문에 근본적 해결책이 되지는 못한다.

또한 해면효과익선에서는 착수 시에 부담되는 거대 유체력이 선체 또는 주익에 큰 충격력으로 작용하기 때문에 안전한 착수를 방해할 뿐만 아니라 선체 손상의 주원인이 되어 왔다. 따라서 해면효과익선의 안전한 착수를 위하여 착수 장치의 개발도 요청되어 왔다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 보조 선체 기능을 하는 팽창형 익단판을 구성하여 주선체와 부력을 분배시킴으로써 이수 전에는 내항성능 및 횡복원력의 향상을 도모하고, 이수 후에는 팽창 익단판 내의 공기를 제거하여 평판형 익단판의 형상을 유지시킴으로써 비행 중에 팽창형 익단판에 의한 항력 증가를 막아 운송 효율을 증가시킬 수 있도록 하며, 주익의 하반각을 주지 않고도 익단판 하부를 수면에 가깝게 유지시켜 해면효과를 그대로 유지하면서 하반각에 의해 발생되는 비행시 횡요를 감소시켜 동적 횡복원력을 크게 향상시킬 수 있도록 하는 팽창 수축형 익단판을 구비하는 해면효과익선을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 이수 직전의 수상 항주 시에는 직진 안전성을 확보하고 정상 비행시에는 공력 노출을 줄여 항력을 감소시킬 수 있도록 하는 수직 높이가 조정되는 수중타부와, 착수시에 거대 유체력에 의하여 선체에 전달되는 수력 충격을 완화시켜 착수 자세를 안정화시키는 착수 보조 장치를 구비하는 해면효과익선을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 의한 해면효과익선의 평면도,

도 2는 본 발명에 의한 해면효과익선의 측면도,

도 3은 본 발명에 의한 해면효과익선의 정면도,

도 4는 본 발명에 의한 해면효과익선의 팽창형 익단판의 구성 및 장치에 대한 설명도,

도 5는 해면효과익선에 있어서의 비행 고도와 해면효과 관계를 나타내는 설명도,

도 6은 본 발명에 의한 해면효과익선의 수중타부의 구조와 원리를 나타내는 설명도,

도 7은 본 발명에 의한 해면효과익선의 수중타부에 대한 기능 설명도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1...주선체 2...주익

3...팽창형 익단판 4...익근부

5...익단부 6...보조익(Aileron)

7...외부조종익(Outer Wing) 8...수평 방향타

9...수직 방향타 10...수중타부

11...익단판 팽창용 송풍기 12...익단판 측벽

13...공기주입 14...공기 배출

15...비행 시의 익단판 16...중간판

17...수중타 격납실 18...수중타 조정용 실린더

19...최대하강시 수중타 20...비행시 최대 상향 수중타

21...착수시 수중타 22...주익 평균 코드(Mean Chord)

23...익단판 하부 기준 비행 고도(h)

24 : 주익 하부 기준 비행 고도(h')

본 발명은 주선체, 주익, 보조익, 외부조종익, 수평 방향타, 수직 방향타로 구성되는 해면효과익선에 있어서, 상기 주익 저면의 좌우 양단부에 하향으로 팽창형 익단판이 설치되되, 상기 팽창형 익단판은 팽창 가능한 재질의 익단판 측벽으로 외형을 이루는 튜브형상체로서, 내부에 판상의 중간판을 구비하며, 공기의 유입과 유출이 가능한 익단판 팽창용 송풍기와 연통되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 주선체, 주익, 보조익, 외부조종익, 수평 방향타, 수직 방향타로 구성되는 해면효과익선에 있어서, 상기 주익의 선미측 저면에 수중타부가 하향으로 설치되되, 상기 수중타부는 상하 이동이 가능한 수중타와, 상기 수중타를 이동시킬 수있도록 하는 동력원인 수중타 조정용 실린더와, 상기 수중타가 수납될 수 있을 정도의 공간을 구비하는 수중타 격납실을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 해면효과익선의 평면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 해면효과익선의 측면도이며, 도 3은 본 발명에 의한 해면효과익선의 정면도이다.

도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 해면효과익선은 세장형의 주선체(1)와, 상기 주선체(1)를 가로지르며 설치되는 주익(2)을 기본 구조체로 하여 구성된다.

상기 주익(2)은 주선체(1)와 인접하는 익근부(4)와 그 외측 종단을 구성하는 익단부(5)로 구분되며, 후방향에는 좌우측으로 보조익(6)이 설치된다. 또한 상기 주익(2)의 익단부(5)에는 상방향으로 경사를 가진 형태로 외부조종익(7)이 설치된다.

상기 주선체(1)의 상면 종단부에는 주선체(1)를 가로지르며 수평 방향타(8)와 수직 방향타(9)가 설치된다.

또한 본 발명에 있어서의 특징부인 팽창형 익단판(3)은 상기 주익(2) 저면의 좌우 양단부에 하향으로 설치된다.

또한 본 발명에 있어서의 또 다른 특징부인 수중타부(10)는 상기 주선체(1)의 선미측 저면에 하향으로 설치된다.

도 4는 본 발명에 의한 해면효과익선의 팽창형 익단판의 구성 및 장치에 대한 설명도로서, 도면에 도시하고 있는 바와 같이, 상기 팽창형 익단판(3)은 팽창 가능한 섬유 고무 재질의 익단판 측벽(12)이 외형을 이루는 튜브형상체로서, 내부에 지지역할을 수행하는 판상의 견고한 재질로 이루어진 구조재인 중간판(16)를 구비하고 있다. 또한 상기 익단판 측벽(12)에 의하여 구성되는 팽창형 익단판(3)의 내부 공동에는 외부로부터의 공기나 유체의 유입 또는 유출이 차단되는 형태이되, 상기 주익(2)을 통하여 팽창형 익단판(3)의 내부 공동으로 공기의 유입과 유출이 가능하도록 익단판 팽창용 송풍기(11)가 연통된다.

상기한 바와 같은 구조를 갖는 팽창형 익단판(3)의 작동 원리를 설명한다.

본 발명에 의한 해면효과익선의 팽창형 익단판(3)은 보조 선체의 기능을 하는데, 도 4(a)에서 보는 바와 같이, 수상 항주시에는 익단판 팽창용 송풍기(11)를 통해 공기를 주입시켜 팽창형 익단판(3)의 부피를 확장시킴으로써 주선체(1)의 부력 일부를 팽창형 익단판(3)이 담당하게 한다. 따라서 주선체(1)를 세장형으로 하여 파랑 상태에서의 내항성능을 크게 개선하고, 양 팽창형 익단판(3)에 의해 횡복원력을 증가시킴으로써 운항 안정성을 높일 수 있도록 한 것이다.

또한 비행 시에는 팽창형 익단판(3)에 의해 항력이 증가되므로, 이를 방지하기 위하여, 도 4(b)에서 보는 바와 같이, 이수 직후에 익단판 팽창용 송풍기(11)를 이용하여 팽창용 익단판(3)의 내부 공동에 유입되어 있는 공기를 외부로 유출시킴으로써, 도 4(c)와 같은 비행 시의 익단판(15)과 같은 형상이 되도록 하여 항력을 감소시켜 운항 효율을 높이도록 한다.

해면효과익선에서의 해면효과는 도 1에서 도시된 바와 같은, 주익(2)의 평균 코드 C(22)와 도 5에서 도시된 바와 같은 수면으로부터 주익(2) 하단까지의 높이 h'(24)의 비율에 의해서 결정되는데, h'/c의 비율이 작을수록 해면 효과가 크게 나타난다. 여기에서 h'(24)는 주익 하부 기준 비행 고도를 뜻하며, 팽창형 익단판(3) 하부에서 수면까지의 높이인 h(23)로 대체하여도 동일한 효과를 기대할 수 있다. 상기 h(23)은 익단판 하부 기준 비행 고도를 의미한다.

도 5는 해면효과익선에 있어서의 비행 고도와 해면효과 관계를 나타내는 설명도로서, h/c와 양력(L)대 항력(D)비의 관계를 도시하였다.

상기 관계에 따르면, h/c가 작을수록 양력은 증가하고 항력은 감소하므로, h(23)를 가능한 작게, 즉 해면에 근접 비행을 하도록 함으로써 해면효과익선은 항공기에 비해 수배의 양력을 얻을 수 있다.

위와 같은 이유에 따라, 익단판 하부를 수면과 가깝도록 최대한 내리는데, 이를 위해서 해면효과익선에서는 주익의 하반각 구조를 채택한다. 그러나 하반각 구조의 주익에 의하여 해면효과의 증대 이익은 얻을 수 있는 반면 비행시 횡요가 발생하여 동적 횡복원력이 불량해지는 문제점이 있다.

따라서 본 발명에서는 동적 횡복원력의 증대를 위하여 도 3에서 도시하고 있는 주익(2)과 같이, 하반각을 없앤 형태로 한다. 이렇게 하반각을 없앤 주익(2)은 파랑 중에 해수에 노출되므로 전체적으로 상방향으로 이동되어 설치되고, 이로 인해 익단판 상부도 함께 상방향으로 이동되므로, 결과적으로 익단판이 과도하게 크게 된다.

과도한 익단판은 구조적 한계를 갖고 비행 시 항력을 크게 만드는 단점을 갖고 있으나, 본 발명에 의한 익단판은 팽창형이므로, 비행 시에는 상기 팽창형 익단판(3)의 내부 공동에 유입된 공기를 제거함으로써 항력 증가에 의하여 상기 구조적 한계를 극복할 수 있다.

도 6은 본 발명에 의한 해면효과익선의 수중타부의 구조와 원리를 나타내는 설명도이고, 도 7은 본 발명에 의한 해면효과익선의 수중타부에 대한 기능 설명도이다.

본 발명에 의한 해면효과익선의 수중타부(10)는 상하로 이동이 가능하여 수직 높이의 조절이 가능한 수중타(19, 20)와 상기 수중타(19, 20)를 상하로 이동시키기 위하여 연동되는 수중타 조정용 실린더(18) 및 상기 수중타(19, 20)가 수납될 수 있을 정도의 공간을 구비하는 수중타 격납실(17)로 구성된다.

해면효과익선은 이수 직전의 수상 항주 시에 순간적으로 조타 장치가 기능을 발휘하지 못하고 직진성 및 조종성이 급격하게 불량해지는 현상을 보이는데, 이것을 방지함에 있어서, 상기 수중타 조정용 실린더(18)에 의하여 상하로 이동하면서 수직 높이가 조정되는 수중타(19, 20)에 의하여, 도 6(a)에서 도시되어 있는 바와 같이, 수상 항주 시에는 일정 비행고도 및 비행 속도를 확보할 때까지 상기 수중타(19)의 하부가 물에 잠기도록 하여 직진 안정성을 확보하며, 이후의 정상 비행시는 도 6(b)와 같이, 수중타 격납실(17) 내에 상기 수중타(20)가 수납되어 공력에 노출되는 부분을 줄임으로써 결과적으로 항력을 줄일 수 있도록 한다.

또한 비행상태에서 착수가 시작되기 전에 수중타 격납실(17)에 수납된 수중타(20)를 상기 수중타 조정용 실린더(18)를 통하여 최대 하강시켜 착수시 수중타(21) 위치를 갖춘 착수자세에 돌입하도록 한다. 상기 수중타(21)가 먼저 물에 접수되어 자세 안정화를 이룬 다음, 주선체(1)가 안전하게 접수하게 되므로, 거대 유체력에 의하여 선체에 전달되는 수력 충격은 그만큼 완화하게 되는 착수 보조 장치의 역할을 수행한다. 이때 수중타를 상하강 시키는 실린더의 수와 용량은 수중타의 크기와 작용하는 유체력을 고려하여 결정한다.

팽창식 익단판을 갖는 해면효과익선에 대한 본 발명은 수상 항주 시에는 익단판에 공기를 주입하여 부피를 팽창시킴으로써 선체와 부력을 분배하여 파랑 중주선체의 저항을 감소시키고, 내항성능 증대 및 횡복원력을 향상시키며, 비행 시에는 익단판 내부 공동의 공기를 제거함으로 항력을 작게 발생시키는 평판형 익단판으로 변형케 함으로써 운항효율의 증대 효과를 갖게 함은 물론 주익의 하반각을 없애주므로 비행 시의 횡요를 줄여 동적 횡복원성을 크게 향상시키는 효과를 거둘 수 있다.

또한 본 발명은 수직 높이의 조정이 가능한 수중타를 선미에 설치함으로써, 수상 고속 항주 시에는 수중타의 위치가 최대한 아래로 오도록 조정하여 이수 전 및 이수 직후까지 수중타의 일부가 물에 몰수되도록 하여 직진 안정성을 확보하고, 정상 비행 시에는 수중타 격납실에 수납토록 하여 수중타가 노출되어 생기는 항력을 없애 주며, 착수 시에는 착수전 수납된 수중타를 미리 최대로 하강시킨 후, 수중타를 우선 물에 접수토록 하여 거대 유체력에 의하여 선체에 전달되는 수력 충격을 완화시켜 선체의 손상을 막아주며 착수 자세를 안정화시키는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 주선체, 주익, 보조익, 외부조종익, 수평 방향타, 수직 방향타로 구성되는 해면효과익선에 있어서,

   상기 주익 저면의 좌우 양단부에 하향으로 팽창형 익단판이 설치되되,

   상기 팽창형 익단판은 팽창 가능한 재질의 익단판 측벽으로 외형을 이루는 튜브형상체로서, 내부에 판상의 중간판을 구비하며, 공기의 유입과 유출이 가능한 익단판 팽창용 송풍기와 연통되는 것을 특징으로 하는 해면효과익선.
2. 주선체, 주익, 보조익, 외부조종익, 수평 방향타, 수직 방향타로 구성되는 해면효과익선에 있어서,

   상기 주익의 선미측 저면에 수중타부가 하향으로 설치되되,

   상기 수중타부는 상하 이동이 가능한 수중타와, 상기 수중타를 이동시킬 수있도록 하는 동력원인 수중타 조정용 실린더와, 상기 수중타가 수납될 수 있을 정도의 공간을 구비하는 수중타 격납실을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 해면효과익선.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 주익은 하반각이 없는 것을 특징으로 하는 해면효과익선.