KR100832067B1 - Stability augmentation unit and tilt rotor aircraft having the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 안정성 증강유닛이 장착된 틸트로터 항공기를 도시한 측면도이다.1 is a side view showing a tilt rotor aircraft equipped with a stability enhancing unit of the present invention.
도 2는 본 발명의 안정성 증강유닛이 장착된 틸트로터 항공기를 도시한 정면도이다.Figure 2 is a front view showing a tilt rotor aircraft equipped with a stability enhancing unit of the present invention.
도 3은 본 발명의 안정성 증강유닛의 모멘텀 휠을 도시한 사시도이다.Figure 3 is a perspective view showing a momentum wheel of the stability enhancing unit of the present invention.
도 4는 본 발명의 안정성 증강유닛의 작동을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.4 is a conceptual view illustrating the operation of the stability enhancing unit of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 :틸트로터 항공기 110:몸체100: Tilt rotor aircraft 110: Body
120 :고정날개 유닛 130:회전날개 유닛120: fixed wing unit 130: rotary wing unit
140 :모멘텀 휠 142:덮개부140 : Momentum wheel 142 : Cover part
144 :본체부 146:회로부144 : Main body 146 : Circuit
본 발명은 안정성 증강유닛 및 이를 포함하는 틸트로터 항공기에 관한 것으로서, 보다 더 자세히 설명하면, 항공기가 비행시 자세 변환을 할 때나 외란에 대해 신속하게 대응함으로써 비행 안정성을 구현할 수 있는 안정성 증강유닛 및 이를 포함하는 틸트로터 항공기에 관한 것이다.The present invention relates to a stability enhancer unit and a tilt rotor aircraft including the same, and in more detail, a stability enhancer unit capable of realizing flight stability by quickly responding to a disturbance when the aircraft changes its attitude during flight and includes the same. It relates to a tilt rotor aircraft.
틸트로터 항공기는 주날개의 양쪽 끝에 장착된 엔진과 대형 포터를 위 방향으로 돌려 헬리콥터처럼 수직으로 이착륙하고, 그 방향을 앞으로 돌려 프로펠러 항공기처럼 비행하는 기종을 가리킨다. 수직 이륙한 후 수평비행을 하기 위해 로터(Rotor)가 장착된 날개부의 방향을 앞으로 기울이기 때문에 ‘틸트로터’라는 이름이 붙게 되었다. 틸트로터 항공기는 상황에 따라 수직 이착륙뿐만 아니라 단거리 활주 이착륙과 정상 활주 이착륙도 할 수 있다.Tilt-rotor aircraft refers to aircraft that are mounted at both ends of the main wing and large porters up and down to take off and land vertically like helicopters, and to the front to fly like propeller aircraft. After taking off vertically, the tilted rotor was named because it tilts forward in order to fly horizontally in order to fly horizontally. Tiltrotor aircraft are capable of short takeoff and landing as well as normal takeoff and landing, as well as vertical takeoff and landing.
이러한 틸트로터 항공기는 이착륙시 헬리콥터와 유사한 특성을 나타내는 회전익 모드와, 임무수행을 위한 고정익 항공기 특성을 나타내는 고정익 모드의 특성을 모두 갖고 있으며, 이외에 상기 두 모드간의 전환을 위한 천이모드가 있다. 천이모드는 일반 항공기와는 달리 틸트로터 항공기만이 가지는 특수한 비행영역으로서 이에 대한 많은 연구가 현재 진행되고 있다. 천이모드는 나셀을 변화시킴으로써, 회전익 모드에서 고정익 모드로의 천이 또는 고정익 모드에서 회전익 모드로의 역천이 과정을 거치는 비행모드이다. 이러한 천이 및 역천이 비행모드는 틸트로터 항공기의 제어기 설계에 있어 가장 민감하고 복잡한 비행영역이라 할 수 있다. 특히, 틸팅각이 변화하기 때문에 항공기 피치각이 변화하여 자세가 불안정해지는 문 제가 발생하게 되며, 천이 비행중 외란에 의해 기수가 심하게 변하여 불안정한 비행을 할 수 있게 된다. 틸팅각의 변화 또는 외란 등에 의해 항공기 피치 자세가 불안정해지는 문제를 해결하기 위하여 이에 따라 자세 제어장치가 고려되어야 할 것이다.The tilt rotor aircraft has both a rotor blade mode exhibiting characteristics similar to a helicopter during takeoff and landing, and a fixed wing mode exhibiting fixed wing aircraft characteristics for performing a mission. In addition, the tilt rotor aircraft has a transition mode for switching between the two modes. Unlike the general aircraft, the transition mode is a special flight area that only the tilt rotor has, and much research is being conducted. The transition mode is a flight mode in which a transition from the rotor blade mode to the fixed wing mode or the reverse transition from the fixed wing mode to the rotor blade mode is performed by changing the nacelle. Such a transition and reverse transition flight mode is the most sensitive and complicated flight area in the controller design of the tilt rotor aircraft. In particular, since the tilt angle changes, the aircraft pitch angle changes, causing a problem that the posture becomes unstable, and the nose is severely changed due to disturbance during the transition flight, thereby enabling unstable flight. In order to solve the problem that the aircraft pitch attitude becomes unstable due to a change in tilting angle or disturbance, the attitude control device should be considered accordingly.
본 발명은 상술한 문제점을 해결한 것으로, 본 발명의 일 목적은 틸트로터 항공기가 비행중 천이 및 역천이 비행모드로 변환할 때 비행의 안정성을 유지시켜 줄 수 있는 안정성 증강유닛 및 이를 포함하는 틸트로터 항공기를 제공함에 있다.The present invention solves the above problems, an object of the present invention is a tilt enhancer unit that can maintain the stability of the flight when the tilt rotor is converted to the transition mode and the transition in flight and a tilt rotor aircraft comprising the same In providing.
본 발명의 다른 목적은 비행시 외란이나 돌풍이 발생하는 경우에도 안정적인 비행 자세를 유지할 수 있는 안정성 증강유닛 및 이를 포함하는 틸트로터 항공기를 제공함에 있다.It is another object of the present invention to provide a stability enhancing unit capable of maintaining a stable flight attitude even when disturbance or gusts occur during flight, and a tilt rotor aircraft including the same.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 비행 안정성을 위해 비행체에 장착되는 안정성 증강유닛은 모멘텀 휠 및 센서부를 포함한다.According to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object of the present invention, the stability enhancing unit mounted to the vehicle for the flight stability of the present invention includes a momentum wheel and sensor unit.
상기 모멘텀 휠은 상기 비행체의 일측에 장착되고, 상기 센서부는 상기 비행체의 움직임을 감지하여 상기 모멘텀 휠에 감지 신호를 전송하여 구동시킨다. 이러한 상기 안정성 증강유닛은 상기 비행체가 자세변환을 하거나 또는 상기 비행체에 외란의 발생으로 비행상태가 불안정해 질 때, 이를 상기 센서부가 감지하여 감지신호를 상기 모멘텀 휠에 전송하고, 상기 모멘텀 휠은 불안정한 비행상태를 감소 시킬 수 있는 모멘트를 발생하여 상기 비행체가 안정적으로 비행할 수 있도록 할 수 있다. 이러한, 상기 비행체는 틸트로터 항공기이며, 이에 한정되지는 않는다.The momentum wheel is mounted on one side of the vehicle, and the sensor unit detects the movement of the vehicle and transmits the sensing signal to the momentum wheel to drive the same. The stability augmentation unit detects the sensor unit and transmits a detection signal to the momentum wheel when the flight state becomes unstable due to posture change or disturbance of the aircraft, and the momentum wheel is unstable. By generating a moment that can reduce the flight state can be made to allow the aircraft to fly stably. Such a vehicle is a tilt rotor aircraft, but is not limited thereto.
상기 비행체는 고정날개 유닛 및 회전날개 유닛을 구비할 수 있으며, 상기 센서부는 상기 고정날개 유닛과 상기 회전날개 유닛간의 상호 비행모드 변환시, 변환되는 상기 비행모드에 따라 상기 모멘텀 휠을 작동시켜 비행의 안정성을 유지할 수 있다.The air vehicle may include a fixed wing unit and a rotary wing unit, and the sensor unit may operate the momentum wheel according to the flight mode to be converted when the mutual flight mode is converted between the fixed wing unit and the rotary wing unit to ensure flight stability. Can be maintained.
또한, 본 발명의 틸트로터 항공기는 몸체, 고정날개 유닛, 회전날개 유닛 및 안정성 증강유닛을 포함한다. 상기 몸체는 항력에 대항하여 유선형으로 형성된다. 상기 고정날개 유닛 및 회전날개 유닛은 상기 몸체의 양측 또는 후방에 형성되어 상기 몸체를 공중에 뜨게 하는 양력 및 전진 또는 후진시키는 추력을 제공한다. 상기 안전성 증강유닛은 상기 비행모드 변환 및 외란을 감지하는 센서부, 상기 센서부의 신호를 전송하는 전송부 및 상기 전송부의 일측에 연결되어 상기 비행 모드 변환 및 외란에 대응하여 구동하는 모멘텀 휠을 포함한다.In addition, the tilt rotor aircraft of the present invention includes a body, a fixed wing unit, a rotary wing unit and a stability enhancing unit. The body is formed streamlined against drag. The fixed blade unit and the rotary blade unit is formed on both sides or the rear of the body to provide the lifting force to raise the body in the air and the thrust to move forward or backward. The safety enhancement unit includes a sensor unit for detecting the flight mode conversion and disturbance, a transmission unit for transmitting a signal of the sensor unit, and a momentum wheel connected to one side of the transmission unit and driving in response to the flight mode conversion and disturbance. .
상기 모멘트 휠은 상부가 개방된 본체부와, 상기 본체부의 상부를 개폐하는 덮개부와, 상기 본체부의 내부에 저장되어 상기 전송부의 신호를 감지하는 회로부 및 상기 회로부에 의해 소정 각속도로 회전하는 휠부를 포함하고, 상기 휠부의 회전으로 인해 발생된 모멘트에 의해 상기 틸트로터 항공기는 상기 비행모드 변환 및 외란에 의해 발생되는 불안정한 비행상태에서 정상적인 비행상태로 복귀될 수 있다.The moment wheel may include a main body portion having an open upper portion, a cover portion for opening and closing an upper portion of the main body portion, a circuit portion stored inside the main body portion to sense a signal of the transmission portion, and a wheel portion rotating at a predetermined angular speed by the circuit portion. The tilt rotor may be returned to a normal flight state from an unstable flight state generated by the flight mode conversion and disturbance by the moment generated due to the rotation of the wheel unit.
상기 비행모드란, 상기 회전날개 유닛 모드에서 상기 조정날개 유닛 모드로 변환하는 천이 비행모드 및 상기 고정날개 유닛 모드에서 상기 회전날개 유닛 모드로 변환하는 역천이 비행모드를 의미한다.The flight mode refers to a transition flight mode for converting from the rotary wing unit mode to the adjustment wing unit mode and a reverse transition flight mode for converting from the fixed wing unit mode to the rotation wing unit mode.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the embodiments.
도 1은 본 발명의 안정성 증강유닛이 장착된 틸트로터 항공기를 도시한 측면도이고, 도 2는 본 발명의 안정성 증강유닛이 장착된 틸트로터 항공기를 도시한 정면도이며, 도 3은 본 발명의 안정성 증강유닛의 모멘텀 휠을 도시한 사시도이다.1 is a side view showing a tilt rotor aircraft equipped with a stability enhancing unit of the present invention, Figure 2 is a front view showing a tilt rotor aircraft equipped with a stability enhancing unit of the present invention, Figure 3 is a stability enhancing unit of the present invention A perspective view of a momentum wheel.
이에 도시한 바와 같이, 틸트로터 항공기(100)는 몸체(110), 고정날개 유닛(120), 회전날개 유닛(130) 및 안정성 증강유닛을 포함한다.As shown therein, the
상기 몸체(110)는 상기 틸트로터 항공기(100)의 각 부분이 결합되는 곳으로서, 조종석과 기타 장비를 탑재할 수 있다. 상기 몸체(110)의 표면은 공기의 저항을 최소로 하기 위해서 유선형으로 설계되며, 조종석의 배열은 기종에 딸 전후방으로 설치된 전후복좌식과 좌우측으로 장착된 좌우복좌식으로 나눌 수 있다. 상기 몸체(110)는 내부강도를 강화하고, 가벼우며, 또한 공기의 저항을 최소화하기 위해 주로 알루미늄 합금, 유리질 섬유 또는 이와 유사한 재질로 제작될 수 있다. 또한, 상기 몸체(110)의 골격 구조는 트러스와 모노코크 구조를 조화시켜 강도를 강화시킬 수 있다. 상기 몸체(110)의 하부에는 상기 틸트로터 항공기(100)가 안전하게 착륙하도록 착륙 유닛(미도시)이 형성될 수 있다.The
상기 고정날개 유닛(120)은 상기 몸체(110)의 양측에 형성되어 상기 틸트로 터 항공기(100)가 중력에 대응하여 부양될 수 있도록 양력을 제공한다. 상기 회전날개 유닛(130)은 상기 몸체(110)의 양측에 형성되고, 각각 엔진 및 엔진에 연결된 회전익을 구비하여 상기 틸트로터 항공기(100)의 항력에 대응한 추력을 제공한다.The
상기 안정성 증강유닛은 센서부(미도시), 전송부(미도시) 및 모멘텀 휠(140)을 포함하여, 상기 틸트로터 항공기(100)가 비행모드를 변환하거나, 상기 틸트로터 항공기(100)에 외란이 발생할 시 비행 안정성을 유지시켜 줄 수 있다.The stability augmentation unit includes a sensor unit (not shown), a transmission unit (not shown) and a
상기 센서부는 상기 비행모드의 변환 또는 외란의 발생으로 인해 상기 틸트로터 항공기(100)가 정상적인 움직임에서 벗어날 경우, 이를 감지하여 감지신호를 발생하고, 상기 전송부는 상기 감지신호를 상기 모멘텀 휠(140)에 전송하여 상기 모멘텀 휠(140)을 구동하도록 한다.The sensor unit detects when the
상기 모멘텀 휠(140)은 상기 틸트로터 항공기(100)의 피치축(Pitch axis)의 안정성 증강을 위해 y축에 상기 모멘텀 휠(140)의 평면이 수직이 되도록 장착되는데, 상기 틸트로터 항공기(100)가 정상적인 비행 상태를 유지하도록 모멘트를 제공한다.The
이외에도 상기 틸트로터 항공기(100)가 요축(Yaw axis) 또는 롤축(Roll axis)에 대해서 자세가 불안정할 때에도 상기 모멘텀 휠(140)을 통하여 불안정한를 바로 잡을 수 있다.In addition, even when the
상기 모멘텀 휠(140)은 상부가 개방된 본체부(144)와, 상기 본체부(144)를 덮는 덮개부(142), 상기 본체부(144) 내부에 저장된 회로부(146) 및 상기 회로부(146)에 의해 회전하는 휠부(wheel part)(미도시)를 포함한다. 상기 전송부의 상 기 감지신호를 상기 회로부(146)는 수신하고, 상기 회로부(146)에 의해서 상기 휠부(미도시)는 회전할 수 있다.The
상기 모멘텀 휠(140)에 의해서 상기 틸트로터 항공기(100)의 비행 안정성을 유지시키는 메커니즘을 살펴보도록 한다. 이를 위해 도 4를 제시한다.The mechanism to maintain the flight stability of the
도 4는 본 발명의 안정성 증강유닛의 작동을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.4 is a conceptual view illustrating the operation of the stability enhancing unit of the present invention.
이에 도시한 바와 같이, 일정한 각속도로 회전하는 모멘텀 휠의 휠부는 틸트로터 항공기의 피치 각속도에 비례하여 각가속도를 각지고 회전하고, 이에 따라 상기 틸트로터 항공기의 천이 또는 역천이 비행모드의 불안정한 피치자세를 안정화시킬 수 있는 모멘트를 생성한다. 이를 수식으로 표현하면 수학식 1과 같다.As shown in the drawing, the wheel part of the momentum wheel rotating at a constant angular velocity rotates at an angular acceleration in proportion to the pitch angular velocity of the tilt rotor. Create a moment that can be. If this is expressed as an equation, Equation 1 is obtained.
이다. to be.
상기 은 불안정한 피치자세를 잡기 위한 모멘트이고, I 는 모멘텀 휠의 관성모멘트이고, 는 모멘텀 휠의 각가속도이다. 그리고, q 는 항공기의 피치각속도이며, -K는 q에 따른 보정변수이다.remind Is the moment for catching the unstable pitch, I is the moment of inertia of the momentum wheel, Is the angular acceleration of the momentum wheel. And, q is the pitch angular velocity of the aircraft, -K is a correction variable according to q.
상기 수학식 1에서와 같이, 상기 항공기 각속도(q)는 상기 모멘텀 휠의 각가 속도()의 반대방향으로 작용하여 감쇠비에 영향을 미친다. 또한, 상기 항공기의 피치각속도(q)가 q에서 q + △q만큼 변할 때 상기 모멘텀 휠의 각가속도()가 에서 + △ 가 변화하여 불안정한 비행상태를 안정적인 비행상태로 변화시키기 위한 모멘트를 제공한다. 이와 같이, 불필요한 항공기의 운동을 감지하고, 그 운동에 저항하도록 조종면이 움직이도록 피드백하여 항공기의 단주기 동특성 모드를 개선할 수 있다.As in Equation 1, the aircraft angular velocity q is the angular acceleration velocity of the momentum wheel It works in the opposite direction of), affecting the damping ratio. Further, when the pitch angular velocity q of the aircraft varies from q to q + Δq, the angular acceleration of the momentum wheel ( )end in + △ Is changed to provide a moment to change from an unstable flight to a stable flight. As such, it is possible to improve the short-period dynamic mode of the aircraft by detecting unnecessary movement of the aircraft and feeding back the steering surface to resist the movement.
따라서, 본 발명에 따르면, 틸트로터 항공기가 자세를 변환할 때, 이를 감지하여 모멘틀 휠을 구동시킴으로써, 자세 변환시의 불안정한 비행상태를 정상 비행상태로 복귀시킬 수 있는 효과가 있다.Therefore, according to the present invention, when the tilt rotor aircraft converts the attitude, by detecting this to drive the momentum wheel, there is an effect that can return to the unstable flight state at the time of attitude change to the normal flight state.
또한, 틸트로터 항공기가 비행시에 외란의 발생으로 인해 정상 비행모드에서 벗어날 경우 불안정한 비행모드에 대해 모멘텀 휠의 휠부 회전 각속도를 변화시켜 단주기 댐핑을 증가시킬 수 있고, 이로써 외란에 대해 강건성을 확보할 수 있는 효과가 있다.In addition, if the tilt rotor is out of the normal flight mode due to the occurrence of disturbance during flight, it is possible to increase the short period damping by changing the rotational angular velocity of the wheel of the momentum wheel for the unstable flight mode, thereby ensuring robustness against disturbance. It can be effective.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art various modifications and variations of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.
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