KR100865984B1 - 파라글라이더로 견인하는 선박 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력추진선박에 관한 것으로서, 유 ·무선으로 조작되는 서보모터에 의하여 파라포일(parafoil)의 공기흡구면적과 좌우측의 리딩에지(eading edge)와 트레일링에지(trailing edge)의 받음각이 조종되는 파라포일에 의하여 견인되는 선박에 관한 것이다.

파라포일은 조종이 미숙할지라도 수면상에 추락시킬 염려가 없도록 헬륨을 채운 유선형기낭을 파라포일의 중앙에 두고, 선박을 끄는 견인줄의 견인력 작용점의 위치를 조종자의 발로 조작되는 쿼터러더(quarter rudder)에 의하여 조종함으로서 선체의 진행방향조종을 하도록 하여, 파라포일과 선체의 조종을 용이하게 하였다.

파라포일(parafoil), 선박, 파라글라이더, 풍력, 쿼터러더(quarter rudder), 서보모터

Description

파라글라이더로 견인하는 선박{WATERCRAFT TOWED BY A PARAGLIDER}

도 1은 헬륨기낭이 중앙에 있는 파라포일에 의하여 견인되는 선체의 사시도

도 2는 견인줄이 부착되는 포스박스(Force Box)의 사시도

미국특허 3,285,546

미국특허 4,708,078

미국특허 5,366,182

미국특허 6,502,789 B2

본 발명은 카이트서핑(Kite Surfing )의 원리를 이용하여 배를 추진코자 하는 풍력추진선박에 관한 것으로서, 풍력추진선박을 견인하는 파라포일과 선체의 조종방법과 장치에 관한 것이다.

사모아 섬에서 연을 이용하여 배를 끌었었다는 얘기가 마르코 폴로의 동방견문록에 있으며, 이후 연을 이용하여 선박을 추진코자 하는 시도는 여러 번 있었다.

근래에 카이트서핑(Kite Surfing)이 확산된 것은 1966년 Domina C. Jalbert가 개발한 Multi-cell wing type aerial device (스스로 부풀어지는 유연한 구조의 익형(airfoil) 형상의 날개(parafoil))를 개발하여 우주선의 지구대기권 재진입시에 쓰인 뒤에 프랑스의 Legaignoux 형제가 혼자서도 조작할 수 있게 하기 위한 조종법을 개발하면서 시작되었다고 볼 수 있다.

이후 물 위에서도 파라포일을 공중부양시킬 수 있는 구조와 조종법 등이 개량 발전됨으로서 카이트서핑에서 시속 134 Km의 기록도 나오게 되었다.

따라서 이러한 좋은 성능을 내는 파라포일을 이용하여 배를 끌고자 하는 장치와 방법도 많이 고안되었음에도 불구하고, 초보자들에게는 상대풍속이 낮을 때 자칫 파라포일을 추락시킬 우려가 있을 뿐 아니라 바람이 셀 때는 파라포일 조종에만도 온갖 신경을 다 써야하므로 수면상의 장애물 경계도 제대로 하기 힘들고 선체가 커지면 인력으로 조종하기 어렵다는 문제점을 계속 안고 있는 실정이다.

본 발명에서는 낮은 상대풍속에서도 파라포일을 물위에 추락시킬 우려가 없도록 하고 높은 풍속에서도 여유를 가지고 조종할 수 있도록 하는 등 파라포일 조종 업무로드를 경감시키어 선박 진행방향의 사주경계와 장애물 회피 등 선박조종에 집중할 수 있도록 하여 어선 같은 업무용 선박에서도 카이트서핑 기법을 쓸 수 있도록 하는 것이 본 발명에서 풀어야 할 기술적 과제이다.

또한 어선과 같은 업무용 선박이 항만 내에서도 바람을 이용한 추진을 하려 한다면 다른 배의 진행을 방해할 수 있으므로 바람을 이용한 추진보다는 다른 동력원을 이용한 추진이 바람직할 것이다. 그러나 소형선박의 경우에 다른 동력원을 장착하기에는 경제적 부담이 될 것이다. 따라서 교통이 혼잡한 항만구역에서는 바람을 간접적으로 이용하기 위한 방법도 또한 풀어야 할 숙제이다.

본 발명에서는 파라글라이딩에서 흔히 쓰는 것과 같이 스스로 부풀어지는 유연한 구조의 익형(airfoil)의 형상을 갖는 파라포일(1)의 중앙에 있는 유선형 기낭 (2)에 헬륨을 채워서 파라포일 스스로 부양하도록 하고, 좌우의 리딩에지(leading edge) (3),(3')와 트레일링에지(trailing edge) (4),(4' 도면에는 보이지 않음)의 받음각(angle of attack)을 변화시키기 위한 조종줄의 조작을 유선 또는 무선으로 조종되는 서보모터(servo motor) (5)에 의하여 조작하도록 하는 것을 기본으로 한다.

그리고 서보모터에 의하여 구동되는 줄(15)에 의하여 파라포일의 공기흡구(air intake) (6) 을 필요한 만큼 닫을 수 있도록 하여 한계치 이상의 강풍에서는 파라포일의 날개면적을 줄일 수 있도록 한다.

통상 파라포일은 앞부분이 개방되어 있는 여러 개의 공기주머니(cell)들의 집합체로서 펼쳐졌을 때에, 전체적으로는 날개(airfoil)의 형상을 한다. 앞부분이 개방되어 있으므로 상대적인 바람이 불 때 공기주머니를 채우고 지탱하는 압력은 정압과 동압의 합인 전압이 걸리는 데, 비하여 날개주위에는 정압만 걸리므로 날개형상을 유지할 수 있다. 그러나 바람부는 방향에 따라서, 개방되어 있는 공기흡구에 정풍을 받아 압력을 유지하지 못하는 경우에는 날개의 형상을 유지하지 못하고 순식간에 쭈그러든다. 따라서 파라포일은 날개전체로 보아 양의 받음각(positive angle of attack)을 유지하도록 하여야 한다. 파라포일은 접을 수 있으면서, 양의 받음각으로 바람을 받을 경우에는 스스로 날개형상을 유지하는 장점이 있는 반면, 음의 받음각인 바람에는 날개형상을 유지하지 못하며, 따라서 양력도 받지 못하게 되어 바닥에 추락하는 단점이 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위하여 공기보다 가벼운 헬륨을 채운 기낭을 파라글라이더 중앙에 결합하므로서 초기 발진을 용이하도록 하였으며, 파라포일이 양력을 받지 못하여도 물에 떨어지지 않게 하였다. 한편 파라포일의 특성상 음의 받음각을 받게 되면 날개형상이 무너지고 (collpase) 추락하는 경향이 있으므로, 바람이 너무 셀 경우에는 양의 받음각을 유지하면서 양력과 항력을 줄이도록 하여 조종이 용이하도록 하여야 한다. 이를 위하여 공기흡구(6)들의 전체면적을 인위적으로 줄이기 위하여 서보모터(5)에 의하여 길이가 조절가능한 줄(15)를 추가하여, 결과적으로 전체 날개면적을 줄일 수 있어 양력과 항력을 적게 받도록 하였다.

파라포일과 선체를 이어주는 견인줄 (7) 을 부착시키는 지점 (8), 즉 파라포일이 견인하므로 생기는 인장력의 작용점을 선체의 질량중심에 두면 선체에 미치는 모멘트는 영이 되지만 그 위치를 바꾸면 선체의 진행방향전환에 필요한 모멘트가 발생하므로 견인줄의 작용점의 위치를 조종할 수 있도록 하여 통상적인 선박의 선미에 장착하는 키(stern rudder)를 생략할 수 있다.

본 발명에서는 선체질량중심을 회전축으로 하는 원형가이드레일의 원주상에 있는 일명 포스박스(Force Box) (10)에 파라포일의 견인줄을 연결한다. 포스박스는 원형가이드 레일상에서 움직이도록 하는데 이를 사람의 힘만으로 움직이도록 한다면 선박 속도가 빠를 때는 힘들어진다.

본 발명에서는 일명 포스박스 밑부분에 조종자가 발로 각도를 조종할 수 있는 쿼터러더(quarter rudder) (11) 를 부치도록 하고 조종자는 쿼터러더에 연결된 페달(12) 을 발로 조작하므로서 상대적인 수류에 대한 받음각(angle of attack to the relative water current)을 조종하면 쿼터러더에 걸리는 힘에 의하여 포스박스는 위치를 바꾸게 되고 결과적으로는 파라포일의 견인력 작용점이 바뀌어 선체를 회전시키는 모멘트가 발생한다.

조종자의 좌석은 선체질량중심점을 회전축으로 하는 원형가이드레일 위의 포스박스 와 연결된 샤프트(shaft) 위에 위치하도록 한다. 따라서 조종자는 회전축과 가이드레일에 있는 포스박스에 있는 샤프트 위의 좌석에 있으므로 조종자는 자동적으로 포스박스를 정면으로 향하게 된다.

또한 포스박스의 움직임을 구속하는 원형 가이드레일의 곡률을 더 크게 하면, 즉 곡률반경을 작게 하면 포스박스는 조종자가 특별히 발에 힘을 주어 쿼터러더의 앙각을 조절하지 않는다면 파라포일이 힘을 받는 동안에는 포스박스는 스스로 가이드레일의 중앙 즉, 아미드쉽(amidship)에 위치하려는 경향을 갖는다.

따라서 선박설계시 빠른 동특성을 원한다면 원형가이드 레일의 원중심을 선박의 질량중심에 두도록 하고, 느리지만 안정된 조종특성을 원한다면 회전축을 질량중심의 앞쪽에 두면, 즉 가이드레일의 반지름이 질량중심에 두는 경우보다 짧게 하도록 한다.

한편, 선박교통량이 많은 항만구역에서 바람을 이용하기 위한 항주를 하기에는 위험요소가 많다. 따라서 이때에는 전기모터에 의한 스크류(13) 회전을 통한 추진을 하도록 하고 이에 대한 전기충전은 외양에서 바람에 의한 추진을 할 때 발전을 하여 축전지(16)에 전기에너지를 비축하도록 한다.

따라서 본 발명에서는 하이브리드 자동차에서 흔히 쓰고 있는 시동모터 겸 발전용 알터네이터(alternator) (14)를 써서 바람을 이용한 항주시에 발전을 하도록 하고 항만구역내에서는 파라포일은 접도록 하고 축전지에 충전된 전기로 추진하도록 한다.

헬륨을 채운 기낭이 파라포일의 중앙에 위치하여 파라포일이 스스로 공중에 부양되어 있어 물위에 추락할 우려가 없어지게 되었으며, 서보모터의 원격조종을 위한 전기신호 및 전기공급선을 같이 견인줄에 함몰시키도록 하여 일반적인 곡예연(2줄조종 또는 4줄조종)과 같이 여러 개의 견인줄이 축 늘어졌을 때 서로 뒤엉킬 염려가 없어졌다.

파라포일이 견인하는 힘의 작용점을 선박의 종방향의 중앙선(amidship)의 좌우로 옮기어 선박의 진행방향을 조정할 수 있도록 하여 키(stern rudder)를 생략시키는 효과가 있다.

또한 조종자의 좌석이 견인줄 작용점인 포스박스를 저절로 향하도록 되어 있어 조종자가 진행방향 및 파라포일의 비행상태 등을 관찰하기 쉽게 되었다.

또한 조종에 있어 손으로는 공중에 있는 파라포일에 관한 조작을 하도록 하고 발은 수면상에 있는 선박 진행에 대한 조종을 하여, 즉 손과 발의 역할을 분리하여 비상시 조종에 대한 혼선이 생기지 않는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 바람의 힘을 이용한 선박추진을 위하여,

   - 중앙에 헬륨을 채운 유선형 기낭(2)을 갖는 파라포일(1);

   - 상기 파라포일의 비행자세를 조종하기 위하여, 좌우의 리딩에지 (3),(3')와 트레일링에지 (4),(4')의 받음각을 조절하는 조종줄들의 길이를 조작하는 유·무선 원격서보모터(5);

   - 상기 유·무선 원격서보모터와 선체를 이어주는 견인줄(7);

   - 상기 견인줄에 의하여 견인되는 선체;

   - 상기 견인줄과 상기 선체의 연결부는 선체의 질량중심을 회전축으로 하는 원형가이드레일(9)에 구속되고 하부에 쿼터러더(11)가 설치되어, 쿼터러더에 걸리는 수류의 힘에 의하여 위치를 바꾸는 포스박스(10);

   로 구성된 선박
2. 청구항 1항에 있어

   파라포일에 상기 유·무선 원격서보모터(5)에 의하여 조절되며, 파라포일 공기흡구면적을 줄일 수 있는 줄(15)이 더 포함된 선박
3. 청구항 1항에 있어

   바람이 셀 때는 발전을 하여 전기를 축전지에 비축하고 바람이 적을 때는 비축된 전기를 이용한 추진을 위하여, 모터겸발전기 알터네이터(14)에 연동된 스크류(13)와 축전지(16)를 더 포함하는 선박
4. 삭제

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