KR100938997B1 - Spaceplane, Reentry Attitude Control of the Spaceplane using Canard and Elevon - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저궤도 재진입시 자세 안정성를 확보할 수 있는 우주왕복선(Spaceplane) 및 상기 우주왕복선의 저궤도 재진입시의 자세 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a spaceplane capable of ensuring posture stability during low orbit reentry and a posture control method for low orbit reentry of the space shuttle.
우주왕복선, 엘러본(elevon), 카나드(carnad), 받음각, 요(yaw), 피치(pitch), 롤(roll), 자유낙하 Space Shuttle, elevon, canad, angle of attack, yaw, pitch, roll, freefall
Description
본 발명은 저궤도 재진입시 자세 안정성를 확보할 수 있는 우주왕복선(Spaceplane) 및 상기 우주왕복선의 저궤도 재진입시의 자세 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a spaceplane capable of ensuring posture stability during low orbit reentry and a posture control method for low orbit reentry of the space shuttle.
기존의 미국의 우주왕복선 등은 대기권 재진입시 RCS(Reaction Control System)이라는 제트 분사 방식으로 자세를 제어하고, 특히 미국의 Spaceship-1은 후방 날개 전체를 수직으로 변위하여 자유낙하시 자세 안정성(Shuttle Cock Stability)을 확보한 바 있다.In the US, the space shuttle controls the attitude by jet-jet method called Reaction Control System (RCS) when re-entering the atmosphere, and in particular, the Spaceship-1 in the US displaces the entire rear wing vertically to provide free fall posture stability (Shuttle Cock). Stability has been secured.
그러나, 미국의 우주왕복선 등은 대기권 재진입시 RCS(Reaction Control System)이라는 제트 분사 방식으로 자세를 제어함에 따라 그 과정이 매우 복잡하고, 이를 위한 우주왕복선의 제작에 고비용이 소요되는 단점이 있었다.However, the space shuttle of the United States has a disadvantage in that the process is very complicated as the attitude control by the jet injection method of the reaction control system (RCS) at the time of re-entry into the atmosphere, the cost of manufacturing the space shuttle for this purpose.
본 발명은 추가되는 기계 장치 없이 간단하고 저비용으로 재진입하는 비행체의 자세 안정성과 자세 제어를 수행할 수 있는 우주왕복선 및 저궤도 재진입시 상기 우주왕복선의 자세 제어 방법을 제공하고자 한다.The present invention is to provide a method for controlling the attitude of the space shuttle and the space shuttle when re-entry the space shuttle capable of performing posture stability and attitude control of a reentrant vehicle at a simple and low cost without additional mechanical devices.
본 발명은 동체; 상기 동체에 추진력을 가하는 노즐; 상기 동체에 요(yaw) 운동을 일으키기 위한 러더(rudder); 삼각날개 형태의 전연부와, 상기 전연부에 연접 형성되되 상하면을 관통하는 제1 장착홈부가 형성되는 후연부가 구비되며, 상기 동체에 장착되는 주날개; 회동됨으로써 받음각에 변화를 일으킬 수 있도록, 상기 제1 장착홈부에 장착되는 엘러본(elevon); 상기 주날개 후연부의 외측단에 형성되는 테일 붐(tail boom); 회동됨으로써 받음각에 변화를 일으킬 수 있도록, 상기 동체의 앞부분에 상기 주날개와 소정거리 이격되어 장착되는 카나드(carnad);를 포함하는 것을 특징으로 하는 우주왕복선에 관한 것이다.The present invention is a fuselage; A nozzle for applying a driving force to the body; A rudder for causing yaw motion in the body; A main blade having a triangular wing shape and a trailing edge portion connected to the leading edge portion and having a first mounting groove portion penetrating the upper and lower surfaces thereof, the main blade being mounted on the fuselage; An elevon mounted on the first mounting groove so as to cause a change in the angle of attack by rotation; A tail boom formed at an outer end of the main wing trailing edge portion; It relates to a space shuttle, including; a carnad (carnad) that is mounted at a predetermined distance apart from the main wing in the front portion of the fuselage to cause a change in the angle of attack by rotation.
본 발명에 있어서, 상기 카나드(carnad)는, 상승시 받음각이 0°가 되고 자유낙하에 의한 저궤도 진입시 받음각이 90°가 될 수 있도록, 상기 동체에 회동 가능하게 장착되고, 상기 엘러본(elevon)은, 상승시 받음각이 0°가 되고 자유낙하에 의한 저궤도 진입시 받음각이 90°가 될 수 있도록, 상기 엘러본 장착홈부에 회동 가능하게 장착되기도 하는데, 상기 카나드(carnad)는 상승시 받음각이 0°인 경우 상기 주날개를 통과하는 수평면의 상측에 위치하도록 장착될 수 있고, 상기 러더(rudder)는 상기 테일 붐의 후미에 형성된 제2 장착홈부에 회동 가능하게 장착될 수 있고, 상기 주날개 전연부는 외측단이 상기 동체를 지나는 종축에 대하여 30 ° 기울어질 수 있고, 상기 카나드(carnad)는 상승시 받음각이 0° 인 경우, 전방 외측단이 상기 동체를 지나는 종축에 대하여 30 ° 기울어지고 후방 외측단이 상기 동체를 지나는 종축에 대하여 60° 기울어질 수 있다.In the present invention, the cannad is rotatably mounted to the fuselage so that the angle of attack becomes 0 ° when ascending and the angle of attack is 90 ° when entering the low orbit due to free fall, and the elevon Silver, the angle of attack is 0 ° to rise and the angle of attack when entering the low orbit due to free fall, so that it can be rotated mounted to the elbow mounting groove portion, the canad (carnad) the angle of attack is 0 ° In the case that the can be mounted so as to be located on the upper side of the horizontal plane passing through the main wing, the rudder (rudder) can be rotatably mounted to the second mounting groove formed in the tail of the tail boom, the main blade leading edge is outside The stage can be inclined 30 ° with respect to the longitudinal axis passing through the fuselage, and the canad is 30 ° with respect to the longitudinal axis passing through the fuselage when the angle of attack is 0 °. Can be inclined and the rear outer end can be inclined 60 ° with respect to the longitudinal axis passing through the body.
한편, 본 발명은 상기 우주왕복선의 저궤도 진입시 자세 제어방법으로서, 상기 동체는 그 길이방향이 자유낙하에 의한 비행방향에 대하여 직교하도록 위치하고, 상기 엘러본(elevon)은 상기 주날개의 후연부에 대하여 회동하여 받음각이 90°를 유지하고, 상기 카나드(carnad)는 상기 동체에 대하여 회동하여 받음각이 90°를 유지하는 것을 특징으로 하는 우주왕복선 저궤도 진입시 자세 제어방법에 관한 것이다.On the other hand, the present invention is a posture control method for entering the low-orbit of the space shuttle, the fuselage is located so that the longitudinal direction is perpendicular to the flight direction by the free fall, the elvon (elevon) with respect to the trailing edge of the main wing The rotation angle maintains the angle of attack 90 °, the canad (carnad) relates to the attitude control method for entering the space shuttle low-orbit, characterized in that the angle of rotation to maintain the angle of rotation 90 ° relative to the body.
본 발명에 따른 우주왕복선은 추가되는 기계장치 없이 간단하고 저비용으로 자유낙하에 의한 저궤도 재 진입시 비행체의 자세 안정성과 자세 제어를 수행할 수 있는 장점이 있다.Space shuttle according to the present invention has the advantage that can perform the posture stability and attitude control of the aircraft at low orbit re-entry by free fall at low cost without additional mechanical device.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
실시예1Example 1
실시예1은 본 발명에 따른 우주왕복선의 일실시예이다. 도1은 실시예1의 상승시의 후면도를, 도2는 실시예1의 상승시의 평면도를, 도3은 실시예1의 상승시의 우측면도를, 도4는 실시예1의 재진입시의 평면도를, 도5는 실시예1의 재진입시의 좌측면도를, 도6은 실시예1의 재진입시의 좌측면도를 나타낸다.Example 1 is an embodiment of a space shuttle according to the present invention. 1 is a rear view of the first embodiment, FIG. 2 is a plan view of the first embodiment, FIG. 3 is a right side view of the first embodiment, and FIG. 4 is a plan view of the first embodiment of the re-entry. 5 is a left side view at the time of reentry of Example 1, and FIG. 6 is a left side view at the time of reentry of Example 1. FIG.
도1을 참조하면 본 발명에 따른 실시예1은 동체(100), 노즐(200), 주날개(300), 엘러본(elevon)(400), 테일 붐(tail boom)(500), 러더(rudder)(600), 카나드(carnad)(700)를 포함한다.1, the first embodiment according to the present invention is a
도1 내지 도3을 참조하면 동체(100)는 본 발명에 따른 실시예1의 주요부분으로서 상기한 노즐(200), 주날개(300), 카나드(carnad)(700) 등이 장착된다. 동체(100)는 그 대분을 이루는 몸통부분(도면부호 미부여)이 원통형으로 형성되고, 머리부분(도면부호 미부여)은 볼록한 원추형상으로 형성되며, 꼬리부분(도면부호 미부여)은 꼭지점부가 잘린 볼록한 원추형상으로 형성될 수 있다. 동체(100)에는 엔진(도면 미도시)이 수납 장착된다.1 to 3, the
도1 및 도3을 참조하면 노즐(200)은 동체(100)의 꼬리부분(도면부호 미부여)에 장착될 수 있다. 노즐(200)은 엔진(도면 미도시)으로부터 연소된 연료가 분사되어 동체(100)에 추진력을 가하기 위한 것이다.Referring to FIGS. 1 and 3, the
도1 및 도3을 참조하면 주날개(300)는 동체(100)의 좌우측에 각각 하나씩 장착된다. 주날개(100)는 전연부(310)와 후연부(320)로 이루어진다. 전연부(310)는 삼각날개 형태로 형성되고, 후연부(320)는 대략적으로 직사각형 형태를 이루며 전연부(310)의 후단에 연접 형성된다. 도2 및 도3을 참조하면 주날개(300)는 동체(100)의 하측부에 장착된다.1 and 3, the
도1을 참조하면 주날개(300)의 전연부(310)는 외측단이 동체(100)를 지나는 종축에 대하여 30 ° 기울어지도록 형성된다.Referring to Figure 1, the leading
도4를 참조하면 주날개(300) 후연부(320) 후단에는 제1 장착홈부(322)가 형성된다. 제1 장착홈부(322)는 후연부(320)의 상하면을 관통하며, 후연부(320) 후단으로부터 내측으로 요입 형성된다.Referring to FIG. 4, a
도1을 참조하면 후연부(320)의 제1 장착홈부(322)에는 엘러본(elevon)(400)이 장착된다. 도4 및 도5를 함께 참조하면 엘러본(elevon)(400)은 받음각에 변화를 일으킬 수 있도록, 제1 장착홈부(322)에 회동 가능하게 힌지 결합된다. 엘러본(elevon)(400)은 상승시 주날개(300) 후연부(320)와 동일 평면상에 위치함으로써 받음각이 0°가 되고, 자유낙하에 의한 저궤도 진입시 주날개(300) 후연부(320)와 직교함으로써 받음각이 90°가 될 수 있도록 제1 장착홈부(322)에 힌지 결합된다. 즉, 엘러본(elevon)(400)은 적어도 90°의 회동각을 가질 수 있도록 제1 장착홈부(322)에 힌지 결합된다.Referring to FIG. 1, an elevon 400 is mounted in the
도2 및 도3을 참조하면 주날개(300) 후연부(320)의 외측단에는 테일 붐(tail boom)(500)이 세워진다. 테일 붐(tail boom)(500)은 대략적으로 후연부(320)에 수직하게 세워진다.2 and 3, a
도3을 참조하면 테일 붐(tail boom)(500)의 후미에는 제2 장착홈부(도면 미도시)가 형성된다. 제2 장착홈부(도면 미도시)는 테일 붐(tail boom)(500)의 좌우측면을 관통하며, 테일 붐(tail boom)(500) 후미로부터 내측으로 요입 형성된다.Referring to FIG. 3, a second mounting groove (not shown) is formed at the tail of the
도3을 참조하면 제2 장착홈부(도면 미도시)에는 러더(rudder)(600)가 회동 가능하게 힌지 결합된다. 러더(rudder)(600)는 테일 붐(tail boom)(500)에 대하여 좌우측으로 회동함으로써 동체에 요(yaw) 운동을 일으키기 위한 것이다.Referring to FIG. 3, a
도1을 참조하면 동체(100)의 몸통부분(도면부호 미부여)에는 앞쪽으로 주날개와 소정거리 이격되어 카나드(carnad)(700)가 장착된다. 도4 및 도5를 함께 참조하면 카나드(carnad)(700)는 받음각에 변화를 일으킬 수 있도록, 동체(100)에 회동 가능하게 힌지 결합된다. 카나드(carnad)(700)은 상승시 주날개(300)와 평행한 평면상에 위치함으로써 받음각이 0°가 되고, 자유낙하에 의한 저궤도 진입시 주날개(300)에 평행한 평면과 직교함으로써 받음각이 90°가 될 수 있도록 동체(100)에 힌지 결합된다. 즉, 카나드(carnad)(700)는 적어도 90°의 회동각을 가질 수 있도록 동체(100)에 힌지 결합된다. Referring to FIG. 1, the body portion (not shown) of the
도2 및 도3을 참조하면 카나드(carnad)(700)는 상승시 받음각이 0°인 경우, 주날개(300)가 위치하는 평면의 상측에 위치하도록 장착된다. 따라서, 카나드(carnad)(700)로 인해 발생한 와류가 주날개(300)의 위를 지나가고, 주날개(300)의 유동에 에너지를 공급하여 유동을 안정시키며 높은 받음각에서의 비행체의 안정성을 증가시키게 된다.2 and 3, the
한편, 도3을 참조하면 카나드(carnad)(700)는 상승시 받음각이 0°인 경우, 전방 외측단이 동체(100)를 지나는 종축에 대하여 30 ° 기울어지고, 후방 외측단이 동체(100)를 지나는 종축에 대하여 60° 기울어지도록 형성된다. 이는 카나드(carnad)(700)의 일반적인 형상으로서, 이러한 후퇴각으로 인하여 강한 와류가 생성되어 주날개(300)에 긍정적인 영향(높은 받음각까지 유동안정)을 미치게 된다.Meanwhile, referring to FIG. 3, when the receiving angle is 0 ° when the
이하, 상기한 실시예1의 작동에 대하여 설명한다.Hereinafter, the operation of the first embodiment described above will be described.
본 발명에 따른 일실시예는 고도 15km 상공에서 모선(Mother ship)으로부터 발사되어 노즐(200)을 통하여 연료가 분사됨으로써 고도 60km까지 상승한 뒤, 우주로 정의되는 고도 100km까지 관성력으로 상승하여, 고도 100km부터 고도 15km까지는 추진력 없이 자유낙하를 한 후, 15km 부터는 활공 착륙하는 우주왕복선이다.One embodiment according to the present invention is launched from the mother ship in the 15km altitude, the fuel is injected through the
도1 내지 도3을 참조하면 우주왕복선이 고도 100km 까지 상승하는 경우에는 동체(100)의 길이부분이 X 방향을 향하도록 비행하는데, 주날개(300)는 X 방향에 대하여 평행에 가깝도록 동체(100)에 장착되어 있으므로 주날개(300)의 받음각은 작고, 또한 엘러본(elevon)(400)과 카나드(carnad)(700)가 주날개(300)의 후연부(320) 및 동체(100)에 대하여 각각 회동 가능하게 연결되어 있으므로 이들의 받음각을 작게, 이를테면 엘러본(elevon)(400)과 카나드(carnad)(700)의 변위각을 10°내외로 유지함으로써 항력을 줄일 수 있게 된다.1 to 3, when the space shuttle rises to an altitude of 100 km, the length portion of the
도4 내지 도6을 참조하면 우주왕복선이 고도 100km에서 고도 15km까지 자유낙하여 저궤도에 재진입하는 경우에는 동체(100)의 길이부분이 -X 방향에 수직한 평면에 위치하도록 비행하는데, 테일 붐(tail boom)(500)에 후미에 장착된 러더(rudder)(600)가 테일 붐(tail boom)(500)의 외측으로 회동함으로써 롤(roll)과 요(yaw) 안정성을 제공하게 된다.4 to 6, when the space shuttle travels freely from 100km to 15km in altitude and re-enters the low orbit, the length of the
특히 도4 및 도6을 참조하면 우주왕복선이 자유낙하하여 저궤도에 재진입하는 경우, 카나드(carnad)(700)와 엘러본(elevon)(400)이 주날개(300)의 상측으로 회동하여 받음각이 0°를 유지함으로써 자유낙하시의 공기의 저항을 줄이고 피치(pitch)와 요(yaw) 안정성을 제공하게 된다. 더 나아가, 카나드(carnad)(700)의 받음각을 조절함으로써, 피치(pitch) 자세를 능동적으로 제어할 수 있게 된다.In particular, referring to FIGS. 4 and 6, when the space shuttle falls freely and reenters the low orbit, the
실시예2Example 2
실시예2는 상기한 실시예1에 따른 우주왕복선이 자유낙하에 의하여 저궤도에 진입하는 경우 우주왕복선의 저궤도 진입시 자세 제어방법에 관한 것이다.Embodiment 2 relates to a posture control method when the space shuttle enters the low orbit by the free fall according to the first embodiment.
도4 내지 도6을 참조하면 실시예2는 고도 100km에서 고도 15km까지 자유낙하여 저궤도에 재진입하는 경우 동체(100)는 동체(100)의 길이방향이 자유낙하에 의한 비행방향에 대하여 직교하도록 위치한다.4 to 6, the second embodiment is a position where the
주날개(300) 후연부(320)에 장착된 엘러본(elevon)(400)은 주날개(300)의 후연부(320)에 대하여 상부로 회동하여 받음각이 90°가 되는 상태를 유지하고, 동체(100)에 장착된 카나드(carnad)(700)는 동체(100)에 대하여 회동하여 받음각이 90°가 되는 상태를 유지한다.The
따라서, 우주왕복선이 자유낙하하여 저궤도에 재진입하는 경우, 카나드(carnad)(700)와 엘러본(elevon)(400)이 주날개(300)의 상측으로 회동하여 받음각이 0°를 유지함으로써 자유낙하시의 공기의 저항을 줄이고 피치(pitch)와 요(yaw) 안정성을 제공하게 된다.Therefore, when the space shuttle falls freely and reenters the low orbit, the
도1은 실시예1의 상승시의 후면도.1 is a rear view when the first embodiment is raised.
도2는 실시예1의 상승시의 평면도.2 is a plan view of the rise of Example 1;
도3은 실시예1의 상승시의 우측면도.3 is a right side view at the time of rising of the first embodiment;
도4는 실시예1의 재진입시의 평면도.4 is a plan view of the re-entry of the first embodiment;
도5는 실시예1의 재진입시의 좌측면도.Fig. 5 is a left side view of re-entry of Example 1;
도6은 실시예1의 재진입시의 좌측면도.6 is a left side view of re-entry of Example 1;
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100:동체 200:노즐100: fuselage 200: nozzle
300:주날개 310:전연부300: A wing wing 310: A leading edge part
320:후연부 322:제1장착홈부320: trailing edge portion 322: first mounting groove portion
400:엘러본(elevon) 500:테일 붐(tail boom)400: elevon 500: tail boom
600:러더(rudder) 700:카나드(carnad)600: rudder 700: canad
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KR20090069090A (en) | 2009-06-29 |
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