KR101129249B1 - 수직 이착륙 비행체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직 이착륙 비행체를 개시한다.
본 발명의 수직 이착륙 비행체는, 전?후방으로 양측에 각각 로터프레임이 연결되는 몸체와; 상기 몸체의 내부에 설치되는 것으로 회전 구동력을 생성하는 구동원 및 이 구동원의 출력축에 연결되어 구동력을 분배 출력하는 다수의 분배출력단을 구비하는 분배기로 이루어진 구동수단과; 상기 각 로터프레임의 끝단에 설치되어 수평 및 수직방향의 위치 변위를 유도하는 방향조절수단과; 상기 방향조절수단에 연동되게 설치되고 상기 각 분배출력단에 가요성축으로 연결되어 회전 구동력을 전달받아 회전하는 로터를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 수직 이착륙 비행체는, 단일의 구동원의 구동력을 분배하여 가요성축으로 로터를 연결시킴으로써 추력 효율의 향상과 가반 중량비를 높일 수 있으므로 다양한 임무 수행을 위한 다목적 비행체로의 활용이 가능한 이점이 있을 뿐만 아니라 구조가 간소하여 경제적인 제조 및 유지관리가 가능한 효과가 있다.
특히, 몸체의 좌?우 양측에 양력을 발생시키는 로터를 배치시킴으로써 안전한 비행이 가능할 뿐만 아니라 조종성이 양호해짐에 따라 추락 등과 같은 안전사고의 위험을 감소시킬 수 있으므로 다양한 임무수행에 적용할 수 있는 이점이 있다.

Description

수직 이착륙 비행체{A vertical takeoff and landing aircraft}

본 발명은 수직 이착륙 비행체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모멘트를 발생시키지 않고도 양호한 조종성과 안정성을 보장하면서 신속한 위치 이동이 가능한 수직 이착륙 비행체에 관한 것이다.

일반적으로 비행체는 활주를 통해 발생시킨 양력을 이용하여 이륙하는 방식과, 로터의 회전으로부터 양력을 얻어 수직으로 이착륙하는 방식으로 분류된다.

이중에서 수직 이착륙이 가능한 비행체의 전형적인 예로는 헬리콥터가 있으며, 이러한 헬리콥터는 로터가 설치된 수직축을 회전시키면서 양력을 발생시키고, 이 로터가 회전하면서 그리는 평면을 틸트(tilt)시킴으로써 비행방향으로 분력을 얻어 전진하는 비행 메카니즘을 갖고 있다.

그러나 상기 헬리콥터는 로터가 양력, 추력, 방향전환을 모두 담당하고 있어 구조가 복잡할 뿐만 아니라 조종성이 불량한 단점이 있었다. 즉, 수직 상승 및 하강을 위해서 컬렉티브 피치 조종을 통해 블레이드 피치각을 변화시켜야 하고, 피칭 및 롤링 운동과 전?후진 비행을 위해서는 싸이클릭 피치 조종을 통해 경사판을 앞뒤 좌?우로 기울여서 로터 블레이드 회전면을 경사지게 해야 하므로, 결과적으로 이러한 구조는 주 로터시스템의 제어 메커니즘을 복잡하게 만들어 시스템 오작동의 주요 원인이 되고 있을 뿐만 아니라 회전하는 로터의 바로 아래에 동체가 배치되어 있기 때문에 공기의 흐름이 방해되어 효율성이 좋지 않으며, 특히 날씨 변화나 주변 지형 환경에 따라 비행 안정성이 급격하게 떨어지는 단점이 있었다.

따라서, 이러한 단점들을 해소할 수 있는 새로운 구조의 수직 이착륙 비행체가 요구되고 있으며, 최근에는 4개의 블레이드 또는 프로펠러를 사용하는 QRT(Quad-Rotor Type, 4로터형) 비행체가 개발되었다.

이러한 쿼드 로터형 비행체는 4개의 구동원(모터)에 블레이드 또는 프로펠러의 추력을 이용하여 비행하는 비행체로서, 헬리콥터와 동축 반전형 비행체 등 다른 구조의 회전익 비행체에 비해 그 구조가 비교적 간단하여 소형 비행체로의 개발이 가능하다.

종래의 쿼드 로터형 비행체의 구조를 간략하게 살펴보면, 본체부의 4방향에 각각 4개의 구동 로터가 설치되어 비행에 필요한 추력을 얻으며, 상기 구동 로터는 개별 구동하는 각각의 구동 모터와, 상기 구동 모터에 축 결합되어 회전하는 블레이드로 구성되며, 상기 4개의 구동로터는 마주하는 한 쌍이 정 방향이고 나머지 한 쌍이 역방향으로 회전되도록 함으로써 요잉제어가 이루어지게 되고, 각각의 구동모터의 출력을 증감시켜 비행 방향을 조정하게 된다.

한편, 종래의 쿼드 로터 비행체는 크게 4개의 구동원을 탑재하고, 각각의 구동원을 제어하기 위한 구동장치 및 제어컨트롤러를 탑재하는 방식과, 베벨기어나 유니버셜조인트 등 동력전달 수단을 사용하여 하나의 구동원으로부터 동력을 4개의 추력점까지 전달하는 방식이 있다.

상기 4개의 구동원을 사용하는 경우를 살펴보면, 구동원으로는 모터를 사용하고 있는데, 이는 엔진 구동원에 비해 구성요소가 간소하고 정밀 제어가 용이하기 때문이다. 즉, 엔진을 구동원으로 사용하는 경우에는 각 엔진의 부속품인 라디에이터, 머플러 및 연료 유입수단들을 필요로 할 뿐만 아니라 4개의 엔진을 동시에 정밀하게 제어해야 하는데 사실상 현재까지는 시도된 예가 없다.

또한 베벨기어나 유니버셜조인트 등의 동력전달 수단을 사용하여 동력을 전달하는 경우에는 원하는 추력을 위한 스피드 및 토크를 전달하기 위해서 필요로하는 트랜스미션이 너무 무겁고 복잡해져서 실용적인 개발에 어려움이 있다.

모터를 사용하는 경우에는 배터리 용량의 한계로 인해서 장기 체공을 위한 비행체 제작이 어렵다.

등록특허공보 제10-0661618호, 2쪽, 청구항 1, 도면 1 상기 특허문헌1은 전동식 4-프로펠러 소형 호버링 로봇 플랫폼에 관한 것으로서, 그 청구항 1에는 4개의 구동부와 4개의 링크부 및 몸체부를 포함하여 구성되는 전동식 4-프로펠러 소형 호버링 로봇 플랫폼으로서, 프로펠러와, 그 프로펠러의 하부에 위치하여 프로펠러를 구동시키는 구동모터와, 어댑터 축이 상기 프로펠러의 중심부위를 관통하고 하부가 구동모터의 상부에 체결되어 상기 프로펠러와 구동모터를 연결하는 어댑터와, 상기 프로펠러의 중심을 관통한 어댑터 축과 체결되는 너트와, 상기 구동모터의 하부에 형성된 로터 축을 통해 상기 구동모터와 결합되어 모터회전수를 측정하는 엔코더를 구비하여 호버링 로봇 플랫폼의 비행에 필요한 추력을 발생하는 4개의 구동부; 일측이 구동모터와 엔코더 사이에 결합되고 타측으로 복수의 체결공이 형성된 마운터와, 상기 마운터의 복수의 체결공 상부에 위치되어 고정 결합되는 조인트와, 상기 조인트의 일 측면에 삽입 결합되는 막대 형태의 링크와, 상기 링크의 타단에 삽입 결합되는 서포터를 구비하는 4개의 링크부; 및 상부 플레이트가 상기 각각의 서포터의 상부 면과 체결되고 상기 상부 플레이트의 하부로 마주하는 하부 플레이트가 상기 각각의 서포터의 하부에 삽입 체결되어 내부공간을 형성하며 복수의 하부 기둥의 상부로 중단 배터리 가이드가 체결되고 상기 각각의 하부 기둥의 하부 면이 상기 중단 배터리 가이드와 마주하는 하단 배터리 가이드의 상부에 위치하여 체결되며 복수의 상부 기둥의 각각의 상부 면이 상기 하부 플레이트에 체결되고 상기 복수의 상부 기둥의 각각의 하부가 상기 중단배터리 가이드 상부 면에 위치한 상태로 복수의 하부 기둥의 각각의 일측에 체결되는 몸체 하우징과, 상기 몸체 하우징의 상부 및 하부 플레이트 사이의 내부공간에 장착되는 센서 제어부와, 중단 및 하단 배터리 가이드 사이의 내부공간에 장착되는 전원부와, 상기 복수의 상부 기둥의 외측면에 각각 장착되는 구동모터 드라이브를 구비하는 몸체부; 를 포함하여 구성되는 전동식 4-프로펠러 소형 호버링 로봇 플랫폼이 개시되어 있다. 상기 특허문헌1의 전동식 4-프로펠러 소형 호버링 로봇 플랫폼은 4개의 구동부를 구비하는 구조이며, 각 구동부로는 모터를 사용함에 따라 비교적 경량의 소형 비행체로서는 운용이 가능하지만 배터리 사용으로 인한 장시간 운행이 불가능할 뿐만 아니라 경량의 비행체에 제한되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 모멘트를 발생시키지 않고도 안정된 위치 이동이 가능하면서, 단일의 구동원을 이용하여 복수의 로터를 구동 회전시키도록 하여 경량화에 따른 추력 효율과 가반 중량비를 대폭 향상시킬 수 있도록 한 수직 이착륙 비행체를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 조종의 안정성 및 편의성을 높이면서 경제적인 제조를 통해 유지관리가 저렴하면서 다목적으로 사용할 수 있는 수직 이착륙 비행체를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 실현하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수직 이착륙 비행체는 전?후방으로 양측에 각각 로터프레임이 연결되는 몸체와; 상기 몸체의 내부에 설치되는 것으로 회전 구동력을 생성하는 구동원 및 이 구동원의 출력축에 연결되어 구동력을 분배 출력하는 다수의 분배출력단을 구비하는 분배기로 이루어진 구동수단과; 상기 각 로터프레임의 끝단에 설치되어 수평 및 수직방향의 위치 변위를 유도하는 방향조절수단과; 상기 방향조절수단에 연동되게 설치되고 상기 각 분배출력단에 가요성축으로 연결되어 회전 구동력을 전달받아 회전하는 로터를 포함하여 구성되는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따른 수직 이착륙 비행체는, 단일의 구동원의 구동력을 분배하여 가요성축으로 로터를 연결시킴으로써 구조의 간소화와 경량화가 가능하므로 추력효율의 향상과 가반 중량비를 높일 수 있으며, 다양한 임무 수행을 위한 다목적 비행체로의 활용이 가능한 이점이 있을 뿐만 아니라 구조가 간소하여 경제적인 제조 및 유지관리가 가능한 효과가 있다.

특히, 몸체의 좌?우 양측에 양력을 발생시키는 로터를 배치시킴으로써 안전한 비행이 가능할 뿐만 아니라 조종성이 양호해짐에 따라 추락 등과 같은 안전사고의 위험을 감소시킬 수 있으므로 다양한 임무수행에 적용할 수 있는 이점이 있다.

또한 가요성축으로 엔진과 프레임이 연결됨으로써 엔진으로부터 유입되는 진동을 메인프레임에 전달되지 않도록 쉽게 차단할 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1은 본 발명에 따른 수직 이착륙 비행체를 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 수직 이착륙 비행체를 위에서 바라본 도면,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 수직 이착륙 비행체의 로터 발췌 사시도,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 수직 이착륙 비행체에서 구동수단의 구성을 설명하기 위한 발췌 사시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수직 이착륙 비행체를 설명하면 다음과 같다. 먼저, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호로 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 수직 이착륙 비행체를 나타낸 사시도로서, 도면에는 탑승자가 탑승할 수 있도록 좌석을 제공하고 그 내부에는 각종 구성품 및 전장품이 설치되는 공간을 제공하는 몸체(10)와, 이 몸체(10)의 길이 방향을 기준으로 전?후 양측으로 설치되는 4개의 로터(40) 그리고 각 로터(40)의 방향을 제어하기 위한 방향조절수단(30)이 도시되어 있다.

도 2는 본 발명에 따른 수직 이착륙 비행체를 위에서 바라본 도면으로서, 도면에는 탑승객의 탑승을 위한 자리를 제공하는 몸체(10) 및 이 몸체(10)의 전?후 양측으로 동일 반경에 설치되는 4개의 로터(40)가 도시되어 있다.

그리고, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 수직 이착륙 비행체의 로터 발췌 사시도로서, 도 3은 수평 액츄에이터의 연결 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 수직 액츄에이터의 연결 구조를 설명하기 위한 도면으로서, 도면에는 로터(40)의 방향 제어를 위한 방향조절수단(30)의 구성이 도시되어 있으며, 상기 방향조절수단(30)은 수평 및 수직 액츄에이터의 동작에 의해 로터(40)를 상기 몸체(10)를 기준으로 좌?우 방향으로 회동시키거나 또는 전?후 방향으로 회동시키게 된다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 수직 이착륙 비행체에서 구동수단의 구성을 설명하기 위한 발췌 사시도로서, 도면에는 엔진이나 모터 등과 같은 회전 구동력을 생성하는 구동원(21)에 연결되어 회전 구동력을 전달받아 다수의 분배출력단(23d)을 통해 구동력을 분배하는 분배기(23)로 이루어진 구동수단(20)의 구성이 도시되어 있다.

이상의 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수직 이착륙 비행체(1)의 구성을 살펴보기로 한다.

본 발명에 따른 수직 이착륙 비행체(1)는 동체를 형성하는 몸체(10)와, 상기 몸체(10)의 내부에 설치되어 구동력을 발생시켜 이를 분기 분배하는 구동수단(20)과, 상기 몸체(10)의 전?후방 양측에 구비되는 방향조절수단(30) 그리고 상기 방향조절수단(30)에 연결되어 상기 몸체(10)를 기준으로 좌?우 또는 전?후 방향으로 회동되어 요잉 제어되는 것으로 회전력을 갖는 로터(40)로 구성된다.

몸체(10)는 탑승객의 탑승 또는 수송물품을 탑재할 수 있는 공간을 제공하면서, 그 내부에는 구동수단(20)이 구성되고, 전?후방 양측으로는 상기 몸체(10)에 직교하는 방향으로 소정의 길이를 갖는 로터프레임(11)이 구비된다.

이러한 구성의 몸체(10)는 내부에 구동원의 종류에 따라 연료를 저장하는 연료탱크(미도시) 또는 배터리(미도시)가 탑재될 수 있으며, 이외에도 사용자로부터 조작력을 입력받기 위한 조작부 또는 원격제어를 받아 동작의 제어가 이루어지도록 하는 원격제어부 및 비행 제어를 위한 각종 센서나 카메라, 통신장비 등이 구성될 수 있을 것이며, 이러한 구성은 공지의 기술에 의해 실시되어도 무방하므로 상세한 설명은 생략한다.

구동수단(20)은 상기 몸체(10)의 내부에 설치되어 회전 구동력을 생성하는 구동원(21)과, 이 구동원(21)의 출력축(21a)에 연결되어 구동력을 분배 출력하는 분배기(23)로 구성된다.

상기 구동원(21)은 전기를 동력원으로 하는 모터가 사용되거나, 또는 내연기관이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 탑승용 또는 물품 수송용을 목적으로 하므로 내연기관이 사용되는 것을 제안한다.

상기 분배기(23)는 상기 구동원(21)의 출력축(21a)에 연결되어 회전 구동력을 전달받아 일체로 연동회전하면서 다수의 분배출력단(23d)을 통해 회전 구동력을 분배하는 요소이다.

이러한 구성의 분배기(23)는 상기 구동원(21)의 출력축(21a)에 일단이 연결되어 연동 회전하는 것으로 간격을 두고 선기어(23as)가 일체로 구비되는 입력축(23a)과, 상기 선기어(23as)와 선기어(23as) 사이에 구비되어 공간을 구획하는 지지판(23b)과, 상기 선기어(23as)에 교합되어 연동 회전하는 것으로 지지판 사이에 회전 가능하게 구비되는 유성기어(23c) 및 이 유성기어(23c)의 일단에 형성되는 것으로 내부에 가요성축의 일단이 연결되는 분배출력단(23d)으로 구성된다.

방향조절수단(30)은 상기 각 로터프레임(11)의 끝단에 설치되어 로드를 출몰시키는 액츄에이터의 동작에 의해 수평 및 수직 방향의 위치 변위를 유도하는 요소이다.

이러한 구성의 방향조절수단(30)은 상기 로터프레임(11)의 끝단에 설치되어 상기 몸체(10)의 폭 방향으로 좌?우 회동될 수 있게 힌지 결합되어 수평 액츄에이터(33)의 로드의 전?후진 동작에 의해 회동되는 제1브라켓트(31)와; 상기 제1브라켓트(31)와 위치 간섭되지 않게 구비되어 수직하게 설치된 수직 액츄에이터(37)의 로드 전?후진 동작에 의해 상기 몸체(10)를 기준으로 앞뒤로 회동되게 구비되는 제2브라켓트(35)로 구성된다.

로터(40)는 상기 방향조절수단(30)에 연동되게 설치되고, 상기 각 분배출력단(23d)에 가요성축(25)으로 연결되어 회전 구동력을 전달받아 회전력을 발생시켜 이착륙 및 비행을 위한 추력을 발생시킨다.

한편, 상기 몸체(10)는 후방측에 구동원(21)에 가요성축(25)으로 연결되어 회전 구동력을 받는 추력 로터(60)와, 지면에서의 구름 이동을 위한 바퀴가 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 적용 부위를 변경하여 사용하는 것이 가능하고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

1 : 수직 이착륙 비행체 10 : 몸체
11 : 로터프레임 20 : 구동수단
21 : 구동원 21a : 출력축
23 : 분배기 23a : 입력축
23b : 지지판 23c : 유성기어
23d : 분배출력단 25 : 가요성축
30 : 방향조절수단 40 : 로터
60 : 추력로터

Claims (4)

1. 전?후방으로 양측에 각각 로터프레임(11)이 구비되는 몸체(10)와;
   상기 몸체(10)의 내부에 설치되는 것으로 회전 구동력을 생성하는 구동원(21) 및 이 구동원(21)의 출력축에 연결되어 구동력을 분배 출력하는 다수의 분배출력단(23d)을 구비하는 분배기(23)로 이루어진 구동수단(20)과;
   상기 각 로터프레임(11)의 끝단에 설치되어 액츄에이터의 동작에 의해 수평 및 수직방향의 위치 변위를 유도하는 방향조절수단(30)과;
   상기 방향조절수단(30)에 연동되게 설치되고 상기 각 분배출력단(23d)에 가요성축(25)으로 연결되어 회전 구동력을 전달받아 회전하는 로터(40)를 포함하며,
   상기 분배기(23)는 구동원(21)의 출력축에 일단이 연결되어 회전하는 것으로 간격을 두고 선기어(23as)가 일체로 구비되는 입력축(23a) 및 이 선기어(23as)에 교합되어 연동 회전하는 유성기어(23c) 및 이 유성기어(23c)의 일단에 형성되고 내부에 가요성축의 일단이 연결되는 분배출력단(23d) 및 상기 선기어(23as)와 선기어(23as) 사이에 구비되어 공간을 구획하는 지지판(23b);
   을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수직 이착륙 비행체.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 방향조절수단(30)은,
   상기 로터프레임(11)의 끝단에 설치되어 상기 몸체(10)의 폭 방향으로 좌?우 회동될 수 있게 힌지 결합되어 수평 액츄에이터(33)의 로드 전?후진 동작에 의해 회동되는 제1브라켓트(31)와;
   상기 제1브라켓트(31)와 위치 간섭되지 않게 구비되어 수직하게 설치된 수직 액츄에이터(37)의 로드 전?후진 동작에 의해 상기 몸체(10)를 기준으로 앞뒤로 회동되게 구비되는 제2브라켓트(35);
   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수직 이착륙 비행체.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 몸체(10)는 후방측에 구동원(21)에 가요성축(25)으로 연결되어 회전 구동력을 받는 추력 로터(60)가 구비되는 것을 특징으로 하는 수직 이착륙 비행체.
   

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