KR101660759B1 - 측판을 이용한 추력편향 제어 장치 - Google Patents

Abstract

제트의 추력편향을 제어하는 장치가 개시되며, 본원의 추력편향 제어 장치는, 제트를 후방으로 토출하는 출구를 형성하는 추력노즐; 코안다 효과에 의한 추력편향을 유도 가능하도록, 상기 출구의 상측 및 하측에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 상측 플랩과 하측 플랩; 및 상기 상측 플랩과 상기 하측 플랩 사이에 형성되는 출구 후방 공간을 사이에 두고, 상기 출구 양측에 상호 대향하게 설치되는 좌측 측판과 우측 측판을 포함하고, 상기 좌측 측판 및 상기 우측 측판 각각은, 상기 제트의 좌우 방향으로의 변화 강도를 저감시키도록 상기 출구 후방 공간의 좌측 및 우측을 폐쇄할 수 있다.

Description

측판을 이용한 추력편향 제어 장치{THRUST-VECTORING CONTROL APPARATUS USING SIDE PLATE}

본원은 측판 설치에 의해 개선된 추력편향 제어 장치에 관한 것이다.

추력편향 제어기술은 최신예 전투기에 적용되어 초고기동성 비행과 단거리 이착륙(STOL)을 가능하게 하는 핵심기술이다.

종래에 사용되고 있는 기계적 추력편향 제어방식은 노즐의 방향을 직접적으로 바꾸거나 노즐 출구 근처에 베인을 장착하여 제트방향을 제어하였으나, 복잡한 구조로 인한 엔진 중량 증가, 과다한 유지보수 비용 등의 단점이 있었다. 또한, 다양한 유체역학적 제어방식 중에서 유체의 흐름이 코안다 표면을 따라가는 "코안다 효과"를 이용한 동축류 또는 대향류 방식은 간단한 구조로 구현이 가능하고 추력손실이 적다는 측면이 있었으나, 얻어지는 추력편향각이 크지 않은 한계가 있었다.

본원의 배경이 되는 기술은 한국공개특허공보 제2005-0078695호 및 한국공개특허공보 제2012-0054306호에 개시되어 있다.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래에 비해 높은 추력편향 성능과 적은 추력손실을 기대할 수 있는 추력편향 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제1 측면에 따른 추력편향 제어 장치는, 제트의 추력편향을 제어하는 장치로서, 제트를 후방으로 토출하는 출구를 형성하는 추력노즐; 코안다 효과에 의한 추력편향을 유도 가능하도록, 상기 출구의 상측 및 하측에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 상측 플랩과 하측 플랩; 및 상기 상측 플랩과 상기 하측 플랩 사이에 형성되는 출구 후방 공간을 사이에 두고, 상기 출구 양측에 상호 대향하게 설치되는 좌측 측판과 우측 측판을 포함하고, 상기 좌측 측판 및 상기 우측 측판 각각은, 상기 제트의 좌우 방향으로의 변화 강도를 저감시키도록 상기 출구 후방 공간의 좌측 및 우측을 폐쇄할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 좌측 측판 및 상기 우측 측판은, 상기 출구에서 상기 상측 플랩의 후단 및 상기 하측 플랩의 후단에 대응하는 부분까지 상기 출구 후방 공간의 좌측 및 우측을 폐쇄할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 상측 플랩은 추력편향을 유도하도록 상기 출구 후방 공간을 향해 형성된 코안다 면이 상기 출구의 상부 모서리에 가까워지거나, 상기 상부 모서리로부터 멀어지도록 이동 가능하고, 상기 하측 플랩은 추력편향을 유도하도록 상기 출구 전방 공간을 향해 형성된 코안다 면이 상기 출구의 하부 모서리에 가까워지거나, 상기 하부 모서리로부터 멀어지도록 이동 가능할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 마하수 1.0, 제트의 압력 200 kPa의 제트 유동 조건에서, 상기 좌측 측판 및 상기 우측 측판의 작용으로 인해, 상기 상측 플랩은 상기 상부 모서리로부터 4 mm 이하의 범위에서 상하 방향으로 이동되면, 제트의 상측으로의 편향각을 0도 내지 72.4도만큼 조절 가능하고, 상기 하측 플랩은 상기 하부 모서리로부터 4 mm 이하의 범위에서 상하 방향으로 이동되면, 제트의 하측으로의 편향각을 0도 내지 72.4도만큼 조절 가능할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 마하수 1.0, 제트의 압력 200 kPa의 제트 유동 조건에서, 상기 좌측 측판 및 상기 우측 측판의 작용으로 인해, 상기 상측 플랩 또는 상기 하측 플랩은 1 mm의 이동만으로도 상측 또는 하측으로의 편향각을 60도 내지 70도만큼 조절 가능할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 좌측 측판 및 상기 우측 측판은, 상기 상측 플랩이 상기 상부 모서리로부터 최대한 멀어지거나, 상기 하측 플랩이 상기 하부 모서리로부터 최대한 멀어진 상태에 대하여, 상기 출구 후방 공간의 좌측 및 우측을 폐쇄하도록 구비될 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 추력노즐에는, 상기 상측 플랩에 대하여 하측으로 제1 간격을 두고 배치되는 상측 블록; 및 상기 하측 플랩에 대하여 상측으로 제2 간격을 두고 배치되는 하측 블록이 구비될 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 상측 블록과 상기 하측 블록 사이의 간격은 주제트를 토출하는 주제트 노즐의 출구를 형성하고, 상기 제1 간격 및 상기 제2 간격 각각은 2차 제트를 토출하는 2차 제트 노즐의 출구를 형성할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 상측 블록 및 상기 하측 블록은, 그 후단이 상하방향에 대하여 후향계단(backstep) 효과를 발휘하도록 미리 설정된 두께를 가질 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 후향계단 효과는, 상기 주제트 중 적어도 일부를 상기 상측 블록 또는 상기 하측 블록의 후방에 상기 미리 설정된 두께에 의해 형성된 공간으로 편향시키는 효과일 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 상측 블록 및 상기 하측 블록은, 그 후단이 상기 2차 제트의 토출압력 증가에 따라 상기 주제트의 추력편향각이 선형적으로 증가하는 선형응답 제어가 이루어지도록 하는 계단 형상을 가질 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 상측 블록의 후단은, 상기 상측 블록의 하면과의 사이에 모서리가 형성되도록 꺾임 형성되고, 상기 하측 블록의 후단은, 상기 하측 블록의 상면과의 사이에 모서리가 형성되도록 꺾임 형성될 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 상측 블록 및 상기 하측 블록 각각의 후단은, 후방을 향한 법선을 갖는 평면으로 구비될 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 간격 및 상기 제2 간격은 1 mm 이하이고, 상기 미리 설정된 두께는 5 mm일 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 상측 플랩의 코안다 면과 상기 하측 플랩의 코안다 면은, 상기 출구의 후방으로 갈수록 서로 멀어지는 볼록한 곡면일 수 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제2 측면에 따른 비행체는 본원의 제1 측면에 따른 추력편향 제어 장치를 포함할 수 있다.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 추력노즐의 출구의 상측 및 하측에 설치된 플랩에 있어서 출구의 양측에 측판을 설치함으로써, 제트유동의 플랩 표면에서의 박리를 지연시켜 코안다 효과를 극대화하여, 제트의 높은 편향효과를 유도할 수 있다.

또한, 측판 설치로 인해, 플랩의 밀리미터 단위의 작은 단순 이동만으로도 매우 큰 편향각 변화를 유도할 수 있어, 큰 동력을 소모하지 않으면서도 높은 응답성을 갖는 빠르고 정교한 편향제어가 쉽게 구현될 수 있다.

또한, 2차 제트를 토출하는 2차 제트 노즐을 구비함으로써, 2차 제트의 압력 조절을 통해 주제트의 추력편향을 보다 용이하게 제어할 수 있다. 특히, 측판과 2차 제트 노즐의 구성들을 유기적으로 조합함으로써, 제트의 추력방향을 보다 큰 편향각 범위 내에서 고속응답으로 정밀하게 제어할 수 있다. 즉, 2차 제트를 통해 주제트의 추력편향을 보다 효율적으로 유도하면서, 이와 동시에, 추력노즐의 출구 양측에 설치된 측판을 통하여 제트유동의 플랩 표면에서의 박리를 더욱 지연시킴으로써, 제트의 추력편향이 종래 대비 훨씬 큰 각도로 이루어지도록 하는 고성능의 추력편향 제어 시스템이 구축될 수 있고, 고응답성을 갖는 측판의 거리 조절 및 2차 제트의 압력 조절을 상황에 맞추어 조합함으로써, 원하는 편향각에 대한 제어가 보다 신속하면서도 정밀하게 이루어질 수 있다.

도 1은 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치를 설명하기 위한 입체 개념도이다.
도 2a 및 도 2b는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 상측 플랩과 하측 플랩의 상하 방향 이동 제어에 의한 추력편향 유도를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 측판에 의한 추력편향 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치에서, 플랩과 추력노즐 사이의 거리(s)에 따른 편향각의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치에서, 플랩과 추력노즐 사이의 거리(s)에 따른 추력손실비의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치에서, 소정의 두께를 갖는 후향계단 형상의 블록을 통해 주제트 노즐 및 2차 제트 노즐이 형성된 상태를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 7은 2차 제트 노즐의 간격(d) 별 MFR(momentum flux rato)에 따른 편향각의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 2차 제트 노즐의 간격(d) 별 total pressure ratio에 따른 편향각의 변화를 나타낸 그래프이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 본원의 일 실시예에 따른 초음속 제트의 추력편향 제어 장치(이하 '본 추력편향 제어 장치'라 함)에 대하여 설명한다.

도 1은 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치를 설명하기 위한 입체 개념도이다. 도 2a 및 도 2b는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 상측 플랩과 하측 플랩의 상하 방향 이동 제어에 의한 추력편향 유도를 설명하기 위한 도면이다.

본 추력편향 제어 장치는 추력노즐(1), 상측 플랩(21)과 하측 플랩(22), 및 좌측 측판(31)과 우측 측판(32)을 포함한다.

추력노즐(1)은 제트를 후방으로 토출하는 출구(11)를 형성하는 구성이다. 이러한 추력노즐(1)은 상부 모서리(11a)와 하부 모서리(11b)를 가질 수 있다. 또한, 추력노즐(1)은 사각 형상일 수 있다. 예시적으로 도 1을 참조하면, 추력노즐(1)은 가로 길이(좌우 방향 길이)가 세로 길이(상하 방향 길이)보다 긴 사각 형상일 수 있다. 또한, 추력노즐(1)은 엔진노즐의 출구에 대응하는 구성일 수 있다.

또한, 추력노즐(1)은 초음속 유동에 대응하는 초음속 노즐일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 추력노즐(1)은 아음속 노즐에도 적용 가능하다. 다른 예로, 추력노즐(1)은 초음속으로부터 아음속으로 변경되는 유동, 또는 아음속으로부터 초음속으로 변경되는 유동에 대응하는 노즐일 수도 있다.

도 1을 참조하면, 출구(11)로부터 미편향 제트 등의 제트가 토출되는 방향을 후방이라 할 수 있다. 또한, 도 1 기준 12시 방향을 상측 방향, 6시 방향을 하측 방향이라 할 수 있으며, 후술할 좌측 측판(31)이 구비된 쪽이 좌측, 우측 측판(32)이 구비된 쪽이 우측이라 할 수 있다. 다만, 이러한 전후 방향, 상하 방향, 좌우 방향 등은 상대적인 개념으로서, 본 추력편향 제어 장치의 배치 위치 및 방향에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 본 추력편향 제어 장치는 후방이 아래쪽을 향하도록 배치될 수도 있다.

상측 플랩(21)은 코안다 효과에 의한 상측으로의 추력편향을 유도 가능하도록, 출구(11)의 상측에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치된다. 예시적으로, 도 2a에 도시된 바와 같이, 상측 플랩(21)은 출구(11)의 상부 모서리(11a)에 매우 가깝게 접근하거나, 상부 모서리(11a)에 접하도록(s=0) 하향 이동될 수 있다. 또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상측 플랩(21)은 출구(11)의 상부 모서리(11a)로부터 소정의 거리만큼 이격되도록 상향 이동될 수 있다.

하측 플랩(22)은 코안다 효과에 의한 하측으로의 추력편향을 유도 가능하도록, 출구(11)의 하측에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치된다. 예시적으로, 도 2a에 도시된 바와 같이, 하측 플랩(22)은 출구(11)의 하부 모서리(11b)로부터 소정의 거리만큼 이격되도록 하향 이동될 수 있다. 또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 하측 플랩(22)은 출구(11)의 하부 모서리(11b)에 매우 가깝게 접근하거나, 하부 모서리(11b)에 접하도록(s=0) 상향 이동될 수 있다.

이와 같이, 코안다 효과에 의해 편향을 발생시키는 플랩(21, 22)을 추력노즐(1)의 출구(11)의 상측 및 하측에 설치하고, 플랩(21, 22)은 상하로 움직이도록 구비될 수 있다. 플랩(21, 22)을 상하 방향을 따라 이동시키는 구동 장치는 당 분야의 통상의 기술자에게 자명하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1을 참조하면, 상측 플랩(21)의 코안다 면(21b)과 하측 플랩(22)의 코안다 면(22b)은, 출구(11)의 후방으로 갈수록 서로 멀어지는 볼록한 곡면일 수 있다. 이러한 볼록한 곡면 형상에 의하여 출구(11)를 통해 후방 토출되는 제트에 대하여 코안다 효과가 발휘되어 추력편향이 이루어질 수 있다.

좌측 측판(31)과 우측 측판(32)은, 상측 플랩(21)과 하측 플랩(22) 사이에 형성되는 출구 후방 공간을 사이에 두고, 출구(11) 양측에 상호 대향하게 설치된다. 도 1을 참조하면, 좌측 측판(31)은, 제트의 좌측 방향으로의 변화 강도를 저감시키도록 출구 후방 공간의 좌측을 폐쇄하고, 우측 측판(32)은, 제트의 우측 방향으로의 변화 강도를 저감시키도록 출구 후방 공간의 우측을 폐쇄할 수 있다.

도 1을 참조하면, 좌측 측판(31) 및 우측 측판(32)은, 출구(11)에서 상측 플랩(21)의 후단(21a) 및 하측 플랩(22)의 후단(22a)에 대응하는 부분까지 출구 후방 공간의 좌측 및 우측을 폐쇄할 수 있다. 구체적으로, 도 2b를 참조하면, 좌측 측판(31) 및 우측 측판(32)은, 상측 플랩(21)이 상부 모서리(11a)로부터 최대한 멀어지거나, 하측 플랩(22)이 하부 모서리(11b)로부터 최대한 멀어진 상태에 대하여, 출구 후방 공간의 좌측 및 우측을 폐쇄하도록 구비될 수 있다.

또한 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 상측 플랩(21)은 추력편향을 유도하도록 출구 후방 공간을 향해 형성된 코안다 면(21b)이 출구(11)의 상부 모서리(11a)에 가까워지거나(도 2a 참조), 상부 모서리(11a)로부터 멀어지도록(도 2b 참조) 이동 가능하다. 또한, 하측 플랩(22)은 추력편향을 유도하도록 출구 전방 공간을 향해 형성된 코안다 면(22b)이 출구(11)의 하부 모서리(11b)에 가까워지거나(도 2b 참조), 하부 모서리(11b)로부터 멀어지도록(도 2a 참조) 이동 가능하다.

좌측 측판(31)과 우측 측판(32)이 상측 플랩(21)과 하측 플랩(22)과 유기적으로 조합됨으로써 발휘되는 작용효과를 예시적으로 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 추력노즐(1)로부터 후방으로 토출되는 초음속의 제트는 하류(후방)로 흐르면서 주위 대기와 자연적으로 섞이며 간섭될 수 있다. 이때, 본원에 의하면, 측판(31, 32)(side plate)의 설치에 의하여 제트유동 내부의 충격파 구조를 변화시킬 수 있다. 구체적으로, 측판(31, 32)을 설치함으로써, 제트유동이 겪는 폭 방향(좌우 방향)의 3차원적 변화강도가 감소되고, 충격파의 반사구조에도 영향을 미쳐, 제트유동이 조기에 박리되지 않고 플랩(21, 22) 표면(코안다 면)에 부착되어 흐르게 하는 작용효과가 발휘된다. 그 결과, 본원에 의하면, 측판(31, 32)이 없는 장치와 대비하여 동일한 상태에서 추력편향각을 크게 증가시킬 수 있게 된다.

이러한 측판(31, 32)에 의한 작용효과는 실험을 통해서도 확인될 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 측판에 의한 추력편향 효과를 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 상측 플랩(21) 또는 하측 플랩(22)이 추력노즐(1)의 출구(11)에 접근할 때 발생하는 제트의 편향유동을 쉴러린 유동가시화(Schlieren flow visualization)로 관찰한 결과를, 도 3a의 경우 측판이 없는 케이스에 대하여, 그리고 도 3b의 경우 본원과 같이 측판이 설치된 케이스에 대하여 도시하고 있다. 참고로, 이러한 실험에 있어서, 추력노즐은 종횡비 3:1(30 mm X 10 mm)의 음속 사각노즐 형태를 사용하였고, 폭 방향(좌우 방향)의 유동을 차단시키기 위한 측판은 플랩 끝단(후단)까지 연장된 길이 및 사각형 형태로 제작 설치되었다. 또한, 플랩의 동적 위치제어를 위하여 스텝모터(A3K-S545, Autonics사)와 LM 액츄에이터(SKR-20, 삼익THK사)가 사용되었으며, 플랩의 실시간 정밀 위치를 파악하기 위해 포텐셜미터(PY-2, Gefran사)가 사용되었다. 또한, 제트유동의 종추력(후방 추력)과 측추력(폭 방향 추력)에는 각각 빔형 로드셀(SBA, CAS사)과 S형 로드셀(BCA, CAS사)이 사용되었다. 측정된 종추력과 측추력은 최종 추력편향각 도출에 사용된다. 또한, 본 실험은 사각 음속제트가 완전 또는 과소팽창 되는 조건(NPR=2.0~4.0)에서 수행되었으며, 플랩과 추력노즐의 출구 사이의 거리(s)는 0~4 mm 범위에서 플랩의 이동속도가 4 mm/s인 조건에서 진행되었다.

동일한 제트유동 조건(제트 출구 마하수 1.0, 제트압력 200 kPa)에서 관찰한 결과, 도 3a와 같이 측판이 없는 경우에 나타난 제트유동의 편향각은 약 10도이다. 반면 도 3b를 참조하면, 측판을 설치함으로써 제트유동의 편향각은 70도를 초과하는 정도(72.4도)로 매우 크게 증가되는 것을 확인할 수 있다. 본원을 통해 구현되는 약 70도의 추력편향각은 학술적으로 검증된 고정확도의 시험장치를 통하여 얻어진 정량적인 결과로서, 기존의 유사한 부류의 초음속 제트의 유체역학적 추력편향기법에서는 볼 수 없는 매우 큰 각도에 해당하는 것이다. 즉, 기존의 유체역학적 추력편향기법을 통해서는 편향각을 25도 이상 상승시키기 어려웠으나, 본원에 의하면, 측판의 유체역학적 측면의 유기적인 연동을 통하여 약 70도 가량의 추력편향각 상승이 이루어질 수 있음이 실험을 통하여 확인되었다. 또한 도 3b에 나타난 바와 같이, 측판이 있는 경우 제트유동이 플랩의 표면(코안다 면)의 후단(도 3b 기준 상단)까지 부착된 상태로 흐르는 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 4는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치에서, 플랩과 추력노즐 사이의 거리(s)에 따른 편향각의 변화를 나타낸 그래프이다. 즉, 도 4는 플랩의 이동시에 있어서 측판의 설치가 편향각에 미치는 영향을 정량적인 데이터로 제시한 그래프이다.

도 4를 참조하면, 측판이 설치된 경우가 측판이 없는 경우보다 동일한 조건(s=0)에서 7배 가량 높은 편향효과를 나타내고 있음이 확인된다. 또한, 측판이 설치된 경우에도, 플랩이 추력노즐의 출구에서 조금만 멀어져도(s=1 mm 이상) 편향효과는 급격히 소멸됨을 확인할 수 있다.

즉, 마하수 1.0, 제트의 압력 200 kPa의 제트 유동 조건에서, 좌측 측판(31) 및 우측 측판(32)의 작용으로 인해, 상측 플랩(21)은 제트의 상측으로의 편향각 조절을 위해 상부 모서리(11a)로부터 4 mm 이하의 범위에서 상하 방향으로 이동되는 것만으로도, 제트의 상측으로의 편향각을 0도 에서 70도 정도(72.4도)까지 충분히 제어할 수 있다. 마찬가지로, 하측 플랩(22)은 제트의 하측으로의 편향각 조절을 위해 하부 모서리(11b)로부터 4 mm 이하의 범위에서 상하 방향으로 이동되는 것만으로도, 제트의 상측으로의 편향각을 0도에서 70도 정도(72.4도)까지 충분히 제어할 수 있다.

특히 도 4를 참조하면, 측판이 설치된 본원에 있어서, 플랩은 추력노즐(1)로부터 1 mm 정도의 매우 작은 이동만으로도 편향각이 급격한 변화를 보임을 확인할 수 있다. 구체적으로, 마하수 1.0, 제트의 압력 200 kPa의 제트 유동 조건에서, 좌측 측판(31) 및 우측 측판(32)의 작용으로 인해, 상측 플랩(21) 또는 하측 플랩(22)은 1 mm의 이동만으로도 상측 또는 하측으로의 편향각을 60도 내지 70도만큼 조절 가능하다. 예를 들어, 플랩이 s=1.0 mm인 위치에서 s=0.0 mm인 위치로 이동되면, 이러한 1 mm의 이동만으로도 편향각은 약 2도에서 약 72도까지 70도만큼 대폭 증가하게 된다. 다른 예로, 플랩이 s=1.0 mm인 위치에서 s=0.5 mm인 위치로 이동되면, 이러한 0.5 mm의 이동만으로도 편향각은 약 2도에서 약 65도까지 60도 이상 대폭 증가하게 된다. 즉, 본원에 의하면, 좌측 측판(31) 및 우측 측판(32)이 설치됨으로써, 플랩의 작은 이동(1 mm 정도)만으로도 편향제어가 매우 용이하게 이루어질 수 있어, 높은 응답성을 갖는 편향각의 빠르고 정교한 제어가 쉽게 구현될 수 있다.

이에 따르면, 플랩(21, 22)은 제트의 추력편향 제어가 필요하지 않을 때에는 추력노즐(1)의 출구(11)로부터 소정의 거리 이상(s=1 mm 내지 2 mm 정도, 바람직하게는 s=4 mm 정도) 떨어져 위치하도록 한다. 또한, 도 2a를 참조하면, 상측으로의 추력편향(pitch)의 필요성이 있을 때에는 상측 플랩(21)을 추력 노즐(1)의 출구(11)에 가깝게 이동시키면 제트가 상측 플랩(21)의 코안다 면(21b)에 부착되어 상측으로의 높은 추력편향각이 유도될 수 있다. 또한, 도 2b를 참조하면, 하측으로의 추력편향(pitch)의 필요성이 있을 때에는 하측 플랩(22)을 추력 노즐(1)의 출구(11)에 가깝게 이동시키면 제트가 하측 플랩(22)의 코안다 면(22b)에 부착되어 하측으로의 높은 추력편향각이 유도될 수 있다.

이와 같이, 플랩(21, 22)을 추력노즐(1)의 출구(11) 상하에 대칭적으로 배치함으로써, 제트가 상하방향(피치)으로 필요에 따라 편향될 수 있다. 또한, 본 추력편향 제어 장치는 그 설치방향의 설정에 따라 대상체(이를테면 비행체)의 피치(pitch) 뿐만 아니라 요(yaw)의 제어에도 사용이 가능하다. 예를 들어, 도 1의 본 추력편향 제어 장치를 전후 방향을 회전축으로 하여 90도만큼 회전시키면, 상측 플랩(21) 및 하측 플랩(22)의 이동에 따라 요(yaw)의 제어가 이루어질 수 있다.

도 5는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치에서, 플랩과 추력노즐 사이의 거리(s)에 따른 추력손실비의 변화를 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 5는 측판을 설치할 경우 발생할 수 있는 추력 손실에 관한 관찰결과를 도시하고 있다.

도 5를 참조하면, 그래프의 종축에 제시된 총합추력비(Cfgsys)는 제트가 만들어내는 이론 추력(본 추력편향 제어 장치가 설치되지 않은 자유제트 경우)과 장치가 설치된 경우(측판이 없는 경우 및 측판이 있는 경우) 측정된 실제 추력의 비를 의미한다. 이러한 총합추력비는 그 값이 1에 가까울수록 추력 손실이 최소화된 것이라 볼 수 있다. 도 5에 나타난 바와 같이, 본원의 케이스인 측판을 설치한 경우에도 추력손실은 대체적으로 5 % 이내(총합추력비 0.95 이상)로 작음을 확인할 수 있다.

한편, 도 6a 및 도 6b는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치에서, 소정의 두께를 갖는 후향계단 형상의 블록을 통해 주제트 노즐 및 2차 제트 노즐이 형성된 상태를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 추력노즐(1)에는 상측 블록(41) 및 하측 블록(42)이 구비될 수 있다. 상측 블록(41)은 상측 플랩(21)에 대하여 하측으로 제1 간격(d1)을 두고 배치될 수 있다. 또한, 하측 블록(42)은 하측 플랩(22)에 대하여 상측으로 제2 간격(d2)을 두고 배치될 수 있다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상측 블록(41)과 하측 블록(42) 사이의 간격은 주제트를 후방으로 토출하는 주제트 노즐의 출구(111)를 형성할 수 있다. 또한, 제1 간격(d1) 및 제2 간격(d2) 각각은 2차 제트를 후방으로 토출하는 2차 제트 노즐의 출구(112)를 형성할 수 있다. 2차 제트 노즐의 출구(112)를 통해 토출되는2차 제트를 통해 주제트의 추력편향이 보다 용이하게 제어될 수 있다.

참고로, 도 6a 기준 9시 방향이 후방, 3시 방향이 전방이고, 12시 방향이 상향, 6시 방향이 하향일 수 있다.

2차 제트는 연소챔버의 연소공기를 사용하거나 연소챔버의 외측으로 유동하는 흡입공기를 사용하여 생성할 수 있다. 또한 도면에는 도시되지 아니하였으나 제1 간격(d1) 또는 제2 간격(d2)에 의한 공간으로 유동하는 2차 제트는 유로조절기에 의해 단속될 수 있다. 예시적으로, 유로조절기로는 레귤레이터, 밸브 등이 사용될 수 있다. 이러한 사항들은 당 분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항이므로 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상측 블록(41)의 후단(41a)은 상하방향에 대하여 미리 설정된 두께(t1)를 가질 수 있다. 또한, 하측 블록(42)의 후단(42a)은 상하방향에 대하여 미리 설정된 두께(t2)를 가질 수 있다. 이때, 미리 설정된 두께(t1, t2)는, 후향계단(backstep) 효과를 발휘하도록 설정된 두께일 수 있다. 여기서, 후향계단 효과는, 주제트 중 적어도 일부를 상측 블록(41) 또는 하측 블록(42)의 후방에 미리 설정된 두께에 의해 형성된 공간으로 편향시키는 효과일 수 있다.

도 7은 2차 제트 노즐의 간격(d) 별 MFR(momentum flux rato)에 따른 편향각의 변화를 나타낸 그래프이다. 다만, 도 7은 주제트의 추력편향에 대한 2차 제트 노즐만의 독립적인 영향을 체크하기 위하여, 측판이 없는 경우에 대하여 실험을 수행한 결과를 담은 그래프이다.

도 7을 참조하면, 동일한 MFR에 대하여 2차 제트 노즐의 간격(d)이 작을수록 주제트의 편향각이 더욱 커짐을 확인할 수 있다. 또한, 2차 제트 노즐의 간격(d)이 2 mm 일 때와 1 mm 일 때 모두 MFR과 편향각에 대하여 대체적으로 선형적인 구배를 보임을 확인할 수 있다. 아울러, 2차 제트 노즐의 간격(d)이 2 mm 일 때(slope=52)보다 1 mm 일 때(slope=107) 평균 구배가 2배 가까이 증가되는 것 또한 확인된다. 또한, MFR은 후술할 total pressure ratio(Pt2/Pt1)와 직접적으로 관련된다. 이러한 결과를 종합하여 보면, 2차 제트를 통해 주제트의 추력편향을 유발하는 방식의 경우, 2차 제트 노즐의 간격이 작을수록 높은 추력편향이 이루어지고, MFR 및 2차 제트의 압력비의 증가에 대하여 편향각이 선형적으로 증가함을 확인할 수 있다.

이에 따르면, 상측 블록(41)의 후단(41a)은 2차 제트의 토출압력 증가에 따라 주제트의 추력편향각이 선형적으로 증가하는 선형응답 제어가 이루어지도록 하는 후향계단 형상을 가질 수 있다. 마찬가지로, 하측 블록(42)의 후단(42a)은 2차 제트의 토출압력 증가에 따라 주제트의 추력편향각이 선형적으로 증가하는 선형응답 제어가 이루어지도록 하는 후향계단 형상을 가질 수 있다. 구체적으로 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상측 블록(41)의 후단(41a)은, 상측 블록(41)의 하면과의 사이에 모서리가 형성되도록 꺾임 형성되고, 하측 블록(42)의 후단(42a)은, 하측 블록(42)의 상면과의 사이에 모서리가 형성되도록 꺾임 형성될 수 있다. 또한, 상측 블록(41)의 후단(41a) 및 하측 블록(42)의 후단(42a)은, 후방을 향한 법선을 갖는 평면으로 구비될 수 있다.

도 8은 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치에서, 2차 제트 노즐의 간격(d) 별 total pressure ratio에 따른 편향각의 변화를 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 8은 주제트에 대한 2차 제트의 압력비(Pt2/Pt1)에 따른 주제트의 편향각 변화결과를 2차 제트 노즐의 간격(d)에 따라 나타낸 그래프이다. 다만, 도 8은 주제트의 추력편향에 대한 2차 제트 노즐만의 독립적인 영향을 체크하기 위하여, 측판이 없는 경우에 대하여 실험을 수행한 결과를 담은 그래프이다.

도 8을 참조하면, 2차 제트의 압력비가 높아질수록 주제트의 편향각이 커지는 방향으로 제어됨을 확인할 수 있다. 또한, 동일한 2차 제트의 압력비에 대하여, 2차 제트 노즐의 간격(d)이 2 mm 인 경우보다 1 mm인 경우에 대체적으로 더 큰 추력편향이 발생하는 것으로 확인된다.

이와 같이, 도 7 및 도 8을 통해 확인한 실험결과를 참조하면, 주제트의 추력편향을 보다 큰 편향각 범위에서 제어하기 위해서는, 제1 간격(d1) 및 제2 간격(d2)은 1 mm 이하, 바람직하게는 1 mm이고, 미리 설정된 두께(t1, t2)는 5 mm일 수 있다. 또한, 상측 블록(41)과 하측 블록(42) 사이의 간격은 10 mm 일 수 있다.

이상 살펴본 바와 같이, 본원은 추력노즐의 출구 상하에 코안다 플랩을 설치하고, 출구의 양쪽 측면에 측판(side plate)을 설치함으로써, 종래에 비해 수배 이상 높은 추력 편향각을 발생시킬 수 있는 추력편향 제어 기술에 관한 것이다. 이때, 코안다 플랩은 상하로 움직이면서 제트의 추력 방향(pitch 또는 yaw)를 제어할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 주제트와 나란한 방향으로 2차 제트를 분출하는 구조를 통해 제트의 추력편향을 제어할 수도 있다. 본원에 의하면, 70도를 초과하는 정도의 높은 추력편향각을 만들어낼 수 있다. 아울러, 본 추력편향 제어 장치의 적용으로 인한 추력손실 또한 대체적으로 약 5% 이내로 작게 평가되었다.

종래의 기계적 추력편향제어 방식은 추력의 편향발생을 위하여 추력노즐의 출구 근방에 복잡한 기계적 장치를 설치하여 운용하고 있다. 이러한 종래의 방식에 따른 부속장치는 엔진중량의 증가, 높은 추력손실 및 부속장치 삭마 등 많은 단점을 가지고 있다. 이에 반해, 본 추력편향 제어 장치는 제트의 흐름을 직접적으로 방해하지 않기 때문에 기존 기술의 단점을 보완하고 높은 추력편향성능과 적은 추력손실을 기대할 수 있다.

이러한 본 추력편향 제어 장치는 비행체에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 추력편향 제어 장치는 고기동성을 요하는 최신예 고속 비행체 및 무인기의 추력편향 장치에 적용할 수 있어, 항공우주산업 전반에 미치는 영향 및 그 응용범위가 매우 넓다. 특히, 본 추력편향 제어 장치는, 플랩의 단순 거리 조절 방식의 제어만으로도 대략 70도 이상의 편향효과를 발휘할 수 있으므로, 비행체의 초기동성 및 단거리 이착륙(STOL)같은 기술을 실현하기에 적합한 기술이라 할 수 있다.

이와 같이, 본원은 전술한 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치를 포함하는 비행체를 제공할 수 있다. 여기서, 비행체라 함은 비행시 추력을 필요로 하는 대상체를 의미할 수 있으며, 이는 당 분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항이므로 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이상 살펴본 바와 같이, 전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 추력노즐
11: 출구
11a: 상부 모서리
11b: 하부 모서리
111: 주제트 노즐의 출구
112: 2차 제트 노즐의 출구
21: 상측 플랩
21a: 상측 플랩의 후단
21b: 상측 플랩의 코안다 면
22: 하측 플랩
22a: 하측 플랩의 후단
22b: 하측 플랩의 코안다 면
31: 좌측 측판
32: 우측 측판
41: 상측 블록
41a: 상측 블록의 후단
42: 하측 블록
42a: 하측 블록의 후단

Claims (16)

1. 제트의 추력편향을 제어하는 장치에 있어서,
   제트를 후방으로 토출하는 출구를 형성하는 추력노즐;
   코안다 효과에 의한 추력편향을 유도 가능하도록, 각각이 상기 출구의 후방으로 갈수록 서로 멀어지는 볼록한 곡면의 코안다 면을 가지며, 상기 출구의 상측 및 하측에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 상측 플랩과 하측 플랩; 및
   상기 상측 플랩과 상기 하측 플랩 사이에 형성되는 출구 후방 공간을 사이에 두고, 상기 출구 양측에 상호 대향하게 설치되어 상기 제트의 좌우 방향으로의 변화 강도를 저감시키도록 상기 출구 후방 공간의 좌측 및 우측을 폐쇄하는 좌측 측판과 우측 측판을 포함하고,
   상기 상측 플랩은 추력편향을 유도하도록 상기 출구 후방 공간을 향해 형성된 코안다 면이 상기 출구의 상부 모서리에 가까워지거나, 상기 상부 모서리로부터 멀어지도록 이동 가능하고,
   상기 하측 플랩은 추력편향을 유도하도록 상기 출구 전방 공간을 향해 형성된 코안다 면이 상기 출구의 하부 모서리에 가까워지거나, 상기 하부 모서리로부터 멀어지도록 이동 가능하며,
   상기 좌측 측판 및 상기 우측 측판은, 상기 상측 플랩이 상기 상부 모서리로부터 최대한 멀어지거나, 상기 하측 플랩이 상기 하부 모서리로부터 최대한 멀어진 상태에 대하여, 상기 출구 후방 공간의 좌측 및 우측을 폐쇄하도록 구비되고,
   마하수 1.0, 제트의 압력 200 kPa의 제트 유동 조건에서, 상기 좌측 측판 및 상기 우측 측판의 작용으로 인해, 상기 상측 플랩은 상기 상부 모서리로부터 4 mm 이하의 범위에서 상하 방향으로 이동되면, 제트의 상측으로의 편향각을 0도 내지 72.4도만큼 조절 가능하고, 상기 하측 플랩은 상기 하부 모서리로부터 4 mm 이하의 범위에서 상하 방향으로 이동되면, 제트의 하측으로의 편향각을 0도 내지 72.4도만큼 조절 가능한 것인, 추력편향 제어 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 좌측 측판 및 상기 우측 측판은, 상기 출구에서 상기 상측 플랩의 후단 및 상기 하측 플랩의 후단에 대응하는 부분까지 상기 출구 후방 공간의 좌측 및 우측을 폐쇄하는 것인, 추력편향 제어 장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   마하수 1.0, 제트의 압력 200 kPa의 제트 유동 조건에서, 상기 좌측 측판 및 상기 우측 측판의 작용으로 인해,
   상기 상측 플랩 또는 상기 하측 플랩은 1 mm의 이동만으로도 상측 또는 하측으로의 편향각을 60도 내지 70도만큼 조절 가능한 것인, 추력편향 제어 장치.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 추력노즐에는,
   상기 상측 플랩에 대하여 하측으로 제1 간격을 두고 배치되는 상측 블록; 및
   상기 하측 플랩에 대하여 상측으로 제2 간격을 두고 배치되는 하측 블록이 구비되는 것인, 추력편향 제어 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 상측 블록과 상기 하측 블록 사이의 간격은 주제트를 토출하는 주제트 노즐의 출구를 형성하고,
   상기 제1 간격 및 상기 제2 간격 각각은 2차 제트를 토출하는 2차 제트 노즐의 출구를 형성하는 것인, 추력편향 제어 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 상측 블록 및 상기 하측 블록은, 그 후단이 상하방향에 대하여 후향계단(backstep) 효과를 발휘하도록 미리 설정된 두께를 갖는 것인, 추력편향 제어 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 후향계단 효과는, 상기 주제트 중 적어도 일부를 상기 상측 블록 또는 상기 하측 블록의 후방에 상기 미리 설정된 두께에 의해 형성된 공간으로 편향시키는 효과인 것인, 추력편향 제어 장치.
11. 제9항에 있어서,
    상기 상측 블록 및 상기 하측 블록은, 그 후단이 상기 2차 제트의 토출압력 증가에 따라 상기 주제트의 추력편향각이 선형적으로 증가하는 선형응답 제어가 이루어지도록 하는 계단 형상을 갖는 것인, 추력편향 제어 장치.
12. 제9항에 있어서,
    상기 상측 블록의 후단은, 상기 상측 블록의 하면과의 사이에 모서리가 형성되도록 꺾임 형성되고,
    상기 하측 블록의 후단은, 상기 하측 블록의 상면과의 사이에 모서리가 형성되도록 꺾임 형성되는 것인, 추력편향 제어 장치.
13. 제12항에 있어서,
    상기 상측 블록 및 상기 하측 블록 각각의 후단은, 후방을 향한 법선을 갖는 평면으로 구비되는 것인, 추력편향 제어 장치.
14. 제9항에 있어서,
    상기 제1 간격 및 상기 제2 간격은 1 mm 이하이고,
    상기 미리 설정된 두께는 5 mm인 것인, 추력편향 제어 장치.
15. 삭제
16. 제1항에 따른 추력편향 제어 장치를 포함하는 비행체.

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