KR101784349B1 - On/off 밸브를 이용한 추력편향 제어 장치 - Google Patents

On/off 밸브를 이용한 추력편향 제어 장치 Download PDF

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Abstract

제트의 추력편향을 제어하는 장치가 개시되며, 본원의 추력편향 제어 장치는 상하 방향으로 간격을 두고 배치되는 상부 블록과 하부 블록, 제트를 후방으로 토출하도록 상기 상부 블록의 후단과 상기 하부 블록의 후단 사이에 형성되는 노즐출구, 상기 상부 블록과의 사이에 제1 유로가 형성되도록 상기 상부 블록에 대하여 상측으로 간격을 두고 배치되는 상부 코안다 플랩, 상기 하부 블록과의 사이에 제2 유로가 형성되도록 상기 하부 블록에 대하여 하측으로 간격을 두고 배치되는 하부 코안다 플랩, 상기 제1 유로를 개폐하는 제1 온오프 밸브, 및 상기 제2 유로를 개폐하는 제2 온오프 밸브를 포함할 수 있다.

Description

ON/OFF 밸브를 이용한 추력편향 제어 장치{THRUST-VECTOR CONTROL APPARATUS UTILIZING ON/OFF VALVE}
본원은 고속 비행체의 추력편향 제어에 활용될 수 있는 ON/OFF 밸브를 이용한 추력편향 제어 장치에 관한 것이다.
비행체의 추력편향 제어 기술은 최신예 전투기에 적용되어 초고기동성 비행과 단거리 이착륙(STOL)을 가능하게 하는 항공우주 산업분야의 핵심적 기술 중 하나이다.
종래에 항공우주 산업분야에서 운용되고 있는 기계적 추력편향 제어방식은 엔진 후방의 노즐 방향을 직접 바꾸거나 노즐출구에 장착된 베인 등을 이용하여 제트의 추력방향을 제어하는 시스템이었으나, 그 시스템의 복잡한 구조로 인한 엔진 총중량의 증가, 높은 추력손실, 소모성 부품의 과다한 유지 보수 비용 등의 단점이 있었다. 또한, 종래에 개발된 다양한 유체역학적 제어방식 중에서 제트유동이 노즐출구 후방에 설치된 코안다 포면을 따라 흐르는 "코안다 효과"를 이용한 기술 또한, 초음속과 같은 고속제트의 추력편향 제어에 적용하기에는 어느 정도 한계가 있어 왔다.
본원의 배경이 되는 기술은 한국공개특허공보 제2005-0078695호, 한국공개특허공보 제2012-0054306호, 및 한국공개특허공보 제2015-0018018호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복잡한 기계적 구동장치나 추가적인 보조동력 없이도, 간명한 구조에 대한 단순한 조작만으로 종래에 비해 높은 추력편향 성능(높은 추력편향각, 즉각적인 응답성 등)과 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, 상하 방향으로 간격을 두고 배치되는 상부 블록과 하부 블록; 제트를 후방으로 토출하도록 상기 상부 블록의 후단과 상기 하부 블록의 후단 사이에 형성되는 노즐출구; 상기 상부 블록과의 사이에 제1 유로가 형성되도록 상기 상부 블록에 대하여 상측으로 간격을 두고 배치되는 상부 코안다 플랩; 상기 하부 블록과의 사이에 제2 유로가 형성되도록 상기 하부 블록에 대하여 하측으로 간격을 두고 배치되는 하부 코안다 플랩; 상기 제1 유로를 개폐하는 제1 온오프 밸브; 및 상기 제2 유로를 개폐하는 제2 온오프 밸브를 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 노즐출구를 통해 후방으로 토출되는 제트는 초음속 제트일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로 각각은, 일단이 상기 노즐출구의 후방 공간과 통하도록 개구되는 후방 개구부 및 타단이 상기 노즐출구의 후방 공간 이외의 대기 공간과 통하도록 개구되는 대기 노출부를 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 제트가 상기 노즐출구를 통해 후방 토출될 때, 상기 제1 온오프 밸브에 의해 상기 제1 유로가 폐쇄되어 상기 노즐출구의 후방 공간에 대한 대기 노출이 차단되면, 상기 제1 유로의 후방 개구부와 상기 제1 온오프 밸브 사이에 부압이 형성되며, 상기 제2 온오프 밸브에 의해 상기 제2 유로가 폐쇄되어 상기 노즐출구의 후방 공간에 대한 대기 노출이 차단되면, 상기 제2 유로의 후방 개구부와 상기 제2 온오프 밸브 사이에 부압이 형성될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 노즐출구의 상단과 상기 상부 코안다 플랩 사이의 거리는, 상기 상부 블록의 후단과 상기 제1 유로의 후방 개구부가 상기 노즐출구로부터 후방 토출된 제트를 상측으로 편향시키는 후향계단 효과((backstep effect)를 발휘하도록 설정되고, 상기 노즐출구의 하단과 상기 하부 코안다 플랩 사이의 거리는, 상기 하부 블록의 후단과 상기 제2 유로의 후방 개구부가 상기 노즐출구로부터 후방 토출된 제트를 하측으로 편향시키는 후향계단 효과를 발휘하도록 설정될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 상부 블록의 후단은, 후방을 향한 법선을 갖는 평면으로 구비되고, 상기 상부 블록의 하면과의 사이에 모서리가 형성되도록 꺾임 형성되며, 상기 하부 블록의 후단은, 후방을 향한 법선을 갖는 평면으로 구비되고, 상기 하부 블록의 상면과의 사이에 모서리가 형성되도록 꺾임 형성될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 상부 코안다 플랩 및 상기 하부 코안다 플랩 각각은 상기 노즐출구에 대하여 고정적인 위치에 배치될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 상부 코안다 플랩의 코안다 면과 상기 하부 코안다 플랩의 코안다 면은, 상기 노즐출구의 후방으로 갈수록 서로 멀어지는 형태의 볼록한 곡면일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 제트출구 마하수 1.0 및 제트압력 200 kPa의 제트 유동 조건에서, 상기 제1 유로의 후방 개구부의 상하방향 간격은 0.8 mm이고, 상기 상부 코안다 플랩의 코안다 면의 곡률 반경은 50 mm이며, 상기 상부 블록 후단의 상하방향 두께는 1 mm이고, 상기 노즐출구의 상하방향 간격은 10 mm일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 본원의 제1 측면에 따른 추력편향 제어 장치는 상기 상부 코안다 플랩과 상기 하부 코안다 플랩 사이에 형성되는 노즐출구의 후방 공간을 사이에 두고, 상기 노즐출구 양측에 상호 대향하게 설치되는 좌측 측판과 우측 측판을 더 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 좌측 측판과 상기 우측 측판은, 상기 노즐출구를 통해 후방 토출된 제트가 좌우 방향으로 유동되는 간섭이 방지되도록 구비될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 좌측 측판은, 상기 노즐출구에서 상기 상부 코안다 플랩의 후단 및 상기 하부 코안다 플랩의 후단에 대응하는 부분까지 상기 노즐출구의 후방 공간의 좌측을 폐쇄하고, 상기 우측 측판은, 상기 노즐출구에서 상기 상부 코안다 플랩의 후단 및 상기 하부 코안다 플랩의 후단에 대응하는 부분까지 상기 노즐출구의 후방 공간의 우측을 폐쇄할 수 있다.
또한 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, 제트의 토출이 이루어지는 노즐출구의 후방 공간이 외부의 대기 공간에 대하여 선택적으로 노출되도록, 노즐출구와 코안다 플랩 사이에 대기 공간과 연통하는 유로를 형성하고 유로 내에 온오프 방식에 따라 유로를 선택적으로 차단하는 밸브를 배치함으로써, 밸브의 단순 온오프(개폐) 조작만으로도 종래에 비해 훨씬 높은 편향효과가 기대될 수 있고, 큰 동력을 소모하지 않으면서도 높은 응답성을 갖는 즉각적인 편향제어가 쉽게 이루어질 수 있다.
또한, 전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 코안다 플랩을 구동시키거나 2차 제트를 분출시키기 위한 별도의 구동장치나 추가 보조동력 없이도, 간단한 온오프 밸브의 조작만으로 제트의 높은 편향효과가 유도되므로, 큰 부피와 중량을 요하지 않아 구조가 간명하고 제조성 및 경제성이 확보될 수 있으며, 플랩 구조물의 삭마효과 또한 적어 장시간 부속품 교환 없이 사용이 가능하여 유지관리에 있어서도 차별적인 장점을 가질 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치를 설명하기 위한 개략적인 입체도이다.
도 2는 도 1의 추력편향 제어 장치에 좌측 측판 및 우측 측판이 추가적으로 도시된 개략적인 입체도이다.
도 3a는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치에서 제1 온오프 밸브와 제2 온오프 밸브가 모두 열렸을 때(open) 제트의 편향되지 않은 상태를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3b는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치에서 제1 온오프 밸브가 닫혔을 때(closed) 제트의 편향 상태를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3c는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치에서 제2 온오프 밸브가 닫혔을 때(closed) 제트의 편향 상태를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 실험을 통한 검증을 위해 설계된 일 구현예를 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 일 구현예에 대한 밸브 온오프에 의한 제트의 추력편향 상태를 쉴러린 유동가시화(Schlieren Fow Visualization) 기법을 이용하여 촬영한 영상이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 일 구현예의 밸브 제어에 따른 추력편향각 변화의 실제 관찰결과를 나타낸 그래프이다.
도 7a는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 일 구현예에서, 노즐압력 200 kPa 및 유로간격 1.0 mm 실험조건에서 얻어진 밸브 제어에 따른 추력편향각 변화의 실제 관찰결과를 나타낸 그래프이다.
도 7b는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 일 구현예에서, 노즐압력 200 kPa 및 유로간격 0.9 mm 실험조건에서 얻어진 밸브 제어에 따른 추력편향각 변화의 실제 관찰결과를 나타낸 그래프이다.
도 7c는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 일 구현예에서, 노즐압력 200 kPa 및 유로간격 0.8 mm 실험조건에서 얻어진 밸브 제어에 따른 추력편향각 변화의 실제 관찰결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 일 구현예에서, 코안다 플랩과 노즐출구 사이의 거리(s)에 따른 추력손실비의 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 ON/OFF 밸브를 이용한 추력편향 제어 장치(이하 '본 추력편향 제어 장치'라 함)에 대하여 설명한다.
본 추력편향 제어 장치는 초음속 엔진과 같은 엔진의 노즐출구에 위치한 코안다 플랩을 이용하여 비행체의 추력편향을 제어하는 장치에 관한 것이다. 본 추력편향 제어 장치의 일 구현예에 의하면, 노즐출구 후방의 고정된 위치에 설치된 코안다 플랩과 초음속 제트 사이에 형성되는 유로와 대기(atmosphere)와의 연결을 제어하는 간단한 온오프(ON/OFF) 방식 밸브(예를 들면, 솔레노이드 밸브)의 단순 작동만으로도 초음속 제트의 추력편향각이 70도 이상 나타날 수 있도록 추력편향이 제어될 수 있다. 즉, 본 추력편향 제어 장치는 초음속 영역의 고속 제트의 추력편향 제어에 대하여 높은 적용성을 갖는다.
본 추력편향 제어 장치에 사용되는 노즐은 초음속 유동에 대응하는 초음속 노즐일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 다른 예로, 본 추력편향 제어 장치에 사용되는 노즐은 아음속 노즐에도 적용 가능하다. 또 다른 예로, 본 추력편향 제어 장치에 사용되는 노즐은 초음속으로부터 아음속으로 변경되는 유동, 또는 아음속으로부터 초음속으로 변경되는 유동에 대응하는 노즐일 수도 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치를 설명하기 위한 개략적인 입체도이고, 도 2는 도 1의 추력편향 제어 장치에 좌측 측판 및 우측 측판이 추가적으로 도시된 개략적인 입체도이다.
또한, 도 3a는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치에서 제1 온오프 밸브와 제2 온오프 밸브가 모두 열렸을 때(open) 제트의 편향되지 않은 상태를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 3b는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치에서 제1 온오프 밸브가 닫혔을 때(closed) 제트의 편향 상태를 설명하기 위한 개략적인 단면도이며, 도 3c는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치에서 제2 온오프 밸브가 닫혔을 때(closed) 제트의 편향 상태를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
본 추력편향 제어 장치는 노즐출구(11), 상부 코안다 플랩(21), 하부 코안다 플랩(22), 상부 블록(41), 하부 블록(42), 제1 온오프 밸브(61) 및 제2 온오프 밸브(62)를 포함한다. 또한, 본 추력편향 제어 장치는 좌측 측판(31) 및 우측 측판(32)을 포함할 수 있다.
노즐출구(11)는 상부 블록(41)의 후단과 하부 블록(42)의 후단 사이에 형성되어, 제트를 후방으로 토출하는 구성이다. 노즐출구(11)는 사각 형상일 수 있다. 예시적으로 도 1 및 도 2를 참조하면, 노즐출구(1)는 가로 길이(좌우 방향 길이)가 세로 길이(상하 방향 길이)보다 긴 사각 형상일 수 있다. 또한, 노즐출구(1)는 엔진노즐의 출구에 대응하는 구성일 수 있다.
또한, 노즐출구(11)를 통해 후방으로 토출되는 제트는 초음속 제트일 수 있다. 일반적으로 고속 제트의 추력편향 제어는 저속의 경우보다 훨씬 어렵다. 본 추력편향 제어 장치는 초음속 노즐에서 나오는 고속 제트의 추력편향 제어에 적용이 가능하다. 본 추력편향 제어 장치에 대한 구체적인 실험관찰 결과 초음속 제트의 추력편향각이 초음속임에도 70도 이상으로 매우 크게 나타나는 것으로 확인되었으며, 이에 대해서는 보다 상세히 후술하기로 한다. 즉, 본 추력편향 제어 장치에 의하면, 초음속의 제트에 대해서도 70도 이상의 높은 추력편향각이 확보될 수 있는 추력편향 제어 시스템이 구축될 수 있다.
또한 도 3a를 참조하면, 노즐출구(11)로부터 미편향 제트가 토출되는 3시 방향을 후방, 이와 반대되는 9시 방향을 전방이라 할 수 있다. 또한, 도 3a 기준 12시 방향을 상측 방향, 6시 방향을 하측 방향이라 할 수 있다. 또한, 도 2를 참조하면, 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 향하게 배치될 수도 있다.
상부 코안다 플랩(21)은 상부 블록(41)과의 사이에 제1 유로(51)가 형성되도록 상부 블록(41)에 대하여 상측으로 간격을 두고 배치되는 구성이다. 여기서, 제1 유로(51)는 제트가 토출되는 노즐출구(11)와 연결되는 주된 유로의 상측에 형성되는 2차유로라 할 수 있다.
도 3a를 참조하면, 제1 유로(51)는 일단이 노즐출구(11)의 후방 공간과 통하도록 개구되는 후방 개구부(511) 및 타단이 노즐출구(11)의 후방 공간 이외의 대기 공간과 통하도록 개구되는 대기 노출부(512)를 포함할 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이 제1 온오프 밸브(61)가 열려 있는 경우, 제1 유로(51)의 대기 노출부(512)와 후방 개구부(511)를 통해 노즐출구(11)의 후방 공간이 대기 공간과 연결될 수 있다. 반대로 도 3b에 도시된 바와 같이 제1 온오프 밸브(61)가 닫혀 있는 경우, 노즐출구(11)의 후방 공간은 제1 유로(51)를 통한 대기 공간과의 연결이 차단될 수 있다.
제1 유로(51)와 후술할 제2 유로(52)는 단순히 노즐출구(11)의 후방 공간을 대기와 연결하여 주는 통로를 형성하는 구성으로서, 제1 유로(51)와 제2 유로(52)에는 후술할 온오프 밸브 이외에 추가적인 구동장치가 구비될 필요가 없다. 또한, 제1 유로(51)와 제2 유로(52)는 온오프 밸브의 폐쇄(close)시 노즐출구(11)의 후방 공간이 유로를 통해 대기에 노출되는 것이 차단될 수 있도록, 기밀성을 최대한 유지함이 바람직하다.
하부 코안다 플랩(22)은 하부 블록(42)과의 사이에 제2 유로(52)가 형성되도록 하부 블록(42)에 대하여 하측으로 간격을 두고 배치되는 구성이다. 여기서, 제2 유로(52)는 제트가 토출되는 노즐출구(11)와 연결되는 주된 유로의 하측에 형성되는 2차유로라 할 수 있다.
도 3a를 참조하면, 제2 유로(52)는 일단이 노즐출구(11)의 후방 공간과 통하도록 개구되는 후방 개구부(521) 및 타단이 노즐출구(11)의 후방 공간 이외의 대기 공간과 통하도록 개구되는 대기 노출부(522)를 포함할 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이 제2 온오프 밸브(62)가 열려 있는 경우, 제2 유로(52)의 대기 노출부(522)와 후방 개구부(521)를 통해 노즐출구(11)의 후방 공간이 대기 공간과 연결될 수 있다. 반대로 도 3c에 도시된 바와 같이 제2 온오프 밸브(62)가 닫혀 있는 경우, 노즐출구(11)의 후방 공간은 제2 유로(52)를 통한 대기 공간과의 연결이 차단될 수 있다.
또한 도 1 및 도 3a를 참조하면, 상부 코안다 플랩(21)의 코안다 면(21b)과 하부 코안다 플랩(22)의 코안다 면(22b)은, 노즐출구(11)의 후방으로 갈수록 서로 멀어지는 형태의 볼록한 곡면일 수 있다. 이러한 볼록한 곡면 형상에 의하여 노즐출구(11)를 통해 후방 토출되는 제트에 대하여 코안다 효과가 발휘되어 추력편향이 이루어질 수 있다.
상부 블록(41)과 하부 블록(42)은 상하 방향으로 서로 간격을 두고 배치되는 구성이다.
도 3a를 참조하면, 상부 블록(41)은 하부 블록(42)과 S만큼의 간격을 두고 배치될 수 있다. 이러한 상부 블록(41)과 하부 블록(42) 사이 간격(S) 부분에 제트를 후방 토출하는 노즐출구(11)가 형성될 수 있다. 또한, 상부 블록(41)은 상부 코안다 플랩(21)에 대하여 하측으로 s1만큼의 간격을 두고 배치될 수 있으며, 이러한 간격(s1) 부분에 상술한 제1 유로(51)가 형성될 수 있다. 또한, 하부 블록(42)은 하부 코안다 플랩(22)에 대하여 상측으로 s2만큼의 간격을 두고 배치될 수 있으며, 이러한 간격(s2) 부분에 상술한 제2 유로(52)가 형성될 수 있다.
또한, 상부 블록(41)의 후단(41a)은 상하방향에 대하여 미리 설정된 두께(t1)를 가질 수 있다. 또한, 하부 블록(42)의 후단(42a)은 상하방향에 대하여 미리 설정된 두께(t2)를 가질 수 있다. 이때, 미리 설정된 두께(t1, t2)는, 후향계단 효과(backstep effect)를 발휘하도록 설정된 두께일 수 있으며, 제1 유로 및 제2 유로의 간격(s1, s2)을 함께 고려하여 설정될 수 있다.
이에 따르면, 상부 블록(41)의 후단(41a)은 제1 온오프 밸브(61) 차단시 제1 유로(51) 내부에 형성되는 부압과 연계되어 상측으로의 추력편향이 보다 즉각적으로 보다 높은 편향각을 가지고 이루어질 수 있도록 하는 후향계단 형상을 가질 수 있다. 마찬가지로, 하부 블록(42)의 후단(42a)은 제2 온오프 밸브(62) 차단시 제2 유로(52) 내부에 형성되는 부압과 연계되어 하측으로의 추력편향이 보다 즉각적으로 보다 높은 편향각을 가지고 이루어질 수 있도록 하는 후향계단 형상을 가질 수 있다. 구체적으로 도 1 및 도 3a를 참조하면, 상부 블록(41)의 후단(41a)은 후방을 향한 법선을 갖는 평면으로 구비될 수 있다. 또한, 상부 블록(41)의 후단(41a)은 상부 블록(41)의 하면과의 사이에 모서리가 형성되도록 꺾임 형성될 수 있다. 아울러, 하부 블록(42)의 후단(42a)은 후방을 향한 법선을 갖는 평면으로 구비될 수 있다. 또한, 하부 블록(42)의 후단(42a)은 하부 블록(42)의 상면과의 사이에 모서리가 형성되도록 꺾임 형성될 수 있다.
제1 온오프 밸브(61)는 제1 유로(51)를 개폐하는 구성이고, 제2 온오프 밸브(62)는 제2 유로(52)를 개폐하는 구성이다. 도 3a를 참조하면, 제1 온오프 밸브(61)는 제1 유로(51)의 전방에 배치되고, 제2 온오프 밸브(62)는 제2 유로(52)의 전방에 배치될 수 있다. 즉, 제1 온오프 밸브(61) 또는 제2 온오프 밸브(62)는 유로(2차유로) 내에서 밸브와 후방 개구부 사이에 소정의 공간이 마련될 수 있도록 유로의 전방에 배치될 수 있다. 제트의 후방 토출시 제1 온오프 밸브(61) 또는 제2 온오프 밸브(62)가 폐쇄되면, 해당되는 소정의 공간에 부압이 형성되면서 추력편향이 즉각적으로 발생될 수 있다.
이처럼, 제1 온오프 밸브(61) 및 제2 온오프 밸브(62)는 유로를 개방하거나 폐쇄하는 온오프 방식의 단순 구성이다. 또한, 제1 유로(51) 및 제2 유로(52)는 노즐출구(11)의 후방 공간이 유로를 통해 외부의 대기에 노출될 수 있도록, 노즐출구(11)의 후방 공간과 외부의 대기 공간을 연결하여 주는 단순 통로라 할 수 있다. 즉, 본원은 기계적인 구동장치나 추가적인 보조동력을 구비하지 않더라도, 상기와 같은 간명한 구성들의 조합만으로 높은 추력편향 성능을 발휘할 수 있는 추력편향 제어 장치를 제공하고자 하는 것이다.
구체적으로 도 3b를 참조하면, 제트가 노즐출구(11)를 통해 후방 토출될 때, 제1 온오프 밸브(61)에 의해 제1 유로(51)가 폐쇄(closed)되어 노즐출구(11)의 후방 공간에 대한 대기 노출이 차단되면, 제1 유로(51)의 후방 개구부(511)와 제1 온오프 밸브(61) 사이에 부압이 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 유로(51)가 제1 온오프 밸브(61)의 폐쇄에 의해 대기(atmosphere)와 차단되어 진공(vacuum) 압력 상태와 같은 부압 상태가 되면, 상기 부압 상태가 후향계단 효과에 대한 촉매로 작용하여 노즐출구(11)의 상측에서 발생하는 후향계단 효과(backstep effect)가 더욱 즉각적으로 강하게 발휘된다. 이와 동시에 제1 유로(51)의 상측에 고정적으로 배치된 제1 상부 코안다 플랩(21)의 코안다 면(21b)에 대한 코안다 효과가 연계되면서, 노즐출구(11) 후방으로 토출된 제트는 상부 코안다 플랩(21) 쪽으로 붙는 강한 추력편향이 나타나게 된다.
도 3b를 참조하면, 노즐출구(11)의 상단과 상부 코안다 플랩(21) 사이의 거리(s1+t1)는, 상부 블록(41)의 후단(41a)과 제1 유로(51)의 후방 개구부(511)가 노즐출구(11)로부터 후방 토출된 제트를 상측으로 편향시키는 후향계단 효과((backstep effect)를 발휘하도록 설정될 수 있다. 여기서, 후향계단 효과는, 노즐출구(11)를 통해 후방 토출되는 제트 중 적어도 일부를 상부 블록(41)의 후방과 제1 유로(51)의 후방에 단차지게 형성되어 있는 공간으로 편향시키는 효과라 할 수 있다.
이러한 도 3b의 상태에서 제1 온오프 밸브(61)가 다시 개방(open)되어, 도 3a에 도시된 바와 같이 제1 유로(51)를 통해 노즐출구(11)의 후방 공간이 대기에 노출되면, 제1 유로(51) 내부에 형성되었던 부압 상태(진공 압력 상태)가 해제되면서, 앞서 제1 온오프 밸브(61) 폐쇄시 발생되었던 추력편향 효과가 즉각 사라지게 된다. 이처럼, 제1 유로(51)에 간단한 온오프 방식의 밸브를 장착하면 제1 유로(51)를 통한 노즐출구(11) 후방 공간의 대기 노출 및 차단을 손쉽게 제어할 수 있고, 이를 통하여 초음속 제트와 같이 제어가 어려운 고속 제트의 추력편향을 간단하면서도 즉각적으로 제어할 수 있다. 이때 코안다 플랩(21, 22)의 양쪽 측면에 설치된 측판(31, 32)은 제트의 추력편향 효과를 더욱 증대시킬 수 있으며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
또한 도 3c를 참조하면, 제트가 노즐출구(11)를 통해 후방 토출될 때, 제2 온오프 밸브(62)에 의해 제2 유로(52)가 폐쇄(closed)되어 노즐출구(11)의 후방 공간에 대한 대기 노출이 차단되면, 제2 유로(52)의 후방 개구부(521)와 제2 온오프 밸브(62) 사이에 부압이 형성될 수 있다. 이에 따라 하부 코안다 플랩(22)의 코안다 면(22b)으로의 높은 추력편향이 즉각적으로 발생될 수 있다. 또한, 노즐출구(11)의 하단과 하부 코안다 플랩(22) 사이의 거리는, 하부 블록(42)의 후단(42a)과 제2 유로(52)의 후방 개구부(521)가 노즐출구(11)로부터 후방 토출된 제트를 하측으로 편향시키는 후향계단 효과를 발휘하도록 설정될 수 있다. 이는 상술한 상부 코안다 플랩(21)의 코안다 면(21b)으로의 추력편향 작용효과에 대한 설명을 통해 동일 내지 유사하게 이해될 수 있으므로, 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이처럼 노즐출구(11)와 코안다 플랩 사이에 형성되는 유로(제트가 토출되는 노즐출구에 대응하는 유로의 상측과 하측에 형성되는 2차유로) 내에 위치한 온오프 방식의 밸브(예를 들면, 솔레노이드 밸브)의 간단한 제어만으로, 제트가 코안다 효과에 의하여 상측 또는 하측(피치 방향)으로 편향될 수 있다.
즉 본원에 의하면, 제트의 토출이 이루어지는 노즐출구(11)의 후방 공간이 외부의 대기 공간에 대하여 선택적으로 노출되도록, 유로(51, 52)와 온오프 밸브(61, 62)를 구비함으로써, 코안다 플랩을 이동시켜 노즐출구(11)의 간격을 조절하는 별도의 기계적 구동장치를 구비하지 않더라도, 밸브의 단순 온오프 조작만으로 종래보다 훨씬 높은 추력편향각이 딜레이 없이 높은 응답속도로 확보되도록 하는 제어가 이루어질 수 있다.
상부 코안다 플랩(21) 및 하부 코안다 플랩(22) 각각은 노즐출구(11)에 대하여 고정적인 위치에 배치될 수 있다. 즉, 본 추력편향 제어 장치의 경우, 코안다 플랩을 이동시키거나 노즐출구의 크기를 조절하기 위한 별도의 기계적 구동장치나 추가적인 보조동력을 마련할 필요가 없다. 이에 따라, 본 추력편향 제어 장치는 종래에 비해 구성이 간명해지고 높은 경제성이 확보될 수 있다.
한편, 좌측 측판(31)와 우측 측판(32)은 상부 코안다 플랩(21)과 하부 코안다 플랩(22) 사이에 형성되는 노즐출구(11)의 후방 공간을 사이에 두고, 노즐출구(11) 양측에 상호 대향하게 설치되는 구성이다.
좌측 측판(31)과 우측 측판(32)은, 노즐출구(11)를 통해 후방 토출된 제트가 좌우 방향으로 유동되는 간섭이 방지되도록 구비될 수 있다. 보다 구체적으로, 좌측 측판(31)은 제트의 좌측 방향으로의 변화 강도를 저감시키도록 노즐출구(11)의 후방 공간의 좌측을 폐쇄하고, 우측 측판(32)은 제트의 우측 방향으로의 변화 강도를 저감시키도록 노즐출구(11)의 후방 공간의 우측을 폐쇄할 수 있다. 즉, 좌측 측판(31)과 우측 측판(32)은 코안다 플랩(21, 22)의 표면(코안다 면)을 흐르는 제트유동의 후방 3차원 유동의 간섭효과를 줄이고, 이에 따라 추력편향의 최종적인 효과를 증대시키도록 마련되는 구성이다.
예시적으로 도 2를 참조하면, 좌측 측판(31)은 노즐출구(11)에서 상부 코안다 플랩(21)의 후단(21a) 및 하부 코안다 플랩(22)의 후단(22b)에 대응하는 부분까지 노즐출구(11)의 후방 공간의 좌측을 폐쇄할 수 있다. 또한, 우측 측판(32)은 노즐출구(11)에서 상부 코안다 플랩(21)의 후단(21a) 및 하부 코안다 플랩(22)의 후단(22a)에 대응하는 부분까지 노즐출구(11)의 후방 공간의 우측을 폐쇄할 수 있다.
좌측 측판(31)과 우측 측판(32)이 상부 코안다 플랩(21)과 하부 코안다 플랩(22)과 유기적으로 조합됨으로써 발휘되는 작용효과를 예시적으로 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 노즐출구(11)를 통해 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.
이처럼 노즐출구(11) 후방의 특정 위치에 고정되어 있는 코안다 플랩의 양쪽 측면에 좌측 측판(31)과 우측 측판(32)이 구비됨으로써, 노즐출구와 코안다 플랩 사이에 형성되는 유로의 대기노출 여부의 조절에 따른 제트의 추력편향 제어가 보다 높은 신뢰성과 응답성을 가지고 이루어질 수 있다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 실험을 통한 검증을 위해 설계된 일 구현예를 나타낸 개략적인 단면도이다. 보다 구체적으로, 도4는 제트유동의 편향제어를 위하여 노즐출구에 설치된 코안다 플랩, 측판, 2차유로(제1 유로)에 설치된 솔레노이드 밸브(제1 온오프 밸브) 등의 구조를 나타낸 개략도이다. 참고로 도 4를 참조하면, 추력편향각(δP)은 tan-1(TZ/TX)에 의해 산정될 수 있다. 여기서, TX는 종방향 추력(axial thrust)을 의미하고, TZ는 상향 또는 하향 추력(side thrust)을 의미한다.
도 4의 실험조건에서, 노즐은 노즐출구의 단면적이 높이 10 mm × 폭 30 mm (종횡비 3.0) 인 사각 음속노즐이고, 폭 방향(좌우 방향)의 유동을 차단시키기 위한 측판은 플랩 끝단(후단)까지 연장된 길이 및 사각형 형태로 제작 설치되었다. 또한, 곡률반경 50 mm인 코안다 플랩이 노즐출구의 하측에 설치되어 있다. 본원의 일 실시예에 다른 추력편향 제어 장치의 경우 코안다 플랩이 고정적으로 배치되지만, 도 4에 도시된 추력편향 제어 장치의 경우, 유로간격(s)이 제트의 추력편향 특성에 미치는 영향을 관찰할 수 있도록 코안다 플랩의 이동을 통해 유로(2차유로)의 간격(s)의 조정이 가능하도록 설계되었다. 참고로, 유로간격(s)이라 함은, 제1 유로 또는 제2 유로의 후단에 형성된 후방 개구부의 상하방향 너비를 의미하는 것으로 이해될 수 있다(도 3a 기준 s1 또는 s2). 또한 도 4를 참조하면, 유로(2차유로) 공간(체적 6×10-5 m2)의 전방에 대기와 선택적으로 연결될 수 있는 온오프 밸브로서 솔레노이드 밸브가 장착되어, 솔레노이드 밸브의 온오프 작동을 통해 유로(2차유로)의 대기 연결상태가 제어되도록 설계되었다. 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.
도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 일 구현예에 대한 밸브 온오프에 의한 제트의 추력편향 상태를 쉴러린 유동가시화(Schlieren Fow Visualization) 기법을 이용하여 촬영한 영상이다. 구체적으로, 제트출구 마하수 1.0, 제트압력 200 kPa, 코안다 플랩 곡률반경 50 mm, 유로간격(s) 0.8 mm의 조건에서, 도 5a는 온오프 밸브가 열려 유로 내부 공간이 대기에 노출(open)되어 있는 경우에 대한 촬영 영상이고, 도 5b는 온오프 밸브가 닫혀 유로 내부 공간이 대기와 차단(shut off)된 경우에 대한 촬영 영상이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 유로 내부 공간이 유로(2차유로)를 통해 대기에 노출되는 경우 제트유동의 편향이 발생하지 않는다. 반면에, 유로 내부 공간이 대기와 차단된 경우 70도가 넘는 매우 높은 추력편향각이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 실험에서 정량적으로 관찰된 70도가 넘는 추력편향각은 초음속 제트와 같은 고속유동에 있어서 매우 높은 편향 수치로서, 본 추력편향 제어 장치에 의하면 고속유동에 대하여도 높은 추력편향 제어가 이루어질 수 있음이 확인된다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 일 구현예의 밸브 제어에 따른 추력편향각 변화의 실제 관찰결과를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 제트출구 마하수 1.0, 제트압력 200kPa, 유로간격(s) 0.8 mm, 그리고 코안다 플랩의 곡률반경 50 mm 인 유동조건에서, 추가 보조동력을 요구하지 않는 간단한 온오프 밸브(솔레노이드 밸브)의 개폐 조작만으로 제트의 추력편향각(도 6에서는 δ로 표시)이 자유로이 제어되고, 얻어진 추력편향각이 70도 이상으로 크게 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 도 6에서는, 밸브 제어 신호와 실제 제트유동의 추력편향 변화에는 약 30 ms 정도의 매우 짧은 응답지연(delay)이 나타나고 있음이 확인된다.
즉, 도 6의 실험결과에서도 확인되는 바와 같이, 본원에 의하면, 노즐출구 상측 및 하측에 형성된 유로(2차 유로)를 대기에 대하여 선택적으로 개방하는 온오프 밸브의 단순 조작만으로도, 매우 큰 추력편향각과 즉각적인 응답속도를 갖는 고성능의 추력편향 제어가 이루어질 수 있다.
한편, 도 7a는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 일 구현예에서, 노즐압력 200 kPa 및 유로간격 1.0 mm 실험조건에서 얻어진 밸브 제어에 따른 추력편향각 변화의 실제 관찰결과를 나타낸 그래프이고, 도 7b는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 일 구현예에서, 노즐압력 200 kPa 및 유로간격 0.9 mm 실험조건에서 얻어진 밸브 제어에 따른 추력편향각 변화의 실제 관찰결과를 나타낸 그래프이며, 도 7c는 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 일 구현예에서, 노즐압력 200 kPa 및 유로간격 0.8 mm 실험조건에서 얻어진 밸브 제어에 따른 추력편향각 변화의 실제 관찰결과를 나타낸 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c에서 확인할 수 있는 바와 같이, 제트의 추력편향 특성에는 노즐출구와 코안다 플랩 표면 사이에 형성되는 유로의 간격(s)이 중요한 관계변수로 작용할 수 있다. 도 6 및 도 7c는 유로간격(s)이 0.8 mm인 경우의 실험결과로서, 도 6에서 설명한 바와 같이 밸브 개폐에 따라 추력편향각이 반복적으로 잘 대응하여 나타나는 안정된(신뢰성 높은) 제어특성을 보이고 있다. 이에 반해, 도 7a 및 도 7b는 유로간격(s)이 1.0 mm 및 0.9 mm인 경우의 실험결과로서, 유로간격(s)이 0.8 mm보다 커지면 온오프 밸브 개폐에 의한 제트의 코안다 효과는 크게 반감되고 추력편향각 또한 크게 줄어드는 것이 확인되었다. 구체적으로 도 7a을 참조하면, 유로간격(s)이 1.0 mm인 경우 밸브 개폐에 따른 추력편향각의 대응이 매우 약하고, 도 7b를 참조하면, 유로간격(s)이 0.9 mm인 경우 밸브 개폐에 따라 처음에는 추력편향각이 크게 나타나다가, 다음 밸브 작동에서는 추력편향각이 대응하여 나타나지 못하는 불안정한 제어 특성을 보임이 확인되었다.
아울러, 유로간격(s)이 0.8 mm보다 작은 경우에는, 온오프 밸브의 개폐에 상관없이 제트가 코안다 플랩 표면에 항상 부착되어 버려, 추력편향 제어 효과를 기대할 수 없음 또한 확인되었다.
이러한 유로간격(s)의 수치는 노즐출구 후방의 상측 및 하측의 특정 위치에 설치된 코안다 플랩의 곡률반경과도 다소 연관성이 있을 것으로 판단되며, 이에 따라 본 추력편향 제어 장치의 주요한 관계변수는 상기 유로간격(s)과 코안다 플랩의 곡률반경이 될 수 있다.
이러한 실험결과를 도 3a 내지 도 3c에 도시된 도면부호들을 기준으로 정리하면 다음과 같다.
제트출구 마하수 1.0 및 제트압력 200 kPa의 제트 유동 조건에서, 제1 유로(51)의 후방 개구부(511)의 상하방향 간격(s1)은 0.8 mm이고, 상부 코안다 플랩(21)의 코안다 면(21b)의 곡률 반경(R1)은 50 mm이며, 상부 블록(41)의 후단(41a)의 상하방향 두께(t1)는 1 mm이고, 노즐출구(11)의 상하방향 간격(S)은 10 mm인 경우, 70도 이상의 높은 추력편향각과 30 ms 정도의 매우 짧은 응답딜레이가 확보될 수 있다. 이와 유사하게, 제2 유로(52)의 후방 개구부(521)의 상하방향 간격(s2)은 0.8 mm이고, 하부 코안다 플랩(22)의 코안다 면(22b)의 곡률 반경(R2)은 50 mm이며, 하부 블록(42)의 후단(42a)의 상하방향 두께(t2)는 1 mm이고, 노즐출구(11)의 상하방향 간격(S)은 10 mm인 경우, 70도 이상의 높은 추력편향각과 30 ms 정도의 매우 짧은 응답딜레이가 확보될 수 있다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 추력편향 제어 장치의 일 구현예에서, 코안다 플랩과 노즐출구 사이의 거리(s)에 따른 추력손실비의 변화를 나타낸 그래프이다.
앞서 설명한 바와 같이 본 추력편향 제어 장치의 일 구현예에 따르면, 코안다 플랩 측면에 측판이 설치되어 제트유동이 이 측판내부 공간을 따라 흐르도록 설정될 수 있다. 다만, 고속 제트유동이 측판 내부표면을 따라 흐르면서 나타나는 마찰효과는 제트유동의 추력손실을 가져올 가능성이 있어 본 추력편향 제어 장치의 실제 운용에 있어 나타나는 추력손실을 정량적으로 관찰하여 보았으며, 그 결과가 도 8에 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 그래프의 종축에 제시된 총합추력비(Cf.g.sys)는 제트가 발생시키는 이론 추력(본 추력편향 제어 장치가 설치되지 않은 자유제트 경우)과 본 추력편향 제어 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 8에 나타난 바와 같이, 측판이 설치된 경우에도 제트유동의 높은 편향이 나타나는 다양한 운용조건(제트압력 200kPa와 300kPa, 사이거리 변화)에서 총합추력비가 모두 1.0에 가까운 상태를 유지하고 있어, 본 추력편향 제어 장치에서 측판 설치로 인해 발생될 수 있는 제트유동의 추력손실은 매우 적다고 할 수 있다.
이상에서 설명한 본 추력편향 제어 장치는 비행체에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 추력편향 제어 장치는 고기동성을 요하는 최신예 군용 초음속 비행체에서부터 소형 전략 무인기까지 광범위한 적용성(운용범위)을 확보할 수 있어, 항공우주산업 전반에 미치는 영향과 효과가 매우 크고 광범위하다.
특히 본 추력편향 제어 장치는, 유로에 배치된 밸브의 단순 온오프(개폐)만으로도 70도 이상의 높은 편향효과를 발휘할 수 있으므로, 비행체의 초기동성 및 단거리 이착륙(STOL)같은 기술을 실현하기에 적합한 기술이라 할 수 있다. 아울러, 본 추력편향 제어 장치는 추가 보조동력 없이 간단한 온오프 밸브의 조작만으로 작동되므로, 큰 부피와 중량을 필요하지 않는다. 또한 본 추력편향 제어 장치는 플랩 구조물의 삭마효과 또한 적어 장시간 부속품 교환 없이 사용이 가능하다.
본 추력편향 제어 장치에 의하면, 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 3a에 도시된 본 추력편향 제어 장치를 전후 방향(9시 및 3시 방향)을 회전축으로 하여 90도만큼 회전시키면, 온오프 밸브의 개폐에 따라 요(yaw)의 제어가 이루어질 수 있다.
또한, 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, 본원은 노즐출구 후방의 상측 및 하측의 고정된 위치에 설치된 코안다 플랩과 노즐출구 사이에 형성되는 유로와 대기와의 연결을 제어하는 온오프 밸브의 단순 조작만으로 제트의 추력편향각이 70도 이상 즉각적으로 나타날 수 있도록 하는 추력편향 제어 장치에 관한 것이다.
종래의 기계적 추력편향 제어 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 온오프 밸브의 개폐만으로도 고성능의 추력편향 제어가 가능하므로, 2차 제트 분출이나 코안다 플랩 구동에 따른 추가 보조동력이 전혀 필요없고, 제트의 추력손실도 매우 작은 친환경/고효율의 혁신적인 추력편향 제어 장치라 할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원 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.
본원 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
11: 노즐출구
21: 상부 코안다 플랩
21a: 상부 코안다 플랩의 후단 21b: 상부 코안다 플랩의 코안다 면
22: 하부 코안다 플랩
22a: 하부 코안다 플랩의 후단 22b: 하부 코안다 플랩의 코안다 면
31: 좌측 측판 32: 우측 측판
41: 상부 블록 41a: 상부 블록의 후단
42: 하부 블록 42a: 하부 블록의 후단
51: 제1 유로
511: 제1 유로의 후방 개구부 512: 제1 유로의 대기 노출부
52: 제2 유로
521: 제2 유로의 후방 개구부 522: 제2 유로의 대기 노출부
61: 제1 온오프 밸브 62: 제2 온오프 밸브

Claims (13)

  1. 제트의 추력편향을 제어하는 장치에 있어서,
    상하 방향으로 간격을 두고 배치되는 상부 블록과 하부 블록;
    제트를 후방으로 토출하도록 상기 상부 블록의 후단과 상기 하부 블록의 후단 사이에 형성되는 노즐출구;
    상기 상부 블록과의 사이에 제1 유로가 형성되도록 상기 상부 블록에 대하여 상측으로 간격을 두고 배치되는 상부 코안다 플랩;
    상기 하부 블록과의 사이에 제2 유로가 형성되도록 상기 하부 블록에 대하여 하측으로 간격을 두고 배치되는 하부 코안다 플랩;
    상기 제1 유로를 개폐하는 제1 온오프 밸브; 및
    상기 제2 유로를 개폐하는 제2 온오프 밸브를 포함하되,
    상기 노즐출구의 상단과 상기 상부 코안다 플랩 사이의 거리는, 상기 상부 블록의 후단과 상기 제1 유로의 후방 개구부가 상기 노즐출구로부터 후방 토출된 제트를 상측으로 편향시키는 후향계단 효과(backstep effect)를 발휘하도록 설정되고,
    상기 노즐출구의 하단과 상기 하부 코안다 플랩 사이의 거리는, 상기 하부 블록의 후단과 상기 제2 유로의 후방 개구부가 상기 노즐출구로부터 후방 토출된 제트를 하측으로 편향시키는 후향계단 효과를 발휘하도록 설정되는 것인, 추력편향 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노즐출구를 통해 후방으로 토출되는 제트는 초음속 제트인 것인, 추력편향 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유로 및 상기 제2 유로 각각은, 일단이 상기 노즐출구의 후방 공간과 통하도록 개구되는 후방 개구부 및 타단이 상기 노즐출구의 후방 공간 이외의 대기 공간과 통하도록 개구되는 대기 노출부를 포함하는 것인, 추력편향 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    제트가 상기 노즐출구를 통해 후방 토출될 때,
    상기 제1 온오프 밸브에 의해 상기 제1 유로가 폐쇄되어 상기 노즐출구의 후방 공간에 대한 대기 노출이 차단되면, 상기 제1 유로의 후방 개구부와 상기 제1 온오프 밸브 사이에 부압이 형성되며,
    상기 제2 온오프 밸브에 의해 상기 제2 유로가 폐쇄되어 상기 노즐출구의 후방 공간에 대한 대기 노출이 차단되면, 상기 제2 유로의 후방 개구부와 상기 제2 온오프 밸브 사이에 부압이 형성되는 것인, 추력편향 제어 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상부 블록의 후단은, 후방을 향한 법선을 갖는 평면으로 구비되고, 상기 상부 블록의 하면과의 사이에 모서리가 형성되도록 꺾임 형성되며,
    상기 하부 블록의 후단은, 후방을 향한 법선을 갖는 평면으로 구비되고, 상기 하부 블록의 상면과의 사이에 모서리가 형성되도록 꺾임 형성되는 것인, 추력편향 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상부 코안다 플랩 및 상기 하부 코안다 플랩 각각은 상기 노즐출구에 대하여 고정적인 위치에 배치되는 것인, 추력편향 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상부 코안다 플랩의 코안다 면과 상기 하부 코안다 플랩의 코안다 면은, 상기 노즐출구의 후방으로 갈수록 서로 멀어지는 형태의 볼록한 곡면인 것인, 추력편향 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    제트출구 마하수 1.0 및 제트압력 200 kPa의 제트 유동 조건에서,
    상기 제1 유로의 후방 개구부의 상하방향 간격은 0.8 mm이고,
    상기 상부 코안다 플랩의 코안다 면의 곡률 반경은 50 mm이며,
    상기 상부 블록 후단의 상하방향 두께는 1 mm이고,
    상기 노즐출구의 상하방향 간격은 10 mm인 것인, 추력편향 제어 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 상부 코안다 플랩과 상기 하부 코안다 플랩 사이에 형성되는 노즐출구의 후방 공간을 사이에 두고, 상기 노즐출구 양측에 상호 대향하게 설치되는 좌측 측판과 우측 측판을 더 포함하는 추력편향 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 좌측 측판과 상기 우측 측판은, 상기 노즐출구를 통해 후방 토출된 제트가 좌우 방향으로 유동되는 간섭이 방지되도록 구비되는 것인, 추력편향 제어 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 좌측 측판은, 상기 노즐출구에서 상기 상부 코안다 플랩의 후단 및 상기 하부 코안다 플랩의 후단에 대응하는 부분까지 상기 노즐출구의 후방 공간의 좌측을 폐쇄하고,
    상기 우측 측판은, 상기 노즐출구에서 상기 상부 코안다 플랩의 후단 및 상기 하부 코안다 플랩의 후단에 대응하는 부분까지 상기 노즐출구의 후방 공간의 우측을 폐쇄하는 것인, 추력편향 제어 장치.
  13. 제1항에 따른 추력편향 제어 장치를 포함하는 비행체.
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