KR101849246B1 - 틸트프롭 항공기 - Google Patents

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KR101849246B1
KR101849246B1 KR1020160159422A KR20160159422A KR101849246B1 KR 101849246 B1 KR101849246 B1 KR 101849246B1 KR 1020160159422 A KR1020160159422 A KR 1020160159422A KR 20160159422 A KR20160159422 A KR 20160159422A KR 101849246 B1 KR101849246 B1 KR 101849246B1
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이명규
최성욱
김덕관
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한국항공우주연구원
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Abstract

본 발명에 따르면, 날개에 연결된 로터의 틸트각을 조절하여 수직이착륙 또는 전진비행 여부를 결정하는 틸트프롭 항공기(tilt-prop aircraft)에 있어서, 틸트프롭 항공기는, 로터에 포함되고 회전하여 양력 및 추력을 발생시키는 블레이드; 및 상기 로터와 상기 날개를 연결하고 상기 틸트프롭 항공기의 비행 평면에 대한 상기 로터의 틸트각을 조절하는 틸트 중심축;을 포함하고, 상기 로터의 틸트각 조절시, 상기 틸트 중심축과 기계적으로 연동된 동력전달수단을 통해 상기 블레이드의 피치각이 변화하는 틸트프롭 항공기가 제공된다.

Description

틸트프롭 항공기{Tilt-prop aircraft}
본 발명은 수직이착륙 모드 및 전진비행 모드 전환이 가능한 틸트프롭 항공기에 관한 것이다.
틸트프롭 항공기는 수직이착륙 모드 및 전진비행 모드 전환이 가능한 항공기이다. 일반적인 틸트프롭 항공기는, 날개 좌우 끝단에 각각 반대방향으로 회전하는 로터(rotor)를 가진다. 이 때 로터를 포함하는 나셀(nacelle)의 각도를 변화시켜 비행모드를 전환한다. 즉 로터의 회전축을 지면에 수직하게 하는 경우, 헬리콥터와 같은 회전익을 가지게 되어 수직이착륙이 가능하고, 로터의 회전축을 지면과 평행하게 하는 경우, 로터는 프로펠러(propeller)처럼 기능하여 고속 전진비행을 할 수 있게 된다. 이 때 비행 중 로터의 회전축을 변환시키는 것이 핵심 기술이 된다.
틸트프롭 항공기의 경우 전진비행시 로터가 전방을 향하고 비행속도가 증가함에 따라 로터의 유입되는 상대풍(relative wind)의 속도가 크게 증가하므로, 적절한 추력을 발행시키기 위해서는 블레이드의 피치각을 크게 증가시켜야 한다. 따라서 블레이드 피치각의 미세조정을 위한 별도의 제어작동기가 필요하게 된다.
한국 등록특허 제10-1125870호 (공고일자 2012.03.28.)
그런데 블레이드의 피치각 및 로터의 틸트각을 조절하기 위한 전기작동기는 각 로터마다 구비되므로, 종래의 틸트프롭 항공기의 경우 회로배선 시스템이 복잡해지고, 전기소모량이 많아질 뿐만 아니라 무게도 증가하는 단점이 있었다. 특히, 다수의 로터가 장착되는 멀티콥터(multicopter) 형태의 틸트프롭 항공기의 경우
각각의 로터마다 제어작동기를 구비하여야 하므로 무게가 더욱 증가하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로써, 기계적 동력전달수단을 통해, 로터의 틸트각 변화시 블레이드의 피치각을 자동적으로 조절할 수 있는 틸트프롭 항공기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면, 날개에 연결된 로터의 틸트각을 조절하여 수직이착륙 또는 전진비행 여부를 결정하는 틸트프롭 항공기(tilt-prop aircraft)에 있어서, 상기 로터에 포함되고, 회전하여 양력 및 추력을 발생시키는 블레이드; 및 상기 로터와 상기 날개를 연결하고, 상기 틸트프롭 항공기의 비행 평면에 대한 상기 로터의 틸트각을 조절하는 틸트 중심축;을 포함하고, 상기 로터의 틸트각 조절시, 상기 틸트 중심축과 기계적으로 연동된 동력전달수단을 통해 상기 블레이드의 피치각이 변화하는 틸트프롭 항공기가 제공된다.
상기 틸트프롭 항공기는 상기 로터의 회전축에 배치되고, 상기 동력전달수단과 연결되어 상기 로터의 틸트각 조절시 상기 블레이드의 피치각을 변화시키는 푸쉬로드(push rod)를 더 포함할 수 있다.
상기 동력전달수단은, 상기 틸트 중심축과 평행하고, 위치가 고정된 고정힌지축에 의해 한 쪽 끝단이 관통되어, 상기 고정힌지축을 중심으로 회전하는 회전링크; 및 상기 회전링크의 다른 쪽 끝단과 유동힌지축을 공유하고, 상기 유동힌지축의 움직임에 의해 상기 로터의 회전축 방향으로의 움직임이 변화하는 연결링크;를 포함할 수 있고, 상기 연결링크의 움직임에 변화함에 따라 상기 블레이드의 피치각을 변화시키는 푸쉬로드의 움직임이 변화할 수 있다.
상기 동력전달수단은, 상기 틸트 중심축과 동축이며 위치가 고정된 고정부;
상기 고정부의 한 쪽 가장자리에 배치된 웜기어; 상기 웜기어와 맞물려 회전하는 웜;
상기 웜의 회전에 의해 회전하는 제1기어; 상기 제1기어와 연결된 벨트에 의해 회전하는 제2기어; 상기 제1기어 및 상기 제2기어를 연결하는 벨트; 및 상기 제2기어의 회전에 의해 직선 운동하는 슬라이드 나사;를 포함할 수 있고, 상기 슬라이드 나사의 움직임에 변화함에 따라 상기 블레이드의 피치각을 변화시키는 푸쉬로드의 움직임이 변화할 수 있다.
상기 틸트프롭 항공기는 상기 로터를 3개 이상 구비할 수 있다.
상기 틸트프롭 항공기는 상기 로터를 원통형으로 둘러싸는 덕트를 더 포함할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명에 따르면, 로터의 틸트각 조절시, 틸트중심축과 기계적으로 연동된 동력전달수단에 의해 블레이드의 피치각 역시 자동적으로 변화한다. 즉 틸트프롭 항공기의 비행 모드를 결정하는 로터의 틸트각을 변화시켜, 이와 동시에 각각의 모드에 최적이 되도록 블레이드 피치각이 변화한다. 이와 같은 경우, 로터의 틸트각의 변화에 따라 즉각적으로 블레이드의 피치각이 변하게 되며, 전기적으로 작동되는 별도의 블레이드 피치각 제어작동기를 구비하지 않을 수 있다. 즉 틸트프롭 항공기에 필수적으로 요구되는 블레이드피치각 제어작동기를 기계적 동력전달수단으로 대체함에 따라, 전기소모량 및 비행체의 무게가 감소하여 시스템이 단순화되어 신뢰성이 향상된다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 틸트프롭 항공기를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 틸트프롭 항공기를 y축을 따라 바라본 좌측면도이다.
도 3은 링크 방식에 따른 로터 및 동력전달수단을 상세히 나타낸 사시도이고, 도 4는 수직이착륙 모드에서의 도 3의 측면도이고, 도 5는 수직이착륙 모드에서 전진비행 모드로 전환할 때의 측면도이며, 도 6은 전진비행 모드에서의 측면도이다.
도 7은 벨트 방식에 따른 로터 및 동력전달수단을 상세히 나타낸 사시도이고, 도 8은 수직이착륙 모드에서의 도 7의 측면도이고, 도 9는 수직이착륙 모드에서 전진비행 모드로 전환할 때의 측면도이며, 도 10은 전진비행 모드에서의 측면도이다.
도 11은 멀티콥터(multicopter) 형태의 틸트프롭 항공기를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 12는 틸트덕트(tilt-duct) 형태의 틸트프롭 항공기를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
삭제
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다"고 할 때, 이는 그 다른 구성요소와 직접적으로 연결되는 것뿐만 아니라, 또다른 구성요소에 의해 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 틸트프롭 항공기를 개략적으로 도시한 사시도이다.
본 발명에 따르면, 날개(20)에 연결된 로터(rotor, 30)의 틸트각(RT)을 조절하여 수직이착륙 또는 전진비행 여부를 결정하는 틸트프롭 항공기(tilt-prop aircraft)에 있어서, 로터(30)에 포함되고, 회전하여 양력 및 추력을 발생시키는 블레이드(30B) 및 로터(30)와 날개(20)를 연결하고, 틸트프롭 항공기의 비행 평면에 대한 로터의 틸트각(RT)을 조절하는 틸트중심축(70)을 포함하고, 로터의 틸트각(RT) 조절시, 틸트중심축(70)과 기계적으로 연동된 동력전달수단(T)을 통해 블레이드의 피치각(BP)이 변화하는 틸트프롭 항공기가 제공된다.
틸트프롭 항공기는 몸체(10) 및 날개(20)를 포함한다. 날개(20)는 항공기에 양력 및 추력을 발생시킬 뿐만 아니라, 로터(30)가 포함되는 나셀(nacelle, N)을 몸체(10)와 연결하는 역할을 수행한다. 로터(30)에 포함되는 블레이드(30B) 역시, 회전을 통해 틸트프롭 항공기에 양력 및 추력을 발생시킨다.
도 1은 틸트프롭 항공기의 2가지 비행 방식을 나타낸다. 도 1의 (a)에서는 로터(30)의 회전축이 지면 또는 몸체(10)가 길게 늘어진 방향에 수직 방향으로 향해 있다. 이 때 지면과 로터(30)의 회전축이 이루는 각도를 로터의 틸트각(RT)이라고 정의한다. 즉 도 1의 (a)에서의 로터의 틸트각(RT)은 90°이다. 이 때는, 로터(30)의 회전면이 지면과 평행하므로, 틸트프롭 항공기는 헬리콥터처럼 수직이착륙(VTOL; Vertical Take-off and Landing)을 할 수 있는 상태가 된다.
한편 몸체(10)의 좌우측에 각각 위치한 로터(30)는 반대방향으로 회전하여 서로의 각운동량을 상쇄시킬 수 있다. 따라서 틸트프롭 항공기는 별도의 테일로터(tail rotor)가 필요하지 않다.
이와 달리, 도 1의 (b)에서는 로터(30)의 회전축이 지면 또는 몸체(10)가 길게 늘어진 방향에 평행한 방향으로 향해 있다. 즉 이 때 로터의 틸트각(RT)은 0°이다. 이 때는, 로터(30)는 프로펠러(propeller)로서 기능하므로 도 1의 (a)보다 큰 추력을 발생시킬 수 있어, 빠른 전진비행이 가능한 상태가 된다. 즉 틸트프롭 항공기는 비행 평면에 대한 로터의 틸트각(RT)을 조절하여, 수직이착륙 또는 전진비행 여부를 결정할 수 있다.
도 2는 도 1의 틸트프롭 항공기를 y축을 따라 바라본 좌측면도이다.
도 2의 (a)는 도 1의 (a), 즉 수직이착륙 모드에서의 틸트프롭 항공기의 상태를 나타낸다. 설명의 편의상 블레이드(30B)는 에어포일(airfoil)의 형태로 도시하였다. 이 때, 블레이드(30B)의 시위선(chord, C)을 연장한 직선이 로터(30)의 회전면에 대해 기울어진 정도를 블레이드 피치각(BP)이라 하는데, 틸트프롭 항공기의 호버링(hovering) 상태일 때의 블레이드 피치각(BP)을 0°로 정의한다. 즉 실제 수직이착륙시 및 호버링(hovering)시에는 시위선(C)이 지면과 일정 각도(받음각, angle of attack)를 가져, 실제의 블레이드 피치각(BP)은 0이 아니나, 설명의 편의를 위해 도 2의 (a)에서는 시위선(C)이 로터(30)의 회전면과 평행한 것으로 도시하였다. 즉 블레이드 피치각(BP)은 블레이드(30B)의 특정 기준 상태에 대한 상대적인 값으로 이해되어야 한다.
도 2의 (b)는 도 1의 (b), 즉 틸트프롭 항공기가 전진비행 모드로 전환한 상태를 나타낸다. 전진비행시에는 로터(30)가 전방을 향하고, 비행속도가 증가함에 따라 상대풍(relative wind)의 유입속도가 크게 증가하므로, 적절한 추력을 발행시키기 위해서는 수직이착륙 모드에서와는 달리 블레이드의 피치각(BP)을 증가시켜야 한다. 즉 (a) 상태에서 (b) 상태로 전환할 때, 로터의 틸트각(RT)은 틸트중심축(70)의 회전에 의해 90°에서 0°로 바뀌게 되는데, 이와 동시에 블레이드의 피치각(BP)도 변화하여야 한다. 도 2의 (b)에서는 예시적으로 블레이드의 피치각(BP)이 35°만큼 변화한 것으로 도시하였다.
이 때 본 발명에 따르면, 로터의 틸트각(RT) 조절시, 틸트중심축(70)과 기계적으로 연동된 동력전달수단(T)에 의해 블레이드의 피치각(BP) 역시 변화한다. 즉 틸트프롭 항공기의 비행 모드를 결정하는 로터의 틸트각(RT)을 변화시켜, 이와 동시에 각각의 모드에 최적이 되도록 블레이드 피치각(BP)이 변화한다. 이와 같은 경우, 로터의 틸트각(RT)의 변화에 따라 즉각적으로 블레이드의 피치각(BP)이 변하게 되며, 전기적으로 작동되는 별도의 블레이드피치각 제어 작동기를 구비하지 않을 수 있다. 즉 틸트프롭 항공기에 필수적으로 요구되는 블레이드피치각 제어작동기를 기계적 동력전달수단(T)으로 대체함에 따라, 전기소모량 및 비행체의 무게가 감소하여 시스템이 단순화되어 신뢰성이 향상된다.
일 실시예에 따르면, 틸트프롭 항공기는 로터(30)의 회전 중심축에 배치되고, 동력전달수단(T)과 연결되어 로터의 틸트각(RT) 조절시 블레이드의 피치각(BP)을 변화시키는 푸쉬로드(push rod, 50)를 더 포함한다.
푸쉬로드(50)는 로터(30)의 회전 중심축에 배치될 수 있다. 로터의 틸트각(RT)을 조절하는 틸트중심축(70)의 움직임에 따라, 이와 기계적으로 연동된 동력전달수단(T)에 의해 푸쉬로드(50)가 회전 중심축을 따라 상하로 움직인다. 블레이드(30B)는 이러한 푸쉬로드(50)와 연결되어, 푸쉬로드(50)의 움직임에 따라 블레이드 피치각(BP)이 변화한다. 푸쉬로드(50)의 상하 움직임을 통해 블레이드의 피치각(BP) 변화를 일으키는 방법은 다양한 형태의 공지된 방법을 사용할 수 있다.
이하, 로터(30)의 틸팅(tilting)을 통해 블레이드의 피치각(BP) 변화를 일으키는 동력전달수단(T)의 실시예를 설명한다. 이는 예시적인 것으로 권리범위를 한정하는 것은 아니다.
도 3은 링크 방식에 따른 로터(30) 및 동력전달수단(T)을 상세히 나타낸 사시도이고, 도 4는 수직이착륙 모드에서의 도 3의 측면도이고, 도 5는 수직이착륙 모드에서 전진비행 모드로 전환할 때의 측면도이며, 도 6은 전진비행 모드에서의 측면도이다.
일 실시예에 따르면, 동력전달수단(T)은, 틸트 중심축(70, 70TA)과 평행하고, 위치가 고정된 고정힌지축(110HA)에 의해 한 쪽 끝단이 관통되어, 고정힌지축(110HA)을 중심으로 회전하는 회전링크(111) 및 회전링크(111)의 다른 쪽 끝단과 유동힌지축(120HA)을 공유하고, 유동힌지축(120HA)의 움직임에 의해 로터(30)의 회전축 방향으로의 움직임이 변화하는 연결링크(130)를 포함하고, 연결링크(130)의 움직임에 변화함에 따라 블레이드의 피치각(BP)을 변화시키는 푸쉬로드(50)의 움직임이 변화한다.
도 3을 참조하면, 틸트중심축(70)과 평행한 고정힌지축(110HA)이 회전링크(111)의 한 쪽 끝단을 관통한다. 이에 따라 회전링크(111)는 고정힌지축(110HA)을 중심으로 회전할 수 있게 된다. 한편 편의상 도면 상에는 도시되어 있지 않으나 고정힌지축(110HA)에는 실제로 몸체(10) 또는 날개(20)와 연결된 물리적인(physical) 구성요소가 배치된다.
회전링크(111)의 다른 쪽 끝단과 유동힌지축(120HA)을 공유하도록 연결링크(130)가 배치된다. 즉 회전링크(111)의 다른 쪽 끝단과 연결링크(130)의 한 쪽 끝단은 예컨대 링크연결부(120)에 의해 서로 힌지 결합되어 함께 움직일 수 있다. 즉 회전링크(111)와 연결링크(130)는 링크연결부(120)를 중심으로 서로 상대적으로 움직일 수 있다.
유동힌지축(120HA)의 위치가 고정힌지축(110HA)을 중심으로 변화하면, 이에 따라 연결링크(130)의 로터(30) 회전축 방향으로의 움직임이 변화한다. 이에 대하여는 후술한다.
한편, 블레이드의 피치각(BP)을 조절하는 푸쉬로드(50)는, 로터(30)의 회전축에 위치한다. 푸쉬로드(50)는 트랜스미션(40) 및 트랜스미션(40)을 감싸는 하우징(60)을 관통한다. 푸쉬로드(50)의 아래쪽에는, 푸쉬로드(50)와 연결된 연결링크(130)가 배치된다. 연결링크(130)는 로터(30)의 틸트(tilt)를 직선 운동으로 변화시켜, 푸쉬로드(50)가 로터(30)의 회전축을 따라 상하 운동할 수 있도록 한다.
구체적으로는, 하우징(60)의 하단 좌우측에는 슬라이딩홈(61H)을 가지는 하우징하부(61)가 배치되고, 슬라이딩홈(61H)의 사이에는 연결링크(130)와 연결된 슬라이더(131)가 배치된다. 슬라이더(131)는 슬라이딩홈(61H) 사이에서 직선 왕복 운동하며 푸쉬로드(50) 및 연결링크(130)의 상하 운동을 조절한다.
도 4를 참조하면, 회전링크(111)는 고정힌지축(110HA)을 중심으로 회전할 수 있고, 이 때 유동힌지축(120HA) 및 유동힌지축(120HA)과 연결된 회전링크(111)의 하부는 원을 그리게 된다. 고정힌지축(110HA)은 로터(30)의 중심축에서 약간 벗어난 지점에 위치하고, 틸트 중심축(70TA)은 로터(30)의 중심에 위치한다. 이에 따라 로터의 틸트각(RT)이 90°인 상태에서는, 회전링크(111)가 사선으로 기울어진 상태를 유지하게 된다.
도 5를 참조하면, 고정힌지축(110HA)을 중심으로 회전링크(111)가 회전하여, 로터 틸트각(RT)이 45°가 되었다. 이 때 고정힌지축(110HA)과 틸트중심축(70TA)의 위치 및 회전링크(111)의 길이가 고정된 상태에서 회전링크(111)가 틸트중심축(70TA)에서 멀어지는 방향으로 회전하였으므로, 틸트중심축(70TA)과 유동힌지축(120HA) 사이의 거리(d2)는 도 4에서의 거리(d1)보다 더 커지게 된다. 즉 슬라이딩홈(61H)에서 움직이는 슬라이더(131) 및 연결링크(130)의 위치가 원래의 위치를 기준으로 더 아래쪽(도 5에서는 오른쪽 아래 방향)으로 내려오게 되고, 이에 따라 연결링크(130)와 연결된 푸쉬로드(50)도 아래쪽으로 움직이게 된다. 푸쉬로드(50)는 허브(30H)와 연결되고, 허브(30H)에 의해 블레이드 피치각(BP)이 조절된다. 도 5에서는 예시적으로 블레이드 피치각(BP)이 17.5°가 된 상태를 도시하였다.
도 6을 참조하면, 고정힌지축(110HA)을 중심으로 회전링크(111)가 더 회전하여, 로터 틸트각(RT)이 0°가 되었다. 이 때 고정힌지축(110HA)과 틸트중심축(70TA)의 위치 및 회전링크(111)의 길이가 고정된 상태에서 회전링크(111)가 틸트중심축(70TA)에서 멀어지는 방향으로 회전하였으므로, 틸트중심축(70TA)과 유동힌지축(120HA) 사이의 거리(d3)는 도 5에서의 거리(d2)보다 더 커지게 된다. 즉 슬라이딩홈에서 움직이는 슬라이더 및 연결링크(130)의 위치가 원래의 위치를 기준으로 더 아래쪽으로(도 6에서는 오른쪽 방향) 내려오게 되고, 이에 따라 연결링크(130)와 연결된 푸쉬로드(50)도 아래쪽으로 움직이게 된다. 푸쉬로드(50)는 허브(30H)와 연결되고, 허브(30H)에 의해 블레이드 피치각(BP)이 조절된다. 도 6에서는 예시적으로 블레이드 피치각(BP)이 35°가 된 상태를 도시하였다.
즉 고정힌지축(110HA), 틸트중심축(70TA), 유동힌지축(120HA), 회전링크(111), 연결링크(130)를 포함하는 동력전달수단(T)과 연결된 푸쉬로드(50)는, 로터의 틸트각(RT) 조절시 직선 운동하게 된다. 이에 따라 푸쉬로드(50)와 연결된 블레이드(30B)가 예컨대 허브(30H)에 의해 조절되어, 블레이드의 피치각(BP)이 변화한다.
이하, 로터(30)의 틸팅(tilting)을 통해 블레이드의 피치각(BP) 변화를 일으키는 동력전달수단(T)의 다른 실시예를 설명한다. 이는 예시적인 것으로 권리범위를 한정하는 것은 아니다.
도 7은 벨트 방식에 따른 로터(30) 및 동력전달수단(T)을 상세히 나타낸 사시도이고, 도 8은 수직이착륙 모드에서의 도 7의 측면도이고, 도 9는 수직이착륙 모드에서 전진비행 모드로 전환할 때의 측면도이며, 도 10은 전진비행 모드에서의 측면도이다.
일 실시예에 따르면, 동력전달수단(T)은, 틸트중심축(70)과 동축이며 위치가 고정된 고정부(140), 고정부(140)의 한 쪽 가장자리에 배치된 웜기어(141), 웜기어(141)와 맞물려 회전하는 웜(142), 웜(142)의 회전에 의해 회전하는 제1기어(151), 제1기어(151)와 연결된 벨트(153)에 의해 회전하는 제2기어(152), 제1기어(151) 및 제2기어(152)를 연결하는 벨트(153) 및 제2기어(152)의 회전에 의해 직선 운동하는 슬라이드 나사(155)를 포함하고, 슬라이드 나사(155)의 움직임이 변화함에 따라 블레이드의 피치각(BP)을 변화시키는 푸쉬로드(50)의 움직임이 변화한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 로터(30)는 틸트중심축(70, 70TA)에 연결된다. 틸트중심축(70)의 회전에 따라, 로터의 틸트각(RT)이 조절된다. 이 때 블레이드의 피치각(BP)을 조절하는 푸쉬로드(50)는, 로터(30)의 회전축에 위치한다. 푸쉬로드(50)는 트랜스미션(40) 및 트랜스미션(40)을 감싸는 하우징(60)을 관통한다. 푸쉬로드(50)의 아래쪽에는, 푸쉬로드(50)와 베어링블록(160)에 의해 연결된 슬라이드 나사(155)가 배치된다. 슬라이드 나사(155)는 로터(30)의 틸트(tilt)에 발생한 회전 운동을 직선 운동으로 변화시켜, 푸쉬로드(50)가 로터(30)의 회전축을 따라 상하 운동할 수 있도록 한다. 이하 이의 자세한 구동원리를 설명한다.
틸트중심축(70)의 바깥쪽에는, 틸트중심축(70)과 동축인 고정부(140)가 배치된다. 고정부(140)는 몸체(10) 또는 날개(20) 상에 고정된다. 즉 틸트중심축(70)이 회전하더라도, 고정부(140)는 날개(20)에 대하여 고정된 위치를 가진다. 반대로 생각하면, 고정부(140)는 틸트중심축(70)에 대하여 상대적으로 회전한다.
고정부(140)의 한 쪽 가장자리에는 웜기어(141)가 배치된다. 이 때 틸트중심축(70)의 회전에 의한 고정부(140) 및 웜기어(141)의 상대적인 회전에 의해, 웜기어(141)와 맞물려 연결된 웜(142)이 회전하게 된다. 이 때 웜(142)을 관통하는 웜축(143)과 틸트중심축(70)은 90°를 이룬다. 즉 웜기어(141)에 의해 회전축이 90° 변하게 된다. 웜축(143)은 하우징하부(61)와 연결된 웜축고정부(144)를 통과하여, 제1기어(151)와 연결된다. 이 때 웜(142) 및 웜축(143)의 회전에 의해 제1기어(151)가 회전하고, 제1기어(151)와 연결된 벨트(153)에 의해 제2기어(152)도 회전한다. 제2기어(152)와 연결된 슬라이드 나사(155)는, 회전 운동을 직선 운동으로 바꾼다. 이에 따라 슬라이드 나사(155)가 조여지거나 풀어져, 푸쉬로드(50)가 로터(30)의 회전축을 따라 상하로 움직이게 된다. 이 때 제1기어(151) 및 제2기어(152)의 기어비를 통해 로터 틸트각(RT) 조절에 따른 블레이드 피치각(BP) 조절 비율을 제어할 수 있다.
한편, 블레이드의 피치각(BP)을 조절하는 푸쉬로드(50)는, 로터(30)의 회전축에 위치한다. 푸쉬로드(50)에 아래쪽에는, 푸쉬로드(50)와 같은 축을 가지는 슬라이드 나사(155)가 배치된다. 푸쉬로드(50)와 슬라이드 나사(155)는 베어링블록(160)에 의해 연결되어 있어, 서로 독립적으로 회전할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1기어(151)의 하부에는 웜기어 작동서보모터(154)가 배치될 수 있다. 웜기어 작동서보모터(154)는, 고정부(140)의 상대적인 회전과는 별도로 웜(142)을 회전시켜 웜(142) 및 웜기어(141)를 작동시킨다. 이를 통해 제1기어(151) 및 제2기어(152)에 연결된 벨트(153)를 통해 슬라이드 나사(155)를 회전시켜 푸쉬로드(50)를 움직여 블레이드 피치각(BP)을 조절할 수 있다.
도 9를 참조하면, 틸트중심축(70)의 회전에 따라 로터 틸트각(RT)이 45°가 되었다. 이 때 벨트(153) 및 제2기어(152)의 회전에 의해, 슬라이드 나사(155)가 회전하여 수직이동하였으므로, 틸트중심축과 슬라이드 나사(155) 사이의 거리(d2)가 도 8에서의 거리(d1)와 달라지게 된다. 만약 슬라이드 나사(155)를 풀도록 하는 경우, d2는 d1보다 크다. 이에 따라 슬라이드 나사(155)와 연결된 푸쉬로드(50)는 아래쪽(도 9에서는 왼쪽 아래 방향)으로 움직인다. 이어, 푸쉬로드(50)와 연결된 허브(30H)에 의해, 블레이드 피치각(BP)이 변화한다. 도 9에서는 예시적으로 블레이드 피치각(BP)이 17.5°가 된 상태를 도시하였다.
도 10을 참조하면, 틸트중심축(70)의 회전에 따라 로터 틸트각(RT)이 0°가 되었다. 이때 벨트(153) 및 제2기어(152)의 회전에 의해, 슬라이드 나사(155)가 회전하여 수직이동하였으므로, 틸트중심축과 슬라이딩 나사 사이의 거리(d3)가 도 9에서의 거리(d2)와 달라지게 된다. 만약 슬라이드 나사(155)를 풀도록 하는 경우, d3는 d2보다 크다. 이에 따라 슬라이드 나사(155)와 연결된 푸쉬로드(50)는 아래쪽(도 10에서는 왼쪽 방향)으로 움직인다. 이어, 푸쉬로드(50)와 연결된 허브(30H)에 의해, 블레이드 피치각(BP)이 변화한다. 도 10에서는 예시적으로 블레이드 피치각(BP)이 35°가 된 상태를 도시하였다.
즉 고정부(140), 웜기어(141), 웜(142), 웜축(143), 제1기어(151), 제2기어(152), 벨트(153), 슬라이드 나사(155)를 포함하는 동력전달수단(T)과 연결된 푸쉬로드(50)는, 로터의 틸트각(RT) 조절시 직선 운동하게 된다. 이에 따라 푸쉬로드(50)와 연결된 블레이드(30B)가 예컨대 허브(30H)에 의해 조절되어, 블레이드의 피치각(BP)이 변화한다.
도 11은 멀티콥터(multicopter) 형태의 틸트프롭 항공기를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
일 실시예에 따르면, 틸트프롭 항공기는 3개 이상의 로터(30)를 가질 수 있다. 도 11을 참조하면, 틸트프롭 항공기는 예시적으로 로터(30)가 4개인 쿼드콥터(quadcopter) 형태를 가질 수 있다.
쿼드콥터 형태의 틸트프롭 항공기는, 각 로터의 사이클릭 피치(cyclic pitch)를 조절하기 위한 별도의 장치를 가지지 않고도 비행체의 수직이착륙(VTOL), 피칭(pitching), 롤링(rolling), 요잉(yawing)을 조절할 수 있는 장점이 있다.
우선, 수직이착륙 모드에서는 로터 4개(30FL, 30FR, 30BL, 30BR) 전체의 회전수(RPM)를 크게 하거나 작게 하여 이륙 및 착륙을 조절할 수 있다.
틸트프롭 항공기의 피칭을 조절하기 위해서는, 전방 또는 후방 로터의 회전수를 다르게 하면 된다. 예컨대 후방 로터(30BL, 30BR)의 회전수를 크게 하는 경우 전진 비행이 가능하고, 전방 로터(30FL, 30FR)의 회전수를 크게 하는 경우 후진 비행이 가능하다.
틸트프롭 항공기의 롤링을 조절하기 위해서는, 왼쪽 또는 오른쪽 로터의 회전수를 다르게 하면 된다. 예컨대 왼쪽 로터(30FL, 30BL)의 회전수를 크게 하는 경우 틸트프롭 항공기는 우측으로 롤링하고, 오른쪽 로터(30FR, 30BR)의 회전수를 크게 틸트프롭 항공기는 좌측으로 롤링한다.
틸트프롭 항공기의 요잉을 조절하기 위해서는, 대각선 방향에 있는 로터의 회전수를 다르게 하면 된다. 예컨대 왼쪽 전방 로터(30FL)와 오른쪽 후방 로터(30BR)의 회전수를 크게 하는 경우 틸트프롭 항공기는 오른쪽으로 회전하고, 오른쪽 전방 로터(30FR)와 왼쪽 후방 로터(30BL)의 회전수를 크게 하는 경우 틸트프롭 항공기는 왼쪽으로 회전한다.
도 11에서 예시한 각 로터의 회전 방향 및 위에서 서술한 피칭, 롤링, 요잉 제어 방식은 예시적인 것에 불과하므로 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
한편, 3개 이상의 로터(30)를 가지는 멀티콥터(multicopter)는 여러 개의 날개(20)를 가짐으로써 안정성이 향상된다. 그런데 종래 기술에 따르면 멀티콥터 형식의 멀티-틸트프롭 항공기인 경우, 각각의 로터(30)마다 전기적으로 작동되는 별도의 로터틸트각 제어작동기 및 블레이드피치각 제어작동기를 구비하여야 한다.
본 발명에 따르면, 틸트프롭 항공기에 필수적으로 요구되는 블레이드피치각 제어작동기를 기계적 동력전달수단(T)으로 대체함에 따라, 전기소모량 및 비행체의 무게가 감소하여 시스템이 단순화되어 신뢰성이 향상된다. 특히 각각의 로터(30)마다 블레이드피치각 제어작동기를 제거할 수 있으므로, 멀티-틸트프롭 항공기는 전기소모 감소량 및 비행체의 무게 감소량 등의 효과가 더욱 증대된다.
도 12는 틸트덕트(tilt-duct) 형태의 틸트프롭 항공기를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
일 실시예에 따르면, 틸트프롭 항공기는 로터(30)를 원통형으로 둘러싸는 덕트(D)를 포함할 수 있다. 도 12를 참조하면, 로터(30) 주위로 로터(30)를 원통형으로 둘러싸는 덕트(D)가 배치된다. 로터(30) 및 블레이드(30B)는 덕트(D) 안에서 회전하게 된다. 덕트(D)는 로터(30)와 같이 틸트(tilt)된다. 덕트(D)에 의해, 틸트프롭 항공기의 공력 특성, 즉 추력 및 항력 효율이 향상된다. 한편, 틸트덕트(tilt-duct) 형태의 틸트프롭 항공기는 몸체(10) 후방에 팬(fan, F)을 구비할 수 있다. 팬(F)은 틸트프롭 항공기의 안정성 및 조종성을 향상시킨다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 몸체 20: 날개
30: 로터 30B: 블레이드
30H: 허브 40: 트랜스미션
50: 푸쉬로드 60: 하우징
61: 하우징하부 61H: 슬라이딩홈
70, 70TA: 틸트중심축 110HA: 고정힌지축
111: 회전링크 120: 링크연결부
120HA: 유동힌지축 130: 연결링크
131: 슬라이더 140: 고정부
141: 웜기어 142: 웜
143: 웜축 144: 웜축고정부
151: 제1기어 152: 제2기어
153: 벨트 154: 웜기어 작동서보모터
155: 슬라이드 나사 160: 베어링블록

Claims (6)

  1. 날개에 연결된 로터의 틸트각을 조절하여 수직이착륙 또는 전진비행 여부를 결정하는 틸트프롭 항공기(tilt-prop aircraft)에 있어서,
    상기 로터에 포함되고, 회전하여 양력 및 추력을 발생시키는 블레이드;
    상기 로터와 상기 날개를 연결하고, 상기 틸트프롭 항공기의 비행 평면에 대한 상기 로터의 틸트각을 조절하는 틸트 중심축;
    상기 틸트 중심축과 기계적으로 연동된 동력전달수단; 및
    상기 로터의 회전축에 배치되는 푸쉬로드(push rod);를 포함하고,
    상기 동력전달수단은,
    상기 틸트 중심축과 평행하고, 위치가 고정된 고정힌지축에 의해 한쪽 끝단이 관통되어, 상기 고정힌지축을 중심으로 회전하는 회전링크; 및
    상기 회전링크의 다른 쪽 끝단과 유동힌지축을 공유하고, 상기 유동힌지축의 움직임에 의해 상기 로터의 회전축 방향으로의 움직임이 변화하는 연결링크;를 포함하며,
    상기 연결링크의 움직임이 변화함에 따라 상기 블레이드의 피치각을 변화시키는 상기 푸쉬로드의 움직임이 변화하여, 상기 로터의 틸트각 조절시 상기 동력전달수단을 통해 상기 블레이드의 피치각이 변화하는, 틸트프롭 항공기.
  2. 날개에 연결된 로터의 틸트각을 조절하여 수직이착륙 또는 전진비행 여부를 결정하는 틸트프롭 항공기(tilt-prop aircraft)에 있어서,
    상기 로터에 포함되고, 회전하여 양력 및 추력을 발생시키는 블레이드;
    상기 로터와 상기 날개를 연결하고, 상기 틸트프롭 항공기의 비행 평면에 대한 상기 로터의 틸트각을 조절하는 틸트 중심축;
    상기 틸트 중심축과 기계적으로 연동된 동력전달수단; 및
    상기 로터의 회전축에 배치되는 푸쉬로드(push rod);를 포함하고,
    상기 동력전달수단은,
    상기 틸트 중심축과 동축이며 위치가 고정된 고정부;
    상기 고정부의 한쪽 가장자리에 배치된 웜기어;
    상기 웜기어와 맞물려 회전하는 웜;
    상기 웜의 회전에 의해 회전하는 제1기어;
    상기 제1기어와 연결된 벨트에 의해 회전하는 제2기어; 및
    상기 제2기어의 회전에 의해 직선 운동하는 슬라이드 나사;를 포함하며,
    상기 슬라이드 나사의 움직임이 변화함에 따라 상기 블레이드의 피치각을 변화시키는 상기 푸쉬로드의 움직임이 변화하여, 상기 로터의 틸트각 조절시 상기 동력전달수단을 통해 상기 블레이드의 피치각이 변화하는, 틸트프롭 항공기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 로터를 3개 이상 구비하는, 틸트프롭 항공기.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 로터를 원통형으로 둘러싸는 덕트를 더 포함하는, 틸트프롭 항공기.
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