KR101853340B1 - 회전익 항공기의 발전, 제어장치 및 방법 - Google Patents

회전익 항공기의 발전, 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

발전장치 및 방법은 포복비행 이상의 고도에서 비행하는 최소 1대 이상의 회전익 항공기로 이루어진다. 강력하고 유연한 테더가 회전익 항공기의 프레임에 연결되어 있어 회전익이 발생시키는 힘으로 견인된다. 힘은 지상국으로 전달되며 지상국에서는 위쪽으로 잡아당겨지는 테더의 비교적 선형을 띄는 운동을 양력으로 전환한다. 선형운동은 지상국에서 회전운동으로 전환되어 발전기를 회전시킨다. 회전익 항공기를 회수할 수 있을 만큼의 속도로 하강비행시키면서 테더를 잡아당겨 드럼 둘레에 되감는다. 양력을 낮추므로 테더가 인출되는 동안 양력에 비교하여 회수력의 양은 매우 작다. 그러므로 힘의 순수 차이가 순수 에너지 획득량이다.

Description

회전익 항공기의 발전, 제어장치 및 방법{ROTORCRAFT POWER-GENERATION, CONTROL APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 무동력 항공기의 제어에 관한 것이다.
본 발명은 특히 동력을 생성하는 기계장치로서의 테더로 연결된 회전익 항공기의 제어에 관한 것이다.
오토자이로(autogyro)는 동력 또는 무동력 회전날개항공기의 한 형태로서 일반적으로 1개 이상의 자동회전 에어포일(airfoil)이나 블레이드(blade)가 장착되어 있다. 자이로다인(gyrodyne)은 로터(rotor)를 구동시켜 이륙준비를 한 후 추진프로펠러의 추진작용에 의해 프리휠 로터(freewheel rotor, 회전익)로 비행하게 된다. 헬리콥터는 탑재된 엔진으로 회전익을 구동시킨다. 1925년 이후로 다양한 형태가 개발되었다. 1930년대에는 회전익 항공기 형태의 오토자이로 항공기를 상업용으로 채용하여 우편을 운반하는 데에 사용하였다.
오토자이로는 무동력으로 자유로이 회전되는 회전블레이드로부터 양력을 얻는다. 오토자이로의 블레이드는 날개이다. 날개는 아래쪽으로부터 블레이드나 날개를 통과하는 바람에 대한 반력으로 회전하거나 “풍차처럼 돌게 된다”. 바람은 블레이드의 아래쪽을 통과하게 되므로 블레이드의 각은 바람에 대해 반응하면서 바뀌게 되고 블레이드로 들어오는 바람으로부터 운동량이 이전되고 블레이드를 돌려서 바람의 방향을 전환시킨다. 바람의 방향이 전환되면 바람의 방향과 속도의 변화에 해당하는 운동량이 블레이드나 날개의 움직임을 이끌어내는 운동량의 형태로 이전된다.
오토자이로의 핵심원칙은 회전익이나 회전블레이드의 풍차작용(windmilling)에서 베르누이의 원칙을 충족하기에 충분한 속도이 만들어진다는 것이다. 블레이드가 풍차와 다른 것이 있다면 밑면은 비교적 편평하고 윗면은 둥그스름한 에어포일의 형태를 가진다는 것이다. 따라서 블레이드가 공기를 통과할 때 아래쪽으로부터 블레이드를 통과하는 바람에 의해 에어포일의 윗면을 따라 음압이 형성되며 이 힘이 블레이드를 띄우는 양력이다.
고정익기에서는 프로펠러가 공기를 끌어당기고 통과된 공기가 고정익 위를 지나게 된다. 공기가 날개 윗면을 흐르므로 날개 윗면의 압력이 강하하여 양력이 생기고 날개의 가장 두꺼운 부분 위를 지나는 공기는 가속화된다. 또한 회전익에서도 회전익의 윗부분을 흐르는 공기나 바람의 상대운동에 의해 양력이 발생한다.
에어포일을 따라 공기가 움직일 때 운동량 보존의 원칙에 의해 음압이 생성된다. 이 때 전압수두(total pressure head)는 상당히 일정하게 유지된다. 속도가 변화하면 유체의 단면적이 줄어들어 속도이 증가하여야 하고 수두를 일정하게 유지하기 위해 정압이 강하하여야 한다.
에어포일 윗면의 곡률은 공기가 통과할 수 있는 단면적을 제한하므로 공기의 속도이 증가되어야 하고 에너지 보존의 요건을 충족하기 위해 압력은 강하되어야 한다.
오토자이로 항공기는 동체의 후방에 장착된 추진프로펠러가 항공기를 전방으로 추진시키는 힘에 의해 구동된다. 로터 디스크(rotor disk)는 회전익에 의해 기울어질 수 있는 이론적인 디스크로서, 인입공기가 로터 디스크를 통과하여 위로 올라갈 수 있는 각도가 되도록 다방면으로 움직여 경사가 조절된다(블레이드 피치). 로터 디스크의 전방 말단은 위쪽을 향하도록 기울어지고 가장 후방의 말단은 비교적 아래쪽으로 향하도록 기울어진다. 반면, 블레이드 자체의 실제각은 항력(drag force)을 최소화시키고 양력(lifting force)은 최대화시키는 각도로 설정된다. 대개 “블레이드 피치(blade pitch)”는 공기를 타고 “날 수 있는” 위치로 제어되거나 설정된다.
오토자이로 항공기에 관한 가장 중대한 발견은 공기 중에서 회전되고 있는 블레이드나 날개의 상대대기속도(relative air speed)가 계통 전체(동체, 회전축 등)의 상대대기속도와 관계가 없을 수도 있다는 점일 것이다. 그러므로 실속속도(stall speed)는 상대대지속도(relative ground speed)와 상당히 다를 수 있다.
헬리콥터는 사실상 제자리 비행(hover)이 가능하다. 반면, 오토자이로는 대지에 대해 자연스럽게 발생하고 있는 실제 정풍속도(actual head wind speed)가 모터 또는 다른 기계장치가 만들어내는 전방 추진력이 일치하는 제한된 환경에서만 제자리 비행이 가능하다. 오토자이로는 이러한 특수한 환경이나 하강할 시에만 제자리 비행을 하거나 지면과의 상대적인 위치를 유지할 수 있다. 그러나, 헬리콥터는 공기가 정지되어 있을 때를 포함하여 어떠한 상대바람 환경에서도 제자리 비행이 가능하다.
수년 간, 풍력에너지는 항공기와는 상당히 다른 경로를 밟으며 발전되어 왔다. 바람으로부터 운동량이 전달되면 바람의 방향이 바뀌고 운동량은 풍력발전터빈의 운동으로 수확된다.
적절한 기계적 연결이 있으면 풍력발전터빈은 선형 또는 회전운동의 형태로 다른 기계장치에게 에너지를 전달할 수 있다. 예를 들어, 제분소는 바람, 풍차날개, 블레이드의 에너지를 연마석의 회전운동으로 전환한다.
20세기 초반에는 공공시설이 접근할 수 없는 원거리에 풍력발전터빈으로 발전되는 발전소가 설치되었다. 이러한 계통은 풍차 모양의 블레이드나 여러 개의 블레이드들이 발전기를 돌리고 에너지를 축전지에 보관하는 방식에 크게 의존하였다.
최근에는 블레이드를 지지하는 다양한 형태의 타워가 건설되고 있는데, 항공기의 날개와 프로펠러의 공기역학적인 모든 것을 반영한다. 이들 날개와 프로펠러들은 항공기를 추진시키거나 끌어당김으로써 대기를 통과시키는 것이 아니라, 바람으로부터 에너지를 회수함으로써 작용한다. 그러므로 대규모 계통은 풍속이 높은 위치, 풍속이 일정한 위치, 기타 상업적으로 풍력에너지를 수확할 수 있을만한 타당성이 있는 위치의 지표면에 풍력터빈 블레이드, 프로펠러, 기타 유사장치를 건설하기 위해 상당한 비용이 초래되었다.
그럼에도 불구하고, 풍력에너지를 발전시키는 방법은 어렵고 고가이다. 지표면의 바람은 주로 날씨 패턴이나 일일 단위, 바람의 방향으로 예측할 수 있다. 특정 위치에서 하루 단위로 바람의 속도과 방향을 시간의 함수로 나타낼 수 있다. 엄청난 노력과 에너지, 기계공학적인 자원을 바탕으로 기상관제탑과 장치들이 개발되었으며 이 장치를 통해 지표면에서의 풍속과 풍향을 측정할 수 있다. 그러므로 바람은 지형학적 현상에 의해 만들어진다 할 것이다. 예를 들어, 협곡은 풍력에너지를 얻을 수 있는 전통적인 자원이다. 협곡, 산을 따라 하루 동안 일어나는 냉각과 가열은 바람의 속도과 방향을 바꾸며 풍력에너지로 수확되기도 한다.
그럼에도 불구하고 물리적 구조와 설치방법은 현재 가능한 물리학과 기계공학의 제한을 받는다. 그러므로 지형에 따른 풍력발전터빈의 위치에 집중하기 보다 듀티 사이클(duty cycle)이 뛰어난 장치와 방법을 개발하여 풍력에너지를 포획함으로써 동력을 생산하는 데에 효과적으로 사용할 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 다음을 포함하는 발전용 회전익 항공기 장치가 제공된다.
● 프레임에 회전 가능하게 고정된 복수의 로터 블레이드를 구비한 로터를 포함하는 적어도 하나의 회전익 항공기로서, 상기 로터는 회전축 둘레를 회전하여 상기 회전익 항공기에 양력을 제공하도록 구성되고, 상기 로터는 인입 기류에 대한 로터의 경로로 정의되는 로터 피치와 각각의 로터 블레이드에 대하여 인입 기류에 대한 블레이드의 각도로 정의되는 블레이드 피치를 가지는, 회전익 항공기;
● 제1 말단 및 제2 말단을 가진 테더로서, 상기 제1 말단은 지면 근처에 위치하고 제2 말단은 상공으로 뻗어 있으며, 상기 회전익 항공기를 상기 제2 말단에 고정하도록 구성되는 테더;
● 상기 테더의 장력을 조절하는 장력조절수단으로서,
- 상기 테더에 존재하거나 부착되어 장력을 측정하는 탑재형 장력계(onboard tension meter);
- 상기 회전익 항공기가 노출된 풍속을 표시하는 풍속계(wind speed sensor);
- 상기 탑재형 장력계와 풍속계로부터 입력신호를 받아 상기 테더의 장력을 주기적으로 감시하고, 상기 탑재형 장력계로부터의 입력신호가 상기 회전익 항공기, 로터 및 블레이드의 배치 구성에 적합한지 판단하고 상기 테더의 상태에 관한 출력신호를 생성하는 제어기(controller);를 포함하는 장력조절수단;
● 상기 테더의 상태에 관한 출력신호를 수신하고 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 로터 피치를 선택적으로 제어하는 제1 제어 수단;
● 상기 테더의 상태에 관한 출력신호를 수신하고 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 제2 제어 수단;
● 상기 테더의 상태에 관한 출력신호를 수신하고 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 상기 테더의 제1 말단을 설정된 순서로 주기적으로 말거나 풀어주는 캡스턴(capstan);
● 상기 캡스턴으로부터의 회전 에너지를 전송형, 또는 보관형, 또는 전송 및 보관형 전력으로 전환하는, 컨버터(converter);
● 상기 캡스턴을 상기 컨버터에 연결하는 컨넥터(connector).
바람직하게는, 본 발명에 따르면, 상기 테더에 2 이상의 회전익 항공기가 일렬로 서로 이격되어 배치될 수 있다.
일반적으로, 상기 테더는 강철케이블, 로프로 꼬인 합성폴리머섬유, 초고강도, 초고온 및 난연성 섬유와 탄소나노튜브 소재의 로프로 구성된 소재의 그룹에서 선택된다.
일반적으로, 캡스턴은 릴(reel), 스풀(spool), 도르래(sheave)로 구성된 그룹에서 선택된다.
바람직하게는, 캡스턴은 대지와 물을 포함하는 지표면의 근처에 고정된다.
바람직하게는, 컨버터는 발전기(electrical generator), 유압모터(hydraulic motor), 모터발전기(motor-generator), 가스 컴프레셔(gas compressor)로 구성된 그룹에서 선택된다.
일반적으로, 프레임에는, 러더, 엘리베이터, 또는 러더 및 엘리베이터로 구성되는 그룹에서 선택되는 피치제어수단이 제공된다.
일반적으로, 본 발명에 따르면, 제1 제어 수단와 제2 제어 수단은 서로 연결되어 있다.
본 발명의 일 면에 따르면, 제1 제어 수단은, 서보에 의해 작동되는 피니언의 경로를 정의하는 트랙으로 구성되는 프레임을 포함하고, 상기 피니언은 상기 로터 피치를 제어하는 트랙을 따라 작동된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 다음을 포함하는 발전용 회전익 항공기 장치가 제공된다.
● 마스트에 고정된 로터를 포함하는 적어도 하나의 회전익 항공기로서, 상기 로터는 프레임에 회전 가능하게 고정된 복수의 로터 블레이드를 구비하고 회전축 둘레를 회전하여 상기 회전익 항공기에 양력을 제공하도록 구성되고, 상기 로터는 인입 기류에 대한 로터의 경로로 정의되는 로터 피치와 각각의 로터 블레이드에 대하여 인입 기류에 대한 블레이드의 각도로 정의되는 블레이드 피치를 가지는, 회전익 항공기;
● 제1 말단 및 제2 말단을 가진 테더로서, 상기 제1 말단은 지면 근처에 위치하고 제2 말단은 상공으로 뻗어 있으며, 상기 회전익 항공기를 상기 제2 말단에 고정하도록 구성되는 테더;
● 상기 테더의 장력을 조절하는 장력조절수단으로서,
- 상기 테더에 존재하거나 부착되어 장력을 측정하는 탑재형 장력계;
- 상기 회전익 항공기가 노출된 풍속을 표시하는 풍속계; 및,
- 상기 탑재형 장력계와 풍속계로부터 입력신호를 받아 상기 테더의 장력을 주기적으로 감시하고, 상기 탑재형 장력계로부터의 입력신호가 상기 회전익 항공기, 로터 및 블레이드의 배치 구성에 적합한지 판단하고 상기 테더의 상태에 관한 출력신호를 생성하는 제어기;를 포함하는 장력조절수단;
● 상기 테더의 상태에 관한 출력신호를 수신하고 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 로터 피치를 선택적으로 제어하는 제1 제어 수단;
● 상기 테더의 상태에 관한 출력신호를 수신하고 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 제2 제어 수단;
● 상기 테더의 상태에 관한 출력신호를 수신하고 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 상기 테더의 제1 말단을 설정된 순서로 주기적으로 말거나 풀어주는 캡스턴;
● 상기 캡스턴으로부터의 회전 에너지를 전송형, 또는 보관형, 또는 전송 및 보관형 전력으로 전환하는, 컨버터;
● 상기 캡스턴을 상기 컨버터에 연결하는 컨넥터.
바람직하게는, 본 발명에 따르면, 제1 제어 수단은 다음을 포함한다:
● 상기 프레임에 제공되는 레일을 따라 작동되는 적어도 2개의 피치 제어기로서, 상기 프레임은 설정된 레일 길이를 확보하기 위해 전방부와 후방부 사이의 확산각을 유지하고, 상기 레일은 피니언의 경로를 정의하며, 상기 피니언은 피치 제어기를 레일을 따라 전방과 후방으로 이동시키기 위해 레일을 따라 작동하고, 상기 레일은 평활레일, 톱날형레일, 상기 테더에 의해 구속될 때 상기 프레임에 안정적인 위치를 제공하는 멈춤쇠와 멈춤쇠 앞쪽의 전방부 및 멈춤쇠 뒤쪽의 후방부를 가진 평활레일, 및 상기 테더에 의해 구속될 때 상기 프레임에 안정적인 위치를 제공하는 멈춤쇠와 멈춤쇠 앞쪽의 전방부 및 멈춤쇠 뒤쪽의 후방부를 가진 톱날형레일로 구성된 그룹에서 선택되는, 적어도 2개의 피치 제어기;
● 상기 피치 제어기들 사이에 뻗어있는 트랙 상에서 작동되는 롤 제어기로서, 상기 프레임은 설정된 레일 길이를 확보하기 위해 좌측부와 우측부 사이의 각도를 유지하도록 형성되는, 롤 제어기.
또한, 본 발명에 따르면, 프레임에는 제어 및 통신 장비를 장착하기 위한 플랫폼을 제공하기 위한 마운트 구조체가 제공된다.
일반적으로, 본 발명에 따르면, 상기 로터와 마스트 사이의 마찰을 감소시키기 위하여 베어링이 제공되고, 상기 베어링에는, 마스트의 회전에 대하여 또는 회전하지 않을 때에도 고정되는 내륜(inner race)과 회전하는 외륜(outer race) 사이에서 작동하는 베어링 롤러가 제공되며, 상기 베어링 롤러는 스러스트 베어링 롤러(thrust bearing roller) 및 볼 베어링으로 구성된 그룹에서 선택된다. 또는 베어링 롤러는 회전하는 내륜과 마스트의 회전에 대하여 또는 회전하지 않을 때에도 고정되는 외륜 사이에서 작동할 수 있다.
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바람직하게는, 본 발명에 따르면, 회전익 항공기 장치는:
● 프레임은 튜브형이고,
● 로터는 허브와 상기 블레이드 사이에 제공되는 피봇을 포함하고, 상기 피봇은 상기 허브 중심으로부터 뻗어나온 반경에 대해 비스듬한 경로로 뻗어있으며,
● 제1 제어 수단은 베어링의 내륜에 고정된 붐(boom)과 상기 프레임 사이에 연결되는 액츄에이터(actuator)를 포함하고, 상기 액츄에이터에는 가동 소자(movable element)와 상기 프레임에 고정된 하우징이 제공되고, 상기 액츄에이터는 로터 피치를 제어하기 위하여 상기 가동소자를 연장함으로써 상기 붐을 회전시키도록 형성된다.
제1 제어 수단은 상기 프레임 상의 설정된 피봇 둘레로 피칭(pitching)되도록 형성되는 회동가능한 플랫폼을 포함하고, 상기 플랫폼은 설정된 거리로 이격된 전방 단부와 후방 단부를 가지며, 상기 전방 단부는 상기 피봇 근처에 있으며 상기 후방 단부는 피봇으로부터 멀리까지 연장되고 상기 프레임에 연결된 바이어스 소자(biasing element)가 제공되며, 상기 바이어스 소자는 상기 플랫폼을 상기 프레임에 대해 특정 위치에 유지되도록 한다.
제2 제어 수단은, 허브와 상기 블레이드 사이에 제공된 피봇을 구비하는 상기 로터를 포함하고, 상기 피봇은 허브 중심으로부터 뻗어나온 반경에 대해 비스듬한 경로로 뻗어있으며, 상기 블레이드 피치를 제어하기 위하여 상기 블레이드의 플래핑(flapping)을 촉진한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 장치는, 상기 로터와 마스트 사이의 마찰을 감소시키기 위하여 제공되는 베어링으로서, 회전하는 내륜과 마스트의 회전에 대하여 또는 회전하지 않을 때에도 고정되는 외륜 사이에서 작동하는 베어링 롤러를 구비하는 베어링; 및, 상기 내륜과 외륜에 대하여 고정된 코일 형태의 발전기로서, 상기 코일은 상기 내륜에 부착된 자석이 형성하는 자기장을 통과하고, 상기 발전기는 상기 회전익 항공기의 기기와 제어 장비에 작동 전력을 제공하는, 발전기;를 더 포함한다.
블레이드의 말단부에 분사기(jet)가 배치되고, 상기 분사기는 지상 스테이션에서 원격 제어로 가동되고 상기 회전익 항공기의 이착륙 시 비행을 제어한다.
상기 제2 제어 수단은, 허브와 상기 블레이드 사이에 제공된 피봇을 구비하는 상기 로터를 포함하고, 상기 피봇은 허브 중심으로부터 뻗어나온 반경에 대해 수직인 경로로 뻗어있으며, 상기 블레이드 피치를 제어하기 위하여 상기 블레이드의 플래핑(flapping)을 촉진하고, 상기 블레이드는 전방 가장자리 방향으로 소정 각도로 비스듬하게 형성된다.
본 발명의 다른 일 면에 따르면, 상기 제1 제어 수단은, 허브와 상기 블레이드 사이에 제공된 피봇을 구비하는 상기 로터를 포함하고, 상기 피봇은, 상기 허브에 고정되어 허브와 함께 회전하는 앵커에 각 블레이드를 고정시키도록 형성되며, 각 블레이드에 부착된 트러니언(trunnions)을 고정하기 위하여 핀(pin)이 각 앵커를 관통하여 뻗어있으며, 상기 핀은 상기 허브 중심을 관통하는 반경에 수직인 방향을 따라 연장되도록 형성되는
제1 제어 수단은, 허브와 상기 블레이드 사이에 제공된 피봇을 구비하는 상기 로터를 포함하고, 상기 피봇은, 상기 허브에 고정되어 허브와 함께 회전하는 앵커에 각 블레이드를 고정시키도록 형성되며, 각 블레이드에 부착된 트러니언(trunnions)을 고정하기 위하여 핀이 각 앵커를 관통하여 뻗어있으며, 상기 핀은 상기 허브 중심을 관통하는 반경에 대해 소정 각도로 비스듬하게 형성된다.
또한, 본 발명에 따르면, 제2 제어 수단은 다음을 더 포함한다:
● 허브와 상기 블레이드 사이에 제공된 피봇을 구비하는 상기 로터; 및
● 상기 허브와 블레이드 사이에 부착 수단에 의해 연결되는 바이어스 소자로서, 상기 부착 수단은 볼러드(bollard), 포스트(post), 보울(bole)로 구성되는 그룹으로부터 선택되며, 상기 바이어스 소자는 각 블레이드를 위쪽으로 편향시키고, 상기 바이어스 소자는, 원심력에 의해 제어되고 블레이드 피치를 피동적(passive)으로 제어하는 탄성 소자인, 바이어스 소자.
특히, 제2 제어 수단은 다음을 더 포함한다:
● 허브와 상기 블레이드 사이에 제공된 피봇을 구비하는 상기 로터; 및
● 상기 허브와 블레이드 사이에 부착 수단에 의해 연결되는 바이어스 소자로서, 상기 부착 수단은 볼러드, 포스트, 보울로 구성되는 그룹으로부터 선택되며, 상기 바이어스 소자는 각 블레이드를 위쪽으로 편향시키고, 상기 바이어스 소자는, 블레이드 피치를 능동적으로 제어하는 서보 액츄에이터인, 바이어스 소자.
바람직하게는, 본 발명에 따르면, 회전익 항공기에는 레그(leg)가 제공되고, 상기 레그는 신장식 부착 수단, 영구 부착 수단, 및 접철식 부착 수단으로 구성된 그룹에서 선택된 부착 수단에 의해 상기 프레임에 부착되며, 상기 회전익 항공기는 상기 레그에 의해 지지되는 데크(deck)에서 이착륙할 수 있으며, 상기 데크는 적절한 로터 피치를 위해 설정된 각으로 상기 데크에 인접한 피봇 둘레를 피칭(pitching) 할 수 있으며, 상기 데크는 건물, 타워, 바지선, 부표 및 선박으로 구성된 그룹에서 선택된 구조물 상단의 회전반(turntable)에 지지된다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 장치는 다음을 더 포함한다:
● 계류슬롯(captive slot)을 구비한 착륙 고정구(landing fixture);
● 근위말단과 원위말단을 가지고, 상기 원위말단에 상기 착륙 고정구를 회동가능하게 고정하는, 2개의 서포트 암(support arm);
● 상기 근위말단에서 상기 서포트 암을 회동가능하게 고정하는, 중공의 회전반;
● 상기 계류슬롯 내에 걸려있는 제1 브라이들 줄 및 제2 브라이들 줄(bridle line)로서, 상기 제1 브라이들 줄 및 제2 브라이들 줄은 피치 제어를 위하여 롤링 및 피칭하도록 형성되고, 제1 브라이들 줄 및 제2 브라이들 줄은 상기 테더를 형성하도록 브라이들 노트(bridle knot)로 수렴하는, 제1 브라이들 줄 및 제2 브라이들 줄;
● 건물, 타워, 바지선, 부표, 선박으로 구성되는 그룹에서 선택된 구조물에 견고하게 고정되는 스내치 블록(snatch block)으로서, 상기 스내치 블록은 중앙부가 상기 회전반 바로 아래에 위치하고, 상기 테더의 제1 말단이 상기 스내치 블록에 연결되는 스내치 블록.
본 발명의 장치는 다음을 더 포함한다:
● 지상국에서 각 프레임을 로터로부터 선택적으로 제거할 수 있고, 보관을 위해 상기 로터들을 사이에 패딩을 넣어 포개어 쌓을 수 있으며, 각 프레임을 로터에 재배치할 수 있는, 스테이징 기구(staging mechanism);
● 상기 프레임을 로터의 허브에 고정하고, 상기 프레임을 테더의 설정된 위치에 선택적으로 고정할 수 있는, 계류기구.
또한, 본 발명에 따르면, 제1 제어 수단은 다음을 포함한다:
● 회전익 항공기의 피치를 제어하기 위해 상기 회전익 항공기의 피치 암(pitch arm)을 아래로 당기거나 위로 풀어주는 제어기로서, 상기 회전익 항공기의 롤(roll)을 제어하기 위해 상기 제어기로부터 상기 회전익 항공기의 측부에 하나씩 제공된 롤 암(roll arm)의 거리를 늘이거나 줄이는, 제어기;
● 다음을 포함하는 브라이들;
- 각각 상기 프레임의 전방 말단과 후방에서 상기 피치 암에 연결되고, 상기 제어기에도 연결되는, 제1 피치 제어선과 제2 피치 제어선, 및
- 각각의 상기 롤 암에 연결되고, 상기 제어기에도 연결되는 제 1 롤 제어선과 제2 롤 제어선.
바람직하게는, 제1 제어 수단은 다음을 포함한다:
● 적어도 하나의 서보 롤러(servo roller)로 상기 프레임의 아래측에 설치되는 톱날형 트랙, 유압 램(hydraulic ram), 라인, 및 스마트 금속(smart metal)으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 롤 제어 수단;
● 제1 제어선과 제2 제어선을 포함하는 브라이들로서, 상기 제1 제어선과 제2 제어선은 근위말단과 원위말단을 가지고, 상기 제1 제어선과 제2 제어선의 근위말단은 각각 상기 프레임의 후방말단과 전방말단에 연결되며, 상기 제1 제어선의 근위말단은 서보 롤러를 통해 상기 후방말단에 연결되고, 2개의 롤 제어 수단을 포함하는 경우, 상기 제2 제어선의 근위말단은 서보 롤러를 통해 상기 전방말단에 연결되는, 브라이들; 및,
● 제1 제어선과 제2 제어선의 원위말단에 연결되는 제어기로서, 피치 제어를 위해 상기 제1 제어선과 상기 제2 제어선을 당기거나 늘이고, 롤 제어를 위해 상기 프레임에 대하여 왼쪽 방향 또는 오른쪽 방향으로 이동함으로써 제1 제어선과 상기 제2 제어선을 당기거나 늘이도록 서보 롤러와 협동하는 제어기.
일반적으로, 본 발명에 따르면, 제어기는 컴퓨터 제어장치와 오토파일럿으로 구성된 그룹에서 선택된다.
본 발명에 따른 장치는 다음을 더 포함한다:
● 서보 롤러로 상기 프레임의 아래측에 설치되는 톱날형 트랙; 및
● 배터리와 비행에 필요한 중장비를 포함하고, 제어된 자유비행을 위하여 상기 트랙에서 무게중심(Center of Gravity, CoG)을 변경하도록 전후방으로 슬라이딩하는, 웨이트 박스.
선택적으로, 본 발명에 따른 장치는, 회전익 항공기의 후미에 연결되고, 제어된 자유비행을 위하여 상기 로터의 압력중심(Center Of Pressure)의 양력에 대응하는 반대방향의 하강력을 제공하는 수평안정판(horizontal stabilizer)을 더 포함한다.
회전익 항공기의 장치를 사용하는 지형자료 수집, 레이더 계통, 화재감지, 지면감지, 통신장비 및 전화 중계기를 위한 시스템은 본 발명에 따라 제작할 수 있다.
본 발명의 테더보관계통은 다음 항목으로 구성되어 있다.
● 상면은 개방되고 원통의 벽은 폐쇄된 원통형 탱크. 탱크의 직경은 테더가 자연스럽게 감긴 직경보다 약간 더 크며 원통 벽은 마찰과 발열을 감소시키기 위해 1개 층으로 코팅되어 있다.
● 원통벽의 중앙에는 기둥이 있는데 공간 채움재로서 작용하며 기둥과 탱크 사이에 테더를 보관하기 위한 장소를 한정하면서 동축으로 배열되어 있다. 보관공간은 미리 정해진 방식에 따라 테더를 넣기에 적절하며 두 번 감기거나 8자형으로 꼬이는 문제를 방지할 수 있다.
● 테더는 파워 롤러(power roller), 도르래의 작용과 가이드 배치에 의해 한 방향으로 일정한 속도로 개방되어 있는 상면의 가운데를 통과하면서 탱크 안으로 놓이게 된다.
본 발명의 코팅층은 테플론(Teflon) 소재이다.
본 발명의 파워 롤러는 반시계방향과 시계방향으로 회전하면서 테더를 탱크 안으로 견인한다.
본 발명의 파워 롤러는 탱크 안에서 중앙 기둥의 높낮이를 조절하여 테더가 롤러로부터 탱크로 떨어지는 거리를 최소화한다.
본 발명의 테더는 상기 방법에 따라 테더보관계통에 보관된다.
본 발명의 회전익 항공기는 차륜 차량나 선박을 구동시킬 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따르면, 캡스턴은 클러치(clutch)와 플라이휠(flywheel)을 통해 상기 컨버터에 연결되고, 상기 클러치와 플라이휠은 상기 컨버터의 인풋(input)에서 토크와 RPM을 조절한다.
제어기는 회전익 항공기와 연결된 내비게이션 시스템에 대한 반응으로 회전익 항공기를 제어한다. 내비게이션 시스템은 GPS, 전방위 항공표지 감지기(omni beacon detector)로 구성되어 있으며 다른 회전익 항공기에 연결된 내비게이션 시스템에 의한 간섭을 차단한다.
본 발명에 따르면, 제어기는 상기 회전익 항공기에 연결된 내비게이션 시스템에 대한 반응으로 상기 회전익 항공기를 제어하며, 상기 내비게이션 시스템은 GPS 및 전방위 항공표지 감지기로 구성된 그룹에서 선택되고 다른 회전익 항공기에 연결된 내비게이션 시스템에 의한 간섭을 차단하도록 형성된다.
바람직하게는, 상기 서술된 본 발명의 회전익 항공기 장치는 다음을 더 포함한다:
● 상기 회전익 항공기의 수직축(Normal axis)과 상기 회전익 항공기의 종축을 포함하는 지표면의 수직평면 사이의 각으로 정의되는 상기 로터의 뱅크각(bank angle)을 변경하는 수단; 및,
● 상기 회전익 항공기의 분로(shunting)를 조절하는 수단으로서, 상기 회전익 항공기를 측풍 조종(cross wind maneuvering)하여 크로스 레인지 속도(cross range velocity)를 유도하고, 상기 로터에 대기 기류를 초과하는 상대 기류를 유도하여 상기 테더에 장력을 초래하는 수단.
본 발명에 따른 발전방법은 다음 단계를 포함한다:
● 프레임에 회전 가능하게 고정된 복수의 로터 블레이드를 구비한 로터를 포함하는 적어도 하나의 회전익 항공기로서, 상기 로터는 회전축 둘레를 회전하여 상기 회전익 항공기에 양력을 제공하도록 구성되고, 상기 로터는 인입 기류에 대한 로터의 경로로 정의되는 로터 피치와 각각의 로터 블레이드에 대하여 인입 기류에 대한 블레이드의 각도로 정의되는 블레이드 피치를 가지는, 회전익 항공기를 제공하는 단계;
● 제1 말단 및 제2 말단을 가지고 캡스턴에 감긴 테더를 제공하는 단계;
● 상기 테더의 제1 말단은 지면 근처에 위치하고 제2 말단은 상공으로 뻗어 있도록 배치하는 단계;
● 상기 회전익 항공기를 상기 테더의 제2 말단에 고정하는 단계;
● 상기 캡스턴을 컨버터에 연결하는 단계;
● 상기 테더에 존재하거나 가해지는 장력을 측정하는 단계;
● 상기 회전익 항공기가 노출된 풍속을 측정하는 단계;
● 상기 장력의 상태에 관한 출력신호를 생성하기 위하여, 상기 테더의 장력을 주기적으로 감시하는 단계;
● 상기 회전익 항공기를 상기 테더의 장력에 대항하여 비행시키는 단계로서,
- 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 상기 로터 피치를 선택적으로 제어하는 단계,
- 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계,
- 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 상기 컨버터를 작동하여 상기 테더를 감거나 역방향으로 작동하여 상기 테더를 풀어 상기 테더의 장력을 제어하는 단계에 의해,
상기 회전익 항공기를 테더의 장력에 대항하여 비행시키는 단계;
● 상기 캡스턴의 회전에너지를 전력으로 전환하는 단계.
바람직하게는, 상기 회전익 항공기를 상기 테더에 고정하는 단계는, 2 이상의 회전익 항공기를 상기 테더에 일렬로 서로 이격되도록 배치하는 것을 포함한다.
바람직하게는, 상기 회전익 항공기를 상기 테더의 장력에 대항하여 비행시키는 단계는, 상기 회전익 항공기를 오토파일럿으로 제어하는 것을 포함한다.
일반적으로, 상기 회전익 항공기를 상기 테더의 장력에 대항하여 비행시키는 단계는, 다른 회전익 항공기에 연결된 내비게이션 시스템으로부터의 간섭없이, 상기 회전익 항공기에 연결된 내비게이션 시스템에 의하여 감지된 회전익 항공기의 위치에 반응하여 오토파일럿으로 상기 회전익 항공기를 제어하는 것을 포함한다.
일반적으로, 본 발명에 따르면, 상기 로터 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계에 결합된다.
바람직하게는, 본 발명에 따르면, 상기 로터 피치를 선택적으로 제어하는 단계는 다음 단계들을 포함한다:
● 기 로터의 회전축과 동일 선상(co-linear)에 있는 마스트를 제공하는 단계;
● 상기 마스트의 상기 프레임에 대한 경사각을 제어하는 단계.
바람직하게는, 상기 로터 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 회전익 항공기의 롤 및 피치를 제어하는 것을 포함한다.
또한, 상기 로터 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 회전익 항공기의 피치를 제어하는 것을 포함한다.
일반적으로, 상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 블레이드를 회전축 방향으로 회동시키는 탄성 소자 형태의 바이어스 소자를 제공함으로써 각각의 블레이드를 상향 편향시켜 피동적(passive)으로 제어하는 것을 포함한다.
일반적으로, 상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 로터의 회전축 둘레의 회전속도의 증가에 반응하여 상기 블레이드를 평평하게 하는 원심력에 의하여 각 블레이드에 제공되는 바이어스 소자의 편향력에 대응하도록 하는 것을 포함한다.
또는, 상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 블레이드를 회전축 방향으로 회동시키는 서보 액츄에이터 형태의 바이어스 소자를 제공함으로써 각각의 블레이드를 상향 편향시켜 능동적으로 제어하는 것을 포함한다.
바람직하게는, 본 발명에 따르면, 상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 블레이드 피치의 능동적 제어와 피동적 제어를 모두 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 테더의 장력을 제어하는 단계는, 상기 블레이드 피치를 감소시켜 상기 장력을 감소시키는 것과 상기 블레이드 피치를 증가시켜 상기 장력을 증가시키는 것을 포함한다.
바람직하게는, 본 발명에 따르면, 상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 로터 피치를 각각 감소시키는 것과 증가시키는 것을 포함한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 방법은 다음을 포함한다:
● 상기 블레이드 피치를 음수값으로 설정하여 상기 로터가 인입 기류에서 선 회전하도록 하는 것; 및,
● 인입 기류와 상기 블레이드 사이의 운동량(momentum)을 전달하고, 상기 로터가 풍차와 풍력터빈 중 적어도 하나로서 작동하는 것.
발전 방법은 음수의 블레이드 피치를 가지는 터빈 위치와 양수의 블레이드 피치를 가지는회전익 항공기 위치 사이에서 상기 블레이드를 선택적으로 회동시킴으로써 상기 회전익 항공기를 능동적으로 제어하는 것을 더 포함한다.
발전 방법은 다음을 더 포함한다:
● 상기 로터에 고정되는 짐벌(gimbal)로서, 상기 로터가 상기 짐벌의 둘레를 회전하도록 지지하는 짐벌을 제공하는 것; 및
● 상기 프레임에 대해 피칭(pichting)하도록 상기 짐벌을 회동시키는 것.
바람직하게는, 상기 로터 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 프레임에 대해 피봇 둘레를 피칭하는 짐벌을 제공하여, 상기 로터의 항력 대 양력의 비가, 회전축으로부터 상기 피봇까지의 거리로 주어지는 상기 로터의 회전 중심의 오프셋(offset)의 높이, 및 상기 피봇 위의 회전 중심의 높이 각각 대 길이의 비와 같아지도록 하는 것을 포함한다.
바람직하게는, 발전 방법은 인입 기류의 속도가 한계값 이하로 감소하는 것에 대응하여 상기 캡스턴에 의해 상기 회전익 항공기를 당기는 것을 더 포함한다. 또한 상기 회전익 항공기가 제어 비행 하에서 상기 캡스턴 쪽으로 비행하도록 선택된 상대 속도에서 상기 회전익 항공기를 당기는 것을 더 포함한다.
본 발명의 발전 방법은 인입 기류의 속도가 제어 비행 및 발전 중 적어도 하나에 필요한 한계값 이하로 감소하는 것에 대응하여 상기 회전익 항공기를 상기 캡스턴 쪽으로 비행시키는 것을 더 포함한다.
발전 방법은 또한 상기 장력이 증가하면 상기 로터 블레이드는 블레이드 피치가 감소하는 위치로 이동하고 상기 장력이 감소하면 블레이드 피치가 증가하는 위치로 이동함으로써, 상기 로터에 의해 상기 테더의 장력을 조절하는 것을 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 블레이드 피치를 상기 로터의 블레이드의 코닝각(coning angle)과 연관시키는 것을 포함하며, 상기 코닝각은 상기 블레이드의 축과 상기 로터의 회전축 사이의 각을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 블레이드 피치를 상기 로터의 블레이드의 코닝각과 연관시키는 것과 상기 블레이드에 작용하는 상기 테더와 인입 기류 사이의 힘의 균형을 변경하여 상기 코닝각을 변경하는 것을 포함하며, 상기 코닝각은 상기 블레이드의 축과 상기 로터의 회전축 사이의 각을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 발전 방법은 다음을 더 포함한다:
● 상기 프레임에 고정되는 레그를 제공하는 것;
● 상기 캡스턴 근처에, 공중의 면으로 정의되는 착륙면을 위치시키는 것;
● 상기 캡스턴으로부터 상기 공중의 면을 관통하여 상기 테더를 연장시키는 것;
● 상기 캡스턴에 의해, 상기 공중의 면을 관통하여 상기 테더는 인출하는 것;
● 상기 회전익 항공기를 상기 착륙면에 착륙시키기 위하여, 상기 회전익 항공기의 적어도 하나의 레그를 상기 착륙면에 접촉시키는 것;
● 적어도 하나의 레그를 상기 착륙면에 접촉시킬 때 상기 프레임을 기울여 상기 착륙면에 평행한 평면에서 회전하도록 상기 로터를 위치시키는 것.
본 발명에 따르면, 발전 방법은 다음을 더 포함한다:
● 상기 프레임에 기기들을 위치시키는 것; 및
● 상기 회전익 항공기를 고고도 탑처럼 고정된 고도에 유지하는 것.
바람직하게는, 본 발명에 따르면, 상기 로터 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 착륙 시 상기 로터가 지면에 가까워지는 것에 대응하여 상기 로터 피치를 제어하는 것을 포함한다.
발전 방법은 다음을 더 포함한다:
● 단일의 캡스턴을 가진 상기 테더에 고정되는 복수의 회전익 항공기로서, 모든 회전익 항공기는 전력을 전달하도록 연결되는 회전익 항공기를 제공하는 것;
● 상기 복수의 회전익 항공기를 공중에 비행시키는 것;
● 상기 복수의 회전익 항공기를 착륙면으로 하강 비행시키는 것;
● 각각의 회전익 항공기를 한 번에 한 대씩 복귀시키는 것;
● 상기 회전익 항공기를 상기 테더로부터 한 번에 한 대씩 제거하는 것;
● 각각의 프레임을 로터로부터 선택적으로 제거하는 것;
● 보관을 위해 상기 로터들을 사이에 패딩을 넣어 포개어 쌓는 것; 및,
● 각각의 회전익 항공기를 프레임 및 로터와 함께 재배치하는 것.
본 발명에 따른 발전 방법은 다음을 더 포함한다:
● 상기 블레이드에 고정되는 추진 수단으로서, 분사기, 프로펠러, 모터로 구성된 그룹에서 선택되는 추진 수단을 제공하는 것;
● 비상 상황을 감지하는 것; 및,
● 상기 회전익 항공기의 제어 비행을 유지하도록 상기 추진 수단을 가동하는 것.
발전 방법은 테더를 보관하는 것을 더 포함하며, 상기 테더를 보관하는 것은 다음의 단계를 포함한다:
● 개방된 상면과 상기 테더가 감긴 지름 보다 큰 지름을 가지는 폐쇄된 원통형의 벽을 가지는 원통형 탱크를 제공하는 단계;
● 상기 원통 벽에 마찰과 발열을 감소시키기 위해 코팅층을 제공하는 단계;
● 상기 탱크와 동축인 중앙 기둥을 제공하는 단계;
● 상기 탱크와 기둥 사이에 상기 테더를 보관하기 위한 보관 공간을 한정하는 단계; 및,
● 가동 조립체 또는 고정 및 회전 조립체로 구성된 그룹에서 선택된 조립체로서 작동하는 롤러, 도르래 및 가이드 장치를 사용하여 설정된 속도로 상기 테더를 상기 보관 공간에 넣는 단계.
바람직하게는, 본 발명에 따르면, 상기 회전익 항공기를 상기 테더의 장력에 대항하여 비행시키는 단계는 다음을 더 포함한다:
● 상기 로터 피치를 일정하게 유지하는 것;
● 상기 회전익 항공기의 수직축과 상기 회전익 항공기의 종축을 포함하는 지표면의 수직평면 사이의 각으로 정의되는 뱅크각(bank angle)을 변경하는 것;
● 상기 회전익 항공기를 측풍 조종(cross wind maneuvering)하여 크로스 레인지 속도(cross range velocity)를 유도하는 것;
● 상기 로터에 대기 기류를 초과하는 상대 기류를 유도하는 것;
● 상기 회전익 항공기의 분로(shunting)를 유도하는 것.
전술한 본 발명의 특징은 첨부된 도면과 연계된 다음의 설명과 첨부된 청구항으로 더욱 명확해 질 것이다. 상기 도면은 본 발명의 전형적인 실시예만을 묘사하고 있으므로 도면의 범위가 제한된 것으로 보지 않는다. 첨부도면을 통해 본 발명의 추가명세와 상세를 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 회전익 항공기 시스템 10을 도식적으로 표현한 것이다. 1대 이상의 회전익 항공기가 캡스턴에 연결된 테더의 장력에 반하여 비행하고 있으며, 회전익 항공기를 양력이 줄어드는 방향으로 비행시키면서 줄어든 양력에 반해 후퇴시키거나 장력을 가지는 거리에서 테더를 견인하는 과정을 주기적으로 반복하면서 발전한다.
도 2는 도 1의 로터 블레이드의 회전에 관한 양력, 항력, 중력의 순수합력이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 러더와 엘리베이터가 갖추어진 도 1의 회전익 항공기를 도식적으로 표현한 것이다.
도 4는 도 1의 시스템을 도식적으로 표현한 것이다. 여러 대의 회전익 항공기가 1개의 테더에 연결되어 있고 여기에 연결된 캡스턴과 발전계통(컨버터)에 의한 테더의 순수장력을 보여주고 있다.
도 5A-5C는 회전익 항공기의 가동이나 이륙을 위한 위치에서 안정화 된 수평비행부터 능동적인 고도까지의 다양한 고도에서의 회전익 항공기의 실시예를 측방입면도로 본 것이다.
도 6은 동체를 최소화하고 프레임을 개방하여 장치의 실시예를 투시도로 나타낸 것이다. 도 1의 시스템에 테더로 묶여 있는 회전익 항공기며 테더와 회전익 항공기의 프레임 간에 롤 및 피치 제어가 되고 있다.
도 7은 회전익 항공기의 다른 실시예를 투시도로 나타낸 것이다. 본 도면에는 트랙 위에서 작동하는 스퍼기어, 회전익 항공기의 프레임을 따라 장착되어 항공기 프레임의 피치와 롤 방향을 제어하는 트랙이 포함되어 있다. 본 실시예에는 항공기의 피치 제어만을 담당하는 “휴지(resting)” 위치가 트랙 상에 표시되어 있으며, 트랙은 반경을 변경시켜 우세한 견인위치를 확보한다.
도 8은 로터의 다른 실시예를 투시도로 나타낸 것이다. 테더에 고정된 프레임의 기계적 구조를 최소화하였다. 회전익 항공기의 허브의 내부 베어링 시스템에 연결된 붐과 최소화 된 프레임 사이에서 작동하는 액츄에이터에 의해 피치 제어가 이루어지고 있다.
도 9는 도 8의 장치의 다른 실시예를 투시도로 나타낸 것이다. 동일한 테더 상에서 더 높은 고도에 위치하는 다른 회전익 항공기를 고정하면서 통과하고 있는 테더가 함께 표시되어 있다.
도 10은 회전익 항공기의 다른 실시예를 투시도로 나타낸 것이다. 도 6의 장치와 유사하며메인 프레임에 대해 틸팅이 가능한 데크를 갖추고 있어 인입기류에 대해 로터 피치나 로터의 받음(angle of attack, AoA)각을 추가로 제어할 수 있다.
도 11은 로터의 일실시예를 위에서 본 평면도이다. 허브 중심으로부터 반경에 대해 직각으로 구부러진 피봇을 사용하여 각각의 블레이드의 플래핑이나 힌지(hinge) 작동을 블레이드의 받음각 변화와 연결시켰다.
도 12는 도 11의 장치의 다른 실시예를 위에서 본 평면도로서, 대체발전방법이 도시되어 있다. 자석과 코일, 분사기(옵션)가 포함되어 있다. 코일과 분사기는 반드시 함께 사용될 필요는 없으나 코일계통은 보조전력을 공급하여 로터항공기에 탑재된 제어기나 오토파일럿과 같은 장비들을 작동시킬 수 있다. 분사기는 가동이나 착륙 등 유사상황에서 비행을 제어하는 데에 사용된다.
도 13은 로터의 다른 실시예를 위에서 본 평면도이다. 중앙에는 허브, 허브 상의 튜브 또는 앵커 사이의 피봇 포인트, 로터 블레이드가 도시되어 있다. 허브 중앙으로부터의 반경에 직각인 힌지 축이 있다. 블레이드는 허브로부터 방사되는 반경에 있지 않고 앞전방향 쪽인 전방으로 각도를 이루며 비스듬하게 놓인다.
도 14는 로터의 다른 실시예를 도시한 부분절개투시도이다. 허브를 더 크게 보이게 하기 위해블레이드의 중간을 절단하였다. 허브에는 앵커가 포함되어 있으며 앵커는 각 블레이드를 연결하는 트러니언을 고정하는 클레비스 목적으로 사용되었다. 블레이드는 앵커를 통과하는 피봇 핀 주위에서 회전하고 있다.
도 15A-15B는 회전익 항공기의 다른 실시예를 측방입면도로 도시한 것이다. 테더에 묶인 프레임이 로터를 지탱하고 있고 스프링, 기계적 액츄에이터, 서보 등의 바이어스 소자가 포함되어 있다. 바이어스 소자는 각각의 블레이드를 상향 위치로 편향시키고 회전이나 기울어짐에 의해 상향 위치에 놓인 블레이드의 받음각은 코닝각과 관계되거나, 로터의 블레이드와 허브가 회전하는 이론적인 평면을 벗어나 허브에 대해 블레이드의 각도가 커진다.
도 16-17은 회전익 항공기의 이륙과 착륙을 지원하기 위한 여러 개발물들(옵션)의 이륙구조와 착륙구조를 투시도로 나타낸 것이다. 본 계통에는 선택사항인 회전반이 있어 회전익 항공기를 대기 중으로 회전시키고 수직러더의 베인(vane)으로 회전익 항공기를 회전시키고 비행을 개시시키거나 종료시킨다. 이 구조 계통에는 회전반 위에 지탱되고 있는 회전착륙데크가 있어 회전익 항공기의 로터가 착륙 시 인입기류에 대해 받음각을 변경하지 않고 회전익과 테더의 각도에 적절한 각도로 레그를 사용하여 착륙데크에 착륙할 수 있다. 이 후 회전익 항공기를 착륙데크에 고정할 수 있으며 착륙데크는 보관, 정비 등을 위해 적절한 각도로 기울일 수 있다.
도 18은 회전익 항공기 시스템의 다른 실시예의 투시도이다. 캡스턴과 여기에 연결된 모터발전시스템으로 구성되어 있다. 본 캡스턴 시스템에는 보관리일(storage reel)이 있어 회전익 항공기를 지면으로 끌어당기거나 지면으로부터 비행시키며 분해가 가능하다. 공간효율적인 보관을 위해 로터는 테더에 묶인 상태로 유지되며, 프레임이나 동체는 분리하여 다른 위치나 가까운 위치에 따로 보관할 수 있다.
도 19는 도 18의 회전익 항공기의 일실시예의 투시도이다. 프레임과 로터 간의 연결방식을 더욱 상세하게 도시하였다.
도 20은 테더의 장력을 조절하는 제어방식의 흐름도이다.
도 21A-21D는 각각 회전익 항공기의 프레임을 위에서 본 평면도, 동일한 회전익 항공기의 측방입면도, 전방입면도, 투시도이다. 테더를 발전용 회전익 항공기에 연결하고 회전익 항공기의 여러 구성요소에 부착된 브라이들 코드나 선을 잡아당기거나 풀어 내어 피치 및 롤을 제어하는 브라이들 시스템이다.
도 22A는 파워 롤러가 장착된 로프 탱크보관장치이다. 파워 롤러는 반시계방향과 시계방향으로 회전하면서 테더를 탱크 안으로 견인한다.
도 22B는 파워 롤러가 장착된 로프 탱크보관장치이다. 탱크 안에서 중앙 기둥의 높낮이를 조절하여 롤러로부터 탱크로 테더가 떨어지는 거리를 최소화한다.
도 23은 본 발명의 실시예의 회전익 항공기 장치이다. 무게중심과 수평안정판이 비행의 안정성을 제어한다.
도 24는 회전익 항공기 장치를 이륙시키거나 착륙시키는 이착륙 고정구이다. 본 고정구는 건물, 바지선, 보트 위에 설치할 수 있다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따라 2개의 브라이들이 갖추어진 회전익 항공기 장치의 롤 제어이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따라 생성된 전력을 균등하게 나눌 수 있는 플라이휠과 클러치가 갖추어진 회전익 항공기 장치이다.
도 27A는 측풍 기동이 있을 때와 없을 때 본 발명의 회전익 항공기가 겪는 상대바람을 비교한 그래프이다.
도 27B는 측풍 기동 중 시간 대 로터의 경사각을 표시한 그래프이다.
도 27C는 측풍 기동 중 로터 피치를 표시한 그래프이다.
도 27D는 측풍 기동 중 크로스 레인지(cross range) 대 다운 레인지(down range)를 표시한 그래프이다.
도 27E는 측풍 기동 중 회전익 항공기의 자세 대 크로스 레인지(cross range)의 그래프이다.
본 발명의 구성요소는 본 문서의 도면에 일반적으로 기술 및 도시되었으므로 엄청나게 다양한 구성으로 배열 및 설계될 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 시스템의 실시예에 대해 상세히 기술된 하기 설명은 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것이 아니며, 발명의 다양한 실시예를 대표하는 것에 불과하다. 도시된 발명의 실시예는 도면의 참조정보를 통해 가장 잘 이해될 것이며 부품은 숫자로 지정하였다.
오토자이로 항공기는 미국 특허번호 5,301,900(Groen 외)에 상세히 설명되어 있으며 본 특허에서 참조로 삼았다. 이와 마찬가지로, de la Cierva, Pitcairn, Barltrop 등의 특허에서도 풍력에너지를 포획하려는 시도를 해 왔다.
본 발명의 실시예는 첨부도면에 참조정보와 함께 기술하였다. 본 명세서에 사용된 “바람”이라는 용어는 물과 같은 액체와 공기가 포함된 공기, 습기와 같이 흐름이 있는 유체를 일컫는다.
도 1과 도 1-21을 대략적으로 참고하였을 때 최소 1대의 회전익 항공기(12)가 테더(14)로 고정되어 있다. 본 명세서의 회전익 항공기(12)는 회전익 항공기 시스템을 이루는 1대, 또는 그 이상의 회전익 항공기를 말한다. 테더(14)는 천연소재나 합성소재로 제작한다. 테더(14)는 강철케이블이나 합성폴리머섬유를 꼬아 로프로 만들 수 있다. 예를 들어 Dyneema™ 브랜드의 코드를 직경이 서로 다른 로프로 꼬아 만들 수 있다. Dupont의 M5 로프, 탄소나노튜브 소재의 로프와 같은 초고강도, 내열성 및 난연성 섬유도 테더로 사용할 수 있다. 상기 소재는 사용수명이 길고 내구성이 강하고 고강도이고 내구성이 뛰어나고 강철케이블보다 훨씬 가볍다.
테더(14)는 리일, 스풀, 도르래 등의 형태를 가진 권치장치 또는 캡스턴(16)에 감긴다. 캡스턴(16)은 테더(14) 줄을 권취하는 기계장치이며 균일한 층으로 감는다. 선재 및 케이블산업계의 정교한 기법, 낚시리일의 설계 등의 기법을 채용하여 스풀, 도르래, 리일에 깔끔하게 정돈된 모양으로 제거할 수 있는 방식으로 테더 줄을 감는 문제를 해결하였다.
테더보관의 “로프 탱크”, “암벽타기나 화재구조용 로프백”의 개념에 따라 테더가 밀폐된 로프백 안에 꽉 차는 크기로 되어 있다. 테더는 로프백에 나 있는 매우 작은 구멍을 통해 집어넣고 빼낼 수 있다. 100 m 길이의 로프를 작은 구멍을 통해 공급하면 얽히지 않고 빼낼 수 있다. 로프백의 구멍으로 들어간 가장 앞부분이 로프를 뺄 때는 가장 나중에 나오도록 배치되어 있다.
기존의 로프/테더보관방식은 테더를 레벨와인더를 사용하여 큰 회전스풀에 감아 로프가 꼬이지 않고 여러 줄로 겹쳐지도록 하는 방식이다. 본 발명의 회전익 항공기 장치에 기존의 테더보관방식을 채용하면 여러 가지 문제에 부딪히게 된다. 먼저, 본 발명의 모든 실시예에서 테더는 높은 장력을 발전에 사용되는 회전력으로 전환하기 위해 캡스턴에 감겨 있게 된다. 또한 캡스턴은 모터가 테더를 되감을 때 반대방향으로도 사용된다. 테더가 캡스턴에 감긴 된 후에는 장력이 거의 남지 않는다. 10 km 길이의 테더의 총중량은 25,000 kg 이다. 이미 알려진 기술대로 테더를 레벨와인더로 대형 스풀에 감으려면 스풀이 매우 커야 하고 40 km/hr 의 속도으로 무거운 장치에 주의 깊게 감기 위해서는 많은 동력이 소모된다. 본 발명의 회전익 항공기에 기존의 로프보관방식을 사용할 때에는 운동량 제동도 문제가 된다.
본 발명의 로프 탱크는 위에 언급한 기존 기술의 단점을 도 22A와 22B의 방식으로 해결한다. 테더(14)가 캡스턴의 윈치(16)를 따라 이동하면 고장력이 제거되고 테더(14)는 중력에 의해 원통형 탱크(2)로 유입되어 보관된다. 테더(14)는 파워 롤러, 도르래, 가이드에 의해 탱크(2)로 유입된다. 탱크(2)의 둘레는 테더(14)가 자연스럽게 감긴 직경보다 약간 더 크다. 예를 들어 두께 5 cm 의 테더가 탱크 안에 자연스럽게 감기면 그 직경은 1.5 m이다. 따라서 탱크의 직경은 1.6 m로 하고 높이는 보관할 로프의 양에 따라 적절히 결정하여 10 m로 하였다. 원통형 벽으로 둘러싸인 중앙기둥(4)은 직경 1.6 m 의 탱크 안에 동축으로 배열되어 있다. 중앙기둥(4)은 탱크(2)에 테더가 놓일 때 두 번 감기거나 8자 형으로 감기는 현상을 막을 수 있도록 약 0.5 m 직경으로 설계되었다.
파워 롤러(6)는 탱크(2)에 테더를 집어 넣거나 “뱉어내는” 기능을 하며 중앙기둥(4)의 상단에 장착되어 있다. 도 22A의 실시예에 따르면 파워 롤러(6)가 시계 방향으로 움직일 때에는 두 개의 원통 사이의 빈 공간을 통해 테더가 들어가고 반시계 방향으로 움직일 때에는 테더가 나오게 된다. 원통은 지면에 설치할 수 있고 관제탑, 부표, 선박의 일부로 설치할 수도 있다.
테더를 인출하기 위한 출력 행정이 개시되면 파워 롤러(6)의 작용으로 테더(14)가 탱크(2)로부터 인출되며 캡스턴(16)에서의 후방장력은 유지되므로 전원 전환은 우수하다. 테더를 되감기 위한 행정이 개시되면 캡스턴(16)은 테더(14)를 잡아당기게 되며, 이 때에도 파워 롤러(6)는 캡스턴(16)에서의 후방장력을 유지하면서 실린더(2) 안으로 원을 그리듯이 테더(14)를 집어넣는다. 본 테더보관계통은 매우 적은 전력을 사용한다. 탱크(2)의 측면과 중앙기둥(4)의 벽은 테더의 마찰과 발열을 최소화시키는 테플론이나 기타 소재로 코팅되어 있다. 열 소모가 신속하게 이루어지므로 운동량이 없다. 그러므로 테더의 인출과 견인동작 간에 즉시 전환할 수 있다. 본 발명의 로프 탱크는 매우 단순하고 경제적인 테더보관수단이다. 게다가 열 소모를 고려하였기 때문에 보관수단에 의해 테더의 사용수명이 보상되지 않는다.
도 22B의 실시예에 따르면 파워 롤러(6)와 중앙기둥(4)의 높낮이는 로프 탱크(2) 내에서 조절하여 테더(14)가 파워 롤러(6)로부터 탱크(2)의 바닥으로 낙하하는 거리를 최소화시킬 수 있다. 테더의 낙하거리를 줄임으로써 테더(14)가 엉킬 가능성은 현저히 감소된다.
컨넥터(17)는 캡스턴(16)을 컨버터(18)에 물리적으로 연결시킨다. 컨버터(18)는 캡스턴(16)의 회전에너지를 전달 가능한 형태, 보관 가능한 형태, 또는 전달과 보관이 모두 가능한 형태로 적절히 전환할 수 있는 장치이다. 따라서, 컨버터(18)는 발전기, 유압모터, 또는 가스 컴프레셔이다. 발전기를 컨버터(18)로 사용할 시에는 캡스턴(16)이 컨넥터(17)를 통해 전달하는 회전에너지를 전력으로 전환하여 지역, 주, 국가의 배전시설의 전력 그리드로 전달한다.
본 시스템(10)은 테더(14)의 장력에 반하여 위쪽으로 비행하는 회전익 항공기(12)에 의해 작동된다. 따라서 거리를 통해 작동되는 힘이 에너지를 생성한다. 일정 기간 동안 전달되는 에너지의 양이 전력이다. 컨넥터(17)는 테더(14)의 장력과 캡스턴(16)의 회전운동을 기반으로 하여 컨버터(18)에 전력을 전달한다. 그러므로 양력으로 비행하는 회전익 항공기(12)가 테더(14)에 가하는 힘은 컨버터(18)의 저항에 반하여 캡스턴(16)에서 풀려 나온 테더(14)의 양을 바탕으로 하여 전력의 형태로 전달된다.
컨버터(18)가 역방향으로 작동하면 테더(14)가 회전익 항공기(12)를 잡아당긴다. 예를 들어 컨버터(18)가 모터발전기라면 전류가 전달될 때는 모터처럼 작동하고 발전기 모드에서 작동하는 장치로부터 전기를 끌어오기 위해 기계적인 힘이 가해지고 전기적인 부하가 연결될 때에는 발전기로 작동한다. 회전익 항공기(12)는 컴퓨터 제어장치를 사용하여 비행하거나 오토파일럿 모드에서 비행한다. 컨버터(18)는 주기적으로 모터 모드와 발전기 모드로 변경되면서 한 모드에서는 모터로서 작동하고 자동제어를 통해 회전익 항공기(12)를 효과적으로 아래쪽으로 비행시키면서 테더에는 최소장력만이 유지된다.
그러므로 순수에너지획득량은 테더(14)에 연결되어 양력을 받고 있는 2대 이상의 회전익 항공기(12)가 테더(14)에 힘을 가하고 그로 인해 생성된 비교적 큰 장력으로부터 얻어진다. 캡스턴(16)의 테더(14)를 견인하기 위해 반면 2대 이상의 회전익 항공기(12)를 지면에 가깝게 비행시키면 테더(14)에 유지되는 힘은 비교적 적다.
따라서, 테더(14)의 선을 푸는 동안에 비교적 큰 힘이 적용되고, 전력을 공급한다. 다른 양력비행을 준비하기 위해 캡스턴(16)에 테더(14)를 감는 데에는 비교적 적은 전력만이 사용된다.
도 1의 실시예에서는 지면에 수평으로 작동될 때 바람의 방향(20)을 고찰하였으며 회전익 항공기(12)는 바람이 불어오는 방향(20) 쪽으로 비행하게 된다.
본 발명의 실시예에서 각각의 회전익 항공기(12)는 로터(22)라고 하는 회전익을 가지고 있다. 로터(22)는 자동회전으로 이어지는 회전에 의해 작동된다. 로터(22)는 회전평면(28)의 면 부분 내에서 회전한다. 실제적으로 일부 로터는 때에 따라 원추형으로 작동하는 등 어느 정도의 유연성을 가질 수 있다.
일반적으로 테더(14)는 한 방향(24)으로 연장된다. 24a의 방향은 회전익 항공기(12)가 최대 양력방향으로 작동될 때 테더(14)가 캡스턴(16)으로부터 인출되어 향하는 외측 방향을 말한다. 24b의 방향은 회전익 항공기(12)가 최소양력을 가지고 아래쪽으로 비행할 때 최소장력을 가지는 테더(14)를 감는 방향이다.
실제적으로 24의 방향은 경로와 약간 달라질 수 있다. 테더(14)는 무중력이 아니다. 따라서 테더는 완벽한 일직선을 따라 이동하지 않고 포물선 모양으로 현수될 수도 있다. 그러나, 테더(14)의 방향은 어떠한 지점에서도 24의 방향을 따른다.
24의 방향은 테더(14)의 방향(24)과 지표면과 같은 데이텀 사이의 각(26)을 정하는 데에도 도움을 준다. 이와 마찬가지로 바람의 방향(20)은 테더의 방향(24)에 대한 각도(26)를 정한다. 그러므로 각도(26)는 상대바람의 방향(20)과의 관계를 정의한다.
대개 로터(22)와 회전평면(28)은 바람의 방향(20)과의 각도(30)를 형성한다. 그러므로 회전익 항공기(12)가 양수의 각(30)일 때 대기가 로터(22)를 통과하여 로터(22)의 풍차동작이나 자동회전을 유발한다. 로터(22)의 각 블레이드(32, 도 2)는 보트의 돛처럼 작용하기 때문에 바람(20)에 의해 로터(22)가 자동회전된다. 바람의 방향이 변할 때 바람(20)에 의해 블레이드(32, 도 2)로 순운동량이 전달되고 블레이드(32, 도 2)는 순운동량에 의해 바람의 방향이 바뀐 반대편으로 움직이게 된다.
그러므로 각 로터(22)의 개별 블레이드(32, 도 2)의 회전은 각 블레이드(32, 도 2)에 순수속도를 부여한다. 각 블레이드(32, 도 2)는 에어포일 형태로 형성되고 블레이드(32, 도 2)의 상단으로 공기흐름을 유발하며 상단의 공기흐름은 블레이드(32, 도 2)의 하단의 공기흐름보다 더 빠르게 이동한다. 베르누이 효과에 따라 블레이드(32, 도 2)의 상단은 하단보다 압력이 낮아지고 블레이드(32, 도 2)에 양력이 생긴다. 그러므로 각 로터(22)는 아래쪽에서 로터를 통과하여 위쪽으로 흐르는 바람에 의해 풍차 날개처럼 전방으로 이동한다.
도 2를 참조하면 로터(22)의 블레이드(32)는 회전평면(28)의 평면 내에서 회전한다. 로터 블레이드(32)가 매우 낮은 속도으로 회전하면 인입기류(20)에 의해 블레이드(32)의 피치, 또는 받음각(40)이 변경된다. 그러므로 힌지가 위 아래로 자유롭게 접히면서 사실상 로터(22)는 평면이 아닌 원뿔형이 될 수 있다.
그러나, 로터 블레이드 상의 모든 지점은 특정한 평면 내에서 회전하는 것으로 생각할 수 있다. 그러므로 도 2의 블레이드(32), 블레이드의 회전축(34)을 볼 때, 블레이드가 움직이는 전방(36)은 블레이드가 회전해 온 경로는 후퇴방향(38)이 되고 전진방향과 반대편이 된다.
그러므로, 블레이드(32) 하단의 인입기류(20) 때문에 블레이드의 받음각(40)이 형성되며 이 때 받음각이란 인입기류에 대해 블레이드(32)에 생기는 매우 국소적인 피치를 일컫는다. 블레이드의 받음각(40)은 바람의 방향(20)에 대한 코드방향(42)으로 생각할 수 있다. 그 각(40)이 블레이드의 받음각(40)을 형성한다.
베르누이 방정식에서 알 수 있듯이 베르누이 효과에 따라 바람(20)이 블레이드(32) 상단을 지나면 블레이드(32) 상단의 압력이 강하하고 양력이 발생한다. 양력(46)은 위쪽으로 작용하나 바람(20)은 블레이드(32)에 반해 일정량의 항력을 발휘한다. 그러므로 블레이드에 바람(20)의 방향으로 항력(44)이 가해지는 반면, 양력(46)은 그에 대해 직각방향으로 작용하여 블레이드(32)를 들어올린다.
포복비행 시 지표면에 수평으로 운전될 때 바람을 생각할 수 있을 것이다. 도 2를 보면, 중력은 블레이드(32)와 로터(22)의 회전축과 일치하지 않는다. 도리어 블레이드(32)가 일반적으로 인입기류에 대해 양수의 받음각(40)을 가지도록 나열되므로 바람은 블레이드(32)의 바닥면이나 바닥쪽으로부터 인입되어야 하며 중력(48)은 도 2에 도시된 바와 같이 작용한다.
합력(50)은 블레이드(32)에 가해지는 순수힘이 되고 여러 개의 블레이드(32)에 가해지는 합력(50)은 극한의 힘이 된다. 일반적으로 회전익 항공기(12)의 비행방향은 인입기류(20)와 반대편이다. 바람의 방향이 지표면에 평행한 것과 동일한 이유 때문이다.
예를 들어, 항공기는 지표면에 대해 고도를 가지고 높이 주행한다. 테더가 없이 자유롭게 비행하고 있는 회전익 항공기에서 순수합력은 양력에 의해 상향이나, 항력에 의해 운동방향과 반대쪽인 후방이기도 하다. 자유롭게 비행하고 있는 항공기에서 항력은 항공기의 전방이나 후방에 설치된 트랙터 모터의 힘에 의해 극복된다. 본 발명에 따라 테더(14)와 테더의 장력은 상향의 양력(46)과 항력(44)에 저항할 수 있는 힘을 제공한다. 따라서 합력(50)은 회전익 항공기를 부양시킬 수 있는 힘이 되며 테더(14)의 장력을 지탱한다.
도 3을 보면, 회전익 항공기(12)에 동체와 프레임이 갖추어져 있다. 일반적으로 프레임은 화물, 장비 등을 지탱할 수 있다. 이러한 프레임에 외장이 갖추어지면 동체라고 한다. 그러나 본 명세서에서는 프레임과 동체라는 용어를 상호교환하여 사용하며 숫자 52로 표시하였다.
본 발명의 실시예에 따라, 프레임 또는 동체(52)에는 베인 또는 러더(54), 엘리베이터(56)가 포함된다. 러더(54)는 수직베인으로서 작용하며 엘리베이터(56)는 수평베인으로서 작용한다.
러더(54), 엘리베이터(56)를 붐(58, 도 4)의 한 쪽 말단에 장착하면 프레임 또는 동체(52)에 가깝게 고정되어 있는 붐(58, 도 4)의 반대편 끝에 위치하므로 수직베인(54)과 수평베인(56)은 바람(20)과 로터(22)에 대해 프레임 또는 동체(52)의 방향을 조절할 수 있는 지레로서의 힘을 갖게 된다. 특정한 실시예에서 로터(22)는 마스트(60, 도 4) 상에서, 또는 둘레를 회전한다. 마스트(60, 도 4)는 로터(22)를 동체(52)에 고정하는 작용을 한다.
로터(22)는 회전익으로서 작용하므로 마스트(60)를 통해 전원이 전달될 필요가 없다. 그러므로 로터(22)는 마스트(60, 도 4)의 내륜에 고정된 베어링 상에서 회전한다. 마스트는 베어링 시스템 상에서 지지되어 마스트(60, 도 4) 자체가 회전하거나 로터 블레이드(32)와 함께 회전할 수 있다.
도 1-21까지를 일반적으로 참조함과 더불어 도 4를 보면, 다수의 회전익 항공기(12)가 테더(14)에 연결되어 있다. 다수의 회전익 항공기(12)가 테더(14)에 묶여 있다. 각각의 회전익 항공기(12)는 테더(14)에 고정됨으로써 허공에 떠 있으며, 역시 허공에 떠 있는 이전의 회전익 항공기(12)에 의해 부양하고 있다.
각 로터의 블레이드(32)의 받음각(40)은 자동회전이 가능할 만큼 충분히 낮거나 심지어 음수의 값이기도 하다. 로터(22)가 적절한 속도으로 회전하기 시작하면 블레이드(32)는 회전평면(28)을 벗어나 직선으로 연장되며 각 블레이드(32)는 지정된 받음각(40)으로 작동한다.
각 블레이드의 받음각(40)은 해당 블레이드에 과도하게 흐르는 공기에 의해 생성되는 양력(46)을 제어한다. 로터의 받음각(30)이 증가하면 항력도 증가하고 인입기류(20)에 노출되는 로터(22)의 면적이 커진다. 그러므로 자동회전을 개시하기 위해서 바람의 방향에 노출되는 로터의 전체면적만큼 받음각(30)이 커지도록 지면에 가까이 있는 회전익 항공기(12)가 기울어진다.
실제적으로, 다수의 회전익 항공기(12)가 테더에 연결되어 있는 상황에서는 한 대를 이륙시킨 후 각각 이륙시키거나 부양시켜야 한다. 만약 여러 대의 회전익 항공기(12)가 수평으로 배열되어 있으면 각각의 회전익 항공기를 연이어 부양시킬 수 있으며 이 때 상대적으로 높은 곳에 있는 회전익 항공기(12)는 자신과 바로 옆에 연결되어 있는 회전익 항공기(12) 사이의 테더(14)의 장력을 증가시킨다. 그러면 상대적으로 낮은 회전익 항공기가 테더에 의해 당겨져 부양하게 된다. 방향조절에 있을 수 있는 일부 난점들은 이륙장치인 플랫폼을 설치하여 적절한 방향조절을 유지하고 회전익 항공기(12)에 가해지는 갑작스러운 부하를 최소화함으로써 해결한다.
그럼에도 불구하고, 로터의 받음각(30)을 제어함으로써, 블레이드(32)가 정확히 수평인 이론적인 회전축(34) 둘레를 회전하면서 자동회전이 개시된다. 지표면에 고정된 시스템에서 사용되듯이 풍차날개처럼 효과적으로 작동한다. 그러므로 수평회전축(34)과 수직회전축(34) 간의 어느 지점에는 로터(22)의 아래로부터 유입되는 인입기류(20)에 의해 자동회전이 개시될 수 있는 적절한 가동각이 있다.
로터(22)의 각속도가 증가하면 블레이드의 받음각(40)은 감소하고 로터의 받음각(30)도 감소한다. “델타” 로터의 개념과 같은 일부 실시예에서 로터의 받음각(30)과 블레이드의 받음각(40)은 서로 연결되어 있다. 다른 실시예에서는 로터의 받음각(30)과 블레이드의 받음각(40)이 서로 완전히 분리되어 제어된다.
테더(14)에 반하여 견인되고 있는 다수의 회전익 항공기(12)는 총양력(46)과 동일한 합하여진 힘을 총항력(44)에 가하며, 이 힘은 곧 테더(14) 위로 비행하고 있는 모든 회전익 항공기(12)가 테더(14)에 가하는 양력의 순수합력(50)이다.
도 1-21까지를 일반적으로 참조함과 더불어 도 5A-5C를 보면, 일실시예의 회전익 항공기(12)의 방향은 회전익 항공기(12)의 피치를 제어함으로써 조절된다. 예를 들어, 도 5A에서 알 수 있듯이, 로터의 받음각(30)은 인입기류에 대해 0 이하의 값으로 떨어질 수 있다. 이 때 회전익 항공기(12)는 공중으로 천천히 날아오른다. 이 때 작용하는 양력은 로터(22)의 블레이드(32) 위를 지나는 공기에 의해 로터(22)나 회전익의 회전 자체에 의한 양력뿐이다. 또한 도 5A에서 알 수 있듯이 허브(62)는 회전익 항공기(12)의 프레임 또는 동체(52)에 대해 회전한다. 각 블레이드(32) 간의 피봇(64)과 허브(62)를 통해 각각의 블레이드(32)의 “플래핑” 동작이 가능하다. 따라서 각 블레이드(32)는 허브(62)에 대해 원하는 각도로 올라간다.
피니언 또는 스퍼기어(68)는 트랙(66)을 따라 작동하면서 회전익 항공기(12)의 피치를 변경시킨다. 본 실시예에서 항공기의 피치는 허브(62)의 방향을 제어한다. 따라서, 블레이드의 받음각(40)이 로터의 받음각(30)에 연결되어 있다면 회전익 항공기(12)의 피치 제어에 의해 영향을 받는다.
예를 들어, 도 5B를 볼 때, 인입기류(20)의 방향은 로터(22)를 통과하여 위쪽으로 향한다. 속도이 충분히 높다면 원심력이 블레이드(32)에 가해져서 허브(62)로부터 정확히 일직선으로 뻗치게 된다. 도 5B에서 바람(20)은 로터(22)와 여기에 연결된 블레이드(32)를 통과하여 지난다. 그러므로 인입기류(20)는 블레이드를 자동으로 회전시킨다. 베르누이 효과의 직접적인 결과에 따른 받음각 또는 블레이드 피치(40)에 의해 프레임 또는 동체(52)에 양력이 발생하기 시작한다. 피니언(68)은 서보에 의해 작동되어 트랙(66)을 따라 이동하므로 회전익 항공기(12)의 로터의 받음각(30)을 제어한다.
도 5C는 시스템(10)의 일실시예의 회전익 항공기(12)이며 극한자세에서의 로터(22)에 의해 피치가 이루어진다. 예를 들어, 접힌 블레이드(32)는 블레이드(32)와 허브(62) 사이에 있는 피봇에서 회전한다. 따라서 회전속도가 낮아 원심력이 적을 때에는 블레이드(32)에 작용하는 항력(44)이 피봇(64)에서 블레이드를 “꺾거나” 들어올려서 회전평면(28)에서 벗어난 원뿔형에 가까운 모습이 되고 풍차날개처럼 주위로 밀게 된다.
그러므로 트랙(66)을 따라 작동되는 피니언(68)은 인입기류(20)에 대해 매우 가파른 자세로 회전익 항공기를 기울이고 로터(22) 또는 블레이드(32)는 “풍차동작”을 하거나 자동회전된다. 블레이드(32)가 피봇(64) 위에서 상승하여 회전익 항공기(12)의 프레임(52)으로부터 멀어지면 각 블레이드(32)의 피치각(40)이 변화한다. 따라서, 받음각이 양수가 아닐 때 블레이드(32)는 양력(46)을 제공하지 않고 인입기류(20)로부터 전달되는 운동량에 의해 단순히 자동회전(보트의 돛이나 풍차날개와 같이)만 한다. 로터(22)의 회전속도 또는 각속도가 증가하면 도 5C의 자세에서부터 도 5B의 자세까지의 동작에서 블레이드(32) 속도는 증가한다. 블레이드(32)는 원심력에 의해 회전익 항공기(12)의 허브(62)로부터 최대로 뻗어 나온 상태로 유지된다. 도 5의 실시예에서 러더(54)는 프레임(52)과 로터의 방향을 조절한다.
도 1-21까지를 일반적으로 참조함과 더불어 도 6을 보면, 본 발명에 따른 시스템(10)의 다른 실시예를 도시하였으며 피치 제어기(70)가 레일(66)을 따라 작동되고 있다. 레일(66)은 톱날형 레일과 평활레일이 있다. 제어기(70) 내에 장착된 롤러 또는 피니언(68)이 프레임(52)의 레일(66)을 따라 앞뒤로 제어기(70)를 이동시킨다.
도 5A-5C의 실시예에서는 러더(54)가 테더(14)에 대해 회전익 항공기(12)를 회전시킨다. 이와는 달리 도 6의 실시예에서는 테더(14)에 다른 제어기(72)가 장착되어 회전익 항공기의 롤을 제어하며 제어기(70)는 피치 제어기이다. 롤 제어기(72)는 피치 제어기(70) 사이에 연장되어 있는 트랙(76) 위에서 작동한다. 프레임은 프레임(52)의 전방과 후방 사이의 확산각(71)을 유지하고 피치 제어에 사용되는 트랙(66)의 길이 또는 둘레를 확보한다. 이와 마찬가지로 프레임(52)의 좌측과 우측 사이의 각(74)은 확산각으로 작용하며 롤 트랙(76)을 따라 작동하는 롤 제어기(72)에 의해 롤 제어가 이루어진다. 실시예에서 블레이드 피치각(40) 또는 블레이드 받음각(40)은 회전익 항공기(12)에 설정된 로터의 받음각(30)과는 개별적으로 정해진다.
도시된 실시예에서 블레이드 받음각(40)은 각 블레이드(32)에 대해 설정되어 있어 로터(22)가 자동회전 할 수 있게 된다. 그 이후 블레이드(32)가 회전익 항공기(12)의 비행방향과 동일한 방향으로 전진할 때 블레이드 받음각(40)은 회전하는 블레이드(32)의 앞전(77)에 불어오는 인입기류(20)에 대해 순수 양의 각으로 증가하게 된다.
회전익 항공기(12)가 테더(14)에 묶여 있을 때 전방 블레이드(32)의 앞전(77)은 인입기류를 향해 비행한다. 다른 블레이드(32)는 후퇴 블레이드(32)이며 다른 상대바람에 의해 후퇴된다. 상대바람의 순수속도은 인입기류(20)에 대한 회전익 항공기(12)의 속도에 프레임(52)의 전방 블레이드(32)의 상대속도를 합한 값이다. 이와 마찬가지로 후퇴 블레이드(32)는 도 2에 표시된 후퇴방향(38)으로 주행한다. 그러므로 회전익 항공기(12)의 속도는 인입기류(20)에 대해 양의 값이며 블레이드의 속도는 회전익 항공기에 대해 음의 값이다.
실시예에서는 러더(54)와 엘리베이터(56)이 인입기류를 향해 비행하는 회전익 항공기(12)의 방향을 조절하기 위해 사용된다. 그러나 롤 제어(72)는 항공기의 측면자세와 그에 연결된 로터(22)를 제어하는 데 사용된다. 피치 제어기(70)는 레일(66)을 따라 동작하면서 항공기의 로터의 받음각(30)을 정한다. 전술한 바와 같이, 도 6의 실시예에는 로터 내에 장착되거나 허브(62)에 부착된 제어기가 표시되어 있다. 이 제어기는 각 블레이드(32)의 받음각(40)을 개별적으로 변경한다.
허브(62)는 마스트라고 하는 마운트 구조(60)에 고정되어 있다. 어떤 실시예의 마스트(60)에서는 허브(62)의 메인 베어링 어셈블리 내에 구면 베어링, 부싱, 저널이 장착되어 있다. 그러므로 어떤 실시예에서 허브(62)는 회전익 항공기(12)의 프레임(52)으로부터 떨어져 자립할 수 있고 로터(22) 스스로 적절한 롤 각도를 찾는다.
예를 들어, 앞전(77)은 인입기류(20)에 대해 더 높은 상대속도로 작동되기 때문에 더 빠르고 높이 비행한다. 전진주행 또는 전방 블레이드(32)에 대한 상대바람속도는 바람(20)에 대한 회전익 항공기(12)의 속도와 항공기 프레임(52)에 대한 블레이드(32)의 상대속도를 더한 속도이다. 그러므로 회전익 항공기(12)의 전진속도은 회전하고 있는 전방블레이드(32)의 전진속도를 더한 값이다.
반대로, 후퇴블레이드(32)는 항공기 프레임(52)의 전진속도의 인입기류(20)에 대한 순수속도에서 후퇴블레이드에 의한 선형속도(반경에서의 각속도)를 뺀 값이다. 현실상 문제로 인해, 후퇴블레이드의 상대속도는 후퇴방향으로의 속도이다. 그러므로 항공기 프레임(52)의 전진속도로부터 제한다. 그러므로 각 블레이드(32)의 어느 지점에서의 회전속도는 회전익 항공기(12)의 프레임(52)의 전진속도를 (전진블레이드)에 더하고 (후퇴블레이드)로부터 뺀 값이다. 그러므로 전진블레이드(32)는 더 높게 비행하고 후퇴블레이드는 더 낮게 비행할 것이다. 로터(22)는 특정 자세에서 롤 행동을 하는 경향이 있다. 마스트(60)를 기준으로 전진블레이드는 높은 각에서 위쪽으로 뻗어나가고 후퇴블레이드는 낮은 각에서 아래쪽으로 뻗어나간다.
마스트(60) 꼭대기의 마운트(79)는 다양한 제어장비, 통신장비 등을 장착할 수 있는 플랫폼이다. 예를 들어, 어떤 블레이드 피치 제어장치를 마운트(79)에 연결할 수 있다. 다른 실시예에서는 이러한 블레이드 피치 제어장치를 허브(62)에 바로 연결시켜 로터(22)와 블레이드(32)를 회전시킨다.
본 발명의 회전익 항공기(12)의 일실시예인 도 7을 보면, 트랙(66)의 전방(66a)과 후방(66b)이 표시되어 있다. 전방(66a)과 후방(66b) 사이에는 반경이 상당히 작은 함몰된 부분, 또는 멈춤쇠가 있다. 그러므로 회전익 항공기(12)의 프레임(52)은 테더(14)에 고정되어 있을 때 특정 방향을 가지는 우선적인 위치를 취할 수 있다. 도 6의 실시예와 마찬가지로 도 7의 실시예에서도 앞전(77)과 뒷전(78)이 있다. 앞전(77)은 비교적 부풀어오른 형태이다. 반대로 뒷전(78)은 가늘고 날카롭다. 이러한 배열은 에어포일 또는 로터 블레이드의 공기역학에 의한 것이다. 특히 양력을 제공하고 항력을 최소화한다.
도 6의 실시예와 유사하게, 제어기(70, 72)에는 트랙(66)을 따라 작동하는 적절한 휠 또는 피니언(68)이 있다. 그러나 본 실시예에서는 트랙(66) 상에 존재하는 우선적인 “낮은 지점(low spot)”은 항공기를 우선적 위치에 유지시킨다. 물론, 원하는 위치는 제어기(70, 72)를 조작함으로써 바꿀 수 있고 인입기류(20)에 대한 프레임(52)과 로터(22)의 피치를 다른 각도로 조절할 수 있다.
다른 실시예인 도 8을 보면, 델타 타입의 힌지 로터(22)가 허브(62)와 블레이드(32) 사이에서 피봇(64)을 갖고 있다. 허브(62) 중심으로부터 나온 반경에 대해 꺾인 경로를 따라 연장되는 피봇과는 달리 로터의 받음각(30)은 블레이드의 받음각(40)과 연결된다.
회전익 항공기의 허브(62)에는 로터와 마스트(60) 사이의 회전 마찰력을 줄일 수 있는 베어링이 장착되어 있다. 베어링에는 마스트(60)가 회전하거나 회전하지 않을 때에도 고정되어 있는 내륜(82)이 있다(베어링의 상세구조는 도 11-14 참조). 내륜(82)은 마스트(60)에 대해 두드러진 회전을 하지 않는다. 베어링 롤러(스러스트 베어링 롤러, 볼 베어링, 팀켄 베어링 등)는 내륜(82)과 외륜(86) 사이에서 작동한다.
그러므로 일반적으로 베어링은 내륜(82) 둘레를 회전하는 외륜(86)으로서 작동하는 반면, 롤러(84)는 그들 사이에서 회전한다. 다른 실시예에서 내륜(82)은 회전하고 외륜(86)은 고정된 상태로 있으나, 베어링 롤러(84)는 상대운동의 마찰력을 줄이기 위해 그들 사이에서 회전한다. 현재 실시예에서는 로터(22)가 프레임(52)에 단단히 고정되어 있는 마스트(60)에서 작동하고 외륜(86)은 프레임(52)에 대해 움직이는 반면 내륜(82)은 마스트(60)에 단단히 고정되어 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 구면 베어링은 로터 허브(62)를 회전시켜서 필요한 롤 각을 조절하여 전진블레이드(32)는 상향으로, 후퇴블레이드는 상대적으로 낮게 비행시킨다.
도 8을 보면, 로터(22)의 회전방향(81)은 회전방향(81) 내에서 각 블레이드(32)의 회전을 의미한다. 속도이 낮은 최초비행자세에서 각 블레이드(32)는 지면으로부터 떨어져 상향으로 부양하거나 피봇(64)에서 테더에 고정된 방향으로 부양한다. 도 7-9의 실시예에서 허브(62)에는 마스트(60) 상단의 마운트(88)를 갖고 있으며 여기에는 베어링(80)이 단단히 고정된다. 마운트(88)는 구면 베어링 또는 피봇 형태로 제조할 수 있다.
로터의 받음각(30)이 개시되면 로터(22)가 비교적 낮은 속도로 회전하여 양력(44)을 발생시키고 양력은 로터 블레이드(32)에 반해 작용하여 테더(14)로부터 띄워올린다. 그러므로 피봇(64)은 각 블레이드(32)를 풍차처럼 회전시킨다. 그러나, 블레이드(32)가 피봇(64) 둘레를 회전하면 블레이드의 받음각과 로터의 코닝각이 영향을 받는다.
예를 들어, 블레이드(32)의 끝단이 올라가면 블레이드(32)는 평면 스위프가 아닌 원뿔형 스위프 내에서 회전한다. 게다가, 블레이드(32)가 피봇(64) 둘레를 회전할 때 반경과 피봇(64)의 축 사이에 형성되는 각도는 각 블레이드(32)의 받음각을 변화시키거나 어떤 뒤틀림을 유발한다. 그러므로, 블레이드(32)가 인입 기류(20)의 항력(44)에 의해 들어올려지는 경향은 블레이드의 받음각(40)을 감소시키는 경향이 있으며, 따라서 인입 기류(20)의 순수 운동량 전달의 증가가 블레이드(32)와 로터(22)를 회전 또는 자동회전(때로 풍차운동이라고도 함)하도록 한다.
도 8의 실시예에서 액츄에이터(90)에는 가동소자(92)와 하우징(94)이 갖추어져 있으며 하우징은 회전익 항공기(12)의 프레임(52)에 단단히 고정되어 있다. 여기에서 프레임(52)은 테더(14)에 고정되어 있는 관에 불과하다. 그러므로 액츄에이터(90)는 가동소자(92)를 연장시켜 베어링(80)의 내륜(82)에 고정되어 있는 붐(58)을 회전시킨다. 따라서 내륜(82)은 마운트(88)와 함께 회전하고 로터(22) 전체의 피치가 변화한다.
베어링(80)과 허브(62)의 피치 조절에 의해 로터의 받음각(30)이 변화한다. 도 5-7과 같이 허브(62)가 마운트(88) 둘레를 회전하거나 로터의 받음각(30)을 변화시키기 위해 프레임(52) 전체가 피치조절방향에서 회전할 때 바람은 각 블레이드(32)의 밑면에 대해 더 큰 항력을 야기한다. 한편, 러더(54)와 같은 수직베인(54)도 프레임에 연결되어 있다. 그러므로 베인(54)은 우세풍 내에서 프레임(52)과 로터(22)로 대표되는 회전익 항공기(12)의 방향을 유지한다.
일반적으로, 각 블레이드(32)의 형상 또는 단면(95)에는 블레이드(32)의 길이를 따라 뻗어 있는 스파(96)이 있다. 스파(96)는 블레이드(32)의 굽힘력에 반해 강성도를 유지한다. 어떤 실시예에서는 블레이드의 형상 또는 단면(95)이 꽉 차 있다. 그러나 대부분의 항공기에서 블레이드(32) 내부는 중량을 최소화하기 위해 비어 있어야 한다. 그러므로 스파(96)는 에어포일이나 로터 블레이드(32)의 코드를 양분하거나 적절히 나눈다.
코드는 앞전(77)에서부터 뒷전(78)까지의 길이를 말한다. 블레이드(32)의 코드에서의 강성도는 일반적으로 외장, 날갯살 등으로 이루어진다. 반면 굽힘력은 각 블레이드(32)의 윗면에 가해지는 양력(46)에 의한 굽힘하중을 지탱하기 위해 스파(96)가 필요하다.
본 발명의 다른 실시예인 도 9를 보면, 여러 대의 회전익 항공기가 테더(14) 상에 줄줄이 매달려 있다. 인접한 로터(22) 사이에는 적절한 길이의 테더(14)가 있어 서로 분리된다. 그러나 프레임(52)은 테더(14)에 맞는 단순한 관형 구조로 되어 있고 테더(14)에 고정되어 있기 때문에 회전익 항공기가 테더(14)에 고정된다.
도 10을 보면, 회전익 항공기(12)의 프레임(52)에 플랫폼(100)이 있다. 이전의 실시예에서는 프레임(52) 상단에서는 플랫폼(100)이 거의 보이지 않는다. 프레임(52)의 나머지 구조에 고정되어 있는 상단의 플랫폼의 일부를 로터 허브(62) 아래에서 볼 수 있다.
반면, 도 10의 실시예에서는 전방말단(103)에서부터 후방말단(101)까지의 긴 플랫폼(100)을 볼 수 있다. 전방말단(103)에 가까운 플랫폼(100) 부분은 피봇(102) 근처에서 피치가 조절된다. 그러므로 회전익 항공기(12)의 프레임(52)의 자세나 각도가 변화할 필요 없이 피치각(30) 또는 로터 받음각(30)이 변한다. 스프링 등의 바이어스 소자(104)는 플랫폼(100)이 프레임(52)의 나머지 부분에 대해 특정한 자세를 취하도록 한다.
도 10에서 알 수 있듯이, 프레임(52)의 스톱은 플랫폼(100)을 멈추게 하여 수평위치 아래로 낙하하지 않도록 한다. 그러나, 바이어스 부재 또는 스프링(104)의 저항에 반하여 플랫폼(100)의 후방말단(101)은 프레임(52)의 나머지 부분으로부터 들어올려지고 로터 받음각(30)을 변화시킨다. 로터 받음각(30)은 로터(22)가 회전할 때 회전축(34)에 의해 결정된다.
플랫폼(100)은 피봇(102)으로부터 연장되어 소정 거리(106)에 회전축(34)이 배치된다. 이 거리 또는 길이 L(106)은 프레임(52) 상에서 일반적으로 회전축(34)이 지나는 피봇 포인트(102)와 로터(22)의 실제 회전축 사이의 거리(106)이다. 반면 플랫폼(100)의 회동 방향(105)은 허브(62)와 로터(22)의 회전 평면(28)에서 이격되어 있다. 회전 평면(28)이 피봇(102) 또는 플랫폼(100)의 중립 위치 또는 수평 위치에서 위로 이동되는 이 거리(108)는 수직 이격 거리 D(108)이다. 로터(22)의 항력 대 양력의 비율은 거리 D(108) 대 거리 L(106)의 비율에 반영된다. 따라서 항력 대 양력의 비율은 수직 변위(108) 대 이격 거리(106)의 비율과 같다.
도 11-14를 보면, 허브(62)와 피봇(64)의 다양한 실시예가 도시되어 있다. 또한 본 발명에 따라 다양한 액세서리도 회전익 항공기(12)에 사용되고 있다. 예를 들어, 도 11의 실시예에서 방향(81) 안에서 회전하고 있는 로터(22)의 앞전(77)은 뒷전(78)보다 적은 반경으로 회전한다. 이는 피봇(64)이 허브(62) 중심으로부터 뻗어나온 반경에 대해 직각이지 않고 블레이드(32)를 따라 기울어졌기 때문이다. 각 블레이드(32)의 코드(109)는 반경(111)에 대해 직각이다.
그러므로 피봇(64)의 각은 코드에 평행이 아니고 피봇(64)부터 코드(109)까지의 반경은 앞전(77) 쪽으로는 좀 더 짧고 뒷전 쪽으로는 좀 더 길다. 그러므로 코드(109)는 블레이드(32)가 피봇(64) 둘레를 회전할 때 블레이드 받음각(40)이 변화하는 것을 알 수 있다.
블레이드(32)는 언제나 피봇(64)과 허브(62)에 대해 위쪽으로 회전하므로 앞전(77)은 피봇(64)과 코드(109) 사이의 반경 또는 거리가 짧은 상태로 작동한다. 그러므로 상향운동 시 뒷전(78)은 피봇(64)과 코드(109) 사이의 반경 또는 거리가 긴 상태로 더 긴 거리를 운동하는 경향이 있다.
이와 같이 블레이드(32)가 허브(62)로부터 위쪽으로 올라가 원뿔형처럼 동작하면 받음각의 음수가 더 커진다. 각 블레이드(32)가 허브(62)를 지나는 평면 상에서 회전하면 각 블레이드(32)의 받음각(40)이 낮아진다. 그러므로 블레이드 받음각(40)은 피봇(64)과 허브(62)에 대한 각 블레이드(32)의 회전과 관계된다.
도 12에서 알 수 있듯이 또 다른 일실시예에 따르면 발전기(110)는 회전익 항공기(12)와 로터(22)에 연결된 계측기와 제어장비를 작동시키기 위해 필요한 작동전원을 제공한다. 예를 들어, 회전익 항공기(12)를 상하로 비행시키는 오토파일럿을 작동시키는 전력은 발전기(110)가 발생하는 탑재전원이다. 발전기(110)는 내륜(82)과 외륜(86)에 고정된 코일(112)과 내륜(82)과 외륜(86)의 반대편에 부착된 자석을 변위시킴으로써 작동된다. 사실상 자석(114)은 감긴 전자석 또는 영구자석이다. 권선(11)은 자석(114)이 생성한 전자기장을 지나고 권선(11)에 전류가 생성된다. 그러므로 발전기(110)는 회전익 항공기(12)의 다양한 계측기, 제어기 등에 동력을 공급하는 국소축전기 등에 어느 정도의 전원을 공급한다.
다른 실시예에 따르면 원치 않는 상황에서 이륙, 착륙에 사용될 비상전력이 공급된다. 따라서 분사기(116)가 블레이드(32)의 바깥쪽 말단 근처에 장착되어 있다. 분사기(116)는 지상국에서 원격으로 제어되며 필요에 따라 회전익 항공기(12)의 로터(22)를 회전시키고 무풍조건 하에서 일시적으로 특정 회전익 항공기(12)를 하강비행시킨다.
도 1-21까지를 일반적으로 참조함과 더불어 도 13을 보면, 본 발명에 따른 로터(22)의 일실시예가 도시되어 있다. 여기에는 블레이드(32)에 고정되어 있고 반경을 따르지 않고 허브(62)로부터 자체적으로 뻗어 나갈 수 있는 피봇(64)이 포함되어 있다.
예를 들어, 도 13의 실시예에서 블레이드(32) 자체는 사실상 허브(62) 중심으로부터의 반경(111)을 지나 직각으로 뻗어 있는 피봇(64)에 의존한다. 원심력이 반경(111)을 따라 블레이드(32)를 “일직선으로 펴려고” 하기 때문에 블레이드(32)는 굽힘응력을 받는다. 피봇(64)과 블레이드(32)의 전장은 반경(111)을 따라 블레이드(32)에 가해지는 이러한 굽힘력에 저항해야 한다.
이 경우, 앞전(77)은 뒷전(78)에 비해 허브(62) 중심으로부터의 반경이 작은 상태로 작동한다. 따라서 이러한 구성은 도 11-12와 유사한 방식으로 작동한다. 즉, 코닝각 또는 블레이드(32)가 평면으로 회전하지 않고 원추형으로 부양하여 운전하는 경향이 일어나고 피봇(64) 주위에서 블레이드(32)가 회전하는 동작에 의해 블레이드의 받음각(40)이 변하게 된다.
이 경우 피봇(64)에 의해 각 블레이드(32)에 연결된 스터브(98) 또는 앵커(98)는 허브(62)의 일부로서 단단히 고정된 고정소자처럼 연장된다.
도 14를 보면 도 5-13의 실시예와 마찬가지로, 앵커(98)는 허브(62)에 고정되어 함께 회전한다. 핀(118)은 각 앵커(98)까지 뻗어 트러니언(120)을 각 블레이드(32)에 고정시킨다. 실시예에서 핀(118)은 허브(62)의 회전축(34) 또는 회전중심을 지나는 반경(111)에 직각방향으로 뻗어 있다.
이와 마찬가지로 로터(22)는 마스트(60) 주위로 기울어져 있고 구면 부싱이나 구면 볼 컨넥터와 같은 마운트(88)에 고정되어 있다. 따라서, 로터(22)의 받음각(30)은 블레이드(32)의 받음각(40)과는 개별적으로 제어된다.
다른 실시예에서 피봇(64), 특히 핀(118)은 허브(62)의 회전중심을 지나는 반경(111)에 직각방향으로 뻗어 있다. 따라서 각 블레이드(32)의 코닝 또는 부양과 그에 해당하는 블레이드(32)의 받음각(40)은 서로 관계된다. 이와 마찬가지로 핀(118)은 허브(62)의 회전중심을 지나는 반경(111)에 직각방향으로 뻗어 있고, 블레이드(32)는 도 13의 블레이드처럼 꺾인 채로 뻗어 있다.
도 15A-15B는 회전익 항공기(12)의 일실시예이며 테더(14)에 고정되어 있는 프레임(52)이 도시되어 있다. 반면, 서보로 제어되는 피니언(68)은 트랙(66)을 따라 동작하면서(한 개의 트랙(66), 여러 개의 트랙(66) 등) 회전익 항공기(12)를 고정하면서 장력이 가해진 테더(14)에 대해 프레임(52)의 피치를 제어한다. 일실시예에서 스프링, 신축밴드 등의 바이어스 소자(124)는 도 15B에 도시된 자세로 블레이드(32)를 부양시킨다.
블레이드(32)가 도 15B와 같이 비교적 높은 위치에 있게 되면 블레이드 받음각(40)은 도 11-14에 도시된 피봇(64)과 마찬가지로 음수가 된다. 반면, 도 15B의 블레이드(32)의 단면(95)은 도 15A의 구성에 대해 음수의 받음각(40)으로 비행한다. 반면 도 15A의 구성에서 블레이드(32)는 허브(62)의 회전축(34) 주위의 평면으로 하강하여 원심력에 대해 작동한다. 이 경우, 테더(14)는 허브(62)를 통과하는 것으로 보인다. 사실상 한 테더(14)에 한 대의 회전익 항공기(12)만이 매달려 있을 때에는 테더(14)는 프레임(52)이나 허브(62)에서 종료된다.
원심력은 허브(62)와 블레이드(32) 사이에 연결되어 있는 바이어스 소자(124)의 편향을 볼러드(126) 또는 기타 부착장치를 통해 압도한다. 원심력은 바이어스 소자(124)의 편향력을 압도하므로 블레이드(32)를 평면에서 작동시킨다. 도 15A의 구성에서의 블레이드 받음각(40)은 가장 높은 양수의 값이다.
반면, 낮은 속도의 구성에서 블레이드가 정지 또는 비회전 위치에 있다가 가동되기 시작될 때 회전익 항공기(12)의 속도이 충분히 낮거나 회전력이 충분히 낮다면 각 블레이드(32)는 바이어스 소자(124)에 의해 부양한다. 그러면 블레이드(32)를 편평하게 하여 펼쳐질 만큼 충분한 원심력을 생성하기에는 부족한 속도에서 바람(20) 자체로는 코닝각이나 로터(22)의 코닝현상을 증가시키기에는 충분히 못하지만 바이어스 소자(124)가 자동으로 그러한 기전을 보충함으로써 항공기를 부양시킨다. 그러므로 탄력성 소자인 바이어스 소자(124)는 원심력에 의해 제어되고 블레이드 피치를 소극적으로 제어한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 바이어스 소자(124) 중 서보 액츄에이터는 블레이드 피치를 적극적으로 제어한다. 블레이드의 받음각은 회전을 시작하는 풍차의 상태(음수의 받음각)이거나 자동회전에 도달할 수 있는 양수의 받음각을 갖도록 적극적으로 제어될 수 있다.
도 16-17의 일실시예를 보면, 구조(130)가 회전반(132)을 지탱하고 있다. 회전반(132)는 회전익 항공기(12)의 러더(54)가 바람(20)을 향해 방향을 조절할 수 있는 충분한 회전하중을 생성할 때 생기는 마찰력을 줄이기 위해 베어링으로 지탱된다.
회전반(132)이 반드시 필요한 지 여부에 관계 없이, 스탠드오프(standoff)는 회전반(132) 높이 위로 피봇(136)을 상승시킨다. 피봇(36)의 위의 데크(140)는 수평에 대한 자세(각)를 소극적 또는 적극적으로 제어한다.
예를 들어 도 16의 회전익 항공기(12)는 프레임(52)으로부터 뻗어 나온 레그 또는 피트(138)에의해 지탱되는 데크(140) 위에 착지되어 있다. 레그(138)는 프레임(52)의 일부이거나 신장되는 유형이거나 영구 부착된 것이나 접이식 등으로 할 수 있다. 구조(130)가 상승하면 항공기 로터(22)는 지표면으로부터 상승된다. 그러므로 회전익 항공기(12)는 데크(140)를 기울여 로터의 받음각(30)을 증가시킴으로써 이륙시킨다. 착륙 시에도 동일한 과정으로 한다.
예를 들어, 테더(14)는 회전익 항공기(12)를 아래쪽으로 잡아당기고 제어시스템은 로터 받음각(30)이나 블레이드 받음각(40), 또는 두 각을 모두 변경시킴으로써 회전익 항공기(12)를 하강비행시킨다. 항공기가 하강비행될 때 테더(14)의 장력이나 가해지는 힘이 감소하게 된다. 캡스턴(16)은 테더(14)에 반하여 회전익 항공기(12)가 부양하고 있을 때 항공기가 생성하는 에너지보다 더 적은 에너지를 사용하여 회전익 항공기(12)를 견인한다. 이 때 테더(14)에는 최대장력이 생성된다.
회전익 항공기(12)가 데크(140)에 접근하면 레그(138)가 데크(140)에 닿고 회전익 항공기(12)에 맞추어 데크의 방향을 조절하거나, 데크의 방향에 맞추어 회전익 항공기(12)의 방향을 조절한다. 궁극적으로 데크(140)는 보관, 정비 등을 위해 수평이 된다.
도 24에는 이착륙 고정구(184)를 도시하였다. 이 장치는 본 발명의 회전익 항공기를 지면상, 관제탑, 바다 위의 부표나 선박의 단일지점에서 이착륙시킬 수 있다. 이착륙 고정구(184)는 이착륙 활주로의 필요성을 제거한다. 테더(14)를 감아들이면 회전하는 블레이드가 약 10노트 정도의 충분한 속도를 계속 유지하면서 고정구에 무풍착륙이 가능하다. 본 발명에 따른 회전익 항공기의 양력은 매우 크고 이륙 시 테더의 중량은 거의 최소이기 때문에 10노트 이하의 바람으로 이륙이 가능하다.
이착륙 고정구(184)에는 테더(14)와 2개의 브라이들 줄(170)이 스내치 블록(188)(매우 짧은 줄의 도르래)을 지날 때 이들을 제한하는 계류슬롯(186)이 갖추어져 있다. 스내치 블록(188)은 베어링 롤러와 중앙이 공동인 회전반(200)의 한가운데에 있다. 본 발명에 따르면, “브라이들”이라는 용어는 테더를 조작할 목적으로 사용하는 줄이나 케이블을 가리킨다. 2개의 브라이들 줄(170)은 브라이들 매듭에서 만나 테더(14)를 형성한다. 계류슬롯(186)에는 2개의 서포트 암(202)이 있다. 스내치 블록(188)은 테더(14)가 꼬이는 문제나 복잡한 회전장치 없이도 공중의 모든 사분면을 자유롭게 비행할 수 있도록 한다. 스내치 블록(188)의 위치는 중앙이 공동인 회전반(200) 바로 밑의 중앙이며 고정되어 있는 캡스턴(16), 컨버터(18)로 테더(14)를 이끌어 준다. 테더보관장치는 이동시킬 필요가 없으며 착륙 고정구(184)로부터 위치나 거리에 구애 받지 않고 착륙 고정구(184) 하단에 영구적으로 설치할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 여러 대의 회전익 항공기는 저마다 이착륙 고정구를 이용하며 공통발전시설을 공유한다. 테더는 롤러나 도르래(안전상 이유로 파이프 내에 있음) 시스템을 사용하여 지면을 가로질러 일정 거리에서 달리고 있으며 공통발전시설은 테더의 장력을 공통발전시설 및 테더보관시설에 전달한다.
그러므로 도 24의 이착륙 고정구는 무거운 착륙기어 없이 회전익 항공기를 안착시키고 고정한다. 고정구가 위아래로 회전하면 고정구로부터 회전익 항공기를 떼어내지 않고 로터의 받음각을 변경할 수 있다. 따라서 회전익 항공기를 가동시키고 이륙하기 전에 큰 양력을 생성해 낼 수 있으며, 반대로 착륙 시에는 항공기를 끄고 로터를 정지시킬 수 있다. 회전익 항공기가 계류슬롯(186) 내에 계류된 상태에서 롤 제어와 함께 비행할 수 있는 능력이 있기 때문에 모든 사분면으로부터 불어오고 심지어 180도 변하는 풍향 변화와 돌풍을 처리할 수 있다. 회전반(200)은 공중이나 고정구(184)에 계류된 상태에서 회전익 항공기의 트랙을 조정하고 고정구(184)가 항상 풍속과 풍향 변화에 맞추어 지도록 하므로 회전익 항공기는 언제든지 착륙할 수 있다. 테더는 항상 계류슬롯(186)을 통과하며 장력에 의해 계류슬롯(186)과 고정구(184)가 바람과 일치하도록 배열된다.
도 25는 본 발명에 따라 2개의 브라이들 줄로 회전익 항공기 장치의 롤 제어가 이루어지는 모습을 도시한 것이다. 2개의 브라이들 줄(175)이 결합되는 지점은 적어도 하나 이상의 롤 제어 수단(178)에 의해 좌측비행이나 우측비행에 따라 역동적으로 변위된다. 롤 제어 수단(178)는 서보 롤러(180)가 부착되어 있으며 프레임(52) 밑면에 장착된 톱날형 트랙, 유압 램, 줄 또는 스마트 금속이다. 로터(22)로부터 생성되는 양력을 상쇄시키고 좌우측으로 롤 또는 회전시킨다. 그러므로 무게중심의 좌측 또는 우측의 결합지점을 움직임으로써 매우 작은 힘으로도 로터(22)를 자연스럽게 좌측이나 우측으로 기울일 수 있다. 제어상자(172)는 줄(175)을 잡아당기거나 인출시켜 피치 제어를 활성화시킨다.
도 18의 일실시예를 보면 지상국에서 로터(22)가 프레임(52)으로부터 분리되어 있다. 예를 들어, 캡스턴(16)이 줄을 견인하여 도 22A와 22B에 도시된 보관리일이나 로프 탱크와 같은 테더보관장치(142)에 보관한다. 스테이징 기구(144)는 항공기 프레임(52)을 여기에 연결된 로터로부터 선택적으로 제거한다.
그 다음 로터(22)의 허브(62) 중앙에 나 있는 구멍을 통해 테더(14)가 지나가고 서로 포개진다. 그러므로 수백~수천 피트에 이르는 테더(14)를 사용하지 않아도 여러 개의 로터(22) 사이에 패딩 등을 넣어 분리하고 서로 포개 놓을 수 있다.
회전익 항공기(12)는 프레임이 테더에 고정된 상태로 위쪽으로 비행하면서 재배치되고 로터(22)와 결합된 프레임(52)을 다음 회전익 항공기(12)와 이격된 거리만큼 비행시켜서 밀착시킨다. 그러므로 여러 대의 회전익 항공기가 생산하는 총양력이 테더(14)에 가해져 테더(14)의 순수장력은 증가한다.
도 19를 보면 프레임(52)은 각 프레임(52)을 로터(22)의 허브(62)에 연결하기 위한 컨넥터 또는 아답터(150) 같은 포획장치를 가지고 있다. 아답터 또는 컨넥터(150)는 경로(152)를 따라 연결되면서 허브(62)에 프레임(52)을 고정한다. 반면, 프레임(52)은 테더(14)에 적절한 장력이 가해지는 위치에서 로터를 작동시킬 수 있는 길이로 선택적으로 고정된다. 어떤 실시예에서는 서보로 제어되면서 트랙(66)을 따라 각각 이동하면서 작동하는 2개의 피니언(68)이 도시되어 있다.
사실상 회전익 항공기(12)는 다양한 계측기의 플랫폼으로서 작용한다. 예를 들어, 지형학 자료는 지표면으로부터 수천 피트에 달하는 비교적 높은 고도에서 수집된다. 그러므로 회전익 항공기(12)에 계측기를 추가함으로써 신뢰도가 비교적 높고 장기적인 자료를 획득한다.
도 20은 본 발명에 따른 장비와 방법에 관한 일실시예이다. 시스템(154)은 장력을 제어하는 방법을 제공한다. 상층풍은 지표면에 가까운 바람보다 더욱 안정하다. 따라서 제어기(156)는 장력이 출력 행정이 가능한 설정값에 속하는 지를 판단한다. 이와 마찬가지로 제어기(156)는 장력이 되감기 행정에 적합한 지 여부를 점검함으로써 장력을 제어한다. 제어기(156)는 탑재된 장력계(158)로부터 입력신호(157)를 받는다. 장력계(158)는 테더(14)에 존재하거나 가해지는 장력을 측정한다. 반면, 풍속계(160)로부터의 입력신호(159)는 제어기(156)로 전송되어 특정한 회전익 항공기(12)에 가해지는 풍속을 지시한다.
풍속계(160)는 풍속을 지시하는 제어기(156)에 입력신호(159)를 전달한다. 따라서 제어기(156)는 장력계(158)가 보고하는 입력신호(157)가 회전익 항공기(12), 로터(22), 블레이드(32)의 배치 구성과 일치하는지를 적절한 알고리즘을 통해 판단한다.
제어기(156)는 테더(14)의 상태(162)를 보고한다. 예를 들어, 상태(162a)가 장력이 적절한 범위 안에 있음을 가리킨다면 제어기(156)는 감시사이클(164)을 반복한다. 그러나, 장력상태가 너무 낮으면(162b), 제어기(156)는 발전 시 감아 들이는 속도를 낮춘다. 그러므로 제어기(156)는 테더의 인출속도를 감소시키는 방식으로 회전익 항공기(12)를 비행시키고 출력 행정에 필요한 전력을 감소시킨다. 이와 마찬가지로, 테더(12)와 회전익 항공기(12)가 되감기 행정에서 비행하고 있을 때에는 상태(162b)에 의해 제어기(156)는 캡스턴(16)의 되감기 속도를 증가시키고 테더(14)를 잡아당기게 된다.
만약 장력이 허용작동범위를 벗어나 너무 낮다면 상태(162c)가 된다. 제어기(156)는 로터 디스크의 받음각(30)을 증가시키거나(163c) 콜렉티브 블레이드 피치(40)를 증가시킨다(163c). 그러므로 블레이드 받음각(40) 또는 블레이드 콜렉티브 피치(40)가 증가하여 양력(46)이 증가하고 뒤이어 테더(14)의 장력도 증가한다.
만약 지면에서의 구조물에 대해 장력이 너무 높다면(162d), 항공기 내에서, 또는 테더(14) 자체에서 제어기(156)는 로터 받음각(30)을 줄이거나, 콜렉티브 블레이드 피치(40), 또는 블레이드 받음각(40)을 줄인다.
마지막으로, 테더(14)의 장력이 허용작동범위를 크게 벗어난다면(162e), 제어기(156)는 회전익 항공기(12)를 비행시켜서 캡스턴(16)의 인출속도를 증가시키거나(163e), 되감기 행정 시 캡스턴(16)의 되감기 속도를 낮춘다(163e). 그러므로 장력을 낮추거나 제어하기 위해서는 감아 들이는 속도, 또는 콜렉티브 피치(40), 또는 두 값 모두 제어해야 한다. 궁극적으로 162의 상태가 감지되면 대책(163)으로 새로운 감지기 출력신호(166) 또는 제어기의 입력설정(166)을 제어기(156)로 전송하는 사이클(164)을 반복한다.
지령 또는 대책(163)은 일정 범위 내에서 작동하도록 설정할 수 있다. 다른 실시예에서는 테더(14)의 장력이 특정 범위 내에서 작동되도록 하기 위하여 회전익 항공기(12)의 다양한 제어 매개변수를 조작하는 모든 지령 또는 대책(163)이 연속 알고리즘 내에서 실행된다.
도 21A-21D에는 회전익 항공기(12)의 다른 실시예를 도시하였으며 브라이들(170)이 포함되어 있고 견고한 프레임(52)의 일부를 대체하였다. 예를 들어, 프레임의 부분은 도 21에 도시된 프레임(52)이다. 반면, 브라이들(170)은 위에 언급한 프레임(52) 내에서 트랙(66, 76)으로 대체되었다.
제어기(172)는 위쪽으로 주행하기 위해 피치 암(174)을 아래로 잡아당기거나 풀어낸다. 암(174)은 피치 암을 말한다. 피치 암(174)을 올리면 회전익 항공기의 피치가 증가하고 피치 암(174)을 내리면 회전익 항공기(12)의 피치가 하강한다. 그러므로 피치 암(174)을 올리거나 내림으로써 로터 받음각(30)이 변한다.
피치 암과 프레임(52)의 후방에 연결된 줄(175)은 제어기(172)를 통과하여 뻗어 있다. 그러므로 줄(175)은 제어기(172)를 지나는 한 개의 줄이고 회전익 항공기(12)의 전방말단에 있는 피치 암(174) 사이와 프레임의 후방, 회전익 항공기의 후방에 있는 붐(58) 근처에 분배되는 것으로 간주할 수 있다.
이와 마찬가지로 롤 암(176)이 우측자세에서 좌측자세로 변하는 작동은 제어기(172)를 통해 롤 라인(177)을 잡아당김으로써 제어된다. 프레임(52) 상에서 제어기(172)로부터 롤 암(176)까지의 거리를 늘리거나 줄이는 것이다. 그러므로 일반적으로 브라이들(170)은 프레임(52)의 롤 및 피치 제어를 행하고 이어서 여기에 결합된 로터(22)의 롤 및 피치 각을 제어한다.
풍속이 증가할 때 압력중심은 풍속의 제곱으로 증가하고 무게중심은 일정하게 유지된다. 곧, 무게중심의 진자효과는 더 강한 효과인 압력중심에 의해 압도되고 회전익 항공기는 불안정해 진다. 본 발명에 따른 회전익 항공기 장치는 도 23에 도시된 이실시예를 통해 이 문제를 살폈다. 일실시예에서 톱날형 트랙(178)을 서보 롤러(180)와 함께 프레임(52) 밑면에 장착한다. 축전지와 기타 무거운 중장비를 실은 무거운 상자를 회전익 항공기 장치의 후미 붐에 미끄러짐 트랙에 장착한다. 풍속이 증가하거나 감소하면 무거운 상자가 트랙(178)을 따라 미끄러지고 무게중심이 변하고 압력중심과 균형을 이루면서 진자효과가 유지된다. 테더가 끊어지는 경우, 무게중심은 트랙(178)으로 옮겨져 회전익 항공기 장치가 지면과 독립적으로 비행할 수 있다(비상 시). 또는 수평안정판(182)이 후방에 장착되어 풍속이 증가하여 압력중심이 증가할 때 풍속 증가와 동일한 비율로 증가하는 하강력의 반력을 제공한다. 자연스러운 진자효과가 사라지지만 오토파일럿이 로터의 받음각과 블레이드 받음각, 수평 및 수직후미표면을 조작하여 인공적으로 항공기를 제어한다.
도 26은 본 발명의 회전익 항공기 장치로서 플라이휠(206)과 클러치(204)가 장착되어 있어 첨두현상이나 스파이크를 제거함으로써 생성된 전력을 균등하게 분배한다. 플라이휠(206)과 클러치(204)는 컨버터로 입력되는 RPM과 토크를 조절한다. 클러치(204)는 기계방식, 또는 무한대로 조정할 수 있는 전자기방식 클러치이다. 되감기 행정에 사용되는 모터는 숫자(208)로 표시하였다. 테더(14)는 착륙 고정구에 연결되어 있다. 만약 1대의 회전익 항공기가 연결되어 있다면 항공기에 근접해 있으며, 2대 이상의 회전익 항공기가 1대의 컨버터(18)에 전력을 공급하기 위해 연결되어 있으면 수 킬로미터에 달한다. 플라이휠(206)은 회전익 항공기 장치의 출력 행정으로부터 운동량을 보관하였다가 테더(14)가 견인될 때 컨버터(18)에 추출해 준다. 컨버터(18)는 대개 발전기이며 클러치(204)에 의해 조절되는 플라이휠(206)로부터 일정한 RPM과 토크를 받는다. 본 실시예의 일면에 따르면 RPM은 기어 배열에 따라 증가하거나 감소한다. 본 실시예의 다른 일면에 따르면, 2기 이상의 캡스턴(16)과 견인모터(208)가 1기의 플라이휠(206)과 컨버터(18)에 부착되어 있다.
베르누이 효과는 액체에서도 유효하다. 그러나, 양력을 형성하는 데에 기여하지는 않는다. 액체가 자유기류를 통과할 때 제한된 구역 내에 가두기 위해서는 다른 액체를 배출시켜야 하기 때문이다. 반면, 액체에서의 베르누이 효과는 자유기류의 액체의 유동에서가 아니라 인접된 물질이 고체의 벽이고 도체성 액체 내에서 유동경로를 제한하였을 때에 종종 볼 수 있으며, 모든 액체의 움직임은 인접한 다른 액체의 변위와 유동되어야 한다.
다른 실시예에서 본 발명의 장치와 방법을 물 속에서 작동시켰다. 베르누이의 양력효과는 대개 기체에서의 비행에 해당한다. 그러나, 장점을 취하기 위해 액체와 같은 다른 유체를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 조류, 강, 대양의 멕시코 만류들은 대량의 액체의 이동을 전파한다. 이러한 실시예에서 장치(10)은 풍차처럼 작동할 수 있다. 이러한 장치는 고정되어 유체의 유동에 평행인 수평축 둘레를 회전하며, “수차”처럼 동작한다.
대기 중 실시예는 물론 수중의 실시예에서 바지선은 수류 내의 한 지점에 고정된다. 장력장치(take-up unit)를 갖춘 발전기 시스템은 수류 표면의 바지선이나 대지 위에 설치된다.
다른 일실시예에서는 수류 바닥에 고정되어 있는 도르래로부터 테더를 사용하여 로터 또는 돛을 고정한다. 항력계수는 유체에 함께 또는 그에 반해 움직이는 블레이드마다 다르게 설계된다. 그러므로 조류의 유동은 블레이드를 회전시켜서 테더 줄을 끌어당기는 수류를 따라 위쪽을 향하도록 구멍을 뚫어 고정하거나 다른 실시예에서는 바지선이나 선박으로부터 아래쪽으로 구멍을 뚫어 고정할 수 있다.
이와 마찬가지로 생성된 에너지는 적절한 방식으로 전달된다. 일실시예에서 전기에너지의 생성이란 로터의 에너지를 적절한 분배 및 보관매체로 변환하는 것이다. 또는, 수동력, 공기 등의 압축기체, 작동유체, 양수 등은 테더를 당김으로써 로터가 생성한 에너지 전환의 결과이다.
어떤 실시예에서는 에너지가 전기적인 형태가 아닌 기계적인 형태로 생성되며 바로 사용할 수 있다. 예를 들어, 압축기체, 물의 흐름 등은 다양한 운송방식을 구동시키는 데에 사용한다.
어떤 실시예에서는 테더(14)가 보트나 해상선박과 같은 수상기 위에서 발전하거나 견인하기 위해 바로 연결된다. 이 경우, 돛이 전원을 공급하지 않고 로터가 전기적 동력이나 기계적 동력을 제공하여 배의 스크류를 구동시킨다. 본 발명에 따른 장치(10)는 발전용량이 낮고 배가 대양을 항해하고 있는 중이어도 배에 탑재된 전기장치 및 제어장치를 작동시킬 수 있는 동력을 공급한다.
어떤 실시예에서는, 본 발명에 따른 장치(10)는 통신장비, 전화 중계기, 레이더 계통, 기상감지기, 대기감지기, 화재감지기, 접지감지기 등을 실은 공중관제탑으로 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 장치(10)가 발전한 동력의 사용가능성, 고도, 안정성은 상기 장치들의 동력을 지원할 수 있는 우수한 플랫폼이 된다.
어떤 실시예에서는, 블레이드 받음각(40)이 메모리를 가진 “스마트 금속”에 의해 제어된다. 따라서 온도가 변화하면 금속이 굴곡되어 블레이드 피치를 변화시킨다. 반면, Groen의 특허에 포함된 기기 등 다른 액츄에이터와 현재 기술로 알려진 다른 장치들을 사용하여 로터 블레이드의 받음각(40) 요구를 제어할 수 있다.
본 발명의 회전익 항공기 장치는 측풍기동 시 발전을 위해 션팅(shunting)을 효과적으로 활용한다. 일정한 로터 피치를 유지하고 회전익 항공기의 수직축과 회전익 항공기의 장축에 해당하는 지표면의 수직평면 사이의 각으로 정의되는 뱅크각(bank angle)에 변화를 줌으로써 회전익 항공기를 측풍 조정하여 크로스 레인지 속도(cross range velocity)를 유도한다. 로터의 항력에 대한 양력의 비에 따라, 로터에 가해지는 주변 바람을 초과하는 상대 바람이 더 유입되고, 회전익 항공기의 분로(shunting)를 유도한다. 도 27A-27E에는 측풍기동 중 비행 매개변수를 그래프로 도시하였다. 주변바람의 조건이 동일할 때 두 배 이상의 측풍기동을 활용하면 상대바람(4 x 동압)직선기동 하에서와 비교될 정도에 도달하게 된다. 도 27B에서 알 수 있듯이, 주변의 상대바람이 높을 때 줄의 장력을 제한하기 위해 경사각은 출력 행정 초반에 조종된다. 이는 줄의 장력을 설계기준에 근거한 안전계수 2.0 내로 유지하기 위한 것이다. 도 27B와 27C에는 측풍기동 시 공칭 형상의 비행 매개변수를 도시하였다. 도 27D와 27E에는 측풍기동 중 본 발명에 따른 회전익 항공기의 궤도를 도시하였다. 사이클 종료 시 크로스 레인지(cross range)의 차이는 뱅크각 프로파일의 비대칭에 의한 것이며 프로파일 비대칭이 역전되면서 이어지는 궤적에 “비틀어 내림” 효과를 낸다. 본 발명에서는 회전익 항공기의 션팅 비행 궤도(shunting flight trajectory)에 의하여 발전량이 30% 가량 증가한다.
명세서에 달리 언급이 없다면 다양한 물리적 매개변수, 차원, 수량을 가리키는 숫자값은 근사치이며 발명의 범위에 들어가는 물리적 매개변수, 차원, 수량에 배정된 숫자값보다 높거나 낮을 수 있다.
본 발명은 근본적이고 필수적인 특징을 분리하지 않고도 다른 특수한 형태로 실시될 수 있다. 상기 실시예는 모든 특성을 도시하여 설명하고자 하는 것이며 제한하려는 것이 아니다. 그러므로 발명의 범위는 상기 설명이 아니라 첨부된 청구항에 의해 규정된다. 청구항과 동등성의 의미와 범위에 속하는 모든 변경사항은 청구항의 범위에 포괄된다.

Claims (79)

  1. 발전용 회전익 항공기 장치로서,
    ● 프레임에 회전 가능하게 고정된 복수의 로터 블레이드를 구비한 로터를 포함하는 적어도 하나의 회전익 항공기로서, 상기 로터는 회전축 둘레를 회전하여 상기 회전익 항공기에 양력을 제공하도록 구성되고, 상기 로터는 인입 기류에 대한 로터의 경로로 정의되는 로터 피치와 각각의 로터 블레이드에 대하여 인입 기류에 대한 블레이드의 각도로 정의되는 블레이드 피치를 가지는, 회전익 항공기;
    ● 제1 말단 및 제2 말단을 가진 테더로서, 상기 제1 말단은 지면 근처에 위치하고 제2 말단은 상공으로 뻗어 있으며, 상기 회전익 항공기를 상기 제2 말단에 고정하도록 구성되는 테더;
    ● 상기 테더의 장력을 조절하는 장력조절수단으로서,
    - 상기 테더에 존재하거나 부착되어 장력을 측정하는 탑재형 장력계;
    - 상기 회전익 항공기가 노출된 풍속을 표시하는 풍속계; 및,
    - 상기 탑재형 장력계와 풍속계로부터 입력신호를 받아 상기 테더의 장력을 주기적으로 감시하고, 상기 탑재형 장력계로부터의 입력신호가 상기 회전익 항공기, 로터 및 블레이드의 배치 구성에 적합한지 판단하고 상기 테더의 상태에 관한 출력신호를 생성하는 제어기;를 포함하는 장력조절수단;
    ● 상기 테더의 상태에 관한 출력신호를 수신하고 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 로터 피치를 선택적으로 제어하는 제1 제어 수단;
    ● 상기 테더의 상태에 관한 출력신호를 수신하고 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 제2 제어 수단;
    ● 상기 테더의 상태에 관한 출력신호를 수신하고 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 상기 테더의 제1 말단을 설정된 순서로 주기적으로 말거나 풀어주는 캡스턴;
    ● 상기 캡스턴으로부터의 회전 에너지를 전송형, 또는 보관형, 또는 전송 및 보관형 전력으로 전환하는, 컨버터;
    ● 상기 캡스턴을 상기 컨버터에 연결하는 컨넥터;를 포함하는 회전익 항공기 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 테더에 2 이상의 회전익 항공기가 일렬로 서로 이격되어 배치되는, 회전익 항공기 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 테더는 강철케이블, 로프로 꼬인 합성폴리머섬유, 초고강도, 초고온 및 난연성 섬유와 탄소나노튜브 소재의 로프로 구성된 소재의 그룹에서 선택되는, 회전익 항공기 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 캡스턴은 리일, 스풀 및 도르래로 구성된 그룹에서 선택되는, 회전익 항공기 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 캡스턴은 대지와 물을 포함하는 지표면의 근처에 고정되는 회전익 항공기 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는 발전기, 유압모터, 모터발전기 및 가스 컴프레셔로 구성된 그룹에서 선택되는, 회전익 항공기 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프레임에는, 러더, 엘리베이터, 또는 러더 및 엘리베이터로 구성되는 그룹에서 선택되는 피치제어수단이 제공되는, 회전익 항공기 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어 수단과 상기 제2 제어 수단은 서로 연결되는, 회전익 항공기 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어 수단은, 서보에 의해 작동되는 피니언의 경로를 정의하는 트랙으로 구성되는 프레임을 포함하고, 상기 피니언은 상기 로터 피치를 제어하는 트랙을 따라 작동되는, 회전익 항공기 장치.
  10. 발전용 회전익 항공기 장치로서,
    ● 마스트에 고정된 로터를 포함하는 적어도 하나의 회전익 항공기로서, 상기 로터는 프레임에 회전 가능하게 고정된 복수의 로터 블레이드를 구비하고 회전축 둘레를 회전하여 상기 회전익 항공기에 양력을 제공하도록 구성되고, 상기 로터는 인입 기류에 대한 로터의 경로로 정의되는 로터 피치와 각각의 로터 블레이드에 대하여 인입 기류에 대한 블레이드의 각도로 정의되는 블레이드 피치를 가지는, 회전익 항공기;
    ● 제1 말단 및 제2 말단을 가진 테더로서, 상기 제1 말단은 지면 근처에 위치하고 제2 말단은 상공으로 뻗어 있으며, 상기 회전익 항공기를 상기 제2 말단에 고정하도록 구성되는 테더;
    ● 상기 테더의 장력을 조절하는 장력조절수단으로서,
    - 상기 테더에 존재하거나 부착되어 장력을 측정하는 탑재형 장력계;
    - 상기 회전익 항공기가 노출된 풍속을 표시하는 풍속계; 및,
    - 상기 탑재형 장력계와 풍속계로부터 입력신호를 받아 상기 테더의 장력을 주기적으로 감시하고, 상기 탑재형 장력계로부터의 입력신호가 상기 회전익 항공기, 로터 및 블레이드의 배치 구성에 적합한지 판단하고 상기 테더의 상태에 관한 출력신호를 생성하는 제어기;를 포함하는 장력조절수단;
    ● 상기 테더의 상태에 관한 출력신호를 수신하고 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 로터 피치를 선택적으로 제어하는 제1 제어 수단;
    ● 상기 테더의 상태에 관한 출력신호를 수신하고 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 제2 제어 수단;
    ● 상기 테더의 상태에 관한 출력신호를 수신하고 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 상기 테더의 제1 말단을 설정된 순서로 주기적으로 말거나 풀어주는 캡스턴;
    ● 상기 캡스턴으로부터의 회전 에너지를 전송형, 또는 보관형, 또는 전송 및 보관형 전력으로 전환하는, 컨버터;
    ● 상기 캡스턴을 상기 컨버터에 연결하는 컨넥터;를 포함하는 회전익 항공기 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 제어 수단은:
    ● 상기 프레임에 제공되는 레일을 따라 작동되는 적어도 2개의 피치 제어기로서, 상기 프레임은 설정된 레일 길이를 확보하기 위해 전방부와 후방부 사이의 확산각을 유지하고, 상기 레일은 피니언의 경로를 정의하며, 상기 피니언은 피치 제어기를 레일을 따라 전방과 후방으로 이동시키기 위해 레일을 따라 작동하고, 상기 레일은 평활레일, 톱날형레일, 상기 테더에 의해 구속될 때 상기 프레임에 안정적인 위치를 제공하는 멈춤쇠와 멈춤쇠 앞쪽의 전방부 및 멈춤쇠 뒤쪽의 후방부를 가진 평활레일, 및 상기 테더에 의해 구속될 때 상기 프레임에 안정적인 위치를 제공하는 멈춤쇠와 멈춤쇠 앞쪽의 전방부 및 멈춤쇠 뒤쪽의 후방부를 가진 톱날형레일로 구성된 그룹에서 선택되는, 적어도 2개의 피치 제어기; 및,
    ● 상기 피치 제어기들 사이에 뻗어있는 트랙 상에서 작동되는 롤 제어기로서, 상기 프레임은 설정된 레일 길이를 확보하기 위해 좌측부와 우측부 사이의 각도를 유지하도록 형성되는, 롤 제어기;를 포함하는, 회전익 항공기 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 프레임에는 제어 및 통신 장비를 장착하기 위한 플랫폼을 제공하기 위한 마운트 구조체가 제공되는, 회전익 항공기 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 로터와 마스트 사이의 마찰을 감소시키기 위하여 베어링이 제공되고, 상기 베어링에는, 마스트의 회전에 대하여 또는 회전하지 않을 때에도 고정되는 내륜과 회전하는 외륜 사이에서 작동하는 베어링 롤러가 제공되며, 상기 베어링 롤러는 스러스트 베어링 롤러 및 볼 베어링으로 구성된 그룹에서 선택되는, 회전익 항공기 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 로터와 마스트 사이의 마찰을 감소시키기 위하여 베어링이 제공되고, 상기 베어링은, 회전하는 내륜과 마스트의 회전에 대하여 또는 회전하지 않을 때에도 고정되는 외륜 사이에서 작동하는 베어링 롤러를 구비하며, 상기 베어링 롤러는 스러스트 베어링 롤러 및 볼 베어링으로 구성된 그룹에서 선택되는, 회전익 항공기 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    ● 상기 프레임은 튜브형이고,
    ● 상기 로터는 허브와 상기 블레이드 사이에 제공되는 피봇을 포함하고, 상기 피봇은 상기 허브 중심으로부터 뻗어나온 반경에 대해 비스듬한 경로로 뻗어있으며,
    ● 상기 제1 제어 수단은 베어링의 내륜에 고정된 붐(boom)과 상기 프레임 사이에 연결되는 액츄에이터를 포함하고, 상기 액츄에이터에는 가동 소자와 상기 프레임에 고정된 하우징이 제공되고, 상기 액츄에이터는 로터 피치를 제어하기 위하여 상기 가동소자를 연장함으로써 상기 붐을 회전시키도록 형성되는, 회전익 항공기 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 제1 제어 수단은 상기 프레임 상의 설정된 피봇 둘레로 피칭(pitching)되도록 형성되는 회동가능한 플랫폼을 포함하고, 상기 플랫폼은 설정된 거리로 이격된 전방 단부와 후방 단부를 가지며, 상기 전방 단부는 상기 피봇 근처에 있으며 상기 후방 단부는 피봇으로부터 멀리까지 연장되고 상기 프레임에 연결된 바이어스 소자가 제공되며, 상기 바이어스 소자는 상기 플랫폼을 상기 프레임에 대해 특정 위치에 유지되도록 하는, 회전익 항공기 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 제2 제어 수단은, 허브와 상기 블레이드 사이에 제공된 피봇을 구비하는 상기 로터를 포함하고, 상기 피봇은 허브 중심으로부터 뻗어나온 반경에 대해 비스듬한 경로로 뻗어있으며, 상기 블레이드 피치를 제어하기 위하여 상기 블레이드의 플래핑(flapping)을 촉진하는, 회전익 항공기 장치.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 로터와 마스트 사이의 마찰을 감소시키기 위하여 제공되는 베어링으로서, 회전하는 내륜과 마스트의 회전에 대하여 또는 회전하지 않을 때에도 고정되는 외륜 사이에서 작동하는 베어링 롤러를 구비하는 베어링; 및,
    상기 내륜과 외륜에 대하여 고정된 코일 형태의 발전기로서, 상기 코일은 상기 내륜에 부착된 자석이 형성하는 자기장을 통과하고, 상기 발전기는 상기 회전익 항공기의 기기와 제어 장비에 작동 전력을 제공하는, 발전기;를 더 포함하는, 회전익 항공기 장치.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 블레이드의 말단부에 분사기가 배치되고, 상기 분사기는 지상 스테이션에서 원격 제어로 가동되고 상기 회전익 항공기의 이착륙 시 비행을 제어하는, 회전익 항공기 장치.
  20. 제10항에 있어서,
    상기 제2 제어 수단은, 허브와 상기 블레이드 사이에 제공된 피봇을 구비하는 상기 로터를 포함하고, 상기 피봇은 허브 중심으로부터 뻗어나온 반경에 대해 수직인 경로로 뻗어있으며, 상기 블레이드 피치를 제어하기 위하여 상기 블레이드의 플래핑(flapping)을 촉진하고, 상기 블레이드는 전방 가장자리 방향으로 소정 각도로 비스듬하게 형성되는, 회전익 항공기 장치.
  21. 제10항에 있어서,
    상기 제1 제어 수단은, 허브와 상기 블레이드 사이에 제공된 피봇을 구비하는 상기 로터를 포함하고, 상기 피봇은, 상기 허브에 고정되어 허브와 함께 회전하는 앵커에 각 블레이드를 고정시키도록 형성되며, 각 블레이드에 부착된 트러니언(trunnions)을 고정하기 위하여 핀이 각 앵커를 관통하여 뻗어있으며, 상기 핀은 상기 허브 중심을 관통하는 반경에 수직인 방향을 따라 연장되도록 형성되는, 회전익 항공기 장치.
  22. 제10항에 있어서,
    상기 제1 제어 수단은, 허브와 상기 블레이드 사이에 제공된 피봇을 구비하는 상기 로터를 포함하고, 상기 피봇은, 상기 허브에 고정되어 허브와 함께 회전하는 앵커에 각 블레이드를 고정시키도록 형성되며, 각 블레이드에 부착된 트러니언(trunnions)을 고정하기 위하여 핀이 각 앵커를 관통하여 뻗어있으며, 상기 핀은 상기 허브 중심을 관통하는 반경에 대해 소정 각도로 비스듬하게 형성되는, 회전익 항공기 장치.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 제2 제어 수단은:
    ● 허브와 상기 블레이드 사이에 제공된 피봇을 구비하는 상기 로터; 및
    ● 상기 허브와 블레이드 사이에 부착 수단에 의해 연결되는 바이어스 소자로서, 상기 부착 수단은 볼러드, 포스트, 보울로 구성되는 그룹으로부터 선택되며, 상기 바이어스 소자는 각 블레이드를 위쪽으로 편향시키고, 상기 바이어스 소자는, 원심력에 의해 제어되고 블레이드 피치를 피동적(passive)으로 제어하는 탄성 소자인, 바이어스 소자;를 더 포함하는, 회전익 항공기 장치.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 제2 제어 수단은:
    ● 허브와 상기 블레이드 사이에 제공된 피봇을 구비하는 상기 로터; 및
    ● 상기 허브와 블레이드 사이에 부착 수단에 의해 연결되는 바이어스 소자로서, 상기 부착 수단은 볼러드, 포스트, 보울로 구성되는 그룹으로부터 선택되며, 상기 바이어스 소자는 각 블레이드를 위쪽으로 편향시키고, 상기 바이어스 소자는, 블레이드 피치를 능동적으로 제어하는 서보 액츄에이터인, 바이어스 소자;를 더 포함하는, 회전익 항공기 장치.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 회전익 항공기에는 레그가 제공되고, 상기 레그는 신장식 부착 수단, 영구 부착 수단, 및 접철식 부착 수단으로 구성된 그룹에서 선택된 부착 수단에 의해 상기 프레임에 부착되며, 상기 회전익 항공기는 상기 레그에 의해 지지되는 데크에서 이착륙할 수 있으며, 상기 데크는 적절한 로터 피치를 위해 설정된 각으로 상기 데크에 인접한 피봇 둘레를 피칭(pitching) 할 수 있으며, 상기 데크는 건물, 타워, 바지선, 부표 및 선박으로 구성된 그룹에서 선택된 구조물 상단의 회전반(turntable)에 지지되는, 회전익 항공기 장치.
  26. 제1항에 있어서,
    ● 계류슬롯을 구비한 착륙 고정구;
    ● 근위말단과 원위말단을 가지고, 상기 원위말단에 상기 착륙 고정구를 회동가능하게 고정하는, 2개의 서포트 암;
    ● 상기 근위말단에서 상기 서포트 암을 회동가능하게 고정하는, 중공의 회전반;
    ● 상기 계류슬롯 내에 걸려있는 제1 브라이들 줄 및 제2 브라이들 줄로서, 상기 제1 브라이들 줄 및 제2 브라이들 줄은 피치 제어를 위하여 롤링 및 피칭하도록 형성되고, 제1 브라이들 줄 및 제2 브라이들 줄은 상기 테더를 형성하도록 브라이들 노트(knot)로 수렴하는, 제1 브라이들 줄 및 제2 브라이들 줄;
    ● 건물, 타워, 바지선, 부표, 선박으로 구성되는 그룹에서 선택된 구조물에 견고하게 고정되는 스내치 블록(snatch block)으로서, 상기 스내치 블록은 중앙부가 상기 회전반 바로 아래에 위치하고, 상기 테더의 제1 말단이 상기 스내치 블록에 연결되는 스내치 블록;을 더 포함하는, 회전익 항공기 장치.
  27. 제1항에 있어서,
    ● 지상국에서 각 프레임을 로터로부터 선택적으로 제거할 수 있고, 보관을 위해 상기 로터들을 사이에 패딩을 넣어 포개어 쌓을 수 있으며, 각 프레임을 로터에 재배치할 수 있는, 스테이징 기구;
    ● 상기 프레임을 로터의 허브에 고정하고, 상기 프레임을 테더의 설정된 위치에 선택적으로 고정할 수 있는, 계류기구;를 더 포함하는 회전익 항공기 장치.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어 수단은:
    ● 상기 회전익 항공기의 피치를 제어하기 위해 상기 회전익 항공기의 피치 암(pitch arm)을 아래로 당기거나 위로 풀어주는 제어기로서, 상기 회전익 항공기의 롤(roll)을 제어하기 위해 상기 제어기로부터 상기 회전익 항공기의 측부에 하나씩 제공된 롤 암(roll arm)의 거리를 늘이거나 줄이는, 제어기;
    ● - 각각 상기 프레임의 전방 말단과 후방에서 상기 피치 암에 연결되고, 상기 제어기에도 연결되는, 제1 피치 제어선과 제2 피치 제어선, 및
    - 각각의 상기 롤 암에 연결되고, 상기 제어기에도 연결되는 제 1 롤 제어선과 제2 롤 제어선을 포함하는
    브라이들;을 구비하는, 회전익 항공기 장치.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어 수단은:
    ● 적어도 하나의 서보 롤러로 상기 프레임의 아래측에 설치되는 톱날형 트랙, 유압 램, 라인, 및 스마트 금속으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 롤 제어 수단;
    ● 제1 제어선과 제2 제어선을 포함하는 브라이들로서, 상기 제1 제어선과 제2 제어선은 근위말단과 원위말단을 가지고, 상기 제1 제어선과 제2 제어선의 근위말단은 각각 상기 프레임의 후방말단과 전방말단에 연결되며, 상기 제1 제어선의 근위말단은 서보 롤러를 통해 상기 후방말단에 연결되고, 2개의 롤 제어 수단을 포함하는 경우, 상기 제2 제어선의 근위말단은 서보 롤러를 통해 상기 전방말단에 연결되는, 브라이들; 및,
    ● 제1 제어선과 제2 제어선의 원위말단에 연결되는 제어기로서, 피치 제어를 위해 상기 제1 제어선과 상기 제2 제어선을 당기거나 늘이고, 롤 제어를 위해 상기 프레임에 대하여 왼쪽 방향 또는 오른쪽 방향으로 이동함으로써 제1 제어선과 상기 제2 제어선을 당기거나 늘이도록 서보 롤러와 협동하는 제어기;를 포함하는, 회전익 항공기 장치.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 컴퓨터 제어장치와 오토파일럿으로 구성된 그룹에서 선택되는, 회전익 항공기 장치.
  31. 제1항에 있어서,
    ● 서보 롤러로 상기 프레임의 아래측에 설치되는 톱날형 트랙; 및
    ● 배터리와 비행에 필요한 중장비를 포함하고, 제어된 자유비행을 위하여 상기 트랙에서 무게중심(CoG)을 변경하도록 전후방으로 슬라이딩하는, 웨이트 박스;를 더 포함하는 회전익 항공기 장치.
  32. 제1항에 있어서,
    상기 회전익 항공기의 후미에 연결되고, 제어된 자유비행을 위하여 상기 로터의 압력중심(Center Of Pressure)의 양력에 대응하는 반대방향의 하강력을 제공하는 수평안정판을 더 포함하는 회전익 항공기 장치.
  33. 삭제
  34. 삭제
  35. 제1항에 따른 회전익 항공기 장치에 의해 구동되는 차륜 차량 또는 선박.
  36. 제10항에 따른 회전익 항공기 장치에 의해 구동되는 차륜 차량 또는 선박.
  37. 제1항에 있어서,
    상기 캡스턴은 클러치와 플라이휠을 통해 상기 컨버터에 연결되고, 상기 클러치와 플라이휠은 상기 컨버터의 인풋(input)에서 토크와 RPM을 조절하는, 회전익 항공기 장치.
  38. 제10항에 있어서,
    상기 캡스턴은 클러치와 플라이휠을 통해 상기 컨버터에 연결되고, 상기 클러치와 플라이휠은 상기 컨버터의 인풋(input)에서 토크와 RPM을 조절하는, 회전익 항공기 장치.
  39. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 회전익 항공기에 연결된 내비게이션 시스템에 대한 반응으로 상기 회전익 항공기를 제어하며, 상기 내비게이션 시스템은 GPS 및 전방위 항공표지 감지기로 구성된 그룹에서 선택되고 다른 회전익 항공기에 연결된 내비게이션 시스템에 의한 간섭을 차단하도록 형성되는, 회전익 항공기 장치.
  40. 제10항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 회전익 항공기에 연결된 내비게이션 시스템에 대한 반응으로 상기 회전익 항공기를 제어하며, 상기 내비게이션 시스템은 GPS 및 전방위 항공표지 감지기로 구성된 그룹에서 선택되고 다른 회전익 항공기에 연결된 내비게이션 시스템에 의한 간섭을 차단하도록 형성되는, 회전익 항공기 장치.
  41. 제1항에 있어서,
    ● 상기 회전익 항공기의 수직축과 상기 회전익 항공기의 종축을 포함하는 지표면의 수직평면 사이의 각으로 정의되는 상기 로터의 뱅크각(bank angle)을 변경하는 수단; 및,
    ● 상기 회전익 항공기의 분로(shunting)를 조절하는 수단으로서, 상기 회전익 항공기를 측풍 조종(cross wind maneuvering)하여 크로스 레인지 속도(cross range velocity)를 유도하고, 상기 로터에 대기 기류를 초과하는 상대 기류를 유도하여 상기 테더에 장력을 초래하는 수단;을 더 포함하는 회전익 항공기 장치.
  42. 제10항에 있어서,
    ● 상기 회전익 항공기의 수직축과 상기 회전익 항공기의 종축을 포함하는 지표면의 수직평면 사이의 각으로 정의되는 상기 로터의 뱅크각(bank angle)을 변경하는 수단; 및,
    ● 상기 회전익 항공기의 분로(shunting)를 조절하는 수단으로서, 상기 회전익 항공기를 측풍 조종(cross wind maneuvering)하여 크로스 레인지 속도(cross range velocity)를 유도하고, 상기 로터에 대기 기류를 초과하는 상대 기류를 유도하여 상기 테더에 장력을 초래하는 수단;을 더 포함하는 회전익 항공기 장치.
  43. ● 프레임에 회전 가능하게 고정된 복수의 로터 블레이드를 구비한 로터를 포함하는 적어도 하나의 회전익 항공기로서, 상기 로터는 회전축 둘레를 회전하여 상기 회전익 항공기에 양력을 제공하도록 구성되고, 상기 로터는 인입 기류에 대한 로터의 경로로 정의되는 로터 피치와 각각의 로터 블레이드에 대하여 인입 기류에 대한 블레이드의 각도로 정의되는 블레이드 피치를 가지는, 회전익 항공기를 제공하는 단계;
    ● 제1 말단 및 제2 말단을 가지고 캡스턴에 감긴 테더를 제공하는 단계;
    ● 상기 테더의 제1 말단은 지면 근처에 위치하고 제2 말단은 상공으로 뻗어 있도록 배치하는 단계;
    ● 상기 회전익 항공기를 상기 테더의 제2 말단에 고정하는 단계;
    ● 상기 캡스턴을 컨버터에 연결하는 단계;
    ● 상기 테더에 존재하거나 가해지는 장력을 측정하는 단계;
    ● 상기 회전익 항공기가 노출된 풍속을 측정하는 단계;
    ● 상기 장력의 상태에 관한 출력신호를 생성하기 위하여, 상기 테더의 장력을 주기적으로 감시하는 단계;
    ● 상기 회전익 항공기를 상기 테더의 장력에 대항하여 비행시키는 단계로서,
    - 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 상기 로터 피치를 선택적으로 제어하는 단계,
    - 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계,
    - 상기 출력신호의 값이 설정된 범위보다 너무 낮거나 너무 높으면 상기 컨버터를 작동하여 상기 테더를 감거나 역방향으로 작동하여 상기 테더를 풀어 상기 테더의 장력을 제어하는 단계에 의해,
    상기 회전익 항공기를 테더의 장력에 대항하여 비행시키는 단계;
    ● 상기 캡스턴의 회전에너지를 전력으로 전환하는 단계;를 포함하는 발전 방법.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 회전익 항공기를 상기 테더에 고정하는 단계는, 2 이상의 회전익 항공기를 상기 테더에 일렬로 서로 이격되도록 배치하는 것을 포함하는, 발전 방법.
  45. 제43항에 있어서,
    상기 회전익 항공기를 상기 테더의 장력에 대항하여 비행시키는 단계는, 상기 회전익 항공기를 오토파일럿으로 제어하는 것을 포함하는, 발전 방법.
  46. 제43항에 있어서,
    상기 회전익 항공기를 상기 테더의 장력에 대항하여 비행시키는 단계는, 다른 회전익 항공기에 연결된 내비게이션 시스템으로부터의 간섭없이, 상기 회전익 항공기에 연결된 내비게이션 시스템에 의하여 감지된 회전익 항공기의 위치에 반응하여 오토파일럿으로 상기 회전익 항공기를 제어하는 것을 포함하는, 발전 방법.
  47. 제43항에 있어서,
    상기 로터 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계에 결합된, 발전 방법.
  48. 제43항에 있어서,
    상기 로터 피치를 선택적으로 제어하는 단계는:
    ● 상기 로터의 회전축과 동일 선상(co-linear)에 있는 마스트를 제공하는 단계; 및
    ● 상기 마스트의 상기 프레임에 대한 경사각을 제어하는 단계;를 포함하는, 발전 방법.
  49. 제43항에 있어서,
    상기 로터 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 회전익 항공기의 롤 및 피치를 제어하는 것을 포함하는, 발전 방법.
  50. 제43항에 있어서,
    상기 로터 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 회전익 항공기의 피치를 제어하는 것을 포함하는, 발전 방법.
  51. 제43항에 있어서,
    상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 블레이드를 회전축 방향으로 회동시키는 탄성 소자 형태의 바이어스 소자를 제공함으로써 각각의 블레이드를 상향 편향시켜 피동적(passive)으로 제어하는 것을 포함하는, 발전 방법.
  52. 제43항에 있어서,
    상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 로터의 회전축 둘레의 회전속도의 증가에 반응하여 상기 블레이드를 평평하게 하는 원심력에 의하여 각 블레이드에 제공되는 바이어스 소자의 편향력에 대응하도록 하는 것을 포함하는, 발전 방법.
  53. 제43항에 있어서,
    상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 블레이드를 회전축 방향으로 회동시키는 서보 액츄에이터 형태의 바이어스 소자를 제공함으로써 각각의 블레이드를 상향 편향시켜 능동적으로 제어하는 것을 포함하는, 발전 방법.
  54. 제43항에 있어서,
    상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 블레이드 피치의 능동적 제어와 피동적 제어를 모두 포함하는, 발전 방법.
  55. 제43항에 있어서,
    상기 테더의 장력을 제어하는 단계는, 상기 블레이드 피치를 감소시켜 상기 장력을 감소시키는 것과 상기 블레이드 피치를 증가시켜 상기 장력을 증가시키는 것을 포함하는, 발전 방법.
  56. 제43항에 있어서,
    상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 로터 피치를 각각 감소시키는 것과 증가시키는 것을 포함하는, 발전 방법.
  57. 제43항에 있어서,
    ● 상기 블레이드 피치를 음수값으로 설정하여 상기 로터가 인입 기류에서 선 회전하도록 하는 것; 및,
    ● 인입 기류와 상기 블레이드 사이의 운동량(momentum)을 전달하고, 상기 로터가 풍차와 풍력터빈 중 적어도 하나로서 작동하는 것;을 더 포함하는, 발전 방법.
  58. 제43항에 있어서,
    음수의 블레이드 피치를 가지는 터빈 위치와 양수의 블레이드 피치를 가지는회전익 항공기 위치 사이에서 상기 블레이드를 선택적으로 회동시킴으로써 상기 회전익 항공기를 능동적으로 제어하는 것을 더 포함하는 발전 방법.
  59. 제43항에 있어서,
    ● 상기 로터에 고정되는 짐벌(gimbal)로서, 상기 로터가 상기 짐벌의 둘레를 회전하도록 지지하는 짐벌을 제공하는 것; 및
    ● 상기 프레임에 대해 피칭(pichting)하도록 상기 짐벌을 회동시키는 것;을 더 포함하는 발전 방법.
  60. 제43항에 있어서,
    상기 로터 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 프레임에 대해 피봇 둘레를 피칭하는 짐벌을 제공하여, 상기 로터의 항력 대 양력의 비가, 회전축으로부터 상기 피봇까지의 거리로 주어지는 상기 로터의 회전 중심의 오프셋(offset)의 높이, 및 상기 피봇 위의 회전 중심의 높이 각각 대 길이의 비와 같아지도록 하는 것을 포함하는, 발전 방법.
  61. 제43항에 있어서,
    인입 기류의 속도가 한계값 이하로 감소하는 것에 대응하여 상기 캡스턴에 의해 상기 회전익 항공기를 당기는 것을 더 포함하는 발전 방법.
  62. 제43항에 있어서,
    상기 회전익 항공기가 제어 비행 하에서 상기 캡스턴 쪽으로 비행하도록 선택된 상대 속도에서 상기 회전익 항공기를 당기는 것을 더 포함하는 발전 방법.
  63. 제43항에 있어서,
    인입 기류의 속도가 제어 비행 및 발전 중 적어도 하나에 필요한 한계값 이하로 감소하는 것에 대응하여 상기 회전익 항공기를 상기 캡스턴 쪽으로 비행시키는 것을 더 포함하는 발전 방법.
  64. 제43항에 있어서,
    상기 장력이 증가하면 상기 로터 블레이드는 블레이드 피치가 감소하는 위치로 이동하고 상기 장력이 감소하면 블레이드 피치가 증가하는 위치로 이동함으로써, 상기 로터에 의해 상기 테더의 장력을 조절하는 것을 더 포함하는 발전 방법.
  65. 제43항에 있어서,
    상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 블레이드 피치를 상기 로터의 블레이드의 코닝각(coning angle)과 연관시키는 것을 포함하며, 상기 코닝각은 상기 블레이드의 축과 상기 로터의 회전축 사이의 각을 나타내는, 발전 방법.
  66. 제43항에 있어서,
    상기 블레이드 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 상기 블레이드 피치를 상기 로터의 블레이드의 코닝각(coning)과 연관시키는 것과 상기 블레이드에 작용하는 상기 테더와 인입 기류 사이의 힘의 균형을 변경하여 상기 코닝각을 변경하는 것을 포함하며, 상기 코닝각은 상기 블레이드의 축과 상기 로터의 회전축 사이의 각을 나타내는, 발전 방법.
  67. 제43항에 있어서,
    ● 상기 프레임에 고정되는 레그를 제공하는 것;
    ● 상기 캡스턴 근처에, 공중의 면으로 정의되는 착륙면을 위치시키는 것;
    ● 상기 캡스턴으로부터 상기 공중의 면을 관통하여 상기 테더를 연장시키는 것;
    ● 상기 캡스턴에 의해, 상기 공중의 면을 관통하여 상기 테더는 인출하는 것;
    ● 상기 회전익 항공기를 상기 착륙면에 착륙시키기 위하여, 상기 회전익 항공기의 적어도 하나의 레그를 상기 착륙면에 접촉시키는 것;
    ● 적어도 하나의 레그를 상기 착륙면에 접촉시킬 때 상기 프레임을 기울여 상기 착륙면에 평행한 평면에서 회전하도록 상기 로터를 위치시키는 것;을 더 포함하는 발전 방법.
  68. 제43항에 있어서,
    ● 상기 프레임에 기기들을 위치시키는 것; 및
    ● 상기 회전익 항공기를 고정된 고도에 유지하는 것;을 더 포함하는 발전 방법.
  69. 제43항에 있어서,
    상기 로터 피치를 선택적으로 제어하는 단계는, 착륙 시 상기 로터가 지면에 가까워지는 것에 대응하여 상기 로터 피치를 제어하는 것을 포함하는, 발전 방법.
  70. 제43항에 있어서,
    ● 단일의 캡스턴을 가진 상기 테더에 고정되는 복수의 회전익 항공기로서, 모든 회전익 항공기는 전력을 전달하도록 연결되는 회전익 항공기를 제공하는 것;
    ● 상기 복수의 회전익 항공기를 공중에 비행시키는 것;
    ● 상기 복수의 회전익 항공기를 착륙면으로 하강 비행시키는 것;
    ● 각각의 회전익 항공기를 한 번에 한 대씩 복귀시키는 것;
    ● 상기 회전익 항공기를 상기 테더로부터 한 번에 한 대씩 제거하는 것;
    ● 각각의 프레임을 로터로부터 선택적으로 제거하는 것;
    ● 보관을 위해 상기 로터들을 사이에 패딩을 넣어 포개어 쌓는 것; 및,
    ● 각각의 회전익 항공기를 프레임 및 로터와 함께 재배치하는 것;을 더 포함하는 발전 방법.
  71. 제43항에 있어서,
    ● 상기 블레이드에 고정되는 추진 수단으로서, 분사기, 프로펠러, 모터로 구성된 그룹에서 선택되는 추진 수단을 제공하는 것;
    ● 비상 상황을 감지하는 것; 및,
    ● 상기 회전익 항공기의 제어 비행을 유지하도록 상기 추진 수단을 가동하는 것;을 더 포함하는 발전 방법.
  72. 제43항에 있어서,
    상기 테더를 보관하는 것을 더 포함하며, 상기 테더를 보관하는 것은:
    ● 개방된 상면과 상기 테더가 감긴 지름 보다 큰 지름을 가지는 폐쇄된 원통형의 벽을 가지는 원통형 탱크를 제공하는 단계;
    ● 상기 원통 벽에 마찰과 발열을 감소시키기 위해 코팅층을 제공하는 단계;
    ● 상기 탱크와 동축인 중앙 기둥을 제공하는 단계;
    ● 상기 탱크와 기둥 사이에 상기 테더를 보관하기 위한 보관 공간을 한정하는 단계; 및,
    ● 가동 조립체 또는 고정 및 회전 조립체로 구성된 그룹에서 선택된 조립체로서 작동하는 롤러, 도르래 및 가이드 장치를 사용하여 설정된 속도로 상기 테더를 상기 보관 공간에 넣는 단계;를 포함하는, 발전 방법.
  73. 제43항에 있어서,
    상기 회전익 항공기를 상기 테더의 장력에 대항하여 비행시키는 단계는,
    ● 상기 로터 피치를 일정하게 유지하는 것;
    ● 상기 회전익 항공기의 수직축과 상기 회전익 항공기의 종축을 포함하는 지표면의 수직평면 사이의 각으로 정의되는 뱅크각(bank angle)을 변경하는 것;
    ● 상기 회전익 항공기를 측풍 조종(cross wind maneuvering)하여 크로스 레인지 속도(cross range velocity)를 유도하는 것;
    ● 상기 로터에 대기 기류를 초과하는 상대 기류를 유도하는 것;
    ● 상기 회전익 항공기의 분로(shunting)를 유도하는 것;을 더 포함하는, 발전 방법.
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