KR102014726B1 - 제트추진 수직이착륙 비행체의 추력 전환 장치 - Google Patents

제트추진 수직이착륙 비행체의 추력 전환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 제트엔진에서 수직이착륙용의 리프트 노즐 4개와 메인 노즐 1개를 가지고 있어서 비행체의 순항, 수직이착륙, 전환비행 등이 각 노즐에서 분사되는 가스에 의한 추력의 벡터적 합성에 의해 달성되며 이때 추력선 전환장치(gas diverting system)는 터빈 배출 가스와 팬 배출 압축공기를 각 비행모드에 따라 적절히 각 노즐에 분배, 분사토록 해 준다. 애프터 버너는 추력 전환 장치( gas diverting system)에서 리프트 노즐 및 메인 노즐에 이르는 가스파이프 혹은 덕트에 장착되어 필요한 경우 연료분사에 의해 추력의 일시적 증대를 도모한다.

Description

제트추진 수직이착륙 비행체의 추력 전환 장치 {Thrust vectoring apparatus for jet VTOL aircraft}
본 발명은 수직이착륙 비행체의 추력 전환 장치(thrust vectoring apparatus 또는 gas diverting system)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 간단한 구조로 가스 유로의 전환을 통해 제트엔진 배기가스를 수평 및 수직방향으로 적절히 분배, 분사케 함으로써 비행체의 추력 변환(thrust vectoring)이 이뤄지고 이를 통해 비행체가 순항비행, 전환비행 및 수직이착륙 비행을 할 수 있도록 해주는 추력 전환장치에 관한 것이다.
현재 제트추진 비행체에는 추력선의 방향을 전환하여 비행체가 수직/단거리 이착륙(V/STOL)을 할 수 있도록 해주는 여러가지 기술이 이용되고 있으나 구조가 복잡하고 추력증대의 주요한 수단인 애프터 버너(재연소장치)를 장착할 수 없는 구조적인 문제가 있다. 재연소장치는 제트 비행체가 추력을 증가시키기 위해 일시적으로 사용되는 추력증강장치이며 수직/단거리 이착륙(V/STOL) 제트비행체에 적용될 경우 이륙시 보다 많은 탑재량을 싣고 신속히 이륙할 수 있을 뿐만 아니라 순항비행시 초음속비행이 가능하기 때문에 제트 추진 수직이착륙 비행체의 성능 향상을 위해 이 장치의 장착이 가능한 수직이착륙용 엔진이 요구되어 왔다.
한편 최근 드론(drone)과 같은 무인 비행체가 군사, 정찰 및 감시, 레저 등 각 분야에서 활발히 사용되고 있고 동력원으로는 주로 브러시리스 DC모터(BLDC)로 구동되는 프로펠러 타입이 주를 이루고 있으나 향후 드론의 임무가 다양해지고 속도 및 탑재량 증가와 함께 수직/단거리 이착륙 성능 등이 요구됨에 따라 제트 추진 무인 수직이착륙 비행체의 수요가 예상된다. 현재 수직/단거리 이착륙(V/STOL) 제트추진 비행체에는 위에서 언급한 추력선 방향을 전환하는 여러 기술이 이용되고 있으나 구조가 복잡하기 때문에 드론과 같은 소형 무인 비행체에 적용하기 쉽지 않다. 따라서 비교적 간단한 구조로 비행체의 경량화를 도모하면서 수직이착륙을 가능케 하는 추력선 전환 장치의 필요성이 요구된다.
특허문헌1: 한국 공개특허공보 제2005-0016643호 (2005년 2월 21일 공개)
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로, 간단한 구조와 저비용으로 추력선 전환(thrust vectoring)이 가능한 추력선 전환 장치( gas diverting system) 를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도1,2에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명이 적용된 제트엔진에는 수직이착륙용의 리프트 노즐 4개와 메인 노즐 1개를 가지고 있어서 비행체의 순항, 수직이착륙, 전환비행 등은 각 노즐에서 분사되는 가스에 의한 추력의 벡터적 합성에 의해 달성되며 이때 추력선 전환장치(gas diverting system)는 터빈 배출 가스와 팬 배출 압축공기를 각 비행모드에 따라 적절히 각 노즐에 분배, 분사토록 해 준다. 애프터 버너는 추력 전환 장치( gas diverting system)에서 리프트 노즐 및 메인 노즐에 이르는 가스파이프 혹은 덕트에 장착되어 필요한 경우 연료분사에 의해 추력의 일시적 증대를 도모한다.
통상의 제트엔진(core engine) 후단에 결합되는 추력 전환 장치(gas diverting system)는 도3과 같이 회전베인 유닛, 노즐 덕트 유닛으로 구성되며 회전베인 유닛의 회전운동에 의해 터빈 배츨가스 흐름의 양을 조절하고 그 방향을 전환해주어 비행체가 순항비행, 수직이착륙비행, 전환비행을 할 수 있도록 해준다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 추력전환장치는 제트엔진(core engine)의 배기가스를 하류로 분사되게 하는 제1 가스 유로(GP1), 상기 제1 가스 유로를 둘러싸며 제트엔진의 바이패스 에어를 하류로 분사되게 하는 제1 에어 유로(AP1), 및 상기 제1 가스 유로(GP1)에 배치된 복수개의 제1 베인을 구비한 회전 베인 유닛; 상기 회전 베인 유닛의 후단에 결합되며, 상기 제1 가스 유로(GP1)와 연결되어 통하며 배기가스를 제트엔진의 축방향의 하류와 방사상 방향의 하류 중 적어도 한 방향으로 분사되도록 하는 제2 가스 유로(GP2), 상기 제1 에어 유로(AP1)와 연결되어 통하며 바이패스 에어를 축방향의 하류와 방사상 방향의 하류 중 적어도 한 방향으로 분사되도록 하는 제2 에어 유로(AP2), 및 상기 제2 가스 유로(GP2)에 배치된 복수개의 제2 베인을 구비한 노즐 덕트 유닛; 및 상기 제1 에어 유로(AP1)와 제2 에어 유로(AP2)를 둘러싸는 원통형상이고, 하류측에 메인 노즐이 형성되고 외주면에 복수개의 리프트 노즐이 형성된 하우징을 포함하고, 상기 회전 베인 유닛이 상기 노즐 덕트 유닛에 대해 회전함으로써, 상기 배기가스와 바이패스 에어의 적어도 일부가 상기 리프트 노즐로 분사되도록 구성된 것을 특징으로 하는 추력 전환 장치를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 가스 유로의 전환에 의해 추력을 전환하는 간단한 구조의 추력 전환 장치를 제공할 수 있으므로 비행체를 경량화 할 수 있어 드론과 같은 소형 무인 비행체에 용이하게 탑재할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 추력 전환 장치를 기존의 제트엔진 후단에 연결하여 추력 전환을 수행할 수 있으므로 기존 제트엔진에도 추력 전환 기능을 부여할 수 있고, 애프터 버너가 장착된 제트엔진의 경우에도 제트엔진과 애프터 버너 사이에 본 발명의 추력 전환 장치를 설치할 수 있으므로 재연소에 의해 최대이륙중량도 높일 수 있어 속도 및 적재량의 증가가 가능해지는 이점이 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제트추진 장치의 개략적인 사시도,
도2는 일 실시예에 따른 제트추진 장치의 개략적인 단면도,
도3은 일 실시예에 따른 추력 전환 장치의 일부 절개 사시도,
도4는 추력 전환 장치의 회전 베인 유닛의 일부 절개 사시도,
도5는 추력 전환 장치의 노즐 덕트 유닛의 일부 절개 사시도,
도6은 순항비행 모드에서 추력 전환 장치의 가스 경로를 나타내는 도면,
도7은 순항비행 모드에서 추력 전환 장치의 가스 및 에어 경로를 나타내는 도면,
도8은 수직이착륙비행 모드에서 추력 전환 장치의 가스 경로를 나타내는 도면,
도9는 수직이착륙비행 모드에서 추력 전환 장치의 가스 및 에어 경로를 나타내는 도면,
도10은 전환비행 모드에서 추력 전환 장치의 가스 경로를 나타내는 도면,
도11은 전환비행 모드에서 추력 전환 장치의 가스 및 에어 경로를 나타내는 도면,
도12는 순항비행 모드, 수직이착륙 모드, 및 전환비행 모드의 각 모드에서 비행체의 가스 및 에어 분사 방향을 도식적으로 나타내는 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 당업자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제트추진 장치의 개략적인 사시도이고 도2는 제트추진 장치의 개략적인 단면도이다.
도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 제트추진 장치는 제트엔진(20), 추력 전환 장치(10), 및 애프터 버너(30)를 포함할 수 있다. 제트엔진(20)는 종래의 일반적인 제트엔진으로 구현될 수 있다. 일반적으로 제트엔진은 터보제트 엔진(turbo-jet engine), 터보팬 제트엔진(turbo-fan-jet engine), 램제트 엔진(ram-jet engine) 등 여러 종류가 있으나, 유입된 공기를 압축, 연소, 배기하여 추진력을 얻는 기본적인 원리는 동일하다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 터보팬 엔진을 예로 들어 본 발명의 실시예를 설명한다. 그러나 본 발명은 다른 유형의 제트엔진에도 적용 가능하다. 또한 이하에서는 특별히 구별의 필요성이 없는 한 제트엔진, 터보제트 엔진, 터보팬 엔진 등을 통칭하여 '제트엔진'이라 칭하기로 한다.
도시한 실시예에서 제트엔진(20)은 공기가 유입되는 공기 흡입구(21), 팬(22), 컴프레서(23), 연소실(24), 터빈(25), 및 바이패스 경로(26)를 포함한다. 팬(22)는 팬 구동 터빈(25)으로부터 동력을 얻어 회전함으로써 공기 흡입구(21)로부터 많은 양의 공기 흡입할 수 있도록 하며 공기를 1차로 압축한다. 압축기(23)는 압축기 구동 터빈(25)으로부터 동력을 얻어 팬으로부터 유입된 공기를 2차로 압축하여 연소실(24)로 보내고, 연소실(24)에서는 유입된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키고 이 때의 팽창력으로 터빈(25)을 돌린 후 배기구를 통해 고속으로 분사하여 추력을 얻는다.
터보팬 엔진 방식의 제트엔진(20)은 공기 흡입구(21)와 팬(22)을 통과한 공기 중 일부는 바이패스 경로(26)를 통해 우회하여 터빈(25)을 구동하고 나온 가스와 함께 배기구를 통해 분사된다. 즉 이 구성에 의하면 제트엔진(20)의 중심에서는 연소에 의한 배기가스(도2에서 검은색 화살표로 표시)가 분사되고 배기가스를 둘러싸는 주위 영역에서 바이패스 경로(26)를 통해 이송된 에어(도2에서 흰색 화살표로 표시)가 분사된다. 바이패스 타입의 제트엔진 즉 터보팬 엔진은 노즐에서 분사되는 공기 유량을 크게 증가시킬 수 있으므로 추력증가, 소음감소, 연비 향상 등의 장점을 가진다.
제트엔진(20)의 후단에는 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 전환 장치(10)가 결합된다. 추력 전환 장치(10)는 제트엔진(20)에서 분사되는 배기가스와 바이패스 에어가 각각 통과할 수 있는 가스 유로(流路)와 에어 유로 및 배기가스와 에어의 이동 경로를 전환하는 구성요소들로 이루어진다. 예를 들어, 비행체가 순항 비행하는 모드(도12(a) 참조)에서는 배기가스와 바이패스 에어가 메인 노즐(31) 측으로 분사되고, 수직이착륙 비행 모드(도12(b) 참조)에서는 배기가스와 바이패스 에어가 추력 전환 장치(10)의 방사상 방향으로 돌출되어 나온 파이프(41,51) 및 리프트 노즐(40,50)을 통해 수직 하방으로 분사된다. 이 때 전방 리프트 노즐(40)은 비행체의 전방에 설치되고 후방 리프트 노즐(50)은 비행체의 후방에 설치된다. 추력 전환 장치(10)의 구체적인 구성과 동작은 도3 내지 도11을 참조하여 후술하기로 한다.
애프터 버너(30)는 본 발명에 따른 추력 전환 장치(10)의 후단에 결합될 수 있다. 애프터 버너(30)는 고온의 배기가스에 연료를 분사하고 재연소시켜 배기가스 추력을 증가시키는 장치이며 본 발명의 추력 전환 장치(10)의 후단에 선택적으로 부착될 수 있다.
이제 도3 내지 도5를 참조하여 일 실시예에 따른 추력 전환 장치(10)의 예시적 구성을 설명하기로 한다. 도3은 일 실시예에 따른 추력 전환 장치(10)의 일부 절개 사시도이고 도4는 회전 베인 유닛(100)의 일부 절개 사시도, 그리고 도5는 노즐 덕트 유닛(200)의 일부 절개 사시도이다. 도4와 도5에서는 설명의 편의를 위해 하우징(11)을 도시하지 않았다.
도면을 참조하면, 추력 전환 장치(10)는 회전 베인 유닛(100), 노즐 덕트 유닛(200) 및 두 유닛(100,200)을 둘러싸는 하우징(11)으로 구성될 수 있다. 회전 베인 유닛(100)은 제트엔진의 배기가스를 제트엔진의 축방향의 하류로 분사되게 하는 제1 가스 유로(GP1), 제1 가스 유로를 둘러싸며 제트엔진의 바이패스 에어를 하류로 분사되게 하는 제1 에어 유로(AP1), 및 제1 가스 유로(GP1)에 배치된 복수개의 제1 베인(130)으로 구성된다.
도3과 도4를 참조하면, 회전 베인 유닛(100)은 원통형상의 제1 내측 케이스(110) 및 제1 내측 케이스를 둘러싸는 제1 외측 케이스(120)를 포함하고, 복수개의 유선형상의 제1 베인(130)은 제1 내측 케이스(110)와 제1 외측 케이스(120) 사이에 배치되어 제1 내측 케이스(110)와 제1 외측 케이스(120)를 서로 연결하며 지지한다. 제1 가스 유로(GP1)는 제1 내측 케이스(110)와 제1 외측 케이스 사이(120)의 영역에 의해 정의되고, 제1 에어 유로(AP1)는 제1 외측 케이스(120)와 하우징(11) 사이의 영역에 의해 정의된다.
각각의 제1 베인(130)은 축방향의 하류측으로 갈수록 베인의 폭이 점차 넓어지도록 구성된다. 즉 도4에 도시한 것처럼 제1 베인(130)은 양쪽 측벽(131,132)으로 구성되되, 상류측 단부에서 두 측벽(131,132)이 맞붙어서 연결되고 하류측으로 갈수록 측벽(131,132) 사이의 거리가 점차 멀어지도록 구성될 수 있다. 이에 따라 제1 베인(130)의 내부에 공간이 형성된다. 제1 외측 케이스(120)에는 제1 베인(130)의 내부 공간과 제1 에어 유로(AP1)가 연결되어 통하도록 하기 위한 에어 유입포트(121)가 형성된다. 에어 유입포트(121)를 개폐하기 위해 도어(125)가 에어 유입포트(121)를 둘러싸도록 설치될 수 있다. 일 실시예에서 도어(125)는 힌지(123)에 의해 개폐 가능하도록 구성된다. 그러나 에어 유입포트(121)를 개폐하는 도어(125)의 구체적 형상이나 개폐 원리는 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있다.
도4에 도어(125)가 개방된 상태를 도시하였는데, 이 개방된 상태에서 제1 에어 유로(AP1)의 에어 중 일부가 에어 유입포트(121)를 통해 제1 베인(130)의 내부 공간으로 흘러 들어간다. 제1 베인(130)의 내부 공간에는 하나 이상의 가이드 베인(135)이 설치될 수 있다. 가이드 베인(135)은 제1 베인(130)의 내부 공간으로 유입된 에어의 흐름을 가이드 할 수 있다. 일 실시예에서 가이드 베인(135)은, 내부 공간으로 유입된 에어가 축방향 하류측으로 흘러갈 수 있는 형상으로 형성될 수 있다.
회전 베인 유닛(100)의 후단에 결합된 노즐 덕트 유닛(200)은 제1 가스 유로(GP1)와 연결되어 통하며 배기가스를 제트엔진의 축방향의 하류와 방사상 방향의 하류 중 적어도 한 방향으로 분사되도록 하는 제2 가스 유로(GP2), 제1 에어 유로(AP1)와 연결되어 통하며 바이패스 에어를 축방향의 하류와 방사상 방향의 하류 중 적어도 한 방향으로 분사되도록 하는 제2 에어 유로(AP2), 및 제2 가스 유로(GP2)에 배치된 복수개의 제2 베인(230)으로 구성된다.
도3과 도5를 참조하면, 노즐 덕트 유닛(200)은 원통형상의 제2 내측 케이스(210) 및 제2 내측 케이스를 둘러싸며 외주면에 복수개의 리프트 노즐 포트(255)가 형성된 제2 외측 케이스(220)를 포함한다. 복수개의 제2 베인(230)은 제2 내측 케이스(210)와 제2 외측 케이스(220) 사이에 배치되어 제2 내측 케이스(210)와 제2 외측 케이스(220)를 서로 연결하며 지지한다. 이에 따라 제2 가스 유로(GP2)는 제2 내측 케이스(210)와 제2 외측 케이스(220) 사이의 영역에 의해 정의되고, 제2 에어 유로(AP2)는 제2 외측 케이스(220)와 하우징(11) 사이의 영역에 의해 정의된다.
각각의 제2 베인(230)은 축방향의 하류측으로 갈수록 베인의 폭이 점차 좁아지도록 구성된다. 즉 도5에 도시한 것처럼 제2 베인(230)은 양쪽 측벽(231,232)으로 구성되되, 상류측 단부에서 두 측벽(231,232)이 이격되고 하류측으로 갈수록 측벽(231,232)이 서로 가까워져서 하류측 단부에서 두 측벽(231,232)이 맞붙어 연결되도록 구성되고, 제2 베인(230)의 내부에 공간이 형성된다.
일 실시예에서, 제1 베인(130)의 하류측 단부의 폭과 제2 베인(230)의 상류측 단부의 폭이 동일하다. 예컨대 도6에서와 같이 제1 베인(130)과 제2 베인(230)이 정렬된 경우, 제1 베인(130)의 제1 측벽(131)과 제2 베인(230)의 제2 측벽(231)이 서로 맞물리고 제1 베인(130)의 제2 측벽(132)과 제2 베인(230)의 제2 측벽(232)이 서로 맞물리면서 제1 베인(130)과 제2 베인(230)이 하나의 일체화된 유선형의 베인 형상이 되고, 배기가스(도6의 검은색 화살표)가 베인(130,230) 내부의 공간으로 유입되지 않고 모두 축방향 하류측으로 분사되게 한다.
또한 바람직한 일 실시예에서, 회전 베인 유닛(100)의 하류측 단부에서 복수개의 제1 베인(130)은 서로 이웃하는 베인(130) 사이의 간격이 각각의 제1 베인(130)의 폭과 동일하고, 노즐 덕트 유닛(200)의 상류측 단부에서 복수개의 제2 베인(230)은 서로 이웃하는 베인(230) 사이의 간격이 각각의 제2 베인(230)의 폭과 동일하다. 따라서 예컨대 도8에 도시한 것처럼 회전 베인 유닛(100)이 소정 각도(즉 제1 베인(130)의 폭만큼) 회전했을 때, 제1 베인(130)의 제2 측벽(132)과 제2 베인(230)의 제1 측벽(231)이 서로 맞물리고 제1 베인(130)의 제1 측벽(131)과 제2 베인(230)의 제2 측벽(232)이 서로 맞물리면서 제1 베인(130)과 제2 베인(230)이 어긋나게 배열되고, 서로 이웃하는 제1 베인(130) 사이의 통로의 배기가스(도8의 검은색 화살표)가 모두 제2 베인(230)의 내부 공간으로 유입되게 된다.
그리고 예컨대 도10에 도시한 것처럼 회전 베인 유닛(100)이 제1 베인(130)의 폭 보다 작은 각도만큼 회전했을 때, 제1 베인(130)의 제1 측벽(131)과 제2 측벽(132)이 제2 베인(230)의 제1 측벽(231)이나 제2 측벽(232)의 어느 것과도 맞물리지 않게 되고, 서로 이웃하는 제1 베인(130) 사이의 통로의 배기가스(도10의 검은색 화살표)의 일부는 축방향 하류측으로 이송되고 나머지 일부는 제2 베인(230)의 내부 공간으로 유입되게 된다.
다시 도3과 도5를 참조하면, 하우징(11)은 제1 에어 유로(AP1)와 제2 에어 유로(AP2)를 둘러싸는 원통형상이고, 하류측에 메인 노즐(280)이 형성되고 외주면에 복수개의 리프트 노즐(290)이 형성되어 있다. 노즐 덕트 유닛(200)의 제2 외측 케이스(220)에는 제2 베인(230)의 내부 공간과 제2 에어 유로(AP2)를 연통하기 위한 리프트 노즐 포트(255)가 형성된다. 각 베인(230)의 리프트 노즐 포트(255)는 각각의 리프트 노즐(290)과 연통한다. 제2 베인(230)의 내부 공간에는 하나 이상의 가이드 베인(221)이 설치될 수 있다. 가이드 베인(221)은 제2 베인(230)의 내부 공간으로 유입된 배기가스의 흐름을 가이드 할 수 있다. 일 실시예에서 가이드 베인(221)은, 내부 공간으로 유입된 배기가스가 리프트 노즐 포트(255)로 원활히 흘러가도록 가이드하는 형상으로 형성될 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 제2 가스 유로(GP2) 중 서로 이웃하는 제2 베인(230) 사이의 통로는 배기가스를 메인 노즐(280)로 흐르게 하므로 메인 노즐 덕트(240)가 되고, 제2 베인(230)의 내부 공간으로 향하는 통로는 리프트 노즐 포트(255)를 통해 배기가스를 리프트 노즐(290)로 향하게 하므로 리프트 노즐 덕트(250)가 된다. 즉 제2 가스 유로(GP2)는 메인 노즐 덕트(240)와 리프트 노즐 덕트(250)로 구성될 수 있다.
한편 도3에 도시한 바와 같이, 노즐 덕트 유닛(200)의 제2 에어 유로(AP2)는 제2 외측 케이스(220)와 하우징(11) 사이의 영역에 의해 정의되고, 제2 외측 케이스(220)에서 방사상 방향으로 돌출되는 복수개의 리프트 노즐(290)의 각각은 하우징(11)의 외주면을 관통하여 하우징(11)의 외부로 돌출되어 있다.
도3과 도7을 참조하면 알 수 있듯이, 노즐 덕트 유닛(200)의 상류측 단부에서 복수개의 리프트 노즐(290)은 전방(상류측)을 향해 개방된 개구부인 리프트 노즐 덕트(270)가 형성되어 있고, 리프트 노즐 덕트(270)를 통해 유입된 에어의 일부가 리프트 노즐(290)로 분사될 수 있다. 또한 서로 이웃하는 리프트 노즐(290) 사이의 통로는 메인 노즐 덕트(260)로서 역할을 하며, 메인 노즐 덕트(260)로 유입되는 에어는 메인 노즐(280)측으로 분사된다. 따라서 제2 외측 케이스(220)와 하우징(11) 사이의 영역에 의해 정의되는 제2 에어 유로(AP2)는 메인 노즐 덕트(260)와 리프트 노즐 덕트(270)로 구성됨을 알 수 있다.
바람직한 일 실시예에서, 제1 베인(130)의 하류측 단부에서 도어(125)의 폭은 제2 베인(230)의 상류측 단부의 리프트 노즐 덕트(270)의 폭과 동일하다. 또한 회전 베인 유닛(100)의 하류측 단부에서 서로 이웃하는 도어(125) 사이의 간격은 각각의 도어(125)의 폭과 동일하고, 노즐 덕트 유닛(200)의 상류측 단부의 서로 이웃하는 리프트 노즐 덕트(270) 사이의 간격(즉, 메인 노즐 덕트(260)의 폭)은 리프트 노즐 덕트(270)의 폭과 동일하다.
이러한 구성에 의하면, 예컨대 도7에서와 같이 회전 베인 유닛(100)의 도어(125) 구조물이 노즐 덕트 유닛(200)의 리프트 노즐 덕트(270)를 가로막고 있도록 정렬된 경우, 제1 에어 유로(AP1)의 에어(도7의 흰색 화살표)가 모두 메인 노즐 덕트(260)를 통과하여 메인 노즐(280)로 분사된다.
그리고 도9에 도시한 것처럼 회전 베인 유닛(100)의 서로 이웃하는 도어(125) 사이의 공간이 리프트 노즐 덕트(270)과 연통하도록 정렬되면 제2 에어 유로(AP2)의 메인 노즐 덕트(260)가 막히게 되고 제1 에어 유로(AP1)의 에어(도9의 흰색 화살표)가 모두 리프트 노즐 덕트(270)를 통해 리프트 노즐(290)로 분사된다.
또한 도11에 도시한 것처럼 회전 베인 유닛(100)이 도어(125)의 폭 보다 작은 각도로 회전하면 제1 에어 유로(AP1)의 에어 중 일부는 제2 에어 유로(AP2)의 메인 노즐 덕트(260)를 통해 메인 노즐(280)로 분사되고 일부 에어는 리프트 노즐 덕트(270)를 통해 리프트 노즐(290)로 분사된다. 또한 이 때 도어(125)가 개방되면, 제1 에어 유로(AP1)의 에어 중 일부가 상기 에어 유입포트(121)를 통해 제1 베인(130)의 내부 공간으로 유입되고, 도8에 도시하였듯이, 제1 베인(130) 내부로 유입된 에어는 제2 가스 유로(GP2)의 메인 노즐 덕트(240)와 리프트 노즐 덕트(250)로 분기되어 분사될 수 있다.
한편, 회전 베인 유닛(100)을 노즐 덕트 유닛(200)에 대해 회전하는 구조는 공지된 다양한 기술 중 하나로 구현될 수 있다. 예를 들어 도3 내지 도5에 도시한 실시예에서는 회전 베인 유닛(100)의 제1 내측 케이스(110)의 상류측 단부의 외주와 하류측 단부의 외주에 각각 베어링(111,112)을 장착하고, 회전 베인 유닛(100)의 상류측 단부가 제1 베어링(111)에 의해 회전가능하게 제트엔진(20)에 결합되고, 회전 베인 유닛(100)의 하류측 단부는 제2 베어링(112)에 의해 회전가능하게 노즐 덕트 유닛(200)에 결합된다.
그리고 회전 베인 유닛(100)을 회전시키기 위한 구동모터(도시 생략)를 예컨대 에어 유로(AP1,AP2) 공간에 배치할 수 있다. 예를 들어 구동모터를 노즐 덕트 유닛(200)의 상류측 단부 근처의 제2 외측 케이스(220)의 표면에 설치하고 구동모터의 구동축에 피니언(pinion)을 부착하고 이와 맞물리는 랙(rack)을 회전 베인 유닛(100)의 일부 표면에 설치하여 랙-피니언 방식으로 회전 베인 유닛(100)을 소정 각도 범위 내에서 회전시킬 수 있다.
이와 같이 회전 베인 유닛(100)이 노즐 덕트 유닛(200)에 대해 소정 각도로 회전함에 따라 배기가스와 바이패스 에어가 메인 노즐(280)로 모두 분사되거나 적어도 일부가 리프트 노즐(290)로 분사될 수 있고, 추력 전환 장치(10)가 제트엔진의 추력을 축방향으로 향하게 하는 순항비행 모드, 방사상 방향으로 향하게 하는 수직이착륙비행 모드, 및 축방향과 방사상 방향 양쪽으로 향하게 하는 전환비행 모드로 동작할 수 있다.
이하에서는 도6 내지 도12를 참조하여 순항비행 모드(도1(a) 참조), 수직이착륙비행 모드(도12(b) 참조), 및 전환비행 모드(도12(c) 참조) 의 각각에 대해 간단히 설명하기로 한다.
도6 및 도7은 추력 전환 장치(10)의 비행모드를 개략적으로 도시한 것으로, 도6은 가스 경로를 나타내고 도7은 가스와 에어 경로를 동시에 나타내었다.
도6에 도시한 것처럼 순항비행 모드에서 제1 베인(130)과 제2 베인(230)이 정렬되어 제1 및 제2 베인(130,230)이 일체화된 하나의 베인 형상이 된다. 제트엔진(20)으로부터의 배기가스(검은색 화살표)는 제1 가스 유로(GP1) 및 제2 가스 유로(GP2)의 메인 노즐 덕트(240)를 통해 축방향 하류의 메인 노즐(280)로 분사된다. 도7에 도시한 것처럼 제트엔진(20)으로부터의 바이패스 에어(흰색 화살표)는 제1 에어 유로(AP1) 및 제2 에어 유로(AP2)의 메인 노즐 덕트(260)를 통해 메인 노즐(280)로 분사된다. 이에 따라 도12(a)에 도시한 바와 같이 비행체의 후방으로 가스와 에어를 분사하여 비행체가 순항비행을 할 수 있다.
도8 및 도9는 추력 전환 장치(10)의 수직이착륙비행 모드를 개략적으로 도시한 것으로, 도8은 가스 경로를 나타내고 도9는 가스와 에어 경로를 동시에 나타내었다.
수직이착륙비행 모드에서는 제1 베인(130)의 제2 측벽(132)과 제2 베인(230)의 제1 측벽(231)이 서로 맞물리고 제1 베인(130)의 제1 측벽(131)과 제2 베인(230)의 제2 측벽(232)이 서로 맞물리도록 회전 베인 유닛(100)이 소정 각도로 회전하고, 배기가스가 제1 가스 유로(GP1) 및 제2 가스 유로(GP2)의 리프트 노즐 덕트(250)를 통해 리프트 노즐(290)로 분사된다.
또한 도9에 도시한 것처럼 회전 베인 유닛(100)의 서로 이웃하는 도어(125) 사이의 공간이 리프트 노즐 덕트(270)에 연결되어 통하도록 정렬되고, 제1 에어 유로(AP1)의 에어(흰색 화살표)가 모두 제2 에어 유로(AP2)의 리프트 노즐 덕트(270)를 통해 리프트 노즐(290)로 분사된다. 이에 따라 도12(b)에 도시한 바와 같이 비행체의 하방으로 가스와 에어를 분사하여 비행체가 수직이착륙 비행을 할 수 있다.
도10 및 도11은 추력 전환 장치(10)의 전환비행 모드를 개략적으로 도시한 것으로, 도10은 가스 경로를 나타내고 도11은 가스와 에어 경로를 동시에 나타내었다.
전환비행 모드에서는 도10에 도시한 것처럼 제1 베인(130)의 제1 측벽(131)과 제2 측벽(132)이 제2 베인(230)의 제1 측벽(231)이나 제2 측벽(232)의 어느 것과도 맞물리지 않도록 회전한 상태이다.
전환비행 모드에서 제1 가스 유로(GP1)의 배기가스(검은색 화살표)는 서로 이웃하는 제1 베인(130) 사이의 통로를 지난 후 일부가 제2 가스 유로(GP2)의 메인 노즐 덕트(240)를 통해 메인 노즐(280)로 분사되고 나머지 일부는 제2 가스 유로(GP2)의 리프트 노즐 덕트(250)를 통해 리프트 노즐(290)로 분사된다. 제1 에어 유로(AP1)의 에어 중 일부는 제2 에어 유로(AP2)의 메인 노즐 덕트(260)를 통해 메인 노즐(280)로 분사되고 일부 에어는 리프트 노즐 덕트(270)를 통해 리프트 노즐(290)로 분사된다. 이에 따라 도12(c)에 도시한 바와 같이 비행체의 후방과 하방으로 가스와 에어를 모두 분사함으로써 비행체가 순항비행 모드와 수직이착륙비행 모드 사이를 전환할 수 있다.
한편 일 실시예에서 전환비행 모드에서 도어(125)를 개방할 수 있다. 도어(125)가 개방되면 제1 에어 유로(AP1)의 에어 중 일부가 에어 유입포트(121)를 통해 제1 베인(130)의 내부 공간으로 유입되고, 유입된 에어의 일부는 제2 가스 유로(GP2)의 메인 노즐 덕트(240)를 통해 메인 노즐(280)로 분사되고 나머지 일부는 리프트 노즐 덕트(250)를 통해 리프트 노즐(290)로 분사될 수 있다. 이와 같이 도어(125)를 열고 바이패스 에어의 일부를 제2 가스 유로(GP2)의 메인 노즐 덕트(240)로 보내는 것은 배기가스 흐름에 와류 발생을 최소화하는 효과가 있다.
즉 에어 유입포트(121)가 없다면, 도10의 상태에서 배기가스가 제1 가스 유로(GP1)에서 제2 가스 유로(GP2)의 메인 노즐 덕트(240)로 진입할 때 유로의 폭이 갑자기 넓어지는 반면 제1 베인(130)의 내부 공간측에서 메인 노즐 덕트(240)측으로 흐르는 유체가 없으므로 제1 베인(130)의 제1 측벽(131)의 하류측 단부 근방에서 와류가 발생하고 이로 인해 배기가스의 축방향 흐름을 방해하는 문제가 있다. 또한 이 경우 도6이나 도8과 같이 순항비행 모드나 수직이착륙비행 모드로 전환하기 위해 회전 베인 유닛(100)의 회전시킬 때 와류에 의한 급격한 추력감소가 발생한다. 그러나 본 발명의 실시예와 같이 에어 유입포트(121)를 통해 일부 에어를 제1 베인(130)의 내부 공간으로 흘려 보내면 제1 베인(130)의 내부 공간에서 메인 노즐 덕트(240)측으로 에어가 흐르므로 제1 베인(130)의 제1 측벽(131)의 하류측 단부에서 발생할 수 있는 와류를 억제할 수 있어 급격한 추력감소를 방지할 수 있다.
이와 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있으며, 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 추력 전환 장치 11: 하우징
20: 제트엔진(core engine) 30: 애프터 버너
100: 회전 베인 유닛 110: 제1 내측 케이스
120: 제1 외측 케이스 130: 제1 베인
121: 에어 유입포트 125: 도어
200: 노즐 덕트 유닛 210: 제2 내측 케이스
220: 제2 외측 케이스 230: 제2 베인
240, 260: 메인 노즐 덕트 250, 270: 리프트 노즐 덕트
280: 메인 노즐 290: 리프트 노즐
GP1: 제1 가스 유로 GP2: 제2 가스 유로
AP1: 제1 에어 유로 AP2: 제2 에어 유로

Claims (11)

  1. 제트엔진(core engine)의 후단에 결합되어 제트엔진의 추력 방향을 전환하는 수직이착륙 비행체의 추력 전환 장치로서,
    제트엔진의 배기가스를 축방향의 하류로 분사되게 하는 제1 가스 유로(GP1), 상기 제1 가스 유로를 둘러싸며 제트엔진의 바이패스 에어를 축방향의 하류로 분사되게 하는 제1 에어 유로(AP1), 및 상기 제1 가스 유로(GP1)에 배치된 복수개의 제1 베인(130)을 구비한 회전 베인 유닛(100);
    상기 회전 베인 유닛의 후단에 결합되며, 상기 제1 가스 유로(GP1)와 연결되어 통하며 배기가스를 제트엔진의 축방향의 하류와 방사상 방향의 하류 중 적어도 한 방향으로 분사되게 하는 제2 가스 유로(GP2), 상기 제1 에어 유로(AP1)와 연결되어 통하며 바이패스 에어를 축방향의 하류와 방사상 방향의 하류 중 적어도 한 방향으로 분사되게 하는 제2 에어 유로(AP2), 및 상기 제2 가스 유로(GP2)에 배치된 복수개의 제2 베인(230)을 구비한 노즐 덕트 유닛(200); 및
    상기 제1 에어 유로(AP1)와 제2 에어 유로(AP2)를 둘러싸는 원통형상이고, 축방향 하류측에 메인 노즐(280)이 형성되고 외주면에 복수개의 리프트 노즐(290)이 형성된 하우징(11);을 포함하고,
    상기 회전 베인 유닛(100)이 상기 노즐 덕트 유닛(200)에 대해 회전함으로써, 상기 배기가스와 바이패스 에어의 적어도 일부가 상기 리프트 노즐(290)로 분사되도록 구성된 것을 특징으로 하는 추력 전환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 베인 유닛(100)은 원통형상의 제1 내측 케이스(110) 및 제1 내측 케이스를 둘러싸는 제1 외측 케이스(120)를 구비하고, 상기 복수개의 제1 베인(130)이 상기 제1 내측 케이스와 제1 외측 케이스 사이에 배치되며, 상기 제1 가스 유로(GP1)는 상기 제1 내측 케이스와 제1 외측 케이스 사이의 영역에 의해 정의되고,
    상기 노즐 덕트 유닛(200)은 원통형상의 제2 내측 케이스(210) 및 제2 내측 케이스를 둘러싸며 외주면에 복수개의 리프트 노즐 포트(255)가 형성된 제2 외측 케이스(220)를 구비하고, 상기 복수개의 제2 베인(230)이 상기 제2 내측 케이스와 제2 외측 케이스 사이에 배치되며, 상기 제2 가스 유로(GP2)는 상기 제2 내측 케이스와 제2 외측 케이스 사이의 영역에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 추력 전환 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    각각의 상기 제1 베인(130)은 유선형으로 하류측으로 갈수록 베인의 폭이 점차 넓어지도록 구성된 것을 특징으로 하는 추력 전환 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    각각의 상기 제2 베인(230)은 하류측으로 갈수록 베인의 폭이 점차 좁아지도록 구성되되, 상기 제2 베인의 상류측 단부의 폭과 상기 제1 베인의 하류측 단부의 폭이 동일하도록 구성되어 제1 및 제2 베인이 결합되면 전체적으로 유선형 형상이 되는 것을 특징으로 하는 추력 전환 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    각각의 제2 베인의 내부 공간이 각각의 리프트 노즐 포트(255)와 연결되어 통하고, 상기 제2 가스 유로(GP2)가, 서로 이웃하는 제2 베인(230) 사이의 통로인 메인 노즐 덕트(240) 및 상기 제2 베인의 내부 공간으로 통하는 리프트 노즐 덕트(250)로 분기되도록 구성된 것을 특징으로 하는 추력 전환 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    회전 베인 유닛(100)이 노즐 덕트 유닛(200)에 대해 소정 각도씩 회전함에 따라, 상기 추력 전환 장치가 제트엔진의 추력을 축방향으로 향하게 하는 순항비행 모드, 방사상 방향으로 향하게 하는 수직이착륙비행 모드, 및 축방향과 방사상 방향 양쪽으로 향하게 하는 전환비행 모드에서 동작하도록 구성된 것을 특징으로 하는 추력 전환 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 순항비행 모드는, 제1 가스 유로(GP1)가 제2 가스 유로(GP2)의 메인 노즐 덕트(240)에만 연결되어 통하도록 상기 회전 베인 유닛(100)이 회전하여 상기 제1 가스 유로(GP1)의 배기가스가 상기 메인 노즐(280)로 분사되는 모드이고,
    상기 수직이착륙비행 모드는, 제1 가스 유로(GP1)가 제2 가스 유로(GP2)의 리프트 노즐 덕트(250)에만 연결되어 통하도록 상기 회전 베인 유닛(100)이 회전하여 상기 제1 가스 유로(GP1)의 배기가스가 상기 리프트 노즐(290)로 분사되는 모드이고,
    상기 전환비행 모드는, 제1 가스 유로(GP1)가 제2 가스 유로(GP2)의 메인 노즐 덕트(240)와 리프트 노즐 덕트(250) 양쪽과 연결되어 통하도록 상기 회전 베인 유닛(100)이 회전하여 상기 제1 가스 유로(GP1)의 배기가스가 상기 메인 노즐(280)과 리프트 노즐(290) 양쪽으로 분사되는 모드인 것을 특징으로 하는 추력 전환 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 에어 유로(AP2)가, 각각의 리프트 노즐(290)의 상류측 전방에 형성되며 각각의 리프트 노즐(290)과 연결되어 통하는 리프트 노즐 덕트(270) 및 서로 이웃하는 리프트 노즐 덕트(270) 사이의 통로인 메인 노즐 덕트(260)로 분기되도록 구성된 것을 특징으로 하는 추력 전환 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    순항비행 모드에서, 제1 에어 유로(AP1)가 제2 에어 유로(AP2)의 메인 노즐 덕트(260)에만 연결되어 통하여 제1 에어 유로(AP1)의 에어가 상기 메인 노즐(280)로 분사되고,
    수직이착륙비행 모드에서, 제1 에어 유로(AP1)가 제2 에어 유로(AP2)의 리프트 노즐 덕트(270)에만 연결되어 통하여 제1 에어 유로(AP1)의 에어가 상기 리프트 노즐(290)로 분사되고,
    전환비행 모드에서, 제1 에어 유로(AP1)가 제2 에어 유로(AP2)의 메인 노즐 덕트(260)와 리프트 노즐 덕트(270) 양쪽과 연결되어 통하여 제1 에어 유로(AP1)의 에어가 상기 메인 노즐(280)과 리프트 노즐(290) 양쪽으로 분사되는 것을 특징으로 하는 추력 전환 장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 외측 케이스(120)의 외주면에 형성되며 상기 제1 에어 유로(AP1)와 각각의 제1 베인의 내부 공간과 연결되어 통하는 에어 유입포트(121); 및
    상기 에어 유입포트(121)를 개폐하도록 동작가능한 도어(125);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 추력 전환 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    전환비행 모드에서 상기 도어가 개방됨으로써, 제1 에어 유로(AP1)의 에어 중 일부가 상기 에어 유입포트(121)를 통해 제1 베인(130)의 내부 공간으로 유입되고, 이 유입된 에어는 상기 제2 가스 유로(GP2)의 메인 노즐 덕트(240)와 리프트 노즐 덕트(250)로 분기되어 분사되는 것을 특징으로 하는 추력 전환 장치.
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