KR102445237B1

KR102445237B1 - 수직이착륙 비행기

Info

Publication number: KR102445237B1
Application number: KR1020200142223A
Authority: KR
Inventors: 김수철; 이근호; 손종현; 문상곤; 김민근; 김재승; 이한민
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2022-09-20
Also published as: KR20220057200A

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 수직이착륙 비행기는 동체부를 포함하며, 상기 동체부의 전방에 위치하는 전방덕티드팬, 상기 전방덕티드팬에 대해 상대적으로 상기 동체부의 후방에 위치하는 후방덕티드팬, 상기 동체부의 후단에 구비된 푸셔프로펠러(pusher propeller), 그리고 상기 동체부를 따라 상기 후방덕티드팬의 후방덕트를 관통하여 상기 푸셔프로펠러에 연결된 구동엔진축을 구동할 수 있는 구동엔진을 포함한다. 상기 전방덕티드팬의 전방팬구동축은 제1 클러치를 통해 상기 구동엔진축에 결합 또는 결합해제될 수 있고, 상기 후방덕티드팬의 후방팬구동축은 제2 클러치를 통해 상기 구동엔진축에 결합 또는 결합해제될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

수직이착륙 비행기{Vertical takeoff and landing aircraft}

본 발명은 수직이착륙 비행기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수직이착륙 비행기의 동력 전달 구조에 관한 것이다.

수직이착륙 비행기는 이착륙시 활주하지 않고 수직으로 상승 또는 하강할 수 있는 비행기로서, 수평으로 날 때에 성능이 나쁜 헬리콥터의 결점과 이착륙시에는 긴 활주로를 필요로 하는 고정익 비행기의 결점을 제거하여 서로의 장점만을 취한 비행기로서 활용도가 증대되고 있는 실정이다.

도 4 및 도 5에는 한국등록특허공보 제2041203호에 개시된 수직이착륙 항공기의 한 예가 도시되어 있다.

종래의 수직이착륙 항공기는 주날개(130) 및 꼬리날개 양쪽에 각각 틸팅 가능한 덕티드팬(400)을 구비하고, 이 덕티드팬(400)을 틸팅시키기 위한 틸팅부(300)와 구동부(310)와 회전지지부(320)를 구비한다.

그러나 이러한 구성을 가진 종래의 수직이착륙 항공기는 날개에 덕티드팬이 장착되어 날개를 활용한 고속 비행이 불가능하다. 설사, 푸셔 프로펠러(pusher propeller)를 항공기에 장착한다 하더라도 고속 비행을 위해서는 덕티드팬의 동력 전달을 해제하고 푸셔 프로펠러에만 동력을 전달해야 하지만 날개 쪽 덕티드팬에까지 동력 구조를 연결하기 위한 구조의 복잡성, 이로 인한 항공기 크기 및 하중 증가 등의 문제점을 여전히 가지고 있다. 특히, 이러한 점은 비행기를 소형으로 구현하고 고속 비행을 가능하도록 하기 위해서 항공기의 크기 및 하중 관리가 중요하다는 점에서 치명적인 단점이라 할 수 있다.

참고로, 도 4 및 도 5는 상기 한국등록특허공보의 도 2, 도 3에 각각 대응하는 것으로서, 설명의 편의상 도면부호 등은 수정 없이 그대로 표시하였다. 그리고 후술되는 본 발명의 설명에 사용된 도면부호와 동일한 도면부호를 사용하더라도 동일한 구성요소를 지칭하는 것은 아니다.

한국등록특허 제2041203호 (2019.11.06)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 덕티드팬과 푸셔 프로펠러 간의 동력 전달/해제를 위한 구조를 효과적으로 구현하여 고출력이 필요한 고속비행이 가능하도록 하고 특히, 소형의 항공기로 구현할 수 있는 수직이착륙 비행기를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 수직이착륙 비행기는 동체부를 포함하며, 상기 동체부의 전방에 위치하는 전방덕티드팬, 상기 전방덕티드팬에 대해 상대적으로 상기 동체부의 후방에 위치하는 후방덕티드팬, 상기 동체부의 후단에 구비된 푸셔프로펠러(pusher propeller), 그리고 상기 동체부를 따라 상기 후방덕티드팬의 후방덕트를 관통하여 상기 푸셔프로펠러에 연결된 구동엔진축을 구동할 수 있는 구동엔진을 포함하며, 상기 전방덕티드팬의 전방팬구동축은 제1 클러치를 통해 상기 구동엔진축에 결합 또는 결합해제될 수 있고, 상기 후방덕티드팬의 후방팬구동축은 제2 클러치를 통해 상기 구동엔진축에 결합 또는 결합해제될 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수직이착륙 비행기를 위에서 내려다본 평면도 상에서 볼 때, 상기 전방덕티드팬, 상기 구동엔진, 상기 후방덕티드팬, 상기 푸셔프로펠러 순서로 상기 동체부에 전방에서 후방으로 일렬로 배치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전방덕티드팬은, 전방덕트, 전방팬, 상기 전방팬에 연결된 상기 전방팬구동축, 상기 전방팬구동축의 동력방향을 상기 구동엔진축 방향으로 전환하는 전방기어박스, 그리고 상기 전방기어박스에 연결된 전방기어박스연결축을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 후방덕티드팬은, 후방팬, 상기 후방팬에 연결된 상기 후방팬구동축, 그리고 상기 후방팬구동축의 동력방향을 상기 구동엔진축 방향으로 전환하는 후방기어박스를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 클러치는 상기 후방기어박스 내부에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 후방덕트와 상기 푸셔프로펠러 사이에 제3 클러치가 더 구비될 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동엔진축은 상기 후방덕티드팬의 제2 클러치를 관통하여 연장되는 것을 특징으로 한다.

상술한 수직이착륙 비행기를 제어하는 방법의 한 실시예는 수직이착륙 시에는 상기 제3 클러치의 결합을 해제하여 상기 구동엔진으로부터의 동력이 상기 푸셔프로펠러에 전달되지 않도록 하고, 순항 시에는 상기 제3 클러치의 결합을 유지하여 상기 구동엔진으로부터의 동력이 상기 푸셔프로펠러에 전달되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수직이착륙 비행기의 피치각(pitch angle)을 증가시킬 경우, 상기 제1 클러치를 결합 유지하고 상기 제2 클러치는 결합 해제하여, 상기 구동엔진으로부터의 동력이 상기 전방덕티드팬으로만 전달되도록 하고, 반대로 상기 수직이착륙 비행기의 피치각(pitch angle)을 감소시킬 경우, 상기 제2 클러치를 결합 유지하고 상기 제1 클러치는 결합 해제하여, 상기 구동엔진으로부터의 동력이 상기 후방덕티드팬으로만 전달되도록 하는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 수직이착륙 비행기는 다음과 같은 효과를 가진다.

본 발명은 전방덕티드팬, 구동엔진, 후방덕티드팬, 푸셔프로펠러를 동체를 따라 동축으로 배치하여 내부 동력전달장치의 구성요소를 최소화함으로써, 수직이착륙 비행기, 특히 소형 수직이착륙 비행기의 경량화와 구조의 단순화를 달성할 수 있다.

또한, 전,후방덕티드팬을 동체에 배치하여 날개의 활용도를 극대화할 수 있다.

또한, 후방덕티드팬을 관통하여 푸셔프로펠러를 구동엔진과 직접 연결할 수 있고, 전,후방덕티드팬의 구동 여부를 푸셔프로펠러와는 독립적으로 제어할 수 있어 특히 고출력, 고속비행을 달성할 수 있다.

한편, 본 발명은, 명시적으로 기재되지는 않았지만 상술한 본 발명의 구성으로부터 기대되거나 도출될 수 있는 다른 효과도 포함한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 수직이착륙 비행기의 모식도이다.
도 2는 도 1의 수직이착륙 비행기의 위에서 내려다본 평면도이다.
도 3은 도 1의 수직이착륙 비행기의 동력전달 구조를 나타내는 모식도이다.
도 4 및 도 5는 종래의 수직이착륙 비행기의 한 예이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 수직이착륙 비행기의 모식도이고, 도 2는 도 1의 수직이착륙 비행기의 위에서 내려다본 평면도이며, 도 3은 도 1의 수직이착륙 비행기의 동력전달 구조를 나타내는 모식도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 수직이착륙 비행기(100)(이하, 간단히 '본 수직이착륙 비행기'라 함)는 동체부(1)를 포함하여, 주날개부(2)와 꼬리날개부(3)를 더 포함할 수 있다. 참고로, 도시되지 않았지만, 주날개부(2)에는 에일러론(aileron), 꼬리날개부(3)에는 엘리베이터(elevator), 러더(rudder)가 구비될 수 있으며, 이들은 본 발명의 요지와는 무관하므로 추가적인 설명은 생략한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 수직이착륙 비행기(100)는 전방덕티드팬(front ducted fan)(4), 후방덕티드팬(rear ducted fan)(5), 푸셔프로펠러(pusher propeller)(6), 그리고 구동엔진(8)을 포함한다.

전방덕티드팬(4)은 후방덕티드팬(5)에 대해 상대적으로 동체부(1)의 전방에 위치한다.

후방덕티드팬(5)은 전방덕티드팬(4)에 대해 상대적으로 동체부(1)의 후방에 위치한다.

푸셔프로펠러(pusher propeller)(6)는 동체부(1)의 후단에 구비될 수 있으며, 본 수직이착륙 비행기(100)의 순항시 추력을 제공한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 구동엔진(8)은 동체부(1)를 따라 후방덕티드팬(5)의 후방덕트(52)를 관통하여 푸셔프로펠러(6)에 연결된 구동엔진축(7)을 구동할 수 있다. 이와 같이, 구동엔진축(7)을 후방덕트(52)를 관통하여 배치함으로써, 동력 전달 구조를 컴팩트(compact) 하게 구현함으로써 비행기의 경량화, 구조의 단순화를 달성할 수 있다.

한편, 전방덕티드팬(4)의 전방팬구동축(41)은 클러치(제1 클러치)(9)를 통해 구동엔진축(7)에 결합 또는 결합해제될 수 있다. 마찬가지로, 후방덕티드팬(5)의 후방팬구동축(51)은 클러치(제2 클러치)(10)를 통해 구동엔진축(7)에 결합 또는 결합해제될 수 있다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 수직이착륙 비행기(100)를 위에서 내려다본 평면도 상에서 볼 때, 전방덕티드팬(4), 구동엔진(8), 후방덕티드팬(5), 푸셔프로펠러(6) 순서로 동체부(1)에 전방에서 후방으로 일렬로 배치되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전방덕티드팬(4)은, 전방덕트(45)와, 전방덕트(45)의 내부에서 지면을 향하도록 공기 유동을 발생시키는 전방팬(42)과, 전방팬(42)에 연결된 전방팬구동축(41)과, 전방팬구동축(41)의 동력방향을 구동엔진축(7) 방향으로 전환하는 전방기어박스(43)와, 전방기어박스(43)에 연결된 전방기어박스연결축(44)을 포함한다. 참고로, 전방기어박스(43)는 전방베벨기어휠(431), 전방베벨기어피니언(432) 등으로 구성될 수 있다.

후방덕티드팬(5)은, 후방덕트(52)와, 후방덕트(52)의 내부에서 지면을 향하도록 공기 유동을 발생시키는 후방팬(53)과, 후방팬(53)에 연결된 후방팬구동축(51)과, 후방팬구동축(51)의 동력방향을 구동엔진축(7) 방향으로 전환하는 후방기어박스(54)를 포함한다. 참고로, 후방기어박스(54)는 후방베벨기어휠(541), 후방베벨기어피니언(542) 등으로 구성될 수 있다.

여기서, 전방덕티드팬(4)의 경우, 전방기어박스(43)에 연결된 전방기어박스연결축(44)을 구비하고, 이를 통하여 구동엔진축(7)에 클러치 결합 또는 결합해제하는 반면에, 후방덕티드팬(5)은 전방기어박스연결축(44)에 대응하는 구성요소를 구비하지 않는다. 즉, 도 3을 참고하면, 구동엔진축(7)이 후방기어박스(54), 즉 제2 클러치(10)를 관통하여 연장됨으로써, 기어박스연결축을 별도로 구비할 필요가 없다. 따라서, 이러한 본 발명의 구성상의 특징은 본 수직이착륙 비행기(100)의 구조 간단화, 하중 저감을 달성할 수 있다. 이 때문에, 제1 클러치(9)와는 달리, 제2 클러치(10)는 후방기어박스(54)의 내부에 위치할 수 있으며, 이 또한 본 수직이착륙 비행기(100)의 구조를 더욱 컴팩트 하게 만들 수 있다.

한편, 구동엔진(8)은 엔진감속기어박스(81)를 통해 구동엔진축(7)을 구동(회전력 부여)하게 된다.

필요시, 도시되지 않았지만, 푸셔프로펠러(6)로의 동력전달을 차단하기 위하여, 후방덕트(52)와 푸셔프로펠러(6) 사이에 클러치(제3 클러치)가 구비될 수 있다. 참고로, 도 3에서 도면부호 11은 푸셔프로펠러 구동축을 가리킨다.

이하에서는 상술한 구성을 가진 본 발명의 한 실시예에 따른 수직이착륙 비행기(100)의 작용 및 제어방법에 대해 예시적으로 설명한다. 참고로, 본 수직이착륙 비행기(100)가 제3 클러치를 후방덕트(52)와 푸셔프로펠러(6) 사이에 구비하는 경우를 설명하고 있으나, 이를 생략하여 푸셔프로펠러(6)를 상시 구동하도록 할 수도 있을 것이다.

먼저, 본 수직이착륙 비행기(100)의 이착륙 시, 구동엔진(8)을 가동하여 엔진감속기어박스(81)를 통해 엔진구동축(7)을 구동시킨다.

이때, 제1 클러치(9)를 결합하여 구동엔진축(7)의 동력을 전방팬구동축(41)에 전달하고, 또한 제2 클러치(10)를 결합하여 구동엔진축(7)의 동력을 후방기어박스(54)에 전달한다. 이를 통하여, 전방덕티드팬(4)과 후방덕티드팬(5)을 작동시켜 이륙에 필요한 양력(lift)을 얻을 수 있다. 참고로, 제3 클러치는 결합 해제 상태로 두어 푸셔프로펠러(6)로의 동력 전달은 차단하는 것을 고려할 수 있다.

다음, 본 수직이착륙 비행기(100)를 이륙 후 순항, 특히 고속 순항 시에는, 제1 클러치(9) 및 제2 클러치(10)의 결합을 각각 해제하여 구동엔진축(7)의 동력이 전방덕티드팬(4)과 후방덕티드팬(5)으로 전달되는 것을 차단한다. 그리고 제3 클러치는 결합 상태로 두어 구동엔진축(7)의 동력이 푸셔프로펠러(6)로 전달되도록 한다. 또는, 제3 클러치 구성을 생략하여 구동엔진축(7)의 동력이 항시 푸셔프로펠러(6)로 전달되도록 할 수도 있다. 이를 통해 구동엔진축(7)의 동력을 오로지 푸셔프로펠러(6)의 구동에만 집중할 수 있으므로, 특히 소형 비행기의 고속비행을 용이하게 달성할 수 있다.

또한, 본 수직이착륙 비행기(100)의 순항 중, 피치각(pitch angle)을 증가시킬 경우, 제1 클러치(9)를 결합 유지하고 제2 클러치(10)는 결합 해제하여, 구동엔진(8)으로부터의 동력이 전방덕티드팬(4)으로만 전달되도록 하여, 비행기의 노즈(nose)가 상승각을 형성하도록 할 수 있다.

반대로 본 수직이착륙 비행기(100)의 피치각(pitch angle)을 감소시킬 경우, 제2 클러치(10)를 결합 유지하고 제1 클러치(9)는 결합 해제하여, 구동엔진(8)으로부터의 동력이 후방덕티드팬(5)으로만 전달되도록 하여, 비행기의 노즈가 하강각을 형성하도록 할 수도 있다.

한편, 본 수직이착륙 비행기(100)는 이와 같은 클러치 결합/결합해제를 제어하고 구동엔진의 작동 제어 등을 위한 제어부를 별도로 구비할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 수직이착륙 비행기는 동체에 전방덕티드팬, 구동엔진, 후방덕티드팬, 푸셔프로펠러를 전방에서 후방으로 일렬로 배치하고, 푸셔프로펠러에 연결된 구동축이 후방덕티드팬을 관통하도록 구성하고, 제2 클러치를 후방기어박스 내에 배치하고 구동축이 푸셔프로펠러에 직접 연결되도록 할 수 있어 구조의 단순화를 달성하였으며, 또한 클러치 결합 또는 결합해제를 통해 이착륙, 고속 순항 등 다양한 비행 조건에 최적화된 구성을 달성하였다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1...동체부
2...주날개부
3...꼬리날개부
4...전방덕티드팬
5...후방덕티드팬
6...푸셔프로펠러(pusher propeller)
7...구동엔진축
8...구동엔진
9...제1 클러치
10...제2 클러치

Claims

동체부를 포함하는 수직이착륙 비행기로서,
상기 동체부의 전방에 위치하는 전방덕티드팬,
상기 전방덕티드팬에 대해 상대적으로 상기 동체부의 후방에 위치하는 후방덕티드팬,
상기 동체부의 후단에 구비된 푸셔프로펠러(pusher propeller), 그리고
상기 동체부를 따라 상기 후방덕티드팬의 후방덕트를 관통하여 상기 푸셔프로펠러에 연결된 구동엔진축을 구동할 수 있는 구동엔진
을 포함하며,
상기 전방덕티드팬의 전방팬구동축은 제1 클러치를 통해 상기 구동엔진축에 결합 또는 결합해제될 수 있고,
상기 후방덕티드팬의 후방팬구동축은 제2 클러치를 통해 상기 구동엔진축에 결합 또는 결합해제될 수 있으며,
상기 전방덕티드팬은,
전방덕트, 전방팬, 상기 전방팬에 연결된 상기 전방팬구동축, 상기 전방팬구동축의 동력방향을 상기 구동엔진축 방향으로 전환하는 전방기어박스, 그리고 상기 전방기어박스에 연결된 전방기어박스연결축을 포함하며,
상기 후방덕티드팬은,
후방팬, 상기 후방팬에 연결된 상기 후방팬구동축, 그리고 상기 후방팬구동축의 동력방향을 상기 구동엔진축 방향으로 전환하는 후방기어박스를 포함하되, 상기 전방기어박스연결축에 대응하는 별도의 후방기어박스연결축을 구비하지 않으며,
상기 제2 클러치는 상기 후방기어박스 내부에 위치하며,
상기 구동엔진축은 상기 후방덕티드팬의 제2 클러치를 관통하여 연장되며,
상기 전방기어박스는 상기 전방기어박스연결축과 연결된 전방베벨기어피니언과, 상기 전방베벨기어피니언과 90도로 연결된 전방베벨기어휠을 포함하며,
상기 후방기어박스는 상기 후방팬구동축(51)과 연결된 후방베벨기어휠과, 상기 후방베벨기어휠과 90도로 연결된 후방베벨기어피니언을 포함하며,
상기 제1 클러치는 상기 전방기어박스연결축과 상기 구동엔진축 사이에 배치되고,
상기 제2 클러치는 상기 후방베벨기어피니언과 상기 구동엔진축 사이에 배치된
수직이착륙 비행기.
제1항에서,
상기 수직이착륙 비행기를 위에서 내려다본 평면도 상에서 볼 때, 상기 전방덕티드팬, 상기 구동엔진, 상기 후방덕티드팬, 상기 푸셔프로펠러 순서로 상기 동체부에 전방에서 후방으로 일렬로 배치된
수직이착륙 비행기.
삭제
삭제
삭제
제1항에서,
상기 후방덕트와 상기 푸셔프로펠러 사이에 제3 클러치가 더 구비될 수 있는 수직이착륙 비행기.
삭제
제6항에 따른 수직이착륙 비행기를 제어하는 방법으로서,
수직이착륙 시에는 상기 제3 클러치의 결합을 해제하여 상기 구동엔진으로부터의 동력이 상기 푸셔프로펠러에 전달되지 않도록 하고,
순항 시에는 상기 제3 클러치의 결합을 유지하여 상기 구동엔진으로부터의 동력이 상기 푸셔프로펠러에 전달되도록 하는
수직이착륙 비행기의 제어방법.
제8항에서,
상기 수직이착륙 비행기의 피치각(pitch angle)을 증가시킬 경우, 상기 제1 클러치를 결합 유지하고 상기 제2 클러치는 결합 해제하여, 상기 구동엔진으로부터의 동력이 상기 전방덕티드팬으로만 전달되도록 하고,
반대로 상기 수직이착륙 비행기의 피치각(pitch angle)을 감소시킬 경우, 상기 제2 클러치를 결합 유지하고 상기 제1 클러치는 결합 해제하여, 상기 구동엔진으로부터의 동력이 상기 후방덕티드팬으로만 전달되도록 하는
수직이착륙 비행기의 제어방법.