KR102600288B1 - 공중 및 수중 운용을 위한 추진장치를 구비한 무인기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 공중 및 수중 운용을 위한 추진장치를 구비한 무인기에서, 상기 추진장치는, 덕트, 상기 덕트 내에 위치하는 팬, 제1 클러치를 통하여 상기 팬을 선택적으로 회전시킬 수 있는 공중용 모터, 제2 클러치를 통하여 상기 팬을 선택적으로 회전시킬 수 있는 수중용 모터, 상기 공중용 모터의 속도를 제어하는 제1 속도제어부, 그리고 상기 수중용 모터의 속도를 제어하는 제2 속도제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

공중 및 수중 운용을 위한 추진장치를 구비한 무인기{Unmanned vehicle having propellant apparatus for aerial and underwater operation}

본 발명은 공중 및 수중에서 동시 운용이 가능한 추진장치를 구비한 무인기 에 관한 것이다.

연안이나 선박에서 멀리 떨어진 곳에서 적조 감시, 연안 선박 감시, 수중 탐사, 해양 오염 측정 등의 임무 수행이 필요한 경우, 선박으로 이동한 후 무인 잠수정을 이용한다. 이 경우 공중과 수중에서 동시에 운용 가능한 무인기를 이용하면 시간 및 인력 손실 없이 효율적인 임무 수행이 가능하다.

이와 관련하여, 공중 및 수중 동시 운영을 위해, 기존 멀티콥터형 드론에 방수기능을 추가하여 사용할 수 있는데, 이를 제작하기는 쉽지만 장거리 비행이 쉽지 않고, 또한 수중에서 빠른 이동이 어려우며 비효율적이라 전력 손실도 많이 발생할 것으로 예견된다.

또 다른 방안으로, 고정익 기반의 항공기를 이용하는 방법도 있지만 항공기용 프로펠러, 날개로 인한 항력으로 물속에서 운항시 매우 비효율적이며, 제자리 비행이 불가능한 문제가 있다.

따라서, 공중에서 고속으로 장시간 비행이 가능하고 수중에서도 에너지 손실 없이 이동이 가능하는 등, 두 영역에서 모두 효율적으로 사용 가능한 추진장치를 구비한 무인기의 필요성이 대두된다.

한국특허출원 제2016-0160200호(출원일: 2016.11.29.)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 공중 및 수중 두 영역에서 모두 효율적으로 사용 가능한 추진장치를 구비한 무인기를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 공중 및 수중 운용을 위한 추진장치를 구비한 무인기에서, 상기 추진장치는, 덕트, 상기 덕트 내에 위치하는 팬, 제1 클러치를 통하여 상기 팬을 선택적으로 회전시킬 수 있는 공중용 모터, 제2 클러치를 통하여 상기 팬을 선택적으로 회전시킬 수 있는 수중용 모터, 상기 공중용 모터의 속도를 제어하는 제1 속도제어부, 그리고 상기 수중용 모터의 속도를 제어하는 제2 속도제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수중용 모터는 감속기어를 통하여 상기 팬에 구동력을 전달하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 클러치는 제1 원심클러치이고, 상기 공중용 모터와 상기 팬은 상기 제1 원심클러치를 통하여 선택적으로 연동할 수 있고, 상기 제2 클러치는 제2 원심클러치이고, 상기 수중용 모터와 상기 팬은 제2 원심클러치를 통하여 선택적으로 연동될 수 있는 것을 특징으로 한다.있다.

또한, 상기 공중용 모터의 회전축과 상기 팬 사이에는 제1 베어링이 위치하고, 상기 수중용 모터의 회전축은 상기 감속기어와 연결되고, 상기 감속기어의 출력축과 상기 팬 사이에는 제2 베어링이 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공중용 모터는 전방에 위치하고 상기 수중용 모터는 후방에 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 한 실시예에 따른 무인기는 상기 추진장치가 전방 좌우, 후방 좌우에 각각 위치하고 상하 방향으로 틸팅 가능하게 배치된 동체, 상기 동체의 상면에 위치하고 상기 동체의 후방으로 접힐 수 있는 주날개, 상기 동체의 후방에 위치하는 꼬리날개를 포함하며, 상기 꼬리날개의 수직꼬리날개는 상기 주날개가 접힐 때 부딪히지 않도록 상기 동체의 하방으로 연장되는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 공중 및 수중 운용을 위한 추진장치를 구비한 무인기에 따르면, 시간과 인력에 대한 비용 손실 없이 공중과 수중에서 동시에 효율적인 임무 수행이 가능한 무인기를 제공할 수 있다.

한편, 본 발명은 명시적으로 기재되지는 않았지만 상술한 구성으로부터 기대할 수 있는 다른 효과도 물론 포함한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 공중 및 수중 운용을 위한 무인기용 추진장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 공중 및 수중 운용을 위한 추진장치를 구비한 무인기의 모식도이다.
도 3의 (a)는 도 2의 무인기의 공중 운용시 기본 정지비행 모드를, 도 3의 (b)는 돌풍/강풍 조건에서의 정지비행 모드를 나타낸다.
도 4의 (a)는 도 2의 무인기의 저속 전진비행 모드를, 도 4의 (b)는 고속 전진비행 모드를 나타낸다.
도 5의 (a)는 도 2의 무인기가 단거리 비행용으로 작은 날개를 장착한 모습을, 도 5의 (b)는 장거리 비행용으로 큰 날개를 장착한 모습을 나타낸다.
도 6에는 도 2의 무인기의 수중 운용시, 무인기의 롤링(도 6의 (a)), 피칭(도 6의 (b)), 요잉(도 6의 (c)), 수직 상승/하강(도 6의 (d)) 상태를 나타낸다.

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.

본 발명의 한 실시예에 따른, 공중 및 수중 운용을 위한 추진장치를 구비한 무인기는 추진장치(100)를 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 추진장치(100)는, 덕트(1)와, 덕트(1) 내에 위치하는 팬(2)과, 제1 클러치(41)를 통하여 팬(2)을 선택적으로 회전시킬 수 있는 공중용 모터(3)와, 제2 클러치(42)를 통하여 팬(2)을 선택적으로 회전시킬 수 있는 수중용 모터(5)와, 공중용 모터(3)의 속도를 제어하는 제1 속도제어부(6)와, 수중용 모터(5)의 속도를 제어하는 제2 속도제어부(7)를 포함한다.

덕트(1)는 대략 실린더 형상을 가질 수 있다. 참고로, 덕트 팬(ducted fan)은 공중에서 고속 비행이 가능하고 단면적이 크지 않아 수중에서도 낮은 항력을 유지할 수 있는 장점이 있다.

본 실시예에서는 1개의 팬(2)으로 공중 및 수중에서 사용함으로써, 추진장치의 구조 단순화를 달성할 수 있다.

수중용 모터(5)는 감속기어(8)를 통하여 팬(2)에 낮은 회전수와 높은 토크의 구동력이 전달된다. 참고로, 물과 공기의 밀도차이는 약 1,000배 정도이므로 고회전수 저토크로 설계된 공중용 프로펠러는 수중에서 회전이 어렵고 모터에 무리가 갈 수 있으므로, 수중에서 사용하려면 낮은 회전수와 높은 토크로 회전시켜야만 효율적인 추진이 가능하다.

제1 클러치(41)는 제1 원심클러치일 수 있고, 공중용 모터(3)와 팬(2)은 제1 원심클러치(41)를 통하여 선택적으로 연동할 수 있다. 또한, 제2 클러치(42)는 제2 원심클러치일 수 있고, 수중용 모터(3)와 팬(2)은 제2 원심클러치(42)를 통하여 선택적으로 연동될 수 있다.

또한, 공중용 모터(3)의 회전축(31)과 팬(2) 사이에는 제1 베어링(91)이 위치하고, 수중용 모터(5)의 회전축(미도시)은 감속기어(8)와 연결되고, 감속기어(8)의 출력축(32)과 팬(2) 사이에는 제2 베어링(92)이 위치한다.

팬(2)의 회전축은 중공으로 형성되어, 제1, 2 클러치(41,42)와, 제1, 2 베어링(91,92)은 팬(2)의 회전축 내부에 배치될 수 있다. 이를 통하여, 팬(2)은 공중용 모터(3) 및 수중용 모터(5) 모두에 전원이 인가되지 않은 경우, 자유 회전(free rotation) 상태가 되어, 모터 고장시 항력 감소의 효과를 얻을 수 있다.

공중용 모터(3)는 추진장치(100)의 전방에 위치하고, 수중용 모터(5)는 추진장치(100)의 후방에 위치할 수 있다.

수중용 모터(5)를 제어하는 제2 속도제어부(7)는 수중에서 무인기가 전진, 후진 양방향으로 이동할 수 있도록 팬(2)의 회전 방향을 제어할 수 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 상술한 바와 같은 구성을 가진 추진장치(100)를 구비하는 무인기는 동체(200), 주날개(300), 꼬리날개(400)를 포함한다.

동체(200)는 추진장치(100)를 전방 좌우, 후방 좌우에 각각 구비하고, 이때 추진장치(100)는 상하 방향으로 틸팅 가능하게 배치된다. 구체적으로, 추진장치(100)는 전방에 2개, 후방에 2개, 총 4개가 배치될 수 있고, 이들은 전방의 추진장치로부터 발생하는 후류가 후방의 추진장치에 직접 유입되지 않도록 어긋나게(misaligned) 장착된다.

또한, 동체(200)는 주날개(300)가 접힐 경우를 대비해서 상면을 평평하게 제작하고, 상면에는 주날개 각도 변형을 위한 공지의 액추에이터가 장착된다. 그리고 동체(200)의 내부에는 수중 운용을 위한 부력장치(압축공기, 물탱크, 펌프 등)가 구비될 수 있다.

주날개(300)는 동체(200)의 상면에 위치하고 동체(200)의 후방으로 접힐 수 있다. 즉, 주날개(300)는 수중 운용시 접힐 수 있으며, 주날개(300)의 전개에는 공지의 선형 액추에이터와 링크 부품(미도시)이 사용될 수 있다. 액추에이터는 공중 비행시 속도 조건에 따른 효율적인 비행을 위해 날개의 각도를 조절할 수 있다. 또한, 주날개(300)는 조종면(Aileron)을 장착하고 있으며 필요시 경량화를 위해 조종면을 제거할 수도 있다. 또한, 주날개(300)는 착탈식으로 제작하여, 필요에 따라 길이가 다른 날개를 교체하여 동체에 장착할 수 있다.

꼬리날개(400)는 동체(200)의 후방에 위치하며, 특히 꼬리날개(400)의 수직꼬리날개(401)는 주날개(300)가 접힐 때 부딪히지 않도록 동체(200)의 하방으로 연장된다. 즉, 주날개(300)가 접힐 경우 간섭이 발행하지 않도록 꼬리날개(400)는 역 U 자 형태로 제작될 수 있다. 또한, 꼬리날개(400)는 공지의 조종면(elevator, rudder)를 장착하고 있으며 공중 및 수중에서 기체의 조종에 이용될 수 있다.

이하에서는 상술한 구성을 가진 추진장치(100) 및 무인기의 작용에 대하여 설명한다. 먼저 추진장치(100)의 작용은 다음과 같다.

도 1을 참고하면, 공중 운용시에는 제1 속도제어부(6)가 공중용 모터(3)를 구동한다. 다음, 제1 원심클러치(41)를 통하여 공중용 모터(3)의 구동력이 팬(2)에 전달되어 팬(2)이 회전한다. 이때, 수중용 모터(5)는 동작하지 않으며, 제2 원심클러치(42)는 팬(2)과 수중용 모터(5)의 결합을 해제한 상태이다.

팬(2)의 속도 조절은 제1 속도제어부(6)를 통하여 이루어진다.

한편, 수중 운용시에는 제2 속도제어부(7)가 수중용 모터(5)를 구동한다. 이때, 효율적인 추진을 위하여 감속기어(8) 예를 들면, 감속용 유성기어 등을 통하여 수중용 모터(5)의 구동력은 낮은 회전수와 높은 토크로 팬(2)에 전달된다. 구체적으로, 감속기어의 출력축(32)과 제2 원심클러치(41)를 통하여 수중용 모터(5)의 구동력이 팬(2)에 전달되어 팬(2)이 회전한다. 이때, 전원이 인가되지 않은 공중용 모터(3)는 동작하지 않으며, 제1 원심클러치(41)는 팬(2)과 공중용 모터(3)의 결합을 해제한 상태이다.

이하, 도 3 내지 도 6을 참고하여, 상술한 추진장치(100)를 구비한 무인기의 작용에 대하여 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 공중 운용시, 정지 비행시 추진장치(100)는 일반적인 멀티콥터와 동일한 방식으로 동작한다. 기본적으로 정지 비행 모드시, 추진장치(100)는 지면 방향으로 틸팅되어 있다(도 3의 (a) 참조). 돌풍이나 강풍 조건 하에서는 날개로 인하여 비행제어에 부정적인 영향을 끼치는 것을 줄이기 위하여 날개를 접을 수도 있다(도 3의 (b) 참조).

도 4를 참고하면, 공중 운영시, 본 무인기를 전진 비행시에는 최적의 효율을 위해 추진장치 4개를 모두 사용하거나, 전방 혹은 후방의 추진장치만 사용할 수도 있다.

저속비행시 날개는 기체와 수직방향까지 전개할 수 있으며(도 4의 (a) 참조), 고속비행시 날개의 항력을 최소화하기 위하여 후퇴각을 갖도록 할 수 있다(도 4의 (b) 참조).

한편, 날개는 착탈식으로 장착 가능하며, 장거리 임무 수행시에는 세장비가 큰 날개를 장착할 수 있다. 참고로, 도 5의 (a)에는 단거리 비행용 날개, 도 5의 (b)에는 장거리 비행용 날개가 장착된 모습을 예시하고 있다.

도 6에는 수중 운용시, 본 무인기의 롤링(rolling)(도 6의 (a)), 피칭(pitching)(도 6의 (b)), 요잉(yawing)(도 6의 (c)), 수직 상승/하강(도 6의 (d))시 추진장치의 틸팅 상태가 도시되어 있다.

수중 운용에 필요한 부력은 동체 내부의 부력 조절장치(미도시)를 이용할 수 있다.

또한, 수중에서는 추력장치의 추력방향을 변환시켜서 이동 방향을 변화시킬 수 있으며, 후진을 고려하여 추력장치가 역추력을 발생시킬 수 있도록 한다. 이와 관련하여, 수중용 모터(5)를 제어하는 제2 속도제어부(7)는 수중에서 무인기가 전진, 후진 양방향으로 이동할 수 있도록 팬(2)을 제어할 수 있음은 이미 설명된 바 있다.

전진시 4개의 추력장치는 각각 독립적으로 추력을 발생하고, 방향전환이 가능하며, 도 6에 도시된 바와 같이, 추력장치를 틸팅시켜 무인기의 롤링, 요잉, 피칭, 수직 상승/하강을 조종할 수 있다.

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.

100...추진장치
1...덕트
2...팬
3...공중용 모터
41...제1 클러치, 42...제2 클러치
5...수중용 모터
6...제1 속도제어부
7...제2 속도제어부

Claims (6)

1. 공중 및 수중 운용을 위한 추진장치를 구비한 무인기로서,
   상기 추진장치는,
   덕트,
   상기 덕트 내에 위치하는 팬,
   제1 클러치를 통하여 상기 팬을 선택적으로 회전시킬 수 있는 공중용 모터,
   제2 클러치를 통하여 상기 팬을 선택적으로 회전시킬 수 있는 수중용 모터,
   상기 공중용 모터의 속도를 제어하는 제1 속도제어부, 그리고
   상기 수중용 모터의 속도를 제어하는 제2 속도제어부
   를 포함하며,
   상기 제1 클러치는 제1 원심클러치이고, 상기 공중용 모터와 상기 팬은 상기 제1 원심클러치를 통하여 선택적으로 연동될 수 있고,
   상기 제2 클러치는 제2 원심클러치이고, 상기 수중용 모터와 상기 팬은 제2 원심클러치를 통하여 선택적으로 연동될 수 있는
   무인기.
2. 제1항에서,
   상기 수중용 모터는 감속기어를 통하여 상기 팬에 구동력을 전달하는
   무인기.
3. 삭제
4. 제2항에서,
   상기 공중용 모터의 회전축과 상기 팬 사이에는 제1 베어링이 위치하고,
   상기 수중용 모터의 회전축은 상기 감속기어와 연결되고, 상기 감속기어의 출력축과 상기 팬 사이에는 제2 베어링이 위치하는
   무인기.
5. 제1항에서,
   상기 공중용 모터는 전방에 위치하고 상기 수중용 모터는 후방에 위치하는
   무인기.
6. 공중 및 수중 운용을 위한 추진장치를 구비한 무인기로서,
   상기 추진장치는, 덕트, 상기 덕트 내에 위치하는 팬, 제1 클러치를 통하여 상기 팬을 선택적으로 회전시킬 수 있는 공중용 모터, 제2 클러치를 통하여 상기 팬을 선택적으로 회전시킬 수 있는 수중용 모터, 상기 공중용 모터의 속도를 제어하는 제1 속도제어부, 그리고 상기 수중용 모터의 속도를 제어하는 제2 속도제어부를 포함하며,
   상기 무인기는
   상기 추진장치가 전방 좌우, 후방 좌우에 각각 위치하고 상하 방향으로 틸팅 가능하게 배치된 동체,
   상기 동체의 상면에 위치하고 상기 동체의 후방으로 접힐 수 있는 주날개,
   상기 동체의 후방에 위치하는 꼬리날개
   를 포함하며,
   상기 꼬리날개의 수직꼬리날개는 상기 주날개가 접힐 때 부딪히지 않도록 상기 동체의 하방으로 연장되는
   무인기.

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