KR20000067382A - Airship direction control system - Google Patents

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임철호
염찬홍
남기욱
황창전
안이기
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장근호
한국항공우주연구소
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Abstract

PURPOSE: An airship direction control system is provided to control the direction of an airship by periodically varying the current speed of a propeller and asymmetrically generating the rear current speed of the propeller. CONSTITUTION: Blades(8,8'), rods(10,10') for varying a pitch angle and an upper plate(11) for controlling a variable pitch angle rotate with a rotary shaft(7). A lower plate(12) for controlling a variable pitch angle does not rotate. In this state, when inclination is applied in a desired direction, the length of the rods(10,10') is fixed so that the pitch angle of the blades(8,8') is varied. In addition, in equally varying the pitch angle of the blades, a collective pitch angle increase plate(13) is moved along a rotary shaft(7).

Description

비행선 방향 제어 시스템{Airship direction control system}Airship direction control system

본 발명은 성층권에서 장기 체공하는 비행선의 방향을 선회시키는 시스템에 관한 것으로, 비행선 후미에 설치된 프로펠러의 피치를 주기적 가변 피치각 제어로 선회 모멘트를 발생시켜 방향을 선회시키도록 하는 비행선 방향 제어시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system for turning the direction of an airship flying in the stratosphere for a long time, and relates to an airship direction control system for turning the pitch of a propeller installed at the rear of an airship by generating a turning moment with periodic variable pitch angle control. .

비행선이 공기 중을 비행할 때 원하는 방향으로 움직이려면, 비행선의 기체를 원하는 방향으로 선회하도록 비행선에 선회 모멘트를 가해야 하므로 일반적인 비행선은 순항할 때 방향타를 움직여서 비행선 선회 모멘트를 발생시키고 있다.In order to move in the desired direction when the airship is flying in the air, the airship has to apply a turning moment to the airship to turn the aircraft in the desired direction, so the normal airship generates the airship turning moment by moving the rudder when cruising.

그러나 정지상태에서 출발할 때는 방향타가 작동하지 못하므로 곤돌라 좌우나 비행선 후미 좌우에 각각 1개씩의 엔진을 장착하여 좌우 엔진의 추력차에 의하여 선회 모멘트를 발생시키거나, 비행선 후미의 프로펠러 방향을 바꾸거나, 프로펠러 후류에 방향타를 설치하여 선회 모멘트를 발생시키고 있다.However, when starting from the standstill, the rudder does not work. Therefore, one engine is mounted on each side of the gondola or the rear of the airship to generate turning moments by the thrust difference of the left and right engines, or change the propeller direction of the rear of the airship. A rudder is installed on the wake of the propeller to generate a turning moment.

고도 20Km 내외의 성층권에서 수개월간 장기 체공하는 비행선은 공기 저항이 매우 낮은 형상을 유지해야 함으로 통상의 비행선처럼 외부에 곤돌라나 돌출된 보조 추진 시스템을 장착하기가 매우 어렵고, 특히 통신 중계 임무를 수행하는 비행선은 바람의 유무에 관계없이 일정지점에 머무르면서 일정한 방향으로 비행체를 유지시켜야 한다.Airships that fly for several months in the stratosphere at altitudes of about 20 km are required to maintain very low air resistance, making it difficult to equip external gondola or protruding auxiliary propulsion systems like conventional airships. The airship should stay at a certain point with or without wind and keep the aircraft in a certain direction.

영하 약 60c, 약 1/17 기압 상태인 성층권에서 운용되는 비행선은 길이는 수백미터, 직경은 수십미터인 대형 물체로 항력을 줄이고자, 도 6 에 보이 듯이 외부에 돌출부는 최소화시키고, 비행선(1)의 기낭(4) 후미의 프로펠러(2)를 이용한 경계층제어(Boundary Layer Control) 방식을 적용한 항력 저감 기술을 통상 채택하고 있다.Airships operating in the stratosphere at about minus 60c and about 1/17 atmospheres are designed to reduce drag by large objects of hundreds of meters in length and tens of meters in diameter, minimizing protrusions on the outside as shown in FIG. The drag reduction technique using the boundary layer control method using the propeller 2 of the rear end of the bladder bag 4 is normally adopted.

기존에 제안된 성층권 비행선의 무풍시 선회 모멘트 발생장치는 도 6 의 (a)와 같이 프로펠러(2) 후류에 꼬리날개(3)를 설치하는 방식과, 도 6 의 (b)와 같이 프로펠러(2)회전면을 움직이는 방식이 있다.Conventional proposed turning moment generating device of the stratospheric airship is a method of installing the tail wing (3) in the wake of the propeller (2) as shown in Figure 6 (a), and the propeller (2) as shown in Figure 6 (b) There is a way to move the rotating surface.

프로펠러(2)후류에 꼬리날개(3)를 설치하면 항상 후류가 꼬리날개(3)를 치므로 저항을 증가시키고 또한 구조상 꼬리날개(3) 설치에도 어려운 점이 있고, 프로펠러(2)회전면을 움직이는 방식은 헬리콥터인 경우 구조적으로 매우 어려운 것으로 알려져 있다.If the tail blade (3) is installed in the rear of the propeller (2), the wake always strikes the tail wing (3), thereby increasing the resistance, and there is also a difficulty in installing the tail wing (3) in the structure, and the propeller (2) rotating surface is moved. Is a structurally very difficult case for helicopters.

본 발명은 비행선 후미에 설치된 프로펠러의 피치를 주기적 가변 피치각 제어로 선회 모멘트를 발생시켜 방향을 선회시킬 수 있는 것으로, 프로펠러를 이루는 대향된 블레이드의 피치각을 다르게 변화시켜 회전시키되 블레이드의 피치각을 대향된 위치의 블레이드 피치각으로 변환되며 회전되게 하므로써 프로펠러 후류의 유동속도 분포가 한쪽으로 치우치게 하여 선회모멘트를 발생시키는 것이다.According to the present invention, the pitch of the propeller installed at the rear of the airship can be rotated by generating a turning moment by controlling the variable pitch angle periodically, and rotating by changing the pitch angle of the opposite blade constituting the propeller, but facing the pitch angle of the blade. It is converted to the blade pitch angle at the set position and rotated so that the flow velocity distribution of the propeller wake is biased to one side to generate the turning moment.

이러한 본 발명은 비행선 후미에 설치되는 회전축과, 회전축 선단 허브에 회전 가능하게 설치되는 블레이드와, 블레이드의 피치각을 가변시키는 피치가변용로드와, 회전축에 외삽되고 피치가변용로드의 일측이 결합되는 가변피치각 제어용 상판과, 가변피치각 제어용 상판의 하부에 설치되어 상기 상판의 각도를 조절하는 가변 피치각 제어용 하판과, 회전축에 외삽되고 가변 피치각 제어용 하판을 상하이동시키는 콜렉티브 피치각 증감판을 구비시킴으로써 이루어진다.The present invention is a variable shaft that is installed on the rear end of the airship, the blade rotatably installed on the rotating shaft tip hub, the pitch variable rod for varying the pitch angle of the blade, the variable side is extrapolated to the rotating shaft and coupled to one side of the pitch variable rod A pitch plate for controlling the pitch angle, a variable pitch plate for adjusting the angle of the upper plate, which is installed under the variable pitch angle control plate, and a collective pitch angle sensitizing plate which is extrapolated to the rotating shaft and moves the lower plate for the variable pitch angle control. By doing so.

도 1 은 프로펠러의 주기적 가변 피치각 제어를 이용한 비행선 방향 제어시스템이 장착된 비행선 개략도1 is a schematic view of an airship equipped with an airship direction control system using a cyclic variable pitch angle control of a propeller;

도 2 는 프로펠러의 주기적 가변 피치각 제어를 이용한 비행선 방향 제어시스템 실시예 구성도2 is a configuration diagram of an airship direction control system using periodic variable pitch angle control of a propeller

도 3 은 주기적 가변 피치각 제어를 했을 때 프로펠러 후류의 속도 분포도3 is a velocity distribution diagram of the propeller wake after cyclically variable pitch angle control.

도 4 는 본 발명의 가변 피치각 제어용 하판 및 콜렉티브 피치각 증감판을 조종했을 때 블레이드의 피치각 변화도Figure 4 is a pitch angle change of the blade when steering the lower pitch and variable pitch angle control plate for variable pitch angle control of the present invention;

도 5 는 유압 액츄에이터 및 리니어 모터를 이용한 주기적 피치각 제어 실시예 구성도5 is a configuration diagram of a periodic pitch angle control embodiment using a hydraulic actuator and a linear motor

도 6 은 전형적인 장기 체공형 성층권 비행선 개념도6 is a conceptual diagram of a typical long-term airborne stratospheric airship

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명][Explanation of symbols on the main parts of the drawings]

1 : 비행선 2 : 프로펠러1: airship 2: propeller

6,6' : 방향타 7 : 회전축6,6 ': Rudder 7: Rotating shaft

8,8' : 블레이드 10,10' : 피치각가변용로드8,8 ': Blade 10,10': Pitch angle variable rod

11 : 가변피치각제어용상판 12 : 가변피치각제어용하판11: Variable pitch angle control upper plate 12: Variable pitch angle control upper plate

13 : 콜렉티브피치각증감판 20,20' : 유압액츄에이터13: Collective pitch angle reducing plate 20,20 ': Hydraulic actuator

30,30' : 리니어모터30,30 ': Linear motor

본 발명은 프로펠러의 주기적 가변 피치각 제어를 이용하여 비행선의 방향을 선회시킬 수 있도록 한 것으로, 프로펠러의 유속을 주기적으로 가변시켜 프로펠러 후류의 유속을 비대칭적으로 발생시킴으로써 비행선의 방향을 제어하는 것이다.The present invention is to control the direction of the airship by using a variable pitch angle control of the propeller to control the direction of the airship by asymmetrically generating the flow rate of the propeller wake by periodically changing the flow rate of the propeller.

이러한 본 발명을 첨부된 실시도면에 의거 설명한다.This invention will be described based on the accompanying drawings.

도 1 은 프로펠러의 주기적 가변 피치각 제어를 이용한 비행선 방향 제어시스템이 장착된 비행선 개략도로써1 is a schematic view of an airship equipped with an airship direction control system using a cyclic variable pitch angle control of a propeller.

비행선(1)을 이루는 기낭(4)의 후미에는 돌출된 회전축(7)을 설치하고 상기 회전축(7)에는 피치각 제어가 가능한 프로펠러(2)를 설치하며, 기낭(4)에는 상,하로 수직안정판(5)(5')과 비행시 방향을 선회시키는 방향타(6)(6')가 설치되고, 마찬가지로 기낭(4)에는 좌,우로 수평안정판과 상하로 움직이기 위한 승강타도 설치된다.A protruding rotary shaft 7 is installed at the rear of the bladder 4 constituting the airship 1, and a propeller 2 capable of controlling the pitch angle is installed at the rotary shaft 7, and vertically up and down in the bladder 4. Stabilizers 5 and 5 'and the rudders 6 and 6' for turning in the direction of flight are provided. Similarly, the bladder 4 is also provided with a horizontal stabilizing plate and a lifting rudder for moving up and down.

수직안정판 및 수평안정판은 십자형태로 배열할 수도 있고, 시옷자 형태로 안전판 3개판을 배열할 수도 있다.The vertical stabilizing plate and the horizontal stabilizing plate may be arranged in a cross shape, or three safety plates may be arranged in the form of a sieve.

본 발명은 비행선(1)의 비행시는 일반적인 선회방식과 같은 방향타(6)(6')를 이용하여 원하는 방향으로 선회시키고, 무풍시에 일정한 지점에서 머무르면서 방향만 선회시킬 경우는 프로펠러(2)의 피치각을 주기적으로 가변시켜 프로펠러(2)후류의 유속을 비대칭적으로 발생시킴으로서 비행선에 대한 추력은 없고 방향만을 제어하게 된다.According to the present invention, when the flight of the airship (1) is rotated in a desired direction by using the rudder (6) (6 ') as in the general turning method, the propeller (2) in the case of turning only the direction while staying at a certain point in the windless By periodically varying the pitch angle of the propeller (2) to generate the flow velocity of the wake behind the propeller (2) there is no thrust on the airship, only to control the direction.

도 2 는 프로펠러의 주기적 가변 피치각 제어를 이용한 비행선 방향제어 시스템 실시예 구성도로써,2 is a configuration diagram of an airship direction control system using periodic variable pitch angle control of a propeller;

비행선(1)에 장착된 회전축(7)의 선단에 회전축(7)과 함께 회전되어지며 허브(9)에 결합되어 수평상태의 피치각 가변이 가능하게 블레이드(8)(8')를 설치하고, 상기 블레이드(8)(8')는 피치가변용로드(10)(10')의 상,하움직임에 의해 피치각이 가변되게 하며, 상기 피치가변용로드(10)(10')는 회전축(7)에 외삽된 가변피치각제어용상판(11)의 기울기에 따라 주기적 가변 피치각 제어가 가능하게 하고, 가변피치각제어용상판(11)의 하부에는 기울기를 조절하는 가변피치각제어용하판(12)이 결합되며, 회전축(7)에 외삽된 콜렉티브피치각증감판(13)에 의해 가변피치각제어용상,하판(11)(12)이 상,하부로 이동되게 한다.It is rotated together with the rotary shaft (7) at the tip of the rotary shaft (7) mounted on the airship (1) and is coupled to the hub (9) to install the blades (8) (8 ') to enable a variable pitch angle in the horizontal state The pitch of the blades 8 and 8 'is varied by the up and down movement of the pitch-variable rods 10 and 10', and the pitch-variable rods 10 and 10 'are rotating shafts. The variable pitch angle control lower plate 12 which enables periodic variable pitch angle control according to the inclination of the variable pitch angle control upper plate 11 extrapolated to (7), and adjusts the slope at the lower portion of the variable pitch angle control upper plate 11. ) Is coupled, and the variable pitch angle control upper and lower plates 11 and 12 are moved up and down by the collective pitch angle increase and decrease plate 13 extrapolated to the rotary shaft 7.

통상의 프로펠러(2)시스템은 각 블레이드(8)(8')의 피치각이 동일한 상태에서 회전하기 때문에 프로펠러(2) 후류의 운동속도 분포가 축대칭이다.In the conventional propeller 2 system, since the pitch angles of the respective blades 8 and 8 'are rotated in the same state, the movement speed distribution of the propeller 2 wake is axisymmetric.

그러나 프로펠러(2)의 각 블레이드(8)(8')의 피치각을 회전면의 위치에 따라 가변시키면 프로펠러(2)후류의 유동속도 분포가 도 3 과 같이 한쪽으로 치우치게 되며 이같이 유동속도 분포 차이가 발생하면 모멘텀의 차이로 선회 모멘트가 발생된다.However, if the pitch angle of each blade (8) (8 ') of the propeller (2) is varied according to the position of the rotation surface, the flow velocity distribution of the downstream of the propeller (2) is biased to one side as shown in FIG. When it occurs, the turning moment is generated by the difference in momentum.

본 발명의 주기적 가변 피치각 제어장치 개념은 블레이드(8)(8'), 피치각가변로드(10)(10'), 가변피치각제어용상판(11)이 회전축(7)과 함께 돌고, 가변피치각제어용하판(12)은 회전하지 않은 상태에서 원하는 방향으로 경사만 주면, 피치가변용로드(10)(10')길이가 고정되어 있으므로 블레이드(8)(8')의 피치각이 변하게 된다.The periodic variable pitch angle control device concept of the present invention is the blade (8) (8 '), the pitch angle variable rod (10) (10'), the variable pitch angle control top plate 11 is rotated together with the rotary shaft (7), variable If the pitch angle control lower plate 12 is inclined in a desired direction in a non-rotating state, the pitch angle of the blades 8 and 8 'is changed because the length of the pitch variable rods 10 and 10' is fixed. .

또한 전체적으로 블레이드(8)(8')의 피치각을 동일하게 변화시키려면 콜렉티브피치각증감판(13)을 회전축(7)을 따라 움직이면 된다.In addition, in order to change the pitch angles of the blades 8 and 8 'as a whole, the collective pitch angle increase and decrease plate 13 may be moved along the rotation axis 7.

도 4 에 가변피치각제어용하판(12) 및 콜렉티브피치각증감판(13)을 조종했을 때 블레이드(8)(8')의 피치각 변화를 보여주고 있다.4 shows the pitch angle change of the blades 8 and 8 'when the variable pitch angle control lower plate 12 and the collective pitch angle increasing and lowering plate 13 are manipulated.

여기서 블레이드(8)(8')와 허브(9)는 고정형태로 연결되어 있어서 블레이드(8)(8')상의 공기력에 의한 발생 모멘트를 비행선(1)의 동체인 기낭(4)쪽으로 전달하게 된다.Here, the blades 8, 8 ′ and the hub 9 are fixedly connected so that the moment of generation by the aerodynamic forces on the blades 8, 8 ′ is transmitted to the air sac 4, the fuselage 1 of the airship 1. do.

따라서 콜렉티브피치각증감판(13)을 조종하여 비행선을 전진, 역추진, 후진시킬 수가 있고, 가변피치각제어용하판(12)을 조종하여 원하는 방향으로 회전모멘트를 발생시킬 수가 있다.Therefore, the air pitcher can be moved forward, reverse propulsion and backward by manipulating the collective pitch angle reducing plate 13, and the variable pitch angle control lower plate 12 can be manipulated to generate a rotation moment in a desired direction.

본 발명의 다른 실시예로서는 도 5 의 (a)와 같이 유압액츄에이터(20)(20')를 사용하거나 도 5 의 (b)와 같이 리니어모터(30)(30')를 사용할 수 있다.As another embodiment of the present invention, the hydraulic actuators 20 and 20 'can be used as shown in FIG. 5 (a), or the linear motors 30 and 30' can be used as shown in FIG. 5 (b).

유압액츄에이터(20)(20')나 리니어모터(30)(30')를 사용하는 경우 각각 유압라인(21)에 로터리 조인트를 연결하거나 슬립링(31)을 이용하여 전기를 공급하도록 하고, 유압액츄에이터(20)(20')나 리니어모터(30)(30')에서 피치가변용로드(10)(10')의 길이를 가변시켜 블레이드(8)(8')의 피치각을 주기적으로 가변시키도록 한다.In case of using the hydraulic actuator 20, 20 'or the linear motor 30, 30', respectively, connect the rotary joint to the hydraulic line 21 or supply the electricity using the slip ring 31, The pitch angles of the blades 8, 8 'are periodically varied by varying the lengths of the pitch variable rods 10, 10' in the actuators 20, 20 'or the linear motors 30, 30'. Let's do it.

한편 본 발명 프로펠러(2)를 구성하는 블레이드(8)(8')는 그 갯수가 2개에 한정되지 않고 3개, 4개 등 여러개로 구성할 수 있으나 각 블레이드는 등간격을 갖고 설치되어야 한다.On the other hand, the blades 8 and 8 'constituting the propeller 2 of the present invention can be configured as three, four, etc., not limited to two, but each blade should be installed at equal intervals. .

본 발명에서 블레이드(8)(8')에 공기력이 작용하면 탄성체인 블레이드(8)(8')가 휘어질 수가 있는데 이는 블레이드(8)(8') 끝에 무거운 물체를 장착하면 물체의 원심력으로 블레이드(8)(8')의 휘어짐을 작게 할 수 있다.In the present invention, when the air force acts on the blades 8 and 8 ', the blades 8 and 8', which are elastic bodies, may be bent, which is caused by the centrifugal force of the object when the heavy objects are mounted at the ends of the blades 8 and 8 '. The warpage of the blades 8 and 8 'can be reduced.

본 발명의 주기적 피치각 제어방식은 비행선에 합성 추력 발생 없이 선회 모멘트만을 발생시킬 수 있어서 동일지점에서 머무르면서도 비행선을 회전시킬 수가 있을 뿐만 아니라, 역추진도 가능하여 비행선을 고정지점, 고정방향 유지등 자세 제어에 매우 합당한 장치이다.The cyclic pitch angle control method of the present invention can generate only a turning moment without generating a synthetic thrust on the airship, not only to rotate the airship while staying at the same point, but also to reverse propulsion to maintain a fixed point, fixed direction, etc. It is a very reasonable device for control.

Claims (5)

비행선 후미에 설치되는 회전축과, 회전축 선단 허브에 회전 가능하게 설치되는 블레이드와, 블레이드의 피치각을 가변시키는 피치가변용 로드와, 회전축에 외삽되고 피치가변용 로드의 일측이 결합되는 가변피치각 제어용 상판과, 가변피치각 제어용 상판의 하부에 설치되어 상기 상판의 각도를 조절하는 가변 피치각 제어용 하판과, 회전축에 외삽되고 가변피치각 제어용 하판을 상하이동시키는 콜렉티브 피치각 증감판을 구비시킨 것을 특징으로 하는 비행선 방향 제어 시스템.Rotating shaft installed at the rear of the airship, blades rotatably installed on the rotating shaft tip hub, pitch variable rod for varying the pitch angle of the blade, variable pitch angle control top plate extrapolated to the rotating shaft and coupled to one side of the pitch variable rod And a variable pitch angle control lower plate installed under the variable pitch angle control upper plate to adjust the angle of the upper plate, and a collective pitch angle sensitizing plate which is extrapolated to the rotating shaft and swings the lower plate for the variable pitch angle control. Airship direction control system. 제 1 항에서, 유압액츄에이터로 피치가변용로드의 길이를 가변하여 블레이드의 피치각을 가변시키게 하고 상기 유압액츄에이터는 로타리 조인트가 연결된 유압라인을 통하여 유압을 공급받게 구성한 비행선 방향 제어 시스템.The airship direction control system of claim 1, wherein the pitch variable of the blade is varied by varying the length of the pitch variable rod by a hydraulic actuator, and the hydraulic actuator is configured to receive hydraulic pressure through a hydraulic line to which a rotary joint is connected. 제 1 항에서, 리니어모터로 피치가변용로드의 길이를 가변하여 블레이드의 피치각을 가변시키게 하고 상기 리니어 모터는 슬립링을 통하여 전기를 공급받게 구성한 비행선 방향 제어 시스템.2. The airship direction control system of claim 1, wherein the pitch variable of the blade is varied by varying the length of the pitch variable rod by a linear motor, and the linear motor is supplied with electricity through a slip ring. 제 1 항에서, 블레이드의 끝에 무거운 물체를 달아서 원심력으로 휘어짐을 방지하는 비행선 방향 제어 시스템.The airship direction control system of claim 1, wherein a heavy object is attached to the end of the blade to prevent the bending by centrifugal force. 제 1 항에서, 블레이드는 2개, 3개, 4개로 구성되고 각 블레이드는 등간격으로 설치되게 구성한 비행선 방향 제어 시스템.2. The airship direction control system of claim 1, wherein the blades are composed of two, three, and four blades, and each blade is installed at equal intervals.
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