KR20030050310A - 고고도 비행선의 기낭 구조 - Google Patents

Abstract

고도 1km 내외에서 비행하는 기존의 비행선에 비교하여, 3km이상에서 비행하는 고고도 비행선은 외기의 압력 및 밀도가 지표 값의 수 십분의 일로 낮아지는 영역까지 운용하게 되며, 이에 따라 부양기체 체적의 극심한 변화를 경험하게 되므로, 기존 비행선의 기낭구조와는 전혀 다른 형식을 필요로 한다.

이에 기존의 보조기낭과 기낭으로 이루어진 일반 비행선의 구조형식과 달리 격벽과 헬륨낭 그리고 공기낭으로 구성되는 고고도 비행선용 기낭구조형식을 제공하는 것이다.

Description

고고도 비행선의 기낭 구조{A New Envelope Structure Type for High Altitude Airships}

본 발명은 고고도(3Km 이상)에서 비행이 가능한 고고도 비행선의 기낭 구조를 제공하는 것이다.

고고도 비행선이란 일반적으로 3km∼25km에서 운행하는 비행선으로, 1km 부근에서 비행하는 일반 비행선과는 다른 기낭구조형식을 필요로 한다.

외형 유지수단으로 내부기체의 압력과 외기압의 차압(내압, Internal Pressure)을 이용하는 연식 비행선은 외기압의 변화에 따라 내부기체가 팽창 및 수축을 반복하게 된다.

비행선이 고도를 높이게 되면 외기압이 낮아짐에 따라 내부 기체가 팽창하므로, 만일 비행선이 완전히 밀폐되어 있다면 비행선의 기낭에 높은 응력을 유발하게 된다.

역으로 비행선이 하강하여 고도를 낮추게 되면 외기 압력이 높아지므로 내부 기체가 수축하게 되고 기낭에 작용하는 응력이 낮아져서 비행선의 형상을 제대로 유지하지 못하는 결과를 초래하게 된다.

외기 온도에 의해 유도되는 압력변화에 의한 효과도 이와 같으며 이러한 외부 환경에 관계없이 내압을 일정 범위 이내로 유지시키기 위하여 현대의 연식 비행선들은 보조기낭(Ballonet)을 적용하고 있다.

보조기낭은 비행선 내부에 존재하는 공기주머니로 내부기체의 팽창 및 수축에 따라 공기를 배출시키거나 흡입하여 내압을 일정하게 유지시켜주는 역할을 수행하며, 그 상대부피를 조절하여 부양기체의 체적 중심을 바꿈으로써 부력중심을 변화시켜 종방향 자세제어에 이용한다.

이러한 일반적인 연식 비행선의 기낭구조 형식은 고고도 비행선에 그대로 적용할 수 없다.

일반 비행선은 지상에서 헬륨가스의 양이 전체 기낭부피의 70%이상을 차지하나, 고고도 비행선은 지상에서 헬륨부피의 기낭체적에 대한 비율이 7%(운행고도 20km의 경우)에서 60%(운행고도 5km의 경우)정도에 지나지 않는다.

이로 인해 일반 연식 비행선을 그대로 고고도 비행선에 사용하는 것은 불가능하다.

기존 비행선은 저고도(1km 근방)에서 운행하며, 고고도 비행은 불가능하다. 고고도 비행선은 미국/일본/유럽을 중심으로 한 항공선진국에서 연구 개발 중에 있다. 이들은 다음의 형식을 취함으로써 고고도 비행선을 구현하였다.

도 1에 도시한 바와 같이 비행선의 앞뒤방향으로 가로지르는 커다란 격막(20)을 비행선 내부에 설치하여 고고도 비행을 가능토록 하고 있다.

이러한 형식의 비행선은 고도 증가에 의한 급격한 헬륨팽창에는 효과적으로 대처할 수 있으나 저고도에서 헬륨 쏠림을 방지할 수 없다는 단점을 가진다.

도 2에 도시한 바와 같이 여러개의 헬륨주머니(22)를 이용한 고고도 비행선은 저고도에서 헬륨의 쏠림을 방지할 수 있고, 고도 상승에 의한 헬륨팽창에도 효과적으로 대처할 수 있는 장점이 있다.

하지만 이러한 방식은 헬륨낭의 숫자를 과도하게 증가시켜 전체 구조 중량의급격한 증가를 가져온다.

또한, 내부 구조가 필요이상으로 복잡해져 제작 및 보수 그리고 운용상에 난점을 가지게 된다.

도 3 에 도시한 바와 같이 저고도 비행선은 부양기체(22)의 전방과 후방에 원형으로 부피변화가 가능한 전방 공기낭(23)과 후방 공기낭(24)을 설치하며 중앙에 휀(26)으로 공기의 공급이 에어 밸브(25)를 통하여 가능하도록 하는 것이다.

저고도 비행선을 이용한 고고도 비행선 방식은 저고도 비행선을 형식변화 없이 고고도용으로 사용하는 것이다.

이 경우 이착륙시 공기의 양이 과소하여 비행선의 내압에 의한 형상유지가 불가능해지며, 고도가 높아짐에 따라 헬륨이 팽창하고, 이에 따라서 특정고도 이상에서만 비행선의 내압이 대기압보다 높아지고, 이 고도이상에서만 비행선의 운용이 가능하다.

이 방법은 새로운 비행선을 개발할 필요가 없다는 장점을 가지나, 이착륙시 비행선 형상이 유지되지 않아 비행선 구조의 손상 가능성이 크고, 특정고도 이하에서는 비행선의 조종이 불가능한 단점이 있다.

기존 비행선을 고고도용으로 사용하는데에는 지표면 근처(고도 1km내외)에서 비행하므로 공기 밀도의 변화가 크지 않다.

즉 비행선이 비행할 수 있도록 부력(Buoyancy)을 발생시키는 헬륨가스의 체적변화가 고고도 비행선에 비해 미미하다.

이 경우 헬륨가스의 팽창 및 압축을 대비한 공간이 적게 소요된다.

고고도 비행선의 경우, 6.5km 상승의 경우 헬륨가스가 약 2배 가량 팽창하고, 20km 상승할 경우에는 15배정도 팽창한다.

이처럼 큰 비율의 헬륨 부피변화를 기존의 비행선으로는 감당할 수 없다.

기존 비행선을 사용하여 고고도 비행을 할 경우 발생하는 또 하나의 문제점은 저고도에서 헬륨의 쏠림 현상이다.

20km를 운용 고도로 하는 경우, 지상에서 기낭 체적의 약 7%만이 헬륨으로 채워진다.

이 양은 매우 적은 양으로 지상에서 비행선이 미세한 위치/자세 변화가 발생할 경우에도 급격한 쏠림 현상이 일어나 비행선의 부력분포를 변화시킨다.

이는 기낭에 국부적으로 집중하중을 발생시키고, 비행선의 자세가 불안정해 진다.

본 발명은 간단한 구조형식으로 고고도 비행선이 가지는 기술적 난점 중, 급격한 헬륨 쏠림 현상과 고도 변화에 따른 헬륨 부피비의 큰 변동이 야기하는 문제점을 해결하는 것이다.

본 발명은 비행선의 내부가 전체적으로 3부분으로 나누어지도록 하는 전방 격벽 및 후방 격벽과,

상기 전방 격벽과 후방 격벽의 중앙부분에 설치되는 분리막과,

상기 분리막에 의하여 상측으로 전방 헬륨낭과 중앙 헬륨낭 및 후방 헬륨낭이 구분되며, 하측으로 전방 공기낭과 중앙 공기낭 및 후방 공기낭으로 구분되도록함을 특징으로 하는 것이다.

도 1 은 종래의 가로 격막에 의한 고고도 비행선에 대한 단면도

도 2 는 종래의 여러개 헬륨주머니를 이용한 고고도 비행선에 대한 단면도

도 3 은 종래 저고도 비행선의 단면도

도 4 는 본 발명의 외형 사시도

도 5 는 본 발명의 단면도

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1 : 비행선2 : 전방 격벽

3 : 후방 격벽4 : 전방 헬륨낭

5 : 중앙 헬륨낭6 : 후방 헬륨낭

7, 8, 9 : 가로 분리막10 : 전방 공기낭

11 : 중앙 공기낭12 : 후방 공기낭

13 : 전방 여압장치14 : 중앙 여압장치

15 : 후방 여압장치16 : 공기공급부

17 : 공기 방출부18 : 헬륨 밸브

본 발명에서는 고고도에서 비행이 가능하기 위한 것으로 도 4는 고고도 비행선(1)의 외형 형상을 나타내며, 도 5 는 고고도 비행선의 기낭 구조를 제공하는 것이다.

발명은 크게 두가지로 구성되며, 첫째는 도 5에서 볼 수 있듯이 비행선(1)의 전방으로 전방 격벽(2)을 설치하고, 후방으로 후방 격벽(3)을 2개 설치하여 기낭을 전방 헬륨낭(4)과, 중앙 헬륨낭(5) 및 후방 헬륨낭(6) 등 3부분으로 나누는 것이다.

이러한 전방 헬륨낭(4)과, 중앙 헬륨낭(5) 및 후방 헬륨낭(6)을 구분하여 헬륨을 별도로 주입함으로써 국부적인 헬륨집중이나 자세 불안정을 해결할 수 있도록 하였다.

두번째는 기낭의 전방, 중앙, 후방에 가로 분리막(7, 8, 9)을 설치하여 전방 헬륨낭(4)의 하측으로 전방 공기낭(10)과, 중앙 헬륨낭(4)의 하측으로 중앙 공기낭(11) 및 후방 헬륨낭(5)의 하측으로 후방 공기낭(12)을 설치하여 공기낭과 헬륨낭을 구분하는 것이다.

이때 가로 분리막(7, 8, 9)은 부착후에 기낭의 하단면에서 상단면까지 이동이 자유롭도록 충분한 면적을 가지는 것이 필요하다.

그러면 고고도로 이동함에 따라서 발생하는 큰 헬륨 부피 변화를 효과적으로 대처할 수 있다.

전방 공기낭(10)의 하단부에는 전방 여압장치(13)를 설치하고, 중앙 공기낭(11)의 하단부에는 중앙 여압장치(14)를 설치하며, 후방 공기낭(12)의 하측에는 후방 여압장치(15)를 설치하였다.

상기 전방 여압장치(13)와 중앙 여압장치(14) 및 후방 여압장치(15)는 공기 공급부(16)와 공기 방출부(17)로 이루어지며, 공기낭 부분은 보조기낭의 기능을 수행하여 앞 뒤 방향으로 공기/헬륨의 양을 조절, 부력 중심을 변경할 수 있다.

앞 뒤 방향으로 헬륨양을 조절하기 위해서는 전방 격벽(2)과 후방 격벽(3)에 헬륨이 통과할 수 있도록 적당한 크기의 통로(19)를 만들어 헬륨의 이동이 가능하도록 하는 것이 필수적이다.

단 이 통로(19)의 위치가 전방 격벽(2)과 후방 격벽(3)의 상단부에 위치할 경우에는 지상에서 헬륨이 한쪽방향으로 급격하게 쏠리는 현상이 발생하므로, 헬륨통로(19)의 위치는 적절하게 조절될 필요가 있다.

이러한 본 발명은 고고도를 비행하는 경우 6.5km 상승하는 경우 헬륨가스가 약 2배 가량 팽창하고, 20km 상승하는 경우 15배 정도 팽창하게 되므로 전방 헬륨낭(4)과 중앙 헬륨낭(5) 및 후방 헬륨낭(6)에 공급된 헬륨가스가 팽창하는 경우에도 가로 분리막(7, 8, 9)이 헬륨가스의 팽창에 따라서 큰 비율의 부피변화를 감당할 수 있는 것이다.

또한 헬륨낭(4, 5, 6)의 부피변화에 따라서 전방 공기낭(10)과 중앙 공기낭(11) 및 후방 공기낭(12)의 부피가 여압장치(13, 14, 15)에 의하여 효과적으로 대응할 수 있게 된다.

본 발명에서 제안된 비행선의 기낭구조는 기존에 제안된 고고도 비행선보다 보다 간단한 구조형식으로써 고고도 비행선이 가지는 기술적 난점 중, 급격한 헬륨 쏠림현상과 고도변화에 따른 헬륨 부피비의 큰 변동이 야기하는 문제점 등을 모두 해결할 수 있는 것이다.

본 발명은 헬륨 쏠림 현상을 해결할 수 있으며, 종래의 비행선보다 간단한 구조를 가지고 있어 전체 비행선의 무게를 줄일 수 있어, 비행선의 성능을 향상시킬 수 있는 것이다.

본 발명은 지구관측 및 통신중계 등의 목적으로 고고도 비행선에 대한 수요가 점점 증가하고 있으며, 고고도 비행선용 기낭구조(공기낭, 헬륨낭, 격벽 구조)의 제공으로 보다 효율적이고 안전한 고고도 비행선을 구현할 수 있는 것이다.

Claims (4)

1. 헬륨가스와 공기를 공급하여 비행하는 비행선(1)에 있어서,

   비행선(1)의 내부가 전체적으로 3부분으로 나누어지도록 하는 전방 격벽(2), 후방 격벽(3)과,

   상기 전방 격벽(2)과 후방 격벽(3)의 중앙부분에 설치되는 분리막(7, 8, 9)과,

   상기 분리막(7, 8, 9)에 의하여 상측으로 전방 헬륨낭(4)과 중앙 헬륨낭(5) 및 후방 헬륨낭(6)이 구분되며, 하측으로 전방 공기낭(10)과 중앙 공기낭(11) 및 후방 공기낭(12)으로 구분되도록 함을 특징으로 하는 고고도 비행선의 기낭 구조.
2. 제1항에 있어서, 전방 격벽(2)과 후방 격벽(3)에 헬륨이 통과할 수 있는 통로(19)를 설치함을 특징으로 하는 고고도 비행선의 기낭 구조.
3. 제1항에 있어서, 가로 분리막(7, 8, 9)은 기낭의 하단면에서 상단면까지 이동이 자유롭도록 설치함을 특징으로 하는 고고도 비행선의 기낭 구조.
4. 제1항에 있어서, 공기낭(10, 11, 12)의 하측으로 공기 공급부(16)와 공기 방출부(17)를 갖는 여압장치(13, 14, 15)를 설치함을 특징으로 하는 고고도 비행선의 기낭 구조.