KR20110055842A

KR20110055842A - 동축반전용 덕트 시스템을 이용한 비행체

Info

Publication number: KR20110055842A
Application number: KR1020090112437A
Authority: KR
Inventors: 최종욱; 김수연
Original assignee: 순천대학교 산학협력단
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-05-26
Also published as: KR101169742B1

Abstract

본 발명은 동축반전용 덕트 시스템을 이용한 비행체에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 동체; 상기 동체와 연결되는 회전축에 구비되는 하부로터; 상기 회전축에 구비되고, 상기 하부로터의 상부에 구비되는 상부로터; 상기 하부로터와 연결되는 하부로터 블레이드; 상기 상부로터와 연결되는 상부로터 블레이드; 상기 하부로터 블레이드를 감싸는 하부 덕트; 및 상기 상부로터 블레이드를 감싸는 상부 덕트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

동축반전, 덕트 시스템, 후류면적, 추력계수

Description

동축반전용 덕트 시스템을 이용한 비행체{The flying object equipped coaxial duct system}

일반적으로 로터식 비행체로 대표되는 헬리콥터의 경우, 제자리 및 수직 이착륙이 가능 하다는 장점이 있지만 상대적으로 전체 동체의 길이가 길다는 문제점이 있었다.

이와 같은 이유는 헬리콥터의 경우, 매우 긴 메인 로터 블레이드와 상기 메인 로터 블레이드로부터 발생하는 회전 모멘트를 상쇄시키기 위하여 꼬리 회전 익(Tail rotor)이 필요하기 때문이다.

또한, 상기 꼬리 회전익은 외부에 노출되어 있기 때문에 안전상 문제가 많고, 상기 꼬리 회전익의 출력은 추력과 무관하다는 단점이 있었다.

아울러 상술한 바와 같이 동체가 긴 문제점을 포함하고 있어, 건물 또는 빌딩, 산악 지형 등에 있어서 접근성에 대한 문제점이 있었다.

상술한 바와 같은 문제점을 어느 정도 해결하기 위하여, 비행체의 소형화를 위한 방안이 연구되었으며, 이를 위해 동축반전 시스템 즉, 동일한 축 상에 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 로터에 블레이드가 구비된 동축반전 비행체가 등장하였다.

상기 동축반전 비행체는 단일 로터식 비행체에 비해 꼬리 회전익을 필요하지 않는다 할 것이므로 상기 비행체의 소형화를 어느 정도 달성할 수 있었다.

그러나, 종래의 동축반전 비행체의 경우, 추력이 감소한다는 문제점이 있었다.

본 발명의 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 로터식 비행체의 소형화를 통해 특정 장소로의 접근성이 용이하며, 동시에 제자리 비행시 추력을 보강할 수 있는 비행체의 제공을 목적으로 한다.

또한, 정지비행과 고속비행에 있어서 비행 안정성이 뛰어난 비행체의 제공을 다른 목적으로 한다.

아울러, 로터 블레이드를 보호하고, 소음을 감소시킬 수 있는 비행체의 제공을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 동체; 상기 동체와 연결되는 회전축에 구비되는 하부로터; 상기 회전축에 구비되고, 상기 하부로터의 상부에 구비되는 상부로터; 상기 하부로터와 연결되는 하부로터 블레이드; 상기 상부로터와 연결되는 상부로터 블레이드; 상기 하부로터 블레이드를 감싸는 하부 덕트; 및 상기 상부로터 블레이드를 감싸는 상부 덕트를 포함한다.

본 발명에 있어서 바람직하게는 상기 하부덕트의 수직방향 폭은 상기 상부덕 트의 수직방향 폭보다 더 큰 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서 바람직하게는 상기 동체의 일정부분에 구비되며, 상기 회전축에 회전력을 전달하기 위한 전기모터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서 바람직하게는 상기 본체의 일정부분에 구비되며, 상기 전기모터에 전원을 공급하기 위한 배터리를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서 바람직하게는 상기 동체를 컨트롤하기 위한 컨트롤 박스를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서 바람직하게는 상기 컨트롤 박스는 유인 또는 무인 시스템을 이용하여 컨트롤 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서 바람직하게는 상기 하부덕트 또는 상기 상부덕트의 일정부분에 구비되는 송·수신 안테나를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서 바람직하게는 상기 동체는 상기 블레이드에 의한 후류가 탑승자에게 전달되지 않도록 하기 위하여 유선형으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다음과 같은 우수한 효과가 있다.

먼저, 본 발명에 따른 비행체는 소형화로 인하여 특정 지역 내지 장소에 대한 접근성이 및 종래 동축반전 비행체에 비해 추력이 우수한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 비행체는 정지비행 및 고속비행에 있어서 비행 안정성 이 탁월한 효과가 있다.

아울러, 로터 블레이드를 보호할 수 있어 안전하며, 소음이 절감되는 우수한 효과가 있다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1 은 본 발명의 일실시 예에 따른 동축반전(본 발명의 상세한 설명에 있어서 동축반전이라 함은 동일한 축 상에서 서로 반대 방향으로의 회전을 의미함)용 덕트 시스템을 이용한 비행체(100)의 전체 구성도이다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 동체(110)는 유인 비행체의 경우, 상기 비행체(100)의 조작을 위한 조작자가 탑승을 하기 위한 공간이며, 무인 비행체의 경우, 무인 시스템이 장착되는 공간이다.

상기 동체(110)는 강도와 내구성이 우수한 경량의 합금을 포함하는 다양한 재료를 이용하여 구비될 수 있다.

한편, 상기 동체(110)는 후술할 블레이드에 의한 하 방향 유동의 흐름을 원활하게 하고, 후류가 조작자에게 전달되지 않도록 하기 위하여 유선형으로 이루어져 있다.

물론, 상기 동체(110)의 형상은 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 동체(110)의 상부에는 회전축이 돌출되어 있으며, 상기 동체(110)의 일정 부분에는 상기 회전축에 회전력을 전달하기 위한 전기 모터(160)가 구비되어 있다.

이때, 상기 전기 모터(160)의 구동 및 상기 동체(110)의 전반적인 구동(예를 들어 수직 비행 및 수평 비행 등에 있어서 방향 전환 등)은 상기 동체(110)의 일정 부분에 구비된 컨트롤 박스(180)에 의해 제어된다.

또한, 상기 동체(110)의 일정 부분에는 상기 전기모터(160)에 전원을 공급하기 위한 배터리(170)가 포함되어 있다.

비록 본 발명의 일실시 예로 상기 회전축의 회전력 전달 수단으로 전기모터(160)에 대해 상세히 설명하였으나, 상기 회전축에 회전력을 전달하기 위한 수단으로는 각종 엔진 등을 포함하는 다양한 회전력 전달 수단을 이용할 수 있다.

한편, 상기 동체(110)의 상부로 돌출된 상기 회전축에는 상기 회전축과 연동하는 하부로터(120)가 장착되어 있다.

이때, 상기 하부로터(rotor)(120)에는 일정 길이의 하부로터 블레이드(blade)(121)가 결합되어 있으며, 상기 동체(110)를 상승시키기 위한 추력을 발생한다.

아울러 상기 하부로터(120)의 상부에는 상기 하부로터(120)와 동일한 회전축에 상부로터(130)가 구비된다.

그리고, 상기 상부로터(1300에는 상기 하부로터 블레이드(121)와 동일한 길이의 상부로터 블레이드(131)가 결합되어 있어, 상기 하부로터 블레이드(121)와 함께 상기 동체(110)를 상승시키기 위한 추력을 발생시킨다.

이때, 상기 하부로터(120) 및 상기 상부로터(130)는 비록 동일한 회전축 상에 구비되어 동일한 회전수로 회전하나, 회전 방향은 서로 반대로 회전한다.

이와 같이 동일 회전축 상에 구비되면서 상·하부로터가 서로 반대 방향으로 회전할 수 있는 이유는 상기 하부로터(120)에 반전(반대로 회전할 수 있는)장치가 구비되어 있기 때문이다.

좀더 구체적으로 설명하며, 상기 상부로터(130)는 별도의 장치 없이 상기 회전축에 고정되어 있으나, 상기 하부로터(120)의 상기 반전장치는 내부 중앙으로 상기 회전축이 관통하고, 상기 회전축 상에 구비된 제 1 톱니가 반전장치에 구비된 제 2 톱니를 회전시키고, 상기 제 2 톱니가 상기 하부로터(120)에 구비된 제 3 톱니를 회전시키는 원리이다.

즉, 상기 상부로터(130)는 상기 회전축과 동일한 방향으로 회전하나, 상기 하부로터(120)는 반전장치가 구비되어 있어 동일한 회전수로 회전하나 회전방향은 반대이다.

일반적인 단일 축 로터식 비행체는 단일 로터 블레이드의 회전 모멘트에 의해 동체도 함께 회전하므로, 이를 방지하기 위해 꼬리 회전익이 필요하다.

하지만, 동축반전형 비행체(100)의 경우, 회전 모멘트를 상쇄하기 위한 상기 꼬리 회전익이 필요가 없으므로 결과적으로 비행체의 크기 및 길이를 줄일 수 있으므로 소형화가 가능하다.

한편, 상기 동체(110)의 상부에는 상기 하부로터 블레이드(121)를 감싸는 하부덕트(140) 및 상기 상부로터 블레이드(131)를 감싸는 상부덕트(150)가 구비되어 있다.

이때, 상기 하부덕트(140) 및 상기 상부덕트(150)는 상기 블레이드들(121, 131)의 회전에 방해를 주지 않기 위해 상기 블레이드들(121, 131)의 회전반경보다 더 넓은 직경을 갖는 원통형으로 구비되어 있다.

한편, 상기 덕트들(140, 150)은 상기 하부로터 블레이드(121) 및 상기 상부로터 블레이드(131)를 동시에 감싸도록 하나의 원통형 덕트로 구비될 수 있다.

다만, 본 발명의 일실시 예에 있어서는 상기 블레이드들(121, 131)을 각각 감싸도록 분리형으로 구비하였으며, 이때 상기 덕트들(140, 150)의 수직방향 폭은 동일하게 구비될 수도 있으나, 후술할 상기 비행체(100)의 추력 증가를 위해 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 있어서는 상기 하부덕트(140)의 수직방향 폭은 상기 상부 덕트(150)의 수직방향 폭에 비해 더 크게 구비하였다.

이와 같이 구비한 이유는 상기 하부 덕트(140)를 상기 상부 덕트(150)의 폭보다 더 크게 구비함으로써, 상기 상부 덕트(150)와 상기 하부 덕트(140) 사이의 유입량을 증가시키며 또한 하부 덕트(140)로부터 나오는 유동의 확산을 증가시켜 후류면적(wake area)를 증가시키는 결과를 가져왔으며, 이는 결국 상기 비행 체(100)의 추력 상승의 효과를 가져왔다.

이와 관련하여 도 2 는 후류면적(wake area)의 차이를 나타내는 전산유동해석결과이다.

먼저, 도 2(a)는 본 발명의 일실시 예에 따른 비행체(100)에 있어서, 상기 하부 덕트(140) 및 상기 상부 덕트(150)의 폭을 동일하게 구비한 경우의 후류면적을 나타내며, 도 2(b)는 상기 하부 덕트(140)의 수직방향 폭을 상기 상부 덕트(150)의 수직 방향 폭보다 크게 구한 경우의 후류면적을 나타내는 도이다.

상기 도 2 에서 보여주는 바와 같이, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 따른 비행체(100)는 상술한 바와 같이 상기 하부 덕트(140)의 폭을 상기 상부 덕트(150)의 폭보다 크게 구비함으로 후류면적이 증가함을 알 수 있다.

참고로 아래 [표 1]은 추력 증가의 기준인 추력계수(CT)와 후류면적을 수치적으로 계산한 결과이다.

먼저, 아래 [표 1]은 덕트 시스템이 구비되지 않은 동축반전 비행체(Coaxial rotor without duct), 일체형 덕트 시스템이 구비된 동축반전 비행체(Coaxial rotor with single duct), 상·부 덕트의 폭이 동일한 덕트 시스템이 구비된 동축반전 비행체(Coaxial rotor with twin duct) 및 하부 덕트의 폭이 상부 덕트의 폭보다 큰 덕트 시스템이 구비된 동축반전 비행체(Coaxial rotor with double duct)이다.

[표 1]Comparison of Total Thrust Coefficients(CT) and Wake Areas

	Trust coefficient(CT)	Increasing rate[%]	Wake area[㎡]	Increasing rate[%]
Coaxial rotor without duct	0.012042	-	39.33	-
Coaxial rotor with single duct	0.012411	3.06	61.51	56.39
Coaxial rotor with twin duct	0.013062	8.47	67.65	72.01
Coaxial rotor with double duct	0.013230	13.08	70.14	80.88

결과적으로 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 따른 하부 덕트(140)의 폭이 상부 덕트(150)의 폭보다 큰 덕트 시스템이 구비된 동축반전 비행체(Coaxial rotor with double duct)의 추력계수(CT)의 증가율이 가장 높은 것을 알 수 있다.

한편, 상기 하부 덕트(140) 및 상기 상부 덕트(150)는 서로 고정이 되어 있으며, 고정된 상기 덕트들(140, 150)은 상기 동체(110) 또는 상기 회전축 상에 고정되어 있다.

그리고 상기 덕트들(140, 150)은 상기 블레이드들(121, 131)을 감싸고 있어 상기 비행체(100)의 작동 미숙 등으로 인하여 상기 블레이드들(121, 131)이 불특정 물체와 충돌시 파손되는 것을 방지하는 역할도 수행하며, 상기 로터들(120, 130) 또는 상기 블레이드들(121, 131)의 고속회전으로 인한 소음을 감소시키는 역할도 아울러 수행한다.

아울러 상기 하부 덕트(140) 또는 상기 상부 덕트(150)의 일정 부분에는 상기 비행체(100)가 유인으로 컨트롤 되는 경우, 관제 장소와 탑승자 간의 원활한 통신 또는 상기 비행체(100)가 무인으로 컨트롤 되는 경우, 상기 비행체(100)의 원활한 컨트롤을 위한 송·수신 안테나(190)가 구비되어 있다.

결과적으로 본 발명의 일실시 예에 따른 동축반전용 덕트 시스템을 이용한 비행체(100)는 종래의 단일 로터식 비행체와 달리 꼬리 회전익이 필요하지 않으므로 소형화가 가능하여 특정 지역 내지 장소에 대한 접근성이 우수하다 할 것이다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 덕트 시스템이 구비되지 않는 동축반전 비행체에 비해 추력이 우수하고, 정지비행 및 고속비행에 있어서 비행 안정성이 탁월하다. 아울러, 상기 덕트 시스템을 구비함으로써 로터 블레이드를 보호할 수 있어 안전하며, 소음이 절감되는 우수한 효과가 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.

도 1 은 본 발명의 일실시 예에 따른 동축반전용 덕트 시스템을 이용한 비행체의 전체 구성도이다.

도 2 는 후류면적(wake area)의 차이를 나타내는 전산유동해석결과이다.

Claims

동일 축에서 동일한 회전수로 반전하는 로터식 비행체에 있어서,

동체;

상기 동체와 연결되는 회전축에 구비되는 하부로터;

상기 회전축에 구비되고, 상기 하부로터의 상부에 구비되는 상부로터;

상기 하부로터와 연결되는 하부로터 블레이드;

상기 상부로터와 연결되는 상부로터 블레이드;

상기 하부로터 블레이드를 감싸는 하부 덕트; 및

상기 상부로터 블레이드를 감싸는 상부 덕트를 포함하는 것을 특징으로 하는 동축반전용 덕트 시스템을 이용한 비행체.
제 1 항에 있어서,

상기 하부덕트의 수직방향 폭은 상기 상부덕트의 수직방향 폭보다 더 큰 것을 특징으로 하는 동축반전용 덕트 시스템을 이용한 비행체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 동체의 일정부분에 구비되며, 상기 회전축에 회전력을 전달하기 위한 전기모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동축반전용 덕트 시스템을 이용한 비행체.
제 3 항에 있어서,

상기 본체의 일정부분에 구비되며, 상기 전기모터에 전원을 공급하기 위한 배터리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동축반전용 덕트 시스템을 이용한 비행체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 동체를 컨트롤하기 위한 컨트롤 박스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동축반전용 덕트 시스템을 이용한 비행체.
제 5 항에 있어서,

상기 컨트롤 박스는 유인 또는 무인 시스템을 이용하여 컨트롤 되는 것을 특징으로 하는 동축반전용 덕트 시스템을 이용한 비행체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 하부덕트 또는 상기 상부덕트의 일정부분에 구비되는 송·수신 안테나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동축반전용 덕트 시스템을 이용한 비행체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 동체는 상기 블레이드에 의한 후류가 탑승자에게 전달되지 않도록 하기 위하여 유선형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 동축반전용 덕트 시스템을 이용한 비행체.