KR20130095045A - 날개짓 비행체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온성고분자금속복합체(IPMC; Ionic Polymer Metal Composites)를 구동기로 사용하여 복수개의 날개를 상하방향으로 반복적으로 스윙 운동시켜 양력 및 추력을 발생시켜 비행할 수 있도록 한 날개짓 비행체에 관한 것으로, 본 발명에 따른 날개짓 비행체는, 비행체 본체와; 상기 본체의 측면부에 상하방향으로 회전 가능하게 연결되어 양력 및 추력을 발생시키는 복수개의 날개와; 상기 각각의 날개에 측방향으로 연장되게 설치되며, 외부에서 인가되는 전원에 의해 상측 또는 하측 방향으로 구부러지는 변형을 일으키면서 날개를 상하방향으로 반복적으로 회전시키는 이온성고분자금속복합체(IPMC)와; 상기 이온성고분자금속복합체에 전기적으로 연결되어 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

날개짓 비행체{flapping type aerial vehicle}

본 발명은 비행체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온성고분자금속복합체(IPMC; Ionic Polymer Metal Composites)를 구동기로 사용하여 복수개의 날개를 상하방향으로 반복적으로 스윙 운동시켜 양력 및 추력을 발생시켜 비행할 수 있도록 한 날개짓 비행체에 관한 것이다.

일반적으로 비행체는 소정 거리를 활주하면서 양력을 얻어서 이륙하는 고정익 비행체와, 회전날개인 로터의 회전으로부터 양력을 얻어 제자리에서 수직으로 이착륙하는 회전익 비행체로 분류된다.

고정익 비행체는 엔진이나 프로펠러의 운동으로 추력과 양력을 발생시키는 구조로서 자세를 보정하기 위하여 수직 날개 및 수평 날개를 가지고 있다. 그리고, 헬리콥터와 같은 회전익 비행체는 로터의 회전 운동에 의해 추력과 양력을 발생시키는 구조이며, 보조 로터의 회전 운동으로 동체의 회전을 제어한다.

그런데, 상기와 같은 종래의 고정익 비행체와 회전익 비행체는 복잡한 추진장치와 구동장치가 요구되어 구조가 복잡하고 중량이 매우 무거운 단점이 있다.

이에 대한민국 공개특허공보 제2011-10234호에 개시된 것과 같이 좌우측의 날개를 상하방향으로 반복적으로 스윙(swing) 운동시켜 양력 및 추력을 발생시키는 날개짓 비행체가 개발되었다. 상기 공개특허공보에 개시된 종래의 날개짓 비행체는 좌우측 날개를 각각 주동날개와 종동날개의 쌍으로 구성하고, 주동날개와 종동날개 사이에 코일에 흐르는 전류의 방향에 따라 좌우측 날개에 전자기력을 발생시키는 구동체를 구성하여, 상기 구동체에 의해 발생하는 전자기력의해 인력과 척력을 발생시켜 날개짓에 의한 양력을 발생시킨다.

하지만, 이러한 종래의 날개짓 비행체는 좌우측 각각의 날개를 주동날개와 종동날개로 구성해야 하므로 날개의 구성이 복잡해지고, 비행체의 전체 하중이 증가하여 동력 소모량이 증가하는 문제가 있다.

또한, 종래의 날개짓 비행체는 단순히 날개의 반복적인 스윙 운동만 발생시킬 수 있을 뿐 날개의 받음각(angle of attack)을 제어하지 못하여 비행 안정성과 조정성이 낮은 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 날개의 상하방향 스윙 운동을 발생시키는 구동기의 구성을 단순화시키고, 경량화가 용이하며, 날개의 받음각(angle of attack) 제어가 용이하도록 하여 비행 안정성과 조정성을 향상시킬 수 있는 날개짓 비행체를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 비행체 본체와; 상기 본체의 측면부에 상하방향으로 회전 가능하게 연결되어 양력 및 추력을 발생시키는 복수개의 날개와; 상기 각각의 날개에 측방향으로 연장되게 설치되며, 외부에서 인가되는 전원에 의해 상측 또는 하측 방향으로 구부러지는 변형을 일으키면서 날개를 상하방향으로 반복적으로 회전시키는 이온성고분자금속복합체(IPMC)와; 상기 이온성고분자금속복합체에 전기적으로 연결되어 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 날개짓 비행체를 제공한다.

본 발명의 한 형태에 따르면, 상기 이온성고분자금속복합체는 각각의 날개에 복수개씩 설치되어, 상기 전원공급부로부터 개별적으로 전원을 인가받아 변형되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 날개의 스윙 운동을 발생시키는 구동기로서 이온성고분자금속복합체(IPMC)를 이용하므로 비행체의 전체 구조를 단순화시킬 수 있으며, 비행체의 하중을 대폭 경감시킬 수 있다. 따라서, 비행체의 비행 능력을 향상시킬 수 있으며, 비행에 요구되는 동력도 감소시킬 수 있다.

또한, 비행체의 날개에 이온성고분자금속복합체를 전후로 복수개씩 구성하게 되면, 각각의 이온성고분자금속복합체에 인가되는 전압의 크기와 전압 변화 주파수를 따라 날개의 받음각(angle of attack)과 날개의 비틀림 형태 등을 가변시킬 수 있고, 이를 통해 양력과 추력을 향상시킬 수 있다.

그리고, 비행체의 좌,우측 날개의 이온성고분자금속복합체에 인가되는 전압의 크기를 서로 다르게 하거나 전압 변환 주파수를 서로 다르게 제어하면, 비행체의 선회 운동을 용이하게 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 날개짓 비행체를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1의 날개짓 비행체의 이온성고분자금속복합체(IPMC)의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 날개짓 비행체의 정면에서 본 개략적인 단면도로, 도 3a는 이온성고분자금속복합체(IPMC)에 전원이 공급되지 않아 날개가 정지한 상태이고, 도 3b는 이온성고분자금속복합체(IPMC)에 전압이 변하면서 공급되어 날개의 스윙 운동이 발생한 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 I-I 선 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 날개짓 비행체를 개략적으로 나타낸 정면에서 본 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 날개짓 비행체의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 날개짓 비행체를 나타낸 것으로, 본 발명의 날개짓 비행체는 본체(10)와, 상기 본체(10)의 좌우 측면부에 측방향으로 연장되게 형성되어 상하방향으로 회전하면서 양력 및 추력을 발생시키는 복수개의 날개(20)와, 상기 본체(10)로부터 상기 각각의 날개(20)에 측방향으로 연장되게 설치되며 외부에서 인가되는 전원에 의해 상측 또는 하측 방향으로 구부러지는 변형을 일으키면서 날개(20)를 상하방향으로 반복적으로 회전시키는 이온성고분자금속복합체(30)(IPMC; Ionic Polymer Metal Composites)와, 상기 이온성고분자금속복합체(30)에 전원을 공급하는 전원공급부(40)를 포함한다.

이 첫번째 실시예에서 상기 날개(20)들은 이온성고분자금속복합체(30)의 굽힘 변형에 따라 쉽게 변형이 가능하도록 유연한 합성수지 재질로 이루어진다. 상기 날개(20)는 후술하는 것과 같은 이온성고분자금속복합체(30)의 굽힘 변형에 의해 상측 및 하측으로 스윙 운동하면서 양력 및 추력을 발생시키게 된다. 이 실시예에서 상기 날개(20)는 본체(10)의 좌,우 측면부에 일체로 연결되어 이온성고분자금속복합체(30)의 굽힘 변형에 의해 함께 굽힘 변형되면서 스윙 운동하도록 되어 있다. 하지만, 도 5에 다른 실시예로 도시된 것과 같이 양측 날개(20)가 힌지축(21)을 매개로 본체(10)에 연결되어 상기 이온성고분자금속복합체(30)의 작용에 의해 상기 힌지축(21)을 중심으로 회전하면서 상하로 스윙 운동하도록 구성될 수도 있을 것이다.

상기 이온성고분자금속복합체(30)는 각각의 날개(20)에 복수개씩(이 실시예에서 2개씩) 전,후로 일정 간격으로 배치된다. 상기 이온성고분자금속복합체(30)는 일단부가 본체(10)에 연결되어 상기 전원공급부(40)로부터 전원을 공급받는다. 상기 이온성고분자금속복합체(30)는 이 실시예에서와 같이 날개(20)의 내측에 삽입된 구조로 설치될 수도 있지만, 이와 다르게 날개(20)의 표면에 부착된 구조로 설치될 수도 있다.

상기 이온성고분자금속복합체(30)(IPMC)는 금속 전극과 불소로 치환된 이온성 고분자 막의 복합물로서 일례로 나피온(Nafion: perfluorsulfonate ionomer, DuPont 사)과 같은 불소로 치환된 이온성 고분자 막 및 이온성 고분자 막의 양면에 배치된 금속전극을 구비한다. 도 2에 도시한 것과 같이, 이온성고분자금속복합체(30)의 양쪽 금속 전극(31)에 소정의 전압을 인가하면 막 내부에 존재하는 금속 양이온이 전기삼투압(electro-osmosis) 현상에 의해 음극 방향으로 이동하여 음으로 하전된 전극층은 팽창이, 양으로 하전된 전극층은 수축이 발생하여 양극 방향으로 구부러지는 변형이 일어난다. 이러한 변형은 인가 전압의 크기에 비례하여 발생하게 된다. 즉, 큰 전압에서는 큰 굽힘 변형이 발생하게 된다. 또한, 전원공급부(40)에서 전압을 변경하여 주면 이온성고분자금속복합체(30)는 큰 스윙 동작을 하게 된다. 따라서, 상기 전원공급부(40)는 배터리(41)에서 상기 이온성고분자금속복합체(30)로 인가되는 전압을 변환시키는 스위칭유닛(42)을 구비함이 바람직하다.

이와 같이 상기 이온성고분자금속복합체(30)는 인가되는 전압에 따라 상측 또는 하측으로 구부러지는 변형을 일으키면서 날개(20)의 스윙 동작을 발생시키는 구동기(actuator)로서 작용하게 되는데, 이러한 이온성고분자금속복합체(30)는 낮은 구동전압과 큰 변형률, 빠른 응답속도 등의 장점을 가지고 있다.

한편, 전술한 것과 같이 상기 이온성고분자금속복합체(30)는 각각의 날개(20)에 2개씩 전후로 배치되므로(이해를 돕기 위해 날개의 전방에 배치되는 이온성고분자금속복합체를 전방측 이온성고분자금속복합체라 명하며, 날개의 후방에 배치되는 이온성고분자금속복합체를 후방측 이온성고분자금속복합체라 명하여 설명함), 전방측 이온성고분자금속복합체(30a)에 인가되는 전압과 후방측 이온성고분자금속복합체(30b)에 인가되는 전압을 다르게 하면 도 4에 도시한 것과 같이 날개(20)의 전후방의 변형 정도가 달라지거나 날개(20)가 비틀리면서 받음각(α)(angle of attack)이 가변될 수 있게 된다. 예를 들어, 전방측 이온성고분자금속복합체(30a)에 큰 양(+)의 전압을 인가하고, 후방측 이온성고분자금속복합체(30b)에 작은 양(+)의 전압을 인가하면 날개(20)의 전방부가 더 많이 들리면서 위쪽으로 스윙하게 된다. 그리고, 전방측 이온성고분자금속복합체(30a)에 양(+)의 전압을 인가하고, 후방측 이온성고분자금속복합체(30b)에 음(-)의 전압을 인가하면 날개(20)가 비틀리면서 받음각이 가변된다.

또한, 상기 날개(20)의 스윙 속도는 상기 전원공급부(40)의 스위칭유닛(42)에서의 전압 변경 주파수에 따라 결정되는데, 상기 전원공급부(40)를 통해 전방측 이온성고분자금속복합체(30a)에 인가되는 전압과 후방측 이온성고분자금속복합체(30b)에 인가되는 전압의 전압 변경 주파수를 달리하면, 날개(20)의 스윙 속도 및 비틀림 속도가 가변되면서 양력 및 추력을 변경시킬 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 날개짓 비행체는 다음과 같이 작동한다.

전원공급부(40)를 통해 이온성고분자금속복합체(30)에 전압이 인가되면, 이온성고분자금속복합체(30)가 상측과 하측 방향 중 어느 한 방향으로 굽힘 변형을 일으키게 된다. 이에 따라 상기 이온성고분자금속복합체(30)가 장착되어 있는 날개(20)가 이온성고분자금속복합체(30)의 변형에 대응하여 굽어지게 된다. 이와 같이 전원공급부(40)를 통해서 전압이 소정의 주파수로 계속 가변되면서 이온성고분자금속복합체(30)에 인가되면, 이온성고분자금속복합체(30) 및 날개(20)가 이온성고분자금속복합체(30)의 반복적인 상하 방향 굽힘 변형에 의한 스윙 운동을 하게 되어 양력 및 추력이 발생하게 된다.

이 때, 상기 전원공급부(40)의 스위칭유닛(42)을 제어하여 상기 각각의 날개(20)의 전방측 이온성고분자금속복합체(30a)와 후방측 이온성고분자금속복합체(30b)에 인가되는 전압의 크기를 다르게 하거나, 전압 변환 주파수를 다르게 하면 날개(20)의 전방과 후방의 변형 정도가 달라져 날개(20)의 받음각이 가변되거나 날개(20)의 비틀림 형태가 변형되면서 양력 및 추력을 적합한 방향과 세기로 조정할 수 있다.

또한, 좌,우측 날개(20)의 이온성고분자금속복합체(30)에 인가되는 전압의 크기를 서로 다르게 하면 좌측 날개(20)와 우측 날개(20)의 진폭이 달라지게 되고, 이에 따라 좌우측 날개(20)에서 발생하는 양력과 추력이 서로 달라지게 되어 비행체가 선회할 수 있게 된다. 또는, 이와 다르게 좌,우측 날개(20)의 이온성고분자금속복합체(30)에 인가되는 전압 변환 주파수를 서로 다르게 하면, 좌측 날개(20)와 우측 날개(20)의 스윙 속도가 달라지게 되고, 이 경우에도 좌우측 날개(20)에서 발생하는 양력과 추력이 서로 달라지게 되어 비행체가 선회할 수 있게 된다. 즉, 좌,우측 날개(20)의 이온성고분자금속복합체(30)에 인가되는 전압의 크기를 서로 다르게 하거나 전압 변환 주파수를 서로 다르게 하면, 비행체의 좌측 날개(20)와 우측 날개(30)에서 생성되는 양력 및 추력이 서로 달라지게 되어 비행체의 선회 운동이 발생하게 된다.

한편, 이 실시예와 같이 날개(20)가 본체(10)에 일체로 연결되어 있는 경우, 상기 날개(20)는 이온성고분자금속복합체(30)의 굽힘 변형에 따라 함께 굽힘 변형되면서 스윙 운동을 하지만, 도 5에 도시한 것과 같이 날개(20)가 힌지축(21)에 의해 본체(10)에 연결될 경우, 상기 이온성고분자금속복합체(30)의 변형에 의해 날개(20)가 힌지축(21)을 중심으로 회전하는 운동을 병행하면서 날개(20)의 스윙 운동이 발생하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 날개짓 비행체는 날개(20)의 스윙 운동을 발생시키는 구동기로서 이온성고분자금속복합체(30)를 이용하므로 구조를 단순화시킬 수 있으며, 비행체의 하중을 대폭 경감시킬 수 있다. 따라서, 비행체의 비행 능력을 향상시킬 수 있으며, 비행에 요구되는 동력도 감소시킬 수 있다.

또한, 비행체의 날개(20)에 이온성고분자금속복합체(30)를 전후로 복수개를 구성하게 되면, 각각의 이온성고분자금속복합체(30)에 인가되는 전압의 크기와 전압 변화 주파수를 따라 날개(20)의 받음각(angle of attack)과 날개(20)의 비틀림 형태 등을 가변시킬 수 있고, 이를 통해 양력과 추력을 향상시킬 수 있는 날개(20)의 스윙 운동을 구현할 수 있다.

그리고, 비행체의 좌,우측 날개(20)의 이온성고분자금속복합체(30)에 인가되는 전압의 크기를 서로 다르게 하거나 전압 변환 주파수를 서로 다르게 제어하여 비행체의 선회 운동을 용이하게 구현할 수 있다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

10 : 본체 20 : 날개
21 : 힌지축 30 : 이온성고분자금속복합체(IPMC)
31 : 전극 40 : 전원공급부
41 : 배터리 42 : 스위칭유닛

Claims (6)

1. 비행체 본체(10)와;
   상기 본체(10)의 측면부에 상하방향으로 회전 가능하게 연결되어 양력 및 추력을 발생시키는 복수개의 날개(20)와;
   상기 각각의 날개(20)에 측방향으로 연장되게 설치되며, 외부에서 인가되는 전원에 의해 상측 또는 하측 방향으로 구부러지는 변형을 일으키면서 날개(20)를 상하방향으로 반복적으로 회전시키는 이온성고분자금속복합체(IPMC)(30)와;
   상기 이온성고분자금속복합체(30)에 전기적으로 연결되어 전원을 공급하는 전원공급부(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 날개짓 비행체.
2. 제1항에 있어서, 상기 이온성고분자금속복합체(30)는 각각의 날개(20)에 복수개씩 설치되어, 상기 전원공급부(40)로부터 개별적으로 전원을 인가받아 변형되는 것을 특징으로 하는 날개짓 비행체.
3. 제2항에 있어서, 상기 날개(20)는 유연한 재질로 이루어져, 상기 날개(20)가 상기 복수개의 이온성고분자금속복합체(30)에서 발생하는 변형 정도에 따라 굽힘 변형이 발생하여 받음각(α)(angle of attack)이 가변되는 것을 특징으로 하는 날개짓 비행체.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전원공급부(40)는 배터리(41)와, 상기 배터리(41)에서 상기 이온성고분자금속복합체(30)로 인가되는 전압을 변환시키는 스위칭유닛(42)을 포함하는 것을 특징으로 하는 날개짓 비행체.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 날개(20)는 힌지축(21)을 매개로 본체(10)에 연결되어 힌지축(21)을 중심으로 상하로 회전하면서 스윙 운동하는 것을 특징으로 하는 날개짓 비행체.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전원공급부(40)는 좌,우측의 날개(20) 각각에 인가되는 전압의 크기 또는 전압 변환 주파수를 서로 다르게 인가하여 비행체의 선회 운동을 구현하는 것을 특징으로 하는 날개짓 비행체.
   

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