KR20150120401A - 트윈 편향 제어 시스템을 갖는 수직 이착륙 무인 항공기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 트윈 편향 제어 시스템(TYCS)를 구비한 수직 이착륙 무인 항공기(VTOL UAV)이다. TYCS는 메인 회전자 중심대에 연결된 보조 회전자들(6)로 구성된다. 이들은 기어박스(3)로부터 회전력을 획득하여 VTOL UAV의 이동을 좌측 및 우측 방향으로 제어할 뿐만 아니라 공기 중에서 VTOL UAV를 상하로 들어올리는 수직 방향으로 충분한 상승이 이루어질 때까지 메인 회전자 중심대를 중심으로 한 메인 회전자(5)의 회전으로부터 유도된 토크에 대응하기 위한 반-토크를 생성한다. 이 뿐만 아니라, TYCS는 메인 회전자(5)의 회전으로 인한 수직 축을 중심으로 한 토크의 균형을 맞추는데 도움이 된다. 이를 통해 VTOL UAV를 항상 수직 축에 평행하게 정렬시킬 수 있고, 이에 따라 비행 중에 외부 조종사나 자동 비행 제어 시스템으로부터 제어가 필요 없다.

Description

트윈 편향 제어 시스템을 갖는 수직 이착륙 무인 항공기 {VERTICAL TAKE OFF AND LANDING UNMANNED AERIAL VEHICLE WITH TWIN YAW CONTROL SYSTEM}

1. 본 발명의 특징 및 목적

본 발명은 군사 및 민간 작전을 위한, 트윈 편향 제어 시스템 (Twin Yaw Control System, TYCS)을 구비한 무인 항공기 또는 수직 이착륙 무인 항공기 (Vertical Take Off and Landing Unmanned Aerial Vehicle, VTOL UAV)이다. VTOL UAL은 피스톤 엔진 또는 제트 엔진을 원동기(prime mover)로 하는 복합 시스템의 일환이다. 회전 블레이드들(rotor blades)을 구동하여 항공기를 들어올려 항공기가 상하로 움직이도록 하기 위해 전력이 톱니 벨트(toothed belt)를 통해 감속 기어박스(reduction gearbox)로 전달되어 항공기의 움직임이 횡 방향으로 변환된다. 이와 별도로, VTOL UAV에는 필요에 따라 군사 작전이나 그외 임무 수행을 위한 추가적인 장비가 마련된다. TYCS를 구비한 VTOL UAV는 무선 신호 또는 항공기가 기설정된 루트로 비행할 뿐만 아니라 자동으로 이착륙하는 것을 제어하는 소위 "비행 제어 시스템(Flight Control System)"이라고 하는 전자 장치에 의해 제어되기 때문에, 사용이 용이할 뿐만 아니라 비행이 매우 안전하다.

본 발명의 목적은 군사 및 민간 작전들에 사용할 수 있는 트윈 편향 제어 시스템을 구비한 무인 항공기 또는 수직 이착륙 무인 항공기를 개발하는 것이다. 이러한 항공기는 비행장 없이도 수직 이착륙이 가능하다. 유연성과 운용 안전성을 위해, 자동 또는 반자동 비행 제어 시스템 뿐만 아니라 무선 신호를 사용한 외부 조종사에 의한 수동 비행 제어 모드가 선택 가능하다.

2. 본 발명에 관계된 기술

기계 공학 (항공기 구조, 전력 전달, 및 엔진)

항공기계 공학 (메인 회전자, 꼬리 회전자, 및 헬리콥터 항공기 설계)

3. 배경 기술

보안 관련 작전에 있어서의 UAV 사용의 개념은 전세계 많은 국가에서 발생했다. 다양한 군사 및 민간 임무들을 성공적으로 지원하기 위한 UAV들이 개발되어 왔다. UAV 또는 무인 항공기는 "엔진과 블레이드들(blades)을 구비하여 자체 추진이 가능한 항공기로 정의되어 왔다. 이러한 항공기는 비행중에 조종사 없이 항공기의 전후 비행을 위해 특별 설계된 기내 자동 비행 제어 시스템 또는 원격 비행 제어 장치를 사용하여 자체적으로 비행할 수 있으며, 재사용이 가능하다". 그러나, 이러한 정의는 풍선, 블림프(blimp-소형 비행선), 제플린(Zeppelin), 또는 비행선(air ship) 등과 같이 공기보다 가벼운 항공기에는 해당하지 않으며, 항공기 몸체를 대기 중으로 들어올리기 위해 공기력(aerodynamic force)을 사용하지 않는 미사일들은 포함하지 않는다. 또한 여기에는 외부 비행 제어 조종사에 의해 제조 및 제어되는 유도 무기(guided weapons), 탄도 무기(ballistic ammunitions), 및 RC 항공기도 포함되지 않는다. RC 항공기에는 조종사가 기내에 탑승하지 않더라도 항상 외부 비행 제어 조종사에 의해 제어된다.

3.1 UAV는 크게 다음과 같이 4 가지 유형으로 분류된다: ("로열 태국 공군 저널(The Royal Thai Air Force Journal)", 8권, 저자: Wg. Cdr. Nattapol Niyomthai)

3.1.1 인듀어런스(Endurance) UAV- 높은 고도에서의 장거리 고 내구성 비행을 위해 설계된 고성능 UAV로, 항상 수평선 위 및 가시선(Line of Sight) 너머로 비행하며, 비행 제어 및 센서들이 위성 네트워크에 연결되어 있다.

3.1.2 전술(Tactical) UAV - 중간 고도용으로 설계되고, 지상 관제 센터의 가시선 내에 있는 UAV로, 장시간 비행이 가능해야 하며, 종종 가시선 링크들을 사용해 항공기를 제어하고 수신한 신호를 탐지한다.

3.1.3 소형 UAV - 인간에 의해 이동 가능하고 가시선 통신을 사용해 지상 관제 센터 주변에서 수 킬로미터 비행용으로 설계된 UAV로, 일반적으로 2-3 시간 비행에 적합하다.

3.1.4 마이크로 UAV - 휴대가 매우 용이하고, 평균 크기가 6 인치 미만이어서 탐지가 어려운 UAV로, 큰 항공기로는 접근이 불가능한 건물의 열린 창문 등 좁은 지역을 접근하도록 제어 가능하다.

UAV와 유사한 또 다른 유형의 항공기로 원격 조종 비행체(remotely piloted vehicle)가 있다. RPV는 기체에 조종사가 탑승하지 않고 통신 네트워크를 통해 원격 제어가 가능한 항공기이다. RPV는 보통 재생 가능하게 설계되며 본래 원격 제어 항공기(remotely controlled aircraft)의 대형 버전이었다. 수년 동안 군사 작전용으로 사용되어 온 RPV로 원격 조종 드론(remotely piloted drone), 피시험 항공기(tested aircraft), 및 감시 항공기(surveillance aircraft)가 있다.

3.2 VTOL UAV는 다음의 크게 2가지 유형으로 분류할 수 있다.

3.2.1 종래의 헬리콥터

이것은 종래의 헬리콥터를 자동 비행 제어를 사용해 스스로 비행할 수 있도록 변형한 것이다. 본 명세서에서는, 다음과 같이 이미 개발되어 현재 민항기로 사용 중인 VTOL UAV들에 대해서만 논의할 것이다.

-야마하(Yamaha) R-MAX는 현존하는 가장 진보된 형태의 민간 헬리콥터 (VTOL UAV)이다. 야마하 주식회사는 일본의 농림수산부와 농무부로부터 사람을 대신해 논에 비료나 농장 등에 살충제 등을 뿌리는 용도로 사용할 수 있는 헬리콥터를 개발하라는 요청을 받아 1983년에 무인 헬리콥터 개발에 착수했다.

야마하 R-MAX 사양

메인 회전자 직경	3.115m
엔진 출력	21 hp, 2 행정 엔진
자체 무게	58 kg
유상하중 무게	30 kg
순항 속도	11 노트(knots)
운용상승한계	300 피트
최대운용반경	30 해리(nautical mile)
최장내구력	1 시간
가격 -농업용 기초 모델 -수동 제어가 가능한 연구 모델 -항공 사진 -풀 패키지 (기체 2, 4-카메라 시스템, 1 지상 스테이션)	US$ 86,000 US$ 120,000 US$ 150,000 - 230,000 US$ 1,000,000
운용 비용	무인 헬리콥터의 10%

-샤이벨 캠콥터 S-100 (Schiebel CAMCOPTER S-100)는 군사용으로 주로 사용되는, 중간 운용 범위 및 중간 내구력을 갖는 VTOL UAV이다. 사양은 아래 표 2와 같다.

샤이벨 캠콥터 S-100 (Schiebel CAMCOPTER S-100)의 사양

메인 회전자 직경	3.4 m
엔진 출력	55 hp, 회전자 엔진
자체 무게	97 kg
유상하중 무게	50 kg
순항 속도	55 노트(knots)
운용상승한계	18,000 피트
최대운용반경	70 해리(nautical mile)
최장내구력	6 시간
가격 -풀 패키지 (기체 2, 4-카메라 시스템, 1 지상 스테이션)	US$ 2,000,000
운용 비용	해당사항 없음 (N/A)

3.2.2 그외 VTOL UAV들

지금까지, 다음과 같이 다양한 개념의 VTOL UAV들이 설계되었는데, 일부는 아직 개발 단계에 있고 일부는 아직 공식적으로 상업화되지 않고 있다.

-꼬리 회전자 및 꼬리 몸체

이 개념은 본래 종래 항공기에서 지표면에 평행하게 설치되는 회전자 블레이드들의 축을 지표면에 수직 또는 거의 수직에 가깝게 경사지도록 설치하는 것을 이용한 것이다. 이 결과, 항공기는 매우 짧은 거리만을 사용하고도 수직으로 이착륙이 가능하다. 일정 높이에 도달하면, 블레이드들 축은 다시 본래 방향, 즉 지표면에 평행한 방향으로 돌아가서 고정익(Fixed-Wing) 또는 회전익(Rotary-Wing) 모드로 비행하게 된다. 이러한 설계에서는, 날개들이 기체(fuselage)를 상하로 들어올리는 회전자로 사용된다. 특정 높이에 도달하면, 날개들은 회전을 멈추고 고정익 항공기로 전환한다.

-꼬리 시터(Tail Sitter)

이 디자인에서는 수평에서 수직으로 파킹 시 전형적인 착륙 기어들을 사용하지 않는 대신 항공기의 꼬리를 사용해 항공기의 방향을 바꾼다.

-동축 회전자(Coaxial Rotor)

이 디자인에서는 발생하는 반응 토크를 감소시키기 위해 반대 방향으로 회전하는 두 세트의 회전자들을 사용한다. 본래, 헬리콥터에서는 이러한 기능을 수행하기 위해 꼬리 단부의 작은 회전자 블레이드를 사용할 것이다. 두 세트의 회전자들은 일단 사용되면, 꼬리 회전자는 더 이상 필요하지 않게 되고, 결과적으로 회전자 샤프트를 따라 항공기 몸체는 대칭을 이루고 측 방향 이동이 더욱 자유로워진다. 다른 국가들에서 이루어진 동축 회전자 VTOL UAV에 대한 연구 개발이 과거에서 오늘날까지 모든 VTOL UAV에 대한 연구 개발의 시초가 되었다. 감시 작전에 유인 항공기를 사용한 최초의 기관은 제1차 세계 대전 때 해군으로, 영국 해군의 모든 복무중인 전함과 순양함에서 유인 항공기를 볼 수 있다. 이러한 항공기들은 함상 기지(ship-base) 활주로에서 이륙하는 모습을 종종 볼 수 있었는데, 많은 수가 적군 선박의 포탑(gun turret)에 의해 격추되곤 했다.

그로부터 20년 후, 항공기 발사 시스템은 증기 추진 시스템으로 바뀌었고, 이는 추후 당시 항공 모함 선상의 표준 시스템들 중 하나가 되었다. 감시용 함재기들(shipboard aircrafts)의 사용이 육전에서 대부분 짧은 기간 동안 많은 성공을 거둔 후, 얼마 후 드론(Drone)이 감시 작전에서 유인 항공기의 대안으로 떠올랐다. 당시 드론을 개발하고 투입할 수 있는 역량이 있는 곳은 미 해군 밖에 없었다. 헬리콥터가 수직으로 이착륙이 가능했기 때문에 선상 작전을 위해 변형이 이루어졌다. 미국 해군에서 실제 작전 지역에서 가장 처음으로 임무를 수행할 수 있었던 VTOL UAV는 자이로다인 로터사이클사(Gyrodyne Rotorcycle)가 대잠수함 임무용으로 개발한 원격 조종 헬리콥터 또는 드론 헬리콥터 모델 QH-5 DASH였다. 본래 QH-50 DASH는 조종사 한 명만 태우고 짧은 거리를 이동할 수 있는 소형 헬리콥터를 필요로 했던 미 해군을 위해 설계되었었다. 그런데 1963년 1월부터 QH-50 DASH가 실전에 투입된 후, 어뢰(Torpedo) 투하를 통한 대잠수함 전투력을 전함에 보강했다. QH-50 DASH는 갑판 위의 외부 조종사에 의해 이착륙이 가능했다. 이륙 후에는, 구축함(Destroyer ship)의 전투 정보실(Combat Information Center, CIC)에서 근무하는 내부 조종사가 레이더(RADAR)를 통해 제어하곤 했다. QH-50 DASH는 적군 잠수함의 위치를 모니터하고 MK-44 또는 MK-46 어뢰(Torpedo)를 투하해 적군 잠수함을 파괴할 수 있었다. 임무 수행 후에는 어뢰 투하 후 헬리콥터 몸체의 변화로 인한 충돌을 피하기 위해 곧바로 항공모함으로 돌아갔다. 사실상, QH-50 DASH는 MK-57 원자폭탄(Nuclear Depth Bomb)을 실어나를 수 있었지만, 원격 조종 항공기 제어의 복잡함 때문에 그러한 종류의 폭탄 투하에 대한 시험은 시도되지 않았다. 전기 광학 센서 문제 때문에 작전 중에 400개가 넘는 드론을 잃은 것으로 보고되었다. 얼마 후 QH-50 DASH는 또 다른 4개의 서브-모델들로 변형되었고, 1960년에서 1969년 사이에 총 거의 800개의 드론들이 미 해군으로 보내진 것으로 보고되었다.

그런 후, 남아 있는 QH-50 DASH들은 해체되었고 상기 프로젝트는 마침내 1971년에 중단되었다. 그러나, 베트남전에서 QH-50 DASH를 무인 정찰 드론으로 사용한 적이 있었고, 미육군 기동타격사령부(US Army Strike Command)에서도 뉴멕시코 주에 있는 미사일성능 시험장(White Sands Missile Range)에서 QH-50 DASH를 오늘날까지 사용해왔다. 뿐만 아니라, 독일의 무인 항공기 프로젝트인 SEAMOS와 이스라엘의 무인 항공기 프로젝트인 HELISTAR도 QH-50 DASH 구조를 기반으로 개발한 것이다.

-Ducted Fan(도관 팬)

이러한 유형의 UAV는 회전자 블레이드를 둘러싼 원통형 프레임 튜브를 사용한다. UAV의 이동은 이러한 회전자 튜브의 설치 방향과 일치할 것이다.

4. 본 발명에 대한 완전한 개시
도 1과 도 2는 트윈 편향 제어 시스템을 구비한 수직 이착륙 무인 항공기 (TYCS UAV 헬리콥터)의 주요 구성 요소를 도시한 것이다.

트윈 편향 제어 시스템을 구비한 수직 이착륙 무인 항공기의 주요 구성 요소는, 제트 엔진(jet engine) 또는 피스톤 엔진(piston engine), 및 원동기(prime mover)를 포함하고, 여기서 원동기는 톱니 벨트(toothed belt)를 통해 감속 기어박스(reduction gearbox)로 전달되어 메인 회전자 중심대(main rotor head)의 회전 방향을 변경하여 수직 상승을 일으킨다. VTOL UAV는 비행 제어 시스템(Flight Control System, FCS)을 사용해 무선 신호에 의해 제어된다. 비행 제어 시스템은 FCS 박스로 구성되는데, FCS 박스는 VTOL UAV와 지상 관제 센터 간에 제어 신호 송수신의 기능을 하고, 기내 GPS로부터 VTOL UAV의 위치를 수신해서 VTOL UAV가 수동 무선 제어, 자동 비행 제어 시스템 또는 반자동 비행 제어 시스템 또는 세 가지 모드의 조합으로 기설정된 비행 경로를 따라 비행할 수 있도록 한다. VTOL UAV의 측방향(좌측-우측) 이동은 트윈 편향 제어 시스템(TYCS)에 의해 이루어진다.

상기 디자인의 세부 사항은 다음과 같다.

-수직으로 섰을 때 메인 회전자와 TYCS의 회전자 블레이드들의 중심 사이의 거리는 0.3 - 0.5 m이다.

-메인 회전자 직경은 2.0 - 2.4 m이다.

-VTOL UAV의 높이는 0.6 - 0.8 m이다.

-VTOL UAV의 몸체 너비는 0.5 - 0.7 m이다.

트윈 편향 제어 시스템을 구비한 수직 이착륙 무인 항공기의 기술적 사양은 다음과 같다.

-메인 회전자 직경 2.2 m

-기체(fuselage) 1.7 m

-몸체 너비 0.5 -0.7 m

-높이 0.6 - 0.8 m

-엔진 출력 15 마력

-연료 적재력 16 ltr

-순항 속도 70 km/시간

-최대 속도 100 km/시간

-자체 무게 20 kg 미만

-운용 반경 50 km 이상

-최대 한계 600 m 이상

-임무 내구 시간 3 시간 미만

-유상하중 무게 20 kg 미만

-주야 카메라 설치 1 시스템

Claims (1)

1. 트윈 편향 제어 시스템(TYCS)을 구비한 수직 이착륙 무인 항공기(VTOL UAV)로서,
   원동기(1)인 제1 부분으로서, 제트 엔진이나 피스톤 엔진이 상기 원동기(1)로 선택되어, 두 개의 메인 회전자 블레이드들을 제 위치에 유지시키는 회전자 중심대(4)로 필요한 토크를 전달하기 위해 톱니 벨트(2)를 통해 기어 박스(3)로 전력을 전달하고, 상기 기어 박스(3) 또한 TYCS(6)의 두 개의 보조 회전자들로 토크를 전달하고 효과적으로 상기 메인 회전자(5)와 상기 TYCS의 보조 회전자들(6) 둘 다 필요한 속도에서 회전하도록 만들고, 상기 메인 회전자(5)가 수직 축에서 충분한 상승이 발생하는 속도로 회전하면, 상기 VTOL UAV는 공기 중으로 부유됨에 따라 활주로나 비행장 없이 이착륙이 수행될 수 있고, VTOL UAV 몸체에는 이착륙 시 VTOL 몸체를 지탱할 뿐만 아니라 비행장에 파킹 시 VTOL UAV 몸체를 지지하는 착륙 스키드(10)가 마련되는, 제1 부분;
   TYCS(6)인 제2 부분으로서, 상기 기어 박스(2)로부터 회전력을 전달받는 꼬리 부리(10)에 연결되는 보조 회전자들로 구성되고, TYCS(6)는 좌-우 방향으로의 VTOL UAV의 이동을 제어하고 상기 메인 회전자(5)의 회전으로 인한 수직 토크를 감소시키는데 도움을 주고, 토크가 꼬리 회전자가 하나 뿐인 종래의 헬리콥터에서 발생하는 경우 헬리콥터가 비행 시 수직 축에 대해 작은 각도로 경사지도록 할 것이만, 상기 TYCS(6)는 메인 회전자의 수직 축을 중심으로 토크들의 균형을 잡고, VTOL UAV가 항상 항공기를 조종하는 외부 조종사 없이도 수직 축에 평행하게 똑바로 비행하도록 도움을 주며, 상기 보조 회전자들 중 어느 하나라도 사용 불가능한 정도로 실패하거나 오작동하는 상황에서는, TYCS(6)를 구비한 VTOL UAV는 외부 조종사나 자동 조종 장치(Autopilot)가 항공기의 방향을 제어할 수 없고 항공기가 상승을 잃고 지면으로 스핀다운하기 전에는 균형을 완전히 잃지 않고 남아 있는 보조 회전자를 가지고 방향을 제어하고 비행장으로 회한할 수 있고, 상기 트윈 편향 제어 시스템(TYCS)(6)은 상기 메인 회전자와 보조 블레이드들의 중심들 간의 거리가 0.3-0.5 미터, 상기 메인 회전자의 직경이 2.0-2.4 미터, 그리고 VTOL UAV의 높이와 너비가 각각 0.6-0.8 미터와 0.5-0.7 미터가 되도록 설계되는, 제2 부분; 및
   TYCS를 구비한 VTOL UAV의 자동 조종 장치(Autopilot)인 제3 부분으로서, VTOL UAV의 제어에는 무선 신호가 사용되고, 상기 제어는 외부 조종사, 자동 비행 제어 시스템(8) 또는 반자동 비행 제어 시스템(외부 조종사 및 컴퓨터 프로그램)에 의해 수행될 수 있고, 상기 자동 비행 제어 시스템(8) 및 데이터 및 비디오 전송 시스템(9)은 최대 40 - 50 킬로미터까지 제어 신호를 전송 및 수신할 수 있는 6 무선 전송 회로들로 구성되고, VTOL UAV는 양 방향으로 동일하게 고속으로 전후로 비행할 수 있고, 토크의 균형은 비행 시 항공기 몸체가 경사지지 않도록 하며, 이로써 VTOL UAV의 길이가 짧게 됨으로써 이착륙 면적을 줄일 수 있고, VTOL UAV에 필요한 파킹 면적은 엔진 크기가 같은 종래의 헬리콥터에 필요한 면적의 30% 밖에 안되고, 종류와 크기가 같은 엔진을 구비한 종래의 헬리콥터로부터 발생하는 진동에 비해 진동 또한 10 - 20% 감소됨으로써 항공기의 모든 구성 요소들의 수명을 효과적으로 연장시키는, 제3 부분;을 포함하는 것을 특징으로 하는 트윈 편향 제어 시스템(TYCS)을 구비한 수직 이착륙 무인 항공기(VTOL UAV).

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