KR20160002477A

KR20160002477A - 무인 비행체의 가변형 주날개

Info

Publication number: KR20160002477A
Application number: KR1020140080747A
Authority: KR
Inventors: 최해천; 김희수
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2016-01-08

Abstract

본 발명은 비행 중 받음각 등 비행 상황에 따라 선단부의 형상을 가변함으로써 최적의 공력성능을 발휘할 수 있도록 개선된 무인 비행체의 가변형 주날개를 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 의한 무인 비행체의 가변형 주날개는, 무인 비행체의 동체로부터 외측으로 연장된 날개 몸체와, 날개 몸체의 선단에 날개 몸체의 길이 방향으로 마련된 개방부와, 날개 몸체의 개방부를 덮도록 날개 몸체에 결합되는 탄력성 커버와, 탄력성 커버를 날개 몸체의 전방으로 가압하여 돌출시키기 위해 날개 몸체의 내부에 진퇴 가능하게 설치되는 가압부재와, 가압부재를 진퇴시키기 위해 날개 몸체의 내부에 설치되는 가압부재 구동기를 포함한다.

Description

무인 비행체의 가변형 주날개{Shape Changeable Main Wings of Unmanned Aerial Vehicle}

본 발명은 무인 비행체의 날개에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무인 비행체의 실속각을 지연시키고 높은 받음각에서의 공력성능을 향상시킬 수 있는 무인 비행체의 가변형 주날개에 관한 것이다.

항공 기술 및 통신 기술의 급격한 발전에 따라 탐사 및 정찰 등을 목적으로 하는 무인 비행 시스템의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 무인 비행 시스템의 개발은 인간이 직접 탑승하여 수행하기에 위험하거나 어려운 작업도 가능하게 하는 이점을 가져왔다.

통상적으로, 무인 비행 시스템은 비행 제어를 위한 제어 시스템과, 원격지에서 제어 시스템으로부터 전송되는 비행 제어 신호에 따라 비행을 수행하여 각종 현지 데이터를 취득하여 제어 시스템으로 송신하는 무인 비행체로 이루어진다. 무인 비행체는 카메라, 센서, 통신장비, 또는 다른 장비를 탑재하고 있으며, 원격 조종되거나 또는 스스로 조종된다. 즉, 무인 비행체는 운용자에 의해 직접 원격 조종되거나, 운용자가 무인 비행체가 지나가야 될 지점들을 미리 프로그래밍하면, 무인 비행체가 그 지점에 도달하기 위해 스스로 비행 궤도를 조절하여 비행하기도 한다.

종래에는 무인 비행체가 특수한 군용 정찰기를 제외하고는 거의 도입이 어려웠으나, 최근에 저렴한 비용으로 공공부문이나 민수용 제품으로의 적용이 가능해 졌다. 특히, 군, 경찰, 소방 등의 공공분야에서는 정찰, 수색, 감시, 정보 수집 등의 다양한 목적으로 활용이 가능해 졌으며, 카메라를 이용한 현장 영상의 실시간 확인 및 전송은 지휘센터에서 현장의 상황을 신속하고, 정확하게 판단할 수 있게 해준다.

도 1은 종래의 무인 비행체를 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 무인 비행체(10)는, 통상적인 항공기와 유사하게 동체(11)와, 주날개(12)와, 꼬리날개(13)(14)를 포함한다. 이 밖에, 동체(11)에는 추진기나, 착륙장치 등 각종 기계장치 및 전자장치가 설치된다. 동체(11)는 유선형으로 이루어져 공기의 저항을 작게 함과 동시에, 각 날개와의 결합부에 생기는 기류의 간섭에 의한 저항을 가급적 작게 하는 구조를 취한다. 무인 비행체(10)를 떠오르게 하는 힘인 양력은 주날개(12)에서 만들어진다. 양력은 무인 비행체(10)가 날고 있는 장소나 방향 등 상태에 따라 달라지므로, 주날개(12)만으로 날고 있을 때의 안정을 지키기는 어려운데, 꼬리날개(13)(14)가 저울의 추처럼 무인 비행체(10)의 무게와 주날개(12)의 양력을 조화시켜 무인 비행체(10)의 비행 안정을 지켜 준다.

그런데 도시된 것과 같은 종래의 무인 비행체(10)는 비행 중에 받음각이 너무 커지면 날개 주변의 공기흐름이 더 이상 날개 주변을 따라 제대로 흐르지 못하고 흐름이 떨어져나가는 유동 박리(flow separation) 현상으로 인한 실속이 발생하게 되고, 이에 의해 양력이 감소하고 항력이 증가하는 문제가 발생한다.

공개특허공보 제1998-0014328호(1998. 05. 25.)

본 발명은 상술한 바와 같은 필요성을 해결하기 위해 위하여 안출된 것으로, 비행 중 받음각 등 비행 상황에 따라 선단부의 형상을 가변함으로써 최적의 공력성능을 발휘할 수 있도록 개선된 무인 비행체의 가변형 주날개를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 무인 비행체의 가변형 주날개는, 무인 비행체의 동체로부터 외측으로 연장된 날개 몸체; 상기 날개 몸체의 선단에 상기 날개 몸체의 길이 방향으로 마련된 개방부; 상기 날개 몸체의 개방부를 덮도록 상기 날개 몸체에 결합되는 탄력성 커버; 상기 탄력성 커버를 상기 날개 몸체의 전방으로 가압하여 돌출시키기 위해 상기 날개 몸체의 내부에 진퇴 가능하게 설치되는 가압부재; 및 상기 가압부재를 진퇴시키기 위해 상기 날개 몸체의 내부에 설치되는 가압부재 구동기;를 포함하는 점에 특징이 있다.

본 발명에 의한 무인 비행체의 주날개는 받음각이 커지는 상황 등 무인 비행체의 비행 상황에 맞춰 복수의 가압부재로 날개 몸체의 선단에 구비되는 탄력성 커버를 부분적으로 돌출시켜 주날개의 선단에 돌기를 형성함으로써, 주날개의 선단에서 와류를 형성하여 주날개에서의 유동 박리를 방지하고, 무인 비행체의 실속각을 지연시키며 높은 받음각에서의 공력성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 무인 비행체를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가변형 주날개가 설치된 무인 비행체를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 무인 비행체의 일부 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 가변형 주날개를 나타낸 평단면도이다.
도 5는 도 4에 나타낸 가변형 주날개의 형상이 변형된 상태를 나타낸 것이다.
도 6은 가변형 주날개의 형상이 변형된 무인 비행체를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변형 주날개를 나타낸 평단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가변형 주날개를 나타낸 평단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 무인 비행체의 가변형 주날개에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가변형 주날개가 설치된 무인 비행체를 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 2에 나타낸 무인 비행체의 일부 구성을 나타낸 블록도이며, 도 4는 도 2에 나타낸 가변형 주날개를 나타낸 평단면도이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 무인 비행체의 가변형 주날개(200)는 날개 몸체(210)와, 날개 몸체(210)의 선단에 결합되는 탄력성 커버(220)와, 날개 몸체(210)의 내부에 설치되는 복수의 가압부재(230) 및 복수의 가압부재 구동기(240)를 포함한다. 이러한 가변형 주날개(200)는 그 선단부에 여러 개의 혹이 돌출된 혹등고래의 가슴지느러미처럼 형상 변형됨으로써 무인 비행체(100)의 실속각을 지연시키고 높은 받음각에서의 공력성능을 향상시킬 수 있다.

이러한 본 실시예에 따른 가변형 주날개(200)가 설치되는 무인 비행체(100)는 통상의 무인 비행체와 같이, 동체(110)와 꼬리날개(120)(125)를 포함한다. 그리고 무인 비행체(100)의 내부에는 추진력을 발생시키는 추진기(130)와, 통신을 위한 무선 송수신기(140)와, 속도 측정을 위한 속도계(150), 고도 측정을 위한 고도계(160), 무인 비행체(100)의 자세를 검출하기 위한 자세 센서(170), 무인 비행체(100)의 전반적인 동작을 제어하는 컨트롤러(180) 등이 설치된다. 주날개(200)에 대한 형상 변형 제어는 컨트롤러(180)에 의해 수행된다. 즉, 속도계(150), 고도계(160), 자세 센서(170) 등에서 검출한 정보가 컨트롤러(180)에 제공되면, 컨트롤러(180)는 이러한 정보들로부터 무인 비행체(100)의 받음각 등에 대한 비행 상황을 파악하여 주날개(200)의 형상 변형 제어를 수행하게 된다.

도 2 및 도 4에 나타낸 것과 같이, 날개 몸체(210)는 한 쌍이 무인 비행체(100)의 동체(110)로부터 좌우 외측으로 연장된다. 무인 비행체(100)의 좌측 주날개(200)와 우측 주날개(200)는 동일한 구조로 이루어지므로, 이하에서는 도 4에 나타낸 것과 같은 좌측 주날개(200)에 대해서만 설명한다. 날개 몸체(210)의 선단에는 날개 몸체(210)의 길이 방향으로 연장된 개방부(211)가 구비된다.

이러한 날개 몸체(210)의 개방부(211)는 탄력성 커버(220)에 의해 덮인다. 탄력성 커버(220)는 고무나 실리콘 등의 탄성 변형이 가능한 소재로 이루어지며, 날개 몸체(210)에 결합되어 날개 몸체(210)의 개방부(211)를 덮는다. 탄력성 커버(220)는 날개 몸체(210)의 내부에 설치된 복수의 가압부재(230)에 의해 복수의 돌기가 형성되도록 전방으로 돌출될 수 있다.

복수의 가압부재(230)는 각각의 선단에 완만한 곡면 형태의 가압 곡면(231)이 마련되며, 각각의 가압 곡면(231)이 탄력성 커버(220)의 내면에 접하도록 날개 몸체(210)의 길이 방향으로 배치된다. 이들 복수의 가압부재(230)는 날개 몸체(210)의 내부에 진퇴 가능하게 설치됨으로써 탄력성 커버(220)를 날개 몸체(210)의 전방으로 가압하여 돌출시킬 수 있다.

각각의 가압부재(230)에는 가압부재 구동기(240)가 연결되어 가압부재(230)를 진퇴시킨다. 가압부재 구동기(240)는 복수의 가압부재(230)를 개별 작동시킬 수 있도록 날개 몸체(210)의 내부에 복수의 가압부재(230)에 대응하여 복수로 설치된다. 가압부재 구동기(240)가 가압부재(230)를 전진시키지 않은 상태에서도 복수의 가압부재(230)는 탄력성 커버(220)에 접하여 탄력성 커버(220)를 날개 몸체(210)의 전방으로 다소 돌출시킬 수 있다. 이 경우, 탄력성 커버(220)가 전방으로 둥근 곡면을 형성하며 돌출되므로, 탄력성 커버(220)의 외면이 날개 몸체(210)의 외면과 함께 매끄러운 유선형의 주날개(200) 외면을 형성하게 된다.

가압부재 구동기(240)는 가압부재(230)에 결합되는 형상기억합금 부재(241)와, 형상기억합금 부재(241)가 변형될 수 있도록 형상기억합금 부재(241)에 전류를 공급하는 전류 공급기(242)를 포함한다. 이러한 가압부재 구동기(240)는 형상기억합금의 형상기억 효과를 이용하는 것으로, 잘 알려진 것과 같이 형상기억합금은 다른 모양으로 변형시키더라도 가열에 의하여 다시 변형 전의 모양으로 되돌아오는 성질을 가진 합금이다. 전류 공급기(242)로 형상기억합금 부재(241)에 전류를 인가하면 형상기억합금 부재(241)가 발열하게 되며, 그 발열 온도가 특정 온도(천이 온도)에 도달하면 형상기억합금 부재(241)가 팽창하게 된다.

형상기억합금 부재(241)는 그 일단이 가압부재(230)의 후단에 결합되고 그 타단은 날개 몸체(210)의 내부에 고정 설치되는 지지대(243)에 고정된다. 따라서, 전류 공급기(242)가 형상기억합금 부재(241)에 전류를 인가하여 형상기억합금 부재(241)의 온도가 상승하면 형상기억합금 부재(241)는 팽창하면서 가압부재(230)를 전진시키고, 가압부재(230)는 탄력성 커버(220)를 탄성 변형시킨다.

도면에 자세히 나타내지는 않았으나, 복수의 전류 공급기(242)는 전원 공급선을 통해 동체(110)에 설치되는 전원 공급기와 연결되어 전원을 공급받을 수 있다. 물론, 복수의 전류 공급기(242)에 전원을 공급하기 위한 전원 공급기는 날개 몸체(210) 내부에 설치될 수 있다.

가압부재 구동기(240)의 동작은 컨트롤러(180)에 의해 제어된다. 컨트롤러(180)는 비행 중에 무인 비행체(20)의 주날개(200)의 받음각이 일정 각도 이상 커질 때 등 무인 비행체(100)의 비행 상황에 적절히 대응하여 복수의 가압부재 구동기(240)를 개별 제어함으로써 주날개(200) 선단에 돌기를 형성한다.

예컨대, 도 5 및 도 6에 도시된 것과 같이, 무인 비행체(20)의 주날개(200)의 받음각이 일정 각도 이상 커질 때, 컨트롤러(180)는 복수의 가압부재 구동기(240)를 개별 제어하여 탄력성 커버(220)를 부분적으로 돌출시킬 수 있다.

즉, 가압부재 구동기(240)의 전류 공급기(242)가 형상기억합금 부재(241)에 전류를 인가하여 형상기억합금 부재(241)의 온도가 상승하면 형상기억합금 부재(241)는 팽창하면서 가압부재(230)를 전진시키고, 가압부재(230)는 탄력성 커버(220)를 탄성 변형시킨다. 이때 탄력성 커버(220)가 가압부재(230)에 의해 밀려 탄성 변형되면서 전방으로 돌출된다. 컨트롤러(180)는 이러한 가압부재 구동기(240)의 동작을 복수의 가압부재 구동기(240) 전체에 대해 개별 제어함으로써, 탄력성 커버(220)를 부분적으로 돌출시켜 주날개(200) 선단에 일정 패턴으로 배열되는 복수의 돌기(250)를 형성할 수 있다. 이때, 주날개(200)의 선단에 마련되는 복수의 돌기(250)는 주날개(200)의 선단에서 와류를 형성하여 주날개(200)에서의 유동 박리를 방지하고, 무인 비행체(100)의 실속각을 지연시키며 높은 받음각에서의 공력성능을 향상시키게 된다.

그리고 주날개(200)의 선단으로 돌출되는 돌기(250)가 필요없는 경우, 컨트롤러(180)는 가압부재 구동기(240)의 형상기억합금 부재(241)에 대한 전류 공급을 차단한다. 이때, 가열되었던 형상기억합금 부재(241)는 그 온도가 하강하여 원래의 길이로 복원되면서 가압부재(230)를 원래 위치로 후퇴시키고, 돌출되었던 탄력성 커버(220)는 자체의 탄성 복원력에 의해 원래 상태로 복귀된다.

복수의 가압부재 구동기(240)는 개별 제어되므로 복수의 가압부재(230) 각각의 전진 길이는 매우 다양하게 조절될 수 있다. 따라서, 다양한 비행 상황에 따라 다양한 크기와 다양한 개수의 돌기(250)가 다양한 패턴으로 주날개(200)의 선단에 형성될 수 있다.

한편, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변형 주날개(300)를 나타낸 평단면도이다.

도 7에 나타낸 가변형 주날개(300)는 날개 몸체(210)와, 날개 몸체(210)의 선단에 결합되는 탄력성 커버(220)와, 날개 몸체(210)의 내부에 설치되는 복수의 가압부재(310) 및 복수의 가압부재 구동기(240)를 포함하는 것으로, 날개 몸체(210)와 탄력성 커버(220)는 상술한 것과 같다.

복수의 가압부재(310)는 각각의 선단에 완만한 곡면 형태로 이루어진 복수의 가압 곡면(311)이 마련되며, 각각의 가압 곡면(311)이 탄력성 커버(220)의 내면에 접하도록 날개 몸체(210)의 길이 방향으로 배치된다. 이들 복수의 가압부재(310)는 날개 몸체(210)의 내부에 설치된 복수의 가압부재 구동기(240)에 의해 진퇴함으로써 탄력성 커버(220)를 날개 몸체(210)의 전방으로 가압하여 돌출시킨다. 가압부재 구동기(240)는 앞서 설명한 것과 같은 것으로, 가압부재(310)에 결합되는 형상기억합금 부재(241)와, 형상기억합금 부재(241)가 변형될 수 있도록 형상기억합금 부재(241)에 전류를 공급하는 전류 공급기(242)를 포함한다.

이러한 가변형 주날개(300)는 앞서 설명한 가변형 주날개(200)와 비교하여 주날개(300)의 선단으로 돌출되도록 형성되는 돌기(320)의 개수나 배치 패턴은 제한적이지만, 적은 수의 가압부재 구동기(240)로 돌기(320)를 형성할 수 있는 장점이 있다.

한편, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가변형 주날개(400)를 나타낸 평단면도이다.

도 8에 나타낸 가변형 주날개(400)는 날개 몸체(210)와, 날개 몸체(210)의 선단에 결합되는 탄력성 커버(220)와, 날개 몸체(210)의 내부에 설치되는 복수의 가압부재(310) 및 하나의 가압부재 구동기(410)를 포함한다. 이러한 가변형 주날개(400)는 도 7에 나타낸 가변형 주날개(300)와 비교하여 복수의 가압부재(310)를 작동시키기 위해 하나의 가압부재 구동기(410)가 구비되는 점에서만 차이가 있는 것이다.

복수의 가압부재(310)는 연결부재(420)를 통해 하나의 가압부재 구동기(410)와 연결된다. 가압부재 구동기(410)는 연결부재(420)를 진퇴시키는 리니어 액츄에이터(411)를 포함한다. 리니어 액츄에이터(411)가 연결부재(420)를 일정 거리 전진시키면 복수의 가압부재(310)는 일괄적으로 전진하여 탄력성 커버(220)를 가압함으로써 전방으로 돌출되는 복수의 돌기(430)를 형성하게 된다. 반대로, 리니어 액츄에이터(411)가 연결부재(420)를 원래 위치로 후퇴시키면 복수의 가압부재(310)는 일괄적으로 후퇴하고 탄력성 커버(220)는 원래 상태로 복원된다.

이러한 본 실시예에 의한 가변형 주날개(400)는 도 7에 나타낸 가변형 주날개(300)와 비교하여 주날개(400)의 선단으로 돌출되도록 형성되는 돌기(430)의 개수나 배치 패턴은 제한적이지만, 하나의 가압부재 구동기(410)로 복수의 가압부재(310)를 작동시킬 수 있는 장점이 있다.

이상 본 발명에 대하여 바람직한 예를 들어 설명하였으나 본 발명의 범위가 앞에서 설명한 실시예로 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 날개 몸체(210)의 선단에 구비되는 탄력성 커버(220)를 가압하여 전방으로 돌출되는 돌기를 형성하기 위한 가압부재의 구체적인 구조는 도시된 것으로 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.

그리고 가압부재를 진퇴시키기 위한 가압부재 구동기는 앞서 설명한 것과 같은 형상기억합금의 형상기억 효과를 이용하는 것이나, 리니어 액츄에이터를 포함하는 구조 이외에, 가압부재를 진퇴시킬 수 있는 다양한 다른 구조를 취할 수 있다.

110 : 무인 비행체 110 : 동체
120, 125 : 꼬리날개 130 : 추진기
140 : 무선 송수신기 150 : 속도계
160 : 고도계 170 : 자세 센서
180 : 컨트롤러 200, 300, 400 : 주날개
210 : 날개 몸체 211 : 개방부
220 : 탄력성 커버 230, 310 : 가압부재
231, 311 : 가압 곡면 240, 410 : 가압부재 구동기
241 : 형상기억합금 부재 242 : 전류 공급기
243 : 지지대 250, 320, 430 : 돌기
411 : 리니어 액츄에이터 420 : 연결부재

Claims

무인 비행체의 동체로부터 외측으로 연장된 날개 몸체;
상기 날개 몸체의 선단에 상기 날개 몸체의 길이 방향으로 마련된 개방부;
상기 날개 몸체의 개방부를 덮도록 상기 날개 몸체에 결합되는 탄력성 커버;
상기 탄력성 커버를 상기 날개 몸체의 전방으로 가압하여 돌출시키기 위해 상기 날개 몸체의 내부에 진퇴 가능하게 설치되는 가압부재; 및
상기 가압부재를 진퇴시키기 위해 상기 날개 몸체의 내부에 설치되는 가압부재 구동기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체의 가변형 주날개.
제 1 항에 있어서,
상기 가압부재 구동기는, 온도 변화에 따라 늘어나거나 수축하여 상기 가압부재를 진퇴시킬 수 있도록 상기 가압부재와 결합되는 형상기억합금 부재와, 상기 형상기억합금 부재에 전류를 공급하여 상기 형상기억합금 부재의 온도를 상승시키기 위해 상기 형상기억합금 부재와 연결되는 전류 공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체의 가변형 주날개.
제 1 항에 있어서,
상기 가압부재는 복수가 상기 날개 몸체의 길이 방향으로 배치되고, 상기 가압부재 구동기는 상기 복수의 가압부재를 개별 작동시킬 수 있도록 상기 복수의 가압부재에 대응하여 복수가 구비되는 것을 특징으로 하는 무인 비행체의 가변형 주날개.
제 1 항에 있어서,
상기 가압부재는 복수가 상기 날개 몸체의 길이 방향으로 배치되고, 상기 가압부재 구동기는 상기 복수의 가압부재를 일괄적으로 작동시킬 수 있도록 하나가 구비되는 것을 특징으로 하는 무인 비행체의 가변형 주날개.