KR20170136849A - 이륙용 공압엔진을 가지는 글라이더 - Google Patents

Abstract

동체와 날개를 구비하며, 날개의 양력을 동체로 전달하며 날개의 뼈대 역할을 하는 스파(spar)가 압축공기탱크를 형성하고, 압축공기탱크의 개폐밸브를 개방하여 압축공기가 방출되면서 공압엔진을 구동하여 추진력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 글라이더가 개시된다.
본 발명에 따르면 중량 증가에 따른 글라이더 본연의 활공 능력 감소를 억제하면서 저중량 동력수단을 통해 동력글라이더를 일정 고도까지 상승시킬 수 있고, 동력수단에 대해 간단한 구조를 유지하여 생산 비용을 줄일 수 있고, 고장 등의 문제를 억제할 수 있으므로 유지 비용증가를 억제할 수 있다.

Description

이륙용 공압엔진을 가지는 글라이더{glider having air engine for landing}

본 발명은 글라이더에 관한 것으로 보다 상세하게는 이륙용 동력수단을 가지는 글라이더에 관한 것이다.

일반적으로 글라이더(glider)는 동체와 고정날개를 가지지만 엔진이 없어서 활공 형태로 비행할 수 있는 항공기를 지칭한다. 날개는 그 단면 형태인 에어포일(airfoil)에 의해 양력을 발생시키며, 날개의 양력은 날개 전체에 뼈대 역할을 하는 리브(rib)로 전달되고 리브는 스파(spar)를 통해 양력을 동체로 전달하여 글라이더 전체가 활공을 할 수 있게 된다.

그러나, 글라이더는 비행에 필요한 위치에너지를 확보하기 위해 처음에는 높은 지대에 올려지거나, 다른 항공기나 열기구, 자동차 등에 의해 견인되어 일정 고도에 도달해야 한다.

스스로 이륙하지 못하는 글라이더의 단점을 해결하기 위해 근래에는 자체 이륙을 위한 소형 엔진과 같은 동력 수단을 장착한 동력글라이더가 개발되고 사용되고 있다.

동력수단으로는 소형 내연기관이나 전기 모터가 사용되고 있다. 도1은 기존에 사용되는 동력글라이더의 한 예로서 소형 프로펠러를 구비하고, 배터리와 전기모터로 이 프로펠러를 구동하여 이륙에 사용하는 동력글라이더를 나타내고 있다.

그러나 이러한 동력글라이더는 실질적으로, 소형 엔진을 가진 비행기와 별다른 차이를 가지지 않으며, 이륙용으로 잠시 사용하는 엔진을 글라이더에 상시적으로 부착해야 함으로써 가격이 상승할뿐 아니라 중량이 증가되어 글라이더의 체공시간, 활공 성능을 저하시키는 문제가 있었다.

이러한 활공 성능이 저하된 글라이더는 소형 엔진 비행기와 비행 특성의 구별조차 명확하지 않아 글라이더로서의 특성 모호해지고, 글라이딩의 특유의 매력을 반감시키는 문제가 있다.

한편, 공압 엔진은 압축공기를 이용하여 터빈을 돌려 회전력을 얻거나, 이 회전력으로 피스톤을 움직이는 등의 방법으로 동력을 얻는 엔진이다. 원리는 이미 알려져 있던 것이나, 근래에 여러 가지 대체 동력수단을 연구 개발하면서 에어컴프레서 제조업체인 MDI(Motor Development International)와 제로폴루션모터스(Zero Pollution Motors)가 개발하던 것을 인도의 자동차 업체 타타 모터스가 자동차에 적용하여 에어팟(Airpod)라는 명칭으로 출시하여 잘 알려져 있다.

에어팟은 대략 175리터 압축공기탱크 하나에 충진된 압축공기로 차제무게 500Kg 정도의 차량 220Km를 운행가능하며, 최대 70Km/h 속도를 낼 수 있는 것으로 알려졌다.

그러나, 공압 엔진을 위해 전기 모터 등으로 압축공기탱크에 압축을 해야하고, 모터를 돌리기 위해 전기를 생산하여야 하고, 기타 원하는 형태의 기계적 동력을 얻기 위해 엔진을 구동시키면서 기계적 에너지 손실이 발생하므로 전체적인 에너지 효율은 통상의 내연기관에 비해서도 떨어진다고 할 수 있으므로 공기 엔진을 효율 향상을 위한 엔진으로 범용하기는 어렵고, 차량용 사용에 있어서도 기존 차량 무게나 속도, 연료 충진의 편리성 등을 고려하면 공기 엔진을 범용 차량엔진으로 사용하는 것은 한계가 있었다.

대한민국 등록특허 제10-0601398 : 자체 이륙형 글라이더

본 발명은 상술한 기존 동력글라이더의 문제점을 해결 혹은 경감시키기 위한 것으로서, 중량 증가에 따른 글라이더 본연의 활공 능력 감소를 억제할 수 있는 이륙용 저중량 동력수단을 가진 동력글라이더를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 중량 증가를 최대한 줄이고, 활공 성능의 손상을 억제할 수 있는 동력수단을 가진 동력글라이더를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 최대한 간단한 구조를 유지하고 생산 및 유지 비용증가를 억제할 수 있는 동력글라이더를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 동력글라이더는,

동체와 날개를 구비하는 글라이더에 있어서,

날개의 양력을 동체로 전달하며 날개의 뼈대 역할을 하는 스파가 압축공기탱크를 형성하고,

압축공기탱크의 개폐밸브를 개방하여 압축공기가 방출되면서 공압엔진을 구동하여 글라이더 추진력을 발생시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 공압엔진의 추진력은 공압엔진에 결합된 프로펠러를 회전시켜 전진추력 형태로 발생되고, 전진추력에 의해 글라이더가 전진하면서 날개가 양력을 발생시켜 글라이더를 공중에서 상승시키는 형태가 될 수 있다.

본 발명에서 공압엔진은 기존에 알려진 다양한 형태의 추진기관이 될 수 있다. 가령, 공압엔진은 공기터어빈을 이용하여 프로펠러 회전력을 얻거나, 피스톤 방식의 내연 기관이나 증기기관의 크랭크축으로 프로펠러 회전력을 얻는 것일 수 있고, 혹은, 프로펠러 회전이 필요없이 압축공기를 노즐을 통해 후방으로 배출하여 반작용으로 전진하는 공기제트엔진이 될 수 있다.

본 발명에 따르면 중량 증가에 따른 글라이더 본연의 활공 능력 감소를 억제하면서 저중량 동력수단을 통해 동력글라이더를 일정 고도까지 상승시킬 수 있다.

본 발명에 따르면 동력수단에 대해 간단한 구조를 유지하여 생산 비용을 줄일 수 있고, 고장 등의 문제를 억제할 수 있으므로 유지 비용증가를 억제할 수 있다.

도1은 종래의 전기모터형 동력글라이더의 일 예를 나타내는 도면,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 동력글라이더의 개략적 구성을 나타내는 개념적 사시도,
도3은 압축공기탱크를 이루는 날개의 스파와 기타 날개의 뼈대를 이루는 리브의 결합예를 나타내는 구성개념도,
도4는 본 발명의 일 실시예에서 이륙용 공압엔진 관련 동력 계통 구성을 개략적으로 나타내는 구성개념도이다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도2 내지 도4를 참조하여 설명하면, 도2의 글라이더는 통상의 글라이더 외형과 같이 동체(10)와 날개(20)를 가지며 동체 선단에는 탑승자를 위한 조종실(30) 공간이 설치된다.

날개(20)는 에어포일을 형성하기 위한 리브(25)들이, 자체로서 일종의 뼈대가 되는 원통형 혹은 작은 경사각을 가지는 원뿔대 형태의 스파(40)에 결합되어 전체적으로 도3에 도시된 것과 같은 형태의 날개의 뼈대 구조를 이루고 있다. 스파(40)는 내부가 비어있고, 이 빈 공간에 압축공기가 충진되어 압축공기탱크를 이룬다. 따라서 스파(40)는 상당한 강도를 가지는 경금속(밀도 5 이하 금속), 합성수지 기타 기계적 강도를 가질 수 있는 재질로 만들어진다.

날개(20)와 동체(10)가 결합되는 위치, 즉, 각각의 스파(40)의 동체측 끝단에는 스파의 압축공기를 방출하는, 횡방향으로 설치된 짧은 금속관(51))이 있고, 이들 두 금속관은 동체 길이 방향으로 설치된 종방향 금속관(51) 중간에 연결된다. 종방향 금속관의 후방단부에는 스파(40)로 이루어진 압축공기탱크에 압축공기를 주입할 수 있는 공기주입구(53)와 압력계(55)가 있다. 종방향 금속관의 전방단부에는 공압엔진(60)이 연결된다.

각 금속관(51)에는 개폐 및 공기 흐름을 조절할 수 있는 밸브(57)가 설치될 수 있지만 여기서는 공압엔진(60)으로 연결되는 금속관에만 밸브(57)가 표시되어 있다.

여기서 공압엔진(60)은 다른 엔진에 비해 가볍고 간단한 구성을 가진 공기터어빈으로 이루어지고, 공기터어빈의 회전축은 프로펠러(70)의 축과 직결된다. 따라서, 조종실(30)에서 조종자가 조종간을 조작하고, 조종간과 유압수단 혹은 전기 수단 등으로 연결되어 구동되는 밸브(57)를 조작하여 열면, 스파(40) 내부 공간에 충진되어 있던 공기는 밸브(57)를 거쳐 종방향 금속관 전방단부로 방출되고, 압축공기는 공기터어빈의 날개(회전익)와 충돌하여 날개를 움직이고, 터어빈의 회전축이 회전하면 프로펠러(70)도 함께 회전하게 된다.

여기서는 좌우 양 날개에 있는 원통형 스파(Spar:40)에 50마력 정도의 공기엔진을 약 10분간 가동하여 일정 고도로 글라이더 자체 이륙이 가능하게 하는 정도의 압축공기를 충전한다. 충전은 매회 글라이더 이륙 전에 이루어지면 충분하며, 공기 충전을 위한 장비는 글라이더 자체에 있는 것이 아니고 모두 글라이더 외부, 지상에 있으므로 글라이더 무게 증가를 최소화할 수 있다.

글라이더는 충분히 길고 두꺼운 날개 단면(Airfoil)을 사용하므로 원통형 스파(40)를 설치하기에 충분한 저장공간을 확보할 수 있고, 스파는 글라이더에 필수적인 구조이면서 압축공기탱크 역할을 함으로써 별도의 압축공기탱크 공간을 필요로 하지 않게 된다.

이런 구성에 따르면 단순하고 가벼운 압축공기, 공압엔진(60)과 프로펠러(70)에 의해 글라이더의 프로펠러 추진력에 의해 글라이더는 일정 고도로 상승할 수 있다. 글라이더는 일정 고도 상승 후부터는 엔진이 필요하지 않아 압축공기는 이륙하는 동안만 사용한다. 이 시점에서 스파 내의 압축공기는 이미 소진된 상태이므로 가장 가볍게 되는 상태에서 글라이딩을 시작하게 된다. 즉, 글라이더에 작용하는 중력이 작아지고, 이 상태에서 체공시간을 길게 하면서 활공능력을 최대로 발휘하게 된다.

활공을 끝내고 착륙하면 공기주입구(53)를 통해 스파(40)에 다시 압축공기를 충전하고, 다음 글라이더 이륙시 이 압축공기를 동력으로 사용하게 된다.

압축공기를 만들고 글라이더의 스파(40)에 이를 충진하기 위해서는 기계적인 손실이 많이 발생할 수 있지만, 압축공기를 동력으로 사용하는 것은 글라이더에 동력을 주면서도 무게 증가를 최소화하고, 이륙상태에서는 무게를 더 줄일 수 있는 방법이므로 동력으로 압축공기를 사용하는 것은 동력글라이더에는 최적화된 것이라고 볼 수 있다.

이러 구성에서, 무동력글라이더에 비해 더 늘어나는 무게는 스파(40) 내에 충진되는 압축공기와 공압엔진(60) 및 프로펠러(70), 프로펠러(70)를 설치하기 위해 동체에서 돌출되는 부분에 해당하는 무게가 되며, 이는 최근의 경량재료화에 따라 글라이더 전체 무게에 비해 매우 큰 무게 증가가 되지 않도록 한다.

이상 실시예에서는 가장 간단한 구성을 이루기 위해 공기터어빈의 회전축은 직접 프로펠러 회전축과 연결되는 것으로 하였지만 필요에 따라 공기터어빈의 회전축은 기어박스를 통해 프로펠러 회전축과 결합되어 프로펠러 속도를 운항에 적절하게 조절하는 것도 생각할 수 있다.

다른 실시예로서, 여기서는 개별적으로 도시되지 않지만 공압엔진은 증기기관이나 내연기관들과 같이 실린더 내에서 피스톤이 왕복운동을 하고, 피스톤이 커넥팅로드를 통해 연결된 크랭크축을 회전시키는 형태의 것이 될 수 있다. 가령, 압축공기탱크의 압축공기를 피스톤기관의 실린더에 공급하여 피스톤을 밀고, 피스톤에 커넥팅로드를 통해 연결된 크랭크축을 회전시키고, 피스톤의 하사점 부근에서 압축공기는 실린더 밖으로 배출되고, 크랭크축은 플라이휘일 등의 관성체가 계속 회전하여 실린더 내에서 피스톤이 당겨지고, 이때에는 캠 등을 이용하여 밸브가 압축공기가 실린더로 들어가지 않도록 하고, 다시 피스톤이 상사점에 이르면 밸브가 열려 실린더로 공급되면서 피스톤을 밀어주는 형태가 될 수 있다.

여기서도 크랭크축은 기어박스를 통해 프로펠러 회전축과 결합되어 프로펠러 속도를 운항에 적절하게 조절할 수 있다.

도시되지 않지만 다른 하나의 실시예로서, 공압엔진은 제트엔진의 형태로 좁은 노즐을 통해 후방으로 압축공기를 분사하고, 그 반작용으로 기체를 전방으로 추진시키는 것일 수 있다. 이런 구성은 압축공기 분사를 조절하기 쉽지 않지만, 앞선 다른 실시예에 비해 구성을 가장 간단하게 하고, 무동력 글라이더와 거의 차이가 없도록 할 수 있다는 장점을 가진다. 따라서, 실험 목적의 무인 글라이더에 적합할 수 있다.

이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

10: 동체 20: 날개
25, 27: 리브
30: 조종실 40: 스파(spar)
51: 금속관 53: 공기주입구
55: 압력계 57: 밸브
60: 공압엔지 70: 프로펠러

Claims (3)

1. 동체와 날개를 구비하는 글라이더에 있어서,
   상기 날개의 양력을 상기 동체로 전달하며 상기 날개의 뼈대 역할을 하는 스파(spar)가 압축공기탱크를 형성하고,
   상기 압축공기탱크의 개폐밸브를 개방하여 압축공기가 방출되면서 공압엔진을 구동하여 글라이더 추진력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 이륙용 공압엔진을 가지는 글라이더.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 공압엔진의 추진력은 상기 공압엔진에 결합된 프로펠러를 회전시켜 전진추력 형태로 발생되고, 상기 전진추력에 의해 전진하면서 상기 날개가 양력을 발생시켜 공중에서 상승되는 것임을 특징으로 하는 이륙용 공압엔진을 가지는 글라이더.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 공압엔진은 공기터어빈 혹은 공기제트엔진인 것을 특징으로 하는 공압엔진을 가지는 글라이더.

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