KR20210064705A - 브이톨 드론 - Google Patents

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KR20210064705A
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배정환
신재환
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선문대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 브이톨 드론은, 고정익(110)을 갖는 비행 동체(100)에 착탈 가능하게 결합되거나 비행 동체(100)에 결합되지 않고 단독 비행할 수 있는 추진 유니트(200)를 포함할 수 있다.

Description

브이톨 드론{VTOL Drone}
본 발명은 브이톨 드론에 관한 것이다.
이착륙 거리를 줄이기 위한 브이톨(VTOL) 고정익 항공기가 개발되었으나, 영국의 해리어 전투기와 같이 완전한 수직 이착륙 항공기가 아닌 이상 이착륙시 소정의 활주 거리를 필요로 할 수 있다. 양력은 고정익 및 비행 속도에 의하여 획득할 뿐, 정지 상태에서 수직으로 이륙하는 완전한 수직 이착륙은 어려운 구조이다.
한편, 헬리콥터와 같이 회전익에 의하여 제어 및 양력을 획득하는 드론은 이륙시 날개의 회전에 의하여 발생되는 양력에 의존하므로 무거운 하중을 이동시키기에 부적합한 문제점이 있다. 일정한 비행 속도에 도달하여도 회전익에 의한 양력을 필요로 하므로 고정익 브이톨 항공기에 비하여 이륙 하중이 작은 문제점이 있을 수 있다.
본 발명은 브이톨 고정익 항공기와 회전익 드론의 장단점을 결합한 것으로서, 회전익에 의하여 수직 이착륙이 가능하고, 전방으로 비행시 고정익 및 회전익의 기울기 조작에 의하여 추진력 및 양력을 획득하는 브이톨 드론을 제공한다.
본 발명의 브이톨 드론은, 고정익을 갖는 비행 동체에 착탈 가능하게 결합되거나 비행 동체에 결합되지 않고 단독 비행할 수 있는 추진 유니트를 포함할 수 있다.
상기 추진 유니트는, 바디부, 상기 바디부에 수직한 회전축을 중심으로 회전하며 상기 추진 유니트의 방향 제어를 수행하거나 상기 추진 유니트의 양력을 발생하는 메인 로터부, 상기 바디부에 대하여 틸팅되는 틸팅 로터부를 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 드론은 고정익을 가지는 비행 동체에 메인 로터부와 틸팅 로터부가 마련되는 추진 유니트가 구비되어서 보다 많은 양력과 추력을 발생시킬 수 있다.
메인 로터부에는 회동 가능한 복수의 메인 로터부 지지대가 형성되고, 비행 모드시, 본체부의 양측에 마련되는 메인 로터부 지지대간의 간격을 좁혀서 공기 저항을 줄임으로써 추력이 향상될 수 있다.
회전 파이프를 가지는 틸팅 로터부에 의해 이륙후 비행 모드시 회전 파이프의 로터 배치 위치가 변경되도록 회전 파이프를 회전시켜서 추력을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 드론은 본체부에 공간부를 형성하고, 상기 공간부를 통해 메인 로터부의 메인 로터부 지지대와 틸팅 로터부의 회전 파이프가 자유롭게 회동이 이루어지도록 할 수 있다.
본 발명은 보다 증대된 양력 및 추력이 발생되므로, 장시간 비행이 가능하고 무거운 짐을 쉽게 들어올려 운송이 가능하다.
또한, 본 발명은 열적외선 카메라 및 영상 제어기를 설치하여 산불 감시나 지도 작성이 가능하도록 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 브이톨 드론의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 추진 유니트의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 틸팅 로터부를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 서브 로터에 구비되는 가변 피치 유니트를 도시한 사시도이다.
도 1은 본 발명의 브이톨 드론의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 브이톨 드론(10)은 추진 유니트(200)를 포함할 수 있다.
추진 유니트(200)는 고정익(110)을 갖는 비행 동체(100)에 착탈 가능하게 결합될 수 있다. 추진 유니트(200)가 고정익(110)가 결합되면 고정익 항공기와 회전익 드론의 장단점을 모두 가질 수 있다.
한편, 이에 한정되지 않고, 추진 유니트(200)만으로 브이톨 드론을 구성하고, 비행체의 양력 및 추진력을 발생할 수 있다.
비행 동체(100)는 양측으로 형성되는 고정익(110)을 포함하고, 후방에는 후미 익편(120)이 마련될 수 있다. 고정익(110)은 통상의 비행기 로터와 같이 비행속도에 의하여 양력을 발생하는 유선형이 될 수 있다.
도 2를 참조하면, 추진 유니트(200)는 바디부(210), 바디부(210)에 수직한 회전축을 중심으로 회전하며 추진 유니트(200)의 방향 제어를 수행하거나 양력을 발생하는 메인 로터부(220), 바디부(210)에 대하여 틸팅되는 틸팅 로터부(230)를 포함할 수 있다.
메인 로터부(220)는 바디부(210)에 결합되는 메인 로터부 지지대(221), 메인 로터부 지지대(221)의 단부에 마련되는 메인 로터(222), 메인 로터(222)를 회전시키는 메인 모터(223)를 포함할 수 있다.
메인 로터부 지지대(221)는 바디부(210)의 양측에 각각 한쌍으로 마련될 수 있다. 메인 로터(222)는 바디부(210)에 수직한 회전축을 가질 수 있고, 회전시 양력을 발생하는 일반적인 드론의 회전익이 될 수 있다.
한편, 바디부(210)에 대하여 틸팅되는 틸팅 로터부(230)는 메인 로터부 지지대(221)의 설치 방향과 다른 위치에 회전 파이프(231)를 포함할 수 있다. 회전 파이프(231)의 단부에는 서브 로터(232)가 마련될 수 있다.
서브 로터(232)는 회전축이 바디부(210)에 수직한 상태에서 회전하면 양력을 발생할 수 있고, 회전축이 바디부(210)에 대하여 틸팅된 상태에서 회전하면 추진력을 발생할 수 있다. 서브 로터(232)의 틸팅은 회전 파이프(231)의 회전에 의할 수 있다. 서브 로터(232)가 바디부(210)의 전방을 향하도록 틸팅된 상태에서 회전하면, 바디부(210)의 양력은 메인 로터부(220)에 의하여 발생하고, 바디부(210)의 추진력은 틸팅 로터부(230)에 의하여 발생할 수 있다.
도 3을 참조하면, 회전 파이프(231)는 중공의 파이프로 이루어질 수 있다. 회전 파이프(231)는 틸팅 구동부(240)와 연결되어서 동력을 전달받아 회전될 수 있다.
틸팅 구동부(240)는 틸팅 모터(241), 틸팅 모터(241)에 의하여 회전되는 틸팅축(241a), 틸팅축(241a)에 연결된 제1 기어(242), 제1 기어(242)와 동력전달부재(243)로 연결되는 제2 기어(244)를 포함할 수 있다.
제2 기어(244)는 회전 파이프(231)에 연결되며, 회전 파이프(231)를 회전시킬 수 있다. 회전 파이프(231)이 회전되면 서브 로터(232)가 틸팅될 수 있다. 회전 파이프(231)의 회전 각도는 서브 로터(232)의 틸팅 각도를 결정할 수 있다.
회전 파이프(231)의 회전에 따라 서브 로터(232)는 바디부(210)의 전방을 향하도록 틸팅되거나, 바디부(210)에 수직한 회전축을 중심으로 회전할 수 있다. 서브 로터(232)는 전방 틸팅시 추진력을 발생하고, 바디부(210)에 수직한 상태에서 회전하면 양력을 발생할 수 있다.
제1 기어(242)와 제2 기어(244)는 타이밍 기어가 될 수 있고, 동력전달부재(243)는 타이밍 벨트가 될 수 있다.
회전 파이프(231)의 단부측에 구비되는 서브 로터(232)는, 날개 구동부(250)에 의해 회전될 수 있다.
날개 구동부(250)는 엔진(251), 엔진(251)과 연결되는 제1 풀리(253), 서브 로터(232)에 연결되는 제2 풀리(255), 일단부는 엔진(251) 또는 제1 풀리(253)에 연결되고 중앙부는 회전 파이프(231)의 내부를 관통하며 타단부는 제2 풀리(255) 또는 서브 로터(232)에 연결되는 서브 로터 벨트(254)를 포함할 수 있다.
서브 로터 벨트(254)의 장력 조절을 위하여 벨트를 누르는 텐셔너가 마련될 수 있다.
서브 로터(232)가 엔진(251)에 의하여 구동되면, 무거운 배터리를 장착하지 않아도 항속 거리 및 비행 시간을 늘일 수 있다. 엔진(251)은 알코올, 휘발유 등의 연료를 사용하여 화학 에너지를 기계 에너지로 변환하므로 추진 유니트(200)의 가벼운 중량에 불구하고 양력 및 추력이 증가될 수 있다. 전기식에 비하여 많은 장점을 가질 수 있다.
한쌍의 서브 로터(232)는 서로 반대 방향으로 회전될 수 있고, 한쌍의 서브 로터(232)의 토크를 상쇄시킬 수 있다.
바디부(210)에는 회전 파이프(231)가 회동될 수 있도록 하는 공간이 형성될 수 있다. 바디부(210)는 서로 이격된 2개의 플레이트로 구성될 수 있다.
바디부(210)의 내부에는 메인 로터부(220)와 틸팅 로터부(230)의 동작을 제어하는 제어기가 마련될 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 서브 로터(232)는 가변 피치가 이루어지도록 구성될 수 있다.
회전 파이프(231)의 일측에는 액츄에이터(260)가 마련되고, 액츄에이터(260)의 동력을 전달받아 움직이는 가변 피치 유니트(300)가 구비될 수 있다.
가변 피치 유니트(300)는 회전축(234)을 따라 승강되는 승강부재(310), 승강부재(310)의 상부에 구비되고 승강부재(310)의 승강에 따라 함께 승강되는 요동부재(320), 요동부재(320)의 상부에 구비되고, 요동부재(320)의 양측과 서브 로터(232)의 연결부(236)가 연결되는 브래킷(330), 승강부재(310)와 연결되고 액츄에이터(260)로부터 동력을 전달받아 회동하는 제1 링크(340)로 이루어질 수 있다.
제1 링크(340)는 힌지부(342)가 마련되어서 시소와 같이 움직이고, 제1 링크(340)의 일단부는 액츄에이터(260)와 연결되는 레버(262)와 연결되어서 레버(262)의 이동에 따라 제1 링크(340)는 힌지부(342)를 중심으로 회동될 수 있다.
요동부재(320)는 승강부재(310)에 의해 한쪽으로 기울어지게 승강되며, 연결부재(322)로 연결된 한쪽 브래킷(330)이 연결부(236)와 동시에 회동되면서 서브 로터(232)는 일측 방향으로 회전되면서 피치가 가변될 수 있다.
서브 로터(232)의 연결부(236)는 회전핀(237)으로 서브 로터(232)와 회전 가능하게 연결될 수 있고, 서브 로터(232)는 접혀질 수 있다.
회전시에는 한쌍의 서브 로터(232)는 회전핀(237)을 중심으로 일측 방향으로 회전되어서 소정의 각도로 펼쳐져서 회전하여 양력 및 추력을 발생시킬 수 있다. 펼쳐진 상태에서는 소정 각도 이상으로 더 펼쳐지지 않고 그 각도를 유지하고 회전될 수 있다.
액츄에이터(260)는 모터가 될 수 있고, 회동 레버(264)가 레버(262)와 연결되어서 액츄에이터(260)가 구동하면, 회동 레버(264)가 회전하고, 그에 따라 회동 레버(264)와 연결된 레버(262)는 일측 방향으로 이동될 수 있다. 물론, 액츄에이터(260)가 반대 방향으로 구동하면, 레버(262)는 상기 이동 방향과 반대 방향으로 이동할 수 있고, 그에 따라 가변 피치 유니트(300)의 승강부재(310)와 요동부재(320)가 승강되면서 서브 로터(232)의 가변 피치 동작이 이루어질 수 있다.
따라서, 가변 피치 유니트(300)에 의해 서브 로터(232)의 피치 각도를 변경(롤 방향으로의 회전)함으로써, 양력/추력의 비율과 방향이 조절될 수 있다.
승강부재(310)의 하부에는 관통공이 형성되는 지지부재가 마련되어서 승강부재(310)를 지지할 수 있고, 지지부재에는 회전축(234)이 연결되며, 하부에는 제2 풀리(255) 및 서브 로터 벨트(254)가 연결될 수 있다. 엔진(251)의 동력이 전달되어서 회전축(234) 및 제2 풀리(255)가 회전되어 서브 로터(232)의 회전이 이루어질 수 있다.
이륙시, 메인 로터(222)는 메인 모터(223)의 구동에 따라 회전하고, 회전 파이프(231)의 서브 로터(232)는 날개 구동부(250)에 의해 회전할 수 있다.
날개 구동부(250)에 마련된 엔진(251)의 가동으로 제1 풀리(253)가 회전하고, 제1 풀리(253)의 회전에 따라 서브 로터 벨트(254)도 구동될 수 있다. 서브 로터 벨트(254)는 회전 파이프(231)의 내부를 관통하여 제2 풀리(255)에 연결되며, 서브 로터 벨트(254)의 구동에 따라 제2 풀리(255)도 회전할 수 있다.
서브 로터 벨트(254)는 제1 풀리(253)와 제2 풀리(255)의 사이에서 순환 회전하면서 제1 풀리(253) 및 제2 풀리(255)가 동시에 회전될 수 있다.
제2 풀리(255)는 회전축(234)과 연결되어 있으므로, 제2 풀리(255)가 회전함에 따라 회전축(234)도 동시에 회전하고, 회전축(234)에 연결된 서브 로터(232)도 동시에 회전할 수 있다.
회전 파이프(231)는 바디부(210)의 양측에 동일한 구조로 마련될 수 있고, 이러한 한쌍의 회전 파이프(231)의 단부측에 마련된 서브 로터(232)는 서로 반대 방향으로 회전될 수 있다. 한쌍의 서브 로터(232)가 서로 반대 방향으로 회전됨으로써, 토크가 상쇄될 수 있다.
이륙시에는 추진 유니트(200)의 메인 로터(222)와 서브 로터(232)가 동시에 회전하고, 메인 로터(222)와 서브 로터(232)는 수직 방향으로의 양력을 발생시키므로, 이륙 하중을 쉽게 증가시킬 수 있다.
한편, 이륙 모드에서 수평 비행 모드로 전환하기 위해서 틸팅 로터부(230)는 수평 방향으로 전환하여 추력을 발생시킬 수 있다. 이륙후 비행을 위한 수평방향 모드로 전환하는데, 틸팅 로터부(230)의 서브 로터(232)의 틸팅 각도를 변경할 수 있다. 서브 로터(232)를 최초 위치에서 90도 전환한 위치로 변경하여 추력을 발생시킬 수 있다.
이를 위해서, 회전 파이프(231)가 회전되며, 틸팅 구동부(240)의 틸팅 모터(241)의 구동으로 제1 기어(242)가 회전하고, 동력전달부재(243)를 통해 제2 기어(244)가 회전하며, 제2 기어(244)는 회전 파이프(231)와 연결되므로, 제2 기어(244)의 회전에 따라 회전 파이프(231)도 회전할 수 있다.
회전 파이프(231)의 회전에 따라, 회전 파이프(231)의 단부측에 마련된 서브 로터(232)의 틸팅 각도가 변경될 수 있고, 추력을 발생시킬 수 있다.
수평 비행시, 메인 로터(222)는 서브 로터(232)와 함께 회전되거나, 서브 로터(232)만 엔진(251)에 의하여 회전하고 메인 로터(222)는 공기 저항을 줄이기 위하여 정지할 수 있다. 메인 모터(223)의 가동을 중지시켜서 메인 로터(222)의 회전을 멈춘 상태가 될 수 있다.
회전 파이프(231)는 서브 로터(232)를 틸팅시켜 추력을 발생시키고, 메인 로터부 지지대(221)는 서로간의 간격을 좁혀서 공기 저항을 대폭 줄일 수 있는 상태가 되므로, 비행시 공기 저항을 줄이고 추력을 양력보다 증가시켜 비행할 수 있다.
더욱이, 추진 유니트(200)가 비행 동체(100)에 부착된 경우, 고정익(110)에 의해 양력을 더 얻은 상태로 비행이 가능할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 브이톨 드론(10)은 비행 동체(100)에 추진 유니트(200)를 결합할 수 있고, 추진 유니트(200)의 메인 로터부(220)에 마련되는 메인 로터부 지지대(221)는 드론(10)의 이륙을 위한 양력 발생시 펼쳐지고, 이륙후 비행시에는 서로간의 간격을 좁혀서 공기 저항을 줄임으로써 공기 저항을 줄이고 추력이 향상될 수 있다.
10 : 브이톨 드론
100 : 비행 동체 110 : 고정익
120 : 후미 익편 200 : 추진 유니트
210 : 바디부 220 : 메인 로터부
221 : 메인 로터부 지지대 222 : 메인 로터
223 : 메인 모터 230 : 틸팅 로터부
231 : 회전 파이프 232 : 서브 로터
234 : 회전축 236 : 연결부
237 : 회전핀 240 : 틸팅 구동부
241 : 틸팅 모터 241a : 틸팅축
242 : 제1 기어 243 : 동력 전달부
244 : 제2 기어 250 : 날개 구동부
251 : 엔진 253 : 제1 풀리
254 : 서브 로터 벨트 255 : 제2 풀리
260 : 액츄에이터 262 : 레버
264 : 회동 레버 300 : 가변 피치 유니트
310 : 승강부재 ` 320 : 요동부재
330 : 브래킷 340 : 제1 링크
342 : 힌지부

Claims (5)

  1. 고정익을 갖는 비행 동체에 착탈 가능하게 결합되거나 비행 동체에 결합되지 않고 단독 비행할 수 있는 추진 유니트를 포함하고,
    상기 추진 유니트는,
    바디부,
    상기 바디부에 수직한 회전축을 중심으로 회전하며 상기 추진 유니트의 방향 제어를 수행하거나 상기 추진 유니트의 양력을 발생하는 메인 로터부,
    상기 바디부에 대하여 틸팅되는 틸팅 로터부를 포함하는 브이톨 드론.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 메인 로터부는 상기 바디부에 결합되는 메인 로터부 지지대, 상기 메인 로터부 지지대의 단부에 마련되는 메인 로터, 상기 메인 로터를 회전시키는 메인 모터를 포함하고,
    상기 메인 로터는 상기 바디부에 수직한 회전축을 중심으로 회전시 상기 추진 유니트의 양력을 발생하는 브이톨 드론.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 바디부에 대하여 틸팅되는 상기 틸팅 로터부는 상기 바디부에 대하여 회전되는 회전 파이프를 포함하고,
    상기 회전 파이프의 단부에는 서브 로터가 마련되며,
    상기 서브 로터는 상기 바디부에 대하여 틸팅된 상태에서 회전하면 추진력을 발생하고,
    상기 서브 로터의 틸팅은 상기 회전 파이프의 회전에 의하는 브이톨 드론.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 회전 파이프는 중공의 파이프로 이루어지고,
    상기 회전 파이프는 틸팅 구동부와 연결되어서 회전하며,
    상기 틸팅 구동부는 틸팅 모터, 상기 틸팅 모터에 의하여 회전되는 틸팅축, 상기 틸팅축에 연결된 제1 기어, 상기 제1 기어와 동력전달부재로 연결되는 제2 기어를 포함하고,
    상기 제2 기어는 상기 회전 파이프에 연결되며, 상기 회전 파이프를 회전시키고,
    상기 회전 파이프가 회전되면 상기 서브 로터가 틸팅되며,
    상기 회전 파이프의 회전 각도는 상기 서브 로터의 틸팅 각도를 결정하는 브이톨 드론.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 서브 로터는, 날개 구동부에 의해 회전되고,
    상기 날개 구동부는 엔진, 상기 엔진과 연결되는 제1 풀리, 상기 서브 로터에 연결되는 제2 풀리, 일단부는 상기 엔진 또는 상기 제1 풀리에 연결되고 중앙부는 상기 회전 파이프의 내부를 관통하며, 타단부는 상기 제2 풀리 또는 상기 서브 로터에 연결되는 서브 로터 벨트를 포함하는 브이톨 드론.
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