KR20220120267A - 비대칭형 덕티드 팬을 구비하는 비행체 - Google Patents

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Abstract

일 실시 예에 따른 비행체는, 동체; 및 상기 동체에 설치되고, 상기 동체의 전후 방향을 기준으로 상기 동체의 전방부에 인접한 내주면 부분이 상기 동체의 후방부에 인접한 내주면 부분보다 중심을 향하여 돌출 형성되는 덕트를 구비하는 비대칭형 덕티드 팬을 포함할 수 있다.

Description

비대칭형 덕티드 팬을 구비하는 비행체{AIRCRAFT WITH ASYMMETRIC DUCTED FAN}
이하의 설명은 비대칭형 덕티드 팬을 구비하는 비행체에 관한 것이다.
덕티드 팬은 회전하는 날개 주위를 덕트로 둘러싼 형태에서 추력을 발생시키는 장치로서, 외부의 별도의 장치가 없는 회전익(open rotor)과 비교했을때 동일 추력을 발생시키는데 필요한 동력이 낮은 장점이 존재하기 때문에, 추력장치의 경량화, 소형화에 유리하며, 이에 따라 무인기, 초소형 무인기, 개인용 항공기 등에 적용되어 왔다.
덕티드 팬은 제자리비행시 성능향상에 기여하고 외부 유동에 의한 간섭을 막아주는 장점을 가지고 있지만, 전진 비행 시에는 항력을 크게 증가시키는 단점이 존재하였다.
이를 보완하기 위해 전진비행 시에는 덕트를 틸트시켜서 덕트추력방향이 비행방향과 일치하도록 하거나, 덕트 상하에 커버 혹은 베인을 장착하여 전진 비행시 덕티드팬을 통과하는 유동을 조절하여 항력을 저감시키는 방법이 사용되어 왔지만, 이러한 장치들은 복잡하고 추가적인 중량과 공간을 차지하기 때문에, 덕티드팬 형상 자체로 항력을 저감시킬 방법이 필요한 실정이다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은 비대칭형 덕티드 팬을 구비하는 비행체를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 비행체는, 동체; 및 상기 동체에 설치되고, 상기 동체의 전후 방향을 기준으로 상기 동체의 전방부에 인접한 내주면 부분이 상기 동체의 후방부에 인접한 내주면 부분보다 중심을 향하여 돌출 형성되는 덕트를 구비하는 비대칭형 덕티드 팬을 포함할 수 있다.
상기 비대칭형 덕티드 팬은, 상기 덕트의 중앙에 설치되는 로터; 및 상기 로터의 둘레를 따라서 설치되는 복수개의 블레이드를 더 포함하고, 상기 덕트는, 상기 동체의 상측으로 연통하는 상측 개구로부터 상기 동체의 전방부에 인접한 내주면 부분이 하측으로 갈수록 상기 로터를 향해 돌출 형성되는 전방 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 전방 돌출부는, 상기 동체의 하측으로 연통하는 하측 개구로부터 상기 동체의 전방부에 인접한 내주면 부분이 상측으로 갈수록 상기 로터를 향해 돌출 형성될 수 있다.
상기 전방 돌출부는, 상기 동체의 전후 방향을 기준으로, 상기 전방 돌출부는 상기 복수개의 블레이드와 마주보는 지점에서 돌출되는 길이가 최대일 수 있다.
상기 동체의 전후 방향에 수직한 상하 방향을 기준으로, 상기 복수개의 블레이드가 상기 로터에 설치되어 있는 위치는 상측으로 편향되어 있을 수 있다.
상기 동체의 전방부에 인접한 상기 상측 개구의 지점을 기준으로, 상기 전방 돌출부가 최대로 돌출되는 지점까지의 상하 방향의 길이와, 상기 전방 돌출부의 최대 돌출 길이는 아래의 수학식을 통해 결정될 수 있다.
(수학식)
Figure pat00001
(여기서, DF: 전방 돌출부의 최대 돌출 거리, HF: 상측 개구로부터 전방 돌출부까지의 수직 거리, V: 전진 비행 속도, ρ: 공기 밀도, T:덕티드 팬이 형성해야 하는 추력, aω: 로터면 유속 대비 출구 유속의 비율, A: 로터 블레이드 면적)
일 실시 예의 비대칭형 덕티드 팬을 구비하는 비행체에 의하면, 덕트 형상만을 비대칭형으로 변경하더라도 비행시 발생하는 양력 대비 항력의 비율(L/D Ratio, Lift to Drag Ratio)을 50% 이상 증가시킬 수 있는 효과를 달성할 수 있다.
일 실시 예에 따른 비대칭형 덕티드 팬에 의하면, 로터의 하측에서 유동이 박리됨에 따라 유동이 로터의 하측 개구를 통해 보다 잘 배출되도록 하여 양력 대비 항력의 비율을 효과적으로 증가시킬 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 비대칭형 덕티드 팬을 구비하는 비행체의 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 비대칭형 덕티드 팬을 구비하는 비행체의 측 단면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 비대칭형 덕티드 팬을 구비하는 비행체가 전진 비행시 덕트 주위의 와류 강도를 수치해석적 방법으로 가시화한 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 비대칭형 덕티드 팬을 구비하는 비행체의 전방 돌출부의 돌출 거리 및 수직 거리 사이의 비율의 변화에 따른 양력 대비 항력의 비율을 수치해석적 방법적으로 기록한 그래프이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 비대칭형 덕티드 팬을 구비하는 비행체의 사시도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 비대칭형 덕티드 팬을 구비하는 비행체의 측 단면도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 비대칭형 덕티드 팬을 구비하는 비행체가 전진 비행시 덕트 주위의 와류 강도를 수치해석적 방법으로 가시화한 도면이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 비대칭형 덕티드 팬을 구비하는 비행체의 전방 돌출부의 돌출 거리 및 수직 거리 사이의 비율의 변화에 따른 양력 대비 항력의 비율을 수치해석적 방법적으로 기록한 그래프이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 비행체(1)는 동체(11)와 동체(11)에 설치된 덕티드 팬(12)을 포함할 수 있다.
동체(11)는 비행 방향을 기준으로 전방부(111)와 후방부(112)를 포함할 수 있고, 전방부(111)와 후방부(112) 사이에 덕티드 팬(12)이 설치될 수 있다.
예를 들어, 동체(11)는 전후 방향을 따라서 유선형의 몸체 형상을 가질 수 있다.
덕티드 팬(12)은 동체(11)의 전방부(111)와 후방부(112) 사이에 설치되어 비행체(1)의 비행에 필요한 추력을 형성할 수 있다.
예를 들어, 덕티드 팬(12)은 동체(11)를 전후 방향에 수직한 상하 방향으로 관통하는 덕트(123)와, 덕트(123)의 중앙에 설치되어 회전 구동하는 로터(121)와, 로터(121)의 둘레를 따라서 설치되는 복수개의 블레이드(122)를 포함할 수 있다.
덕트(123)는, 동체(11)의 전후 방향에 수직한 방향으로 관통 형성된 통로로서, 비행시 외부 공기가 유입 및 배출되는 경로를 형성할 수 있다.
로터(121)는, 덕트(123)의 중앙부분에 고정적으로 설치되어 복수개의 블레이드(122)를 회전시킬 수 있다.
복수개의 블레이드(122)는, 로터(121)의 회전 방향에 대해 소정의 받음 각도를 가지도록 설치되어, 로터(121)의 회전 구동에 따라 비행에 필요한 추력을 형성할 수 있다.
동체(11)의 전진 비행 방향을 기준으로, 즉 전후 방향을 기준으로 덕트(123)의 내부 통로 구조는 비대칭적 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 덕트(123)는 동체(11)의 상하 방향을 따라서 원형의 단면을 갖는 내부 통로를 형성할 수 있다. 여기서, 원형이란, 반드시 정원 또는 타원으로 제한되는 것은 아님을 밝혀 둔다.
예를 들어, 덕트(123)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 동체(11)의 전방(예: 도면을 기준으로 좌측)에 인접한 내부 통로의 부분이 후방(예: 도면을 기준으로 우측)으로 돌출 형성됨에 따라서, 덕트(123) 중앙에 설치된 로터(121)의 회전 축을 기준으로 전후 방향으로 비대칭적인 통로 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 덕트(123)는 동체(11)의 상측으로 노출되는 상측 개구(1231)와, 동체(11)의 하측으로 노출되는 하측 개구(1232)와, 덕트(123)의 내부 통로 중 동체(11)의 전방 부분에 인접한 내주면의 적어도 일부분이 덕트(123)의 중심(예: 로터(121))으로 돌출 형성되는 전방 돌출부(1233)를 포함할 수 있다.
이상의 구조에 의하면, 덕트(123)는 동체(11)의 전후 방향을 기준으로 동체(11)의 전방부에 인접한 내주면 부분이 동체의 후방부(112)에 인접한 내주면 부분보다 중심(예: 로터(121))을 향하여 보다 가까이 위치하도록 돌출 형성되는 비대칭적인 통로 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 동체(11)의 상측으로 연통하는 상측 개구(1231)로부터 동체의 전방부(111)에 인접한 내주면 부분이 하측으로 갈수록 로터(121)를 향해 곡면을 이루며 돌출되어 전방 돌출부(1233)로 연결될 수 있다.
마찬가지로, 덕트(123)의 전방 부분 중, 덕트(123)의 하측 개구(1232)로부터 전방 돌출부(1233)로 연결되는 부분은 상측으로 갈수록 곡면을 이루며 돌출 형성될 수 있다.
예를 들어, 상측 개구(1231)와 하측 개구(1232)의 형상은, 로터(121)의 회전축을 기준으로 동일한 반경을 갖는 동심원일 수 있다. 예를 들어, 상측 개구(1231)는 공기가 유입되는 입구일 수 있고, 하측 개구(1232)는 공기가 배출되는 출구일 수 있다.
예를 들어, 동체(11)의 전후 방향을 기준으로, 전방 돌출부(1233)는 복수개의 블레이드(122)와 마주보는 지점에서 로터(121)를 향해 돌출되는 거리가 최대일 수 있다.
예를 들어, 동체(11)의 전후 방향에 수직한 상하 방향을 기준으로, 복수개의 블레이드(122)가 로터(121)에 설치되어 있는 위치는 상대적으로 상측으로 편향되어 있을 수 있다.
동체(11)의 전방부(111)에 인접한 상측 개구(1231)의 지점을 기준으로, 전방 돌출부(1233)가 최대로 돌출되는 지점까지의 상하 방향의 거리(HF)와, 전방 돌출부(1233)의 최대 돌출 거리(DF)는 아래의 수학식 1을 만족하는 조건에서 결정될 수 있다.
Figure pat00002
(여기서, DF: 전방 돌출부의 최대 돌출 거리, HF: 상측 개구로부터 전방 돌출부까지의 수직 거리, V: 전진 비행 속도, ρ: 공기 밀도, T: 덕티드 팬이 형성해야 하는 추력, aω: 로터면 유속 대비 출구 유속의 비율, A: 로터 블레이드 면적)
예를 들어, 실제 덕티드 팬(12)에서의 유동변화와 로터 형상에 따라 전방 돌출부(1233)의 최대 돌출 거리(DF)의 최적의 값은 유동적일 수 있기 때문에, 전방 돌출부(1233)의 최대 돌출 거리(DF)는 이상의 수학식 1을 통해 계산된 최대 돌출 거리(DF) 값의 ± 20% 범위 내에서 결정될 수 있다.
도 3은 비행체(1)의 전진 비행시 덕트(123) 주위의 와류 강도를 수치해석적 방법으로 가시화한 도면으로서, 여기서 비행체(1)의 전방 돌출부(1233)의 최대 돌출 거리(DF) 및 수직 거리(HF) 사이의 비율은 0.975이다.
일 실시 예에 따른 비대칭형 덕티드 팬(12)을 구비하는 비행체(1)에 의하면, 덕트 형상만을 비대칭형으로 변경하더라도 비행시 발생하는 양력 대비 항력의 비율(L/D Ratio, Lift to Drag Ratio)을 50% 이상 증가시킬 수 있는 효과를 달성할 수 있다.
도 3을 통해 확인할 수 있듯이, 일 실시 예에 따른 비대칭형 덕티드 팬(12)에 의하면, 로터(121)의 하측에서 유동이 박리됨에 따라 유동이 로터(121)의 하측 개구(1232)를 통해 보다 잘 배출되도록 하여 양력 대비 항력의 비율을 효과적으로 증가시킬 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (6)

  1. 동체; 및
    상기 동체에 설치되고, 상기 동체의 전후 방향을 기준으로 상기 동체의 전방부에 인접한 내주면 부분이 상기 동체의 후방부에 인접한 내주면 부분보다 중심을 향하여 돌출 형성되는 덕트를 구비하는 비대칭형 덕티드 팬을 포함하는 비행체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비대칭형 덕티드 팬은,
    상기 덕트의 중앙에 설치되는 로터; 및
    상기 로터의 둘레를 따라서 설치되는 복수개의 블레이드를 더 포함하고,
    상기 덕트는, 상기 동체의 상측으로 연통하는 상측 개구로부터 상기 동체의 전방부에 인접한 내주면 부분이 하측으로 갈수록 상기 로터를 향해 돌출 형성되는 전방 돌출부를 포함하는 비행체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전방 돌출부는,
    상기 동체의 하측으로 연통하는 하측 개구로부터 상기 동체의 전방부에 인접한 내주면 부분이 상측으로 갈수록 상기 로터를 향해 돌출 형성되는 비행체.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전방 돌출부는,
    상기 동체의 전후 방향을 기준으로, 상기 전방 돌출부는 상기 복수개의 블레이드와 마주보는 지점에서 돌출되는 길이가 최대인 것을 특징으로 하는 비행체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 동체의 전후 방향에 수직한 상하 방향을 기준으로, 상기 복수개의 블레이드가 상기 로터에 설치되어 있는 위치는 상측으로 편향되어 있는 것을 특징으로 하는 비행체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 동체의 전방부에 인접한 상기 상측 개구의 지점을 기준으로, 상기 전방 돌출부가 최대로 돌출되는 지점까지의 상하 방향의 길이와, 상기 전방 돌출부의 최대 돌출 길이는 아래의 수학식을 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 비행체.
    (수학식)
    Figure pat00003

    (여기서, DF: 전방 돌출부의 최대 돌출 거리, HF: 상측 개구로부터 전방 돌출부까지의 수직 거리, V: 전진 비행 속도, ρ: 공기 밀도, T:덕티드 팬이 형성해야 하는 추력, aω: 로터면 유속 대비 출구 유속의 비율, A: 로터 블레이드 면적)
KR1020210024137A 2021-02-23 2021-02-23 비대칭형 덕티드 팬을 구비하는 비행체 KR102526692B1 (ko)

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