KR20230163324A

KR20230163324A - 가변형 주익을 구비하여 수직이착륙이 가능한 글라이더 드론

Info

Publication number: KR20230163324A
Application number: KR1020230159363A
Authority: KR
Inventors: 김재현; 최재혁; 진성우
Original assignee: 김재현; 최재혁; 진성우
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2023-11-16
Publication date: 2023-11-30
Also published as: KR20220108309A

Abstract

본 발명은 가변형 주익을 구비하여 수직이착륙이 가능한 글라이더 드론에 관한 것이다.
본 발명은 수직이착륙을 하기 위해 주익(20)에 구비되는 프로펠러(660)를 수직 방향으로 회전시키고, 이륙된 동체(10)가 전방 비행을 할 수 있도록 프로펠러(660)를 수평 방향으로 회전시키는 제1 로터(600)와; 상기 제1 로터(600)에 연결되어 회전하며 프로펠러(660)를 구동시키는 제2 로터(640)와; 수직 이륙 시 이륙 항력을 최소화시키기 위해 접혀지고, 이륙 후 고도 상승 및 전방 비행을 위해 인출되는 주익(20)의 보조날개(220)와; 상기 보조날개(220)를 인출시키기 위해 구동되는 제1 액츄에이터(700) 및 랜딩기어(60)를 동체(10)에 밀착 및 인출시키는 제2 액츄에이터(800)를 포함하여 수직이착륙과 장시간 비행이 가능하게 되는 것이다.

Description

가변형 주익을 구비하여 수직이착륙이 가능한 글라이더 드론{A glider drone capable of vertical take-off and landing with a variable main wing}

본 발명은 수직 이착륙이 가능한 드론에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 열섬현상의 상승기류 및 자연현상의 리프트 기법을 이용하면서, 주익을 접고 펼수 있는 가변형으로 구성하고, 고정익 드론과 회전익 드론의 장점을 모두 구비하여 수직 이착륙과 장시간 체공, 그리고 빠른 비행이 가능하도록 가변형 주익을 구비하여 수직이착륙이 가능한 글라이더 드론에 관한 것이다.

드론(drone)은 조종사가 비행체에 직접 탑승하지 않고, 지상에서 원격조종(Remote piloted), 사전 프로그램된 경로에 따라 자동(auto-piloted) 또는 반자동(Semi-auto-piloted)형식으로 자율비행하거나 인공지능을 탑재하여 자체 환경판단에 따라 임무를 수행하는 비행체와 지상통제장비(GCS: Ground Control Station/System) 및 통신장비(Data link) 지원장비(Support Equipments) 등의 전체 시스템을 통칭하는 것으로, 공기역학적 힘에 의해 부양하여 자율적으로 또는 원격조종으로 비행을 하며, 화물운반이나 고도촬영 등과 같이 데이터를 획득할 수 있도록 일회용 또는 재사용할 수 있는 동력 비행체를 말한다.

이러한 드론은 날개의 구조에 따라 고정익 방식과 회전익 방식이 있다.

고정익 방식은 날개가 달린 일반적인 비행기의 형태로 되는 것으로, 장시간 비행이 가능하고 속도가 빠른 장점이 있다. 그러나 이착륙을 하기 위해서는 활주로나 충분한 공간이 필요하고, 사람이 접근하기 어려운 지형에서는 임무를 수행할 수 없으며, 호버링(hovering)이나 자유롭게 방향을 바꾸기 어려운 단점이 있다.

회전익 방식은 헬리콥터와 같이 프로펠러를 구비하는 형태로 고정익과는 달리 수직 이착륙은 물론이고 호버링이 가능해 어디서나 운영할 수 있지만 연료 소모가 커 장시간 비행이 어렵고 속도가 느린 단점이 있다.

일반적으로 비행체는 날개의 면적이 클수록 고도상승 시 저항이 크고, 날개가 길수록 날개가 받는 하중이 커진다. 따라서 수직으로 비행할 때 짧은 날개가 유리하다.

수직 상승할 때, 날개 면적이 작을수록 더 빠르고 안정적이다. 이는 헬리곱터와 같은 회전익은 날개가 작고, 일반 비행기와 같은 고정익은 날개가 큰 이유이기도 하다.

비행체를 상승시키는 기법에는 서멀 리프트(Thermal lift), 릿지 리프트(Ridge lift), 워이브 리프트(Wave lift)가 있다,

서멀 리프트(Thermal lift)는 기압 차이로 인해 발생하는 기류를 타고 상승하는 기법이고, 릿지 리프트(Ridge lift)는 산, 구조물 등의 경사를 타고 올라오는 기류를 타고 상승하는 기법이며, 웨이브 리프트(Wave lift)는 산, 구조물 등을 타고 튕겨올라오는 기류를 타고 상승하는 기법이다.

또한, 도시에서 발생한 인공열이 갇혀 온도가 상승하는 열섬현상으로 인해 대류가 발생한다.

KR 10-1883196 B1 (2018. 07. 24.) KR 10-2018-0116849 A (2018. 10. 26.) KR 10-2010964 B1 (2019. 08. 08.)

일반적으로 고도가 높아지면 공기 밀도가 상대적으로 낮아지게 되어 프로펠로로 계속 비행하려면 많은 동력을 필요로 한다. 또한 글라이더는 이착륙을 위해 활주로를 필요로 하므로 산간지역이나 도심에서 사용할 수 없는 제약이 따른다.

본 발명은 상기한 열섬현상과 3가지 리프트 기법을 적용하여, 자연현상에서 발생하는 기류를 적극적으로 이용할 수 있는 방법에 대해 연구한 결과, 비행체에 헬리곱터의 회전익과 글라이더 방식의 고정익을 결합하여 헬리곱터 방식으로 수직 이착륙이 가능하게 하면서, 리프트 기법이나 열섬효과를 이용하면 글라이더의 고도를 상승시켜 비행체의 효율성을 증가시킬 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하게 되었다.

이와 같은 본 발명의 목적은 고정익과 회전익 방식의 장점만을 취합하여 적당한 고도까지 프로펠러를 이용하여 수직 이륙하고, 그 다음에는 상승기류를 이용하여 효율을 높일 수 있도록 하며, 수직 이륙 시 긴 주익의 공기저항으로 동체가 불안정하게 되는 문제점을 해결하기 위해 수직 이륙 시 주익을 가변시켜 면적을 줄임으로써 수직 이륙 양력을 위한 공기저항을 감소시킬 수 있게 되어 산간지역이나 도심에서 효율적으로 사용할 수 있는 글라이더 드론을 제공하고자 한다.

본 발명이 이루고자 하는 목적 및 그 기술적 과제는 앞서 기재한 기술적 과제에 한정되는 것이 아니다. 따라서 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명이 의도하는 목적을 달성하기 위한 기술적인 특징은 열섬현상의 기류와 자연현상의 비행 동체를 상승시키는 서멀 리프트(Thermal lift), 릿지 리프트(Ridge lift) 및 웨이브 리프트(Wave lift) 기법을 이용하며, 동체(10)의 좌우측 전방에 주익과 프로펠러가 구비되고, 상기 동체의 후방의 수평꼬리날개와 수직꼬리날개 및 이착륙을 위한 랜딩기어가 구비되는 글라이더 드론에 있어서, 수직이착륙을 하기 위해 주익에 구비되는 프로펠러를 수직 방향으로 회전시키고, 이륙된 동체가 상승 및 전방 비행을 할 수 있도록 프로펠러를 임의의 각도와 수평 방향으로 회전시키는 제1 로터와, 상기 제1 로터와 구동로드로 연결되어 회전하며 프로펠러를 구동시키는 제2 로터를 포함하고, 상기 주익은 제1 액츄에이터에 의해 접혀지고, 인출되는 보조날개가 형성되어, 수직 이륙 시 수직 이륙 항력을 최소화시키기 위해 상기 제1 액츄에이터가 보조날개를 접고, 이륙 후 전방 비행시 보조날개를 인출시키게 되며, 상기 랜딩기어는 제2 액츄에이터에 의해 이륙 시 동체 측으로 밀착되고, 착륙 시 인출되어 비행항력을 감소시키게 되며, 상기 보조날개는 인출된 상태에서 동력없이 활공 가능하게 되는 것을 특징으로 하는 것이다.

이와 같은 본 발명의 글라이더 드론은 통상적인 글라이더 드론이 활주로를 이용한 비행을 하면서 주익을 통해 양력을 얻어 이륙하게 되는 것과 달리 수직 이착륙 시 상기 제1 액츄에이터가 주익을 접고, 상기 제1 로터는 제2 로터와 프로펠러를 수직 방향으로 회전시키게 되며, 이륙 후에는 상기 제1 액츄에이터가 접혀진 주익을 인출하여 펼치고, 상기 제1 로터는 제2 로터와 프로펠러를 수평 방향으로 회전시켜서 전방 비행을 할 수 있게 되는 것이다

본 발명은 주익으로부터 보조날개가 은폐 및 인출되는 가변형 주익에 의해 적은 동력으로 수직 이륙이 가능하게 되며, 펼쳐진 보조날개에 의해 동력없이 활공 가능하며, 글라이더형 동체의 빠른 비행 기동력과 장시간 체공 능력으로 조난자 발견, 구호물 운반, 산불조기발견 등의 임무를 효율적으로 수행할 수 있게 된다

도 1은 본 발명에 따른 가변형 주익을 구비하여 수직이착륙이 가능한 글라이더 드론을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 가변형 주익을 구비하여 수직이착륙이 가능한 글라이더 드론의 보조날개가 주익에 은폐된 상태를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 가변형 주익을 구비하여 수직이착륙이 가능한 글라이더 드론의 보조날개가 분리된 상태를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 가변형 주익을 구비하여 수직이착륙이 가능한 글라이더 드론의 수직이착륙 상태를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 가변형 주익을 구비하여 수직이착륙이 가능한 글라이더 드론의 전방 비행 상태를 나타낸 도면.

본 발명의 특징과 장점은 첨부된 도면에 의하여 설명되는 실시예에 의하여 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열에 의해 본 발명의 응용이 제한되는 것이 아니다. 본 발명은 다른 실시예 들로 구현될 수 있고, 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또한 장치 또는 요소의 방향 등과 같은 용어들에 관하여 실시예에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되며, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다. 예를 들면, "제1", "제2"와 같은 용어가 본 발명을 설명하는 실시예와 청구항에 사용되는데, 이러한 용어가 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.

또한 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 발명자가 발명의 용어와 개념을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념에 입각하여 기재한 것으로 해석하여야 한다.

따라서 본 발명은 제시되는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위에 기재된 기술사상의 균등한 범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능하다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예 들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

다음에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 가변형 주익을 구비하여 수직이착륙이 가능한 글라이더 드론을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 가변형 주익을 구비하여 수직이착륙이 가능한 글라이더 드론의 보조날개가 주익에 은폐된 상태를 나타내는 도면이다.

도 1 및 도 2에 따르면, 본 발명의 글라이더 드론은 통상적인 고정익 비행체의 구조와 같이 동체(10), 주익(20), 수평꼬리날개(30) 및 수직꼬리날개(40)로 구성되면서, 상기 수평꼬리날개(30)는 승강타(300)가 형성되며, 상기 수직꼬리날개(40)는 방향타(400)가 형성된다.

통상적인 글라이더 드론이 활주로를 이용한 비행을 통해 양력을 얻어 이착륙하게 되는 것과 달리 본 발명의 글라이더 드론은 수직이착륙이 가능하게 구성된다.

수직이착륙을 가능하게 하기 위해 주익(20)의 전방에 프로펠러(660)가 설치된다.

상기 프로펠러(660)는 수직 방향과 수평 방향으로 전환시키는 전환수단에 의해 방향 전환이 가능하게 구성된다.

상기 전환수단은 동체(10) 내에 설치되는 제1 로터(600)와, 상기 제1 로터의 출력 동력을 전달하는 구동로드(620)로 구성된다.

제1 로터(600)는 감속기구를 구비하여 출력축에 구동로드(620)가 연결되며, 구동로드(620)를 대략 90° 범위 내에서 회전시킬 수 있게 된다.

구동로드(620)는 동체(10) 내부에서 주익(20)의 전방 측에서 양측의 주익(20)과 나란하게 외부로 인출되어 그 단부에 제2 로터(640)가 고정된다.

제2 로터(640)는 프로펠러(660)가 고정되어 프로펠러(660)를 구동시킬 수 있게 되고, 구동로드(620)의 단부에 고정되어 구동로드(620)의 동력으로 수직 및 수평 방향으로 회전하게 된다.

주익(20)은 가변형으로 구성되며, 주익(20)으로부터 가변되는 보조날개(220)가 형성된다.

도 3은 본 발명에 따른 가변형 주익을 구비하여 수직이착륙이 가능한 글라이더 드론의 보조날개가 분리된 상태를 나타내는 도면이다.

도 3에 따르면, 보조날개(220)는 동체(10)에 형성되는 주익(20)의 단부에 슬라이딩 가능하게 설치되어 제1 액츄에이터(700)에 의해 은폐 및 인출 가능하게 된다.

제1 액츄에이터(700)는 왕복 구동 가능한 것으로, 주익(20) 내부에 설치되며, 피스톤로드(720)가 보조날개(220)에 고정된다.

이에 따라, 제1 액츄에이터(700)가 구동하면 피스톤로드(720)에 고정된 보조날개(220)가 주익(20) 내부로 은폐되고, 또한 외부로 인출될 수 있게 된다.

상기 제1 액츄에이터(700)가 양측의 주익(20)에 형성되며, 보조날개(220) 또한 양측의 주익(20)에 은폐 및 인출 가능하게 형성되는 것임은 물론이다.

그리고, 랜딩기어(60)는 동체(10) 내에 설치되는 제2 액츄에이터(800)에 의해 동체(10) 측으로 밀착되거나 인출될 수 있게 된다.

상기 제2 액츄에이터(800)는 유압, 또는 공압을 이용하는 현수장치를 이용하여 구성 가능하며, 이러한 유공압 현수장치의 구성은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 사람에 의해 자명하게 실시 가능하므로 구체적인 설명은 생략한다.

위와 같이 구성되는 본 발명은 수직이착륙이 가능하게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 가변형 주익을 구비하여 수직이착륙이 가능한 글라이더 드론의 수직이착륙 상태를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 가변형 주익을 구비하여 수직이착륙이 가능한 글라이더 드론의 전방 비행 상태를 나타낸 도면이다.

도 4 및 도 5에 따르면, 수직 이륙 시에는 제1 액츄에이터(700)에 의해 보조날개(220)가 주익(20) 내부에 은폐되어 수직 이륙 시 이륙 항력을 최소화시킬 수 있게 되고, 제1 로터(600)에 의해 제2 로터(640)는 수직 방향에 위치하여 프로펠러(660)가 상측을 향하고 있다.

이와 같은 상태에서 제2 로터(640)가 구동하면 프로펠러(660)가 회전하면서 수직 이륙 양력이 발생하여 동체(10)가 이륙하게 된다. 이때, 보조날개(220)가 주익(20) 내부로 접혀져서 수직 이륙 항력에 대한 주익의 공기저항 면적이 감소됨으로써 적은 동력으로 신속하게 수직 이륙할 수 있게 된다.

또한, 동체(10)의 착륙 시에는 랜딩기어(60)가 도 5의 ‘A’위치와 같이 동체(10)로부터 인출되어 착지된 상태에서, 이륙 시 제2 액츄에이터(800)에 의해 가상선‘B’와 같이 동체(10) 측에 밀착되어 수직상승 항력을 감소시키며, 전방 비행시 양력을 향상시킬 수 있게 된다.

그리고 일정 고도에 도달하면, 제1 액츄에이터(700)가 구동하여 주익(20)에서 보조날개(220)가 인출되고, 제1 로터(600)가 제2 로터(640)를 일정 각도로 경사지게 하거나 수평 방향으로 회전시키게 되면, 빠른 속도로 상승 하강 및 전방 비행이 가능하게 된다.

10: 동체 20: 주익
30: 수평꼬리날개 40: 수직꼬리날개
60: 랜딩기어
220: 보조날개 300: 승강타
400: 방향타 600: 제1 로터
620: 구동로드 640: 제2 로터
660: 프로펠러 700: 제1 액츄에이터
720: 피스톤로드 800: 제2 액츄에이터

Claims

열섬현상의 기류와 자연현상의 비행 동체를 상승시키는 서멀 리프트(Thermal lift), 릿지 리프트(Ridge lift) 및 웨이브 리프트(Wave lift) 기법을 이용하며, 동체(10)의 좌우측 전방에 주익(20)과 프로펠러(660)가 구비되고, 상기 동체(10)의 후방의 수평꼬리날개(30)와 수직꼬리날개(40) 및 이착륙을 위한 랜딩기어(60)가 구비되는 글라이더 드론에 있어서,
수직이착륙을 하기 위해 주익(20)에 구비되는 프로펠러(660)를 수직 방향으로 회전시키거나, 이륙된 동체(10)가 상승 및 전방 비행을 할 수 있도록 프로펠러(660)를 임의의 각도로 회전시키는 제1 로터(600)와;
상기 제1 로터(600)와 구동로드(620)로 연결되어 회전하며 프로펠러(660)를 구동시키는 제2 로터(640);
를 포함하고,
상기 주익(20)은,
제1 액츄에이터(700)에 의해 접혀지고, 인출되는 보조날개(220)가 형성되어, 수직 이륙 시 수직 이륙 항력을 최소화시키기 위해 상기 제1 액츄에이터(700)가 보조날개(220)를 접고, 이륙 후 전방 비행시 보조날개(220)를 인출시키게 되며,
상기 랜딩기어(60)는,
제2 액츄에이터(800)에 의해 이륙 시 동체(10) 측으로 밀착되어 공기저항계수를 감소시키고, 착륙 시 인출되어 착륙 안성을 향상시키도록 구성되며,
상기 보조날개(220)는,
인출된 상태에서 동력 없이 활공 가능하도록 구성되고,
상기 보조날개(220)는,
상기 제1 액츄에이터(700)에 의해 피스톤 운동되도록 구성되는 피스톤로드(720)에 연결되도록 구성되어 상기 피스톤로드(720)에 의해 상기 주익(20)의 내부로 인입되거나 상기 주익(20)의 외부로 인출 가능하도록 구성됨으로써, 수직 이륙 시 제1 액츄에이터(700)에 의해 주익(20)의 내부로 인입되어 이륙 항력을 최소화시키도록 구성되며, 지상에서의 인입 및 인출이 가능하여 상기 보조날개(220), 제1 액츄에이터(700) 및 피스톤로드(720)에 대한 점검이 가능하도록 구성되고,
상기 제1 로터(600)는,
감속기구를 구비하여 상기 구동로드(620)를 90° 범위 내에서 회전시키도록 구성되며,
상기 피스톤로드(720)는,
상기 주익(20)의 전방 측에만 설치되어 상기 보조날개(220)를 인입 및 인출시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가변형 주익을 구비하여 수직이착륙이 가능한 글라이더 드론.