KR20240077881A - 수륙양용 전기 차량 - Google Patents

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KR20240077881A
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이종수
이정택
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Abstract

본 발명은 자연의 법칙 중 뉴톤의 운동의 3법칙과 알키메데스의 부력의 원리를 병합하여 새로운 승력(昇力: Elevancy)에 의한 운동의 3법칙을 근간으로 하여 개발된 신 개념의 수륙양용 전기차량으로서 지면과 수면을 지체없이 자유롭게 오가면서 지면의 고속도로에서의 주행속도와 대등한 빠른 속도로서 수면 상을 달릴 수 있으며, 풍랑의 거친 파도에서도 파도 뚫기(Wave Piercing) 모드로서 지속적인 운항이 가능하고, 더욱이, 해당 차량이 전복 시에도 자기 복원(Self Righting) 기능이 있으면서도 언제라도 수중 출발을 할 수 있으므로 불철주야 악천후에서도 기동성을 유지하고 있음으로 해서, 지구온난화에 따른 지구 환경 변화에도 불구하고 친환경의 전기 동력만으로 수륙양용의 교통수단으로서 제 역할을 담당할 수 있는 수륙양용 전기차량에 관한 것이다.

Description

수륙양용 전기차량{Amphibious Electric Vehicle}
본 발명은 지면과 수면을 지체없이 자유롭게 오가면서 지면의 고속도로에서의 주행속도와 대등한 빠른 속도로서 수면 상을 달릴 수 있으며, 풍랑의 거친 파도에서도 파도 뚫기(Wave Piercing) 모드로서 지속적인 운항이 가능하고, 더욱이, 해당 차량이 전복 시에도 자기 복원(Self Righting) 기능이 있으면서도 언제라도 수중 출발(Start-Up in the water)을 할 수 있으므로 불철주야 악천후에서도 기동성을 유지하고 있음으로 해서, 지구 온난화에 따른 지구 환경 변화에도 불구하고 친환경의 전기동력만으로 수륙양용의 교통수단으로서 제 역할을 담당할 수 있는 수륙양용 전기차량에 관한 것이다.
트랙의 수륙양용 차량은 2차대전에 앞서 개발되었으며 수륙양용 돌격 차량으로 해안과 내륙을 오가면서 임무를 수행한다. "Duck" 으로 불리우는 수륙양용 휠차량도 역시 2차 대전 중에 개발되었다. 상기 차량들은 보통 수중에서는 트랙과 타이어 대신에 프로펠러를 사용했으므로 매우 느려서 수중속도는 16 kmh 이하였다. 20세기 말에서도 수중속도가 16 kmh 이상을 낼 수 있는 작전용 군용 차량은 없었다. 한편, 고무 트랙을 가진 스노우모빌이 지난 25년 이상 고속으로 물위를 달리는 정도였다. 그러나, 스노우모빌은 플래닝속도 이하로 낮출 수가 없었다. 그렇게 하면 물속으로 빠질 수 밖에 없으며, 따라서, 물에서는 속도를 늦추거나 출발 및 정지도 할 수 없다.
근래에 들어서, 미국과 해외에서 여러 가지의 다양한 실험적인 수륙양용 자동차들이 보다 빠른 수상 속도를 달성해왔다. 이들은 타이어를 접고, 타이어 아래로 보드를 펼쳐내고 추진을 위해서 프로펠러 또는 워터제트를 사용했다. 여기에서 다시 이들은 복잡성을 추가할 수 밖에 없었다. 왜냐하면 타이어 구동 방식과 워터 제트의 이중 추진 시스템을 적용했기 때문이다. 물론 타이어로서는 깊은 진창, 눈속, 모래, 빙판과 우거진 수풀에서 구동되는 트랙의 전 지형 기동 능력도 제공하지 못한다.
상기와 같은 기존의 수륙 양용 차량의 느린 수중속도와 근래의 수륙양용 자동차들의 이중의 추진 기구를 적용해야만 하는 복잡성을 내재해야만 하는 것에 반해, 본 발명은 자연의 법칙 중 뉴톤의 운동의 3법칙과 알키메데스의 부력의 원리를 병합하여 새로운 승력(昇力: Elevation Force)에 의한 운동의 3법칙을 근간으로 하여 개발된 신개념의 수륙양용 전기차량으로서 지면과 수면을 지체없이 자유롭게 오가면서 지면의 고속도로에서의 주행속도와 대등한 빠른 속도로서 수면 상을 달릴 수 있으며, 풍랑의 거친 파도에서도 파도 뚫기(Wave Piercing) 모드로서 지속적인 운항이 가능하고, 더욱이, 해당 차량이 전복 시에도 자기 복원(Self-Righting) 기능이 있으면서도 언제라도 수중 출발을 할 수 있으므로 불철주야 악천후에서도 복원성과 기동성을 유지하고 있음으로 해서, 지구 온난화에 따른 지구 환경 변화에도 불구하고 친환경의 전기동력만으로 수륙양용의 고속 교통수단으로서 제 역할을 담당할 수 있는 수륙양용 전기차량이다.
이제 본 발명의 신개념의 승력에 의한 운동의 3 법칙의 기술적 배경으로서 수륙양용 차량이 지면 및 수면에서의 고속주행을 할 수 있기 위한 뉴톤의 운동의 제3법칙에서의 반작용이 정적, 동적 및 관성 부력에 따른 것임을 알키메데스의 부력의 원리의 재 발견으로서 이론적 근거와 증명을 기술하기로 한다.
본 발명의 정적 부력의 재 발견
정적 부력 : 알키메데스의 부력의 원리는 임의의 물체가 물속에 잠기거나 일부만 잠김 깊이 "d" 에 해당 물체의 질량(에: 상응하는 배제된 수량의 부력)이 해당 물체를 받치게 된다고 정의하고 있다. 즉,
증명 : 가상일의 원리에서 임의의 물체의 질량에 상당하는 물의 가상체적을 "ΔV" 라 하고 해당 물체가 접촉하고 있는 수면적의 넓이를 "A" 라고 하고, 그때의 물체 밑면의 임의의 평균 깊이를 "y" 라 하면,
우선, 해당 물체의 물속의 잠긴 부분을 수면상으로 들어 올려 놓고, 자유 물체도(Free Body Diagram)를 고려하여 뉴톤의 운동의 제3법칙을 적용하면 수면상의 해당 물체의 무게에 해당되는 물의 체적에 따른 부력(알키메데스의 원리)이 작용하여 해당 물체를 받치고 있어야만 한다.
이를 확인하기 위해서는 해당 물체 "m" 가 자중 "mg" 으로 인하여 임의의 깊이 "Δy" 의 물속으로 내려 앉을 수 밖에 없다.
이러한 경우, 힘의 평형(원래의 위치)을 확인하기 위해서 가상일 "ΔW" 의 원리를 활용하고저 한다.
이 경우의 물의 가상 체적 내의 압력 "p v " (에너지 밀도)은 상기 가상일 "ΔW을 가상 체적 " ΔV "으로 나누어 구할 수 있다.
상기 가상체적 내에서의 균일한 압력이 분포됨을 알 수 있으나, 일반적으로 물속에서의 압력의 변화는 중력에 의해 수심의 깊이 " d "에 비례하므로 상기 압력을 구해보면 아래와 같다.
결론적으로 해당 물체의 자중과 해당 물체가 차지한 체적의 물의 무게가 힘" F"의 평형임을 입증하였다.
본 발명의 관성 부력의 정의 :
상기와 같이 알키메데스의 정적 부력의 원리가 임의의 물체가 수중에 잠겨서 힘의 평형 상태로 있다고 하면, 해당 물체를 받치고 있는 배제된 물의 질량(질량 보존의 법칙)의 가상 체적 내의 에너지 밀도 즉 압력은 균일하게 분포하고, 수면과 접촉하고 있는 해당 물체의 평균 밑면적을 곱한 크기로 해당 물체의 중량과의 힘의 평형을 이루고 있음을 입증하였으므로, 이제 수면 상을 이동하는 물체(예를 들어, 스노우모빌: 미국 특허 US Pat No, 8,002,596 B2 참조)의 힘의 평형의 역학 관계를 살펴 보고저 한다.
"해당 발명인 트랙 수륙양용 차량은 지면에서는 물론 수면상에서 고속으로 추진하기 위해 트랙을 사용한다.
이와 같은 트랙이 이중 추진 시스템으로 이루어진 차량의 복잡성, 중량 및 관리의 어려움을 제거할 수 있는 이점이 있다. 수면 상을 고속(시간 당 80 마일)으로 달리는 스노우모빌이 입증하듯이 트랙에 의한 추진은 수상 이동에 있어서 아주 효과적이다."
이제 수면상을 달리는 물체(스노우모빌)의 경우에 대한 기술적 배경을 다음과 같이 해석할 수 있다. 이 경우는 수면에서의 저항(드래그)을 무시하면 뉴톤의 운동의 제1법칙인 관성의 법칙을 적용할 수 있으며, 이 때 해당 물제가 소모하는 전체 기계적 에너지 "E T " 는 지구상의 등위면(Equi-Potential Surface)을 이동하므로 일정 속도(예 v = 80mph) 에 의한 운동에너지()를 필요로 한다.
앞서 알키메데스의 정적 부력의 원리에서와 같이 해당 물체가 접촉하고 있는 수면 아래에 해당 물체의 질량과 동일한 물량의 가상체적 "ΔV" 이 있음을 가정한다. 그러면, 에너지 보존의 법칙에 의해 수상 이동 물체의 전체 에너지 "" 가 해당 체적으로 보존되므로 이 경우의 해당 체적 내의 에너지 밀도 즉 압력" p v " 은 다음과 같이 표현될 수 있다.
상기 식의 물리적 의미는 해당 가상의 체적()내에 균일한 동압이 존재하여 수면상의 이동 물체 " m" 을 지속적으로 받치고 있음을 의미한다.
관성 부력(Inertial Buoyancy) : 기존의 알키메데스의 부력의 원리에는 정적 부력만을 언급하였으나 뉴톤의 운동의 제3법칙과 중력장에서의 제 2법칙에 따르면 작용 및 반작용과 물체의 자기 위치에서의 힘의 평형을 만족하여야만 수면 상을 임계속도 이상으로 평행 이동하는 물체의 모든 물리적 조건에 합치한다고 볼 수 있다.
증명 : 수면 상을 이동하는 물체의 임계 속도와 해당 속도에서 물체의 중량을 관성 부력()이 받치고 있음을 입증하기 위해서 간단한 정산을 진행하기로 한다.
결론 : 임의의 물체가 수면 상을 이동하기 위해서는 관성 부력이 생성되기 위한 조건(상기의 임계속도 "v" )을 만족시켜야 한다.
본 발명의 동적 부력의 입증:
이제 임의의 물체 "m" 이 지면에서 출발하여 임계속도 이상으로 수면상으로 진입 시, 지속적으로 수면 상을 이동할 수 있는가를 판가름할 수 있는 물리적 조건을 검토하기로 한다. 우선, 이와 같은 자연 현상이 발생할 수 있는 수제비 효과(Stone Skipping Effect)에 대해서 간단히 설명하면,
수면을 향하여 동글 납작한 자갈을 수면을 향하여 던지면 여러 번 튀어 오르다(기네스기록에 의하면 88번)가 최종 바운스에서 해당 자갈이 수면상에서 잠시 정체하다가 물속으로 가라앉는 현상을 목격할 수 있다. 즉, 최종 바운스에서 일어나는 자연 현상을 물리적(질량, 운동량 및 에너지 보존의 법칙 등)으로 입증할 수 있으면 임의의 물체의 수상 이동은 실제 상황(중력장 내에서 일어나는 일상의 현상)으로 간주할 수 있다.
우선 임의의 물체(질량 "m" ,수면과의 접촉 면적 "A" 가 수면(Equi-Potential Surface)으로부터 임의의 높이 "h" 에서 자유낙하 후, 수면과의 접촉 시 순간 "Δt" 의 정체시간을 둔 후 물속으로 가라 앉기 직전까지의 상황을 물리적으로 설명하면 자유낙하 물체의 질량에 상응하는 물의 가상의 체적()에서 생성되는 동적 부력(Dynamic Buoyancy)이 해당 물체를 순간의 정체(Δt)동안 유지됨을 확인할 수 있다.
동적 부력(Dynamic Buoyancy) :
임의의 물체가 자유낙하(h) 후 수면상에서 순간 "Δt" 의 정체하기 위한 물리적 조건은 수면상에서 해당 순간 동안 힘의 평형 상태를 유지해야 하므로 이를 규명하기 위해서는 뉴톤의 운동의 제 2법칙을 아래와 같이 적용해야 한다.
상기 식에서 힘 "F" 는 해당 물체의 중량" mg" 에 임의의 배수를 가질 수 있으므로, 이에 대해 임의의 무차원수 "L N " 을 도입하여 아래와 같이 정의할 수 있다.
해당 물체의 수면에서의 정체는 뉴톤 역학의 운동의 제 3법칙을 적용하면 L N = 1.0의 경우에 해당하므로, 이때의 정체 시간은 다음과 같이 구할 수 있다.
여기서 흥미로운 사실은 해당 물체의 자유낙하() 시간" Δt F "과 정체 시간" Δt S "이 동일하다는 것이다.
상기와 같은 사실은 운동량 보존의 법칙으로 설명될 수 있다.
앞서의 관성 부력에서는 수면과의 수평속도와 자유낙하 속도에서의 방향의 차이는 있지만 두 경우 모두 전 기계적 에너지가 운동에너지에 국한한다는 점에서는 동일하다.
증명 : 수면상으로 자유낙하 하는 물체가 수면상에서 정체할 수 있는 임계 속도인 해당 속도에서 물체의 중량을 동적 부력(Dynamic Buoyancy)이 받치고 있음을 입증하기 위해서는 관성 부력에서의 경우와 대등한 정산(임계 속도 " v ")에 의해 일정의 자유낙하 높이를 갖도록 해야 한다.
결론 : 임의의 물체가 수면상으로 자유낙하 하여 순간의 정체 시간을 갖기 위해서는 자유낙하 초기 위치" h "와 동적 부력의 생성 체적의 수심" d "이 동일해야만 한다.
본 발명의 동적 부력의 실질적인 예로서 적정 높이( "h" 지면 또는 데크)에서의 수면상으로의 진입 :
수면과 지면의 고도의 차이가 없을 경우는 지면 출발 시, 관성부력이 생성되는 임계속도 "v" 이상으로 수면에 진입하면, 수면 위를 거침없이 달릴 수 있고, 해당 고도의 차이가 있을 경우, 동적부력의 생성에 필요한 임계속도로서 수면 위에 안착(동적 부력의 반력)하면 순간의 정체기를 벗어나 관성부력의 지원 하에 순탄한 수면 운항을 달성할 수 있다.
이제, 임의의 물체가 수면 상/중에 있기 위해서는기본적으로 알키메데스의 정적 부력의 원리가 해당 물체의 중량과 동등한 배제된 물량의 체적 내에 해당 물체를 받칠 수 있는 균일한 정압(에너지 밀도)을 가져야 하며, 이를 뉴톤의 운동의 제 3법칙에 따르면, "해당 물체의 밑면적에 해당 정압의 곱이 바로 해당 물체의 중량에 해당하는 반력이 작용한다" 라고 정의할 수 있다.
또한, 이러한 정의에 기반하여 "물위를 향햐여 자유낙하 또는 일정 속도로 해당 수면 상을 달리는 물체를 받쳐주는 반력은 동적 부력(Dynamic Buoyancy)과 관성 부력(Inertial Buoyancy)으로 정의" 될 수 있다.
상기와 같이 알키메데스의 부력의 원리와 뉴톤의 운동의 법칙에 근거하여 유체 상에서 이동하는 임의의 물체를 받쳐주는 힘(정적, 동적 및 관성 부력)을 "승력(昇力; Elevation Force)" 이라 새로이 정의한다.
이제 임의의 물체가 일정의 임계속도 이상으로 수상 이동 시, 해당 물체를 수면 하에서 받쳐주고 있는 힘을 "승력" 이라고 정의하였으므로 이를 바탕으로 본 발명인 수륙양용 전기차량의 발명의 상세를 설명하고자 한다.
KR 10-1769761호 US Pat. No. 8,002,596 B2
[발명의 내용]
본 발명은 수륙양용 전기차량에 관한 것으로서 전기 모터로서 구동 및 제어되는 트랙의 트랙션에 의해 수면 및 지면 상을 고속으로 주행하는 친환경 및 에너지 절약형 차량에 관한 것이다.
[해결하고자 하는 과제]
기존의 수륙양용 차량들이 지면 상을 이동하는 데에 사용되는 추진 방안(타이어 또는 트랙)과 수중 유영 또는 수면 상의 활주를 위한 별도의 추진기구(스크류 또는 워터 제트)를 위한 이중의 추진기관을 적용함으로서 고출력의 수요에 부응하기 위해 화석 연료를 주로 사용해서 자연 환경을 해칠 뿐만아니라 지상과 수상을 교호하는 데에 지체의 시간 및 수중/면 상의 주행 속도에 제약이 따를 수 밖에 없었다.
또한, 기후 변화에 따른 폭우와 거친 파고 시에는 기동의 제약이 따를 수 밖에 없었다.
또 다른 제약 사항은 수중/면 이동 시에 전복의 사고가 발생 시에는 구조 이외의 대처 방안을 강구할 수 없었다.
특히, 출발 면(지면 또는 데크)과 도착 수면 사이의 약간의 고도의 차이가 있을 경우에는 수륙 양용의 기동성을 전혀 발휘할 수 없었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 수륙양용의 필수 요건으로서 지/수면을 교호하는데 있어서 지체없는이송 방안과 동일 동력(밧데리 동력 개별 모터 구동 방식)에 의한 유일 추진기관으로 지면과 수면의 고도의 차이가 있을 경우나 또는 수송 선박의 데크로부터의 출발 시에도 임계속도 이상으로 수면에 착수하여 감속과 같은 저항없이 순조롭게 지속적인 운항을 하며, 해상 이동 시, 긴급 상황으로 삼각 파도나 외부의 충격으로 전복 시에도 자기 복원(Self-Righting) 능력으로 정립하여 수중 출발을 개시함에 있어 트랙션의 효율을 레이놀즈 지수(Re = 2,500 ~ 40,000)에 따른 경계층(Boundary Layer)폭, 높이와 간격을 정한 하이 트래드 트랙(High Thread Track)으로 수면 여행을 계속할 수 있으며, 기후 변화에 따른 폭우 또는 높은 파고 시에도 파도 뚫기(Wave Piercing) 모드로 수상 주행을 지속할 수 있는 21세기의 친환경의 수륙양용 전기차량을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명인 수륙양용 전기 차량은 지/수면을 지체없이 교호하고, 지면의 고속도로에서의 주행속도와 대등한 수면 속도를 내기 위해서는 지/수면에서의 동일한 트랙션을 유지해야만 하는데, 이것은 뉴톤의 운동의 제 3법칙에 따른 반력 즉, 지면에서와 대등하게 수면에서도 고속주행을 위해 수중에서의 관성 부력이 수면과의 접촉면(전 트랙의 밑 면적)에 미치는 동적 압력(Dynamic Pressure)에 의한 승력이 생성될 수 있도록 임계속도 이상으로 주행할 수 있어야만 한다. 이를 위해서는 지/수면에서 대등한 트랙션을 갖는 단일 트랙만으로 해당 트랙션을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 수면에서 주행 도중, 감속 또는 정지 시, 단순한 수중 출발로서 수면으로 부상하여 수면을 달릴 수 있는 임계속도 이상으로 가속하여 수면 상을 계속하여 고속 주행하기 위한 수중에서의 출발 트랙션을 발휘할 수 있도록 트랙션의 효율을 레이놀즈지수(Re = 2,500 ~ 40,000)에 따른 경계층(Boundary Layer)폭, 높이와 간격을 정한 하이 트레드 트랙(High Tread Track)을 적용한 것을 특징으로 한다.
더욱이, 본 발명이 수면 이동 시, 악천후에 따른 폭우 및 높은 파고에서도 허용 동력의 범주 내에서 감속의 한계인 임계속도 이상으로 수면 속도를 유지하면서 파도 뚫기(Wave Piercing)로 수면 주행을 지속할 수 있도록 파고의 저항 등에도 불구하고 선도 주행의 안정성을 위해서 압력의 중심점보다 중력의 중심점이 선수 쪽으로 위치되도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 악 천후 하에 수면 주행 시, 삼각 파도나 또는 정지 시 외부의 충격으로 전복될 경우에도 자기 복원 능력으로 정립하여 수중 출발 함으로서 외부의 도움 없이도 수면 여행을 계속할 수 있도록 차량의 무게 중심이 부력의 중심보다도 낮은 곳에 위치되도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 지/수면의 고도 차이가 있거나 수송 선박의 데크로부터 출발 시에도, 가속하여 임계속도 이상으로 수면에 진입하면 본 발명의 수면과의 접촉 면적(전 트랙의 밑면적)으로 반력인 동적 압력에 의한 동적 부력(Dynamic Buoyancy)의 도움과 하이 트래드 트랙의 트랙션에 의한 임계속도 이상으로 계속 진행 시, 승력으로 생성되는 관성부력(Inertial Buoyancy)으로 인하여 순탄한 수면 고속 주행하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 수륙양용 전기 차량은 단일 트랙 만으로 지/수면을 고속으로 주행할 수 있으므로 항시, 뉴톤의 운동의 제 3법칙에 따른 반력 즉, 고속 주행에 따라 생성된 동적 압력(Dynamic Pressure)이 수면과의 접촉면적(전 트랙의 밑 면적)에 미치는 승력에 의해 지면의 고속도로에서의 주행속도와 대등한 고속의 수면 속도로 달릴 수 있는 수륙양용 고속 주행 효과가 있다.
더불어, 본 발명은 지면에서 수면으로 진입 시, 단일 전기동력에 유일 트랙에 의한 구동으로 동적 부력에 해당하는 승력으로 임계속도에 도달하는 트랙션을 유지함으로서 수륙양용 차량의 핵심 요건인 지/수면을 여하한 지체 없이 순탄하게 교호(Seamless Transfer)하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 지/수면에서의 대등한 트랙션을 발휘할 수 있도록 트랙션의 효율을 레이놀즈지수(Re = 2,500 ~ 40,000)에 따른 경계층(Boundary Layer)폭, 높이와 간격을 정한 하이 트레드 트랙(High Tread Track)을 적용함으로서 수면에서 주행 도중, 감속 또는 정지 시, 단순한 수중 출발로서 수면으로 부상하여 임계속도 이상으로 가속하여 수면 상을 계속하여 고속 주행할 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 수면 이동 시, 악천후에 따른 폭우 및 높은 파고에서도 허용 동력의 범주 내에서 고속 주행을 함으로서 감속의 한계인 임계속도 이상으로 수면 속도를 유지하는 파도 뚫기(Wave Piercing)로 수면 주행을 지속할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 악 천후 하에 수면 주행 시, 삼각 파도나 또는 정지 시 외부의 충격으로 전복될 경우에도 차량의 무게 중심이 부력의 중심보다도 낮은 곳에 위치하고 있기 ‹š문예 자기 복원(Self-Righting) 능력으로 정립하여 수중 출발 함으로서 외부의 도움 없이도 고속 수면 여행을 계속할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 지/수면의 고도 차이가 있거나 수송 선박의 데크로부터 출발 시에도, 가속하여 임계속도 이상으로 수면에 안착 시, 본 발명의 수면과의 접축면적(전 트랙의 밑 면적) 아래에서 반력인 동적부력의 도움과 관성부력의 받침으로 수면 고속 이동을 계속할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명인 수륙양용 전기차량이 군함조(Frigatebird)와 더불어 수면 상을 고속 주행하는 상태도
도 2는 본 발명인 수륙양용 전기차량의 전체 사시도
도 3은 본 발명인 수륙양용 전기차량의 트랙과 타이어와 구동 모터 및 동력 전달 기구의 단면 배치도
도 4는 본 발명인 수륙양용 전기차량의 하이 트레드 트랙 및 선미측 추가 부력 보드를 보여주는 측면 사시도
도 5는 본 발명인 수륙양용 전기차량의 전면 사시도
도 6은 본 발명인 수륙양용 전기차량의 후측사시도
도 7은 본 발명인 수륙양용 전기차량이 수중/면 이동 시 무게 중심(Center of Gravity)이 압력의 중심(Center of Pressure)보다 전방에 위치한 것을 제시한 안정성 개념도
도 8은 본 발명인 수륙양용 전기차량의 전복 시, 무게 중심(Center of Weight)이 부력의 중심(Center of Buoyuancy)보다 아래에 위치한 것을 보여주는 자기 복원 능력(Self-Righting Capability) 개념도
도 9는 본 발명인 수륙양용 전기차량이 전복 시, 자기 복원력으로 정립되는 복원 개념도
도 10은 본 발명인 수륙양용 전기차량이 파도 뚫기(Wave Piercing)모드로 높은 파고의 파도를 헤쳐 나가는 현상도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명인 수륙양용 전기차량 100 이 해상을 120 Km/hr로 나르는 군함조(Frigate Bird)와 더불어 해면을 고속으로 달리는 모습을 보여주고 있다. 상기와 같이 일정 속도를 유지하면서 수면으로 달릴 수 있다고 하는 것은 수면 하의 관성 부력이 반력인 승력으로 작용하고 있으면서, 차량의 주행 안정성을 보장하는 것이다.
도 2는 본 발명인 수륙양용 전기차량 100 의 수중 안정성을 보여주는 것으로 임계속도 이하로 이동하거나 정지 시, 해당 차량의 수면과의 경계를 전륜 조향 및 후륜 구동 트랙 20(A,B) 및 30(A,B)) 내의 타이어들의 중심 면 이하에 위치되도록 요구되는 정적 부력의 체적을 확보하기 위해서 차량 선수에 노즈 다운 방지구 10과 차량의 좌우 양측에 선도 플롯 가드 40(A,B) 및 후속 플롯 가드 50(A,B)와 선미에 리어 플롯 보드 60으로서 정적 부력에 의한 해당 차량의 수중 안정성을 보장토록 하였으며, 수면에서 지면에서와 동일한 트랙션과 수중 출발 시의 초기 추진력을 위하여 전/후 트랙 20(A,B) 30(A,B)의 외주면에 트랙션의 효율을 감안한 레이놀즈 지수(Re = 2,500 ~ 40,000)에 따른 경계층(Boundary Layer)폭, 높이와 간격을 정한 일련의 하이 트래드 24, 35를 부설하였다. 특히, 상기 노즈 다운 방지구 10은 밀려오는 파도 후에 선수의 수평 안정성을 유지하는 기능을 갖도록 하였으며, 선미의 리어 플롯 보드 60은 역시 밀려오는 파도에 선수가 위로 기우는 정도를 제어 해주기도 하지만 수면 주행 시 또는 정지 시에 후방으로의 소통을 위한 발판으로 사용 할 수 있도록 하였으며, 위치 추적 레이더 70과 안테나 80 으로서 항시 교신이 가능하도록 하였다.
도 3은 본 발명인 수륙양용 전기 차량이 6인승으로 대표 승객석으로 좌석 90을 도시하고 있으며, 차량의 총 길이는 전방의 노즈 다운 방지구 10으로부터 후방의 리어 플롯 보드 60에 미치고 있으며, 해당 차량의 구동을 위해서 후륜 구동 트랙 30(A,B) 내의 타이어 31(A,B)에 전륜 모터 구동 시스템 101을 연동시켰으며, 타이어 34(A,B)에 후륜 모터 구동 시스템 102와 더불어 본 발명인 수륙양용 전기차량 100 의 지/수면의 기동성을 부여하도록 하였으며, 전륜 조향 트랙 20(A,B)의 양측 타이어 21, 22 및 23(A,B)에 일련의 브레이크 25를 내설하여 감속 및 정지와 조향 기능을 담당하도록 하였다.
도 4는 본 발명 100 의 측면 사시도로서 전륜 조향트랙 20(A,B)와 후륜 구동 트랙 30(A,B)의 외주면에 돌기 상의 일련의 하이 트래드 24 및 35를 도시하고 있으며, 본 발명의 수중 안전성을 담당한 선수의 노즈 다운 방지구 10 과 선도 플롯 가드 40(A,B) 및 후속 플롯 가드 50(A,B)의 크기와 규모를 도시하고 있으며, 선미의 리어 플롯 보드 60의 발판 보드 63의 연장된 길이와 해당 리어 풀롯 보드 60의 인출을 담당한 공압 시린더 61(A,B)의 사용 용도의 범위를 나타내고 있으며, 승객의 출입을 담당하는 윙 타입의 도어 51과 전/후 도어 핸들 52와 53을 보여주고 있으며, 해당 차량의 캡상에 GPS 위치 레이더 70과 차고의 한계인 안테나 80을 표시하고 있다.
도 5는 본 벌명인 수륙양용 전기 차량 100 의 전면 사시도로서, 특히, 선수의 노즈 다운 방지구 10의 형상과 체적을 에측할 수 있도록 하였으며, 차량 캡 상부의 위치 레이더 70을 포함한 해당 사시도를 보여 주고 있다.
도 6는 본 발명인 수륙양용 전기차량 100 의 후면 사시도로서 리어 플롯 보드 60에서 플롯 보드 63의 최저 위치와 해당 보드의 인출을 담당한 공압 시린더 61(A,B)의 사용 범위를 시각적으로 보여주고 있다.
도 7은 본 발명의 수중/면 이동 시, 차량의 수평 안정성을 위해 중력의 중심(Center of Gravity)이 압력의 충심(Center of Pressure)보다 전방에 위치하게 한 개념도이고, 도 8은 본 발명이 수면에서 전복 시, 원 위치로 정립하는데 필수적인 중력의 중심(Center of Gravity)이 부력의 중심(Center of Buoyancy) 차량의 아래쪽에 위치해야만 하는 자기 복원 능력(Self-Righting Capability)을 제시한 개념도이다.
도 9는 본 발명인 수륙양용 전기차량이 여하한 상황 하에서 수면으로부터 전복되더라도 자기복원 능력(Self-Rightoing Capability)으로 수면에서 완전 전복된 상태에서 정립하기 까지의 위치 변화의 단계 "가,나,다,라,마" 를 시각적으로 제시한 자기 복원 개념도이다.
도 10은 본 발명인 수륙양용 전기 차량 100 이 기후 변화에 따른 악천후 속에 풍랑에 의한 높은 파고의 삼각 파도를 접했을 때, 가속하여 보다 고속으로 삼각 파도의 정면으로 돌진하여 파도 뚫기(Wave Piercing) 모드로서 수면 이동의 수면 속도 한계인 임계속도 이상으로 감속된 상태로 중력 등위면인 수면 주행을 계속하는 활성 개념도이다.
이제, 본 발명인 수륙양용 전기차량 100 의 실질적인 실시예로서 새로이 정의된 승력의 이론에 따른 물리적인 설계를 진행하기로 한다.
우선, 본 발명인 수륙양용 전기차량 100 의 중량을 5,000 kg으로 제정하고, 수면 주행 임계속도를 22.5 km/hr로 선정하면, 아래와 같은 스펙이 결정된다.
상기 스펙을 기준으로 설계된 수륙양용 전기차량의 기동 및 운용에 대해 언급하면, 지면 출발 시, 수면과의 고도차의 유무에 관계없이 임계속도 22.5(km/hr) 이상으로 수면으로 진입하게 되면 지체없이 가속하여 최고의 속도인 120(km/hr)으로 순항할 수 있으며, 기후 변화로 인한 악천후로 높은 파고를 만났을 경우도 파도 뚫기(Wave Piercing)로 파도를 통과 시, 대략 35%의 감속 후, 재차 가속하여 그 다음 파도를 지나치는 과정으로 지속적인 운항이 가능하다. 또한, 여하한 사고로 차량의 전복 시에도 자기복원 능력(Self-Righting Capability)을 보유하고 있으므로 정립하여 수중 출발을 할 수 있으므로 독자적인 장거리 수면 운항이 가능하고, 수중 출발 시에 해당 차량의 기본 부력과 무게 중심이 압력의 중심보다도 전방에 위치하고 있음으로 해서 안정적으로 수면으로 부상하여 임계속도 이상으로 가속할 수 있는 충분한 트랙션으로 최고의 속도로 수면 주행을 계속 할 수 있다.
상기와 같이 본 발명인 수륙양용 전기차량은 지/수면을 지체없이 교호하면서 지면 상의 고속도로에서와 같은 수면 속도를 유지 및 운항하는데 있어 전기 동력만으로 운용 가능한 친환경과 승력에 의한 신 개념의 수륙양용 교통수단으로 탄생하였다.
100 : 수륙양용 전기차량 10: 노즈다운(Nose Down) 방지구
20(A,B): 전방 조향 트랙 30(A,B): 후방 구동 트랙
24, 35 : 하이 트래드(High Thread) 40 : 선도 플롯 가드(Front Float Guard)
50 : 후속 플롯 가드(Back Float Guard) 60 : 리어 플롯 보드(Rear Float Board)
101 : 전륜 모터 구동 시스템 102 : 후륜모터 구동 시스템
참고: (A,B)는 좌우 한쌍을 표시한 것이다.

Claims (11)

  1. 지/수면을 교호하는 수륙양용 차량에 있어서,
    지/수면을 대등한 트랙션으로 고속 주행을 위한 단일 전,후방 트랙 20(A,B)와 30(A,B) ;
    수중 출발을 위해 전, 후방 트랙의 외주면에 부가된 일련의 하이 트래드 24, 35;
    해당 차량의 중량을 받쳐주는 승력(정적, 동적 및 관성 부력)의 생성을 위해 수면과의 소요 접촉 면적으로 차량 양측에 배열 된 해당 트랙 내의 3개의 전륜 타이어 21,22,23(A,B)와 4개의 후륜 타이어 31,32,33,34(A,B);
    수중에서 정지 시, 초기 정적 부력을 갖도록 트랙 내의 타이어 중심선 아래로 수면(Water Surface)이 위치토록 한 선수로부터 노즈다운 방지구 10와 선미에 리어 플롯 보드 60;
    그리고 더불어서 차량 양편으로 설치 된 선도 플롯 가드 40(A, B)와 후속 플롯 가드 50(A,B);
    해당 차량의 기동을 위해 후륜구동 트랙 30(A,B) 내의 양측 타이어 31과 34에 전륜 모터 구동 시스템 101과 후륜모터 구동 시스템 102 ;
    상기와 같이 전/후륜 모터 구동 시스템을 연동시켜서 지/수면을 지체없이 교호하는 것을 특징으로 하는 수륙양용 전기차량
  2. 제 1항에 있어서,
    전방 트랙 20(A,B) 내의 양측 타이어 21, 22 및 23(A,B)에는 브레이크 장치 25를 각각 설치하여 감속 및 정지와 조향을 담당하도록 하였으며, 후방 트랙 30(A,B) 내의 양측 타이어 31 및 34(A,B) 에는 모터 구동 시스템으로 연동하여 소요 트랙션 및 차량 속도를 조절하도록 하였고, 양 내측 타이어 32 및 34는 아이들링하여 동력 수요를 절감토록 한 것을 특징으로 하는 수륙양용 전기차량.
  3. 제 1항에 있어서,
    단일 전,후방 트랙 20(A,B)와 30(A,B)의 외 주면에 부설 된 일련의 하이 트래드 24, 35의 트랙션의 효율을 레이놀즈지수(Re = 2,500 ~ 40,000)에 따른 경계층(Boundary Layer)폭, 높이와 간격을 정하여, 수중 및 수면에서의 트랙션을 향상시킨 수륙양용 전기차량.
  4. 제 1항에 있어서,
    단일 전,후방 트랙 20(A,B)와 30(A,B)내의 3개의 전륜 타이어 21,22 및 23(A,B)와 4개의 후륜타이어 31,32,33 및 34(A,B)를 차량 양쪽에 설치함에 있어서, 차량의 기저 부력을 향상시키기 위해 각 타이어의 공압체적을 최대화 하고, 광폭 타이어를 채용함으로서 트랙의 수면과의 접촉 면적을 극대화하여 기동성과 반력인 승력의 생성으로 낮은 임계속도에서도 차량의 중량을 받쳐주도록 한 겻을 특징으로 하는 수륙양용 전기차량.
  5. 제 1항에 있어서,
    본 발명이 수면에서 정지 시, 또는 신속한 수중 출발을 할 경우, 초기 정적 부력 및 안정성을 위해 단일 트랙 내의 타이어 중심선 아래로 수면(Water Surface)이 위치하도록 충분한 체적을 보유한 선수로 부터 노즈다운 방지구 10와 선미에 리어 플롯 보드 60 그리고 더불어서 차량 양편으로 설치 된 선도 플롯 가드 40(A, B)와 후속 플롯 가드 50(A,B)를 특징으로 하는 수륙양용 전기차량.
  6. 제 1 항에 있어서,
    본 발명의 기동을 위해 후륜구동 트랙 30(A,B) 내의 양측 타이어 31과 34에만 전륜 모터 구동 시스템 101과 후륜모터 구동 시스템 102를 연동시킴으로서 해당 트랙의 트랙션 효율을 높이면서 소요 동력에너지를 절감한 것을 특징으로 하는 수륙양용 전기차량.
  7. 제 3항에 있어서
    하이 트래이드로 구성된 단일 트랙 만으로 지/수면을 고속 주행에 따라 생성된 동적 압력(Dynamic Pressure)이 수면과의 접촉면적(전 트랙의 밑 면적)에 미치는 승력에 의해 지면의 고속도로에서의 주행속도와 대등한 고속의 수면 속도로 달릴 수 있는 겻을 특징으로 하는 수륙양용 전기차량.
  8. 제 3항에 있어서,
    하이 트레이드로 구성된 단일 트랙 만으로 수면 이동 시, 악천후에 따른 폭우 및 높은 파고에서도 허용 동력의 범주 내에서 고속 주행을 함으로서 감속의 한계인 임계속도 이상으로 수면 속도를 유지하는 파도 뚫기(Wave Piercing)로 수면 주행을 지속할 수 있는 것을 특징으로 하는 수륙양용 전기차량.
  9. 제 5 항에 있어서,
    본 발명이 수중에서 기동 시, 밀려오는 파도를 가르면서도 후속으로 발생하는 노즈 다운 현상을 방지함으로서 해당 시스템의 안정성을 부여하는 노즈 다운 방지구 10을 특징으로 하는 수륙양용 전기차량.
  10. 제 5항에 있어서,
    본 발명이 수중에서 기동 시, 밀려오는 파도에 의해 선수의 상승 폭을 제어하는 기능을 가지면서, 정지 시나 기동 시에도 차량 내부와 외부와의 소통의 발판으로 리어 플롯 보드 60을 제공하는 것을 특징으로 하는 수륙양용 전기차량.
  11. 본 발명은 악 천후 하에 수면 주행 시,
    삼각 파도나 또는 정지 시 외부의 충격으로 전복될 경우에도 차량의 무게 중심이 부력의 중심보다도 낮은 곳에 위치토록 한 자기 복원(Self-Righting) 능력으로 정립하여 수중 출발 함으로서 외부의 도움 없이도 고속 수면 여행을 계속할 수 있는 것을 특징으로 하는 수륙양용 전기차량.
KR1020220160251A 2022-11-25 수륙양용 전기 차량 KR20240077881A (ko)

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