WO2017213308A1 - 비행체 운용 방법 및 이를 이용하는 운용 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (a) 비행체를 상기 비행체 하부에 위치하는 계류부 방향으로 비행시키는 단계, (b) 케이블에 의해 상기 비행체와 상기 계류부를 서로 연결하여 상기 비행체를 상기 계류부에 계류시키는 단계, (c) 제1부양조절부를 이용하여, 상기 비행체의 중량을 감소시키거나, 상기 비행체의 부력을 증가시키거나, 상기 비행체의 중량을 감소시키면서 상기 비행체의 부력을 증가시키는 단계, (d) 상기 비행체를 공중에 적정 고도로 부양시키는 단계, (e) 제2부양조절부 또는 상기 비행체의 추진부를 이용하여, 상기 비행체의 중량을 증가시키거나, 상기 비행체의 부력을 감소시키거나, 상기 비행체의 중량을 증가시키면서 상기 비행체의 부력을 감소시키는 단계 및 (f) 상기 비행체와 상기 계류부 간의 연결을 해제하고 상기 케이블을 회수하는 단계를 포함하는, 비행체 운용 방법을 제공한다.

Description

비행체 운용 방법 및 이를 이용하는 운용 시스템

본 발명의 실시예들은 비행체 운용 방법 및 이를 이용하는 운용 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 부양선 및 비행선으로 기능할 수 있는 비행체를 운용하기 위한 비행체 운용 방법 및 이를 이용하는 운용 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 부양선(aerostat)은 고공에서 영상장비, 레이더, 기타 항공용 센서를 이용하여 감시, 관측, 통신중계 등의 임무를 수행하는 비행체이다. 이러한 부양선은 고공에서 장시간 체공하며 상기 임무를 수행하는 과정에서 계류를 위한 넓은 공간은 물론이고, 계류와 관련된 많은 장비들이 소요된다. 또한, 부양선을 지면 등에 설치하는 작업이 상당히 까다롭고, 기설치된 부양선을 다른 곳으로 이동시키는 데에도 많은 비용과 시간이 소요되는 단점이 있다.

한편, 비행선(airship)은 주로 부력을 이용하여 공중에 부유하면서도 추진장치를 보유하여 원하는 위치로의 비행이 가능한 비행체로서, 이동성 및 적시성은 좋으나, 체공시간의 한계로 장시간의 임무수행이 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 부양선 및 비행선으로 기능할 수 있는 비행체를 운용하기 위한 비행체 운용 방법 및 이를 이용하는 운용 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 비행체를 상기 비행체 하부에 위치하는 계류부 방향으로 비행시키는 단계, (b) 케이블에 의해 상기 비행체와 상기 계류부를 서로 연결하여 상기 비행체를 상기 계류부에 계류시키는 단계, (c) 제1부양조절부를 이용하여, 상기 비행체의 중량을 감소시키거나, 상기 비행체의 부력을 증가시키거나, 상기 비행체의 중량을 감소시키면서 상기 비행체의 부력을 증가시키는 단계, (d) 상기 비행체를 공중에 적정 고도로 부양시키는 단계, (e) 제2부양조절부 또는 상기 비행체의 추진부를 이용하여, 상기 비행체의 중량을 증가시키거나, 상기 비행체의 부력을 감소시키거나, 상기 비행체의 중량을 증가시키면서 상기 비행체의 부력을 감소시키는 단계 및 (f) 상기 비행체와 상기 계류부 간의 연결을 해제하고 상기 케이블을 회수하는 단계를 포함하는, 비행체 운용 방법이 제공된다.

상기 (c) 단계는, 상기 제1부양조절부를 하강운동시키거나, 상기 제1부양조절부를 외부로 방출하여 상기 비행체로부터 언로딩함으로써 상기 비행체의 중량을 감소시키는 단계이고, 상기 (e) 단계는, 상기 제2부양조절부를 승강운동시켜 상기 비행체에 로딩함으로써 상기 비행체의 중량을 증가시키거나, 상기 제2부양조절부를 외부로 방출하여 상기 비행체로부터 언로딩함으로써 상기 비행체의 부력을 감소시키는 단계일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 비행체를 상기 비행체 하부에 위치하는 계류부 방향으로 비행시키는 단계, (b) 상기 비행체의 추진부로부터 공급되는 추력의 중력 방향으로 작용하는 수직 분력의 크기를 조절하여 상기 비행체를 하강시키는 단계, (c) 케이블에 의해 상기 비행체와 상기 계류부를 서로 연결하여 상기 비행체를 상기 계류부에 계류시키는 단계, (d) 상기 비행체를 공중에 적정 고도로 부양시키는 단계, (e) 상기 비행체의 추진부로부터 공급되는 추력의 중력 방향으로 작용하는 수직 분력의 크기를 조절하여 상기 비행체를 하강시키는 단계 및 (f) 상기 비행체와 상기 계류부 간의 연결을 해제하고 상기 케이블을 회수하는 단계를 포함하는, 비행체 운용 방법이 제공된다.

상기 (b) 단계 및 상기 (e) 단계는, 상기 추진부에 구비된 적어도 하나의 프로펠러의 회전축이 중력 방향에 대해 이루는 각도를 조절하거나, 상기 수직 분력을 발생시키는 적어도 하나의 제1 프로펠러의 회전을 제어하고, 상기 수직 분력에 수직한 방향으로 작용하는 수평 분력을 발생시키는 적어도 하나의 제2 프로펠러의 회전을 제어하는 단계일 수 있다.

상기 계류부에 계류시키는 단계는, 상기 케이블의 단부에 설치된 안내부를 이용하여 상기 계류부로 상기 케이블을 안내하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 계류부에 설치된 계류권취부를 회전시켜 상기 케이블을 권취하거나 상기 케이블의 권취를 해제함으로써 상기 비행체를 승하강운동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 비행 가능하며, 공중에 부양되는 비행체, 상기 비행체 하부에 위치하는 계류부, 상기 비행체 및 상기 계류부에 연결되며, 상기 비행체를 상기 계류부에 계류시키는 케이블 및 상기 비행체의 중량 및 상기 비행체의 부력 중 적어도 하나가 변하도록 상기 비행체에 로딩(loading)되거나 상기 비행체로부터 언로딩(unloading)되는 부양조절부를 구비하는, 비행체 운용 시스템이 제공된다.

상기 부양조절부는 복수의 롤러들 및 모터를 구비하고, 상기 복수의 롤러들이 상기 모터에 의해 회전 구동되어 상기 케이블을 따라 승하강운동을 함으로써 상기 비행체의 중량을 변화시킬 수 있다.

상기 부양조절부는 드론을 포함하고, 상기 드론이 승하강운동을 함으로써 상기 비행체의 중량을 변화시킬 수 있다.

상기 부양조절부는 상기 케이블을 권취하는 권취부를 포함하고, 상기 권취부가 승하강운동을 함으로써 상기 비행체의 중량을 변화시킬 수 있다.

상기 부양조절부는 액체 또는 모래를 포함하고, 상기 액체 또는 상기 모래가 외부로 방출되어 상기 비행체의 중량을 감소시킬 수 있다.

상기 부양조절부는 헬륨 또는 수소를 포함하고, 상기 헬륨 또는 상기 수소가 외부로 방출되어 상기 비행체의 부력을 감소시킬 수 있다.

상기 케이블의 단부에 설치되며, 상기 계류부로 상기 케이블을 안내하는 안내부를 더 구비할 수 있다.

상기 계류부에 설치되며, 상기 케이블을 권취하거나 상기 케이블의 권취를 해제하여 상기 비행체를 승하강운동시키는, 계류권취부를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 비행 가능하며, 공중에 부양되는 비행체, 상기 비행체 하부에 위치하는 계류부, 상기 비행체 및 상기 계류부에 연결되며, 상기 비행체를 상기 계류부에 계류시키는 케이블 및 중력 방향으로 작용하는 수직 분력을 갖는 추력을 상기 비행체에 공급할 수 있는 추진부를 구비하는, 비행체 운용 시스템이 제공된다.

상기 추진부는 상기 수직 분력의 크기를 조절하여 상기 추력의 방향을 제어하는 추진 제어부를 구비할 수 있다.

상기 추진부는 적어도 하나의 프로펠러를 구비하고, 상기 추진 제어부는 상기 적어도 하나의 프로펠러의 회전축이 중력 방향에 대해 이루는 각도를 조절할 수 있다.

상기 추진부는, 상기 수직 분력을 발생시키는 적어도 하나의 제1 프로펠러를 구비하고, 상기 수직 분력에 수직한 방향으로 작용하는 수평 분력을 발생시키는 적어도 하나의 제2 프로펠러를 구비하며, 상기 추진 제어부는 상기 적어도 하나의 제1 프로펠러 및 상기 적어도 하나의 제2 프로펠러의 회전을 제어하여 상기 추력의 방향을 제어할 수 있다.

상기 케이블의 단부에 설치되며, 상기 계류부로 상기 케이블을 안내하는 안내부를 더 구비할 수 있다.

상기 계류부에 설치되며, 상기 케이블을 권취하거나 상기 케이블의 권취를 해제하여 상기 비행체를 승하강운동시키는, 계류권취부를 더 구비할 수 있다.

상술한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 부양선 및 비행선으로 기능할 수 있는 비행체를 용이하게 운용할 수 있다.

또한, 고공에서 장기 체공이 가능한 비행체를 적기에 투입할 수 있어 임무 성취도를 향상시킬 수 있다.

물론 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체 운용 시스템을 구성하는 비행체를 도시한 개념도이다.

도 2 내지 도 7은 도 1의 비행체 운용 시스템을 이용하는 비행체 운용 방법을 순차적으로 도시한 개념도들이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비행체 운용 시스템을 도시한 개념도이다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비행체 운용 시스템을 도시한 개념도이다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비행체 운용 시스템을 도시한 개념도이다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비행체 운용 시스템을 도시한 개념도이다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비행체 운용 시스템을 구성하는 비행체를 개략적으로 도시한 개념도이다.

도 13은 도 12의 추진부를 개략적으로 도시한 확대도이다.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비행체 운용 시스템을 구성하는 비행체를 개략적으로 도시한 개념도이다.

도 15 내지 도 19는 도 12의 비행체 운용 시스템을 이용하는 비행체 운용 방법을 순차적으로 도시한 개념도들이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 본 발명에 따른 실시예들을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명함에 있어 실질적으로 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체 운용 시스템을 구성하는 비행체를 도시한 개념도이고, 도 2 내지 도 7은 도 1의 비행체 운용 시스템을 이용하는 비행체 운용 방법을 순차적으로 도시한 개념도들이다.

먼저 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체 운용 시스템은 비행체(100)는 비행체(100), 계류부(200), 케이블(C1) 및 부양조절부(300)를 구비한다.

여기서의 비행체(100)는 비행이 가능하면서도 부력에 의해 공중에 부양될 수 있는 것으로, 예컨대 비행선(airship)의 형태일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니고, 무동력 비행체에 보조 동력장치를 구비하는 다양한 형태의 비행체가 적용될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 비행체(100)가 비행선인 경우를 중심으로 구체적으로 설명한다.

비행체(100)는 기낭(110) 및 곤돌라(120)를 구비한다. 기낭(110)은 내부가 기체로 채워진 부분으로, 이러한 기낭(110)이 제공하는 부력에 의해 비행체(100)는 공중에 장시간 띄워져 감시, 관측, 통신중계 등의 다양한 임무를 수행할 수 있다. 기낭(110) 내부에는 헬륨, 수소 등과 같이 공기보다 가벼운 다양한 종류의 기체가 채워질 수 있다. 또한, 비행체(100)에는 기낭(110)의 여압을 조절하거나, 비행체(100)의 종방향 자세 조절을 수행하기 위한 공기낭(미도시)이 더 구비될 수 있다.

기낭(110) 하부에는 곤돌라(120)가 배치되는데, 곤돌라(120)에는 엔진(미표기)에 의해 구동되는 적어도 하나의 팬 또는 프로펠러(130)가 구비된다. 이러한 팬 또는 프로펠러(130)는 비행체(100)를 추진할 수 있는 동력을 제공할 수 있다. 또한, 곤돌라(120)에는 케이블(C1)이 권취된 권취부(140) 및 부양조절부(300)가 구비될 수 있다. 권취부(140) 및 부양조절부(300)는 곤돌라(120) 내부에 배치될 수 있고, 이러한 경우 권취부(140)에 권취된 케이블(C1) 및 부양조절부(300)가 비행체(100)에 로딩(loading)되거나 비행체(100)로부터 언로딩(unloading)될 수 있도록, 곤돌라(120)에는 개폐가능한 개구(미도시)가 구비될 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 권취부(140) 및 부양조절부(300)가 곤돌라(120)의 외측에 배치되었다가 로딩되거나 언로딩되는 것도 가능하다.

도 1 등에 도시되지는 않았으나, 비행체(100)에는 기낭(110) 내부의 압력을 측정하기 위한 센서, 비행체(100)의 감시, 관측, 통신중계 등의 임무 수행을 위한 다양한 측정장비와 임무장비(mission payload) 등이 더 구비될 수 있다.

비행체(100)는 도 2의 에 도시된 바와 같이, 특정 지점에 착륙하거나 계류되어 있다가 비행체(100)의 임무 수행이 필요한 지점으로 이동하기 위해 이륙하게 된다. 이때 비행체(100)는 기낭(110) 내부에 저장된 기체의 부력이나, 기체의 부력과 추진장치의 추력의 조합력에 의해 이륙 지점으로부터 상승하게 된다. 이러한 이륙 지점은 추후의 착륙 지점이 될 수 있다. 이때 이러한 착륙 지점은 육지의 지면에 위치한 일 지점일 수도 있으나, 그 외에 선박 또는 부표의 일면에 위치한 일 지점일 수도 있다. 도 2의 ②에 도시된 바와 같이 비행체(100)가 일정 높이까지 상승하면, 비행체(100)는 팬 또는 프로펠러(130)를 구비한 추진장치로부터 발생한 추력에 의해 임무 수행 지점을 향해 이동한다. 이후 도 2의 ③에 도시된 바와 같이, 비행체(100)는 임무 수행 지점인 계류부(200)가 위치하는 지점에 도달한다. 이때 계류부(200)는 비행체(100)에 구비된 권취부(140)와 마찬가지로, 계류케이블(C2)이 권취된 계류권취부(210)를 구비할 수 있다.

이후 도 3에 도시된 바와 같이, 부양조절부(300)를 구비한 비행체(100)는 비행체(100) 하부에 위치한 계류부(200)를 향해 케이블(C1)을 이송한다. 이때 케이블(C1)은 도 1에 도시된 권취부(140)에 의해 이송될 수 있다. 한편, 도 3에 도시된 부양조절부(300)는 비행체(100)로부터 언로딩되는 부양조절부로서, 이하에서는 제1부양조절부(300)로 지칭하기로 한다. 케이블(C1)의 단부(E1)에는 안내부(150)가 설치될 수 있는데, 안내부(150)에 의해 케이블(C1)은 계류부(200), 구체적으로는 계류케이블(C2)의 단부(E2)로 안내될 수 있다. 일 실시예로, 안내부(150)는 전기로 구동되는 모터(미도시) 및 프로펠러(미도시)를 구비할 수 있다. 상기 모터 및 상기 프로펠러는 무선신호 혹은 자동 위치제어 장치 등에 의해 제어되어 케이블(C1)의 단부(E1)를 원하는 위치로 안내할 수 있다.

구체적으로, 안내부(150)는 케이블(C1) 단부(E1)의 상부에 위치하고, 안내부(150)와 단부(E1)는 소정의 거리만큼 이격될 수 있다. 이로써 케이블(C1)의 단부(E1)가 계류케이블(C2)의 단부(E2)에 용이하게 투척될 수 있다. 다만, 안내부(150)의 순간적인 상승으로 인해 비행체(100) 또한 상승할 수 있으므로, 안내부(150)가 과도하게 상승하지 않도록 안내부(150)의 운동을 적절히 제어할 필요가 있다.

이와 같이 안내부(150)의 운동을 적절히 제어하여 케이블(C1)의 단부(E1)를 계류케이블(C2)의 단부(E2)로 안내함으로써, 케이블(C1)의 단부(E1)는 계류케이블(C2)의 단부(E2)에 안정적으로 연결될 수 있다. 이로써 비행체(100)는 외풍, 부력 등으로 인한 흔들림에도 불구하고 계류부에 계류될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 계류케이블(C2) 없이 케이블(C1)이 직접 계류부(200)에 권취되거나 연결될 수도 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 케이블(C1)과 계류케이블(C2)이 연결된 경우를 중심으로 구체적으로 설명한다.

도 3 등에 도시되지는 않았으나, 케이블(C1)의 단부(E1)는 후크, 고리 등의 형태로 형성되어 계류케이블(C2)의 단부(E2)에 연결될 수 있다. 그리고 케이블(C1) 및 계류케이블(C2) 각각에는 전원선 및/또는 신호선이 내장되어, 케이블(C1)의 전원선 및/또는 신호선과 계류케이블(C2)의 전원선 및/또는 신호선이 서로 커넥터 형태로 체결될 수 있다. 이로써 상기 신호선을 통해 비행체(100)로 제어신호를 전달하거나 비행체(100)로부터 데이터를 전송받을 수 있고, 상기 전원선을 통해 비행체로 전원을 공급할 수도 있다.

이후 도 4에 도시된 바와 같이, 비행체(100)로부터 제1부양조절부(300)가 언로딩된다. 이와 같이 제1부양조절부(300)가 하강운동함에 따라 비행체(100)의 중량은 감소하게 되고, 이로써 계류중인 비행체(100)의 부양성을 향상시켜 비행체(100)가 장기간 체공할 수 있게 해준다.

일 실시예로, 도 4의 A의 확대도에 도시된 바와 같이 제1부양조절부(300)는 복수의 롤러(310)들 및 모터(313)를 구비할 수 있다. 복수의 롤러(310)들은 케이블(C1)의 양쪽에 배치되어 케이블(C1)을 따라 승하강운동하는 것으로, 수평으로 연장된 제1연결부(311) 및 수직으로 연장된 제2연결부(312)가 인접한 롤러(310)들을 연결하게 된다. 제1연결부(311) 및 제2연결부(312)는 복수의 롤러(310)들 및 모터(313)를 지지할 수 있으며, 해체가 용이하도록 나사, 볼트 등으로 상호 체결될 수 있다. 롤러(310)의 개수는 조절하고자 하는 비행체(100)의 중량분에 따라 다양하게 변형될 수 있고, 제1연결부(311) 및 제2연결부(312)의 개수 및 배치 또한 다양하게 변형될 수 있다. 상기와 같은 제1부양조절부(300)는 모터(313)에 의해 구동될 수 있는데, 구체적으로 복수의 롤러(310)들이 모터(313)에 의해 회전 구동됨으로써 제1부양조절부(300)는 케이블(C1)을 따라 하강운동하게 된다. 이후 제1부양조절부(300)는 케이블(C1) 및/또는 계류케이블(C2)로부터 분리될 수 있다.

이후 도 5에 도시된 바와 같이, 비행체(100)는 적정 고도(H)로 부양하여 주어진 임무를 수행하게 된다. 여기서 적정 고도(H)라 함은 비행체(100)가 감시, 관측, 통신중계 등의 임무를 수행하기에 적합한 높이의 고도로서, 기낭(110) 내부의 기체로 운용할 수 있는 최고 고도인 압력고도(pressure altitude) 이하의 고도를 의미한다.

구체적으로는, 비행체(100)로부터 제1부양조절부(300)가 언로딩되어 비행체(100)의 중량이 가벼워지면, 계류케이블(C2)의 권취를 해제할 시 이러한 중량 감소로 인해 비행체(100)는 임무 수행을 위한 적정 고도(H)까지 상승할 수 있게 되고, 장기체공 또한 가능하게 된다. 물론, 계류케이블(C2) 대신에 계류케이블(C2)과 연결된 케이블(C1)의 권취가 해제될 수도 있고, 또는 케이블(C1) 및 계류케이블(C2)의 권취가 함께 해제될 수도 있다.

이후 도 6에 도시된 바와 같이, 임무 수행을 완료한 비행체(100)는 계류케이블(C2)의 권취 등으로 인해 다시 하강하여 제2부양조절부를 로딩한다. 즉, 이전에 비행체(100)의 상승 과정에서 권취가 해제되어 상향으로 이송되었던 계류케이블(C2)이, 계류권취부(210)에 다시 권취되면서 하향으로 이송되어 비행체(100)를 하강시키게 된다. 한편, 상기 제2부양조절부는 도 4에 도시된 제1부양조절부(300)와 동일할 수 있고, 가급적 언로딩된 제1부양조절부를 그대로 제2부양조절부로 이용하는 것이 비용, 비행환경의 일관성 등의 측면에서 바람직하다. 이하에서는 상기 제2부양조절부가 제1부양조절부(300)와 동일한 경우를 중심으로 구체적으로 설명하고, 제2부양조절부 대신 제1부양조절부의 명칭과 부호를 그대로 사용하기로 한다. 이는 후술하는 실시예들 및 그 변형예들에서도 마찬가지이다.

제1부양조절부(300)는 도 4의 A의 확대도에 도시된 바와 같은 구조를 가질 수 있고, 이 경우 제1부양조절부(300)는 이전 언로딩 단계와 마찬가지로 케이블(C1)을 따라 승강운동하게 된다. 이로써 제1부양조절부(300)는 비행체(100)에 로딩되어 비행체(100)의 중량을 증가시키고, 비행체(100)는 비행하기에 적절한 중량을 갖게 된다. 또한, 제1부양조절부(300)와 함께 연료 등을 로딩함으로써 비행체(100)의 연료량을 보충하여 그 운용 시간을 늘릴 수도 있다.

이후 도 7에 도시된 바와 같이, 비행체(100)와 계류부(200) 간의 연결을 해제한다. 구체적으로는, 케이블(C1)의 단부(E1)와 계류케이블(C2)의 단부(E2)의 연결을 해제하고 케이블(C1)을 비행체(100)로 회수하게 된다. 이로써 비행체(100)는 도 2의 ③에 도시된 상태와 동일 또는 유사하게 되어 원래의 이륙 지점 또는 다른 임무 수행 지점으로 비행한다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비행체 운용 시스템을 도시한 개념도이고, 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비행체 운용 시스템을 도시한 개념도이다. 여기서 도 8 및 도 9는, 앞서 도 4 및/또는 도 6을 참조하여 설명한 제1부양조절부(300)의 다른 실시예들을 도시하고 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 전술한 실시예들과의 차이점을 중심으로, 도 8 및 도 9에 도시된 실시예들에 대해 구체적으로 설명한다.

먼저 도 8을 참조하면, 제1부양조절부(300)는 드론 형태로 형성될 수 있다. 즉, 제1부양조절부(300)는 도 8의 B의 확대도에 도시된 바와 같이 본체(320), 지지부(321) 및 날개부(322)를 구비할 수 있다. 본체(320)는 제1부양조절부(300)의 중심에 배치되며, 원격 신호 등을 수신하여 제1부양조절부(300)의 비행을 제어하는 제어부(미도시)를 구비할 수 있다. 본체(320)의 양쪽에는 본체(320)의 외측으로 연장된 복수의 지지부(321)들이 배치되고, 복수의 지지부(321)들 각각의 단부에는 날개부(322)가 배치된다. 이로써 제1부양조절부(300)는 대략 하향으로 비행하여 비행체(100)의 중량을 감소시키게 된다. 도 8에는 제1부양조절부(300)가 케이블(C1)으로부터 이격되어 비행하는 것으로 도시되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제1부양조절부(300)는 케이블(C1)을 따라 비행할 수도 있는데, 예컨대 본체(320)에 형성된 관통구(미도시)에 케이블(C1)을 통과시킴으로써 제1부양조절부(300)를 케이블(C1)을 따라 이동시킬 수 있다. 이와 같이 제1부양조절부(300)가 케이블(C1)을 따라 이동하는 경우, 제1부양조절부(300)는 승하강운동만 하도록 단순화될 수 있다.

이후 제1부양조절부(300)는 대략 상향으로 비행하여 비행체(100)에 다시 로딩될 수 있고, 이로써 비행체(100)의 중량이 다시 증가하게 된다. 한편, 본 실시예의 제1부양조절부(300)는 전술한 언로딩 단계가 아닌 현 로딩 단계에서만 이용될 수도 있다. 즉, 상기 언로딩 단계에서는 다른 실시예에 의한 운용 방법으로 제1부양조절부(300)가 비행체(100)로부터 언로딩되고, 상기 로딩 단계에서는 본 실시예에 의한 운용 방법, 즉 드론을 이용하는 방법으로 제1부양조절부(300)가 비행체(100)로 로딩될 수 있다.

또한, 본 실시예의 제1부양조절부(300)는 도 3에 도시된 안내부(150)로 이용될 수도 있다. 즉, 케이블(C1)이 제1부양조절부(300)의 본체(320)를 관통한 상태에서 제1부양조절부(300)는 무선신호 혹은 자동 위치제어 장치 등에 의해 조종되어 케이블(C1)의 단부(E1)를 계류케이블(C2)의 단부(E2)로 안내할 수 있다.

다음으로 도 9를 참조하면, 제1부양조절부(300)는 케이블(C1)을 권취하는 권취부를 포함할 수 있다. 여기서의 권취부는 이동식 윈치 등의 형태로 형성될 수 있고, 제1부양조절부(300)는 케이블(C1)에 설치되어 케이블(C1)과 함께 하향으로 이송될 수 있다. 따라서, 언로딩 단계에서 제1부양조절부(300)는 비행체(100)의 중량을 감소시키는 동시에 케이블(C1)을 하향으로 이송하는 역할을 할 수 있다.

이후 로딩 단계에서 제1부양조절부(300)는 케이블(C1)과 함께 상향으로 이송되어 비행체(100)에 로딩될 수 있다. 물론 제1부양조절부(300)는 비행체(100)의 중량을 증가시키는 동시에 케이블(C1)을 상향으로 이송하는 역할을 할 수 있다.

제1부양조절부(300)에 포함된 권취부는 전동식 장치일 수 있고, 이러한 권취부는 계류부(200)에 배치된 지상전원(미도시)으로부터 전압을 공급받아 작동할 수 있다. 따라서, 상기 지상전원의 구동전압에 의해 제1부양조절부(300)는 케이블(C1)과 함께 승하강운동할 수 있다.

한편, 본 실시예의 제1부양조절부(300)는 도 1에 도시된 권취부(140)로 이용될 수도 있다. 즉, 제1부양조절부(300)가 케이블(C1)을 권취하면서 상향으로 이동함에 따라 제1부양조절부(300)는 케이블(C1)을 회수하는 기능을 수행할 수 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비행체 운용 시스템을 도시한 개념도이고, 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비행체 운용 시스템을 도시한 개념도이다. 이전 실시예들에서는 비용, 비행환경의 일관성 등을 감안하여 제2부양조절부가 제1부양조절부와 동일한 경우를 중심으로 설명하였으나, 도 10 및 도 11에 도시된 실시예들은 제2부양조절부가 제1부양조절부와 상이한 경우가 더 일반적이므로, 이하에서는 제2부양조절부가 제1부양조절부와 상이한 경우를 중심으로 설명한다. 물론 도 10 및 도 11에 도시된 실시예들에서 제2부양조절부가 제1부양조절부와 동일한 경우를 완전히 배제하는 것은 아니다.

먼저 도 10을 참조하면, 제1부양조절부(300a)는 언로딩 단계에서 외부로 방출되어 비행체(100)의 중량을 감소시킬 수 있다. 이때 제1부양조절부(300a)는 물과 같은 액체 또는 모래와 같은 분말제품을 포함할 수 있는데, 외부 환경에 무해하고 방출하기 용이한 재질의 물질이면 어떠한 것이라도 무방하다.

이후 로딩 단계에서 물 또는 모래가 비행체(100)로 재공급될 수도 있으나, 물 또는 모래를 재공급하는 비용, 설비 등을 감안할 때 상기 로딩 단계에서 비행체(100)로 로딩되는 제2부양조절부(미도시)는 도 4에 도시된 롤러 및 모터를 구비한 부양조절부,도 8에 도시된 드론을 포함하는 부양조절부, 도 9에 도시된 권취부를 포함하는 부양조절부 등에서 취사선택이 가능하다.

다음으로 도 11을 참조하면, 도 10의 실시예와 마찬가지로 본 실시예의 부양조절부는 외부로 방출될 수 있다. 그러나, 도 10의 실시예와 달리 본 실시예에서 외부로 방출되는 부양조절부는 제2부양조절부를 의미한다.

구체적으로는, 도 11에 도시되지는 않았으나 먼저 비행체(100)로부터 제1부양조절부가 언로딩되는 단계를 거친다. 이때 상기 제1부양조절부는 도 4에 도시된 롤러 및 모터를 구비한 부양조절부, 도 8에 도시된 드론을 포함하는 부양조절부, 또는 도 9에 도시된 권취부를 포함하는 부양조절부의 형태일 수 있다.

이후 도 5에 도시된 바와 같이 비행체(100)가 적정 고도로 부양하여 주어진 임무를 수행하고 나서, 비행체(100)는 도 11에 도시된 바와 같이 제2부양조절부(300b)를 언로딩하는 단계를 거친다. 이때 비행체(100)를 반드시 계류부(200) 쪽으로 하강시킬 필요는 없고, 원격신호 등에 따라 케이블(C1)과 계류케이블(C2) 간의 연결을 해제하여 비행체(100)가 적절한 부양력을 가진 상태에서 비행하게 할 수도 있다.

이러한 제2부양조절부의 언로딩 단계에서, 제2부양조절부(300b)는 외부로 방출된다. 다만, 이전 실시예들과는 달리 제2부양조절부(300b)의 방출로 인해 비행체(100)의 중량이 변화하는 것이 아니라 비행체(100)의 부력이 감소하게 된다. 이를 위해 제2부양조절부(300b)는 비행체(100)에 부력을 발생시키는 헬륨 또는 수소를 포함할 수 있는데, 이 외에도 공기보다 가볍고 비행체(100)의 기낭(미표기) 내부에 저장 가능한 기체이면 어떠한 것이라도 포함할 수 있다.

한편, 제1부양조절부를 언로딩하는 단계에서 비행체(100)의 중량 감소를 시도하는 대신에, 비행체(100)에 헬륨 또는 수소를 로딩하여 비행체(100)의 부력을 증가시킬 수도 있다. 그러나, 헬륨 또는 수소를 비행체로 옮겨 기낭 내부에 주입하는 과정의 복잡성, 위험성 등을 감안할 때 비행체(100)의 부력을 증가시키는 것보다는 제1부양조절부를 언로딩하여 비행체(100)의 중량을 감소시키는 것이 더 바람직하다 할 것이다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비행체 운용 시스템을 구성하는 비행체를 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 13은 도 12의 추진부를 개략적으로 도시한 확대도이다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비행체 운용 시스템은 비행체(100), 케이블(C1), 계류부(미도시) 및 추진부(300)를 구비한다. 이때 상기 계류부는 비행체(100)가 부양된 상태를 유지하도록 비행체(100)를 케이블(C1)에 의해 계류시키는 것으로, 비행체(100)가 부양될 지점의 저면에 위치한다.

비행체(100)는 비행이 가능하면서도 부력에 의해 공중에 부양될 수 있는 것으로, 구체적으로는 일 지점에서 다른 지점으로 비행하여 이동하고, 이와 같이 이동한 지점에서 공중에 부양된 상태로 계류할 수 있다. 예컨대, 비행체(100)는 비행선(airship)이거나, 무동력 비행체에 보조 동력장치를 구비한 것일 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 비행 및 계류 상태에서의 공중 부양이 모두 가능한 비행체이면 어떠한 형태라도 무방하다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 비행체(100)가 비행선인 경우를 중심으로 구체적으로 설명한다.

비행체(100)는 기낭(110) 및 곤돌라(120)를 구비한다. 기낭(110)은 내부가 기체로 채워진 부분으로, 이러한 기낭(110)이 제공하는 부력에 의해 비행체(100)는 공중에 장시간 띄워져 감시, 관측, 통신중계 등의 다양한 임무를 수행할 수 있다. 기낭(110) 내부에는 헬륨, 수소 등과 같이 공기보다 가벼운 다양한 종류의 기체가 채워질 수 있다. 또한, 비행체(100)에는 기낭(110)의 여압을 조절하거나, 비행체(100)의 종방향 자세 조절을 수행하기 위한 공기낭(미도시)이 더 구비될 수 있다.

기낭(110) 하부에는 곤돌라(120)가 배치될 수 있는데, 곤돌라(120)에는 비행체(100)를 비행시키기 위한 추력(T)을 공급하는 추진부(300)가 설치될 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 추진부(300)는 기낭(110), 날개(미도시) 등과 같은 비행체(100)의 다른 부분에 설치될 수도 있다.

추진부(300)는 적어도 하나의 프로펠러(310)를 구비할 수 있다. 이로써 추진부(300)는 프로펠러(310)의 회전력으로부터 비행체(100)를 전진시키는 추력(T)을 발생시키게 된다. 그러나 추진부(300)의 추력 발생원이 반드시 프로펠러(310)로 한정되는 것은 아니며, 예컨대 비행체(100)로부터 분출되는 가스의 반동력으로부터 추력을 발생시키는 것도 가능하다. 이하에서는 속도 및 방향의 제어가 좀 더 수월한 프로펠러(310)를 이용하여 추력(T)을 발생시키는 경우를 중심으로 구체적으로 설명하기로 한다. 이는 후술하는 실시예들 및 그 변형예들의 경우에도 마찬가지이다. 또한 설명의 편의를 위해 추진부(300)에는 한 개의 프로펠러(310)가 구비된 경우를 중심으로 설명하기로 한다.

일 실시예로, 프로펠러(310)의 회전축(S)에는 프로펠러 모터(320) 및 틸팅부(330)가 결합될 수 있다. 프로펠러 모터(320)는 프로펠러(310)를 회전 구동하여 추력(T)을 발생시키고, 틸팅부(330)는 프로펠러(310)의 회전축(S)이 중력 방향(-Z 방향)에 대해 이루는 각도(θ)를 변화시킨다. 즉, 틸팅부(330)는 프로펠러(310)의 회전축(S)이 XZ 평면 상에서 회전하도록 프로펠러(310)의 회전축(S)을 틸팅시킬 수 있다. 이때 회전축(S)이 중력 방향(-Z 방향)에 대해 이루는 각도(θ)는 90도보다 작은데, 이로써 프로펠러(310)가 회전함에 따라 추진부(300)는 중력 방향(-Z 방향)으로 작용하는 수직 분력(Tv)을 갖는 추력(T)을 발생시킬 수 있다.

도 12 등에 도시되지는 않았으나, 틸팅부(330)는 프로펠러(310)의 회전축(S)과 연결되는 틸트축(미도시)과, 상기 틸트축을 틸팅시키는 틸트 모터(미도시) 등을 구비할 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 틸팅부(330)는 프로펠러(310)의 회전축(S)과 힌지 결합되는 등 다양한 형태로 변형될 수 있다.

추진부(300)에는 추진 제어부(340)가 구비될 수 있다. 추진 제어부(340)는 추력(T)의 방향을 제어하여 비행체(100)의 비행을 원하는 방향으로 조종하는 역할을 한다. 구체적으로 추진 제어부(340)는 틸팅부(330)에 연결되어 추력(T)의 수직 분력(Tv) 및 수평 분력(Th)의 크기를 조절하여 추력(T)의 방향을 제어할 수 있다. 여기서 수평 분력(Th)은 추력(T)에 있어서 중력 방향(-Z 방향)에 수직한 방향(+X 방향)으로 작용하는 분력을 의미한다.

구체적으로 도 13에 도시된 바와 같이, 프로펠러(310)의 회전축(S)이 중력 방향(-Z 방향)에 대해 이루는 각도(θ)가 작아지면 추력(T)의 수직 분력(Tv)은 커지게 된다. 예컨대, 크기가 동일한 두 개의 추력들(T, T') 중 중력 방향(-Z 방향)에 대해 이루는 각도(θ)가 상대적으로 더 큰 추력을 제1 추력(T)이라 하고, 상기 각도(θ)가 상대적으로 더 작은 추력을 제2 추력(T')이라 하자. 이러한 경우 제2 추력(T)의 수직 분력(Tv')이 제1 추력(T)의 수직 분력(Tv)보다 크게 되고, 이와 반대로 제2 추력(T)의 수평 분력(Th')이 제1 추력(T)의 수평 분력(Th)보다 작게 된다. 따라서 수직 분력(Tv) 또는 수평 분력(Tv)의 크기를 조절함으로써 프로펠러(310)의 회전축(S)이 중력 방향(-Z 방향)에 대해 이루는 각도(θ)를 조절할 수 있고, 이로써 추력(T)의 방향이 제어되어 비행체(100)를 원하는 방향으로 비행시킬 수 있게 된다. 특히 추력(T)의 수직 분력(Tv)이 발생함에 따라 비행체(100)는 비행체(100)의 하부에 위치하는 계류부(200)를 향해 이동할 수 있게 된다.

한편, 프로펠러(310)의 회전축(S)이 중력 방향(-Z 방향)에 대해 이루는 각도(θ)를 조절하기 위해, 추진 제어부(340)는 틸팅부(330)에 구비된 틸트 모터의 구동을 제어할 수 있다. 또한 추진 제어부(340)는 틸팅부(330)의 틸트 동작뿐 만 아니라 프로펠러 모터(320)의 회전속도 등을 제어하도록 설계될 수도 있다.

상술한 바와 같이 프로펠러(310)의 회전축(S)을 틸팅시키는 것 외에도, 수직 분력(Tv) 및/또는 수평 분력(Th)의 크기를 조절하는 다양한 방식들이 있을 수 있는데, 이와 관련한 다른 실시예에 대해서는 도 14를 참조하여 후술한다.

상술한 추진부(300) 외에도 곤돌라(120)에는 케이블(C1)이 권취된 권취부(140)가 구비될 수 있다. 권취부(140)는 곤돌라(120)의 내부에 배치될 수 있는데, 이러한 경우 권취부(140)에서의 권취가 해제된 케이블(C1)이 하강운동하여 계류부에 연결될 수 있도록, 곤돌라(120)에는 개폐가능한 개구(미도시)가 구비될 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 권취부(140)는 곤돌라(120)의 외측면에 배치될 수도 있다.

도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비행체 운용 시스템을 구성하는 비행체를 개략적으로 도시한 개념도이다. 이때 도 14에 도시된 실시예는, 도 12 등을 참조하여 설명한 이전 실시예들과 추진부(300) 외에는 거의 동일 또는 유사한 구성을 갖는다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 전술한 실시예들과의 차이점을 중심으로 도 14에 도시된 실시예들에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 비행체 운용 시스템 또한 비행체(100), 계류부(미도시), 케이블(C1) 및 추진부(300)를 구비한다.

비행체(100)는 비행뿐 아니라 계류 상태에서의 공중 부양이 가능한 것으로, 비행체(100)에는 비행을 위한 추력(T)을 공급하는 추진부(300)가 설치된다. 도 14 등에는 추진부(300)가 기낭(110) 하부의 곤돌라(120)에 설치되는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 비행체(100)의 다양한 위치에 설치될 수 있다.

일 실시예로, 추진부(300)는 제1 추진부(300a) 및 제2 추진부(300b)를 포함할 수 있다. 이때 제1 추진부(300a)는 추력에 있어서 중력 방향(-Z 방향)으로 작용하는 수직 분력(Tv)을 발생시키고, 제2 추진부(300b)는 추력에 있어서 수직 분력(Tv)에 수직한 방향으로 작용하는 수평 분력(Th)을 발생시킨다. 즉, 제1 추진부(300a)에서 발생한 수직 분력(Tv)과 제2 추진부(300b)에서 발생한 수평 분력(Th)의 합력이 비행체(100)를 추진시키는 전체 추력이 된다.

이때 제1 추진부(300a)는 수직 분력(Tv)을 발생시키기 위해 적어도 하나의 제1 프로펠러(310a)를 구비할 수 있고, 제2 추진부(300b)는 수평 분력(Th)을 발생시키기 위해 적어도 하나의 제2 프로펠러(310b)를 구비할 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해 제1 추진부(300a) 및 제2 추진부(300b) 각각에는 한 개의 제1 프로펠러(310a) 및 제2 프로펠러(310b)가 구비된 경우를 중심으로 설명하기로 한다.

제1 추진부(300a)에 구비된 제1 프로펠러(310a)의 회전축(Sa)에는 제1 프로펠러 모터(320a)가 결합될 수 있다. 제1 프로펠러 모터(320a)는 제1 프로펠러(310a)를 회전 구동하여 추력의 수직 분력(Tv)을 발생시킨다. 또한 제2 추진부(300b)에 구비된 제2 프로펠러(310b)의 회전축(Sb)에는 제2 프로펠러 모터(320b)가 결합될 수 있고, 이 제2 프로펠러 모터(320b)에 의해 제2 프로펠러(310b)가 회전 구동되어 추력의 수평 분력(Th)이 발생하게 된다.

제1 추진부(300a) 및 제2 추진부(300b)에는 추진 제어부가 구비될 수 있다. 상기 추진 제어부는 추력의 방향을 제어하여 비행체(100)의 비행을 원하는 방향으로 조종하는 역할을 한다. 일 실시예로, 상기 추진 제어부는 제1 추진 제어부(340a) 및 제2 추진 제어부(340b)를 포함할 수 있다.

제1 추진 제어부(340a)는 제1 추진부(300a)에 구비된 제1 프로펠러(310a)의 회전을 제어하여 추력의 수직 분력(Tv)의 크기를 조절할 수 있다. 구체적으로, 제1 추진 제어부(340a)는 제1 프로펠러 모터(320a)에 연결되어 제1 프로펠러(310a)의 회전속도 등을 제어함으로써 추력의 수직 분력(Tv)의 크기를 조절하게 된다. 이와 유사하게 제2 추진 제어부(340b) 또한 제2 추진부(300b)에 구비된 제2 프로펠러(310b)의 회전을 제어하여 추력의 수평 분력(Th)의 크기를 조절할 수 있으며, 구체적으로는 제2 추진 제어부(340b)가 제2 프로펠러 모터(320b)에 연결되어 제2 프로펠러(320b)의 회전속도 등을 제어하게 된다.

상기와 같이 제1 추진 제어부(340a)에 의해 제1 추진부(300a)에서 발생하는 추력의 수직 분력(Tv)의 크기가 조절되고, 제2 추진 제어부(340b)에 의해 제2 추진부(300b)에서 발생하는 추력의 수평 분력(Th)의 크기가 조절됨에 따라, 비행체(100)를 진행시키는 추력의 방향이 결정된다. 이로써 비행체(100)는 원하는 방향으로 비행할 수 있게 되고, 특히 추력의 수직 분력(Tv)이 발생함에 따라 비행체(100)는 비행체(100)의 하부에 위치하는 계류부를 향해 이동할 수 있게 된다.

이하 도 15 내지 도 19를 참조하여 상술한 실시예들에 따른 비행체(100)가 계류부에 계류되어 부양하는 과정에 대해 좀 더 구체적으로 설명한다.

도 15 내지 도 19는 도 12의 비행체 운용 시스템을 이용하는 비행체 운용 방법을 순차적으로 도시한 개념도들이다.

먼저 도 15의 ①에 도시된 바와 같이, 비행체(100)는 특정 지점에 착륙하거나 계류되어 있다가 비행체(100)의 임무 수행이 필요한 지점으로 이동하기 위해 이륙하게 된다. 이때 비행체(100)는 기낭(110) 내부에 저장된 기체의 부력이나, 기체의 부력과 추진장치의 추력의 조합력에 의해 이륙 지점으로부터 상승하게 된다. 이러한 이륙 지점은 추후의 착륙 지점이 될 수 있다. 또한 상기 착륙 지점은 육지의 지면에 위치한 일 지점일 수도 있으나, 그 외에 선박 또는 부표의 일면에 위치한 일 지점일 수도 있다. 이후 비행체(100)는 도 15의 ②에 도시된 바와 같이 일정 높이까지 상승하게 되고, 이후 도 15의 ③에 도시된 바와 같이 프로펠러를 구비한 추진부(300)로부터 발생한 추력에 의해 임무 수행 지점을 향해 이동하게 된다.

이후 도 16에 도시된 바와 같이, 비행체(100)는 임무 수행 지점인 계류부(200)가 위치하는 지점에 도달한다. 이때 계류부(200)는 비행체(100)에 구비된 권취부(140)와 마찬가지로, 계류 케이블(C2)이 권취된 계류 권취부(210)를 구비할 수 있다.

이 단계에서 비행체(100)는 추진부(300)로부터 발생한 추력(T1)에 의해 +X 방향으로 전진하면서 -Z 방향으로 하강하도록 Z축에 대해 비스듬하게 운동하게 된다. 이때 비행체(100)가 계류부(200) 측으로 신속히 이동할 수 있도록 제1 추력(T1)의 수평 분력(Th1)에 비해 제1 추력(T1)의 수직 분력(Tv1)이 더 크게 설정될 수 있다. 이로써 비행체(100)는 케이블(C1)에 의해 계류부(200)에 연결될 수 있는 소정의 높이 혹은 지면까지 신속히 하강하게 된다.

물론 제1 추력(T1)의 크기 및 방향은 상황에 따라 적절하게 제어될 수 있다. 이러한 제1 추력(T1)의 제어 방식은, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이 추진부(300)에 구비된 프로펠러의 회전축과 중력 방향(-Z 방향)이 이루는 각도(θ)를 조절하는 방식일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 추진부(300a) 및 제2 추진부(300b)에 의해 수직 분력(Tv1) 및 수평 분력(Th1)을 독립적으로 조절하는 방식에 의해 제1 추력(T1)이 제어될 수도 있다.

이후 도 17에 도시된 바와 같이, 비행체(100)는 계류부(200)를 향해 케이블(C1)을 이송한다. 이때 케이블(C1)은 도 12에 도시된 권취부(140)에 의해 이송될 수 있다.

케이블(C1)의 단부(E1)에는 안내부(150)가 설치될 수 있는데, 안내부(150)에 의해 케이블(C1)은 계류부(200), 구체적으로는 계류 케이블(C2)의 단부(E2)로 안내될 수 있다. 일 실시예로, 안내부(150)는 전기로 구동되는 모터(미도시) 및 프로펠러(미도시)를 구비할 수 있다. 상기 모터 및 상기 프로펠러는 무선신호 혹은 자동 위치 제어 장치 등에 의해 제어되어 케이블(C1)의 단부(E1)를 원하는 위치로 안내할 수 있다.

구체적으로, 안내부(150)는 케이블(C1) 단부(E1)의 상부에 위치하고, 안내부(150)와 단부(E1)는 소정의 거리만큼 이격될 수 있다. 이로써 케이블(C1)의 단부(E1)가 계류 케이블(C2)의 단부(E2)에 용이하게 투척될 수 있다. 다만, 안내부(150)의 순간적인 상승으로 인해 비행체(100) 또한 상승할 수 있으므로, 안내부(150)가 과도하게 상승하지 않도록 안내부(150)의 운동을 적절히 제어할 필요가 있다.

이와 같이 안내부(150)의 운동을 적절히 제어하여 케이블(C1)의 단부(E1)를 계류 케이블(C2)의 단부(E2)로 안내함으로써, 케이블(C1)의 단부(E1)는 계류 케이블(C2)의 단부(E2)에 안정적으로 연결될 수 있다. 이로써 비행체(100)는 외풍, 부력 등으로 인한 흔들림에도 불구하고 계류부(200)에 계류될 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 계류 케이블(C2) 없이 케이블(C1)이 직접 계류부(200)에 권취되거나 연결될 수도 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 케이블(C1)과 계류 케이블(C2)이 서로 연결된 경우를 중심으로 구체적으로 설명하기로 한다.

도 17 등에 도시되지는 않았으나, 케이블(C1)의 단부(E1)는 후크, 고리 등의 형태로 형성되어 계류 케이블(C2)의 단부(E2)에 연결될 수 있다. 그리고 케이블(C1) 및 계류 케이블(C2) 각각에는 전원선 및/또는 신호선이 내장되어, 케이블(C1)의 전원선 및/또는 신호선과 계류 케이블(C2)의 전원선 및/또는 신호선이 서로 커넥터 형태로 체결될 수 있다. 이로써 상기 신호선을 통해 비행체(100)로 제어신호를 전달하거나 비행체(100)로부터 데이터를 전송 받을 수 있고, 상기 전원선을 통해 비행체로 전원을 공급할 수도 있다.

이 단계에서 추진부(300)로부터 발생한 제2 추력(T2)은, 도 15에 도시된 제1 추력(T1)과 마찬가지로 비행체(100)가 +X 방향으로 전진하면서 -Z 방향으로 하강하도록 Z축에 대해 비스듬하게 작용할 수 있다. 다만, 도 15에 도시된 단계에 비해 비행체(100)의 이동량이 미세하므로 제2 추력(T2)의 크기가 제1 추력(T1)의 크기보다 작을 수 있고, 제2 추력(T2)의 수직 분력(Tv2)과 제2 추력(T2)의 수평 분력(Th2)의 차이가 크지 않을 수 있다.

물론 제2 추력(T2)은 비행체(100)가 +X 방향으로 전진하면서 -Z 방향으로 하강하도록 작용하는 것으로 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 안내부(150)의 안내에 따라 제2 추력(T2)은 +X 방향으로만 작용하거나 -Z 방향으로만 작용할 수도 있다.

제2 추력(T2)의 크기 및 방향은 상황에 따라 적절하게 제어될 수 있다. 이러한 제2 추력(T2)의 제어 방식은, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이 추진부(300)에 구비된 프로펠러의 회전축과 중력 방향(-Z 방향)이 이루는 각도(θ)를 조절하는 방식일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 도 14에 도시된 바와 같이 제1 추진부(300a) 및 제2 추진부(300b)에 의해 수직 분력(Tv1) 및 수평 분력(Th1)을 독립적으로 조절하는 방식에 의해 제2 추력(T2)이 제어될 수도 있다.

한편, 도 17에는 비행체(100)가 계류부(200)로부터 소정의 높이만큼 상승된 상태에서 계류되는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 비행체(100)는 계류부(200)가 위치한 육지의 지면이나, 선박 또는 부표의 일면에 일시적으로 착륙할 수도 있으며, 이와 같이 비행체(100)가 일시적으로 착륙한 상태에서 케이블(C1)을 계류 케이블(C2)에 연결시키는 것도 얼마든지 가능하다. 이 경우 상술한 안내부(150)의 구성은 생략될 수 있다.

이후 도 18에 도시된 바와 같이, 비행체(100)는 적정 고도(H)로 부양하여 주어진 임무를 수행하게 된다. 여기서 적정 고도(H)라 함은 비행체(100)가 감시, 관측, 통신 중계 등의 임무를 수행하기에 적합한 높이의 고도로서, 기낭(110) 내부의 기체로 운용할 수 있는 최고 고도인 압력고도(pressure altitude) 이하의 고도를 의미한다.

이 단계에서 추진부(300)로부터 발생하는 추력 값은 0일 수 있다. 즉, 비행체(100)는 추력에 의해 추진되지 않고 부력의 작용으로 적정 고도(H)까지 부양하게 된다. 이는 추진부(300)로부터 발생하는 추력 값이 0이 됨에 따라 추력의 중력 방향(-Z 방향)으로의 수직 분력이 제거되어 비행체(100)에 있어서 Z축 방향으로 작용하는 힘은 중력 방향의 역방향(+Z 방향)으로 작용하는 부력이 주를 이루기 때문이다. 따라서, 이러한 부력에 의해 비행체(100)는 적정 고도(H)를 향해 상승하게 된다.

상기와 같이 부력의 작용으로 비행체(100)가 부양되는 과정에서, 계류부(200)에서의 계류 케이블(C2)의 권취는 해제될 수 있다. 이로써 계류 케이블(C2)에 연결된 비행체(100)는 적정 고도(H)까지 상승할 수 있게 되고, 비행체(100)가 적정 고도(H)에 도달할 시 계류 케이블(C2)의 권취의 해제가 정지됨으로써 비행체(100)의 장기체공이 가능하게 된다. 또한 비행체(100)의 부양 시 계류 케이블(C2) 대신에 계류 케이블(C2)과 연결된 케이블(C1)의 권취가 해제될 수도 있고, 또는 케이블(C1) 및 계류 케이블(C2)의 권취가 함께 해제될 수도 있다.

이후 도 19에 도시된 바와 같이, 비행체(100)와 계류부(200) 간의 연결을 해제한다. 구체적으로는, 케이블(C1)의 단부(E1)와 계류 케이블(C2)의 단부(E2)의 연결을 해제하고, 케이블(C1)은 비행체(100)로 회수하고, 계류 케이블(C2)은 계류부(200)로 회수하게 된다. 이로써 비행체(100)는 도 4의 ③에 도시된 상태와 동일 또는 유사하게 되어 원래의 이륙 지점 또는 다른 임무 수행 지점으로 비행한다. 이때 비행체(100)의 추진부는 제3 추력(T3)을 발생시킬 수 있는데, 이러한 제3 추력(T3)은 새로이 이동할 지점을 향하는 방향(예컨대 +X 방향)으로 작용하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 부양선 및 비행선으로 기능할 수 있는 비행체를 용이하게 운용할 수 있다. 또한, 고공에서 장기 체공이 가능한 비행체를 적기에 투입할 수 있어 임무 성취도를 향상시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

본 발명은 부양선 및 비행선으로 기능할 수 있는 비행체를 운용하기 위한 비행체 운용 방법 및 이를 이용하는 운용 시스템에 관한 것으로, 이를 통해 고공에서 장기 체공이 가능한 비행체를 적기에 투입하여 감시, 관측, 통신중계 등의 임무를 효과적으로 수행할 수 있다.

Claims (20)

1. (a) 비행체를 상기 비행체 하부에 위치하는 계류부 방향으로 비행시키는 단계;

   (b) 케이블에 의해 상기 비행체와 상기 계류부를 서로 연결하여 상기 비행체를 상기 계류부에 계류시키는 단계;

   (c) 제1부양조절부를 이용하여, 상기 비행체의 중량을 감소시키거나, 상기 비행체의 부력을 증가시키거나, 상기 비행체의 중량을 감소시키면서 상기 비행체의 부력을 증가시키는 단계;

   (d) 상기 비행체를 공중에 적정 고도로 부양시키는 단계;

   (e) 제2부양조절부 또는 상기 비행체의 추진부를 이용하여, 상기 비행체의 중량을 증가시키거나, 상기 비행체의 부력을 감소시키거나, 상기 비행체의 중량을 증가시키면서 상기 비행체의 부력을 감소시키는 단계; 및

   (f) 상기 비행체와 상기 계류부 간의 연결을 해제하고 상기 케이블을 회수하는 단계;

   를 포함하는, 비행체 운용 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 (c) 단계는, 상기 제1부양조절부를 하강운동시키거나, 상기 제1부양조절부를 외부로 방출하여 상기 비행체로부터 언로딩함으로써 상기 비행체의 중량을 감소시키는 단계이고,

   상기 (e) 단계는, 상기 제2부양조절부를 승강운동시켜 상기 비행체에 로딩함으로써 상기 비행체의 중량을 증가시키거나, 상기 제2부양조절부를 외부로 방출하여 상기 비행체로부터 언로딩함으로써 상기 비행체의 부력을 감소시키는 단계인, 비행체 운용 방법.
3. (a) 비행체를 상기 비행체 하부에 위치하는 계류부 방향으로 비행시키는 단계;

   (b) 상기 비행체의 추진부로부터 공급되는 추력의 중력 방향으로 작용하는 수직 분력의 크기를 조절하여 상기 비행체를 하강시키는 단계;

   (c) 케이블에 의해 상기 비행체와 상기 계류부를 서로 연결하여 상기 비행체를 상기 계류부에 계류시키는 단계;

   (d) 상기 비행체를 공중에 적정 고도로 부양시키는 단계;

   (e) 상기 비행체의 추진부로부터 공급되는 추력의 중력 방향으로 작용하는 수직 분력의 크기를 조절하여 상기 비행체를 하강시키는 단계; 및

   (f) 상기 비행체와 상기 계류부 간의 연결을 해제하고 상기 케이블을 회수하는 단계;

   를 포함하는, 비행체 운용 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 (b) 단계 및 상기 (e) 단계는, 상기 추진부에 구비된 적어도 하나의 프로펠러의 회전축이 중력 방향에 대해 이루는 각도를 조절하거나,

   상기 수직 분력을 발생시키는 적어도 하나의 제1 프로펠러의 회전을 제어하고, 상기 수직 분력에 수직한 방향으로 작용하는 수평 분력을 발생시키는 적어도 하나의 제2 프로펠러의 회전을 제어하는 단계인, 비행체 운용 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 계류부에 계류시키는 단계는, 상기 케이블의 단부에 설치된 안내부를 이용하여 상기 계류부로 상기 케이블을 안내하는 단계를 포함하는, 비행체 운용 방법.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 계류부에 설치된 계류권취부를 회전시켜 상기 케이블을 권취하거나 상기 케이블의 권취를 해제함으로써 상기 비행체를 승하강운동시키는 단계를 더 포함하는, 비행체 운용 방법.
7. 비행 가능하며, 공중에 부양되는 비행체;

   상기 비행체 하부에 위치하는 계류부;

   상기 비행체 및 상기 계류부에 연결되며, 상기 비행체를 상기 계류부에 계류시키는 케이블; 및

   상기 비행체의 중량 및 상기 비행체의 부력 중 적어도 하나가 변하도록 상기 비행체에 로딩(loading)되거나 상기 비행체로부터 언로딩(unloading)되는 부양조절부;를 구비하는, 비행체 운용 시스템.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 부양조절부는 복수의 롤러들 및 모터를 구비하고,

   상기 복수의 롤러들이 상기 모터에 의해 회전 구동되어 상기 케이블을 따라 승하강운동을 함으로써 상기 비행체의 중량을 변화시키는, 비행체 운용 시스템.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 부양조절부는 드론을 포함하고,

   상기 드론이 승하강운동을 함으로써 상기 비행체의 중량을 변화시키는, 비행체 운용 시스템.
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 부양조절부는 상기 케이블을 권취하는 권취부를 포함하고,

    상기 권취부가 승하강운동을 함으로써 상기 비행체의 중량을 변화시키는, 비행체 운용 시스템.
11. 제 7 항에 있어서,

    상기 부양조절부는 액체 또는 모래를 포함하고,

    상기 액체 또는 상기 모래가 외부로 방출되어 상기 비행체의 중량을 감소시키는, 비행체 운용 시스템.
12. 제 7 항에 있어서,

    상기 부양조절부는 헬륨 또는 수소를 포함하고,

    상기 헬륨 또는 상기 수소가 외부로 방출되어 상기 비행체의 부력을 감소시키는, 비행체 운용 시스템.
13. 제 7 항에 있어서,

    상기 케이블의 단부에 설치되며, 상기 계류부로 상기 케이블을 안내하는 안내부를 더 구비하는, 비행체 운용 시스템.
14. 제 7 항에 있어서,

    상기 계류부에 설치되며, 상기 케이블을 권취하거나 상기 케이블의 권취를 해제하여 상기 비행체를 승하강운동시키는, 계류권취부를 더 구비하는, 비행체 운용 시스템.
15. 비행 가능하며, 공중에 부양되는 비행체;

    상기 비행체 하부에 위치하는 계류부;

    상기 비행체 및 상기 계류부에 연결되며, 상기 비행체를 상기 계류부에 계류시키는 케이블; 및

    중력 방향으로 작용하는 수직 분력을 갖는 추력을 상기 비행체에 공급할 수 있는 추진부;를 구비하는, 비행체 운용 시스템.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 추진부는 상기 수직 분력의 크기를 조절하여 상기 추력의 방향을 제어하는 추진 제어부;를 구비하는, 비행체 운용 시스템.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 추진부는 적어도 하나의 프로펠러를 구비하고,

    상기 추진 제어부는 상기 적어도 하나의 프로펠러의 회전축이 중력 방향에 대해 이루는 각도를 조절하는, 비행체 운용 시스템.
18. 제 16 항에 있어서,

    상기 추진부는,

    상기 수직 분력을 발생시키는 적어도 하나의 제1 프로펠러를 구비하고, 상기 수직 분력에 수직한 방향으로 작용하는 수평 분력을 발생시키는 적어도 하나의 제2 프로펠러를 구비하며,

    상기 추진 제어부는 상기 적어도 하나의 제1 프로펠러 및 상기 적어도 하나의 제2 프로펠러의 회전을 제어하여 상기 추력의 방향을 제어하는, 비행체 운용 시스템.
19. 제 15 항에 있어서,

    상기 케이블의 단부에 설치되며, 상기 계류부로 상기 케이블을 안내하는 안내부를 더 구비하는, 비행체 운용 시스템.
20. 제 15 항에 있어서,

    상기 계류부에 설치되며, 상기 케이블을 권취하거나 상기 케이블의 권취를 해제하여 상기 비행체를 승하강운동시키는, 계류권취부를 더 구비하는, 비행체 운용 시스템.

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