WO2021187686A1 - 전자기 추진 장치 - Google Patents

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WO2021187686A1
WO2021187686A1 PCT/KR2020/010945 KR2020010945W WO2021187686A1 WO 2021187686 A1 WO2021187686 A1 WO 2021187686A1 KR 2020010945 W KR2020010945 W KR 2020010945W WO 2021187686 A1 WO2021187686 A1 WO 2021187686A1
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WO
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propulsion
unit
reel
pushing unit
power supply
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Application number
PCT/KR2020/010945
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English (en)
French (fr)
Inventor
이창열
Original Assignee
이창열
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/40—Arrangements or adaptations of propulsion systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • H02N11/006—Motors

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to electromagnetic propulsion devices.
  • Conventional propulsion devices used in outer space include a propellant composed of a fuel and an oxidizer. Therefore, the conventional propulsion device is not only bulky and heavy, but also has disadvantages in that it cannot propel itself any more when the fuel or the oxidizer is depleted.
  • An ion engine is an engine that ionizes argon (Ar) or xenon (Xe), and then accelerates the ionized particles in an electric field to obtain thrust by recoil.
  • the ion engine has an advantage in that the efficiency is significantly higher than that of a propulsion device using a conventional propellant.
  • the current ion engine has a disadvantage that the propulsion force that can be generated is very insignificant.
  • SUMMARY Embodiments of the present invention are intended to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an electromagnetic propulsion device used in outer space.
  • the first propulsion unit may include a solenoid in which the conducting wire is wound a plurality of times on an outer circumferential surface of the first reel that is a conductor.
  • the magnitude of the current flowing through the first pushing unit may be smaller than the magnitude of the current flowing through the second pushing unit.
  • the electromagnetic propulsion device may be in the form of a quadcopter in which the four propulsion modules are arranged to form a symmetry about the main body.
  • the electromagnetic propulsion device can provide an electromagnetic propulsion device capable of flying for a long time by reducing the volume and weight of the propulsion device.
  • FIG. 1 is a plan view of an electromagnetic propulsion device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of the electromagnetic propulsion device of FIG. 1 ;
  • FIG. 3 is a view showing a propulsion module of the electromagnetic propulsion device of FIG. 1 .
  • Figure 4 is a circuit diagram of the propulsion module of Figure 1;
  • FIG. 5 is a schematic diagram of the propulsion module of FIG. 1 ;
  • FIG. 1 is a plan view of an electromagnetic propulsion device 10 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram of the electromagnetic propulsion device 10 of FIG. 1
  • FIG. 3 is the electromagnetic propulsion device 10 of FIG. 1 .
  • Figure 4 is a circuit diagram of the propulsion module 200 of Figure 1
  • Figure 5 is a schematic diagram of the propulsion module 200 of Figure 1.
  • the electromagnetic propulsion device 10 is a propulsion device used in a space where gravity is very weak, such as the upper atmosphere of the earth or outer space.
  • the electromagnetic propulsion device 10 according to an embodiment of the present invention may be an unmanned aerial vehicle (UAV).
  • UAV unmanned aerial vehicle
  • the electromagnetic propulsion device 10 according to an embodiment of the present invention will be mainly described in the case of an unmanned aerial vehicle used in outer space.
  • the electromagnetic propulsion device 10 may include a body 100 , a propulsion module 200 , and a guide 300 .
  • the body 100 is the main body of the electromagnetic propulsion device 10 .
  • the main body 100 is located at the center of gravity of the electromagnetic propulsion device 10 , and as will be described later, the propulsion module 200 and the guide 300 may be arranged to extend from the main body 100 .
  • the main body 100 may have an internal space in which electronic equipment and the like are disposed.
  • the body 100 may include a case 110 , a tilting unit 120 , a controller 130 , an AC power supply 140 , a battery 150 , and a sensor unit 160 .
  • the case 110 is a rigid body forming the frame of the body 100 .
  • the shape of the case 110 is not particularly limited, but in an embodiment of the present invention, the case 110 may have a rectangular parallelepiped shape.
  • the case 110 has an internal space, and the tilting unit 120 , the controller 130 , the AC power supply 140 , the battery 150 , the sensor unit 160 and the like are disposed in the internal space.
  • equipment for propulsion or steering of the electromagnetic propulsion device 10 may be additionally disposed in the inner space of the case 110 .
  • the tilting unit 120 may be disposed at a corner of the case 110 .
  • the tilting unit 120 is physically connected to the guide 300 .
  • the tilting unit 120 may be controlled by the controller 130 to rotate the guide 300 in at least one direction.
  • the tilting unit 120 may tilt the guide 300 about an axis parallel to the longitudinal direction of the guide 300 , or may be tilted about an axis perpendicular to the plane of FIG. 1 . That is, the tilting unit 120 may control a pitch motion and/or a yaw motion of the guide 300 or the electromagnetic propulsion device 10 .
  • the tilting unit 120 may tilt the guide 300 in a direction entering the plane of FIG. 1 or a direction coming out of the plane of FIG. 1 . That is, the tilting unit 120 may additionally control the roll movement of the guide 300 or the electromagnetic propulsion device 10 .
  • the tilting unit 120 may be controlled by a controller 130 to be described later, and may include a coupling in which a universal joint and an actuator are combined. .
  • the controller 130 may be disposed on one inner side of the case 110 , and may control the tilting unit 120 as described above. Also, as shown in FIG. 2 , the controller 130 may be connected to control the AC power supply 140 and the sensor unit 160 to be described later.
  • the controller 130 may include a memory and a processor, and in addition, may include a general configuration for controlling an electronic device.
  • the AC power supply 140 supplies power to the propulsion module 200 to be described later.
  • the AC power supply 140 may receive power from the battery 150 and supply it to the propulsion module 200 .
  • the AC power supply 140 may be a converter that receives DC electricity from the battery 150 and converts it into AC electricity.
  • the AC power supply 140 supplies the converted AC electricity to each propulsion module 200 to generate a driving force.
  • the battery 150 may be a lithium ion battery commonly used in satellites.
  • the battery 150 may be replaced with a solar cell (not shown). That is, instead of having the battery 150 inside the case 110 , a solar panel may be attached to the outside of the case 110 to generate power and supply it to the AC power supply 140 .
  • the sensor unit 160 may be disposed inside or outside the case 110 to obtain information on the current state of the electromagnetic propulsion device 10 . More specifically, the sensor unit 160 may include a camera as well as a speed sensor, an acceleration sensor, or a gravity sensor. Alternatively, the sensor unit 160 may include a star tracker for satellites.
  • Information on the current state of the electromagnetic propulsion device 10 obtained by the sensor unit 160 is transmitted to the controller 130, the controller 130 based on a preset standard and the received information AC power supply 140 By controlling the propulsion module 200 can be controlled.
  • the propulsion module 200 may be connected to the body 100 through the guide 300 . More specifically, one end of the guide 300 may be connected to the main body 100 , and the other end of the guide 300 may be connected to the propulsion module 200 .
  • the propulsion module 200 generates the propulsion force of the electromagnetic propulsion device 10 .
  • the pushing module 200 may include a housing 210 , a first pushing unit 220 , a second pushing unit 230 , and a transmission line 240 .
  • the housing 210 is a frame of the pushing module 200 , and includes an internal space in which the first pushing unit 220 , the second pushing unit 230 , and the transmission line 240 are disposed.
  • the shape of the housing 210 is not particularly limited, and the housing 210 according to an embodiment of the present invention may have a rectangular parallelepiped shape. As shown in FIG. 3 , one surface of the housing 210 may be connected to the guide 300 .
  • the first pushing unit 220 and the second pushing unit 230 are members that interact with each other and generate a driving force, and are respectively disposed inside the housing 210 .
  • the first pushing unit 220 and the second pushing unit 230 are disposed to be supported by the inner surface of the housing 210, and are spaced apart from each other by a predetermined distance.
  • the first pushing unit 220 may include a first reel 221 and a first conductive wire 222 .
  • the first reel 221 is a cylindrical member, and both end surfaces are fixed to the inner surface of the housing 210 , respectively.
  • the shape of the first reel 221 is not necessarily limited to a cylindrical shape, and may be a polyhedron including a rectangular parallelepiped.
  • the second pushing unit 230 may include a second reel 231 , a second conductive wire 232 , and a capacitor 233 .
  • the second reel 231 is a cylindrical member, and both end surfaces are fixed to the inner surface of the housing 210 , respectively.
  • the shape of the second reel 231 is not necessarily limited to a cylindrical shape, and may be a polyhedron including a rectangular parallelepiped.
  • the second reel 231 is disposed to be spaced apart from the first reel 221 . More specifically, as shown in FIG. , the second reel 231 may be disposed to be spaced apart from the first reel 221 by a predetermined interval in the height direction.
  • the capacitor 233 is disposed to replace a partial section of the second conductive line 232 . More specifically, as shown in FIG. 3 , the capacitor 233 is disposed on the outer circumferential surface of the second reel 231 and facing the first pushing unit 220 . Through this configuration, the first pushing unit 220 and the second pushing unit 230 may generate a Lorentz force applied to each other, and the propulsion module 200 may generate the propulsion force.
  • the transmission line 240 includes the AC power supply 140 and the propulsion module 200 , more specifically, the first lead 222 of the first propulsion unit 220 , and the second lead of the second propulsion unit 230 . (232) is connected.
  • the transmission line 240 extends from the AC power supply 140 disposed inside the main body 100 , passes through the inner space of the guide 300 , and the first pushing unit 220 and the second pushing unit 230 and Connected.
  • the guide 300 connects the main body 100 and the propulsion module 200 .
  • One end of the guide 300 is connected to the body 100 , more specifically, the tilting unit 120 .
  • the other end of the guide 300 is connected to the side of the propulsion module 200 . Accordingly, the guide 300 is rotated in at least one direction while the tilting unit 120 is tilted under the control of the controller 130 , and accordingly, the position of the propulsion module 200 may be changed.
  • the shape of the guide 300 is not particularly limited, and may be a polyhedron having an internal space. In one embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2 , the guide 300 may be a hollow rectangular parallelepiped rod.
  • the propulsion module 200 will be described in more detail.
  • the first pushing unit 220 and the second pushing unit 230 may each be briefly represented as a circular closed circuit (the second pushing unit 230 includes a capacitor 233, but a capacitor ( 233), considering the virtual displacement current flowing between the two pole plates, the second pushing unit 230 may also be represented as a circular closed circuit).
  • each electrode plate of the capacitor 233 receives a Lorentz force by an electric field generated while an alternating current flows through the first pushing unit 220 . More specifically, a circular electric field passing through the connection point between the positive electrode plate of the capacitor 233 and the second conductive wire 232 is generated, and when the direction of the electric field is considered, the electrode plate in which the charge Q is stored is the upper right corner in the tangential direction of the circular electric field.
  • the pole plate with charge -Q is also subjected to a force in the upper left direction, which is tangential to the circular electric field and opposite to the force received by the pole plate where the charge Q is stored. That is, the direction of the resultant force is upward.
  • the first pushing unit 220 and the second pushing unit 230 push each other receive repulsive force
  • the direction of the net force generated by the first pushing unit 220 and the second pushing unit 230 is upward, and through this configuration, the propulsion module 200 may generate a driving force in one direction.
  • the charge is repeatedly stored and consumed in the capacitor 233, and the net force according to the interaction between the first pushing unit 220 and the second pushing unit 230 is in the same direction (bottom in FIG. 5) will be directed towards At this time, the first pushing unit 220 and the second pushing unit 230 are fixed to the inner surface of the housing 210 as described above, and thus the electromagnetic propulsion device 10 can be propelled in one direction.
  • the first pushing unit 220 may be a solenoid including a first reel 221 as a conductor and a first conducting wire 222 as a coil wound a plurality of times on the outer circumferential surface of the first reel 221 . .
  • the AC power supply 140 may be connected separately for each propulsion module 200 . More specifically, the AC power supply 140 is composed of a total of four AC power supplies (140a, 140b, 140c, 140d), the propulsion module 200 also four propulsion modules (200a, 200b, 200c, 200d) can be configured. And each AC power supply (140a, 140b, 140c, 140d) may be connected to each of the propulsion module (200a, 200b, 200c, 200d).
  • the controller 130 controls each of the AC power supplies 140a, 140b, 140c, 140d (eg, the voltage applied to each of the propulsion modules 200a, 200b, 200c, 200d) control) while simultaneously controlling a yaw angle, a pitch angle and/or a roll angle of the tilting unit 120 , thereby making it easier to propel or steer the electromagnetic propulsion device 10 . and can be precisely controlled.
  • each of the AC power supplies 140a, 140b, 140c, 140d eg, the voltage applied to each of the propulsion modules 200a, 200b, 200c, 200d
  • first pushing unit 220 and the second pushing unit 230 may be connected to different AC power supplies 140 . More specifically, the first pushing unit 220 may be connected to the first AC power supply 140-1, and the second pushing unit 230 may be connected to the second AC power supply 140-2. Accordingly, by individually controlling the first pushing unit 220 and the second pushing unit 230, the propulsion force of the propulsion module 200 can be more accurately and precisely controlled. In particular, the magnitude of the voltage applied to the first pushing unit 220 may be increased to increase the magnitude of the driving force generated by the propulsion module 200 .
  • the electromagnetic propulsion device 10 may further include a phase lock circuit (not shown). That is, by synchronizing the phases of the respective voltages applied from the first AC power supply 140-1 and the second AC power supply 140-2, the phase synchronization circuit is included to reduce the loss of driving force due to the phase difference. can do.
  • the phase lock circuit is not particularly limited, and a conventionally known phase lock circuit may be used.
  • the magnitude of the current flowing through the first pushing unit 220 may be greater than the magnitude of the current flowing through the second pushing unit 230 . This can be achieved by lowering the impedance component of the first pushing unit 220 or increasing the resistance or impedance component of the second pushing unit 230 . Alternatively, as described above, it can be achieved by connecting the first pushing unit 220 and the second pushing unit 230 to different AC power supplies 140-1 and 140-2. Accordingly, the magnitude of the propulsion force generated by the propulsion module 200 may be increased.
  • the electromagnetic propulsion device 10 may be in the form of a quadcopter in which four propulsion modules 200 are symmetrically arranged around the body 100 .
  • the electromagnetic propulsion device 10 generates a propulsion force based on an electromagnetic force (Lorentz force) exchanged between the first propulsion unit 220 and the second propulsion unit 230, Alternatively, it could generate propulsion in outer space without fuel. Accordingly, the electromagnetic propulsion device 10 according to an embodiment of the present invention can significantly reduce the weight or volume of the propulsion device used in outer space, and can reduce the cost of space exploration.
  • an electromagnetic force Liperentz force
  • the electromagnetic propulsion device 10 may be used in a propulsion device used in outer space.

Landscapes

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명의 실시예들은 우주 공간에서 사용되는 전자기 추진 장치에 대한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 추진 장치는, 우주 공간에서 사용되는 전자기 추진 장치로서, 내부에 교류 전원 공급기가 배치되는 다면체 형상의 본체, 일단이 상기 본체와 연결되며, 내부에 상기 교류 전원 공급기에서 연장되는 도선이 배치되는 복수 개의 가이드, 상기 복수 개의 가이드와 동일한 개수로 배치되며, 상기 가이드의 타단과 연결되는 추진 모듈을 포함한다.

Description

전자기 추진 장치
본 발명의 실시예들은 전자기 추진 장치에 관한 것이다.
우주 공간에서 사용되는 종래의 추진 장치는 연료와 산화제로 구성되는 추진제(propellant)를 포함한다. 따라서 종래의 추진 장치는 부피가 크고 무게가 무거울 뿐만 아니라, 연로 또는 산화제가 고갈될 경우 자체적으로는 더 이상 추진을 할 수 없는 단점이 있다.
이러한 단점을 해결하기 위한 방안으로서 이온 엔진이 연구되고 있다. 이온 엔진은 아르곤(Ar) 또는 제논(Xe) 등을 이온화시킨 다음, 이온화된 입자를 전기장 안에서 가속시켜 그 반동으로 추진력을 얻는 엔진이다. 이온 엔진은 종래의 추진제를 이용하는 추진 장치에 비해 효율이 월등하게 높은 장점이 있다. 다만, 현재 이온 엔진이 생성할 수 있는 추진력은 매우 미미하다는 단점이 있다.
전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지 기술이라 할 수는 없다.
본 발명의 실시예들은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 우주 공간에서 사용되는 전자기 추진 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 추진 장치는 우주 공간에서 사용되는 전자기 추진 장치로서, 내부에 교류 전원 공급기가 배치되는 다면체 형상의 본체, 일단이 상기 본체와 연결되며, 내부에 상기 교류 전원 공급기에서 연장되는 도선이 배치되는 복수 개의 가이드, 상기 복수 개의 가이드와 동일한 개수로 배치되며, 상기 가이드의 타단과 연결되는 추진 모듈을 포함하고, 상기 추진 모듈은 일측이 상기 가이드의 타단과 연결되며, 내부 공간을 구비하는 직육면체 형상의 하우징, 상기 교류 전원 공급기와 연결되며, 전류 I=I1cosωt가 흐르는 제1 추진 유닛 및 상기 제1 추진 유닛과 동일한 위상을 갖도록 상기 교류 전원 공급기와 연결되며, 전류 I=I2cosωt가 흐르는 제2 추진 유닛을 포함하고, 상기 제1 추진 유닛은 상기 하우징의 내측면에 지지되는 원기둥 형상의 제1 릴 및 상기 제1 릴의 외주면에 감겨진 제1 도선을 포함하고, 상기 제2 추진 유닛은 상기 추진 모듈의 추진 방향으로 상기 제1 릴과 이격하여 배치되며, 상기 하우징의 내측면에 지지되는 원기둥 형상의 제2 릴, 상기 제2 릴의 외주면에 감겨진 제1 도선 및 상기 제1 릴을 지향하도록 배치되는 축전기를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 추진 장치에 있어서, 상기 제1 추진 유닛은 도체인 상기 제1 릴의 외주면에 상기 도선이 복수 회 감겨진 솔레노이드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 추진 장치에 있어서, 상기 제1 추진 유닛에 흐르는 전류의 크기는 상기 제2 추진 유닛에 흐르는 전류의 크기보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 추진 장치에 있어서, 상기 전자기 추진 장치는 4개의 상기 추진 모듈이 상기 본체를 중심으로 대칭을 이루도록 배치되는 쿼드콥터 형태일 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 추진 장치는 추진 장치의 부피와 무게를 줄여, 장시간 동안 비행할 수 있는 전자기 추진 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 추진 장치의 평면도이다.
도 2는 도 1의 전자기 추진 장치의 블록도이다.
도 3은 도 1의 전자기 추진 장치의 추진 모듈을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 추진 모듈의 회로도이다.
도 5는 도 1의 추진 모듈의 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 추진 장치는 우주 공간에서 사용되는 전자기 추진 장치로서, 내부에 교류 전원 공급기가 배치되는 다면체 형상의 본체, 일단이 상기 본체와 연결되며, 내부에 상기 교류 전원 공급기에서 연장되는 도선이 배치되는 복수 개의 가이드, 상기 복수 개의 가이드와 동일한 개수로 배치되며, 상기 가이드의 타단과 연결되는 추진 모듈을 포함하고, 상기 추진 모듈은 일측이 상기 가이드의 타단과 연결되며, 내부 공간을 구비하는 직육면체 형상의 하우징, 상기 교류 전원 공급기와 연결되며, 전류 I=I1cosωt가 흐르는 제1 추진 유닛 및 상기 제1 추진 유닛과 동일한 위상을 갖도록 상기 교류 전원 공급기와 연결되며, 전류 I=I2cosωt가 흐르는 제2 추진 유닛을 포함하고, 상기 제1 추진 유닛은 상기 하우징의 내측면에 지지되는 원기둥 형상의 제1 릴 및 상기 제1 릴의 외주면에 감겨진 제1 도선을 포함하고, 상기 제2 추진 유닛은 상기 추진 모듈의 추진 방향으로 상기 제1 릴과 이격하여 배치되며, 상기 하우징의 내측면에 지지되는 원기둥 형상의 제2 릴, 상기 제2 릴의 외주면에 감겨진 제1 도선 및 상기 제1 릴을 지향하도록 배치되는 축전기를 포함한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 발명의 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시예로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면들에 도시된 본 발명에 관한 실시예들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 추진 장치(10)의 평면도이고, 도 2는 도 1의 전자기 추진 장치(10)의 블록도이고, 도 3은 도 1의 전자기 추진 장치(10)의 추진 모듈(200)을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 1의 추진 모듈(200)의 회로도이고, 도 5는 도 1의 추진 모듈(200)의 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 추진 장치(10)는 지구 대기 상층부 또는 우주 공간과 같이 중력이 매우 약한 공간에서 사용되는 추진 장치이다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 추진 장치(10)는 무인기(Unmanned Aerial Vehicle; UAV)일 수 있다. 이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 추진 장치(10)는 우주 공간에서 사용되는 무인기인 경우를 중심으로 설명한다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 추진 장치(10)는 본체(100)와, 추진 모듈(200)과, 가이드(300)를 포함할 수 있다.
본체(100)는 전자기 추진 장치(10)의 메인 바디이다. 본체(100)는 전자기 추진 장치(10)의 무게 중심에 위치하며, 후술하는 바와 같이 본체(100)에서 추진 모듈(200)과 가이드(300)가 연장되도록 배치될 수 있다. 본체(100)는 전자 장비 등이 배치되는 내부 공간을 구비할 수 있다.
본체(100)는 케이스(110)와, 틸팅 유닛(120)과, 컨트롤러(130)와, 교류 전원 공급기(140)와, 배터리(150)와, 센서 유닛(160)을 포함할 수 있다.
케이스(110)는 본체(100)의 프레임을 형성하는 강체이다. 케이스(110)의 형상은 특별히 한정하지 않으나, 본 발명의 일 실시예에서 케이스(110)는 직육면체 형상을 가질 수 있다. 케이스(110)는 내부 공간을 구비하며, 내부 공간에는 틸팅 유닛(120)과, 컨트롤러(130)와, 교류 전원 공급기(140)와, 배터리(150)와, 센서 유닛(160) 등이 배치될 수 있다. 그 외에도 도면에 도시하지는 않았으나 전자기 추진 장치(10)의 추진 또는 조향을 위한 장비가 케이스(110)의 내부 공간에 추가로 배치될 수 있다.
틸팅 유닛(120)은 케이스(110)의 모서리에 배치될 수 있다. 틸팅 유닛(120)은 가이드(300)와 물리적으로 연결된다. 틸팅 유닛(120)은 컨트롤러(130)에 의해 제어되어, 가이드(300)를 적어도 어느 한 방향으로 회전시킬 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 틸팅 유닛(120)은 가이드(300)를 가이드(300)의 길이 방향과 평행한 축을 중심으로 틸팅시키거나, 도 1의 평면에 수직인 축을 중심으로 틸팅시킬 수 있다. 즉, 틸팅 유닛(120)은 가이드(300) 또는 전자기 추진 장치(10)의 피치(pitch) 운동 및/또는 요(yaw) 운동을 제어할 수 있다.
다른 실시예로, 도면에 나타내지는 않았으나, 틸팅 유닛(120)은 가이드(300)를 도 1의 평면으로 들어가는 방향 또는 도 1의 평면에서 나오는 방향으로도 틸팅시킬 수 있다. 즉, 틸팅 유닛(120)은 가이드(300) 또는 전자기 추진 장치(10)의 롤(roll) 운동을 추가로 제어할 수 있다.
전술한 바와 같은 운동을 제어하기 위해, 틸팅 유닛(120)은 후술하는 컨트롤러(130)에 의해 제어될 수 있으며, 유니버셜 조인트(universal joint) 및 액추에이터(actuator)가 결합된 커플링을 포함할 수 있다.
컨트롤러(130)는 케이스(110)의 내부 일측에 배치될 수 있으며, 전술한 바와 같이 틸팅 유닛(120)을 제어할 수 있다. 또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 컨트롤러(130)는 후술하는 교류 전원 공급기(140) 및 센서 유닛(160)을 제어하도록 연결될 수 있다. 컨트롤러(130)는 메모리 및 프로세서를 포함할 수 있으며, 그 외에 전자 장치를 제어하기 위한 통상의 구성을 포함할 수 있다.
교류 전원 공급기(140)는 후술하는 추진 모듈(200)에 전원을 공급한다. 일 실시예로, 교류 전원 공급기(140)는 배터리(150)로부터 전력을 공급받고, 이를 추진 모듈(200)로 공급할 수 있다.
보다 구체적으로, 교류 전원 공급기(140)는 배터리(150)로부터 직류 전기를 공급받고, 이를 교류 전기로 변환하는 컨버터(converter)일 수 있다. 교류 전원 공급기(140)는 변환된 교류 전기를 각각의 추진 모듈(200)로 공급하여, 추진력을 발생시킨다. 이때, 교류 전원 공급기(140)에서 공급되는 교류 전기의 전압 위상은 V=V0sinωt일 수 있다.
배터리(150)는 인공위성에 일반적으로 사용되는 리튬 이온 배터리일 수 있다.
다른 실시예로, 배터리(150)는 태양전지(미도시)로 대체될 수 있다. 즉, 케이스(110)의 내부에 배터리(150)를 구비하는 대신 케이스(110) 외부에 태양전지판을 부착하여, 전력을 생산하고 이를 교류 전원 공급기(140)로 공급할 수 있다.
센서 유닛(160)은 케이스(110)의 내부 또는 외부에 배치되어, 전자기 추진 장치(10)의 현재 상태에 대한 정보를 획득할 수 있다. 보다 구체적으로, 센서 유닛(160)은 속도 센서, 가속도 센서 또는 중력 센서뿐만 아니라 카메라를 포함할 수 있다. 또는 센서 유닛(160)은 인공위성용 별추적기(star tracker)를 포함할 수 있다.
센서 유닛(160)이 획득한 전자기 추진 장치(10)의 현재 상태에 대한 정보는 컨트롤러(130)로 전달되며, 컨트롤러(130)는 미리 설정된 기준과 전달받은 정보에 기초하여 교류 전원 공급기(140)를 제어함으로써 추진 모듈(200)을 제어할 수 있다.
추진 모듈(200)은 가이드(300)를 통해 본체(100)와 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 가이드(300)의 일단은 본체(100)와 연결되며, 가이드(300)의 타단은 추진 모듈(200)과 연결될 수 있다. 추진 모듈(200)은 전자기 추진 장치(10)의 추진력을 생성한다.
추진 모듈(200)은 하우징(210)과, 제1 추진 유닛(220)과, 제2 추진 유닛(230)과, 전송 선로(240)를 포함할 수 있다.
하우징(210)은 추진 모듈(200)의 프레임으로서, 제1 추진 유닛(220)과, 제2 추진 유닛(230)과, 전송 선로(240)가 배치되는 내부 공간을 구비한다. 하우징(210)의 형상은 특별히 한정하지 않으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 하우징(210)은 직육면체 형상을 가질 수 있다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 하우징(210)의 일면은 가이드(300)와 연결될 수 있다.
제1 추진 유닛(220)과 제2 추진 유닛(230)은 서로 상호 작용하며 추진력을 생성하는 부재로서, 하우징(210)의 내부에 각각 배치된다. 제1 추진 유닛(220)과 제2 추진 유닛(230)은 하우징(210)의 내측면에 의해 지지되도록 배치되며, 서로 소정의 거리만큼 이격된다.
제1 추진 유닛(220)은 제1 릴(221)과, 제1 도선(222)을 포함할 수 있다.
제1 릴(221)은 원기둥 형상의 부재로서, 양 단면은 각각 하우징(210)의 내측면에 고정된다. 제1 릴(221)의 형상은 반드시 원기둥 형상에 한정하지는 않으며, 직육면체를 포함하는 다면체일 수 있다.
제1 도선(222)은 제1 릴(221)의 외주면에 적어도 1회 이상 감겨질 수 있다. 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 제1 도선(222)의 양단은 각각 전송 선로(240)와 연결되며, 이들 전송 선로(240)는 가이드(300)의 내부를 통과해 교류 전원 공급기(140)와 연결된다. 이에 따라, 제1 추진 유닛(220)에는 교류 전류가 흐를 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 추진 유닛(220)에는 I=I1cosωt의 전류가 흐를 수 있다.
제2 추진 유닛(230)은 제2 릴(231)과, 제2 도선(232)과, 축전기(233)를 포함할 수 있다.
제2 릴(231)은 원기둥 형상의 부재로서, 양 단면은 각각 하우징(210)의 내측면에 고정된다. 제2 릴(231)의 형상은 반드시 원기둥 형상에 한정하지는 않으며, 직육면체를 포함하는 다면체일 수 있다.
제2 릴(231)은 제1 릴(221)과 이격하여 배치된다. 보다 구체적으로, 도 에 나타낸 바와 같이, 제2 릴(231)은 제1 릴(221)으로부터 높이 방향으로 소정의 간격만큼 이격하여 배치될 수 있다.
제2 도선(232)은 제2 릴(231)의 외주면에 적어도 1회 이상 감겨질 수 있다. 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 제2 도선(232)의 양단은 각각 전송 선로(240)와 연결되며, 이들 전송 선로(240)는 가이드(300)의 내부를 통과해 교류 전원 공급기(140)와 연결된다. 이에 따라, 제2 추진 유닛(230)에는 교류 전류가 흐를 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 추진 유닛(230)에는 I=I2cosωt의 전류가 흐를 수 있다.
축전기(233)는 제2 도선(232)의 일부 구간을 대체하도록 배치된다. 보다 구체적으로, 도 3에 나타낸 바와 같이, 축전기(233)는 제2 릴(231)의 외주면 상에, 그리고 제1 추진 유닛(220)을 지향하도록 배치된다. 이와 같은 구성을 통해, 제1 추진 유닛(220)과 제2 추진 유닛(230)이 서로에게 가하는 로렌츠 힘(Lorentz force)이 발생하고, 추진 모듈(200)이 추진력을 생성할 수 있다.
전송 선로(240)는 교류 전원 공급기(140)와 추진 모듈(200), 보다 구체적으로는 제1 추진 유닛(220)의 제1 도선(222)과, 제2 추진 유닛(230)의 제2 도선(232)을 연결한다. 전송 선로(240)는 본체(100)의 내부에 배치되는 교류 전원 공급기(140)에서 연장되어, 가이드(300)의 내부 공간을 지나 제1 추진 유닛(220) 및 제2 추진 유닛(230)과 연결된다.
가이드(300)는 본체(100)와 추진 모듈(200)을 연결한다. 가이드(300)의 일단은 본체(100), 보다 구체적으로는 틸팅 유닛(120)과 연결된다. 가이드(300)의 타단은 추진 모듈(200)의 측면과 연결된다. 이에 따라, 컨트롤러(130)의 제어에 의해 틸팅 유닛(120)이 틸팅되면서 가이드(300)가 적어도 어느 한 방향으로 회전하게 되고, 이에 따라 추진 모듈(200)의 위치가 변경될 수 있다.
가이드(300)의 형상은 특별히 한정하지 않으며, 내부 공간을 구비하는 다면체일 수 있다. 일 실시예로, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 가이드(300)는 중공의 직육면체 막대일 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하며, 추진 모듈(200)에 대해 보다 상세히 설명한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 추진 유닛(220)과 제2 추진 유닛(230)을 각각 원형 폐회로로 간략히 나타낼 수 있다(제2 추진 유닛(230)은 축전기(233)를 포함하지만, 축전기(233)의 양 극판 사이를 흐르는 가상의 변위 전류를 고려했을 때, 제2 추진 유닛(230) 또한 원형 폐회로로 나타낼 수 있다).
전술한 바와 같이, 제1 추진 유닛(220)에는 I=I1cosωt의 전류가 흐르고, 제2 추진 유닛(230)에는 I=I2cosωt의 전류가 흐른다. 또한, 제2 추진 유닛(230)의 축전기(233)에는 각각 Q=Q0sinωt, -Q의 전하가 저장된 상태이다.
이 상태에서, 제1 추진 유닛(220)에 교류 전류가 흐르면서 생성되는 전기장에 의해, 축전기(233)의 각 극판이 로렌츠 힘을 받게 된다. 보다 구체적으로, 축전기(233)의 양 극판과 제2 도선(232)의 연결점을 지나는 원형 전기장이 생성되고, 전기장의 방향을 고려했을 때, 전하 Q가 저장된 극판은 원형 전기장의 접선 방향인 우측 상단으로 힘을 받고, 전하 -Q가 저장된 극판도 원형 전기장의 접선 방향이면서 전하 Q가 저장된 극판이 받는 힘과 반대 방향인 좌측 상단으로 힘을 받게 된다. 즉, 힘의 합력의 방향은 윗쪽을 향하게 된다.
또한, 제1 추진 유닛(220)과 제2 추진 유닛(230)이 생성하는 자기장에 다른 자기 쌍극자 모멘트의 방향을 고려하면 제1 추진 유닛(220)과 제2 추진 유닛(230)은 서로를 밀어내는 척력을 받는다.
따라서 제1 추진 유닛(220)과 제2 추진 유닛(230)이 만들어내는 알짜힘의 방향은 윗쪽을 나타내며, 이와 같은 구성을 통해 추진 모듈(200)은 일방향으로 추진력을 발생할 수 있다.
이는 제2 추진 유닛(230)이 제1 추진 유닛(220)에 가하는 힘은 축전기(233)를 포함하지 않는 경우와 동일하지만(동일한 크기의 전류가 흐르므로 그에 따른 자기 쌍극자 모멘트의 크기도 동일), 제2 추진 유닛(230)의 제2 도선(232)의 일부가 축전기(233)로 대체되었기 때문에 제1 추진 유닛(220)이 제2 추진 유닛(230)에 가하는 힘(로렌츠 힘)은 대체된 도선의 길이만큼 감소되기 때문이다.
일 실시예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 추진 유닛(220)과 제2 추진 유닛(230)은 동일한 위상의 전압이 인가될 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이, 교류 전원 공급기(140)의 전압의 위상이 V=V0sinωt이고, 제1 추진 유닛(220)과 제2 추진 유닛(230)은 모두 교류 전원 공급기(140)에 연결되어 회로를 형성하므로, 동일한 위상의 전류가 흐르게 된다(I=I1cosωt, I=I2cosωt).
이에 따라, 전하가 축전기(233)에 저장 및 소비되는 것을 반복하게 되고, 제1 추진 유닛(220)과 제2 추진 유닛(230)의 상호 작용에 따른 알짜힘은 동일한 방향(도 5의 아랫쪽)을 향하게 된다. 이때, 제1 추진 유닛(220)과 제2 추진 유닛(230)은 전술한 바와 같이 하우징(210)의 내측면에 고정된 상태이고, 따라서 전자기 추진 장치(10)는 일방향으로 추진할 수 있다.
다른 실시예로, 제1 추진 유닛(220)은 도체인 제1 릴(221)과, 제1 릴(221)의 외주면에 복수 회 감겨진 코일인 제1 도선(222)으로 이루어지는 솔레노이드일 수 있다.
다른 실시예로, 교류 전원 공급기(140)는 각각의 추진 모듈(200)에 대해 개별적으로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 교류 전원 공급기(140)는 총 4개의 교류 전원 공급기(140a, 140b, 140c, 140d)로 구성되고, 추진 모듈(200) 또한 4개의 추진 모듈(200a, 200b, 200c, 200d)로 구성될 수 있다. 그리고 각각의 교류 전원 공급기(140a, 140b, 140c, 140d)는 각각의 추진 모듈(200a, 200b, 200c, 200d)과 연결될 수 있다.
이와 같은 구성을 통해, 컨트롤러(130)가 각각의 교류 전원 공급기(140a, 140b, 140c, 140d)를 제어(예를 들어, 각각의 추진 모듈(200a, 200b, 200c, 200d)에 인가되는 전압을 제어)하면서, 동시에 틸팅 유닛(120)의 요 각도(yaw angle), 피치 각도(pitch angle) 및/또는 롤 각도(roll angle)을 제어함으로써, 전자기 추진 장치(10)의 추진 또는 조향을 보다 용이하고 세밀하게 제어할 수 있다.
다른 실시예로, 제1 추진 유닛(220)과 제2 추진 유닛(230)은 서로 다른 교류 전원 공급기(140)와 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 추진 유닛(220)은 제1 교류 전원 공급기(140-1), 제2 추진 유닛(230)은 제2 교류 전원 공급기(140-2)와 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 추진 유닛(220)과 제2 추진 유닛(230)을 개별적으로 제어하여, 추진 모듈(200)의 추진력을 보다 정확하고 세밀하게 제어할 수 있다. 특히, 제1 추진 유닛(220)에 인가되는 전압의 크기를 높여, 추진 모듈(200)에서 발생되는 추진력의 크기를 높일 수 있다.
이 경우, 전자기 추진 장치(10)는 위상 동기 회로(미도시)를 추가로 포함할 수 있다. 즉, 제1 교류 전원 공급기(140-1)와 제2 교류 전원 공급기(140-2)에서 인가되는 각각의 전압의 위상을 동기화시켜, 위상차에 의한 추진력의 손실을 줄이도록 상기 위상 동기 회로를 포함할 수 있다. 상기 위상 동기 회로는 특별히 한정하지 않으며, 종래 사용되는 공지의 위상 동기 회로가 사용될 수 있다.
일 실시예로, 제1 추진 유닛(220)에 흐르는 전류의 크기는 제2 추진 유닛(230)에 흐르는 크기보다 클 수 있다. 이는 제1 추진 유닛(220)의 임피던스 성분을 낮추거나 제2 추진 유닛(230)의 저항 또는 임피던스 성분을 높임으로써 달성할 수 있다. 또는, 전술한 바와 같이 제1 추진 유닛(220)과 제2 추진 유닛(230)을 서로 다른 교류 전원 공급기(140-1, 140-2)에 연결시켜 달성할 수 있다. 이에 따라, 추진 모듈(200)이 발생하는 추진력의 크기를 높일 수 있다.
일 실시예로, 본 발명에 따른 전자기 추진 장치(10)는 4개의 추진 모듈(200)이 본체(100)를 중심으로 대칭을 이루도록 배치되는 쿼드콥터(quarcopter) 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 추진 장치(10)는 제1 추진 유닛(220)과 제2 추진 유닛(230)이 주고 받는 전자기적 힘(로렌츠 힘)에 기초하여 추진력을 생성함으로써, 산소제 또는 연료 없이도 우주 공간에서 추진력을 생성할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 추진 장치(10)는 우주 공간에서 사용되는 추진 장치의 무게 또는 부피를 획기적으로 줄일 수 있으며, 우주 탐사에 소요되는 비용을 저감할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 추진 장치(10)는 우주 공간에서 사용되는 추진 장치에 이용될 수 있다.

Claims (4)

  1. 우주 공간에서 사용되는 전자기 추진 장치로서,
    내부에 교류 전원 공급기가 배치되는 다면체 형상의 본체;
    일단이 상기 본체와 연결되며, 내부에 상기 교류 전원 공급기에서 연장되는 도선이 배치되는 복수 개의 가이드;
    상기 복수 개의 가이드와 동일한 개수로 배치되며, 상기 가이드의 타단과 연결되는 추진 모듈;을 포함하고,
    상기 추진 모듈은
    일측이 상기 가이드의 타단과 연결되며, 내부 공간을 구비하는 직육면체 형상의 하우징;
    상기 교류 전원 공급기와 연결되며, 전류 I=I1cosωt가 흐르는 제1 추진 유닛; 및
    상기 제1 추진 유닛과 동일한 위상을 갖도록 상기 교류 전원 공급기와 연결되며, 전류 I=I2cosωt가 흐르는 제2 추진 유닛;을 포함하고,
    상기 제1 추진 유닛은
    상기 하우징의 내측면에 지지되는 원기둥 형상의 제1 릴; 및
    상기 제1 릴의 외주면에 감겨진 제1 도선;을 포함하고,
    상기 제2 추진 유닛은
    상기 추진 모듈의 추진 방향으로 상기 제1 릴과 이격하여 배치되며, 상기 하우징의 내측면에 지지되는 원기둥 형상의 제2 릴;
    상기 제2 릴의 외주면에 감겨진 제1 도선; 및
    상기 제1 릴을 지향하도록 배치되는 축전기;를 포함하는, 전자기 추진 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 추진 유닛은
    도체인 상기 제1 릴의 외주면에 상기 도선이 복수 회 감겨진 솔레노이드를 포함하는, 전자기 추진 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 추진 유닛에 흐르는 전류의 크기는 상기 제2 추진 유닛에 흐르는 전류의 크기보다 작은, 전자기 추진 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 전자기 추진 장치는
    4개의 상기 추진 모듈이 상기 본체를 중심으로 대칭을 이루도록 배치되는 쿼드콥터 형태인, 전자기 추진 장치.
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