KR101938459B1

KR101938459B1 - 비행체

Info

Publication number: KR101938459B1
Application number: KR1020160171919A
Authority: KR
Inventors: 이정훈
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2019-01-14
Anticipated expiration: 2036-12-15
Also published as: US20190375492A1; US11203412B2; KR20180069594A; WO2018110987A1

Abstract

일 실시예에 따른 비행체는, 동체; 상기 동체의 양 측으로부터 스팬 방향으로 연장하는 주날개; 상기 주날개의 내부에 회전 가능하게 장착된 회전익; 및 상기 주날개에 개폐 가능하게 설치되고 외부에 대하여 상기 회전익을 개방 또는 폐쇄시키는 개폐부를 포함할 수 있다.

Description

비행체{AIRCRAFT}

이하, 실시예들은 비행체에 관한 것이다.

고속 비행이 가능하고 체공 성능이 우수하나, 긴 활주로와 이착륙을 위한 별도의 부대 시설 등을 필요로 하는 주날개 항공기와, 주변 환경이나 위치에 구애 받지 않고 자유롭게 이착륙이 가능하고 공중 정지 비행이 가능하나, 고속 비행이 어렵고 비행 안정성과 체공 성능 및 운항 거리 등에서 상대적으로 열등한 회전익 항공기에서 장점을 취하고 단점을 해결하는 여러가지 종류의 비행체들이 개발되고 있다.

예를 들어, 미국 등록특허공보 제7,410,122호는 접합 날개에서 승강 팬들을 구비한 VTOL UAV(VTOL UAV WITH LIFT FANS IN JOINED WINGS)을 개시한다.

일 실시예에 따른 목적은 수직 이착륙, 공중정지비행 및 전진비행을 가능하게 하는 비행체를 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 비행 자세를 제어할 수 있는 비행체를 제공하는 것이다.

상기 개폐부는, 상기 회전익의 상부에 배치되고 기준면에 대하여 틸팅 가능한 상부 개폐 부재; 및 상기 회전익의 하부에 배치되고 상기 기준면에 대하여 틸팅 가능한 하부 개폐 부재를 포함할 수 있다.

상기 상부 개폐 부재 및 상기 하부 개폐 부재 중 적어도 하나는, 상기 동체의 양 측으로부터 상기 주날개의 스팬 방향으로 연장하도록 형성되거나, 상기 주날개의 시위 방향으로 연장하도록 형성될 수 있다.

상기 비행체는, 상기 동체의 기수 부분 및 상기 동체의 후미 부분 중 적어도 하나에 배치되고 기준면에 대하여 회전 가능하게 및 틸팅 가능하게 상기 동체에 설치된 회전부재를 더 포함할 수 있다.

상기 주날개는, 상기 동체의 상부를 향하여 또는 상기 동체의 하부를 향하여 절첩되는 아웃보드를 더 포함할 수 있다.

상기 회전익은, 상기 동체에 설치되는 덕트와, 말단부가 상기 덕트에 회전 가능하게 연결되는 프로펠러를 포함할 수 있고, 상기 프로펠러는, 상기 프로펠러의 길이 방향의 축에 대하여 틸팅 가능할 수 있다.

일 실시예에 따른 비행체는, 동체; 상기 동체의 양 측으로부터 스팬 방향으로 연장하는 주날개; 상기 주날개의 내부에 회전 가능하게 장착된 회전익; 상기 회전익의 상부에 배치되고 기준면에 대하여 틸팅 가능한 상부 개폐 부재; 상기 회전익의 하부에 배치되고 상기 기준면에 대하여 틸팅 가능한 하부 개폐 부재; 및 외부에 대하여 상기 회전익을 개방 또는 폐쇄하도록 상기 상부 개폐 부재 및 상기 하부 개폐 부재 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 상부 개폐 부재와 상기 하부 개폐 부재를 개별적으로 상기 기준면에 대하여 틸팅시켜 비행체의 자세를 제어할 수 있다.

상기 비행체는, 상기 동체를 기준으로 상기 동체의 일 측에 회전 가능하게 설치되는 제1회전부재; 및 상기 동체를 기준으로 상기 동체의 타 측에 회전 가능하게 설치되는 제2회전부재를 더 포함할 수 있고, 상기 제어부는, 상기 제1회전부재 및 상기 제2회전부재 중 적어도 하나를 상기 기준면에 대하여 틸팅시킬 수 있다.

일 실시예에 따른 비행체는 수직 이착륙, 공중정지비행 및 전진비행을 가능하게 할 수 있다.

일 실시예에 따른 비행체는 비행 자세를 제어할 수 있다.

일 실시예에 따른 비행체의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 일 실시예에 따른 비행체를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 비행체가 수직 이착륙 또는 공중정지비행 시의 자세를 나타낸 측면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 비행체가 전진비행 시의 자세를 나타낸 측면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 비행체가 전진비행 시의 자세를 나타낸 측면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 비행체가 전진비행 시의 자세를 나타낸 측면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 주날개의 아웃보드를 나타낸 정면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 회전부재의 일부를 확대한 확대도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 비행체가 수직 이착륙 또는 공중정지비행 시 자세를 제어하는 방식을 나타낸 저면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 비행체를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

이하, 실시예들을 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, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 실시예의 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 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1 내지 도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 비행체(1)는, 동체(11), 주날개(12), 회전익(13), 개폐부(14), 회전부재(15), 아웃보드(16) 및 꼬리날개(17)를 포함할 수 있다. 비행체(1)에 대한 설명에 앞서, 본원에서 설명할 용어를 간략하게 설명하면, 피치(pitch) 방향이란 주날개(12)의 스팬 방향에 대하여 비행체(1)의 회전 방향을 말하고, 롤(roll) 방향이란 주날개(12)의 시위 방향에 대하여 비행체(1)의 회전 방향을 말하고, 요(yaw) 방향이란 피치 방향과 롤 방향에 각각 교차하는 비행체(1)의 회전 방향을 말한다.

동체(11)는, 비행체(1)의 중심이 되는 부분으로서, 비행체(1)의 무게 중심과 회전 중심을 구비할 수 있다.

주날개(fixed wing, 12)은, 동체(11)에 고정되어 양력을 획득할 수 있다. 주날개(12)은, 동체(11)의 양 측으로부터 스팬 방향으로 연장하여 비행체(1)의 자세를 유지할 수 있다. 여기서, 스팬 방향이란 주날개(12)의 일단으로부터 말단으로 향하는 방향을 말한다.

회전익(rotary wing, 13)은, 회전축에 설치되어 회전축 주위에 회전운동을 하면서 양력을 발생시킬 수 있다. 회전익(13)은, 주날개(12)의 내부에 회전 가능하게 장착될 수 있다. 회전익(13)은, 덕트(131)와, 프로펠러(132)를 포함할 수 있다.

덕트(131)는, 내부에 공기와 같은 유체를 이동시키는 유동 통로로서, 동체(11)에 설치되어 비행체(1)의 공기역학적 효율을 향상시킬 수 있다. 프로펠러(132)는, 프로펠러(132)의 길이 방향의 축에 대하여 틸팅 가능할 수 있다. 예를 들어, 프로펠러(132)는, 로터(rotor), 팬(fan)의 베인(vane) 등일 수 있다. 프로펠러(132)는, 덕트(131)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 프로펠러(132)의 피치각(pitch angle)을 조절할 수 있고, 프로펠러(132)가 회전축을 중심으로 회전할 때 회전되는 프로펠러(132)의 상하부로의 변위(displacement)에 의하여 프로펠러(132)의 말단부가 주날개(12) 또는 개폐부(14)와의 충돌을 방지할 수 있다.

개폐부(14)는, 비행체(1)의 외부, 즉 비행체(1)의 주변 환경(surrounding environment)에 대하여 회전익(13)을 개방 또는 폐쇄시킬 수 있다. 개폐부(14)는, 주날개(12)에 개폐 가능하게 설치될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 회전익(13)을 비행체(1)의 외부에 대하여 개방함으로써, 비행체(1)는 기준면에 대하여 수직이착륙 및 공중정지비행을 할 수 있고, 회전익(13)을 비행체(1)의 외부에 대하여 폐쇄함으로써, 비행체(1)는 기준면 상에서 생성된 추진력에 의하여 전진비행을 할 수 있다. 개폐부(14)는, 상부 개폐 부재(141) 및 하부 개폐 부재(142)를 포함할 수 있다.

상부 개폐 부재(141)는, 기준면에 대하여 틸팅 가능할 수 있고, 회전익(13)의 상부에 배치될 수 있다. 하부 개폐 부재(142)는, 기준면에 대하여 틸팅 가능할 수 있고, 회전익(13)의 하부에 배치될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 비행체(1)의 상부의 공기가 상부 개폐 부재(141)의 개방에 의하여 회전익(13)으로 유동되고, 하부 개폐 부재(142)의 개방에 의하여 회전익(13)으로 유동된 공기가 비행체(1)의 하부로 유동될 수 있다. 이 경우, 상부 개폐 부재(141)와 하부 개폐 부재(142)가 기준면에 대하여 특정 각도로 틸팅되는지에 따라 비행체(1)의 자세가 제어될 수 있고, 이에 따라 비행체(1)의 수직 이착륙, 공중정지비행, 전진비행 등이 가능할 수 있다.

상부 개폐 부재(141) 및 하부 개폐 부재(142) 중 적어도 하나는, 동체(11)의 양 측으로부터 주날개(12)의 스팬 방향으로 연장하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부 개폐 부재(141) 및 하부 개폐 부재(142) 중 적어도 하나는, 복수개의 해치(hatch)일 수 있고, 주날개(12)에 힌지 연결될 수 있다. 다시 말하면, 상부 개폐 부재(141) 및 하부 개폐 부재(142) 모두가 주날개(12)의 스팬 방향으로 연장하도록 형성되거나, 상부 개폐 부재(141) 및 하부 개폐 부재(142) 모두가 주날개(12)의 시위 방향으로 연장하도록 형성되거나, 상부 개폐 부재(141)가 주날개(12)의 스팬 방향으로 연장하도록 형성되고 하부 개폐 부재(142)가 주날개(12)의 시위 방향으로 연장하도록 형성되거나, 상부 개폐 부재(141)가 주날개(12)의 시위 방향으로 연장하도록 형성되고 하부 개폐 부재(142)가 주날개(12)의 스팬 방향으로 연장하도록 형성될 수 있다. 여기서, 시위 방향(chord direction)이란 주날개(12)의 측단면도를 가정하였을 경우 주날개(12)의 전연(leading edge)과 후연(trailing edge)을 잇는 가상선의 길이 방향을 말한다. 이와 같은 구조에 의하면, 비행체(1)가 전진비행 시, 공압에 의하여 상부 개폐 부재(141) 및 하부 개폐 부재(142)를 폐쇄할 수 있다.

회전부재(15)는, 동체(11)에 설치되어 기준면에 대하여 회전 가능하게 및 틸팅(tilting) 가능할 수 있다. 여기서, 기준면은, 비행체(1)가 활주하는 활주로, 도로 또는 공중의 가상면(virtual surface)일 수 있다. 예를 들어, 회전부재(15)는, 회전익(13)과 마찬가지로, 덕트와, 덕트에 회전 가능하게 연결된 프로펠러를 포함할 수 있다. 이러한 회전부재(15)는, 동체(11)의 기수 부분 및 동체(11)의 후미 부분 중 적어도 하나에 배치될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 회전부재(15)가 비행체(1)의 피치(pitch) 및/또는 롤(roll) 방향에 대하여 회전 및/또는 틸트(tilt)됨으로써, 비행체(1)는 전방비행 시 추진력을 얻거나, 공중비행 시 자세를 유지할 수 있다. 이러한 회전부재(15)는, 제1회전부재(151) 및 제2회전부재(152)의 복수개가 마련될 수 있다.

제1회전부재(151)는, 동체(11)를 기준으로 동체(11)의 일 측에 회전 가능하게 설치될 수 있고, 제2회전부재(152)는, 동체(11)를 기준으로 제1회전부재(151)에 대향하게 동체(11)의 타 측에 회전 가능하게 설치될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 제1회전부재(151)와 제2회전부재(152)가 기준면에 대하여 틸팅 가능하게 조절됨으로써, 비행체(1)의 좌우 추력 차이에 의한 비행체(1)의 요(yaw) 자세를 제어할 수 있다.

아웃보드(16)는, 동체(11)의 상부를 향하여 또는 동체(11)의 하부를 향하여 절첩(fold/unfold)될 수 있다. 예를 들어, 아웃보드(16)는, 주날개(12)의 말단에 설치될 수 있고, 주날개(12)의 내부에서 힌지 연결되어 동체(11)의 상부 또는 하부에 대하여 절첩될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 비행체(1)가 수직 이착륙 또는 공중정지비행 시 주날개(12)의 면적에 의한 항력을 감소시킴으로써, 회전익(13)의 작동 효율을 증가시킬 수 있고, 기준면 상에서 비행체(1)를 정지시키는 데 필요한 공간을 절약할 수 있다.

꼬리날개(17)는, 비행체(1)의 좌우 이동 및 수평 맞춤을 위하여 동체(11)의 후미 부분에 설치될 수 있다. 다만, 회전부재(15)가 동체(11)의 후미 부분에 설치되는 경우, 꼬리날개(17)는 생략될 수 있다.

일 실시예에 따른 비행체(1)는, 외부에 대하여 회전익(13)을 개방 또는 폐쇄하도록 상부 개폐 부재(141)와 하부 개폐 부재(142) 중 적어도 하나를 제어하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 제어부는, 상부 개폐 부재(141)와 하부 개폐 부재(142)를 개별적으로 기준면에 대하여 틸팅시킴으로써 비행체(1)의 자세를 제어할 수 있다.

구체적으로, 도 2를 다시 참조하면, 제어부는, 상부 개폐 부재(141)와 하부 개폐 부재(142)를 기준면에 교차하는 방향으로 틸팅시킴과 동시에 회전부재(15)를 기준면에 평행하게 위치시킬 수 있다. 이와 같은 방식에 의하면, 회전부재(15)에 의하여 발생하는 추진력과, 상부 개폐 부재(141)와 하부 개폐 부재(142)의 개방에 의하여 외부에 노출되는 회전익(13)에 의하여 발생하는 양력에 의하여, 비행체(1)는 수직 이착륙과 공중정지비행을 할 수 있다.

도 3을 다시 참조하면, 제어부는, 비행체(1)가 기준면 상에서 어떤 자세를 취하든지 간에, 상부 개폐 부재(141)와 하부 개폐 부재(142)를 기준면에 교차하는 방향으로 틸팅시킴과 동시에 회전부재(15)를 기준면에 평행하게 위치시킬 수 있다. 이와 같은 방식에 의하면, 비행체(1)의 피치각을 음(minus)으로 유지하여 회전익(13)에 의하여 발생하는 추진력/양력과, 회전부재(15)에 의하여 발생하는 추진력/양력에 의하여, 비행체(1)는 전진 비행을 할 수 있다.

도 4를 다시 참조하면, 제어부는, 상부 개폐 부재(141)를 기준면에 교차하는 방향으로 틸팅시키고, 하부 개폐 부재(142)를 기준면에 대하여 소정의 각도를 이루도록 틸팅시킴과 동시에, 회전부재(15)를 기준면에 교차하게 위치시킬 수 있다. 이와 같은 방식에 의하면, 회전부재(15)의 회전과 상부 개폐 부재(141) 및 하부 개폐 부재(142)의 틸팅으로부터 발생하는 추진력에 의하여, 비행체(1)는 전진비행을 할 수 있다.

도 5를 다시 참조하면, 제어부는, 상부 개폐 부재(141)와 하부 개폐 부재(142)를 기준면에 대하여 소정의 각도를 이루도록 틸팅시킴과 동시에 회전부재(15)를 기준면에 교차하게 위치시킬 수 있다. 이와 같은 방식에 의하면, 회전부재(15)의 회전과 상부 개폐 부재(141) 및 하부 개폐 부재(142)의 틸팅으로부터 발생하는 추진력에 의하여, 비행체(1)는 전진비행을 할 수 있다.

도 8을 다시 참조하면, 제어부는, 제1회전부재(151) 및 제2회전부재(152) 중 적어도 하나를 피치 방향으로 회전되게 조절함으로써 비행체(1)의 좌우 추력 차이에 의한 비행체(1)의 요 자세를 제어할 수 있다.

도 9는 일 실시예에 따른 비행체를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 비행체(2)는, 동체(21), 주날개(22), 회전익(23), 개폐부(24), 회전부재(25), 아웃보드(26), 꼬리날개(27) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.

개폐부(24)는, 상부 개폐 부재(241) 및 하부 개폐 부재(242)를 포함할 수 있다. 상부 개폐 부재(241) 및 하부 개폐 부재(242) 중 적어도 하나는, 주날개(22)의 시위 방향으로 연장하도록 형성될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 비행체(1)가 전진 비행시, 상부 개폐 부재(241) 및 하부 개폐 부재(242)가 주날개(22)의 스팬 방향으로 연장하도록 형성되는 것보다, 더 많은 공기를 흡입할 수 있고, 이에 따라 추진력이 향상될 수 있다. 또한, 상부 개폐 부재(241) 및 하부 개폐 부재(242)의 개방 또는 차단으로 인하여 비행체(2)의 롤 방향으로의 자세 제어가 가능할 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 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 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

1 : 비행체
11 : 동체
12 : 주날개
13 : 회전익
14 : 개폐부

Claims

비행체에 있어서,
동체;
상기 동체의 양 측으로부터 스팬 방향으로 연장하는 주날개;
상기 주날개의 내부에 회전 가능하게 장착된 회전익;
상기 주날개에 개폐 가능하게 설치되고 외부에 대하여 상기 회전익을 개방 또는 폐쇄시키는 개폐부; 및
상기 동체의 전방에 배치되고 상기 비행체의 피치 방향으로 틸팅 가능한 적어도 하나 이상의 회전부재;
를 포함하고,
상기 개폐부는,
상기 회전익의 상부에 배치되고 기준면에 대하여 틸팅 가능한 복수 개의 상부 개폐 부재들; 및
상기 회전익의 하부에 배치되고 기준면에 대하여 틸팅 가능한 복수 개의 하부 개폐 부재들;
을 포함하고,
상기 복수 개의 상부 개폐 부재들 및 상기 복수 개의 하부 개폐 부재들은 상기 주날개의 시위 방향으로 연장하며 상기 주날개에 각각 연결되고, 상기 복수 개의 상부 개폐 부재들 및 상기 복수 개의 하부 개폐 부재들의 각각은 상기 주날개의 스팬 방향으로 서로 분리되며 나열되고,
기준면에 대한 상기 복수 개의 상부 개폐 부재들의 틸팅 각도와 상기 복수 개의 하부 개폐 부재들의 틸팅 각도가 개별적으로 조절되고,
상기 비행체는 상기 복수 개의 상부 개폐 부재들 및 상기 복수 개의 하부 개폐 부재들의 각각의 틸팅 및 상기 적어도 하나 이상의 회전부재의 틸팅의 조합에 의해 추진력을 획득하거나 자세를 유지하도록 구성되고,
상기 비행체의 상부의 공기가 상기 복수 개의 상부 개폐 부재들과, 상기 회전익과, 상기 복수 개의 하부 개폐 부재들을 경유하여 상기 비행체의 하부로 유동함으로써 상기 비행체의 자세가 제어되는 비행체.
삭제
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나 이상의 회전부재는
상기 동체를 기준으로 상기 동체의 전방의 일 측에 설치되는 제1회전부재; 및
상기 동체를 기준으로 상기 동체의 전방의 타 측에 설치되는 제2회전부재;
를 포함하고,
상기 비행체의 피치 방향으로 상기 제1회전부재의 틸팅 및 상기 제2회전부재의 틸팅의 조합에 따라 상기 비행체의 좌우 추력 차이가 발생되어 상기 비행체의 요 방향의 자세가 제어되는 비행체.
삭제
제1항에 있어서,
상기 주날개는, 상기 동체의 상부를 향하여 또는 상기 동체의 하부를 향하여 절첩되는 아웃보드를 더 포함하는 비행체.
제1항에 있어서,
상기 회전익은,
상기 동체에 설치되는 덕트; 및
상기 덕트에 회전 가능하게 연결되는 프로펠러;
를 포함하고,
상기 프로펠러의 피치각이 조절되도록 상기 프로펠러는 상기 프로펠러의 길이 방향의 축에 대하여 틸팅 가능한 비행체.
삭제
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