호버링 가능한 항공기{HOVER-CAPABLE AIRCRAFT}
본 발명은 전환식 항공기(convertiplane) 또는 헬리콥터와 같은 호버링 가능한 항공기에 관한 것으로, 이하의 설명에서는 순전히 예로서 헬리콥터에 대해 논하기로 한다.
알려진 바와 같이, 항공기 산업에서는 캐빈(cabin)의 외부와 내부 모두에서 소음을 감소시키는 것이 주요한 설계 쟁점으로 부각되고 있다. 소음은 주로 엔진, 엔진에 의해 동력을 공급받는 부속 부품들, 이동 부품들, 및 항공기 기체를 거쳐 지나가는 기류에 의해 발생하고, 항공기의 외부로 직접 전파될 뿐만 아니라, 주로 기류 및 구조적 경로들, 즉 커버 패널들을 동체에 연결하는 지점들을 따라 항공기 자체 내로도 전파된다. 소음은 소음원(noise source)인 부품들에 직접 영향을 미치는 것 그리고 헬리콥터의 구조 프레임과 커버 패널들 사이에 소음 감쇠 재료를 부착하여 캐빈의 외부로부터 내부로의 소음 전파를 최소화하는 것 모두에 의해 감소한다.
본 발명의 목적은 공지의 항공기에 비해 작동 소음을 현저히 감소시키도록 구성된 호버링 가능한 항공기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, - 추진 수단; - 적어도 하나의 로터; - 추진 수단으로부터 로터로 동력을 전달하고, 윤활제로 윤활되는 전동 수단; - 전동 수단으로부터 가열된 윤활제를 받고, 냉각된 윤활제를 전동 수단에 되돌려 급송하는 열교환기; 및 - 열교환기를 통과하는 기류를 생성하여 윤활제를 냉각하고, 블레이드들을 갖는 임펠러 및 윤활제의 냉각에 의해 생성된 열기를 배출하는 배기 파이프를 구비하는 팬을 포함하고; 배기 파이프의 벽의 적어도 일 부분은 임펠러의 회전 속도 및 임펠러의 블레이드들의 수와 연관된 소정의 주파수 대역에 있는 압력파들을 선택적으로 흡수하도록 구성된 소산 수단(dissipating means)을 포함하는 호버링 가능한 항공기가 제공된다.
첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 비한정적 실시예를 예시적으로 설명하기로 한다. 첨부 도면들 중에서,
도 1은 본 발명의 사상에 따른 호버링 가능한 항공기, 특히 헬리콥터를 사시도로 나타낸 도면;
도 2는 본 발명에 따른 소음 감쇠 특징들을 갖춘, 도 1의 항공기의 액추에이터 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면;
도 3은 도 2의 액추에이터 어셈블리의 팬을 확대된 스케일의 사시도로 나타낸 도면;
도 4는 도 3의 팬을 확대된 스케일의 단면도로 나타낸 도면.
도 1의 도면 부호 "1"은 본 발명의 사상에 따른 호버링 가능한 항공기(본 도시된 예에서는 헬리콥터)를 전체적으로 지시하고 있다. 헬리콥터(1)는 기본적으로 동체(2); 동체(2)에 장착되어 제1 평면에서 회전함으로써 헬리콥터(1)를 전체적으로 떠받치는 양력(lift)을 생성하는 메인 로터(3); 및 동체(2)의 후단에 있는 테일 로터(tail rotor)(4)를 포함한다. 구체적으로, 테일 로터(4)는 제1 평면과 교차하는 제2 평면에서 회전하여 메인 로터(3)에 의해 동체(2)에 생성된 회전 토크에 반작용한다. 또한, 헬리콥터(1)는 터빈(6)(도 2에 개략적으로 도시됨)으로부터 로터(3)의 구동 샤프트(도시되지 않음)로 동력을 전달하는 메인 트랜스미션(5); 및 메인 트랜스미션(5)에 의해 동력을 공급받고 그 자체가 테일 로터(4)에 동력을 공급하는 보조 트랜스미션(7)을 포함한다. 양 트랜스미션들(5, 7)은 모두 헬리콥터(1)의 공지의 유체 회로(도시되지 않음)에서 순환하는 윤활제, 예컨대 윤활유에 의해 항상 윤활된다. 윤활제는 사용 중에 가열되는 것이 분명하여 항상 냉각되어야 하므로, 트랜스미션(5)은 열교환기(9)와 팬(10)을 포함하는 냉각 시스템(8)과 연계되어 있다. 트랜스미션(5)과 냉각 시스템(8)은 함께 헬리콥터(1)의 액추에이터 어셈블리(11)를 형성한다. 구체적으로, 열교환기(9)는 트랜스미션(5)의 윤활제를 냉각한다. 따라서 열교환기(9)는 유입 파이프(12)를 따라 트랜스미션(5)으로부터 가열된 윤활제를 받고, 냉각된 윤활제를 배출 파이프(13)를 따라 트랜스미션(5)에 되돌려 급송한다. 열교환기(9)의 내부에서는, 윤활제가 외부로부터의 공기에 의해 냉각된다. 구체적으로, 트랜스미션(5)과 기계적으로 연결된 팬(10)이 파이프들(12, 13)과 교차하는 방향으로 열교환기(9)를 통과하는 기류를 생성하여 윤활제를 냉각한다. 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 팬(10)은 적어도 하나의 샤프트(14)에 의해 트랜스미션(5)과 연결되어 트랜스미션(5)에 의해 일정한 회전 속도(V)로 동력을 공급받는다. 팬(10)은 혼류 원심형(mixed-flow centrifugal type)인 것이 바람직하지만, 축류(axial-flow) 또는 다른 타입일 수도 있다. 구체적으로, 팬(10)은 기본적으로 케이싱(15); 샤프트(14)와 연결되고 케이싱(15)의 내부에 장착되어 축(A)을 중심으로 회전하는 임펠러(16); 축(A)과 동축상으로 케이싱(15)에 형성된 공기 유입 섹션(17); 및 케이싱(15)에 형성된 공기 유출 섹션(19)과 연결되고 축(A)에 대해 반경 방향으로 위치한 공기 배기 파이프(18)를 포함한다. 구체적으로, 팬(10)의 유입 섹션(17)이 열교환기(9)로부터 열기를 공급받고, 이어서 그 열기가 배기 파이프(18)를 따라 외부로 배기된다. 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 임펠러(16)는 축(A)의 중심 샤프트(20); 및 샤프트(20)에 끼워 맞춰지고 샤프트(20)로부터 돌출하며 축(A)을 중심으로 등간격으로 떨어져 있는 다수의 블레이드들(21)을 포함한다. 이하의 설명에서는, 임펠러(16)의 블레이드들(21)의 수를 간단히 N으로 지시하기로 한다. 배기 파이프(18)는 축(A)과 평행하게 연장되는 메인 부분(23); 및 축(A)에 대해 대략 반경 방향으로 연장되고, 일 단부에서 케이싱(15)의 공기 유출 섹션(19)과 연결되며, 반대편 단부에서 메인 부분(23)과 연결되는 브랜치 부분(24)을 구비한 관형 벽(22)에 의해 경계를 이루고 있다. 헬리콥터(1)의 작동 중에 생성되는 열 동력이 대량이기 때문에, 통상적으로 매우 높은 기류 질량 유량이 팬(10)에 요구된다. 항공기 부품들에 있어서는, 일반적으로 콤팩트한 경량의 냉각 시스템(8)을 얻기 위해, 축(A)에 대한 매우 작은 지름과 높은 회전 속도(V)를 갖는 팬들(10)이 바람직하다. 마찬가지로, 열교환기(9)도 콤팩트함을 위해 매우 작은 공기 통로들(공지된 것으로, 도시되어 있지는 않음)을 구비하고, 윤활제 열교환 표면을 증가시키기 위해 조밀하게 뭉쳐 있는 핀들(fins)(공지된 것으로, 도시되어 있지는 않음)을 구비한다. 그 모든 것이 공기 회로를 따라 상당한 부하 손실을 일으키는데, 열교환기(9)를 통한 적정한 질량 유량을 확보하기 위해서는 팬(10)의 압력에 의해 그러한 부하 손실을 극복하여야 한다. 본 출원인은 임펠러(16)의 블레이드들(21)이 팬(10)의 유출 섹션(19)을 지나 이동하면서 생기는 압력의 상당한 변화가 임펠러(16)의 샤프트(20)의 회전 속도(V)에 블레이드들(21)의 수(N)를 곱한 것과 같은 일정한 주파수(f 0 )에서 소리를 발생시킨다는 사실을 알아냈다. 또한, 본 출원인은 높은 회전 속도(V)로 인해 그 소리가 가청 주파수 범위 내에 속하여 헬리콥터(1)의 캐빈의 내부와 외부 모두에서 소음원을 이룰 수 있다는 사실을 알아냈다. 그러한 소리를 감소시키거나 제거하기 위해, 임펠러(16)의 회전 속도(V) 및 임펠러(16)의 블레이드들(21)의 수(N)와 연관된 소정의 주파수 대역에 있는 압력파들을 선택적으로 흡수하도록 구성된 소산 수단(25)이 배기 파이프(18)의 벽(22)의 부분에 장착되는 것이 바람직하다. 환언하면, 소산 수단(25)은 전술한 압력파들이 헬리콥터(1)의 캐빈의 바깥쪽 또는 안쪽으로 전파되는 것을 방지하는 역할을 한다. 전술한 주파수 대역은 임펠러(16)의 회전 속도(V)에 임펠러(16)의 블레이드들(21)의 수(N)를 곱하여 계산된 주파수 값(f 0 )의 90% 내지 110%의 범위에 있는 것이 바람직하다. 구체적으로, 소산 수단(25)은 배기 파이프(18)의 벽(22)에 통합된다. 본 도시된 예에서는, 소산 수단(25)이 벽(22)의 메인 부분(23)의 내부에 수용되고, 그를 위해 메인 부분(23)이 더 두껍게 되어 내부 공동(26)을 형성한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 소산 수단(25)은 주파수 값(f 0 )의 부근의 상기 주파수 대역에 있는 압력파들을 다공에 의해 흡수하도록 구성된 흡음재의 층(27)을 포함한다. 구체적으로, 흡음재의 층(27)은 섬유, 예컨대 유리 섬유, 부재, 또는 멜라민 폼(melamine foam)과 같은 오픈 셀 재료(open-cell material)인 것이 바람직하다. 흡음재의 층(27)은 임펠러(16)의 회전 속도(V) 및 임펠러(16)의 블레이드들(21)의 수(N)와 연관된 밀도를 갖고, 여과(filtration)를 위해 소리의 강도와 연관된 체적을 갖는다. 흡음재의 층(27)은 공기에 대해 투과성을 갖지만 물에 대해서는 투과성을 갖지 않는 예컨대 폴리아라미드 섬유로 된 백(28)에 넣어 봉해지는 것이 바람직하다. 흡음재의 층(27)을 통과하는 음파는 소리가 운동 에너지로 전환되는 것에 의해 소산된다. 소산 수단(25)은 배기 파이프(18)의 안쪽에서 공동(26)을 형성하는 타공 금속판(perforated metal sheet)(29)을 또한 포함하는데, 그 타공 금속판(29)은 압력파들이 그를 통해 흡음재의 층(27)으로 가게 하여 그 압력파들에 예비 공동 공명 흡음 효과(preliminary cavity-resonance sound-absorbing effect)를 일으키도록 구성된다. 또한, 타공 금속판(29)은 흡음재의 층(27)을 그를 타고 흐르는 공기의 속도로부터 보호한다. 공동(26)은 바깥쪽으로 바람직하게는 유리 섬유로 제작된 강성 리테이닝 쉘(rigid retaining shell)(30)에 의해 경계를 이루는데, 그 강성 리테이닝 쉘(30)은 바람직하게는 탄소 섬유로 제작된 배기 파이프(18)의 벽(22)의 잔여 부분에 고정된다. 쉘(30)은 흡음재의 층(27)을 헬리콥터(1)의 인접 부품들과의 물리적 접촉으로부터 보호하는 역할을 하고, 모든 작동 조건에서 흡음재의 층(27)의 형태와 밀도를 유지시키는 역할을 한다. 실제 사용 시에, 축(A)을 중심으로 한 임펠러(16)의 회전이 열교환기(9)를 통과하는 기류를 생성하여 트랜스미션(5)으로부터 유입 파이프(12)를 따라 흐르는 윤활제를 냉각한다. 이어서, 냉각된 윤활제가 배출 파이프(13)를 따라 트랜스미션(5)에 되돌려 급송된다. 임펠러(16)에 의해 생성된 기류는 팬(10)의 유입 섹션(17)으로 흡인되고 배기 파이프(18)를 따라 이송되어 외부로 배출된다. 각각의 블레이드(21)는 팬(10)의 유출 섹션(19)을 지나 통과하면서 압력의 변화를 일으키고, 그러한 압력의 변화는 임펠러(16)의 회전 속도(V)에 임펠러(16)의 블레이드들(21)의 수(N)를 곱한 것과 같은 주파수(f 0 )의 가청음을 발생시킨다. 기류에 의해 운반되는(평균하여 본다면, 팬(10)으로부터 계속하여 운반되는) 고주파 압력 성분들은 먼저 타공 금속판(29)의 개구부들을 통과할 때에 공동 공명에 의해 감쇠되고, 뒤이어 흡음재의 층(27)의 변형에 의해 감쇠된다. 따라서 기류가 배기 파이프(18)로부터 외부로 배출되는 압력에는 원하지 않는 가청 주파수 범위의 소음을 발생시키는 고주파 성분들이 없어지게 된다. 전술한 설명으로부터, 본 발명에 따른 헬리콥터(1)의 이점들을 명확히 드러날 것이다. 특히, 배기 파이프(18)의 벽(22)에 소산 수단(25)을 통합함으로써, 임펠러(16)의 블레이드들(21)이 팬(10)의 케이싱(15)의 유출 섹션(19)을 지나 통과하면서 발생하는 압력파들이 타공 금속판(29)의 개구부들을 통해 흐를 때에 부분적으로 흡수되고, 또한 흡음재의 층(27)의 변형에 의해 부분적으로 흡수된다. 따라서 그에 의해, 압력의 변화 및 냉각 시스템(8)으로부터의 소리의 강도가 감소하게 된다. 그러나 첨부의 특허 청구 범위에서 정해지는 보호 범위로부터 벗어남이 없이, 전술하고 예시한 바의 헬리콥터(1)에 대해 변경들이 이뤄질 수 있음은 물론이다.
1: 호버링 가능한 항공기 3: 로터
5: 전동 수단 6: 추진 수단
9: 열교환기 10: 팬
16: 임펠러 18: 배기 파이프
21: 블레이드 22: 벽
25: 소산 수단 26: 공동
27: 흡음재의 층 29: 타공 표면
30: 강성 리테이닝 쉘 |
