체공시간을 증대시키는 수직이착륙무인기장치와 이의 구현방법과 관련 장치

체공시간을 증대시키는 수직이착륙무인기장치와 이의 구현방법과 관련 장치{Vertically operating drone with lift increasing and relevant device and it's method}

본 발명은 양력을 증대시킨 수직 이착륙이 가능한 무인 항공기에 관한 것이며, 특히 Lifting Body나 이와 유사한 형태를 가진 무인기에 관한 발명이다.

근래에 드론과 같이 수직 이착륙이 가능한 무인기가 이슈화되고 있다.

본 발명은 최소동력으로 비행거리와 체공시간을 극대화 하고, 안정적인 비행 자세와 고도를 유지하는 수직 이착륙이 가능한 저에너지소비로 양력이 증대되어 장시간 체공할 수 있는 무인기를 실현하고자 한다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 비행체의 체공시간을 증대시키도록 양력을 발생시키는 2차원평면이나 3차원곡면으로 구성된 다양한 형상을 갖는 Lifting Body(양력형 몸체)를 가지며, 수직 이착륙과 자세제어가 가능하도록 한 개 이상의 다수의 프롭을 상하전후좌우방향으로 부착하며 또는 이를 동시에 몸체내부나 혹은 외부에 장착한 Lifting Body형 수직이착륙 무인기장치에 의해서 달성된다.

여기서, 추진력을 위한 회전 프롭을 가질 수 있다.

또한, 외부 교란에도 자세와 고도, 위치를 유지할 수 있는 자율적으로 안정화기능을 가질 수 있다.

그리고, 양력형 몸체(lifting body) 형태의 공력학적 특성을 갖는 동체와 양력을 생성하며 자세 제어와 비상시 보조 추력을 제공할 수 있는 다수의 보조 프롭, 동체의 무게 중심 근처에 배치되는 임무 장비 탑재 기구로 구성될 수 있다.

그리고, 추가로 미익이나 동체 전 후방에 조정면을 장착할 수 있고, 착륙과 이륙 시, 상기 주 회전 팬과 상기 보조 회전 팬을 동시 작동하여 수직으로 이착륙이 가능하게 된다.

그리고, 상기 보조 회전 팬과 추가 장착 가능한 조정면이나 비행체의 구조물BAR(현재 Hang-Glider에서 사용되는 조종 Mechanism)을 선택적으로 사용하여 자세를 제어할 수 있다.

그리고, 외부 교란에도 자세와 고도, 위치를 유지할 수 있고, 상기 Lifting Body형 몸체는 삼각형이나 사각형 또는 원형등의 모양이 될 수 있다.

그리고, 사용하지 않을 때 동체의 공기역학적 특성을 유지하기 위해 동체의 곡면과 이어지는 형태로 만들어지고, 여닫을 수 있는 부채형 개폐장치를 포함한 주 프롭과 이보다 크기가 작고 자세 유지와 비상시 보조 추력 장치로 사용할 수 있는 보조 프롭을 갖고 있으며, 상기 주 프롭과 보조 프롭은 동체 내부에 내장되어 있거나 외부에 직접 팔과 같은 연결 구조를 이용하여 부착될 수 있다.

그리고, 상기 동체 중앙에 하나 이상의 수직 미익이나 양단에 하나 이상의 수평미익을 가질 수 있다.

그리고, 주변 기류를 이용하여 적절한 받음각을 유지하고, 이로서 양력을 유지하여, 팬의 작동을 최소화 하고, 이로 인해 에너지 사용을 최소화 할 수 있다.

그리고, 적절한 받음각을 유지하여 연과 같은 비행이 가능하게 하는 자세 유지가 가능하다.

그리고, 하나 이상의 팬의 셔터를 닫고 리프팅 바디형의 공력 특성을 이용한 활공 비행을 통해 에너지 사용을 줄 일 수 있다.

그리고, 모든 팬의 열린 통로를 셔터로 닫고 무동력 활공비행을 할 수 있다.

그리고, 상기 동체 후미와 전단에 추가 조정면을 장착할 수도 있다.

그리고, 리프팅 바디형 무인 항공기의 넓은 상단 면적을 이용하여 태양전지 등을 추가하여 보조적인 에너지를 확보할 수도 있다.

그리고, 동체 내에 접이식 보조 날개를 수납하고, 필요한 비행 모드 별로 접이식 날개를 펴고 접을 수 있고, 상기 접이식 보조 날개가 주름져 접힌 방식이나 조각 날개가 겹쳐 연결되는 방식으로 접히므로 활공비행시 비행체 고유의 공력특성을 유지할 수 있다.

그리고, 상기 접이식 보조 날개 표면에 추가로 유연한 태양전지판을 장착하여 보조 에너지 획득 수단을 확보할 수 있다.

그리고, 상기 비행체는 전통적인 방패연이나 마름모꼴, 가오리연 등 임의의 다양한 형태를 가질 수도 있다.

그리고, 상기 주 회전 팬과 상기 보조 회전 팬이 동체에 수납 되었다 나오는 형태로 구성 할 수도 있다.

그리고, 상기 동체 내에 수납된 보조 회전 팬은 비행 모드에 따라 모두 수납하거나 하나 이상을 꺼내어 구성을 변경할 수 있다.

그리고, 상기 보조 회전 팬 이외의 다른 구성품에 고장이 발생하여 추력을 일부 혹은 전체를 상실했을 때 자동으로 보조 회전 팬이 가동되거나 활공모드로 안전하게 착지할 수 있다.

그리고, 상기의 각 비행 모드시 자세를 원격제어장치의 지령 없이 자동으로 유지하는 자동제어장치와 알고리즘을 탑재가능하게 구성할 수 있다.

더 긴 체공시간은 더 긴 임무 시간을 가능하게 하며, 이를 통해 24시간 임무에서 필요한 기체 대수를 줄일 수 있으며, 동일한 에너지를 사용하면서도 더 많은 임무를 수행할 수 있어, 경제성을 향상시킨다. 장비 교체 시간을 최소화하여, 임무 공백을 줄일 수 있으며, 임무 계획에 더 많은 유연성을 제공한다.

넓어진 기체 면적은 태양 전지판과 같은 보조 에너지 확보 수단을 가능하게 하며, 비 동력/활공비행을 가능하게 하여 가용에너지 효율의 극대화는 물론 추진 장치 고장 시 최소한의 안전을 보장할 수 있다.

도 1 내지 도 3은 양력 증대형 수직 이착륙 무인기의 개념도이다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 수직 이착륙이 가능한 리프팅 바디 형 무인 항공기에 관한 것이다. 본 발명은 동체 자체가 양력을 생성하는 구조로 되어 있는 리프팅 바디 형 항공기의 장점과 수직 이착륙이 가능한 회전익 항공기의 장점을 활용하기 위해 고안되었다. 수직 이착륙이 가능한 리프팅 바디형 무인 항공기는 리프팅 바디(lifting body) 형태의 공력학적 특성을 갖는 동체와 양력을 생성하는 대형 주 회전 팬, 자세 제어와 비상시 보조 추력을 제공할 수 있는 하나 이상의 보조 회전 팬, 동체의 무게 중심 근처에 배치되는 임무 장비 탑재 기구로 구성된다. 리프팅 바디 형 무인항공기에 추가로 미익이나 동체 좌우나 후방에 조정면을 장착할 수 있다.

리프팅 바디 형 동체는 삼각형이나 사각형, 방패연과 같은 직사각형, 가오리 연과 같은 마름모 모양으로 만들 수 있으며, 임무 및 소요특성에 따라 크기와 형상이 정해진다. 상기 무인 항공기는 활공 시 비행 제어를 위해 조정면을 추가 할 수 있으며, 이 조정면은 동체 위, 아래에 수직 면 형태로나 동체전면이나 후방 그리고 좌우의 조정면의 조정면 형태로 추가 될 수 있다.

동체에는 수직 이착륙을 위한 주 회전 팬과 보조 회전 팬이 장착되어 있으며, 주 회전 팬은 양력 생성을 위해 주로 사용되고 보조 회전 팬은 방향 전환, 자세 유지, 회전, 비상 시 보조 추력 발생 장치로 이용된다. 이러한 주 회전 팬과 보조 회전 팬의 역할은 일반적으로 알려진 회전익 무인 항공기와 유사하다.

리프팅 바디 형태의 동체는 충분한 양력과 안정성이 유지되는 적절히 높은 받음각(angle of attack)을 유지하며, 기류 반대 방향으로 장시간 체공하는 연과 같은 형태로 비행할 수 있으며, 이를 통해 연료 소모를 획기적으로 줄일 수 있다. 또한 이러한 리프팅 바디 형태의 특성을 최대한 이용할 수 있도록 주회전 팬과 보조 회전 팬은 동체 내에 수납하거나, 동체를 기준으로 하단 쪽 팬의 공기 출구를 막아 동체의 공력학적 특성을 최적화 할 수 있도록 고안되었다. 따라서 사용하지 않을 때 동체의 공기역학적 특성을 유지하기 위해 동체의 곡면과 이어지는 형태로 만들어지고, 여닫을 수 있는 셔터 장치를 포함한 주 회전 팬과 주 회전 팬보다 크기가 작고 자세 유지와 비상시 보조 추력 장치로 사용할 수 있는 보조 회전 팬을 갖고 있으며, 상기 주 회전 팬과 보조 회전 팬은 동체 내부에 내장되어 있거나 외부에 직접 부착되거나 팔과 같은 연결 구조를 이용하여 부착될 수 있다.

따라서 상기 무인 항공기는 주변 기류를 이용하여 적절한 받음각을 유지하고, 이로서 양력을 유지하여, 팬의 작동을 최소화 하고, 이로 인해 에너지 사용을 최소화 할 수 있으며, 한 받음각을 유지하여 연과 같은 비행이 가능하게 하는 자세를 유지한다. 또한 하나 이상의 팬의 셔터를 닫고 리프팅 바디형의 공력 특성을 이용한 활공 비행을 통해 에너지 사용을 줄 일 수 있고, 모든 팬의 셔터를 닫고 무동력 활공비행을 할 수 있다.

또한 동체 내에 접이식 보조 날개를 수납하고, 필요한 비행 모드 별로 접이식 날개를 펴고 접을 수 있는바, 상기 접이식 보조날개가 주름져 접히는 방식이나 조각날개가 겹쳐 연결되는 방식으로 접힌다. 상기 접이식 보조날개표면에 추가로 유연한 태양전지판을 장착하여 보조에너지 획득수단을 확보할 수 있다.

상기 주 회전 팬과 상기 보조 회전 팬이 동체에 수납 되었다 나오는 형태로 구성 할 수도 있으며, 동체 내에 수납된 보조 회전 팬은 비행 모드에 따라 모두 수납하거나 하나 이상을 꺼내어 구성을 변경할 수 있다. 보조 회전 팬 이외의 다른 구성품에 고장이 발생하여 추력을 일부 혹은 전체를 상실했을 때 자동으로 보조 회전 팬이 나온다.

비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.

101 : 양력보조 및 Pitch제어용 전방 프롭/모터
102 : 통신. 위치파악용 장비 등
103 : 양력보조 및 Role제어용 후방 프롭/모터
104 : 전방 프롭 차단, 전개용 수납장치
105 : 주양력 발생용 날개
106 : 후방 프롭 차단/전개용 개폐형 수납장치
107 : yaw 제어용 보조익
108 : Role 및 Pitch제어용 보조익
109 : 자세변경Mechanism용 구조물
110 : 전방추진용 프롭/모터
111 : 감시촬영 및 Actuator 장비
112 : 휠 수 있는 태양전지판