무인 비행체

무인 비행체{Unmanned aerial vehicle}

본 발명은 무인 비행체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동체와 날개의 구조 개선을 통해 양항비를 개선함으로써, 공력 성능을 향상시킨 무인 비행체에 관한 것이다.

항공 기술 및 통신 기술의 급격한 발전에 따라 탐사 및 정찰 등을 목적으로 하는 무인 비행 시스템의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 무인 비행 시스템의 개발은 인간이 직접 탑승하여 수행하기에 위험하거나 어려운 작업도 가능하게 하는 이점을 가져왔다.

통상적으로, 무인 비행 시스템은 비행 제어를 위한 제어 시스템과, 원격지에서 제어 시스템으로부터 전송되는 비행 제어 신호에 따라 비행을 수행하여 각종 현지 데이터를 취득하여 제어 시스템으로 송신하는 무인 비행체로 이루어진다. 무인 비행체는 카메라, 센서, 통신장비, 또는 다른 장비를 탑재하고 있으며, 원격 조종되거나 또는 스스로 조종된다. 즉, 무인 비행체는 운용자에 의해 직접 원격 조종되거나, 운용자가 무인 비행체가 지나가야 될 지점들을 미리 프로그래밍하면, 무인 비행체가 그 지점에 도달하기 위해 스스로 비행 궤도를 조절하여 비행하기도 한다.

종래에는 무인 비행체가 특수한 군용 정찰기를 제외하고는 거의 도입이 어려웠으나, 최근에 저렴한 비용으로 공공부문이나 민수용 제품으로의 적용이 가능해 졌다. 특히, 군, 경찰, 소방 등의 공공분야에서는 정찰, 수색, 감시, 정보 수집 등의 다양한 목적으로 활용이 가능해 졌으며, 카메라를 이용한 현장 영상의 실시간 확인 및 전송은 지휘센터에서 현장의 상황을 신속하고, 정확하게 판단할 수 있게 해준다.

도 1은 종래의 무인 비행체를 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 무인 비행체(10)는, 통상적인 항공기와 유사하게 동체(11)와, 주날개(12)와, 꼬리날개(13)(14)를 포함한다. 이 밖에, 동체(11)에는 동력장치나, 착륙장치 등 각종 기계장치 및 전자장치가 설치된다. 동체(11)는 유선형으로 이루어져 공기의 저항을 작게 함과 동시에, 각 날개와의 결합부에 생기는 기류의 간섭에 의한 저항을 가급적 작게 하는 구조를 취한다. 동체(11)는 거의 양력을 발생시키지 않고, 다만 항력만을 만들어 준다.

무인 비행체(10)의 날개로는 주날개(12)와 꼬리날개(13)(14)가 있다. 무인 비행체(10)를 떠오르게 하는 힘인 양력은 주날개(12)에서 만들어진다. 양력은 무인 비행체(10)가 날고 있는 장소나 방향 등 상태에 따라 달라지므로, 주날개(12)만으로 날고 있을 때의 안정을 지키기는 어려운데, 꼬리날개(13)(14)가 저울의 추처럼 무인 비행체(10)의 무게와 주날개(12)의 양력을 조화시켜 무인 비행체(10)의 비행 안정을 지켜 준다. 꼬리날개(13)(14)는 그 기능에 따라 수평 꼬리날개(13)와 수직 꼬리날개(14)로 나눈다. 수평 꼬리날개(13)는 무인 비행체(10)의 기수가 상하로 균형을 유지할 수 있게 해주며, 수직 꼬리날개(14)는 무인 비행체(10)가 좌우로 흔들리지 않게 하는 기능을 갖는다.

최근 무인 비행체의 사용이 다양한 분야로 확대되면서, 항속거리, 체공 시간, 활공비 등 무인 비행체의 공력 성능을 향상시키기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 필요성을 감안하여 안출 된 것으로, 동체와 날개의 구조 개선을 통해 양항비를 개선함으로써, 공력 성능이 향상된 새로운 구조의 무인 비행체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 무인 비행체는, 전후 방향으로 연장된 바디; 상기 바디의 선단에 구비되는 헤드; 및 상기 바디 중간의 양쪽 측부에 좌우 방향으로 연장되도록 결합되고, 각각 좌우 방향으로 연장되고 상호 전후 방향으로 이어진 언덕부와 골부를 포함하는 복수의 주름부를 갖는 한 쌍의 주날개;를 포함하는 점에 특징이 있다.

본 발명은 상대적으로 낮은 레이놀즈 수(예를 들어, 70000 이하)에서 비행하는 무인 비행체의 동체의 양쪽 측부에서 좌우 방향으로 연장된 날개에 좌우 방향으로 연장되고 상호 전후 방향으로 이어진 언덕부와 골부를 포함하는 복수의 주름부를 마련함으로써, 무인 비행체의 양항비를 개선할 수 있고, 이를 통해 무인 비행체의 항속거리, 체공 시간, 활공비 등의 공력 성능을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명은 무인 비행체의 동체 선단을 다중곡률 형상으로 함으로써, 무인 비행체의 비행 시 마찰저항을 줄이고 양항비를 개선할 수 있다.

도 1은 종래 무인 비행체를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 무인 비행체를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 무인 비행체의 헤드를 절단하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 무인 비행체의 주날개를 나타낸 측면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 무인 비행체에 구비되는 주날개의 다른 실시예를 나타낸 측면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 무인 비행체에 구비되는 주날개의 또 다른 실시예를 나타낸 측면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 무인 비행체에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 무인 비행체를 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 무인 비행체의 헤드를 절단하여 나타낸 것이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 무인 비행체의 주날개를 나타낸 측면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 무인 비행체(20)는, 통상적인 항공기와 유사하게 동체(21)와, 동체(21)의 중간에 연결되는 한 쌍의 주날개(27)와, 동체(21)의 후단 쪽에 연결되는 복수의 꼬리날개(36)(37)를 포함한다. 이러한 본 발명에 의한 무인 비행체(20)는 동체(21)와 주날개(27)의 구조 개선을 통해 양항비를 개선함으로써, 항속거리, 체공 시간, 활공비 등의 공력 성능을 향상시킨 것이다. 잘 알려진 것과 같이, 양항비는 항공기나 글라이더 등 비행체의 날개가 어떤 받음각의 상태에서 발생하고 있는 양력과 항력의 비를 의미한다. 비행체의 날개는 공기 속을 진행할 때, 양력과 동시에 항력을 일으키며, 양력에 비해 항력이 작으면 그만큼 효율적으로 양력을 일으키고 있다는 의미가 된다. 따라서 양항비는 비행체의 공력 성능과 큰 관계를 갖는다.

동체(21)는 전후 방향으로 길게 연장된 바디(22)와, 바디(22)의 선단에 연결되는 헤드(23)를 포함한다. 여기에서, 전후 방향은 무인 비행체(20)의 비행 방향과 평행한 방향을 나타낸다. 동체(21)에는 동력장치나, 착륙장치 등 각종 기계장치 및 전자장치가 설치될 수 있다. 동체(21)는 유선형으로 이루어져 공기의 저항을 작게 함과 동시에, 각 날개(27)(36)(37)와의 결합부에 생기는 기류의 간섭에 의한 저항을 가급적 작게 하는 구조를 갖는다.

도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이, 동체(21)의 헤드(23)는 바디(22)의 선단에 연결되는 바디 결합부(24)와, 바디 결합부(24)의 선단에 연결되는 돌출부(25)를 포함한다. 바디 결합부(24)는 바디(22)에서 전방 쪽으로 갈수록 폭이 점진적으로 감소하는 형상으로 이루어지고, 돌출부(25)는 바디 결합부(24)에서 전방 쪽으로 갈수록 폭이 점진적으로 감소하는 형상으로 이루어진다. 바디 결합부(24)의 외면과 돌출부(25)의 외면은 완만한 곡면을 이루며 연결된다. 따라서 헤드(23)는 다중곡률 형상을 갖는다.

통상적으로, 축대칭 물체의 선단 부분이 다중곡률 형상을 갖는 경우, 같은 면적이나 부피를 갖는 반타원체 형상의 물체보다 마찰저항이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 무인 비행체(20)는 동체(21)의 선단을 다중곡률 형상으로 함으로써, 비행 시 마찰저항을 줄이고 양항비를 개선할 수 있다.

본 발명에 있어서, 헤드(23)의 구체적인 구조는 도시된 것으로 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 헤드(23)는 축대칭 구조로 이루어지되, 도시된 것과 같은 2단 다중공률 형상 이외에, 3단 다중공률 형상, 4단 다중공률 형상 등 3개 이상의 다단형 돌출부를 가질 수 있다. 물론, 헤드(23)는 축대칭 구조가 아닌 다단형 돌출부를 갖는 다른 구조로 변경될 수 있다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 주날개(27)는 한 쌍이 동체(21)의 바디(22) 중간의 양쪽 측부에 좌우 방향으로 연장되도록 결합된다. 여기에서, 좌우 방향은 무인 비행체(20)와 교차하도록 무인 비행체(20)로부터 좌우측으로 연장되는 방향을 나타낸다. 무인 비행체(20)를 떠오르게 하는 힘인 양력은 주로 주날개(27)에서 만들어진다.

주날개(27)는 전후 방향으로 연이어 연결되는 복수의 주름부(28)를 갖는다. 주름부(28)는, 언덕부(29)와, 언덕부(29)의 후단에 연결되는 골부(32)를 포함한다. 언덕부(29)와 골부(32)는 동체(21)로부터 좌우 방향으로 연장되도록 구비되고, 상호 전후 방향으로 이어진다.

언덕부(29)는, 하부에서 상부 방향으로 완만하게 상향 경사지도록 배치된 곡면형의 제 1 경사면(30)과, 제 1 경사면(30)과 연결되고 상부에서 하부 방향으로 완만하게 하향 경사지도록 배치된 곡면형의 제 2 경사면(31)을 갖는다. 그리고 골부(32)는, 언덕부(29)의 제 2 경사면(31)과 연결되고 상부에서 하부 방향으로 완만하게 하향 경사지도록 배치된 곡면형의 제 3 경사면(33)과, 제 3 경사면(33)과 연결되고 하부에서 상부 방향으로 완만하게 상향 경사지도록 배치된 곡면형의 제 4 경사면(34)을 갖는다. 언덕부(29)와 골부(32) 중에서 언덕부(29)의 제 1 경사면(30)이 주날개(27)의 최선단에 배치된다.

하나의 주름부(28)에 구비되는 언덕부(29)의 제 2 경사면(31)과 이와 연결되는 골부(32)의 제 3 경사면(33)은 명확하게 구분되지 않으나, 언덕부(29)의 최상부와 골부(32)의 최하부 사이의 중간을 경계로 제 2 경사면(31)과 제 3 경사면(33)이 구분되는 것으로 볼 수 있다. 또한 하나의 주름부(28)에 구비되는 골부(32)의 제 4 경사면(34)과 이와 연결되는 다른 주름부(28)의 제 1 경사면(30)도 명확하게 구분되지 않으나, 골부(32)의 최하부와 언덕부(29)의 최상부 사이의 중간을 경계로 하나의 주름부(28)의 제 4 경사면(34)과 다른 주름부(28)의 제 1 경사면(30)이 구분되는 것으로 볼 수 있다.

통상적으로, 비행체 날개의 시위길이를 기준으로 한 레이놀즈 수가 70000 이하일 때, 도 1에 나타낸 종래의 무인 비행체(20)와 같이 매끈한 표면을 갖는 주날개(27)의 공력 성능이 급격히 저하되는 것을 볼 수 있다. 이에 반해, 본 발명에 의한 무인 비행체(20)와 같이 주날개(27)에 복수의 주름부(28)를 마련해 놓으면, 종래의 무인 비행체(20)에 비해 양항비를 증가시킬 수 있다. 잠자리를 포함한 다양한 곤충의 날개 표면은 편평하거나 유선형이 아니며, 오히려 복잡한 형태로 구부러져 있다. 따라서 본 발명은 곤충 날개의 주름구조가 공력 성능을 향상시키는 원리를 무인 비행체(20)의 주날개(27)에 적용함으로써, 양항비 증가에 의한 무인 비행체(20)의 공력 성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 주날개(27) 표면의 주름부(28)에 의해 생성되는 와류가 국소적인 압력 강하를 야기하고, 주름부(28)의 언덕부(29)에 생기는 와류가 간헐적으로 주날개(27)의 윗면에 재부착함으로써, 양항비를 개선할 수 있고, 무인 비행체(20)의 항속거리, 체공 시간, 활공비 등을 향상시킬 수 있는 것이다.

본 발명에 의한 무인 비행체(20)의 날개로는 한 쌍의 주날개(27) 이외에, 복수의 꼬리날개(36)(37)가 있다. 무인 비행체(20)를 떠오르게 하는 힘인 양력은 주날개(27)에서 만들어지는데, 양력은 무인 비행체(20)가 날고 있는 장소나 방향 등 상태에 따라 달라지므로, 주날개(27)만으로 날고 있을 때의 안정을 지키기는 어렵다. 따라서 꼬리날개(36)(37)가 저울의 추처럼 무인 비행체(20)의 무게와 주날개(27)의 양력을 조화시켜 무인 비행체(20)의 비행 안정을 지켜 준다. 꼬리날개(36)(37)는 그 기능에 따라 수평 꼬리날개(36)와 수직 꼬리날개(37)로 나눈다. 수평 꼬리날개(36)는 무인 비행체(20)의 기수가 상하로 균형을 유지할 수 있게 해주며, 수직 꼬리날개(37)는 무인 비행체(20)가 좌우로 흔들리지 않게 하는 기능을 갖는다. 도면에 나타내지는 않았으나, 한 쌍의 수평 꼬리날개(36)에도 주날개(27)와 같은 주름부(28)가 적용될 수 있다.

상술한 것과 같이, 본 발명은 상대적으로 낮은 레이놀즈 수(예를 들어, 70000 이하)에서 비행하는 무인 비행체(20)의 동체(21)의 양쪽 측부에서 좌우 방향으로 연장된 주날개(27)에 좌우 방향으로 연장되고 상호 전후 방향으로 이어진 언덕부(29)와 골부(32)를 포함하는 복수의 주름부(28)를 마련함으로써, 무인 비행체(20)의 양항비를 개선할 수 있고, 이를 통해 무인 비행체(20)의 항속거리, 체공 시간, 활공비 등의 공력 성능을 향상시킬 수 있다.

한편, 도 5는 본 발명에 의한 무인 비행체에 구비되는 주날개의 다른 실시예를 나타낸 측면도이다.

도 5에 나타낸 주날개(40)는 전후 방향으로 연이어 연결되는 복수의 주름부(41)를 갖는다. 주름부(41)는, 언덕부(42)와, 언덕부(42)의 후단에 연결되는 골부(45)를 포함한다. 언덕부(42)와 골부(45)는 동체(21;도 2참조)로부터 좌우 방향으로 연장되도록 구비되고, 상호 전후 방향으로 이어진다.

언덕부(42)는, 하부에서 상부 방향으로 상향 경사지도록 배치된 평판형의 제 1 경사면(43)과, 상부에서 하부 방향으로 하향 경사지도록 배치된 평판형의 제 2 경사면(44)을 포함한다. 제 1 경사면(43)과 제 2 경사면(44)은 상호 둔각을 이루도록 연결된다. 골부(45)는, 언덕부(42)의 제 2 경사면(44)과 연결되고 상부에서 하부 방향으로 하향 경사지도록 배치된 평판형의 제 3 경사면(46)과, 하부에서 상부 방향으로 상향 경사지도록 배치된 평판형의 제 4 경사면(47)을 포함한다. 제 3 경사면(46)과 제 4 경사면(47)은 상호 둔각을 이루도록 연결된다. 언덕부(42)와 골부(45) 중에서 언덕부(42)의 제 1 경사면(43)이 주날개(40)의 최선단에 배치된다.

하나의 주름부(41)에 구비되는 언덕부(42)의 제 2 경사면(44)과 이와 연결되는 골부(45)의 제 3 경사면(46)은 명확하게 구분되지 않으나, 언덕부(42)의 최상부와 골부(45)의 최하부 사이의 중간을 경계로 제 2 경사면(44)과 제 3 경사면(46)이 구분되는 것으로 볼 수 있다. 또한 하나의 주름부(41)에 구비되는 골부(45)의 제 4 경사면(47)과 이와 연결되는 다른 주름부(41)의 제 1 경사면(43)도 명확하게 구분되지 않으나, 골부(45)의 최하부와 언덕부(42)의 최상부 사이의 중간을 경계로 하나의 주름부(41)의 제 4 경사면(47)과 다른 주름부(41)의 제 1 경사면(43)이 구분되는 것으로 볼 수 있다.

한편, 도 6은 본 발명에 의한 무인 비행체에 구비되는 주날개의 또 다른 실시예를 나타낸 측면도이다.

도 6에 나타낸 주날개(50)는 전후 방향으로 연이어 연결되는 복수의 주름부(51)를 갖는다. 주름부(51)는, 언덕부(52)와, 언덕부(52)의 후단에 연결되는 골부(56)를 포함한다. 언덕부(52)와 골부(56)는 동체(21;도 2참조)로부터 좌우 방향으로 연장되도록 구비되고, 상호 전후 방향으로 이어진다.

언덕부(52)는, 하부에서 상부 방향으로 상향 경사지도록 배치된 평판형의 제 1 경사면(53)과, 일단이 제 1 경사면(53)에 연결되고 비행 방향과 평행하도록 배치된 평판형의 제 1 수평면(54)과, 제 1 수평면(54)의 타단에 연결되고 상부에서 하부 방향으로 하향 경사지도록 배치된 평판형의 제 2 경사면(55)을 포함한다. 그리고 골부(56)는, 언덕부(52)의 제 2 경사면(55)과 연결되고 상부에서 하부 방향으로 하향 경사지도록 배치된 평판형의 제 3 경사면(57)과, 일단이 제 3 경사면(57)에 연결되고 비행 방향과 평행하도록 배치된 평판형의 제 2 수평면(58)과, 제 2 수평면(58)의 타단에 연결되고 하부에서 상부 방향으로 상향 경사지도록 배치된 평판형의 제 4 경사면(59)을 포함한다. 언덕부(52)와 골부(56) 중에서 언덕부(52)의 제 1 경사면(53)이 주날개(50)의 최선단에 배치된다. 물론, 언덕부(52)의 제 1 경사면(53) 및 제 2 경사면(55)과, 골부(56)의 제 3 경사면(57) 및 제 4 경사면(59)은 평판형이 아닌 곡면형으로 변경될 수 있다.

하나의 주름부(51)에 구비되는 언덕부(52)의 제 2 경사면(55)과 이와 연결되는 골부(56)의 제 3 경사면(57)은 명확하게 구분되지 않으나, 제 1 수평면(54)과 제 2 수평면(58) 사이의 중간을 경계로 제 2 경사면(55)과 제 3 경사면(57)이 구분되는 것으로 볼 수 있다. 또한 하나의 주름부(51)에 구비되는 골부(56)의 제 4 경사면(59)과 이와 연결되는 다른 주름부(51)의 제 1 경사면(53)도 명확하게 구분되지 않으나, 제 1 수평면(54)과 제 2 수평면(58) 사이의 중간을 경계로 하나의 주름부(51)의 제 4 경사면(59)과 다른 주름부(51)의 제 1 경사면(53)이 구분되는 것으로 볼 수 있다.

이상 본 발명에 대하 바람직한 예를 들어 설명하였으나 본 발명의 범위가 앞에서 설명한 실시예로 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 도면에는 주날개가 동체(21)에 연결되는 일단에서 타단까지 동일한 폭으로 이루어지고, 동체(21)의 양쪽 측부에서 수직으로 연장된 것으로 나타냈으나, 주날개는 동체(21)에 연결되는 일단에서 타단까지 그 폭이 다를 수 있다. 그리고 동체(21)와 주날개 사이의 각도는 도시된 것과 같은 수직으로 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다. 또한 주날개에 구비되는 주름부는 도시된 구조 이외에, 각각 좌우 방향으로 연장되고 상호 전후 방향으로 이어진 언덕부와 골부를 포함하는 다양한 다른 구조로 변경될 수 있다. 또한 꼬리날개는 생략되거나 다른 구조로 변경될 수도 있다.

20 : 무인 비행체 21 : 동체
22 : 바디 23 : 헤드
24 : 바디 결합부 25 : 돌출부
27, 40, 50 : 주날개 28, 41, 51 : 주름부
29, 42, 52 : 언덕부 30, 43, 53 : 제 1 경사면
31, 44, 55 : 제 2 경사면 32, 45, 56 : 골부
33, 46, 57 : 제 3 경사면 34, 47, 59 : 제 4 경사면
54, 58 : 제 1, 2 수평면