KR100489739B1 - 카나드-로터 날개용 양방향 에어포일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전익 항공기의 로터의 기능과, 상기 로터가 정지된 고정익 항공기의 날개 기능을 동시에 가지는 카나드-로터 날개의 공기역학적 성능을 증대시키기 위해 카나드-로터 날개의 단면을 비행모드에 따라 변화시킬 수 있는 양방향 에어포일에 관한 것이다.

본 발명은 카나드-로터 날개의 단면 에어포일의 기본적인 형태를 타원형으로 하고 에어포일의 전방과 후방 부분에 설치된 플랩(1, 2)이 플랩 힌지(3, 4)를 중심으로 하여 회전방향(12, 13)으로 회전이 가능하도록 하며, 상기 플랩(1, 2)이 회전되어 전개되었을 때 하부 막음판(5, 6)이 하부 막음판 힌지(7, 8)를 중심으로 회전하도록 하여 에어포일 전후방의 하부 개방을 막도록 하며, 상기 플랩(1, 2)이 전개되었을 때 에어포일의 하부 개방을 막는 보조적 수단으로서 막음돌기(9, 10)가 플랩(1, 2)의 아랫면에 설치된 것을 특징으로 한다.

Description

카나드-로터 날개용 양방향 에어포일{Bi-directional Airfoil for Canard-Rotor Wing}

본 발명은 회전익 항공기의 로터의 기능과 이 로터가 정지되어 고정익 항공기의 날개 기능을 동시에 가지는 카나드-로터 날개(Canard-Rotor Wing)의 공기역학적 성능을 증대시키기 위해 카나드-로터 날개의 단면 에어포일의 형상을 비행모드에 따라 변화시킬 수 있는 카나드-로터 날개용 양방향 에어포일에 관한 것이다.

카나드-로터 날개에 적용되는 타원형 에어포일은 기본적으로 회전익 및 고정익 비행모드 두 가지를 동시에 만족할 수 있는 형상이긴 하지만, 이 두 가지 비행모드 중 어느 쪽에서도 최대의 공기역학적 효율성을 나타낼 수 없다는 한계성을 가진다.

상기의 두 가지 비행 모드에서 최대의 공기역학적 효율을 가지기 위해서는 카나드-로터 날개의 에어포일을 비행모드에 적합한 형태가 되도록 변화시킬 수 밖에 없다.

즉, 항공기의 카나드-로터 날개에 적용되는 에어포일은 회전익 및 고정익 비행 모드 양쪽에 대해 적용되어야 하므로 에어포일의 형상은 불가피하게 좌우 대칭의 형태인 타원형 에어포일의 형태를 가질 수 밖에 없다.

상기 타원형 에어포일은 회전익 및 고정익 두 가지 비행 모드에 대해서 적용될 수 있으나, 에어포일의 앞전과 뒷전이 모두 동일하게 뭉툭한 형상으로 되어 있어서 기존의 날카로운 뒷전을 가지는 단방향 에어포일에 비해 양력 및 항력과 같은 에어포일의 공기역학적 특성이 현저히 저하되는 특성을 가지게 된다.

상기 타원형 에어포일은 동일한 두께비를 갖는 NACA0012 에어포일에 비해 양력곡선 기울기와 최대양력계수는 20%정도 감소하고, 최소항력계수는 50%이상 증가하는 것으로 풍동시험을 통해 알려져 있는데, 이와 같은 양항력 특성의 현격한 감소는 타원형 에어포일의 뒷전의 뭉툭한 형상에 기인한다.

상기 타원형 에어포일에서 발생하는 대부분의 항력은 에어포일 후방의 뭉툭한 형상에 의한 유동의 박리로부터 발생하는 형상항력 성분에 기인한 것으로서, 비행 모드에 적합하도록 에어포일 앞전 및 뒷전의 모양을 변화시킬 수 있다면 카나드-로터 날개의 양항력 특성을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 비행체의 이착륙 시에는 헬리콥터와 같이 로터의 블레이드를 회전시켜 수직방향의 추력을 발생시킴으로써 수직이착륙이 가능하게 하고, 전진 비행 시에는 로터를 비행체의 전진방향에 수직으로 고정시킴으로써 기존의 헬리콥터에 비해 고속의 전진비행속도를 갖도록 하는 카나드-로터 날개의 에어포일 형상을 제공하는 것이다.

본 발명의 회전익 비행모드에서는 로터 블레이드가 로터의 회전축을 중심으로 회전하게 되므로 좌측 블레이드 에어포일 단면은 뒤쪽의 플랩이 개방된 형태로 하고, 우측 블레이드의 단면은 앞쪽의 플랩이 개방된 형태를 취하게 함으로써 블레이드의 항력을 감소시켜 이에 의한 로터의 축 토오크를 감소시키고자 한다.

본 발명은 고정익 비행모드에서 카나드-로터 날개는 비행체의 전진방향에 수직으로 고정되게 함으로써 양측 날개의 단면은 앞쪽의 플랩이 개방된 형상을 취하게 하여 이 비행 모드에서의 양항력 특성을 최대화하도록 한다.

상기와 같이 카나드-로터 날개에 대한 바람의 방향에 따라 에어포일의 형상을 주어진 비행 모드에 적합하도록 변화시켜야 하는데, 이를 위해서는 타원형 에어포일의 앞전 및 뒷전의 일부를 전개시킴으로써 바람의 대향 부분은 뭉툭하게 하고, 후향 부분을 뾰쪽하게 하여 최종적으로 보편적 형태의 에어포일 형상으로 변화시키는 방법을 제안하고자 하는 것이다.

상기와 같은 에어포일의 비행모드별 형상변화를 통해 고정 타원형 에어포일로 이루어진 기존 로터/날개에 비하여 양력의 증가, 항력의 감소, 그리고 에어포일 후방의 유동박리에 의한 공력진동이 감소하도록 하는 것이다.

본 발명은 타원형 에어포일의 앞/뒷전에 장착된 플랩이 전개됨으로써 발생하는 에어포일 하부의 개방에 의한 유동의 박리영역은 하부에 걸리는 정압을 감소시켜 날개의 양력을 감소시키고, 항력을 증가시키며, 또한 박리에 의한 공력진동을 유발하게 되므로 이러한 현상을 억제하기 위해서는 개방된 에어포일의 하부를 원래의 타원형 형태에 근접하도록 막아야 할 필요가 있으며 이를 위해서는 하부 막음판과 플랩에 부착된 막음 돌기를 이용하는 것이다.

본 발명은 비행체의 회전익 및 고정익 비행모드에 따라, 즉 에어포일(11)에 대한 바람의 방향에 따라 에어포일(11)의 앞전과 뒷전의 모양이 변화되는 카나드-로터 날개용 양방향 에어포일에 관한 것이다.

본 발명은 단면 에어포일(11)의 기본적인 형태를 타원형으로 하고, 타원형 에어포일(11)의 전방과 후방 부분에 설치된 플랩(1, 2)이 플랩 힌지(3)를 중심으로 하여 하측방향에서 전방과 후방을 향하여 회전이 가능하도록 설치한다.

도 1 과 같이 플랩(1, 2)이 접혀진 상태에서 플랩(1, 2)과 타원형 에어포일(11)의 사이에는 하부 막음판(5, 6)이 길게 형성되어 있고, 하부 막음판 힌지(7, 8)을 중심으로 플랩(1, 2)의 하측선에 회전가능하도록 설치한다.

상기 플랩(1, 2)의 상측에는 타원형 에어포일(11)의 양선단으로 막음돌기(9, 10)가 설치되어 있는 것이다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 도 2 의 회전익 비행모드에서는 타원형 에어포일(11)에 장착된 플랩(1, 2)이 좌측날개와 우측날개에 대해 서로 엇갈리게 전개된다.

도 2 의 회전익 비행모드에서 로터가 반시계 방향으로 회전하고 있을 때 좌측 로터/날개(16)의 단면 에어포일의 형태 A-A는 도 4 에서와 같이 아래쪽이 둥근 모양이 되도록 플랩(1)이 접혀진 상태로 하고, 위쪽은 뾰쪽한 모양이 되도록 플랩(2)을 전개시킨다.

도 4 의 플랩(2)의 전개시에 플랩(2)이 접혀있던 공간에 의한 타원형 에어포일(11) 하부의 개방부는 하부 막음판(6)의 전개로 막아지게 되며, 플랩(2)에 장착된 막음돌기(10)는 플랩(2)이 전개된 상태에서 에어포일(11)의 하부를 보다 확실히 막기 위한 보조적 수단이다.

도 2 의 회전익 비행모드에서 우측 날개(17)의 단면 에어포일 형태 B-B는 도 5 에서와 같이 날개의 위쪽이 둥근 모양이 되도록 플랩(2)이 접혀진 상태로 있게 되며 날개(17)의 아래쪽은 뾰쪽한 모양이 되도록 플랩(1)을 전개시키며, 에어포일(11) 하부 개방의 막음은 상기의 좌측날개(16)의 경우와 동일하다.

도 3 의 고정익 비행모드에서는 양쪽 날개에 대한 바람의 방향이 동일하므로 좌측 날개(16)와 우측날개(17)의 플랩(1, 2)이 모두 후방 쪽으로 전개된다.

상기 고정익 비행모드에서는 각 날개(16, 17)의 단면 B-B가 동일하게 도 5 와 같은 에어포일(11) 형태를 취하게 되며, 이 경우에도 하부 막음판(5) 및 막음돌기(9)의 작동개념은 상기 회전익의 경우와 동일하다.

도 2 의 회전익 비행모드에서는 최대의 공기역학적 효율을 가지기 위해서 카나드-로터 날개(16, 17)의 회전축을 중심으로 회전하게 되므로 좌측 블레이드 에어포일(11)의 단면은 도 4 에서와 같은 형태로 작동하게 되며, 우측 블레이드의 단면은 도 5 와 같은 형태를 취하게 함으로써 블레이드의 항력을 감소시켜 이에 의한 로터의 축 토오크를 감소시키고자 한다.

도 3 의 고정익 비행모드에서 카나드-로터 날개(16, 17)는 비행체의 전진방향에 수직으로 고정됨으로써 양측 날개의 단면은 도 5 와 같은 동일한 형상을 취하게 하여 이 비행 모드에서의 양항력 특성을 최대화하도록 한다.

이와 같이 카나드-로터 날개(16, 17)에 대한 바람의 영향에 따라 에어포일(11)의 형상을 주어진 비행 모드에 적합하도록 변화시켜야 하는데, 이를 위해서는 도 1 에서와 같이 타원형 에어포일(11)의 앞전 및 뒷전의 일부를 전개시킴으로써 바람의 대향 부분은 뭉툭하게 하고, 후방 부분을 뾰쪽하게 하여 최종적으로 보편적 형태의 에어포일(11) 형상으로 변화시킬 수 있는 것이다.

상기와 같은 에어포일(11)의 비행모드별 변화를 통해 고정 타원형 에어포일로 이루어진 기존 로터/날개에 비하여 양력의 증가, 항력의 감소, 에어포일 후방의 유동박리에 의한 공력진동의 감소를 가능하게 하는 것이다.

타원형 에어포일(11)의 앞전과 뒷전에 장착된 플랩(1, 2)이 플랩힌지(3, 4)를 축으로 전개됨으로써 발생하는 에어포일(11) 하부의 개방에 의한 유동의 박리영역은 하부에 걸리는 정압을 감소시켜 날개의 양력을 감소시키고, 항력을 증가시키는 것이다.

또한 박리에 의한 공력진동을 유발하게 되므로 이러한 현상을 억제하기 위해서는 개방된 에어포일(11)의 하부를 원래의 타원형에 근접하도록 막아야 할 필요가 있으므로 이를 위해서 플랩(1, 2)의 하측은 하부 막음판 힌지(7, 8)를 축으로 회전되는 하부 막음판(5, 6)과, 상측의 고정형 막음돌기(9, 10)를 통하여 막을 수 있도록 하는 것이다.

본 발명은 회전익 및 고정익 비행모드 각각에 적합하도록 플랩을 이용하여 에어포일의 형태를 변화시킴으로써, 각 비행모드에서 기존의 고정형 타원형 에어포일에 비교하여 양력의 증가 및 항력의 감소효과를 얻을 수 있는 것이다.

본 발명은 비행모드 적응형 에어포일의 적용에 따른 로터/날개의 공기역학적 특성의 향상은 비행체의 필요추력을 감소시켜 엔진의 사이즈와 연료 소모율을 감소시킴으로써 최종적으로 비행체의 체공시간과 항속거리의 증가 효과를 얻을 수 있다.

본 발명으로 기존의 타원형 에어포일 뒷전의 뭉툭한 형상에 의해 발생하는 뒷전의 유동박리에 기인하는 공력진동을 현저히 감소시킬 수 있다.

본 발명은 회전익 모드에서 블레이드의 항력 감소로 로터 샤프트의 토오크가 현저히 감소하게 되어 로터 허브시스템의 구조적 중량을 감소시킬 수 있다.

본 발명은 카나드-로터 날개의 공기역학적 특성의 향상을 위해 좌우 카나드-로터 날개에 적용된 플랩장치는 고정익 모드에서 롤 방향 제어를 위한 에일러론의 기능과 함께 고정익 모드로 이착륙시 양력의 증가를 위한 고양력 시스템으로도 활용이 가능하다.

도 1 은 본 발명의 카나드-로터 날개용 양방향 에어포일의 단면도.

도 2 는 본 발명의 회전익 모드에서의 작동 상태도.

도 3 은 본 발명의 고정익 모드에서의 작동 상태도.

도 4 는 도 2 의 A-A 선 단면도.

도 5 는 도 2 와 도 3 의 B-B 선 단면도.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1, 2 : 플랩 3, 4 : 플랩 힌지

5, 6 : 하부 막음판 7, 8 : 하부 막음판 힌지

9, 10 : 막음 돌기 11 : 타원형 에어포일

16 : 좌측 카나드-로터 날개 17 : 우측 카나드-로터 날개

Claims (6)

1. 기본적인 단면형태를 타원형으로 하는 카나드-로터 날개(Canard-rotor wing)용 양방향 에어포일에 있어서,

   상기 에어포일의 앞전과 뒷전에 플랩 힌지를 중심으로 회전가능하게 설치된 플랩과,

   상기 플랩이 회전되어 전개되었을 때 하부 막음판 힌지를 중심으로 회전되어 에어포일 전후방의 개방부분을 막는 하부 막음판과,

   상기 플랩이 전개되었을 때 하부 막음판의 반대편에서 에어포일의 개방을 막는 막음돌기가 설치됨을 특징으로 하는 카나드-로터 날개용 양방향 에어포일.
2. 제 1 항에 있어서, 타원형 에어포일 앞전과 뒷전의 일부가 분리되어 장착되는 플랩이 외측으로 돌출되는 방향으로 뾰쪽한 모양을 갖도록 하여 에어포일의 앞전과 뒷전을 비행모드에 따라 변화시키는 것을 특징으로 하는 카나드-로터 날개용 양방향 에어포일.
3. 제 1 항에 있어서, 타원형 에어포일의 앞전 및 뒷전에 결합시킨 플랩이 플랩 힌지를 중심으로 회전함으로써 회전익 및 고정익 비행모드에 적합한 형상으로 변화되는 것을 특징으로 하는 카나드-로터 날개용 양방향 에어포일.
4. 제 1 항에 있어서, 플랩이 전개되었을 때 나타나는 에어포일 하부의 개방부를 막기 위해 하부 막음판 힌지를 중심으로 회전하여 전개되는 하부 막음판을 갖는 것을 특징으로 하는 카나드-로터 날개용 양방향 에어포일.
5. 제 1 항에 있어서, 플랩이 전개되고, 하부 막음판이 전개된 상태에서 에어포일 하부 개방을 막는 보조적 수단으로서 플랩의 상부에 설치된 막음돌기를 갖는 것을 특징으로 하는 카나드-로터 날개용 양방향 에어포일.
6. 제 1 항에 있어서, 플랩이 에어포일의 앞전과 뒷전중 어느 한쪽으로 전개되도록 함을 특징으로 하는 카나드-로터 날개용 양방향 에어포일.