KR100951641B1 - 유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유인 또는 무인 헬리콥터의 소음 및 진동을 저감하기 위하여 뒷전 플랩 장치(TEF, Trailing Edge Flap)를 안정적으로 구동하고자 하는, 유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치에 관한 것으로, 본 발명에 의한 유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치는 유인 또는 무인 헬리콥터의 로터 블레이드에 구비되는 TEF(trailing edge flap, 뒷전 플랩, 30)을 구동하는 장치에 있어서, 유인 또는 무인 헬리콥터 로터의 회전수를 측정하고 측정된 회전수 신호를 변환 및 증폭하여 TEF 구동용 기초 파형을 생성하는 TEF 구동용 주파수 생성장치(10) 및 상기 TEF 구동용 주파수 생성장치(10)에 연결되어 상기 TEF 구동용 주파수 생성장치(10)에서 생성된 TEF 구동용 기초 파형 신호를 변환 및 증폭하고, 상기 변환 및 증폭된 신호를 사용하여 상기 로터 회전부를 통해 상기 TEF(30)를 직접 구동하는 TEF 구동기(20)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 헬리콥터 TEF 구현 방법은 헬리콥터 소음/진동 저감방법의 하나인 TEF가 헬기 엔진이 가동되는 시간 동안에 연속적으로 운용될 수 있게 된다. 이러한 방법을 이용할 경우 유인/무인 헬리콥터의 활용 범위를 획기적으로 증가시킬 수 있다.

헬리콥터, TEF(Trailing Edge Flap), 소음, 진동, 슬립링, 전원공급

Description

유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치{An Apparatus for Working Trailing Edge Flap(Tef) Device on Manned or Unmanned Helicopter(Rotorcraft) Rotor Blade}

본 발명은 유인 또는 무인 헬리콥터의 소음 및 진동을 저감하기 위하여 뒷전 플랩 장치(TEF, Trailing Edge Flap)를 안정적으로 구동하고자 하는, 유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치에 관한 것이다.

일반적으로 운용되는 모든 헬리콥터에는 자가 발전기와 배터리가 내장되어 있으며, 이를 이용한 본 발명을 활용하면 TEF 구동용 전원을 안정적으로 공급할 수 있다. 또한 로터 회전수에 동기화된 신호를 바탕으로 만들어진 TEF 구동용 신호는 적절한 소음 및 진동 저감용 TEF 구동 모션을 만들어 낼 수 있다. 이러한 원리로 헬리콥터용 소음 및 진동 저감을 위한 TEF 구동을 할 수 있도록 하는 것이 본 발명의 목적이다.

헬리콥터의 로터 블레이드는 매우 빠른 회전으로 인하여 고유의 소음 및 진 동을 발생시키며, 이는 헬리콥터 탑승감을 매우 불량하게 할 뿐만 아니라, 헬리콥터의 각 부품에 피로(fatigue)로 인한 손상 및 파괴의 주원인이 되고 있다. 따라서 헬리콥터 로터 블레이드에서 발생되는 소음 및 진동을 저감하기 위하여 여러 가지 방법이 시도되어 왔는데, 로터 블레이드에 구비되는 플랩의 각도를 적절하게 변경하는 플랩 시스템은 이러한 방법 중의 하나이다. 특히 로터 블레이드의 뒷전(trailing edge)에 구비되는 플랩(flap)(이하 trailing edge flap을 TEF로 칭함)의 움직임을 최적화함으로써 소음 및 진동을 줄이고자 하는 방법 또는 장치에 대한 연구들이 있어 왔다.

한편, TEF의 작동기, 즉 TEF로 전원을 공급하는 장치의 종류에는 전기 모터식 작동기, PZT 압전 세라믹 작동기 등 여러 가지가 있다. 헬리콥터의 소음 및 진동을 효과적으로 저감하기 위해서는 TEF가 언제나 안정적으로 작동이 되어야 하며, 따라서 TEF에 전원을 안정적으로 공급하는 것이 매우 중요하다는 것은 자명하다. 그런데, 종래에는 이러한 유인/무인 헬리콥터의 로터 블레이드 TEF 작동 위한 안정적으로 전원을 공급하는 방법에 대한 깊이있는 연구는 전무한 상태이다. 즉 종래에는 일본특허등록 제2828621호("로터 제어 시스템"), 일본특허등록 제4017384호("플랩 및 플랩 구동부를 가진 로터 블레이드") 등에서와 같이, 플랩 자체를 어떻게 용이하게 구동할 것인지, 즉 플랩 구동의 기계적 설계 측면에서의 접근은 많이 이루어져 왔으나, 정작 플랩을 구동함에 있어서 구동 전원을 안정적으로 공급하고자 하는 연구는 전혀 이루어지지 않고 있다.

아무리 훌륭한 TEF의 움직임을 구현한다 하여도 실제로 전원 공급이 제대로 이루어지지 않아 TEF의 실제 움직임이 이론과 달라지면 소음 및 진동의 저감 효과를 온전히 얻을 수 없음은 자명하다. 따라서 이와 같은 문제점을 해소하고자 하는 당업자의 요구가 꾸준히 있어 왔다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 TEF에 안정적으로 전원을 공급함으로써 TEF 제어에 의한 소음 및 진동 저감 효과를 최대화하는, 유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치를 제공함에 있다. 보다 상세하게는, 헬리콥터 기체 자체의 전원을 이용하여 로터 회전수로부터 만들어진 일정주파수 및 파형을 증폭시키며, 이를 슬립링을 통해 로터 회전부에 장착된 TEF로 전달하여 구동을 함으로써 TEF에 안정적으로 전원을 공급하는, 유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치는, 유인 또는 무인 헬리콥터의 로터 블레이드에 구비되는 TEF(trailing edge flap, 뒷전 플랩, 30)을 구동하는 장치에 있어서, 유인 또는 무인 헬리콥터 로터의 회전수를 측정하고 측정된 회전수 신호를 변환 및 증폭하여 TEF 구동용 기초 파형을 생성하는 TEF 구동용 주파수 생성장치(10) 및 상기 TEF 구동용 주파수 생성장치(10)에 연결되어 상기 TEF 구동용 주파수 생성장치(10)에서 생성된 TEF 구동용 기초 파형 신호를 변환 및 증폭하고, 상기 변환 및 증폭된 신호를 사용하여 상기 로터 회전부를 통해 상기 TEF(30)를 직접 구동하는 TEF 구동 기(20)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 TEF 구동용 주파수 생성장치(10)는 헬리콥터 로터의 회전부에 구비되는 로터 회전수 측정장치(1), 상기 로터 회전수 측정장치(1)로부터 측정된 로터 회전수에 소정 배율을 곱한 주파수를 가지는 변환 파형을 생성하는 주파수 변환 모듈(2) 및 상기 주파수 변환 모듈에서 생성된 변환 파형을 사인파로 변환하여 TEF 구동용 기초 파형을 생성하는 함수 발생 모듈(3)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 이 때, 상기 TEF 구동기(20)는 상기 TEF 구동용 주파수 생성장치(10)에서 생성된 기초 파형을 바이어스(bias)하여 바이어스 파형을 생성하는 바이어스 모듈(4), 상기 바이어스 모듈(4)에서 생성된 바이어스 파형을 높은 전압으로 증폭하여 고압 파형을 생성하는 증폭 모듈(5), 상기 증폭 모듈(5)에서 생성된 고압 파형을 상기 회전부로 연결해 주는 슬립링 장치(6) 및 헬리콥터에 내장되어 상기 증폭 모듈(5)에 전원을 공급하는 전원 공급 수단(7)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 로터 회전수 측정 장치(1)는 헬리콥터 로터의 주축 또는 로터 스와시판에 설치되는 로터리 엔코더 또는 근접 센서로 구현되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주파수 변환 모듈(2)은 상기 로터 회전수 측정장치(1)로부터 측정된 로터 회전수에 블레이드 개수와 동일 배를 곱한 주파수를 가지는 기초 파형을 생성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 함수 발생 모듈(3)은 0V 내지 5V 범위 내의 전압을 갖는 사인 정 현파 파형 형태의 TEF 구동용 기초 파형을 생성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 증폭 모듈(5)은 50V 내지 1000V 범위 내의 전압을 갖는 바이어스 파형 형태의 고압 파형을 생성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전원 공급 수단(7)은 헬리콥터 로터의 회전에 의하여 전기를 발생시키는 발전기 또는 헬리콥터에 구비되는 배터리로 구현되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 유인 또는 무인 헬리콥터의 소음 및 진동 저감을 위해 사용되는 TEF에 안정적으로 전원을 공급하여, 헬리콥터 비행시간 동안 지속적으로 TEF가 안정적으로 구동되도록 함으로써 소음 및 진동 효과를 극대화하는 효과가 있다.

특히 본 발명에 의하면, 기존 헬리콥터의 전원을 이용하여 TEF를 구동할 수 있는 바, 외부에서 별도의 전원 공급을 해 줄 필요가 없이 자체적으로 안정적으로 전기를 확보할 수 있게 되는 큰 효과가 있다.

본 발명은 향후 미래기술로 상용화될 예정인 TEF의 유인 또는 무인 헬리콥터 로터 블레이드에 적용할 수 있으며, 전원을 안정적으로 공급할 수 있어 개발 시 지상시험 및 비행시험을 성공적으로 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치는, 전원 공급 수단(7)과, 로터 회전수 측정장치(1), 이로부터 측정된 로터 회전수에 소정 배율을 곱하여 변환 파형을 생성하는 주파수 변환 모듈(2), 상기 변환 파형으로부터 TEF 구동용 기초 파형을 생성하는 함수 발생 모듈(3), 생성된 기초 파형을 적절히 바이어스해주는 바이어스 모듈(4), 바이어스된 파형을 높은 전압으로 증폭해 주는 증폭 모듈(5), 고전압의 파형을 회전부로 연결해 주는 슬립링 장치(6), 슬립링 장치로부터 전달되는 전압에 의하여 동작하는 TEF(30)를 포함하여 구성된다.

도 1은 본 발명의 뒷전 플랩 구동 장치와 본 발명의 뒷전 플랩 구동 방법에 의한 신호 변환 단계를 간략하게 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 뒷전 플랩 구동 장치의 각 부 구비 위치를 간략하게 도시한 것이며, 도 3은 본 발명의 뒷전 플랩 구동 방법을 보다 상세히 도시한 것이다. 상기 도면들을 통하여 본 발명의 뒷전 플랩 구동 장치에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 뒷전 플랩 구동 장치는 유인 또는 무인 헬리콥터 로터의 회전수를 측정하고 측정된 회전수 신호를 변환 및 증폭하여 TEF 구동용 기초 파형을 생성하는 TEF 구동용 주파수 생성장치(10) 및 상기 TEF 구동용 주파수 생성장치(10)에 연결되어 상기 TEF 구동용 주파수 생성장치(10)에서 생성된 TEF 구동용 기초 파형 신호를 변환 및 증폭하고, 상기 변환 및 증폭된 신호를 사용하여 상기 로터 회전부를 통해 상기 TEF(30)를 직접 구동하는 TEF 구동기(20)를 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 TEF 구동용 주파수 생성장치(10)는 헬리콥터 로터의 회전부에 구비되는 로터 회전수 측정장치(1), 상기 로터 회전수 측정장치(1)로부터 측정된 로터 회전수에 소정 배율을 곱한 주파수를 가지는 변환 파형을 생성하는 주파수 변환 모듈(2) 및 상기 주파수 변환 모듈에서 생성된 변환 파형을 사인파로 변환하여 TEF 구동용 기초 파형을 생성하는 함수 발생 모듈(3)을 포함하여 이루어지며, 상기 TEF 구동기(20)는 상기 TEF 구동용 주파수 생성장치(10)에서 생성된 기초 파형을 바이어스(bias)하여 바이어스 파형을 생성하는 바이어스 모듈(4), 상기 바이어스 모듈(4)에서 생성된 바이어스 파형을 높은 전압으로 증폭하여 고압 파형을 생성하는 증폭 모듈(5), 상기 증폭 모듈(5)에서 생성된 고압 파형을 상기 회전부로 연결해 주는 슬립링 장치(6) 및 헬리콥터에 내장되어 상기 증폭 모듈(5)에 전원을 공급하는 전원 공급 수단(7)을 포함하여 이루어진다. 도 2에서 상기 로터 회전수 측정 장치(1) 및 상기 슬립링 장치(6)를 제외한 각 부의 위치는 변동될 수 있는데, 예를 들어 전원 공급 수단(7)의 위치는 헬리콥터 기체의 종류에 따라 달라질 수 있는 등, 상기 도 2에 도시된 위치로 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 이하에서 도면을 참조하여 각 부의 기능을 보다 상세하게 설명한다.

상기 로터 회전수 측정 장치(1)는 헬리콥터의 로터 회전부, 보다 상세하게는 주축 또는 로터의 스와시판에 구비되어 헬리콥터 로터의 회전수를 측정한다. 상기 로터 회전수 측정 장치(1)는 로터리 엔코더 또는 근접 센서로 구현될 수 있으며, 1/회전수 펄스를 측정한다. 이와 같이 측정된 신호는 단순히 소정의 주파수를 갖는 펄스 신호, 즉 도 1(A)에 도시된 바와 같이 나타나는 펄스 신호가 된다.

상기 주파수 변환 모듈(2)은 상기 로터 회전수 측정 장치(1)로부터 측정된 회전수에 의한 펄스 신호의 주파수에 소정의 배율을 곱하여 도 1(B)에 도시된 바와 같은 기초 파형을 생성한다. 상기 주파수 변환 모듈(2)에 의하여 생성된 기초 파형 역시, 단지 펄스 신호의 주파수에 소정 배율을 곱했을 뿐이므로 펄스 신호로 나타나게 됨은 당연하다. 상기 주파수 변환 모듈(2)이 곱하는 소정 배율은, 상기 헬리콥터 로터에 장착된 블레이드 개수와 동일하게 되는 것이 바람직하다.

상기 함수 발생 모듈(3)은 상기 주파수 변환 모듈(2)에 의하여 생성된 기초 파형을 도 1(C)에 도시된 바와 같이 적절한 전압을 가진 사인 파형으로 변환하여 상기 TEF(30)를 구동하기 위한 TEF 구동용 기초 파형을 생성한다. 상기 함수 발생 모듈(3)에 의하여 생성되는 기초 파형은 0V 내지 5V 범위 내의 전압을 갖는 것이 바람직하다.

한편, 상기 TEF(30)에는 일반적으로 적층된 형태의 압전작동기가 구동부로서 주로 사용되는데, 이와 같은 압전작동기를 효율적으로 구동하기 위해서는 사인 정현파 파형이 아닌 한쪽으로 치우친 바이어스 파형이 더 유리하다는 점이 잘 알려져 있다. 또한 압전작동기의 효율적 구동에는 고전류는 필요하지 않은 대신 고전압이 유리하다는 점도 잘 알려져 있다. 상기 함수 발생 모듈(3)에서 생성된 TEF 구동용 기초 파형은 이러한 점에 있어 그대로 구동에 사용하기에는 적절하지 않으므로, 구동에 사용하기 적절한 파형으로 다시 변환하는 작업이 필요하다.

상기 바이어스 모듈(4)은 상술한 바와 같이 압전작동기의 구동이 더욱 효율적으로 이루어지도록 하기 위하여, 상기 함수 발생 모듈(3)에서 생성된 TEF 구동용 기초 파형을 바이어스하여 바이어스 파형을 생성한다. 이 때, 상술한 바와 같이 TEF(30)를 효율적으로 구동하기 위해서는 보다 고전압의 파형이 요구된다.

상기 증폭 모듈(5)은 도 3에 도시된 바와 같이 헬리콥터에 원래 구비되어 있는 전원 공급 수단(7)로부터 전원을 공급받아, 상기 바이어스 모듈(4)에서 생성된 바이어스 파형을 증폭함으로써, 도 1(D)에 도시된 바와 같이 원래의 바이어스 파형보다 훨씬 고전압을 갖는 고압 파형을 생성한다. 상기 증폭 모듈(5)에 의하여 생성되는 고압 파형은 50V 내지 1000V 범위 내의 전압을 갖는 것이 바람직하다.

이와 같이 형성된 고압 파형은 로터 회전축 중심부에 설치된 슬립링(slip-ring) 장치(6)를 통해 로터 상단으로 전달된다. 슬립링이란 전동기, 발전기의 회전자 권선에 전류를 공급하거나 끌어내는 금속제 고리로서, 로터 회전축에 슬립링이 용이하게 설치되기 위해서 로터 회전축이 중공관 형태를 가지게 되는 것이 바람직하다. 상기 슬립링 장치(6)에 의하여 발생된 TEF 구동을 위한 고압 파형은, 블레이드 내부에 구비되는 전선 등을 통하여 상기 TEF(30)로 전달되어 상기 TEF(30)를 구동하게 된다.

즉, 본 발명에 의하면 헬리콥터 로터의 회전으로부터 TEF 구동 신호를 뽑아내기 때문에 헬리콥터가 운행 중일 때는 언제나 지속적이고 안정적으로 TEF(30)로 구동 신호가 전달되게 되므로, TEF(30) 구동 효율을 최대화할 수 있게 된다. 더불어 TEF(30)가 헬리콥터 운행 중 매순간 항상 적절한 구동을 하게 됨으로써 헬리콥 터 운행 중의 소음 및 진동 저감 효율이 극대화될 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

도 1은 본 발명의 뒷전 플랩 구동 장치와 본 발명의 뒷전 플랩 구동 방법에 의한 신호 변환 단계.

도 2는 본 발명의 뒷전 플랩 구동 장치의 각 부 구비 위치.

도 3은 본 발명의 뒷전 플랩 구동 방법의 상세도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

1: 로터 회전수 측정 장치

2: 주파수 변환 모듈

3: 함수 발생 모듈

4: 바이어스 모듈

5: 증폭 모듈

6: 슬립링 장치

7: 전원 공급 수단

10: TEF 구동용 주파수 생성장치

20: TEF 구동기

30: TEF

Claims (8)

1. 유인 또는 무인 헬리콥터의 로터 블레이드에 구비되는 TEF(trailing edge flap, 뒷전 플랩, 30)을 구동하는 장치에 있어서,

   유인 또는 무인 헬리콥터 로터의 회전수를 측정하고 측정된 회전수 신호를 변환 및 증폭하여 TEF 구동용 기초 파형을 생성하는 TEF 구동용 주파수 생성장치(10) 및

   상기 TEF 구동용 주파수 생성장치(10)에 연결되어 상기 TEF 구동용 주파수 생성장치(10)에서 생성된 TEF 구동용 기초 파형 신호를 변환 및 증폭하고, 상기 변환 및 증폭된 신호를 사용하여 상기 로터 회전부를 통해 상기 TEF(30)를 직접 구동하는 TEF 구동기(20)

   를 포함하여 이루어지며,

   상기 TEF 구동기(20)는

   상기 TEF 구동용 주파수 생성장치(10)에서 생성된 기초 파형을 바이어스(bias)하여 바이어스 파형을 생성하는 바이어스 모듈(4), 상기 바이어스 모듈(4)에서 생성된 바이어스 파형을 높은 전압으로 증폭하여 고압 파형을 생성하는 증폭 모듈(5), 상기 증폭 모듈(5)에서 생성된 고압 파형을 상기 회전부로 연결해 주는 슬립링 장치(6) 및 헬리콥터에 내장되어 상기 증폭 모듈(5)에 전원을 공급하는 전원 공급 수단(7)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 TEF 구동용 주파수 생성장치(10)는

   헬리콥터 로터의 회전부에 구비되는 로터 회전수 측정장치(1), 상기 로터 회전수 측정장치(1)로부터 측정된 로터 회전수에 소정 배율을 곱한 주파수를 가지는 변환 파형을 생성하는 주파수 변환 모듈(2) 및 상기 주파수 변환 모듈에서 생성된 변환 파형을 사인파로 변환하여 TEF 구동용 기초 파형을 생성하는 함수 발생 모 듈(3)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치.
3. 삭제
4. 제 2항에 있어서, 상기 로터 회전수 측정 장치(1)는

   헬리콥터 로터의 주축 또는 로터 스와시판에 설치되는 로터리 엔코더 또는 근접 센서로 구현되는 것을 특징으로 하는 유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치.
5. 제 2항에 있어서, 상기 주파수 변환 모듈(2)은

   상기 로터 회전수 측정장치(1)로부터 측정된 로터 회전수에 블레이드 개수와 동일 배를 곱한 주파수를 가지는 기초 파형을 생성하는 것을 특징으로 하는 유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치.
6. 제 2항에 있어서, 상기 함수 발생 모듈(3)은

   0V 내지 5V 범위 내의 전압을 갖는 사인 정현파 파형 형태의 TEF 구동용 기초 파형을 생성하는 것을 특징으로 하는 유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치.
7. 제 1항에 있어서, 상기 증폭 모듈(5)은

   50V 내지 1000V 범위 내의 전압을 갖는 바이어스 파형 형태의 고압 파형을 생성하는 것을 특징으로 하는 유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치.
8. 제 1항에 있어서, 상기 전원 공급 수단(7)은

   헬리콥터 로터의 회전에 의하여 전기를 발생시키는 발전기 또는 헬리콥터에 구비되는 배터리로 구현되는 것을 특징으로 하는 유인 또는 무인 헬리콥터용 뒷전 플랩 구동 장치.

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