KR101205233B1 - 헬리콥터용 스마트 탭 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 헬리콥터의 로터 블레이드에 장착되는 스마트 탭 및 그 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로터의 회전 속도에 따라 스마트 탭을 통해 블레이드의 코드길이를 변화시켜 로터 블레이드 회전 시 진동 및 소음을 감소시키게 되는 헬리콥터용 스마트 탭 및 그 구동방법에 관한 것이다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 헬리콥터용 스마트 탭 및 그 구동방법은 향후 미래기술로 상용화될 예정인 구동 탭(Tab)을 유인/무인 헬리콥터 로터 블레이드에 적용할 수 있으며, 국제민간항공기구(ICAO)에서 요구하는 소음 저감 등을 적극적으로 실현할 수 있게 되는 효과가 있다.
또한, 탭을 구동하기 위한 전원을 안정적, 연속적으로 공급할 수 있어 개발 시 지상시험 및 비행시험을 성공적으로 수행할 수 있을 것으로 기대된다.
아울러 기존 헬리콥터의 전원을 이용하여 탭을 구동할 수 있어 외부에서 별도의 전원공급 없이도 자체적 및 안정적으로 탭을 구동할 수 있는 전기를 확보하게 된다.

Description

헬리콥터용 스마트 탭 구동방법{Working Methodology of Smart Tab device used for vibration and noise control on manned or unmanned helicopter rotor blade}

본 발명은 헬리콥터의 로터 블레이드에 장착되는 스마트 탭 및 그 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로터의 회전 속도에 따라 스마트 탭을 통해 블레이드의 코드길이를 변화시켜 로터 블레이드 회전 시 진동 및 소음을 감소시키게 되는 헬리콥터용 스마트 탭 및 그 구동방법에 관한 것이다.

헬리콥터는 수직이착륙이 가능하고, 회전반경이 작아 활주로가 필요 없고 좁은 공간에서도 기동이 가능하기 때문에 소방, 구조 및 방제 작업 등 다방면으로 활용되고 있다.

헬리콥터는 전진비행 시 항공기의 속도에 블레이드의 회전속도가 더해져 각각의 방위각에서 회전하는 블레이드의 접하는 상대속도가 다르며 이로 인해 전진면 블레이드에서는 고 마하수, 낮은 받음각, 후퇴면 블레이드에서는 저 마하수, 높은 받음각의 환경을 가지게 된다. 즉 헬리콥터의 전진방향에 대해 후퇴하는 블레이드에서는 상대속도가 느려지지만, 전진방향에 대해 전진하는 블레이드에서는 상대속도가 빨라지게 된다. 따라서 헬기 운용 시 로터 블레이드 회전에 따른 진동과 소음이 다른 비행체에 비해 단점으로 지적된다.

현재 운용되는 모든 헬리콥터는 블레이드 회전에 따른 끊임없는 진동 저감과 친환경 설계 및 운용 요구확대로 소음 감소에 대한 장치들이 개발되고 있으며, 로터 블레이드의 끝단부에 로터 블레이드의 회전 속도에 따라 로터 블레이드의 코드길이를 변화시킬 수 있는 탭 장치가 공시된 바 있다.

그러나 종래의 탭 장치는 회전하는 로터 블레이드에 장착되는 탭을 구동시키기 위한 전원 공급이 불안정하고, 탭을 효율적으로 구동시키기 위한 구성이 미흡한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 로터 블레이드의 끝단부에 공기역학적 토션 모멘트 및 공력 중심 위치를 조절할 수 있는 탭(Tab)을 장착하며, 슬립링을 통해 헬기본체에서 로터 블레이드 회전부로 전원을 안정적으로 공급하고, 압전재료에 의해 탭을 구동하게 되는 헬리콥터용 스마트 탭 및 그 구동방법에 관한 것이다.

본 발명의 스마트 탭은 헬리콥터(H)의 로터 블레이드(B)에 장착되는 스마트 탭(100)에 있어서, 상기 로터 블레이드(B)의 끝단에 힌지 결합되며, 일단에 상기 로터 블레이드 단면의 수직으로 형성되는 피봇(Pivot, 11)을 회전축으로 타단이 상기 로터 블레이드 외측으로 힌지 회동하는 탭(10); 전계 신호를 입력받아 변위에 의해 상기 탭(10)을 힌지 회동시키는 압전 액추에이터(20); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 스마트 탭(100)은, 상기 헬리콥터 본체(M)의 전원을 상기 압전 액추에이터(20)에 공급하기 위해 로터(R)에 설치되는 슬립링(30); 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스마트 탭(100)은, 상기 로터 블레이드(B)의 회전 운동에 의해 생기는 탭(10)의 원심력을 상쇄시키도록 상기 탭(10)의 일단에서 연장 형성되는 카운터 웨이트(Counter Weight, 40); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 압전 액추에이터(20)와 탭(10)은 탄성레버(50)를 통해 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 스마트 탭 구동방법은, 로터의 회전수를 측정한 후 그 신호를 변환 및 증폭하여 스마트 탭 구동용 정규 파형으로 만들어주는 스마트 탭 구동용 주파수 증폭단계(S10); 상기 스마트 탭 구동용 정규 파형을 변환 및 증폭하여 스마트 탭으로 전달하는 스마트 탭 구동용 전원 공급단계(S20); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 스마트 탭 구동용 주파수 증폭단계(S10)는, 로터 회전수를 측정하여 신호화하기 위한 로터 회전속도 측정단계(S11); 상기 회전속도 측정단계(S11)를 통해 측정된 회전수 신호를 블레이드 개수와 정수배로 주파수를 증폭하는 회전수 신호 증폭단계(S12); 및 상기 회전수 신호 증폭단계(S12)를 통해 증폭된 회전수 신호를 정규 파형으로 만들기 위한 정규함수 발생단계(S13); 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스마트 탭 구동용 전원 공급단계(S20)는, 스마트 탭 구동용 주파수 증폭장치에서 만들어진 특정 주파수의 정규파형을 스마트 탭의 위상 및 진폭 등에 최적화되도록 구동파형으로 변환해 주는 변환단계(S21); 상기 구동파형을 스마트 탭 구동용 고전압 신호로 승압시켜주는 승압단계(S22); 상기 고전압 신호를 헬리콥터 기체부에서 로터 블레이드 회전부로 슬립링을 통해 연결해주는 연결단계(S23); 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 헬리콥터용 스마트 탭 및 그 구동방법은 향후 미래기술로 상용화될 예정인 구동 탭(Tab)을 유인/무인 헬리콥터 로터 블레이드에 적용할 수 있으며, 국제민간항공기구(ICAO)에서 요구하는 소음 저감 등을 적극적으로 실현할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 탭을 구동하기 위한 전원을 안정적, 연속적으로 공급할 수 있어 개발 시 지상시험 및 비행시험을 성공적으로 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

아울러 기존 헬리콥터의 전원을 이용하여 탭을 구동할 수 있어 외부에서 별도의 전원공급 없이도 자체적 및 안정적으로 탭을 구동할 수 있는 전기를 확보하게 된다.

도 1은 본 발명의 스마트 탭이 장착된 헬리콥터 사시도
도 2는 본 발명의 스마트 탭이 장착된 로터 블레이드 부분평면도
도 3은 본 발명의 스마트 탭이 장착된 블레이드 단면 작동상태도(접힘)
도 4는 본 발명의 스마트 탭이 장착된 블레이드 단면 작동상태도(펼침)
도 5는 본 발명의 스마트 탭의 구동 방법 블럭도

일반적인 헬리콥터(H)는 도 1에 도시된 바와 같으며, 본체(M)와 로터(R) 및 로터 블레이드(B)로 구성된다. 상기 헬리콥터(H)를 공중에 띠우기 위해 양력을 발생시키는 로터 블레이드(B)가 상기 본체(M)의 상단에 설치된다. 따라서 로터 블레이드(B)의 회전에 의해 발생되는 양력으로 헬리콥터(H)를 기동(機動)하게 된다.

이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 스마트 탭(100)은 탭(10)과, 전계 신호에 의해 왕복 변위 운동하는 압전 액추에이터(20)와, 상기 압전 액추에이터(20)의 변위를 전달하는 커넥팅로드(21)와, 상기 커넥팅로드(21)에서 전달되는 변위를 탭(10)으로 최종 전달하는 탄성레버(50)와, 상기 탄성레버(50)의 변위 운동에 의해 탭(10)을 회전시키는 회전축인 피봇(11)과, 로터 블레이드(B)의 회전에 의한 탭(10)의 원심력을 상쇄시켜 탭(10)의 위치를 유지시키기 위한 카운터 웨이트(40) 및 상기 헬리콥터 본체(10)에서 상기 압전 액추에이터(20)로 전계 신호를 전달하기 위한 슬립링(30)을 포함하여 이루어진다.

상기 탭(10)은 판체 상으로 상기 로터 블레이드(B)의 끝단부 일측에 형성된다. 상기 탭(10)은 상기 로터 블레이드(B)에 힌지 결합될 수 있다. 상기 탭(10)은 일단에 상기 로터 블레이드 단면의 수직으로 형성되는 피봇(Pivot, 11)을 회전축으로 타단이 상기 로터 블레이드 외측으로 힌지 회동하도록 구성된다.

상기 압전 액추에이터(20)는 상기 로터 블레이드(B) 상에 설치되며, 상기 탭(10)과 평행을 이루도록 구성된다. 본 발명에서 상기 압전 액추에이터(20)는 압축 또는 신장을 극대화한 개념인 티탄산지르콘납(Plumbum Ziconate Titanate)소자를 복수 개 적층하여 구성할 수 있다. 따라서 상기 압전 액추에이터(20)는 전계신호에 의해 왕복방향으로 변위된다.

상기 압전 액추에이터(20)의 일단에는 커넥팅로드(21)가 연결되며, 상기 커넥팅로드(21)의 일단에는 탄성레버(50)가 연결된다. 상기 탄성레버(50)는 상기 커넥팅로드(21)와 상기 탭(10)에 수직이 되도록 구성되며, 일단이 상기 커넥팅로드(21)의 일단에 타단이 상기 탭(10)의 일단에 연결되도록 구성된다. 상기 탄성레버(50)는 탄성 재질로 되며, 상기 압전 액추에이터(20)의 변위에 따라 탄력적으로 상기 탭(10)에 변위를 전달하게 된다.

상기 압전 액추에이터(20), 커넥팅로드(21) 및 탄성레버(50)는 복수 개가 구비될 수 있다. 따라서 상기 압전 액추에이터(20)는 전압의 부호에 따라 인장과 수축하는 왕복 운동을 한다. 상기 압전 액추에이터(20)의 왕복 운동은 커넥팅로드(21)를 왕복 운동하게 하고 이는 탄성레버(50)로 전달되어 탭(Tab, 10)과 연결된 피봇(Pivot, 11)을 중심으로 쌍 모멘트(couple moment)를 전달하게 된다. 이 쌍 모멘트는 피봇(11) 중심으로 탭(10)을 회전하는 운동을 발생시키며 원심력과 힘의 평형을 이룬 위치에서 멈추게 된다.

즉 도 3에 도시된 바와 같이 상기 압전 액추에이터(20)가 인장 변위 하면, 상기 탭(10)의 타단이 상기 로터 블레이드(B)의 내측으로 접히게 되고 블레이드(B)의 코드길이는 변동이 없게 된다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 압전 액추에이터(20)가 축소 변위 하면, 상기 탭(10)의 타단이 상기 블레이드(B)의 외측으로 펼쳐지게 되고 블레이드(B)의 코드길이가 늘어나게 된다.

이때, 본 발명의 스마트 탭은 로터 블레이드(B)의 회전에 의해 생기는 탭(10)의 원심력을 상쇄하여 탭(10)을 위치를 유지시키기 위해 다음과 같은 구성을 갖게 된다. 도 2에 도시된 바와 같이 상기 탭(10)에는 무게중심점에서 화살표 방향으로 원심력이 발생하게 된다.

상기 카운터 웨이트(40)는 상기 탭(10)의 일단에서 외측으로 연장 형성된다. 상기 카운터 웨이트(40)는 상기 로터 블레이드(B)의 내측으로 형성되며, 상기 탭(10)이 길이방향과의 각도는 둔각으로 이루어질 수 있다. 상기 탭(10)이 작동되었을 때 무게 중심이 바뀜에 따라 원심력이 변하게 되는데 이를 보정해주기 위해 카운터 웨이트(40)가 피봇(11) 반대쪽에 장착되어 도 2에 도시된 바와 같이 상기 카운터 웨이트(40)의 무게중심점에서 화살표 방향으로 원심력을 발생하여 상기 탭(10)에 발생하는 원심력을 상쇄시켜주는 역할을 하게 된다.

상기 슬립링(30)은 상기 로터(R)에 설치된다. 상기 슬립링(30)은 고정 체에서 회전체에 전기 및 전계 신호를 전달하기 위한 통상의 슬립링 구성이 적용되는 바 이에 대한 상세 설명은 생략한다. 상기 슬립링(30)을 통해 본체(M)의 전원이 상기 스마트 탭(100)에 안정적으로 전달되게 된다.

이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 스마트 탭의 구동 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 5를 참조하면, 우선 본 발명의 스마트 탭을 구동하기 위한 방법은 크게 로터의 회전수를 측정한 후 그 신호를 변환 및 증폭하여 스마트 탭 구동용 정규 파형으로 만들어주는 스마트 탭 구동용 주파수 증폭단계(S10)와 상기 스마트 탭 구동용 정규 파형을 변환 및 증폭하여 스마트 탭으로 전달하는 스마트 탭 구동용 전원 공급단계(S20)로 구성된다.

상기 스마트 탭 구동용 주파수 증폭단계(S10)는 로터 회전수를 측정하여 신호화하기 위한 로터 회전속도 측정단계(S11), 상기 회전속도 측정단계(S11)를 통해 측정된 회전수 신호를 블레이드 개수와 정수배로 주파수를 증폭하는 회전수 신호 증폭단계(S12) 및 상기 회전수 신호 증폭단계(S12)를 통해 증폭된 회전수 신호를 정규 파형으로 만들기 위한 정규함수 발생단계(S13)로 구성되며, 스마트 탭 구동용 전원 공급단계(S20)는 스마트 탭 구동용 주파수 증폭장치에서 만들어진 특정 주파수의 정규파형을 스마트 탭의 위상 및 진폭 등에 최적화되도록 구동파형으로 변환해 주는 변환단계(S21), 상기 구동파형을 스마트 탭 구동용 고전압 신호로 승압시켜주는 승압단계(S22) 및 상기 고전압 신호를 헬리콥터 기체부에서 로터 블레이드 회전부로 슬립링을 통해 연결해주는 연결단계(S23)로 구성된다.

로터 회전속도 측정단계(S11)는 일반적으로 로터리 엔코더(Rotary Encoder) 또는 근접센서(Proximity Sensor)를 이용하여 로터 회전속도에 해당하는 1/rev 펄스를 측정한다. 측정된 신호는 일반적으로 단순한 주파수(Hz)이다. 이 주파수 신호는 회전수 신호 증폭단계(S12)를 통해 블레이드 개수만큼의 배수로 주파수 변환을 시킨다. 변환된 주파수로부터 정규함수 발생단계(S13)에는 탭 구동 파형을 만들기 위해 적절한 전압(0~5 V)으로 정규파형(보통은 사인파(sine wave))을 만들게 되며, 이때 주파수는 로터 회전속도의 정수배(블레이드 개수 배)가 된다.

탭(Tab)은 압전 액추에이터를 통해 작동된다. 압전 액추에이터는 특성에 따라 다양하지만 본 발명에서는 압축-신장을 극대화한 개념인 적층 형태를 적용하였으며, 이 작동기의 효율적 구동을 위해서는 정규 파형인 정현파가 아닌 한쪽으로 치우친 변환 파형이 필요하다. 또한 작동기가 필요로 하는 전압은 높지만, 전류는 그리 높지 않아도 된다. 원하는 일정 주파수로 만들어진 정규 파형(Sine 파형)을 변환단계(S21)를 통해 변형된 Sine 파형으로 재 변환하게 되고, 스마트 탭(Smart Tab) 작동기용 구동파형이 만들어지게 된다. 이는 다시 탭(Tab) 구동용 전압으로 승압되어야 한다. 이를 위해 승압단계(S22)를 통해 탭(Tab) 구동을 위한 입력 전압(0~5 V)을 탭(Tab) 구동용 전원으로 증폭시킨 고압 파형(5 ~200 V)이 완성된다. 이때, 상기 승압단계(S22)를 위한 전원은 헬리콥터 자체에 있는 발전기(로터 회전 시 사용)나 배터리를 사용한다.

상기 승압단계(S22)를 통해 승압이 완성된 고압 전원 파형은 로터 회전축 중심부에 설치된 슬립링(Slip Ring, 30)을 통해 회전하는 로터 상단으로 연결하는 연결단계(S23)를 수행하게 된다. 상기 슬립링(30) 장착을 위해서는 로터 주 회전축은 준공형태이어야 한다. 슬립링(30)을 이용해 연결된 탭(Tab) 구동용 고전압 파형은 블레이드(B) 내부를 통해 스마트 탭(100) 내부의 압전 액추에이터(20)로 연결된다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

H : 헬리콥터 M : 본체
R : 로터 B : 로터 블레이드
100 : 스마트 탭
10 : 탭 11 : 피봇
20 : 압전 액추에이터 21 : 커넥팅로드
30 : 슬립링
40 : 카운터 웨이트
50 : 탄성레버

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 로터 블레이드(B)의 끝단에 힌지 결합되며, 일단에 상기 로터 블레이드 단면의 수직으로 형성되는 피봇(Pivot, 11)을 회전축으로 타단이 상기 로터 블레이드 외측으로 힌지 회동하는 탭(10)과, 전계 신호를 입력받아 변위에 의해 상기 탭(10)을 힌지 회동시키는 압전 액추에이터(20)를 포함하는 스마트 탭(100)을 구동시키기 위한 구동방법에 있어서,
   로터의 회전수를 측정한 후 그 신호를 변환 및 증폭하여 스마트 탭 구동용 정규 파형으로 만들어주는 스마트 탭 구동용 주파수 증폭단계(S10);
   상기 스마트 탭 구동용 정규 파형을 변환 및 증폭하여 스마트 탭으로 전달하는 스마트 탭 구동용 전원 공급단계(S20);
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 헬리콥터용 스마트 탭 구동방법.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 스마트 탭 구동용 주파수 증폭단계(S10)는,
   로터 회전수를 측정하여 신호화하기 위한 로터 회전속도 측정단계(S11);
   상기 회전속도 측정단계(S11)를 통해 측정된 회전수 신호를 블레이드 개수와 정수배로 주파수를 증폭하는 회전수 신호 증폭단계(S12); 및
   상기 회전수 신호 증폭단계(S12)를 통해 증폭된 회전수 신호를 정규 파형으로 만들기 위한 정규함수 발생단계(S13);
   로 구성되는 것을 특징으로 하는 헬리콥터용 스마트 탭 구동방법.
   
7. 제 5항에 있어서,
   상기 스마트 탭 구동용 전원 공급단계(S20)는,
   스마트 탭 구동용 주파수 증폭장치에서 만들어진 특정 주파수의 정규파형을 스마트 탭의 위상 및 진폭 등에 최적화되도록 구동파형으로 변환해 주는 변환단계(S21);
   상기 구동파형을 스마트 탭 구동용 고전압 신호로 승압시켜주는 승압단계(S22);
   상기 고전압 신호를 헬리콥터 기체부에서 로터 블레이드 회전부로 슬립링을 통해 연결해주는 연결단계(S23);
   로 구성되는 것을 특징으로 하는 헬리콥터용 스마트 탭 구동방법.

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