KR102286280B1

KR102286280B1 - 헬리콥터

Info

Publication number: KR102286280B1
Application number: KR1020180158203A
Authority: KR
Inventors: 김순곤; 김재은
Original assignee: 김순곤; 김재은
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2021-08-05
Also published as: KR20200070052A

Abstract

본 발명은 통상의 단일 메인로터(3) 방식 헬리콥터에서 테일로터를 제거하고, 테일로터 대신 기체(1) 내에 부설되어 외부로부터 별도 전력을 공급 받는 반토크모터(9)의 토크를 공전으로 변환시키고 이 공전이 기체(1)에 반토크로 작용하도록 한 것이다. 이를 위해 기존 단일 메인로터(3)식 헬리콥터에서, 양력을 일으키는 메인로터(3)가 직결된 메인샤프트(5)의 토크에는 손실을 주지 않으면서 반토크를 발생 시키는 방법으로서, 별도 전원을 공급 받는 반토크모터(9)를 메인샤프트(5)와 일정 거리 떨어진 기체(1) 세로축선상의 중간부 수평내력벽(6)에 고정시키고, 메인샤프트(5) 축에 부설된 메인샤프트 아이들풀리(12) 와 와전류 감속기블록(14) 사이에 와전류를 생성시켜 메인샤프트 아이들풀리(12) 에 회전 저항을 발생 시키면 회전하는 반토크모터(9)력에 의해 벨트(11)에 인장력이 작용되어 반토크모터(9)가 공전하고, 메인샤프트(5) 축을 중심으로 공전하는 반토크모터(9)의 공전력과 공전 방향이 기체(1)에 반토크로 작용하도록 하였다.
이에의해 외부 대기의 흐름에 영향을 받지 않고 기체(1)가 스스로 균형을 잡고 방향 전환도 할 수 있도록 하는 것에 관한 것이다.

Description

헬리콥터 {helicopter}

통상의 헬리콥터에서 단일 메인로터(3) 방식에서는 메인로터(3)의 회전에 의해 메인로터(3)의 회전 반대 방향으로 기체(1)가 회전하는 토크가 발생하며, 토크는 테일로터의 회전으로 발생한 반토크에 의해 상쇄되어 기체(1)가 중심을 잡거나 방향 전환을 한다.

본 발명은 통상의 단일 메인로터(3) 방식 헬리콥터에서 테일로터를 제거하고, 테일로터 대신 기체(1)내에 부설되어 외부로부터 별도 전력을 공급 받는 반토크 모터(9)의 공전이 반토크 작용으로 변환되도록 한 것으로서, 반토크는 기체(1) 내에서 기체(1)에 직접 작용하게 된다.

따라서 기체(1)가 외기의 영향 없이 균형을 잡고 방향 전환도 가능하도록 한 것에 관한 것이다.

일반적으로 헬리콥터는 메인로터(3)를 회전시켜서 양력 및 추력을 얻는다 .

삭제

단일 메인로터(3)식 헬리콥터는 일반적으로 거대한 메인로터(3)가 회전하고, 그에 반동해서 기체(1)가 메인로터(3) 회전 반대 방향으로 자전하는 토크가 발생하며, 이 토크를 상쇄하기 위해 테일로터를 회전시켜 또 다른 힘인 반토크 생성해서 기체(1)의 균형을 유지 하거나 방향을 전환 시킨다.

그 결과 기체(1) 주변 공기 흐름이 없다 가정하더라도 구조적으로 기체(1) 요동이 심하고 불안정하며 조종이 어렵다.

기존 단일 메인로터(3)식 헬리콥터에서는 메인로터(3)가 회전할 때 발생하는 토크를 상쇄시키는 기능을 하는 것은 유일하게 테일로터 밖에 없다.

그런데 이 테일로터는 메인로터(3)의 회전 직경 밖에 있고, 실제 외부 운항중 에는 다양한 외부 기류에 완전히 노출되어 있다.

따라서 테일로터로 흡입되는 불규칙한 대기압의 영향을 받음과 동시에 불규칙한 외부 대기에 테일로터의 압축 공기가 분사 되므로 그 불규칙한 반동이 그대로 테일로터의 반토크에 영향을 미쳐 기체(1)가 흔들리게 된다.

이러한 기체(1) 불안정은 비행 중에도 계속 나타나서 상시 조종을 어렵게 하지만 공중 정지 상태(호버링)에도 많은 악 영향을 미쳐 헬리콥터의 최대 장점을 반감시켜 왔다.

또한 기존 헬리콥터에서 테일로터는 메인로터(3)와의 충돌을 피하기 위해 메인로터(3) 직경 밖에 일정한 안전 거리를 두고 설치되어 있다.

그 결과 헬리콥터의 전체 길이는 길어지고, 테일로터까지 먼 거리와 구조에 기인한 파워트레인상의 에너지 손실 문제가 발생하며, 진동, 마모가 심하고 내구성이 떨어진다.

그 결과 고장이나 수리가 잦고, 전체 정비 주기가 매우 짧아지며, 가장 중요한 신뢰성 유지 확보에 많은 비용이 든다.

헬리콥터 사고의 약 40% 이상이 테일로터의 고장이나 충돌 등 테일로터로 인한 것으로 나타나고 있고, 이 경우 항상 매우 치명적인 결과를 초래해 왔다.

또한 테일로터에서 발생하는 소음이 헬리콥터 전체 소음의 약 20% 정도를 차지하는 등 테일로터로 인한 많은 문제점들이 있어 왔다.

본 발명은 상기의 이러한 점들을 해결하기 위하여 테일로터를 제거하였다.

삭제

기존 단일 메인로터(3)식 헬리콥터에서, 양력을 일으키는 메인로터(3)가 직결된 메인샤프트(5)의 토크에는 손실을 주지 않으면서 반토크를 발생 시키는 방법에 관한 것으로서, 별도 전원을 공급 받는 반토크모터(9)를 메인샤프트(5)와 일정 거리 떨어진 기체(1) 세로축선상의 중간부 수평내력벽(6)에 고정시키고, 메인샤프트(5) 축에 부설된 메인샤프트 아이들풀리(12) 와 와전류 감속기블록(14) 사이에 와전류를 생성시켜 메인샤프트 아이들풀리(12) 에 회전저항을 발생 시키면, 이 회전저항은 벨트(11)의 인장력으로 작용해서 반토크모터(9)의 회전력에 저항이 걸리게 되어 반토크모터(9)가 공전하고, 메인샤프트(5) 축을 중심으로 공전하는 반토크모터(9)의 공전력과 공전 방향이 기체(1)에 반토크로 작용하도록 하였다.

이에의해 외부 대기의 흐름에 영향을 받지 않고 기체(1)가 스스로 균형을 잡고 방향 전환도 할 수 있도록 하는 것을 과제로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은

삭제

엔진 변속기의 토크를 받아 회전하는 메인샤프트(5)와 메인샤프트(5) 상단부에 메인로터(3)가 결합되어 회전하면서 양력을 발생시키는 기존 단일 메인로터(3) 방식 헬리콥터에서, 메인샤프트(5)의 일정 위치에 메인샤프트 아이들풀리(12)가 결합되고, 메인샤프트 아이들풀리(12)와 메인샤프트(5) 사이에 메인샤프트 아이들베어링(13)이 삽착되어 메인샤프트 아이들풀리(12)가 메인샤프트(5) 축에서 공회전 가능한 것과, 기체(1) 내 중간부 수평내력벽(6) 상에서 메인샤프트(5)로부터 일정 거리 떨어진 기체(1) 세로중심선부에 반토크 모터풀리(10)를 착설한 반토크모터(9)가 고정된 것과, 벨트(11)에 의해 반토크 모터풀리(10)와 메인샤프트 아이들풀리(12)가 연결되고 반토크모터(9)가 회전하면 메인샤프트 아이들풀리(12)가 메인샤프트(5) 축에서 공회전하는 것을 특징으로 한다.

삭제

메인샤프트(5)에 결합된 메인샤프트 아이들풀리(12)가 외주면으로부터 일정 면적 와전류 감속기블록(14) 내에 삽입 된 상태에서 와전류 감속기블록(14)이 기체(1) 내 중간부 수평내력벽(6) 상에 고정되어 기체(1)에 결합되는 것과, 반토크 모터풀리(10)가 회전하고, 벨트(11)에 의해 연결된 메인샤프트 아이들풀리(12)가 연동 회전할 때 메인샤프트 아이들풀리(12)는 와전류 감속기블록(14) 내에서 비접촉 회전하는 것을 특징으로 한다.

삭제

반토크 모터풀리(10)의 회전에 연동되어 메인샤프트 아이들풀리(12)가 회전할 때 와전류 감속기블록(14)에 통전하면 와전류 감속기블록(14)과 메인샤프트 아이들풀리(12) 사이에 와전류가 발생하여 메인샤프트 아이들풀리(12)에 회전저항력이 발생하는 것과, 회전저항력에 의해 벨트(11)에 인장력(26)이 작용하면 반토크 모터풀리(10)가 벨트(11)를 감으며 메인샤프트(5)를 중심으로 반토크모터의 공전방향(27)으로 공전하는 것과, 반토크 모터풀리(10)의 공전으로 반토크모터(9)가 공전하면 기체(1)가 메인샤프트(5)를 중심으로 반토크 작용방향(23)으로 자전(반토크 작용)하는 것과, 반토크력은 메인샤프트 아이들풀리(12)의 회전수와 와전류 감속기블록(14)에 입력되는 전류값에 의해 조정되는 것을 특징으로 한다.

삭제

이하 본 발명에 의한 헬리콥터의 효과를 살펴보면 다음과 같다.

와전류 감속기블록(14)에 공급되는 전류량으로 반토크력를 정밀하게 조정할 수 있어, 비행 중 또는 공중 정지 상태에서 기체(1)를 매우 안정적 콘트롤할 수 있다.

또한 반토크가 기체(1) 내에서 기체(1)에 직접 작동하므로 반토크 작용에 외풍의 영향이 없어 기체(1)가 매우 안정적이다.

기존 헬리콥터에서 나타나는 기체(1) 측면 반토크 풍으로 인한 저항이 없어 추력 효율이 높다.

반토크를 발생 시킬 때는 외부로부터 전원을 공급받는 반토크모터(9)의 토크를 이용하므로 엔진 동력을 100% 메인로터(3) 회전에 집중 사용할 수 있어 양력 에너지 효율이 매우 높다.

전체 소음의 약 20%에 달하는 테일로터의 소음을 없앴다.

테일로터로 인한 진동이 없어져 헬리콥터의 큰 약점인 진동 개선에 효과적이다.

착륙할 때 테일로터의 충돌 위험이 없어졌다.

반토크를 발생시키는 파워트레인 구조가 단순해서 에너지 전달 효율이 높고, 내구성이 높아 유지 보수 비용이 절약되고 헬리콥터 신뢰성이 높아진다.

테일로터로인한 여러 위험 요소들이 사라져서 헬리콥터의 안정성이 매우 높아지는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명의 사시도.
도 2 는 본 발명의 요부 사시도.
도 4 는 본 발명의 작용원리를 나타낸 상태도.
도 15 는 본 발명의 측면 요부 부분단면도.
도 16 은 본 발명 도 15 의 A-A'단면도로서 본 발명의 요부 평면도.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에서 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

삭제

엔진의 토크는 사용하지 않고 별도 외부 전원을 받아 회전하는 반토크모터(9)의 토크를 반토크모터(9)의 공전으로 변환시키고, 이 반토크모터(9)의 공전이 기체(1)를 자전시키며, 기체(1) 자전이 반토크로 작용하게 한 구성에 관한 것이다. 헬리콥터는 동력원으로서 엔진을 사용하는 것과 배터리와 모터를 사용하는 것이 있는데 본 구성에서는 배터리와 모터를 사용하는 구성과 설명이다. 본 발명에서는 상기 동력원이 다르다해도 기본 구조는 동력원이 모두 메인샤프트(5)를 회전 시키는 것과 메인샤프트(5)의 상단부에 단일 메인로터(3)가 장착되는 것과 메인샤프트(5)의 회전에 의해 메인로터(3)가 회전해서 양력을 일으키고 동시에 기체(1)가 자전하며 토크가 발생하는 기본 구조는 동일하다. 이 구조는 일반적인 기존 단일 메인로터(3) 헬리콥터의 공통 구조이며, 이 구조에서 반드시 발생하는 토크에 대응해 반토크를 발생시키는 본 발명 구성은 동력원 종류와 관계없이 동일하다.
본 발명의 구성은 아래와 같다.
기체(1)의 내부에는 수직내력벽(8) 과 후방 수직내력벽(29)이 구성되고, 그 사이에 상하 일정 간격으로 상부 수평내력벽(7)과 중간부 수평내력벽(6)이 수평으로 고정 설치되어 기체(1)의 내부 기본 프레임으로 구성 된다. 상기의 구조에서 기체(1)의 중심부 위치에서 상부 수평내력벽(7)과 중간부 수평내력벽(6)을 관통하는 홀을 성형하고 각각의 홀에 1차 지지베어링(19)과 2차 지지베어링(20)을 삽입한다. 메인샤프트 아이들풀리(12)에 메인샤프트 아이들베어링(13)을 삽입한 조립체를 상부 수평내력벽(7)과 중간부 수평내력벽(6) 사이에 두고 메인샤프트 아이들풀리(12)에 벨트(11)를 건다. 메인샤프트(5)를 기체(1) 위에서부터 2차 지지베어링(20), 메인샤프트 아이들베어링(13)，1차 지지베어링(19) 순으로 관통 삽입하고, 상단부에 메인로터(3)를 장착한다. 중간부 수평내력벽(6) 상에서 메인샤프트(5)와 일정 거리 떨어진 기체(1)의 세로중심선부에 반토크 모터풀리(10)를 착설한 반토크모터(9)를 고정한 다음 반토크 모터풀리(10)와 메인샤프트 아이들풀리(12)에 벨트(11)를 걸어 연결한다. 메인샤프트(5)가 회전할 때 메인샤프트 아이들풀리(12)는 메인샤프트 아이들베어링(13)에 의해 공회전하므로 메인샤프트(5)의 회전에는 영향을 주지 않는다. 또한 상기 구성에서 반토크모터(9)의 회전으로 반토크 모터풀리(10)가 회전하면 메인샤프트(5)에 체결되어 벨트(11)로 연결된 메인샤프트 아이들풀리(12)가 연동되어 회전하지만 메인샤프트 아이들베어링(13)에 의해 메인샤프트(5)의 회전에는 영향을 주지 않는다. 상기 구성에서 와전류 감속기블록(14)은 ㄷ 형의 와전류 발생 부분에 메인샤프트 아이들풀리(12)를 외주면으로부터 일정 면적 삽입시킨 위치에서 기체(1) 내 수평프레임인 중간부 수평내력벽(6) 상에 고정시킨다. 와전류 감속기블록(14)의 ㄷ 형의 와전류 발생 부분과 메인샤프트 아이들풀리(12)는 비접촉 되며, 반토크모터(9)의 회전에 의해 메인샤프트 아이들풀리(12)가 회전하더라도 서로 마찰하지 않는다. 이상의 구성에서 기체(1)를 상승시키기 위해 메인샤프트(5)를 회전시키면 이에 연동된 메인로터(3)가 회전하면서 기체(1)가 지면에서 뜨기 시작하고 동시에 기체(1)가 메인로터(3)의 회전 반대 방향으로 자전하는 기체토크가 발생하기 시작한다. 기체(1)에 토크가 발생함과 동시에 반토크모터(9)를 회전시키고, 와전류 감속기블록(14)에 통전하면 토크력에 대응하는 반토크력이 발생하기 시작한다.
반토크의 발생 과정은 다음과 같다. 본 발명에서 메인샤프트(5)는 단순히 기체(1)에 토크를 일으키는 원인으로서 회전축 기능과 토크가 발생하는 원점으로서의 기능 그리고 반토크가 작용하는 지렛점으로서의 역할이다. 비행을 위해서 메인샤프트(5)가 회전하고 양력이 발생하여 기체(1)가 지면에서 뜨기 시작할 때 반토크모터(9)를 회전 시킨다. 반토크모터(9)의 회전으로 반토크 모터풀리(10)가 회전하면, 벨트(11)에 의해 연결된 메인샤프트 아이들풀리(12)가 메인샤프트(5) 축에서 공회전하게 된다. 하지만 이 상태에서는 기체(1)에 반토크는 발생하지 않는다. 따라서 이대로 상승하면 기체는 토크가 제어되지 않아 기체(1)가 메인샤프트(5)를 중심으로 메인샤프트(5)의 회전 반대 방향으로 자전하게 된다. 상기 상태에서 와전류 감속기블록(14)에 전류를 입력해서 메인샤프트 아이들풀리(12)에 와전류를 일으키면 회전하는 메인샤프트 아이들풀리(12)에 회전저항이 발생한다. 이 회전저항은 벨트(11)에 의해 전달되어 반토크 모터풀리(10)의 회전을 브레이킹 시키는 힘으로 작용하게 된다. 이때 반토크 모터풀리(10)는 브레이킹된 만큼 회전하는 방향으로 벨트(11)를 감으며 공전하면서 회전력을 보상 받으려 한다. 이때 반토크 모터풀리(10)의 보상 회전은 반토크 모터풀리(10)의 공전으로 나타난다. 즉 반토크모터(9)의 회전에 작용하는 저항 크기 만큼 공전과 공전력으로 변환된 것이다.기체(1)에 고정된 반토크모터(9)가 공전하면 기체(1)는 자전(반토크 작용)하게 된다. 반토크모터(9)의 공전력은 기체(1) 자전력(반토크력)이며, 기체(1)의 자전 중심은 메인샤프트 아이들풀리(12)의 회전축인 메인샤프트(5)이다. 반토크의 방향은 반토크모터(9)의 회전 방향에 의해 결정되며, 메인샤프트(5)의 회전 방향과 반대 방향이다. 메인샤프트(5)는 반토크 작용의 지렛점인 동시에 기체(1) 토크 발생원점이다. 반토크력은 메인샤프트 아이들풀리(12)의 회전수와 와전류 감속기블록(14)에 입력되는 전류값에 의해 조정되어 기체(1)에 발생하는 토크값의 변화에 즉시 대응 가능하다.

삭제

1;기체 2;기체 전방부 3; 메인로터 5; 메인샤프트
6; 중간부 수평내력벽 7; 상부 수평내력벽 8; 수직내력벽 9; 반토크모터
10; 반토크 모터풀리 11; 벨트 12; 메인샤프트 아이들풀리
13; 메인샤프트 아이들베어링 14; 와전류 감속기블록 19; 1차 지지베어링
20; 2차 지지베어링 21; 메인샤프트 회전방향 22; 토크 작용방향
23; 반토크 작용방향 24; 반토크모터 회전방향 25; 메인샤프트아이들풀리 회전방향
26; 인장력 27; 반토크모터의 공전방향 29; 후방 수직내력벽

Claims

삭제
삭제
삭제
삭제
엔진 변속기의 토크를 받아 회전하는 메인샤프트(5)와 메인샤프트(5) 상단부에 메인로터(3)가 결합되어 회전하면서 양력을 발생시키는 기존 단일 메인로터(3) 방식 헬리콥터에서, 메인샤프트(5)의 일정 위치에 메인샤프트 아이들풀리(12)가 결합되고, 메인샤프트 아이들풀리(12)와 메인샤프트(5) 사이에 메인샤프트 아이들베어링(13)이 삽착되어 메인샤프트 아이들풀리(12)가 메인샤프트(5) 축에서 공회전 가능한 것과, 기체(1) 내 중간부 수평내력벽(6) 상에서 메인샤프트(5)로부터 일정 거리 떨어진 기체(1) 세로중심선부에 반토크 모터풀리(10)를 착설한 반토크모터(9)가 고정된 것과, 벨트(11)에 의해 반토크 모터풀리(10)와 메인샤프트 아이들풀리(12)가 연결되고 반토크모터(9)가 회전하면 메인샤프트 아이들풀리(12)가 메인샤프트(5) 축에서 공회전하는 것을 특징으로 하는 헬리콥터.
삭제
메인샤프트(5)에 결합된 메인샤프트 아이들풀리(12)가 외주면으로부터 일정 면적 와전류 감속기블록(14) 내에 삽입 된 상태에서 와전류 감속기블록(14)이 기체(1) 내 중간부 수평내력벽(6) 상에 고정되어 기체(1)에 결합되는 것과, 반토크 모터풀리(10)가 회전하고, 벨트(11)에 의해 연결된 메인샤프트 아이들풀리(12)가 연동 회전할 때 메인샤프트 아이들풀리(12)는 와전류 감속기블록(14) 내에서 비접촉 회전하는 것을 특징으로 하는 헬리콥터.
반토크 모터풀리(10)의 회전에 연동되어 메인샤프트 아이들풀리(12)가 회전할 때 와전류 감속기블록(14)에 통전하면 와전류 감속기블록(14)과 메인샤프트 아이들풀리(12) 사이에 와전류가 발생하여 메인샤프트 아이들풀리(12)에 회전저항력이 발생하는 것과, 회전저항력에 의해 벨트(11)에 인장력(26)이 작용하면 반토크 모터풀리(10)가 벨트(11)를 감으며 메인샤프트(5)를 중심으로 반토크모터의 공전방향(27)으로 공전하는 것과, 반토크 모터풀리(10)의 공전으로 반토크모터(9)가 공전하면 기체(1)가 메인샤프트(5)를 중심으로 반토크 작용방향(23)으로 자전(반토크 작용)하는 것과, 반토크력은 메인샤프트 아이들풀리(12)의 회전수와 와전류 감속기블록(14)에 입력되는 전류값에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 헬리콥터.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제