BR102012023897A2 - Dispositivo de propulsão aérea-aquático para veículos do tipo n-rotor anfíbio - Google Patents

Abstract

DISPOSITIVO DE PROPULSÃO AÉREO-AQUÁTICO PARA VEÍCULOS DO TIPO N-ROTOR ANFÍBIO. A matéria tratada descreve um sistema de propulasão que permite a movimentação, tanto em meio aéreo quanto em meio aquático, de um veículo do tipo n-rotor devidamente adaptado aoa funcionamento subaquático. para isto o sitema é formado por hélices aerodinâmicas com seus eixos ligados a um dispositivo composto por dois mecanismos do tipo frewheel e um mecanismo diferencial que garante o funcionamento alternado das hélices.

Description

“Dispositivo de propulsão aéreo-aquático para veículos do tipo n-rotor

anfíbio”

A matéria tratada descreve um sistema de propulsão (Figura 2) que permite a movimentação, tafrte em meiG aéreo quanto em meio aquático, de 5 um veículo do tipo n-rotor (Figura 1) devidamente adaptado ao funcionamento subaquático. Para isto, o sistema é formado por hélices aerodinâmicas e hidrodinâmicas, com seus eixos ligados a um sistema de tração, composto por dois mecanismos do tipo freewheel e um mecanismo diferencial que garante o funcionamento alternado das hélices. io Nos últimos tempos, veículos não tripulados tem sido grande foco de

desenvolvimento. Isto ocorre devido à grande variedade de usos que esses veículos oferecem. Uma classe de veículos não tripulados são os UAVs (Unmanned Aerial Vehicles, do inglês, veículos aéreos não tripulados), esses são usados principalmente para agricultura, vigilância e aplicações militares. 15 Outra classe de veículos existentes são os UUVs (Unmanned Underwater Vehicles, do inglês, veículos submarinos não tripulados) utilizados principalmente nas áreas militar, naval e offshore. Porém, veículos do tipo UUV apresentam grande desvantagem quando necessitam ser transportados para diferentes corpos d'água. Para a realização deste transporte, os UUVs têm que 20 ser transportados por outros veículos de um corpo d'água a outro, o que incorre em perda de tempo, além de custos financeiros.

A grande quantidade de usos tanto dos UAVs quanto dos UUVs, e o problema do transporte dos UUV revelam a necessidade do desenvolvimento de veículos que possam se movimentar tanto em meio aquático quanto em meio aéreo.

O pedido de patente CN102137768 intitulado “Combined air, water and road vehicle" descreve um veículo capaz de locomover-se na terra, na água e r;o ar. Para que possa locomover-se em diferentes meios o veículo passa por configuração física, podendo se transformar em três tipos de veículos: um 30 carro, um avião ou um barco. Há um sistema de controle para cada tipo de veiculo e, sempre que o veícuio se transforma em um tipo específico, os outros dois sistemas de controle ficam inoperáveis. Contudo, este veículo necessita transformar sua estrutura para movimentar-se em diferentes ambientes. Além disso, essa tecnologia não se movimenta dentro d'água, apenas na superfície dela.

A patente de modelo de utilidade CN201224498 intitulada “Power delta s wing aerocraft suitable for amphibious takeoff and landing” descreve um veículo aéreo capaz de decolar e pousar tanto na terra quanto na água. Contudo, este veículo não tem capacidade de submergir, podendo apenas movimentar-se na superfície da água.

O documento de patente RU2110439 intitulado “Circular Static Wind and io Water Propulsor and Construction on Helicopter, Water Flying Vehicle and Water-Propelled Vehicle” descreve um propulsor que pode ser utilizado tanto em helicópteros e aviões, como em veículos subaquáticos, com pouso e decolagem a partir da água. Porém, esse propulsor não pode ser utilizado em dois meios sem que sejam feitas modificações, ou seja, deve funcionar apenas 15 em um meio, água ou ar e devem ser feitas modificações para que ele passe a funcionar no outro meio.

O documento de patente RU2380239 intitulado “Hybride Underwater Aircraft Apparatus” descreve um veículo no formato de avião que pode movimentar-se tanto no ar quanto dentro d'água. Para mudar do ambiente 20 aéreo para o aquático o veículo precisa mudar a localização de suas asas e realizar o fechamento do local que contém seu motor. Para movimentar-se dentro d'água o veículo possui também uma turbina aquática. Assim, esse veículo necessita fazer alterações em sua estrutura física para realizar mudanças de ambiente.

O documento W02012042076 intitulado “Water or Wind Turbine

Propeller” descreve apenas uma hélice que pode ser utilizada tanto para o ar quanto para a água. Para isto possui lâminas curvadas cuja largura reduz gradualmente da parte traseira até a parte frontal. Contudo, devido à utilização de uma mesma hélice para os dois ambientes, também é necessário fazer alterações na estrutura física quando houver mudança do meio físico.

Conforme visto nos documentos supracitados, na maioria dos casos de veículos híbridos (água-ar), o veículo pode movimentar-se apenas na superfície da água. Para os veículos citados que podem movimontai-se tanto no ar ciuanto embaixo d'água, é necessária mudança em sua estrutura física, o que demanda tempo maior para a mudança de ambientes, além de custos para construção e manutenção desses sistemas.

O sistema de propulsão descrito na presente invenção permite a

transição de veículos do tipo n-rotor, entre os meios aéreo e aquático sem a necessidade de mudar o seu formato e/ou a sua estrutura física, e, portanto, de forma mais rápida. Isso se deve, principalmente, ao fato de possuir duas hélices colineares em sentido oposto, cada uma dedicada a um tipo de 10 ambiente, que funcionam de forma alternativa conforme o meio em que o veículo se encontra.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A Figura 1 mostra um dispositivo do tipo 4-rotor com o sistema de propulsão aéreo-aquático instalado.

1.5 A Figura 2 mostra uma vista isométrica do sistema de propulsão aéreo

aquático.

A Figura 3 mostra o dispositivo de propulsão com o sistema de tração detalhado.

A Figura 4 mostra o veículo construído na simulação do Exemplo 1.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A matéria tratada consiste em um propulsor aéreo-aquático (1) desenvolvido para ser usado em veículos do tipo n-rotor. Uma forma não Iimitante de utilizá-lo é ligar propulsores aéreo-aquáticos (1) à cabine (2) de um n-rotor através de hastes rígidas (3) (Figura 1).

2b O propulsor aéreo-aquático é constituído de um sistema de tração (4)

ligado, através de dois eixos (5) a duas hélices. Uma das hélices possui características aerodinâmicas (6) e a outra possui características hidrodinâmicas (7). (Figura 2)

O sistema de tração (4) é constituído por um atuador (8) em contato com uma das engrenagens de um sistema diferencial (9 e 10); que possui duas engrenagens, posicionadas no sistema de maneira a transmitir integralmente a rotação de uma para outra e possui também áreas vazadas quo permitem a passagem dos eixos (5); a outra engrenagem do sistema difeiencial íica em contato com dois mecanismos freewheel um definido para girar apenas no sentido horário e o outro apenas no sentido anti-horário. Cada um mecanismos freewheel (11) está preso a um dos eixos dos eixos (5). (Figura 3)

O sistema de tração (4) funciona da seguinte forma: o atuador (8), que pode girar no sentido horário ou anti-horário, transfere sua rotação para o sistema diferencial (9 e 10); este converte o torque integralmente para os dois mecanismos freewheel (11), cada um construído para girar apenas em um 10 sentido; que fazem com que apenas um dos eixos gire, ou seja, quando o atuador (8) girar em um sentido, apenas a hélice aerodinâmica (6) funciona, e quando o atuador (8) gira no sentido oposto, apenas a hélice hidrodinâmica (7) funciona. Dessa forma uma hélice não interfere no desempenho da outra.

O sistema de propulsão descrito acima permite que um veículo do tipo nrotor possa movimentar-se no ar com desempenho próximo ao de um n-rotor convencional. Além disto, esse sistema também permite a movimentação do veículo com desempenho satisfatório embaixo d’água.

Tal sistema tem como princípio de funcionamento subaquático, que a força de empuxo gerada pelo veículo seja maior que o peso do mesmo, de modo que ele possua flutuabilidade positiva. Assim, para submergir ele se utiliza da hélice hidrodinâmica (7), porém, quando deseja emergir, os torques gerados pela força de empuxo atuam.

Exemplo 1 - Simulação de utilização do sistema em um 4-rotor

Para realizar a simulação de funcionamento, inicialmente foram definidas 25 as peças a serem utilizadas e as dimensões que seriam atribuídas ao veículo. A placa de controle escolhida foi a Athena Il PC/104 CPU com aquisição de dados integrada, fabricada pela Diamond Systems Corporations. Ela foi definida pela existência da aquisição de dados integrada e pelo baixo peso, e processador compatível.

Para armazenamento de informações, enquanto o veículo está

submerso, foi escolhido o dispositivo USB Flash Drive, com 64Gb de espaço e conexão USB 2.0 (de até 480 Mbps), massa igual a 13 g, com dimensões 50 mm x 25 mm x 10 mm.

Para a comunicação foi selecionado o transceiver AC4790-1000 Cuja massa é 20g.

'ί üs sensores cie locanzação utilizados fotcnií o Crtste Ifv4U e um Of5S

Garmin Modelo 18x 5.

O sensor definido para medir a altitude do veículo quando este estiver submerso foi o altímetro baseado em ultrassom do modelo Tritech Micron Echosounder.

As câmeras selecionadas foram do tipo Point Grey Bumblebee 2, com o

massa de 342 g.

As hélices aéreas (6) foram projetadas a partir de um software. Essas possuem duas pás que apresentam 0,60 m de diâmetro e foram capazes de produzir uma força de 6,23 N, com uma rotação de 2000 rpm e cerca de 50 W de potência (Figura 4).

Em seguida, foram projetadas as hélices aquáticas (7) com 0,15 m de diâmetro, constituídas de 4 pás com rotação de 500 rpm que produzem uma força de 7 N cada e cerca de 50 W de potência (Figura 4).

Utilizando plástico rígido para construção das hélices aéreas (6) e aquáticas (7), elas teriam massa aproximada de, respectivamente, 17 g e 15 g.

Como motor do sistema de tração (4) foi utilizado um motor do tipo brushiess modelo 2208/26, com eficiência de 82%, 45 g de massa, 27,2 mm de diâmetro e 26 mm de altura.

A massa total da estrutura mecânica, composta pelo diferencial (9 e 10), pelos dois freewheel (11) e pelos eixos (5), foi de 70 g.

O sistema de alimentação será composto de bateria de Polímero de Litio (LiPo), que tem como principal vantagem o peso reduzido, além de apresentarem alta capacidade de descarga e não apresentarem efeito memória. A desvantagem é que, quando aquecido, o Lítio pode entrar em combustão.

Considerando então que a maior tensão necessária para alimentar o sistema foi de 12 V, a potência dos equipamentos foi de 17,75 W, com corrente igual a 1,48 A. Já a corrente de funcionamento do motor foi de 5 A, assim a corrente total foi, em média, igual a 6,5 A.

Foi escolhida uma bateria, modelo TP6000-4S3PL, com capacidade de 6000 mAh, tensão nominal de 14,8 V (superior aos 12 V necessários), com fluxo máximo de corrente em fluxo contínuo de 60 A e massa igual a 488 g, cujo tamanho é de 23 x 50 x 255 mm.

As duas hastes que compõem os braços do veículo tem dimensões de 10 mm de diâmetro, 5 mm de espessura e 900 mm de comprimento, e serão fabricadas em fibra de carbono do tipo Zoltek Panex 33, que apresenta io densidade de 0,00181 g/mm3; gerando, assim, uma massa de 45,75 g para cada haste. Já a esfera central foi feita de acrílico, com densidade de 0,012 g/mm3, 200 mm de diâmetro e 2 mm de espessura, tendo uma massa total de 295,6 g. As superfícies de proteção das hélices subaquáticas (7) foram construídas de polietileno de alta densidade (HDPE), densidade 0,00952 15 g/mm3, com 180 mm de diâmetro, 2 mm de espessura e 50 mm de altura.

Dessa forma, a massa total do veículo, considerando os equipamentos estimados, é de 644,9 g. A mecânica, os atuadores (8) e as hélices (6 e 7), formaram um conjunto com peso de 192 g. Considerando o veículo composto de 4 conjuntos, o peso é de 768 g. As baterias possuem um peso de 488 gea 20 estrutura, citada acima, possuiu uma massa de 600 g, alcançando uma massa total para o veículo igual a 2,5 Kg. Somando-se as forças geradas pelo conjunto de hélices, a carga suportada foi superior a 2,5 Kg. Dessa forma, tornou-se factível a movimentação do sistema à velocidades de rotação relativamente baixas.

Foi feito um modelo para simulação, levando em consideração os

fenômenos físicos aplicáveis tanto ao voo quanto à navegação submarina. São eles: forças restauradoras (força peso e força de empuxo). momentos restauradores (arfagem e rolamento), massa adicional, forças e momentos de arrasto e as forças de tração (forças produzidas pelo veículo).

As velocidades máximas em movimentação Iaterodirecional obtidas em

simulação para o veículo foram de, aproximadamente, 22 km/h no ar e 7 km/h dentro da áyua, atingidas a partir do zero em cerca de 2 e 4 segundos, respectivamente. A tais velocidades, a expectativa de autonomia alcançada pelo sistema foi em torno de 25 a 30 minutos de operação. Tudo isso gerou um raio operacional de cerca de 10 quilômetros no ar e 3 quilômetros dentro d’água.

Claims (3)

1. Dispositivo de propulsão aéreo-aquático, caracterizado por compreender duas hélices, uma aerodinâmica (6) e uma hidrodinâmica (7), Itgedas através de eixos (5) a um sistema de tração (4) caracterizado por compreender um atuador (8), que pode girar em dois sentidos, ligado a um sistema diferencial (9 e 10) que transfere integralmente a rotação do atuador (8) para dois sistemas freewheel (11).

2. Dispositivo de propulsão aéreo-aquático, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por um dos sistemas freewheel (11) ser definido para girar apenas no sentido horário e o outro apenas no sentido anti-horário, impedindo que as duas hélices girem simultaneamente.

3. Uso do Dispositivo de propulsão aéreo-aquático, de acordo com a reivindicações 1 e 2, caracterizado para a movimentação de um veículo do tipo n-rotor, tanto em ambientes aquáticos quanto em ambientes aéreos, sem a necessidade de mudanças em sua estrutura física.