BR102019018805A2

BR102019018805A2 - aeronaves de pouso e decolagem verticais (vtol) com controle de posicionamento de rotor de cruzeiro para arrasto mínimo

Info

Publication number: BR102019018805A2
Application number: BR102019018805-7A
Authority: BR
Inventors: Júlio Cesar Graves; Yasser Mahmud Abdallah; Luiz Felipe Ribeiro Valentini; Leandro Guimarães Maia; Carlos Eduardo Vieira De Souza
Original assignee: Embraer S.A.
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2020-07-28
Also published as: EP3623288B8; US11708157B2; BR102019018805A8; US20200079501A1; EP3623288A1; CN110884652A; CN110884652B; EP3623288B1

Abstract

A aeronave de decolagem e aterrisagem verticais (VTOL) é dotada de asas de bombordo e estibordo de posição fixa que se estendem lateralmente de uma fuselagem alongada com uma empenagem na extremidade traseira da fuselagem e uma hélice para fornecer empuxo horizontal à aeronave na direção longitudinal eixo dos mesmos. É fornecida uma série de unidades de rotor de bombordo e estibordo, em que cada uma inclui pás do rotor opostas axialmente e um motor para girar as pás do rotor e fornecer empuxo vertical à aeronave. Uma unidade de controle lógico (LCU) define de maneira controlável uma posição angular das pás do rotor opostas ao longo de um eixo de posição em relação ao eixo geométrico longitudinal da aeronave em resposta à determinação de uma posição ideal das pás do rotor durante a operação de voo de cruzeiro para minimizar a interrupção do fluxo de ar sobre as asas de posição fixa.

Description

AERONAVES DE POUSO E DECOLAGEM VERTICAIS (VTOL) COM CONTROLE DE POSICIONAMENTO DE ROTOR DE CRUZEIRO PARA ARRASTO MÍNIMO

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[0001] Este pedido baseia-se e reivindica benefícios de prioridade domésticos do Pedido Provisório n° de série US62/729.603, depositado em 11 de setembro de 2018, cujo conteúdo é expressamente incorporado neste documento em sua totalidade a título de referência.

CAMPO

[0002] As modalidades reveladas neste documento referem-se geralmente a aeronaves com capacidade de operações de decolagem e aterrisagem verticais (VTOL). De acordo com certas modalidades reveladas neste documento, aeronaves com capacidade de VTOL são fornecidas com rotores que fornecem forças de empuxo vertical para permitir pairar durante o voo de empuxo, minimizando a perturbação do fluxo de ar de rotor sobre os aerofólios da asa durante o voo de asas.

ANTECEDENTES

[0003] O projeto de uma aeronave com asas requer eficiência no cruzeiro. Para obter a melhor razão de elevação/arrasto durante o tempo de voo principal, é necessário que um projeto muito detalhado de todas as superfícies externas seja conduzido. No entanto, essas aeronaves não possuem recursos de VTOL. O voo vertical representa um desafio ainda maior quando a velocidade longitudinal é menor nos procedimentos de decolagem e aterrisagem. Além disso, a força de sustentação fornecida por uma asa (se houver alguma) é relativamente pequena durante o voo vertical.

[0004] Uma solução clássica para fornecer capacidade de VTOL que atualmente é a técnica mais amplamente aceita é a aeronave de rotor, como helicópteros, que fornecem uma solução de propulsão. Atualmente, os projetos modernos de aeronaves VTOL combinam recursos de asas e de empuxo principalmente devido a melhoras em relação aos sistemas de trem de força elétrico. Algumas arquiteturas de aeronaves elétricas VTOL (e-VTOL) permitem o gerenciamento de energia distribuído por meio do uso de vários rotores elétricos. A solução mais comum atualmente disponível para aeronaves e-VTOL é um multicóptero que difere de um helicóptero convencional, pois inclui vários motores elétricos, em vez de um rotor único acionado por motor de combustão e, alternativamente, asas, impulsores, basculantes ou outros mecanismos que forneça forças de empuxo ou elevação.

[0005] Muitas arquiteturas e projetos de e-VTOL para multicópteros são possíveis. Devido à popularização de aeronaves do tipo drone nos últimos anos, uma configuração quadcóptero é a nave preferencial da maioria das pessoas. No entanto, os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) desenvolveram várias combinações diferentes, ou seja, hexa- e octacópteros. Apesar da quantidade de rotores em qualquer aeronave e-VTOL, o posicionamento dos rotores também é importante para garantir nível e desempenho de segurança.

[0006] Uma arquitetura complexa de aeronaves e-VTOL para transporte de passageiros leva a requisitos de segurança muito restritivos. As tendências do mercado indicam um aumento considerável da rede de transporte de helicópteros no futuro próximo. Para mitigar falhas humanas em um método de transporte generalizado, é provável que sejam desenvolvidos veículos inteligentes com capacidade de cumprir toda a missão de forma autônoma, segura, barata, eficiente e silenciosa.

[0007] Se for presumido que uma configuração específica requer um conjunto de rotores que geram empuxo durante a decolagem ou aterrisagem, mas o conjunto de rotores não é necessário durante o voo de cruzeiro, a presença de tais rotores gerará atrito no desempenho do veículo em degradação do voo de cruzeiro. Nesse cenário, pelo menos duas soluções possíveis estão disponíveis, a saber: (1) manter os rotores girando para gerar parcialmente a força de empuxo e reduzir a carga da asa ou (2) interromper a rotação de todos os rotores (por exemplo, conforme proposto por USP 9944387 e US 2018/0118335, em que todo o conteúdode cada um está expressamente incorporado aqui a título de referência) . A primeira solução é conveniente se o tamanho do veículo exigir rotores com mais de duas pás. A segunda solução é adequada para, mas não se limita a, rotores com duas ou menos pás, mas também é adequada se as pás do rotor tiverem capacidade de dobrar durante o voo por asa.

[0008] Seria, portanto, altamente desejável que pudessem ser fornecidas aeronaves VTOL por meio dos quais os rotores necessários para o voo de propulsão pudessem ser ajustados de modo a minimizar (se não eliminar totalmente) a perturbação do fluxo de ar sobre as asas da aeronave durante o voo de asa. É para satisfazer tal necessidade que as modalidades reveladas neste documento são direcionadas.

BREVE DESCRIÇÃO

[0009] Em termos gerais, as modalidades reveladas neste documento se referem a aeronaves de decolagem e aterrisagem verticais (VTOL) com asas de bombordo e estibordo de posição fixa que se estendem lateralmente a partir de uma fuselagem alongada com uma empenagem na extremidade traseira da fuselagem e uma hélice para fornecer empuxo horizontal para a aeronave na direção do seu eixo geométrico longitudinal. Uma série de unidades de rotor de bombordo e estibordo é fornecida, em que cada uma inclui pás do rotor opostas axialmente e um motor para girar as pás do rotor e fornecer empuxo vertical à aeronave. Uma unidade de controle lógico (LCU) define de maneira controlável uma posição angular das pás do rotor opostas ao longo de um eixo geométrico de posição em relação ao eixo geométrico longitudinal da aeronave em resposta à determinação de uma posição ideal das pás do rotor durante a operação de voo de cruzeiro para minimizar a interrupção do fluxo de ar sobre as asas de posição fixa.

[0010] De acordo com certas modalidades, a aeronave VTOL pode ser dotada de barras de rotor de bombordo e estibordo (que podem ser alinhadas paralelamente ao eixo geométrico alongado da fuselagem) que são transportadas pelas asas de bombordo e estibordo e suportando a série de unidades de rotor de bombordo e estibordo, respectivamente. As barras do rotor de bombordo e estibordo podem se estender para frente e para trás das asas de bombordo e estibordo, respectivamente.

[0011] Cada uma das unidades do rotor compreende um sensor de posição do rotor (RPS) que detecta a posição angular das pás do rotor em relação ao eixo geométrico longitudinal da fuselagem e emite um sinal de posição para a LCU. Cada uma das unidades do rotor também pode compreender um motor conectado operacionalmente a uma unidade de controle do motor (MCU) , de modo que a LCU possa emitir um sinal de controle para a MCU, que, por sua vez, emite um sinal de comando ao motor para fazer com que as pás do rotor assumam a posição ideal das pás de rotor durante a operação de voo de cruzeiro.

[0012] A aeronave VTOL pode compreender dois pares de unidades de rotor de bombordo e dois pares de unidades de rotor de estibordo. Um primeiro par de cada uma das unidades de rotor de bombordo e estibordo pode ser transportado pelas barras de rotor de bombordo e estibordo para a frente das asas de bombordo e estibordo e um segundo par de cada uma das unidades de rotor de bombordo e estibordo pode ser transportado pelas barras de rotor de bombordo e estibordo à popa das asas de bombordo e estibordo, respectivamente.

[0013] Estes e outros aspectos e vantagens da presente invenção se tornarão mais claros após consideração cuidadosa da seguinte descrição detalhada das modalidades exemplificadoras preferenciais da mesma.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS ANEXOS

[0014] As modalidades reveladas da presente invenção serão mais bem e completamente compreendidas com referência à seguinte descrição detalhada de modalidades ilustrativas não limitadoras exemplificadoras em conjunto com os desenhos, em que:

[0015] A Figura 1 é uma modalidade não limitadora de uma aeronave VTOL de acordo com esta invenção;

[0016] A Figura 2 é uma representação esquemática de um par de rotores associados à aeronave VTOL mostrada na Figura 1 mostrado com os rotores alinhados localmente com o fluxo de ar; e

[0017] As Figuras 3A-3E são diagramas lógicos de controle operacional que podem ser empregados para a aeronave VTOL mostrada na Figura 1 durante várias fases do voo.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES

[0018] A Figura 1 mostra uma aeronave VTOL exemplificadora 10 de acordo com uma modalidade desta invenção. A aeronave 10 inclui uma fuselagem alongada 12 que define um eixo geométrico alongado central AL que tem um compartimento de passageiros para a frente 14 e uma empenagem de popa 16, em que esta última é dotada de elevadores de bombordo e estibordo 18a, 18b e lemes 20a, 20b, respectivamente. Uma hélice montada na cauda 22 alimentada por um motor de bordo (por exemplo, um motor elétrico (não mostrado)) fornece empuxo de impulsor para a aeronave 10.

[0019] As asas de bombordo e estibordo 24a, 24b se estendem lateralmente para fora da fuselagem e transportam barras de rotor de bombordo e estibordo 26a, 26b, respectivamente. Na modalidade representada, cada uma das barras de rotor 26a, 26b inclui unidades de rotor do lado de bombordo 30 e unidades de rotor do lado de estibordo 32, em que cada uma tem um par de pás do rotor 30a, 32a opostas axialmente (isto é, os chamados rotores de duas pás) e um motor dedicado 30b, 32b que fornece às pás 30a, 30b rotações suficientes para permitir a elevação durante as operações de decolagem e aterrisagem, além de fornecer controlabilidade à aeronave 10.

[0020] Um par exemplificador das unidades de rotor do lado de estibordo 30 está representado na Figura 2 e é representativo de todos os outros pares de unidades de rotor 30, 32. Como tal, a referência às outras unidades de rotor do lado de estibordo 32 será anotada entre parênteses na discussão a seguir em relação ao ar das unidades de rotor 30 representadas na Figura 2. Cada uma das unidades de rotor 30 (32) é dotada de um sensor de posição de rotor (RPS) 40 que detecta o posicionamento axial das pás do rotor 30a (32a) (isto é, ao longo de um eixo de posição AP) . O RPS 40, portanto, emitirá um sinal de posição para uma unidade de controle lógico (LCU) 42. A LCU 42 receberá o sinal de posição do RPS 40 e emitirá um sinal de controle para uma unidade de controle de motor (MCU) 44 que, por sua vez, emite um sinal de comando para os motores individuais 30b (32b) para posicionar as pás do rotor 30a (32a) ao longo de um eixo de posição AP para formar ângulos α1 e α2 (que podem ser iguais ou diferentes) com base na posição ideal das pás do rotor 30a (32a) , dependendo da fase de voo da aeronave. As pás do rotor 30a (32a) serão, portanto, ativamente alinhadas ao longo dos eixos geométricos individuais AP em relação ao fluxo de ar local durante o voo de cruzeiro com base na determinação da LCU 42 de posicionamento ideal, de modo a fornecer distúrbios mínimos do fluxo de ar sobre as asas 24a, 24b.

[0021] A LCU 42 pode, portanto, alinhar ativamente cada uma das pás do rotor 30a (32a) ao longo dos eixos AP, em resposta à medição do fluxo de ar local (por exemplo, por instrumentação a bordo adequada) ou em resposta à altitude da aeronave (ou seja, definindo uma nova posição ideal do rotor para cada ângulo alfa e/ou beta da aeronave. O último é mais fácil de realizar em comparação com o primeiro devido ao fato de que os ângulos alfa e beta estão disponíveis para fins de controle de voo. O primeiro requer uma medida local do fluxo de ar. A posição ideal do rotor pode, assim, ser estimada offline (quando definida em consideração à altitude da aeronave) ou online (quando definida usando a medição do fluxo de ar local) . No que diz respeito ao posicionamento ideal do rotor com base na altitude da aeronave, uma tabela pode simplesmente ser armazenada na LCU 42 usando interpolações lineares sobre os valores alfa e/ou beta.

[0022] De acordo com a modalidade representada, o RPS 40 determinará o posicionamento axial ao longo do eixo AP em relação ao eixo geométrico longitudinal AL da aeronave 10, como mencionado anteriormente. A LCU 42 pode, portanto, incluir lógica de controle que tem um algoritmo de resolução dedicado para as pás do rotor 30a (32a) para cada uma das unidades de rotor 30 (32). Para comandar as pás do rotor 30a (32a) para a posição desejada, a lógica de controle da LCU 42 modula o campo magnético do estator para minimizar o erro entre a posição medida do rotor e a posição ideal determinada pelo algoritmo de resolução.

[0023] As fases operacionais típicas da aeronave multicóptero 10 incluem decolagem, escalada, cruzeiro, descida e aterrisagem. Os processos lógicos de controle para a aeronave 10 para cada uma dessas fases estão representados nas Figuras 3A-3E, respectivamente. Durante a fase de decolagem (Figura 3A) , após todos os procedimentos regulares, os motores 30b, 32b começam a girar as pás do rotor 30a, 32a e geram elevação suficiente para garantir uma taxa de subida de altitude necessária. Na escalada (Figura 3B), a hélice do impulsor 22 pode ser engatada e a combinação de empuxo do rotor e do impulsor permite que a aeronave 10 ganhe velocidade e altitude a uma taxa controlada. No final da fase de escalada, as asas 24a, 24b gerarão todas as unidades de rotor de elevação e pairar 30, 32 são descarregadas, momento em que a fase de cruzeiro começa (Figura 3C) . Por meio do uso de todas as posições medidas e fluxo de ar local das unidades de rotor de foco 30, 32 e/ou a atitude da aeronave 10, a LCU 40 através da MCU 44 comandará todas as pás do rotor de pairar 30a, 32a para a posição ideal durante o voo da fase de cruzeiro. Na descida (Figura 3D) , o controle da aeronave pode empregar as pás do rotor de pairar 30a, 32a para controlar a taxa de descida da altitude e a hélice do impulsor 22 para reduzir a velocidade de avanço. No final da fase de descida, as asas 24a, 24b são descarregadas aerodinamicamente e as pás do rotor de pairar 30a, 32 são totalmente carregadas aerodinamicamente. Durante a aterrisagem (Figura 3E), a lei de controle usa as pás do rotor de pairar 30a, 32a para aterrissar com precisão a aeronave no momento em que as unidades 30, 32 do rotor podem ser desligadas.

[0024] Portanto, embora seja feita referência a uma modalidade especifica da invenção, várias modificações dentro da técnica daqueles versados na técnica podem ser previstas. Portanto, deve ser entendido que a invenção não se limita à modalidade revelada, mas, pelo contrário, destina-se a cobrir várias modificações e disposições equivalentes incluídas dentro do espírito e escopo da mesma.

Claims

Aeronave de decolagem e aterrisagem verticais (VTOL) caracterizada pelo fato de que compreende:
uma fuselagem alongada que define um eixo geométrico longitudinal da aeronave;
asas de bombordo e estibordo de posição fixa que se estendem lateralmente da fuselagem;
uma empenagem na extremidade traseira da fuselagem; uma hélice para fornecer empuxo horizontal à aeronave na direção do seu eixo geométrico longitudinal;
uma série de unidades de rotor de bombordo e estibordo, em que cada uma das quais inclui pás de rotor opostas axialmente, e um motor para girar as pás do rotor e fornecer empuxo vertical à aeronave; e
uma unidade de controle lógico (LCU) que define de maneira controlável uma posição angular das pás do rotor opostas ao longo de um eixo de posição em relação ao eixo geométrico longitudinal da aeronave em resposta à determinação de uma posição ideal das pás do rotor durante a operação de voo de cruzeiro.
Aeronave VTOL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende ainda barras de rotor de bombordo e estibordo transportadas pelas asas de bombordo e estibordo e que suportam a série de unidades de rotores de bombordo e estibordo, respectivamente.
Aeronave VTOL, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que as barras do rotor de bombordo e estibordo estão alinhadas paralelamente ao eixo geométrico longitudinal da fuselagem.
Aeronave VTOL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que cada uma das unidades de rotor compreende um sensor de posição de rotor (RPS) que detecta a posição angular das pás do rotor em relação ao eixo geométrico longitudinal da fuselagem e emite um sinal de posição para a LCU.
Aeronave VTOL, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que cada uma das unidades de rotor compreende um motor e uma unidade de controle de motor (MCU) operacionalmente conectada ao motor, em que a LCU emite um sinal de controle para o MCU que, por sua vez, emite um sinal de comando para o motor para fazer com que as pás do rotor assumam a posição ideal das pás do rotor durante a operação de voo de cruzeiro.
Aeronave VTOL, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que as barras de rotor de bombordo e estibordo se estendem para frente e para trás das asas de bombordo e estibordo, respectivamente.
Aeronave VTOL, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que pelo menos uma primeira das unidades de rotor de bombordo e estibordo é transportada pelas barras de rotor de bombordo e estibordo para a frente das asas de bombordo e estibordo e uma segunda das unidades de rotor de bombordo e estibordo, pelas barras do rotor de bombordo e estibordo à popa das asas de bombordo e estibordo, respectivamente.
Aeronave VTOL, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que um primeiro par de unidades de rotor de bombordo e estibordo é transportado pelas barras de rotor de bombordo e estibordo para a frente das asas de bombordo e estibordo e um segundo par de unidades de rotor de bombordo e estibordo é transportado pelas barras de rotor de bombordo e estibordo à popa das asas de bombordo e estibordo, respectivamente.
Aeronave VTOL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a hélice é uma hélice de impulsor localizada em uma extremidade traseira da fuselagem.
Aeronave VTOL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a aeronave compreende dois pares de unidades de rotor de bombordo e dois pares de unidades de rotor de estibordo.
Aeronave VTOL, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que um primeiro par de cada uma das unidades de rotor de bombordo e estibordo é transportado pelas barras de rotor de bombordo e estibordo para a frente das asas de bombordo e estibordo e um segundo par de cada uma das unidades de rotor de bombordo e estibordo é transportado pelas barras do rotor de bombordo e estibordo à popa das asas de bombordo e estibordo, respectivamente.
Aeronave VTOL, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que as barras de rotor de bombordo e estibordo se estendem para frente e para trás das asas de bombordo e estibordo, respectivamente.