BR112018004256B1 - Sistema de propulsão acoplado a um veículo - Google Patents

Abstract

Sistemas de propulsão acoplados a um veículo. O sistema inclui uma superfície convexa, uma estrutura de difusão acoplada à superfície convexa, e pelo menos um condutor acoplado à superfície convexa. O condutor é configurado para introduzir na superfície convexa um fluido primário produzido pelo veículo. Os sistemas adicionalmente incluem uma estrutura de admissão acoplada à superfície convexa e está configurada para introduzir à estrutura de difusão um fluxo secundário acessível ao veículo. A estrutura de difusão compreende uma extremidade terminal configurada para prover a saída do sistema para introdução dos primeiro e segundo fluidos.

Description

AVISO DE COPYRIGHT

[0001] Esta revelação está protegida por leis de direitos autorais dos Estados Unidos e internacionais. Todos os direitos reservados. Parte da revelação deste documento de patente contém material sujeito à proteção de direitos autorais. O proprietário dos direitos autorais não tem objeção à reprodução fac-símile por qualquer pessoa do documento de patente ou a revelação da patente, conforme aparece no arquivo ou registro de patentes do Patent and Trademark Office, mas, de outra forma, reserva todos os direitos autorais.

REIVINDICAÇÃO DE PRIORIDADE

[0002] Este pedido de patente reivindica prioridade ao pedido de patente provisório dos Estados Unidos N° 62/213.465, depositado em 2 de setembro de 2015, cuja revelação integral é incorporada, por referência, como se fosse totalmente incluída no presente pedido de patente.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0003] Aeronaves que podem pairar, decolar e aterrissar verticalmente são comumente chamadas de aeronaves de decolagem e aterrissagem verticais (VTOL, na sigla em inglês). Esta classificação inclui aeronaves de asa fixa, bem como helicópteros e aeronaves com rotores motorizados capazes de inclinar. Algumas aeronaves VTOL também podem operar em outros modos, tal como decolagem e aterrissagem em pistas curtas (STOL, na sigla em inglês). VTOL é um subconjunto de Petição 870180034136, de 26/04/2018, pág. 13/25 V/STOL (decolagem e aterrissagem vertical e/ou em pistas curtas).

[0004] Para fins ilustrativos, um exemplo de uma aeronave atual que possui capacidade VTOL é o F-35 Lightning. Os métodos convencionais de vetorizar o fluxo vertical de ar de sustentação inclui o uso de bocais que podem ser girados em uma direção selecionada, juntamente com o uso de dois conjuntos de pás planas de flap dispostas a 90 graus entre si e localizadas no bocal externo. O sistema de propulsão do F- 35 Lightning fornece, da mesma forma, força de sustentação vertical pelo uso da combinação de impulso vetorial do motor da turbina e uma hélice de sustentação orientada verticalmente. A hélice de sustentação está localizada atrás da carlinga em um compartimento com portas superiores e inferiores em concha. O motor emite os gases de exaustão através de um bico giratório de três rolamentos que pode desviar o empuxo de horizontal para exatamente à frente da vertical. Os dutos de controle de rolamento se estendem para fora em cada asa e recebem seu empuxo do ar da hélice do motor. O controle da arfada é afetado pela divisão do empuxo entre a hélice de sustentação/motor. O controle de guinada ocorre através do movimento de guinada do bocal giratório do motor. O controle de rolamento é fornecido ao abrir e fechar diferencialmente os bocais nas extremidades dos dois dutos de controle de rolamento. A hélice de sustentação tem um bocal telescópico em forma de "D" para fornecer deflexão do empuxo nas direções para a frente e para a ré. O bocal-D tem pás fixas na abertura de saída.

[0005] O projeto de uma aeronave ou drone geralmente consiste em seus elementos propulsores e a estrutura à qual esses elementos estão integrados. Convencionalmente, o dispositivo propulsor em aeronaves pode ser um turbojato, turbofan, turbopropulsor ou turboeixo, motor de pistão ou motor elétrico equipado com uma hélice. O sistema propulsor (propulsor) em pequenos veículos aéreos não tripulados (UAVs, na sigla em inglês) é convencionalmente um motor de pistão ou um motor elétrico que fornece energia através de um eixo para uma ou várias hélices. O propulsor para uma aeronave maior, tripulada ou não tripulada, é tradicionalmente um motor a jato ou um turbopropulsor. O propulsor geralmente é unido à fuselagem ou ao corpo ou as asas da aeronave através de suportes aerodinâmicos ou esteios capazes de transmitir a força à aeronave e sustentar as cargas. O jato misto emergente (fluxo de jato) de ar e gases é o que impulsiona a aeronave na direção oposta ao fluxo efluente do jato.

[0006] Convencionalmente, o fluxo de ar efluente de uma grande hélice não é usado para fins de sustentação nos voos em nível e, portanto, uma quantidade significativa de energia cinética não é utilizada em benefício da aeronave, a menos que seja girada como em algumas das aplicações existentes hoje (a saber, o Osprey Bell Boeing V-22). Em vez disso, a sustentação, na maioria dos aviões existentes, é criada pelas asas e pela cauda. Além disso, mesmo nesses utilizações VTOL específicas (por exemplo, decolagem por meio da transição para o voo de nível) encontrados no Osprey, a sustentação produzida pela própria hélice é mínima durante o voo de nível, e a maior parte da força de sustentação é não obstante, fornecida pelas asas.

[0007] O estado atual da técnica para criar sustentação nas aeronaves é gerar um fluxo de ar de alta velocidade sobre as asas e os elementos das asas, que geralmente são aerofólios. Os perfis aerodinâmicos são caracterizados por linhas de cordas estendidas principalmente na direção axial, da borda de ataque à borda de fuga do perfil aerodinâmico. Com base no ângulo de ataque formado entre o fluxo de ar incidente e a linha de cordas, e de acordo com os princípios da geração de sustentação do perfil aerodinâmico, o ar de baixa pressão flui sobre o lado de aspiração (superior) e inversamente, pela lei de Bernoulli, movendo-se a velocidades mais elevadas do que o lado inferior (lado da pressão). Quanto menor for a velocidade do avião, menor será a força de sustentação e maior a área de superfície da asa, ou ângulos de incidência mais elevados, será necessária, inclusive para decolagem.

[0008] Grandes veículos aéreos não tripulados (UAV, na sigla em inglês) não são exceção a esta regra. A sustentação é gerada ao projetar o perfil aerodinâmico com o ângulo de ataque apropriado, cordas, envergadura e arqueamento das asas. Flapes, sulcos e muitos outros dispositivos são outras ferramentas convencionais usadas para maximizar a sustentação pelo aumento do coeficiente de sustentação e da área de superfície da asa, mas gerará a sustentação correspondente à velocidade do ar relativa à aeronave. (Aumentar a área (S) e o coeficiente de sustentação ( ) permitem que uma quantidade similar de sustentação seja gerada a uma velocidade aerodinâmica inferior (V0) de acordo com a fórmula , mas ao custo de maior arrasto e peso.) Estas técnicas atuais também funcionam mal com queda significativa na eficiência em condições de ventos cruzados fortes.

[0009] Enquanto os UAVs menores utilizam o empuxo gerado pelas hélices para levantar o veículo, a tecnologia atual depende exclusivamente do controle das velocidades do motor elétrico, e o UAV menor pode ou não ter a capacidade de pivotar os motores para gerar empuxo e sustentação, ou fazer a transição para um voo nivelado, inclinando as hélices. Além disso, os UAV menores que usam esses elementos de propulsão sofrem de ineficiências relacionadas a baterias, densidade de energia e hélices grandes, o que pode ser eficiente em pairar, mas é ineficiente em voo de nível e cria dificuldades e perigo ao operar devido à inclinação rápida das lâminas. A maioria dos quadcópteros atuais e outros veículos aéreos alimentados eletricamente só são capazes de períodos de voo muito curtos e não podem levantar ou transportar grandes cargas úteis, já que o peso do sistema elétrico e da bateria já excedem 70% do peso do veículo. Um veículo similar usando combustível para jato ou qualquer outro combustível de hidrocarbonetos tipicamente usado no transporte transportará mais combustível utilizável por pelo menos uma ordem de grandeza. Isso pode ser explicado pela densidade de energia muito maior do combustível de hidrocarbonetos em comparação com os sistemas de bateria (pelo menos uma ordem de grandeza), bem como o menor peso para a proporção total de peso do veículo de um sistema baseado em combustível hidrocarbonetos.

[00010] Consequentemente, há uma necessidade de maior eficiência, capacidades melhoradas e outros avanços tecnológicos em aeronaves, particularmente para UAVs e certos veículos aéreos tripulados.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[00011] A FIG. 1 é uma secção transversal de uma concretização da presente invenção que representa a metade superior de um ejetor e perfis de velocidade e temperatura dentro do fluxo interno;

[00012] FIG. 2 ilustra características das superfícies do ejetor da FIG. 1 de acordo com uma concretização;

[00013] FIGS. 3-4 ilustram vistas em perspectiva parcial de estruturas de admissão de acordo com uma ou mais concretizações;

[00014] FIG. 5 é uma vista em planta traseira de um atuador de acordo com uma concretização;

[00015] FIG. 6 ilustra alteração em seção transversal de geometrias internas do ejetor de acordo com uma concretização;

[00016] A FIG. 7 é uma vista em perspectiva lateral de uma concretização alternativa;

[00017] A FIG. 8 é uma vista lateral do elemento da concretização ilustrada na FIG. 7;

[00018] As FIGS. 9-11 ilustram outra concretização alternativa da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[00019] Este pedido de patente pretende descrever uma ou mais concretizações da presente invenção. Deve ser entendido que o uso de termos absolutos, como "deve", "pode" e similares, bem como quantidades específicas, deve ser interpretado como aplicável a uma ou mais dessas concretizações, mas não necessariamente a todas essas concretizações. Como tal, as concretizações da invenção podem omitir ou incluir a modificação de uma ou mais características ou funcionalidades descritas no contexto de tais termos absolutos. Além disso, as direções neste pedido de patente servem apenas para fins de referência e não devem de modo algum afetar o significado ou a interpretação da presente invenção.

[00020] Uma concretização da presente invenção inclui um propulsor que utiliza a mecânica de fluidos para o arrasto e aceleração do ar ambiente e proporciona um efluente de jato em alta velocidade de uma mistura de gás de alta pressão (fornecido ao propulsor por um gerador de gás) e o ar ambiente arrastado. Em essência, esse objetivo é conseguido pela descarga do gás adjacente em uma superfície convexa. A superfície convexa é a denominada superfície de Coanda que se beneficia do efeito Coanda descrito na patente norte-americana No. 2.052.869 concedida a Henri Coanda em 1 de setembro de 1936. Em princípio, o efeito Coanda é a tendência de um gás ou líquido emitido por jato de se deslocar próximo de um contorno da parede, mesmo que a direção da curvatura da parede esteja longe do eixo do jato. As superfícies Coanda convexas discutidas neste pedido de patente em relação a uma ou mais concretizações não precisam consistir em nenhum material particular.

[00021] A FIG. 1 ilustra uma seção transversal da metade superior de um ejetor 200 que pode estar ligado a um veículo (não mostrado), tal como, por um exemplo não limitativo, um UAV ou um veículo aéreo tripulado tal como um avião. A câmara 211 é preenchida com ar mais quente do que o ar ambiente (isto é, uma corrente de gás motriz pressurizada), por exemplo, de um motor à base de combustão que pode ser empregado pelo veículo. Esta corrente de gás motriz pressurizado, denotada pela seta 600, é introduzida através de pelo menos um duto, tal como bocais primários 203, para o interior do ejetor 200. Mais especificamente, os bocais primários 203 são configurados para acelerar o fluxo de fluido motriz 600 até uma velocidade variável predeterminada diretamente sobre uma superfície convexa de Coanda 204 como um jato de parede. Além disso, os bocais primários 203 fornecem volumes ajustáveis de fluxo de fluido 600. Este jato de parede, por sua vez, serve para arrastar através de uma estrutura de admissão 206 fluido secundário, tal como ar ambiente designado pela seta 1, que pode estar em repouso ou se aproximando do ejetor 200 a uma velocidade não nula a partir da direção indicada pela seta 1. Em várias concretizações, os bocais 203 podem estar dispostos matricialmente e numa orientação curva, uma orientação em espiral e/ou uma orientação em ziguezague.

[00022] A mistura do fluxo 600 e do ar 1 podem se mover puramente axialmente na seção de gargalo 225 do ejetor 200. Através da difusão em uma estrutura de difusão, como o difusor 210, o processo de mistura e suavização continua, de modo que os perfis de temperatura (800) e velocidade (700) na direção axial do ejetor 200 já não possuem os valores alto e baixo presentes na seção de garganta 225, mas se tornam mais uniformes na extremidade terminal 100 do difusor 210. À medida que a mistura da corrente 600 e com ar 1 se aproxima do plano de saída da extremidade terminal 100, os perfis de temperatura e velocidade são quase uniformes. Em particular, a temperatura da mistura é baixa o suficiente para ser direcionada a um perfil aerodinâmico, como uma asa ou superfície de controle.

[00023] Numa concretização, e como mais bem ilustrado na FIG. 2, os bocais secundários, em forma de V, 205 geradores de vórtice estão escalonados quando comparados com um bocal primário retangular normal 203 e injetando pelo menos 25% da corrente de fluido total 600 antes do restante do fluxo de massa da corrente de fluido ser injetado um pouco depois pelos bocais 203. Esta injeção pelos bocais 205 antes dos bocais 203 resulta em uma maior taxa de arrasto suficiente para aumentar significativamente o desempenho do ejetor 200. Os bocais secundários 205 introduzem um arrasto mais favorável do fluxo secundário através de camadas de cisalhamento e são escalonados tanto axial quanto circunferencialmente em relação aos bocais primários 203.

[00024] Os bocais primários 203 podem incluir uma estrutura de asa delta 226 que tem uma perna de suporte conectada ao ponto médio da estrutura do bocal primário 203 no seu lado mais interno, com um ápice da estrutura da asa delta apontando contra o fluxo de fluido 600. Isso, por sua vez, gera dois vórtices opostos em direção e fortemente arrasam, de ambos os lados do bocal primário 203, a mistura já arrastada dos fluxos de fluido primário e secundário resultante dos bocais 205.

[00025] Adicionalmente, uma concretização melhora a superfície para o retardo da separação do fluxo por meio de elementos tais como as cavidades 221 colocadas na superfície de Coanda 204. As cavidades 221 impedem a separação do fluxo e aumentam significativamente o desempenho do ejetor 200. Além disso, as superfícies do difusor 210 (ver FIG. 1) também podem incluir cavidades 222 e/ou outros elementos que retardem ou impeçam a separação da camada limite.

[00026] Numa concretização, a estrutura de admissão 206 pode ser de configuração circular. No entanto, em concretizações variáveis, e como mais bem mostrado nas FIGs. 3-4, a estrutura de admissão 206 pode ser não circular e, de fato, assimétrica (ou seja, não é idêntica em ambos os lados de pelo menos um, ou alternativamente qualquer, plano que divida a estrutura de admissão). Por exemplo, como mostrado na FIG. 3, a estrutura de admissão 206 pode incluir a primeira e segunda bordas opostas 301, 302, em que a segunda borda oposta inclui uma porção curvada que se projeta em direção à primeira borda oposta. Como mostrado na FIG. 4, a estrutura de admissão 206 pode incluir a primeira e a segunda bordas opostas laterais 401 e 402, em que a primeira borda oposta lateral tem raio de curvatura maior do que a segunda borda oposta lateral.

[00027] Referindo-se à FIG. 5, uma concretização pode incluir pelo menos um elemento de atuação 501 que acopla o ejetor 200 ao veículo 502. O elemento 501 está configurado para proporcionar pelo menos duas, e preferencialmente três dimensões de movimento (isto é, seis graus de liberdade) ao ejetor 200 em relação ao veículo 502.

[00028] Referindo-se à FIG. 6, uma concretização pode incluir pelo menos um elemento de atuação interno (por exemplo, atuadores e/ou hastes) 601, 602 dispostos entre as superfícies externas 603, 604 e as superfícies internas 605, 606 do ejetor 200. Na concretização ilustrada, o atuador 601 está configurado para mover (por exemplo, na direção de e se afastar do eixo central do ejetor 200) a primeira superfície 605 em relação à segunda superfície 606 quando a segunda superfície não estiver se movendo. Da mesma forma, o segundo atuador 602 está configurado para mover a segunda superfície 606 em relação à primeira superfície 605 quando a primeira superfície não estiver se movendo. Essa capacidade de alterar a geometria interna do ejetor 200 em múltiplas configurações permite que o ejetor opere otimamente em várias condições de voo (por exemplo, descida, decolagem, voo de cruzeiro, etc.).

[00029] A FIG. 7 ilustra um sistema de propulsão para um veículo 700 de acordo com uma concretização alternativa. Um primeiro aerofólio secundário 702 está acoplado ao veículo 700 e posicionado a jusante do fluido que flui sobre um aerofólio primário 701 do veículo. O aerofólio 702 está configurado para girar em torno do eixo 707 e é controlado pelo atuador 708. Como mais bem ilustrado na FIG. 8, o primeiro aerofólio de aumento 702 inclui uma primeira estrutura de saída, tal como superfícies de bocal opostas 705, 706 e pelo menos um tubo, tal como a câmara 704, em comunicação fluida com a extremidade terminal 703 definida pelas superfícies de bocal. As superfícies de bocal 705, 706 podem ou não incluir bocais semelhantes aos bocais 203 discutidos acima com referência à FIG. 1. Além disso, uma ou mais das superfícies de bocal 705, 706 podem incluir superfície convexa que consegue, consequentemente, promover o efeito Coanda e pode ter superfícies arredondadas continuamente sem cantos afiados ou abruptos. Ar mais quente do que o ar ambiente (isto é, uma corrente de gás motriz pressurizada) é suprido à câmara 704 por, por exemplo, um motor à base de combustão que pode ser empregado pelo veículo 700. A câmara 704 está configurada para introduzir esta corrente de gás na extremidade terminal 703, que está configurada para proporcionar saída para a corrente de gás em direção ao aerofólio primário 701 e para fora do primeiro aerofólio 702.

[00030] Referindo-se às FIGS.9-11, uma concretização pode incluir um segundo aerofólio 902 semelhante ao aerofólio 702, cada um com sua respectiva borda de fuga 714, 914 divergindo da outra borda de fuga. Mais especificamente, o segundo aerofólio 902 está acoplado ao veículo 700 e posicionado a jusante do fluido que flui sobre o aerofólio primário 701 do veículo. O aerofólio 902 está configurado para girar de maneira semelhante à discutida acima com referência ao aerofólio 702. O aerofólio 902 inclui a primeira estrutura de saída, tal como as superfícies de bocal opostas 905, 906 e pelo menos um tubo, tal como a câmara 904, em comunicação fluida com a extremidade terminal 903 definida pelas superfícies de bocal. As superfícies de bocal 905, 906 podem ou não incluir bocais semelhantes aos bocais 203 discutidos acima com referência à FIG. 1. Além disso, uma ou mais das superfícies de bocal 905, 906 podem incluir superfície convexa que pode, consequentemente, promover o efeito Coanda. Ar mais quente do que o ar ambiente (isto é, uma corrente de gás motriz pressurizada) é suprido à câmara 904 por, por exemplo, um motor à base de combustão que pode ser empregado pelo veículo 700. A câmara 904 está configurada para introduzir esta corrente de gás na extremidade terminal 903, que está configurada para proporcionar saída para a corrente de gás em direção ao aerofólio primário 701 e para fora do segundo aerofólio 902.

[00031] Cada um dos primeiro e segundo aerofólios secundários 702, 902 possui uma borda de ataque 716, 916 disposta na direção do aerofólio primário, com o primeiro aerofólio secundário em oposição ao segundo aerofólio secundário. Em operação, o primeiro e o segundo aerofólios 702, 902 definem uma região de difusão 802, entre eles e ao longo de seus comprimentos, semelhante em função ao difusor 210 discutido acima neste documento. As bordas de ataque 716, 916 definem uma região de admissão 804 configurada para receber e introduzir na região de difusão 802 as correntes de gás das câmaras 704, 904 e o fluido que flui sobre o aerofólio primário 701. A região de difusão 802 inclui uma extremidade terminal primária 806 configurada para proporcionar saída da região de difusão para as correntes de gás introduzidas e o fluido que flui sobre o aerofólio primário 701.

[00032] Embora o texto acima estabeleça uma descrição detalhada de inúmeras concretizações diferentes, deve-se entender que o escopo de proteção é definido pelo texto das reivindicações a seguir. A descrição detalhada deve ser interpretada apenas como exemplar e não descreve todas as concretizações possíveis, pois descrever todas as concretizações possíveis seria impraticável, senão impossível. Numerosas concretizações alternativas poderiam ser implementadas, usando tecnologia atual ou tecnologia desenvolvida após a data de depósito desta patente, que ainda pertenceriam ao escopo das reivindicações.

[00033] Assim, muitas modificações e variações podem ser feitas nas técnicas e estruturas descritas e ilustradas aqui sem se afastar do espírito e do alcance das presentes reivindicações. Consequentemente, deve-se entender que os métodos e aparelhos aqui descritos são apenas ilustrativos e não limitam o alcance das reivindicações.

Claims (3)

1. Sistema de propulsão (200) acoplado a um veículo, caracterizado por compreender: uma superfície convexa (204) tendo um perímetro e uma pluralidade de recessos (221); uma estrutura de difusão (210) acoplada à superfície convexa (204); pelo menos um condutor (203) acoplado à estrutura convexa (204) e configurado para introduzir na estrutura convexa (204) através de múltiplos bocais (203) distribuídos ao longo de todo o perímetro um fluido primário produzido pelo veículo, e uma estrutura de admissão (206) acoplada à estrutura convexa (204) e configurada para introduzir na estrutura de difusão (210) um fluido secundário acessível ao veículo, em que os bocais (203) estão a jusante da estrutura de entrada (206), e em que a estrutura de difusão (210) compreende um terminanl de saída (100) configurada para prover o egresso do sistema para fluidos primário e secundário introduzidos.

2. Sistema (200) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por: o pelo menos um condutor compreender um arranjo de condutores (203) organizados em pelo menos uma orientação dentre as orientações em curva, espiralada e em ziguezague.

3. Sistema (200) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por: a estrutura de admissão (206) ser assimétrica.