BR112018068259B1 - Sistemas para veículos com configuração para decolagem e aterrissagem verticais - Google Patents

Abstract

Veículo que inclui corpo principal com um e gerador de fluido acoplado que produz um fluxo de fluido. Pelo menos um duto dianteiro e um duto traseiro estão acoplados de modo fluido ao gerador. O primeiro e o segundo ejetores dianteiros estão acoplados de modo fluido ao duto dianteiro, acoplados ao corpo principal e, respectivamente, acoplados aos lados estibordo e bombordo do veículo. Os ejetores dianteiros respectivamente compreendem uma estrutura de saída através da qual o fluido flui. Pelo menos um ejetor traseiro está acoplado de modo fluido ao duto traseiro. O ejetor traseiro compreende uma estrutura de saída da qual flui o fluido. Um elemento de aerofólio primário está acoplado á porção traseira. Uma superfície do elemento de aerofólio primário está localizada diretamente a jusante dos primeiro e segundo ejetores dianteiros de tal modo que o fluido deles advindo flui sobre a superfície.

Description

AVISO DE DIREITOS AUTORAIS

[0001] Esta revelação é protegida sob as Leis dos Estados Unidos e/ou Leis Internacionais de Direitos Autorais. © 2017 Jetoptera, Inc. Todos os direitos reservados. Parte da divulgação deste documento de patente contém material que está 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 E REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS DE PATENTES RELACIONADOS

[0002] Este pedido de patente reivindica prioridade ao pedido de patente provisório dos Estados Unidos N° 62/307.318, depositado em 11 de março de 2016, cujo conteúdo é incorporado, por referência, como se fosse totalmente incluída no presente pedido de patente. Este pedido de patente é também a continuação em parte do pedido de patente norte-americana 15/256.178, depositado em 2 de setembro de 2016, que reivindica prioridade do Pedido de Patente Provisória norte- americana 62/213.465, intitulado SISTEMAS DE PROPULSÃO DE VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADOS COM GERAÇÃO DE EMPUXO E SUSTENTAÇÃO BASEADOS NOS PRINCÍPIOS DA FLUÍDICA depositado em 2 de setembro de 2015, cujo conteúdo é incorporado, por referência, como se estivesse totalmente estabelecido no presente pedido de patente.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0003] As aeronaves VTOL enfrentam os desafios de dimensionamento do(s) motor(es) e do equilíbrio de forças. Consulte Daniel Raymer, Aircraft Design: A Conceptual Approach (AIAA Education Series), página 754 (5a ed. 2012).

[0004] A decolagem vertical pode ser conseguida mediante alta relação empuxo-peso. Em contraste, durante voo horizontal (cruzeiro), as forças de sustentação contribuem com a aeronave e os requisitos de empuxo são muito menores. No entanto, se a intenção for projetar uma aeronave que voe horizontalmente por tempo indeterminado, o requisito de VTOL tornaria os requisitos do motor muito limitantes, pois adicionaria muito peso que a ser transportado em condições de cruzeiro sem funcionalidade. Portanto, o dimensionamento do motor e o correspondente empuxo para aeronave VTOL apropriada para voos de cruzeiro se torna um grande problema.

[0005] O equilíbrio é um dos fatores mais importantes para o projeto de uma aeronave VTOL. Durante a fase de decolagem, o empuxo deve ser distribuído ao redor da aeronave e os momentos são equilibrados em torno do centro de massa, para que a aeronave permaneça equilibrada. A aeronave não pode ser equilibrada se a fonte do empuxo estiver em apenas um local. Por exemplo, mesmo quando uma aeronave horizontal, como o Harrier for equilibrada no ar, a aeronave precisa empregar vários elementos geradores de impulso em locais especificamente escolhidos, a fim de cancelar os momentos em todas as vezes (calculado como força (impulso) x braço de momento em torno do centro de massa da aeronave). Isso é difícil de conseguir se a maior parte do empuxo estiver localizada, por exemplo, na porção traseira da aeronave (como tipicamente encontrado em aeronave VTOL).

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0006] FIG. 1 ilustra vista de topo de uma concretização da presente invenção;

[0007] FIG. 2 é a vista posterior da concretização da presente invenção mostrada na FIG. 1;

[0008] FIG. 3 é a vista frontal da concretização da presente invenção mostrada na FIG. 1;

[0009] FIG. 4. ilustra uma concretização alternativa da presente invenção numa vista isométrica explodida;

[00010] A Fig. 5 ilustra uma concretização alternativa da invenção presente em vista de perspectiva traseira;

[00011] FIG. 6 ilustra a progressão de uma concretização da presente invenção desde a decolagem até ao nivelamento de voo em relação a uma superfície de aterrissagem/decolagem; e

[00012] FIG. 7 ilustra a metade superior de um motor turboeixo/turbopropulsor com destaques das estações de fluxo de acordo com uma concretização da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS CONCRETIZAÇÕES PREFERENCIAIS

[00013] Este pedido de patente pretende descrever uma ou mais concretizações da presente invenção. Deve ser entendido que o uso de termos absolutos, como "deve", "precisa" e similares, bem como quantidades específicas, devem ser interpretados como aplicáveis 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.

[00014] O presente pedido de patente refere-se geralmente a um aumento de empuxo para veículos aéreos não tripulados. Em particular, uma ou mais concretizações da presente invenção reveladas neste pedido de patente proporcionam soluções originais para os desafios das aeronaves de decolagem e aterrissagem vertical (VTOL) e de decolagem e aterrissagem curta (STOL). Como utilizado neste pedido de patente, o termo "Tailsitter" pode se referir a uma ou mais concretizações da presente invenção.

[00015] Uma concretização da presente invenção aborda a questão da relação entre o empuxo/peso e o dimensionamento do motor para o reforço e aumento do empuxo. Numa concretização preferencial da presente invenção, os próprios ejetores/propulsores são concebidos para permitir um aumento superior a 2:1 e próximo de 3:1. Isso significa que esses propulsores são projetados para produzir empuxo 2 a 3 vezes maior do que o empuxo produzido por turbojato convencional. Projetos de aumento de empuxo são revelados no pedido de patente norte-americana provisória 62/213.465, intitulado SISTEMAS DE PROPULSÃO DE VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADOS COM GERAÇÃO DE EMPUXO E SUSTENTAÇÃO BASEADOS NOS PRINCÍPIOS DA FLUÍDICA, depositado em 2 de setembro de 2015 ("o pedido provisório '465”) e o pedido de patente norte-americana No. 15/256.178 depositado em 2 de setembro de 2016 ("o pedido '178”). Como empregado neste pedido de patente, “Propulsores” deve se referir a tais ejetores/propulsores com aumento significativo descritos no “pedido provisório 465”, bem como quaisquer seus aprimoramentos ou versões subsequentes.

[00016] Numa concretização preferencial da presente invenção, o propulsor é utilizado com um gerador de gás como fonte de fluxos primários. Embora não seja necessário utilizar tal propulsor com um gerador de gás que forneça o fluxo primário na presente invenção, a utilização de tal propulsor pode reforçar os efeitos do empuxo aumentado.

[00017] Aumento adicional pode ser conseguido por meio de um ejetor secundário maior que pode ser formado usando a exaustão dos propulsores em conjunto com, por exemplo, uma asa fechada/em caixa do Tailsitter que age como um capô. As asas também podem ter qualquer outra forma projetada de modo a permitir que o escapamento de alta velocidade dos propulsores sirva como bocal primário para o ejetor formado pela asa ("capô") e pelos propulsores. Os efeitos do capô podem aumentar ainda mais o empuxo em pelo menos 10-25%. Com efeito, os propulsores e o capô podem ter um efeito combinado de aumento de empuxo de, por exemplo, aumento de 1,1 (dos propulsores com capô) vezes 2,5 (dos propulsores), o que resulta em um aumento total de 2,75. Portanto, tal sistema pode produzir empuxo que é igual ao peso da aeronave na decolagem, ao aumentar em ~2,75 o empuxo gerado por um turbojato simples.

[00018] Qualquer aeronave que decole verticalmente na sua cauda precisaria de, naturalmente, ajustar sua atitude para se estabilizar na atitude aceitável e reduzir seu empuxo a fim de manter a aeronave voando para frente à velocidade constante de cruzeiro. A diminuição do empuxo pela redução do afogador pode ajustar a potência necessária para superar o arrasto da aeronave, o que também pode significar aumento suficiente e menor de todo o sistema para impulsionar a aeronave para frente e manter sua velocidade.

[00019] Em uma concretização da presente invenção, uma aeronave de 68 kg pode empregar um turbojato de 334 N adaptado para se tornar um gerador de gás.583.8N Este conceito é revelado no pedido de patente provisória norte-americana 62/263.407, intitulado SISTEMA DE MICRO-TURBINA GERADORA DE GÁS E PROPULSORA A GÁS, depositado em 4 de dezembro de 2015 (“o pedido provisório '407) e o pedido de patente norte- americana 15/368.428, de 2 de dezembro de 2016 (o “pedido '428”). O pedido provisório '407 e o pedido' 428 são incorporados, neste pedido de patente, por referência na sua totalidade. Nesta concretização, os ejetores de aumento de empuxo podem produzir aumento de, por exemplo, 1,75 vezes o original, o que significa 75 multiplicado por 1,75, o que resulta em 583,8 N de empuxo aumentado. Sem o capô ao redor do propulsor, o empuxo pode ser limitado a esse valor e pode não permitir que o empuxo eleve a aeronave do solo. No entanto, com a asa como estrutura em caixa ao redor do propulsor(es) principal(is) para envolver esses propulsores, o aumento geral do empuxo torna-se, por exemplo, 1,15 multiplicado por 131,25, resultando em 671,4 N e, portanto, excedendo o peso da aeronave e permitindo a decolagem.

[00020] À medida que o combustível é consumido a bordo do Tailsitter, o peso do veículo se reduz e sua aceleração aumenta, de modo que a decolagem acontece com velocidade e aceleração crescentes. Como o veículo pode não ser tripulado, suas acelerações podem exceder as acelerações limitadas dos humanos que são restritas para segurança humana e padrões que não ameacem a vida. Numa concretização, as acelerações podem exceder 20 vezes a aceleração da gravidade. Como tal, após um curto período de tempo, o veículo pode ter a capacidade de alterar a sua atitude e alcançar o voo de cruzeiro por controle das mudanças na superfície e da aceleração. A sustentação aumenta à medida que o veículo muda de atitude, enquanto o aumento combinado também diminui em valor devido ao retrocesso do afogador. O Tailsitter pode então atingir o voo em nível ao concomitantemente reduzir o esforço do motor (e, consequentemente, o fluxo primário do gerador de gás) para os propulsores no primeiro nível e permitir que a asa em caixa produza a sustentação adequada para manter a atitude, enquanto os propulsores produzem empuxo suficiente para superar o arrasto.

[00021] Por outro lado, ao se aproximar do destino, a atitude da aeronave pode ser ajustada com aumento no ângulo de ataque e aumento de empuxo novamente deslocar a necessidade de sustentação, pois a velocidade de avanço é reduzida e a aeronave pode pousar verticalmente em sua parte traseira, equilibrada pelos propulsores e seu efeito combinado de aumento.

[00022] Uma ou mais concretizações da presente invenção são capazes de superar a questão de equilíbrio de forças e momentos ao utilizar braços de momento menores do que os necessários para equilibrá-los em torno do centro de massa, o que é conseguido pela distribuição do empuxo em vários locais na aeronave. Isto, por sua vez, permite que estas concretizações tenham mais controle e facilitem a manter a posição de pairar/vertical.

[00023] Como discutido nos pedidos provisórios '465 e '407, a tecnologia exclusiva permite a distribuição do empuxo em vários locais da aeronave, com níveis de aumento alcançados em diferentes propulsores (por exemplo, na frente, “ejetores frontais” atrás de canards, empregados nas fases de decolagem e pouso e desligados no voo em nível, e na parte de trás os “ejetores da cauda” que geram a maior parte do empuxo).

[00024] Um pequeno motor a jato convencional (1112 N) geralmente fornece empuxo em um único local, geralmente no centro da seção de escape. Alguns pequenos turboélices também fornecem o empuxo concentrado em um ponto na aeronave. Uma ou mais concretizações da presente invenção permitem a distribuição do empuxo de uma maneira quase linear e/ou não circular, em oposição à forma circular, e assim distribui o empuxo pelo comprimento da asa ou outros aerofólios e/ou superfícies de controle da aeronave. No Tailsitter, tanto a corrente principal quente, quanto a porção de ar que sangra do fluxo do compressor são usadas como fluidos motores para reforçar os propulsores. Como esta concretização permite a distribuição do empuxo não concentrado num ponto, mas linear, principalmente não circular e distribuído, consegue melhor eficiência na propulsão da aeronave. Além disso, há o recurso, opcionalmente vantajoso, de moldar e modelar o propulsor de acordo com a forma dos aerofólios para obter melhor desempenho (por exemplo, aumentando a margem de estol de uma determinada asa canard se o propulsor estiver colocado a jusante dele ou aumentando a sustentação em uma asa principal se o propulsor for colocado em uma localização ideal a montante da referida asa principal). O empuxo distribuído melhora, portanto, o desempenho da aeronave ao distribuir o fluxo rápido e quente de turbojato de 334 N de um local concentrado na parte traseira do motor turbojato para, por exemplo, pelo menos quatro locais na aeronave. Neste exemplo, os propulsores são montados nesses quatro locais no veículo de uma maneira ideal, de modo que eles (i) recebam o fluxo de ar ou gás pressurizado do sistema de sangria do compressor e exaustão do gerador de gás respectivamente e (ii) aumentem cada uma das quatro forças de empuxo que, de outra forma, resultariam da simples expansão isentrópica das quatro correntes primárias em 1,5-3 vezes. Isso também resulta em vantajosos fluxo distribuído e empuxo a partir dos quatro locais, aumentando assim a manobrabilidade da aeronave e a eficiência propulsora.

[00025] Uma concretização (versão turbopropulsora STOL) da presente invenção inclui o aumento do empuxo com base no fluido motriz proporcionado pelo sistema de sangria de um gerador de gás. O sistema de sangria fornece o ar motriz da sangria aos propulsores frontais de bombordo e estibordo. Os propulsores frontais proporcionam aumento correspondente ao empuxo específico de 981-2941 N para cada kg/s de ar motriz fornecido pelo sistema de sangria. Esse valor excede em muito o típico empuxo específico de 490-637 N/kg/s obtido com pequenos motores turbojato, devido à eficiência limitada dos componentes e à falta de tecnologias avançadas. Quando convertido em um gerador de gás, o ar comprimido é utilizado pelos propulsores à frente e atrás do sistema, o que resulta em razões de aumento de mais de 2:1. Desse modo, mais empuxo pode ser obtido a partir da mesma energia de entrada.

[00026] Em tal concretização, uma válvula de controle é empregada para fornecer o equilíbrio de fluxo entre os propulsores de bombordo e estibordo. A modulação do ar pode ser obtida com válvulas colocadas entre a sangria do motor e a caixa da válvula de controle. As válvulas possibilitam o controle do fluxo em cada propulsor e/ou o equilíbrio do fluxo de ar motriz entre os dois propulsores frontais pela abertura ou fechamento da passagem para um ou ambos os propulsores frontais e alterando o suprimento de fluido motriz. Isso, por sua vez, gera desequilíbrio no empuxo, e o desequilíbrio resulta em mudança na atitude da aeronave. Os propulsores também podem pivotar em torno de seu eixo principal, enquanto são, simultaneamente, modulados para fluxo primário (fluxo de fluido motriz). Isso permite controlar a arfada e o rolamento, bem como algum controle limitado do ângulo de guinada e suas combinações.

[00027] Numa concretização, os propulsores são alimentados por um fluxo quente de alta pressão do gás de escape fornecido pelo gerador (menos o ar sangrado) através de uma peça de transição ou duto. A peça de transição liga o escape do gerador de gás aos ditos propulsores traseiros. Os propulsores usam essa entrega como ar motriz para aumentar o empuxo. Este sistema de aumento de jato é projetado especificamente para permitir o movimento rápido do veículo, ao custo de consumo adicional de combustível, resultando em velocidades no ar do veículo que excedem 200 MPH e eficiências de propulsão de cerca de 80-90%. O sistema resulta em consumo típico específico de combustível de 0,082 a 0,112 kg/h de combustível por N gerado, o que é típico de ventoinhas de baixa derivação, mas sem acionamento por turbina ou ventoinha. Esses níveis são muito mais eficientes do que os típicos 0,153 kg/h por N normalmente obtidos com pequenos turbojatos, a maioria dos atuais drones do mercado. O sistema também pode atingir desempenho de consumo específico de combustível de um turboélice de baixa derivação em escala muito menor e sem empregar uma turbina livre e uma ventoinha, per se, o que reduz o peso e a complexidade de todo o sistema de propulsão e elimina um grande conjunto móvel, como o conjunto ventoinha/turbina livre.

[00028] Numa concretização, se a missão da aeronave tiver duração/alcance maior e velocidades aerodinâmicas mais baixas em maiores eficiências de propulsão, então a seção traseira do sistema propulsor pode ser flexível o suficiente para ser substituída por um sistema de turbina/hélice, mantendo o gerador de gás comum, idêntico (sistema propulsor frontal) e aumentando os propulsores "frios". A turbina receberá o mesmo fluxo que no caso do sistema de aumento de jato, mas pode extrair energia do fluxo de escape do gerador de gás e transformá-la em trabalho mecânico usado para girar a hélice em vez de aumentar o fluxo em um propulsor do tipo ejetor. As interfaces são muito semelhantes, sendo que a substituição consiste na troca do conduíte de transição por um duto que guia os gases quentes pressurizados em direção à turbina livre acionando a hélice, após o que os gases de escape são expelidos na direção a jusante e no fluxo da hélice. A vantagem de um sistema tão flexível é que com arranjo similar, um empuxador turbopropulsor ou um sistema de aumento de jato pode ser intercambiável, permitindo ao usuário escolher o sistema com base na missão em pauta. Desta maneira, o sistema empuxador turbopropulsor, como descrito, pode atingir nível de consumo de combustível específico inferior a 0,27 kg/h por cada HP ou empuxo equivalente em N. Numa concretização da presente invenção, o UAV pode ser capaz de entregar um pacote a até 320 km de distância movendo-se a uma velocidade média de cruzeiro de 240 km/h.

[00029] Além disso, a hélice pode ser perfeitamente encerrada, por exemplo, no sistema de asa em caixa descrito neste pedido de patente, e assim o ruído gerado pelo turbopropulsor pode ser significativamente reduzido por meios diretos (asa em caixa) e indiretos (materiais de redução de ruído dentro da asa). Além disso, o turbopropulsor ainda se beneficia da presença dos propulsores frontais e do uso de ar de sangria para alimentá-los, permitindo não apenas VTOL, mas, quando apropriado e VTOL não necessário, decolagem e aterrissagem curtas.

[00030] Numa ou mais concretizações da presente invenção, o conceito de decolagem e aterrissagem curtas (STOL) pode ser conseguido pelo emprego dos propulsores dianteiros, reduzindo significativamente o comprimento da pista necessária para a decolagem. Ao girar os propulsores, o impulso vetorial adicional pode ser orientado para aumentar a arfada durante a decolagem e reduzir o comprimento necessário em comparação com uma aeronave convencional. Os propulsores frontais podem ser desligados durante o cruzeiro ou ociosidade, ou reativados em vários estágios do voo, para aumentar a sustentação, empuxo ou ambos. O aumento do empuxo pode ser realizado através do próprio desenho dos propulsores. O aumento da sustentação pode ser realizado pela colocação dos propulsores frontais em relação a ambos o canard (asas dianteiras) e a asa em caixa principal. A localização a jusante dos propulsores frontais retarda o bloqueio das asas canard, o que permite a operação em ângulos de ataque mais altos e coeficientes de sustentação maiores antes que ocorra o estol. Isto é devido à menor pressão criada à frente dos propulsores, atrasando a separação na parte superior da asa, a principal causa de estol na maioria das asas em altos ângulos de ataque. O aumento da sustentação devido à asa principal é principalmente devido ao aumento do fluxo resultante dos propulsores dianteiros, localmente mais alto que a velocidade do veículo, cujo dito fluxo é guiado sobre a parte inferior da asa em caixa e, como é conhecido por aqueles familiares com a matéria, aumentando a sustentação da asa principal.

[00031] As FIGS. 1-3 ilustram o veículo 100 de acordo com uma concretização da invenção a partir de diferentes vistas em perspectiva. Nas FIGs. 1-8, o veículo 100 tem um sistema propulsor de aumento de jato com particular ênfase nas capacidades VTOL. Mais especificamente, o veículo 100 inclui um corpo principal 101 que tem uma parte anterior 102 e uma porção de cauda 103. O corpo principal 101 pode incluir uma porção de cabina de pilotagem (não mostrada) configurada para permitir a operação tripulada do veículo 100. Tal como acontece com todas as embarcações voadoras/veleiros, o veículo 100 tem um lado de estibordo e um lado de bombordo. O gerador de fluido 104 é acoplado ao corpo principal 101 e produz um fluxo de fluido. Numa concretização, o gerador de fluido 104 está disposto no corpo principal 101. Pelo menos um duto dianteiro (111 na FIG. 3) e pelo menos um duto de cauda 112 estão acopladas de modo fluido ao gerador 104.

[00032] O primeiro e o segundo ejetores frontais 105 e 106 são acoplados de modo fluido a pelo menos um duto dianteiro 111, acoplado à porção frontal 102 e respectivamente acoplados ao lado estibordo e ao lado bombordo. Os ejetores frontais 105 e 106 incluem respectivamente as estruturas de saída 107 e 108 das quais o fluido proveniente do pelo menos um duto dianteiro 111 flui a uma velocidade predeterminada ajustável. Adicionalmente, a totalidade de cada um dos ejetores frontais 105, 106 é rotativa em torno de um eixo orientado paralelamente às bordas dianteiras dos ejetores dianteiros (isto é, eixo transversal) para proporcionar orientação o empuxo com ambos componentes à frente e para cima, por exemplo, permitindo que o veículo 100 decole e continue subindo em ângulos de ataque muito mais íngremes e, portanto, reduzindo o comprimento da pista necessária. Ao final da subida ou durante a subida, os ejetores frontais 105, 106 podem ser realinhados para a direção principal de voo ou cortados completamente ao desligar as válvulas de sangria do motor/gerador de gás 104 e adaptando a velocidade e operação do gerador de gás em conformidade, acionando o sistema de propulsão traseira (por exemplo, ejetores de cauda 109, 110). Após o pouso, os ejetores anteriores 105, 106 podem ser girados 180 graus para fornecer uma reversão de empuxo contra a direção do patamar, encurtando o comprimento de pouso. Numa concretização, a totalidade de cada um dos ejetores frontais 105, 106 é rotativa em torno de um eixo orientado perpendicularmente às bordas dianteiras dos ejetores frontais.

[00033] O primeiro e o segundo ejetor de cauda 109, 110 estão acoplados de modo fluido a pelo menos um duto de cauda 112 e acoplados à porção de cauda 103. Os ejetores de cauda 109, 110 incluem a estrutura de saída 113, 114 da qual o fluido de pelo menos um duto de cauda 112 flui a uma velocidade ajustável predeterminada. Adicionalmente, a totalidade de cada um dos ejetores de cauda 109, 110 é rotativa em torno de um eixo orientado paralelamente às bordas de ataque dos ejetores de cauda (isto é, eixo transversal). Numa concretização, a totalidade de cada um dos ejetores de cauda 109, 110 é rotativa em torno de um eixo orientado perpendicularmente às bordas dianteiras dos ejetores de cauda.

[00034] Numa concretização, o gerador de fluido 104 inclui uma primeira região na qual a corrente de fluido está em temperatura baixa e uma segunda região na qual a corrente de fluido está em temperatura elevada. O pelo menos um duto frontal 111 proporciona fluido da primeira região para os ejetores frontais 105, 106, e o pelo menos um duto de cauda 112 proporciona fluido a partir da segunda região para os ejetores de cauda 109, 110.

[00035] Um elemento de aerofólio primário 115 é acoplado à porção de cauda 103. O elemento 115 está localizado diretamente a jusante dos ejetores frontais 105, 106, de tal modo que o fluido dos ejetores frontais flui sobre pelo menos uma superfície aerodinâmica do elemento de aerofólio primário. Numa concretização, o elemento de aerofólio primário 115 é uma asa fechada com borda de ataque 121 e borda de fuga 122, as bordas de ataque e de fuga da asa fechada definem a região interior 123. Os ejetores de cauda 109, 110 estão pelo menos parcialmente dispostos dentro da região interior 123 (isto é, entre a borda de ataque 121 e a borda de fuga 122) e são controlavelmente móveis (por exemplo, avanço, retração, etc.) dentro da região interior em relação ao elemento de aerofólio 115 Desse modo, um capô é formado pelo elemento de aerofólio primário 115 em torno dos ejetores de cauda 109, 110, que assim formam um macroejetor.

[00036] O veículo 100 inclui ainda a primeira e segunda asas canard 117, 118 acopladas à porção frontal 102 e, respectivamente, acopladas ao lado de estibordo e lado de bombordo. As asas canard 117, 118 estão configuradas para desenvolver camadas limite de ar ambiente que flui sobre as asas canard quando o veículo 100 está em movimento. As asas canard 117, 118 estão respectivamente localizadas diretamente a montante dos ejetores frontais 105, 106, de tal modo que os ejetores frontais são acoplados de modo fluido às camadas limítrofes. Os ejetores frontais 105, 106, respectivamente, incluem porções de entrada (isto é, bordas de ataque) 119, 120, e os ejetores frontais estão posicionados de tal modo que as camadas limítrofes são sugadas pelas porções de entrada.

[00037] FIG. 4 ilustra em vista explodida um veículo 400 de acordo com uma concretização alternativa. Em benefício da brevidade, os elementos ilustrados na FIG. 4 com características idênticas às suas contrapartes ilustradas nas FIGS. 1-3 são indicados usando o mesmo numeral de referência. O veículo 400 inclui um gerador de fluido 104, os ejetores de cauda 109, 110, um duto de cauda 112 para guiar os gases de escape pressurizados a quente para os ejetores de cauda e o esteio 401 de suporte do propulsor traseiro. O veículo 400 inclui ainda as asas canard 117, 118, o coletor de ar de sangria 402 e o duto frontal 111 que liga o coletor de ar de sangria à caixa de válvula de controle 403 com a válvula de controle do motor 404 que modula o fluxo de fluido para os ejetores frontais 105, 106 e equilibra a alimentação do fluxo primário entre os ejetores frontais. As linhas flexíveis 405 guiam o ar de sangria comprimido da caixa de válvula de controle 403 para os ejetores frontais 105, 106. Cada um dos ejetores frontais 105, 106 inclui a flange 406 e o motor 407 para girar os ejetores frontais em torno do eixo 408.

[00038] O veículo 400 inclui ainda o elemento de aerofólio primário 115 com superfícies de controle tais como lemes, elevons, elevadores, etc., um elemento de aerofólio de asa fechada adicional 409 e um elemento secundário de aerofólio de asa fechada 410. O elemento de aerofólio secundário 410 tem a borda dianteira localizada diretamente a jusante da estrutura de saída 113, 114 dos ejetores de cauda 109, 110, de modo que o fluido dos ejetores de cauda flui sobre uma superfície de pelo menos um elemento de aerofólio secundário. O veículo 400 inclui ainda a aleta central e o leme 124, o tanque transportador da porção de cauda 103, o gerador de fluido 104, controles, e a porção frontal 102.

[00039] A figura 5 ilustra um veículo 500 de acordo com uma concretização alternativa. Em benefício da brevidade, os elementos ilustrados na FIG. 5 com características idênticas às suas contrapartes ilustradas nas FIGS. 1-3 são indicados usando o mesmo numeral de referência. O veículo 500 inclui um sistema propulsor turbo-hélice com particular ênfase nas capacidades de decolagem e aterrissagem curtas (STOL). O veículo 500 inclui todas as características do veículo 100, com exceção dos ejetores de cauda 109, 110. Em vez disso, o veículo 500 inclui uma hélice 510 acionada por uma turbina (não mostrada), que por sua vez é alimentada pelo gerador de fluido 104. Uma concretização pode incluir o conjunto de suporte 520, tal como pernas ou outro dispositivo apropriado, que forneça suporte ao veículo 500 de tal modo que haja espaço e/ou distância suficiente entre a hélice 510 e a superfície de aterrissagem/decolagem quando o veículo 500 estiver em repouso. O conjunto de suporte 520 se estende de preferência a partir da porção de cauda 103 e é substancialmente paralelo ao corpo principal 101.

[00040] FIG. 6 ilustra a progressão (A-D) da decolagem para o voo em nível em relação a uma superfície de aterrissagem/decolagem 600 do veículo 100. Os ejetores frontais móveis 105, 106 podem ser responsáveis pelo ajuste fino da atitude do veículo 100 em voo até o voo em nível (cruzeiro). Um aspecto desta concretização é que os ejetores de cauda 109, 110, sendo maiores e empregando gases quentes como fluido primário, não precisam necessariamente girar para controlar a atitude, enquanto os ejetores frontais 105, 106, sendo menores e operando com gás mais frio a partir da descarga ou sangria do compressor, podem ser girados para manter a atitude e a altitude do veículo 100 e conduzir a sua orientação em voo para a posição e atitude desejadas. Os ejetores frontais 105, 106 podem então ser desligados a partir da válvula de controle central que fecha a porta de sangria e/ou retraída dentro da porção dianteira 102, o que permite que o gerador de fluido 104 opere na condição de estrangulamento (menos de 100% de velocidade) e ainda gerar gases quentes na parte de trás para alimentar os ejetores de cauda 109, 110 com fluido primário e válvula de sangria fechada. Aumento de 2:1 ainda é possível em voo nivelado, com pouca ou nenhuma contribuição da asa em caixa atuando como capô para o maior ou macroejetor formado pelos ejetores de cauda 109, 110 e próprio elemento de aerofólio 115.

[00041] O efeito vantajoso da combinação dos ejetores de cauda 109, 110, que produzem fluxo de ar de alta velocidade, com o elemento de aerofólio primário 115 para gerar aumento de empuxo adicional, é particularmente útil ao decolar em configuração tailsitter. Os ejetores de cauda 109, 110 tornam-se o bocal primário de um ejetor clássico. Em seguida, o elemento de aerofólio primário 115, juntamente com os ejetores de cauda 109, 110 formam um macroejetor que gera aumento de empuxo de aproximadamente 1,1-1,2 em comparação com os propulsores simples sem o capô. Os ejetores de cauda 109, 110 também podem produzir aumento de empuxo acima de 2, talvez próximo de 3:1. Assim, em vez de obter uma unidade de empuxo simplesmente usando dois turbojatos, obtém-se um aumento total de empuxo mínimo de 2 * 1,1 = 2,2 e até um máximo de 3 * 1,2 = 3,6 de fator de aumento, o que permite a decolagem de veículo mais pesado. À medida que se estabiliza para as condições de cruzeiro, os motores podem ser afogados de volta, e o aumento também diminui para igualar e superar o arrasto e impulsionar o veículo para frente em voo nivelado.

[00042] A FIG. 7 ilustra a metade superior de um motor turboeixo/turbopropulsor com destaques das estações do fluxo. A metade inferior contém o mesmo motor retirado do eixo e da turbina aciona o eixo (neste caso, turbina livre que aciona a hélice) e utiliza o gerador de gás para acionar o sistema de aumento de jato da concretização preferencial da presente invenção. A FIG. 7 mostra as alterações que seriam opcionalmente vantajosas para transformar um motor concebido como turboeixo num gerador de gás para o sistema de aumento de jato e realça a permutabilidade do sistema revelado.

[00043] Na FIG. 7, a configuração da hélice puxadora é mostrada na metade superior. Em contraste, uma concretização da presente invenção tem o eixo apontando para a direita, onde a hélice impulsora está localizada. A metade superior contém o compressor, o combustor e duas turbinas, uma conectada ao compressor e uma conectada à hélice por um eixo. A estação 2 representa a entrada de compressor; a estação de saída do compressor 3; a entrada do combustor 31; a saída de combustor 4; a primeira turbina (conectada e acionando o compressor) na entrada 41; a primeira saída da turbina 44; a entrada 45 para a turbina livre; a saída 5 da turbina livre, a saída 6 da turbina e a exaustão; e a exaustão (do sistema geral) 8. O sistema de sangria da estação 3 é utilizado nesta concretização como fluido motriz para os propulsores frontais do sistema. O restante do fluido de trabalho é usado pelo gerador de gás para acionar a turbina livre, que está extraindo potência para acionar a hélice. Na metade inferior, o sistema é despojado da turbina livre e do eixo (e, implicitamente, da hélice), mas todos os outros elementos permanecem os mesmos. O sistema é similar, com a primeira turbina acionando o compressor, exceto que a turbina livre é eliminada, o que permite que o sistema se torne um gerador de gás que produz na estação 44 a pressão total de 202.514 kP à temperatura total de 1248,65 Kelvin. Este fluxo de transporte de energia pode agora ser utilizado como fluido motriz para os ejetores de cauda 109, 110 do sistema de aumento de jato da concretização preferencial da presente invenção.

[00044] Outros geradores de gás podem ser projetados para produzir, em condições normais de operação, a relação de pressão de cerca de 2. Uma concretização da presente invenção pode resultar em razões de aumento que excedem 1,5 e várias concepções dos propulsores podem atingir a relação de aumento de 2,75:1, inclusive. Como tal, o sistema de aumento de jato desta concretização que opera nestas condições pode aumentar o empuxo em 1,4-3 vezes. Inversamente, o consumo específico de combustível é reduzido à medida que a mesma quantidade de combustível é usada para produzir as condições na estação 44, e 1,4 vezes mais empuxo é obtido do gás de escape nessa condição, usado como fluido motriz nos propulsores traseiro e dianteiro. Quando comparado com o consumo de combustível de pequenos turbojatos convencionais, tipicamente a 0,153 kg/h por N, o consumo de combustível específico com o sistema de aumento de jato divulgado é reduzido em 1,4 vezes, para cerca de 0,109 kg/h de combustível por cada N produzido. Uma ou mais concretizações mostram redução de até 2,0 vezes em comparação com o 0,153 kg/h de combustível original por N produzido, levando o sistema a um combustível de alto desempenho de 0,077 kg/h por cada N de empuxo produzido, sem o uso de turbina livre.

[00045] 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, se não 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.

[00046] 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 (14)

1. Veículo (400), caracterizado por: um corpo principal (101) tendo uma porção frontal (102), uma porção de cauda (103), um lado de estibordo e um lado de bombordo; um gerador de fluido (104) acoplado ao corpo principal (101) e produzindo um fluxo de fluido; pelo menos um duto frontal (111) acoplado de forma fluida ao gerador (104); pelo menos um duto de cauda (112) acoplado de forma fluida ao gerador (104); primeiro e segundo ejetores frontais (105, 106) fluidamente acoplados ao pelo menos um duto frontal (111), acoplados à porção frontal (102) e respectivamente acoplados aos lados estibordo e bombordo, os ejetores frontais (105, 106) respectivamente compreenderem estrutura de saída através da qual o fluido do pelo menos um duto frontal (111) flui a velocidade ajustável predeterminada; pelo menos um ejetor de cauda (109, 110) fluidamente acoplado ao pelo menos um duto de cauda (112) e acoplado à porção de cauda (103), o pelo menos um ejetor de cauda (109, 110) compreender estrutura de saída através da qual o fluido do pelo menos um duto de cauda (112) flui a velocidade ajustável predeterminada; e um elemento de aerofólio primário (115) com uma superfície, o elemento de aerofólio primário (115) se acopla à porção de cauda (103), a superfície do elemento de aerofólio primário (115) estar localizada diretamente a jusante do primeiro e segundo ejetores frontais (105, 106) de modo que o fluido do primeiro e segundo ejetores frontais (105, 106) flui sobre a superfície do elemento de aerofólio primário (115) ; caracterizado por o elemento de aerofólio primário (115) compreender uma asa fechada (409) tendo uma borda de ataque e uma borda de fuga, as bordas de ataque e de fuga da asa fechada (409) definindo uma região interior.

2. Veículo (400), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por: o fluxo de fluido produzido pelo gerador (104) ser o único meio de propulsão do Veículo (400).

3. Veículo (400), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por: adicionalmente, compreender no mínimo um elemento do aerofólio secundário (410) tendo uma superfície e ser acoplado ao corpo principal (101), a borda de ataque do pelo menos um elemento de aerofólio secundário (410) estar localizada diretamente a jusante da estrutura de saída do pelo menos um ejetor de cauda (109, 110) de modo que o fluido do pelo menos um ejetor de cauda (109, 110) flui sobre a superfície do pelo menos um elemento de aerofólio secundário (410) .

4. Veículo (400), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por: pelo menos um ejetor de cauda (109, 110) ter borda de ataque e ser totalmente rotativo em torno de um eixo orientado paralelamente à borda de ataque.

5. Veículo (400), caracterizado por: corpo principal (101) com porção frontal (102), porção de cauda (103), lado de estibordo e lado de bombordo; gerador de fluido (104) acoplado ao corpo principal (101) e produzindo fluxo de fluido; pelo menos um duto frontal (111) acoplado de forma fluida ao gerador (104); pelo menos um duto de cauda (112) acoplado de forma fluida ao gerador (104); primeiro e segundo ejetores frontais (105, 106) fluidamente acoplados ao pelo menos um duto frontal (111), acoplados à porção frontal (102) e respectivamente acoplados aos lados estibordo e bombordo, os ejetores frontais (105, 106) respectivamente compreenderem estrutura de saída através da qual o fluido do pelo menos um duto frontal (111) flui a velocidade ajustável predeterminada; e elemento de aerofólio primário (115) com superfície, o aerofólio primário (115) estar acoplado à porção de cauda (103), a superfície do elemento de aerofólio primário (115) estar localizada diretamente a jusante dos primeiro e segundo ejetores frontais (105, 106) de modo que o fluido dos ejetores frontais (105, 106) flui sobre a superfície do elemento do aerofólio primário (115); caracterizado por o veículo (500) compreender ainda pelo menos uma hélice (510) acoplada de forma fluida ao pelo menos um duto de cauda (112) e acoplada à porção de cauda (103); e o elemento de aerofólio primário (115) compreende uma asa fechada (409) tendo uma borda de ataque e uma borda de fuga, as bordas de ataque e fuga da asa fechada (409) definindo uma região interna.

6. Veículo (400, 500), de acordo com a reivindicação 1 ou 5, caracterizado por: compreender, adicionalmente, primeira e segunda asas de configuração canard acopladas à porção frontal (102) e, respectivamente, acopladas aos lados estibordo e bombordo, as asas de configuração canard serem específicas para desenvolver camadas limítrofes de ar ambiente que flui sobre elas quando o Veículo (400, 500) está em movimento e respectivamente localizadas diretamente a montante dos primeiro e segundo ejetores frontais (105, 106), de modo que estes estejam acoplados de forma fluida às camadas limítrofes.

7. Veículo (400, 500), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por: o primeiro e o segundo ejetores frontais (105, 106) compreenderem respectivamente a primeira e a segunda porções de entrada, e o primeiro e o segundo ejetores frontais (105, 106) estarem posicionados de modo que as camadas limítrofes sejam sugadas pelas porções de entrada.

8. Veículo (400, 500), de acordo com a reivindicação 1 ou 5, caracterizado por: o gerador de fluido estar localizado no corpo principal (101).

9. Veículo (400, 500), de acordo com a reivindicação 1 ou 5, caracterizado por: o primeiro e o segundo ejetores frontais (105, 106) terem ambos borda de ataque e a totalidade de cada um dos primeiro e segundo ejetores frontais (105, 106) ser rotativa em torno de um eixo orientado paralelamente à borda de ataque.

10. Veículo (400, 500), de acordo com a reivindicação 1 ou 5, caracterizado por: pelo menos um ejetor de cauda (109, 110) ou pelo menos um propulsor (510) estar no mínimo parcialmente disposto dentro da dita região interior.

11. Veículo (400, 500) de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por: o ejetor ser móvel de forma controlável dentro da região interior.

12. Veículo (400,500), de acordo com a reivindicação 1 ou 5, caracterizado por: a asa fechada (409) compreender adicionalmente uma pluralidade de superfícies de controle.

13. Veículo (400, 500), de acordo com a reivindicação 1 ou 5, caracterizado por: o gerador de fluido (104) compreender uma primeira região na qual o fluxo de fluido esteja em temperatura baixa e uma segunda região na qual o fluxo de fluido esteja em temperatura elevada; o pelo menos um duto frontal (111) fornecer fluido da primeira região para os primeiro e segundo ejetores frontais (105, 106); e o pelo menos um duto de cauda (112) fornecer fluido da segunda região para a turbina acoplada ao pelo menos um ejetor de cauda (109, 110) ou o pelo menos um propulsor (510).

14. Veículo (500), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por: adicionalmente compreender um conjunto de suporte que se estende desde a porção de cauda (103) paralelamente ao corpo principal (101) .