BR112019026384A2 - configurações de ejetor de winglet - Google Patents

Abstract

Um sistema ejetor para impulsionar um veículo. O sistema inclui uma estrutura de difusão e um duto acoplado à estrutura de difusão. O duto inclui uma parede com aberturas formadas através da mesma e configuradas para introduzir na estrutura difusora um fluido primário produzido pelo veículo. Um aerofólio é posicionado dentro do fluxo do fluido primário através das aberturas para a estrutura de difusão.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: “CONFIGURAÇÕES DE EJETOR DE WINGLET”

AVISO DE DIREITOS AUTORAIS

[0001] Esta divulgação está protegida pelas leis dos Estados Unidos e pelas leis internacionais de direitos autorais. O 2017 Jetoptera. Todos os direitos reservados. Uma parte da divulgação deste documento de patente contém material sujeito à proteção de direitos autorais. O proprietário dos direitos autorais não se opõe à reprodução via fax do documento de patente ou da divulgação da patente por qualquer pessoa, como aparece no arquivo ou nos registros do Escritório de Patentes e Marcas, mas, de outro modo, reserva todos os direitos autorais.

REIVINDICAÇÃO DE PRIORIDADE

[0002] Este pedido reivindica prioridade do Pedido US 15/625,907, apresentado em 16 de junho de 2017, cuja divulgação completa é por este meio incorporada como referência, conforme aqui estabelecido.

ANTECEDENTES

[0003] Aeronaves que podem pairar, decolar e pousar verticalmente são comumente referidas como Aeronaves de Decolagem e Aterrissagem Verticais (VTOL) . Essa classificação inclui aeronaves de asa fixa, bem como helicópteros e aeronaves com rotores acionados por inclinação. Algumas aeronaves VTOL também podem operar em outros modos, como Decolagem e Aterrissagem Curtas (STOL). VTOL é um subconjunto de V/STOL (Decolagem e Aterrissagem Verticais e/ou Curtas).

[0004] Para fins ilustrativos, um exemplo de uma aeronave atual que possui capacidade de VTOL é o F-35 Lightning. Os métodos convencionais de vetorização do fluxo de ar de elevação vertical incluem o uso de bocais que podem ser girados em uma única direção, juntamente com o uso de dois conjuntos de ventoinhas de abas planas dispostas 90 graus entre si e localizadas no bocal externo. O sistema de propulsão do F-35 Lightning, da mesma forma, fornece força de elevação vertical usando uma combinação de impulso vetorial do motor da turbina e um ventilador de elevação orientado verticalmente. O ventilador de elevação está localizado atrás do assento do piloto em um compartimento com portas superior e inferior em concha. O motor dá a partida através de um bocal giratório de três rolamentos que pode desviar o impulso da horizontal para a vertical. Os dutos de controle do rolo se estendem em cada asa e são abastecidos com seu impulso com o ar do ventilador do motor. O controle de inclinação é afetado pela divisão do ventilador de elevação/impulso do motor. O controle de guinada é dado através do movimento de guinada do bocal giratório do motor. O controle da rolagem é provido abrindo e fechando diferencialmente as aberturas nas extremidades dos dois dutos de controle de rolagem. O ventilador de elevação possui um bocal telescópico em forma de "D" para fornecer deflexão de impulso para a frente e para trás. O bocal em D fixou as ventoinhas na abertura de saída.

[0005] O projeto de uma aeronave ou drone geralmente consiste em seus elementos propulsores e na estrutura da aeronave na qual esses elementos são integrados. Convencionalmente, o dispositivo propulsor nas aeronaves pode ser um turbojato, turbofan, turboélice ou eixo de turbina, motor de pistão ou um motor elétrico equipado com uma hélice. O sistema propulsivo (propulsor) em pequenos veículos aéreos não tripulados (UAVsS) é convencionalmente um motor de pistão ou um motor elétrico que fornece energia através de um eixo a uma ou várias hélices. O propulsor para uma aeronave maior, seja ele tripulado ou não, é tradicionalmente um motor a jato ou um turboélice. O propulsor é geralmente fixado à fuselagem ou ao corpo ou às asas da aeronave através de postes ou suportes capazes de transmitir a força à aeronave e sustentar as cargas. O jato misto emergente (efluxo de jato) de ar e gases é o que impulsiona a aeronave na direção oposta ao fluxo do efluxo de jato.

[0006] Convencionalmente, o efluxo da corrente de ar de uma hélice grande não é usado para fins de elevação em voc nivelado e, portanto, uma quantidade significativa de energia cinética não é utilizada para o benefício da aeronave, a menos que seja girada como em algumas das aplicações existente hoje (a saber, o Bell Boeing V-22 Osprey). Em vez disso, o levantamento na maioria das aeronaves existentes é criado pelas asas e cauda. Além disso, mesmo naquelas aplicações específicas de VTOL (por exemplo, decolagem durante a transição para o voo nivelado encontradas no Osprey, o levantamento causado pela própria hélice é mínimo durante o voo nivelado e, no entanto, a maior parte da força de elevação é das asas.

[0007] O atual estado da arte para criar sustentação em uma aeronave é gerar um fluxo de ar de alta velocidade sobre as asas e seus elementos, que geralmente são aerofólios. Os aerofólios são caracterizados por uma linha de corda estendida principalmente na direção axial, de uma aresta principal a uma aresta de fuga do aerofólio. Com base no ângulo de ataque formado entre o fluxo de ar incidente e a corda, e de acordo com os princípios da geração de elevação do aerofólio, o ar com menor pressão está fluindo sobre o lado de sucção (superior) e, inversamente, pela lei de Bernoulli, movendo-se em velocidades mais altas do que o lado inferior (lado da pressão). Quanto menor a velocidade do ar da aeronave, menor a força de sustentação e maior área de superfície da asa ou maiores ângulos de incidência, incluindo a decolagem.

[0008] UAVS grandes não fazem exceção a esta regra. A elevação é gerada projetando um aerofólio de asa com o ângulo de ataque, corda, envergadura e linha de curvatura apropriados. Abas, fendas e muitos outros dispositivos são outras ferramentas convencionais usadas para maximizar a sustentação por meio de um aumento do coeficiente de sustentação e da área de superfície da asa, mas gerará a sustentação correspondente à velocidade do ar da aeronave. (O aumento da área (S) e do coeficiente de sustentação (Cx1) permite que uma quantidade semelhante de sustentação seja gerada em uma velocidade do ar (VOO) mais baixa da aeronave, de acordo com a fórmula L = * pVºSCr., mas ao custo de maior resistência e peso.) Essas técnicas atuais também apresentam um desempenho ruim, com uma queda significativa na eficiência em condições com ventos fortes.

[0009] Embora UAVS menores possam usar o impulso gerado por hélices para levantar o veículo, a tecnologia atual depende estritamente do controle das velocidades do motor elétrico, e o UAV menor pode ou não ter a capacidade de girar os motores para gerar impulso e levante ou faça 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 potência e hélices grandes, que podem ser eficientes em pairar, mas ineficientes em voos nivelados e criar dificuldades e perigos ao operar devido à ponta em movimento das lâminas. A maioria dos quadratores atuais e outros veículos aéreos elétricos são capazes apenas de períodos muito curtos de voo e não conseguem levantar ou transportar grandes cargas com eficiência, pois o peso do sistema do motor elétrico e da bateria já excede 70% do peso do veículo. Um veículo semelhante usando combustível de aviação ou qualquer outro combustível de hidrocarboneto, normalmente usado no transporte, transportará mais combustível utilizável em pelo menos uma ordem de magnitude. Isso pode ser explicado pela densidade de energia muito mais alta do combustível de hidrocarboneto em comparação com os sistemas de bateria (pelo menos uma ordem de grandeza), bem como a relação de menor peso/peso total do veículo de um sistema baseado em combustível de hidrocarboneto.

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

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[00011] A Figura 1 é uma seção transversal de uma modalidade da presente invenção, que representa a metade superior de um ejetor e perfis de velocidade e temperatura dentro do fluxo interno;

[00012] A Figura 2 ilustra características das superfícies do ejetor da Figura 1 de acordo com uma modalidade;

[00013] As Figuras 3-4 ilustram vistas em perspectiva parciais das estruturas de admissão de acordo com uma ou mais modalidades;

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[00014] Este pedido destina-se a descrever uma ou mais modalidades da presente invenção. Deve ser entendido que o uso de termos absolutos, como "deve", "irá" e similares, bem como quantidades específicas, deve ser interpretado como aplicável a uma ou mais dessas modalidades, mas não necessariamente a todas essas modalidades. Como tal, modalidades da invenção podem omitir ou incluir uma modificação de uma ou mais características ou funcionalidades descritas no contexto de tais termos absolutos. Além disso, os títulos deste pedido são apenas para fins de referência e não afetarão de forma alguma o significado ou a interpretação da presente invenção.

[00015] Uma modalidade da presente invenção inclui um propulsor que utiliza fluidos para o arrastamento e aceleração do ar ambiente e fornece um efluxo de jato de alta velocidade de uma mistura do gás de alta pressão (fornecido ao propulsor a partir de um gerador de gás) e ar ambiente arrastado. Em essência, este objetivo é alcançado descarregando o gás adjacente a uma superfície convexa. A superfície convexa é uma superfície chamada Coanda, que se beneficia do efeito Coanda descrito na Patente Norte- americana US 2,052,869, emitida para Henri Coanda em 1º de setembro de 1936. Em princípio, o efeito Coanda é a tendência do gás ou líquido emitido a jato de viajar perto de um contorno de parede, mesmo que a direção da curvatura da parede esteja longe da eixo do jato. As superfícies convexas de Coanda discutidas aqui em relação a uma ou mais modalidades não precisam consistir em nenhum material específico.

[00016] A Figura 1 ilustra uma seção transversal da metade superior de um ejetor 200 que pode ser anexado a um veículo (não mostrado), como, para exemplos não limitativos, um UAV ou um veículo aéreo tripulado, como um avião. Um duto, como o plenum 211, é fornecido com ar mais quente que o ambiente (isto é, uma corrente de gás motriz pressurizada) de, por exemplo, um motor à base de combustão que pode ser empregado pelo veículo. Este fluxo de gás motivado pressurizado, indicado pela seta 600, é introduzido através de pelo menos um conduíte, 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 para uma velocidade desejada predeterminada variável diretamente sobre uma superfície convexa de Coanda 204 como um jato de parede. Além disso, os bocais primários 203 fornecem volumes ajustáveis da corrente de fluido 600. Este jato de parede, por sua vez, serve para arrastar através de um fluido secundário da estrutura de admissão 206, como o ar ambiente indicado pela seta 1, que pode estar em repouso ou se aproximando do ejetor 200 a uma velocidade diferente de zero da direção indicada pela seta

1. Em várias modalidades, os bocais 203 podem ser dispostos em uma matriz e em uma orientação curva, uma orientação em espiral e/ou uma orientação em ziguezague.

[00017] A mistura da corrente 600 e do ar 1 pode se mover de modo puramente axial na seção de estreitamento 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 não têm mais os valores alto e baixo presentes na seção da estreitamento 225, mas tornam-se mais uniformes na extremidade terminal 100 do difusor 210. Como a mistura da corrente 600 e o 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 aerofólio, como uma asa ou superfície de controle.

[00018] Em uma modalidade, e conforme melhor ilustrado na Figura 2, bocais secundários geradores de vórtice 205 em forma de V são escalonados quando comparados a um bocal primário retangular 203 e injetam pelo menos 25% da corrente total de fluido 600 antes que o equilíbrio do fluxo de massa da corrente de fluido seja injetado no momento seguinte pelos bocais 203. Essa injeção pelos bocais 205 anteriores à dos bocais 203 resulta em uma taxa de arrastamento mais alta o suficiente para aumentar significativamente o desempenho do ejetor 200. Os bocais secundários 205 introduzem um arrastamento mais favorável do fluxo secundário via camadas de cisalhamento e são escalonados tanto axial e circunferencialmente em relação aos bocais primários 203.

[00019] Os bocais primários 203 podem incluir um aerofólio, como uma estrutura delta 226, que é fornecida com uma perna de suporte 227 conectada ao ponto médio da estrutura do bocal primário 203 no seu lado mais interno, com uma estrutura de asa delta vértice apontando contra o fluxo da corrente 600 do fluido para maximizar O arrastamento. Isso, por sua vez, gera dois vórtices opostos em direção ao centro da asa delta 226 e arrastando fortemente de ambos os lados do bocal primário 203 a mistura já arrastada de fluxos de fluido primário e secundário resultantes dos bocais 205. A perna de suporte 227 pode, em uma modalidade, servir como um elemento de acionamento capaz de fazer vibrar a estrutura 226.

[00020] Além disso, uma modal idade melhora a superfície para atraso na separação de fluxo por meio de elementos como sulcos 221 colocados na superfície Coanda

204. Os sulcos 221 impedem a separação do fluxo e melhoram significativamente o desempenho do ejetor 200. Além disso, as superfícies do difusor 210 (ver Figura 1) também podem incluir ondulações 222 e/ou outros elementos que atrasam ou impedem a separação da camada limite.

[00021] Outras modalidades da invenção podem empregar estruturas diferentes da asa delta 226 para melhorar o arrastamento e a fixação do fluxo produzido através dos bocais 203.

[00022] Por exemplo, uma abordagem pode empregar termoforese na qual um fluido frio é disponibilizado para resfriar a superfície 204, onde a propensão à separação em altas velocidades é maior. Ao resfriar várias regiões da superfície 204, o fluido motriz quente é desviado para a porção fria da superfície 204 através da força da termoforese. Numa modalidade, o vazamento de ar da descarga do compressor de um motor a jato que atua como um gerador de gás é direcionado para um sistema de canal interno (não mostrado) do ejetor 200, que permite o resfriamento de pontos quentes onde a separação ocorre. Uma diferença típica de temperatura varia de 100F não refrigerada a 500F (a temperatura de fluxo quente de um bocal 203 é 1200 e a temperatura da parede é reduzida a 700F).

[00023] Outra abordagem pode empregar eletroforese na qual elementos (não mostrados) embutidos na superfície 204 geram um campo local que melhora a fixação de fluido e atrasa ou elimina a separação. A fonte de corrente para esses elementos pode ser fornecida por uma bateria ou um gerador acoplado ao gerador de gás principal do veículo.

[00024] Outra abordagem pode empregar plasma de maneira semelhante à eletroforese e no uso de campos elétricos, embora neste caso atue em grandes altitudes onde a geração de plasma consome menos energia. Elementos colocados especialmente (não mostrados) podem melhorar a fixação e eliminar a separação.

[00025] Ainda outra abordagem pode reduzir ou aumentar mecanicamente a altura dos bocais 203. Ao reduzir a altura da parede, é possível aumentar a velocidade local. Isso pode ser conseguido curvando a porção de entrada dos canais individuais onde o fluxo quente é guiado do plenum para os bocais 203 e manipulando o fluxo dessa maneira.

[00026] Em uma modalidade, a estrutura de entrada 206 pode ser circular na configuração. No entanto, em diversas modalidades, e conforme mais bem mostrado nas Figuras 3-4, a estrutura de admissão 206 pode ser não circular e, de fato, assimétrica (isto é, não idêntica em ambos os lados de pelo menos um, ou alternativamente qualquer outro dado avião, dividindo a estrutura de admissão). Por exemplo, como mostrado na Figura 3, a estrutura de entrada 206 pode incluir primeira e segunda arestas opostas 301, 302, em que a segunda aresta oposta inclui uma porção curva que se projeta em direção à primeira aresta oposta. Como mostrado na Figura 4, a estrutura de entrada 206 pode incluir a primeira e a segunda bordas opostas laterais 401, 402, em que a primeira borda oposta lateral tem um raio de curvatura maior que a segunda borda oposta lateral.

[00027] Embora o texto anterior estabeleça uma descrição detalhada de inúmeras modalidades diferentes, deve-se entender que o escopo de proteção é definido pelas palavras das reivindicações a seguir. A descrição detalhada deve ser interpretada apenas como exemplo e não descreve todas as modalidades possíveis, porque descrever todas as modalidades possíveis seria impraticável, se não impossível. Numerosas modalidades alternativas poderiam ser implementadas, usando a tecnologia atual ou a tecnologia desenvolvida após a data de depósito desta patente, que ainda estaria dentro do escopo das reivindicações.

[00028] Assim, muitas modificações e variações podem ser feitas nas técnicas e estruturas descritas e ilustradas neste documento sem se afastar do espírito e do escopo das presentes reivindicações. Por conseguinte, deve ser

Claims (1)

1. entendido que os métodos e aparelhos aqui descritos são apenas ilustrativos e não se limitan ao escopo das reivindicações.