BRPI0612018A2

BRPI0612018A2 - aparelho para gerar forças horizontais em veìculos aéreos e método afim

Info

Publication number: BRPI0612018A2
Application number: BRPI0612018-0A
Authority: BR
Inventors: Raphael Yoeli
Original assignee: Urban Aeronautics Ltd
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2010-10-13
Also published as: JP2008542128A; US20070095971A1; WO2006131920A2; WO2006131920A3; EP1888402A2; CA2610851A1; US7717368B2

Abstract

APARELHO PARA GERAR FORçAS HORIZONTAIS EM VEìCULOS AéREOS E MéTODO AFIM. A presente invenção refere-se a um veículo que compreende uma carcaça de veículo, um duto conduzido pela carcaça de veículo com o eixo longitudinal do duto perpendicular ao eixo longitudinal da carcaça de veículo, uma hélice giratoriamente montada dentro do duto em torno do eixo longitudinal do duto para forçar um fluido ambiente através de uma entrada na extremidade superior do duto através de uma saída na extremidade inferior do duto, e assim produzir uma força de suspensão ascendente aplicada ao veículo, uma primeira pluralidade de pás espaçadas substancialmente paralelas não-pivotavelmente montadas através pelo menos da extremidade de entrada do duto, e um meio fluídico para afetar o fluxo de fluido ambiente em torno das pás para gerar componentes de força horizontal para a força de suspensão aplicada ao veículo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHOPARA GERAR FORÇAS HORIZONTAIS EM VEÍCULOS AÉREOS E MÉTODO AFIM".

PEDIDO DE PATENTE AFIM

Este pedido de Patente reivindica prioridade do Pedido de Pa-tente Provisório No. 60/687.857, depositado em 7 de junho de 2005, a totali-dade do qual é aqui incorporada para referência.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a veículos providos de ventiladorde duto e, mais particularmente, a tais veículos úteis como aeronaves VTOL(Decolagem e Pouso Verticais).

Foram propostos muitos tipos diferentes de aeronave VTOL on-de o peso do veículo em suspensão é sustentado diretamente por rotores ouhélices, com o eixo de rotação perpendicular ao chão. Um veículo bem-conhecido deste tipo é o helicóptero convencional que inclui um rotor grandemontado acima da fuselagem do veículo. Outros tipos de veículos contamcom hélices que são instaladas dentro de cavidades circulares, capuzes,dutos ou outros tipos de nacelas, onde a hélice ou o rotor não fica exposto eonde o fluxo de ar acontece dentro de um duto circular. A maioria dos dutosapresenta seções transversais uniformes com a área de saída (geralmenteno fundo do duto, quando o veículo estiver suspenso) que são similares à-quela da área de entrada (no topo do duto). Alguns dutos, contudo, são ligei-ramente divergentes, apresentando uma área de saída que é maior do que aárea de entrada, visto que isto foi considerado como aumentando a eficiên-cia e reduzindo a potência exigida por unidade de levantamento para umdeterminado diâmetro de entrada. Alguns dutos apresentam um bordo deentrada largo a fim de aumentar o empuxo obtido, especialmente em sus-pensão.

Os veículos VTOL são geralmente mais desafiadores do queaeronaves de asa fixa em termos da estabilidade e controle. A dificuldadeprincipal surge do fato de que, contrário às aeronaves de asa fixa que acele-ram no chão até que a velocidade do ar suficiente seja conseguida em suassuperfícies de vôo, os veículos VTOL são suspensos com velocidade de ardianteira às vezes zero. Para estes veículos, o controle conta com a utiliza-ção dos rotores ou das hélices propriamente ditas, ou o fluxo do ar que elasproduzem para criar forças e momento de controle e forças em torno do cen-tro de gravidade do veículo (CG).

Um método que é muito comum em helicópteros é o de mecani-camente mudar, por meio de comando do piloto, o passo das lâminas derotor giratórias, tanto coletivamente quanto ciclicamente, e o de modificar oempuxo principal, bem como momentos e/ou inclinação da linha de empuxoda hélice que a hélice ou o rotor exerce sobre o veículo. Alguns veículosVTOL que usam hélices instaladas dentro de duto ou outras hélices que sãomontadas dentro do veículo também empregam este método de controle.Alguns projetistas escolhem mudar apenas o ângulo de todas as lâminasusando hélices instaladas dentro de duto ou outras hélices que são monta-das dentro do veículo para este método de controle. O ângulo de todas aslâminas pode ser mudado simultaneamente (denominado de controle coleti-vo) para impedir uma maior complexidade de mudança do ângulo de cadalâmina individualmente (denominado de controle cíclico). Nos veículos usan-do múltiplos ventiladores que são localizados relativamente longe do CG,diferentes ajustes de controle coletivo podem ser usados em cada ventiladorpara produzir os momentos de controle desejados.

A desvantagem de se usar controles coletivos, e especialmentecontroles cíclicos, está em sua maior complexidade, em seu peso e em seucusto. Por isso, uma unidade de empuxo simples que é também capaz degerar momentos e forças laterais, enquanto ainda mantém um rotor simplesque não precisa de mudanças cíclicas de ângulo de passo de lâmina, apre-senta uma vantagem sobre a solução mais complexa. O problema principal égeralmente a criação de momentos rotacionais de magnitude suficiente exi-gida para controle.

Uma maneira tradicional de se criar momentos nos ventiladoresde duto é o de montar um número discreto de pás na seção de saída do dutoou ligeiramente abaixo desta. Estas pás, que são imersas no fluxo que saido duto, podem ser defletidas para criar uma força lateral. Uma vez que ocentro de gravidade do veículo está, na maioria dos casos, em uma distânciaacima destas pás, a força lateral nas pás também cria um momento em tor-no do CG do veículo.

Entretanto, um problema associado com pás montadas na saídado duto na disposição comum, conforme descrito acima, é o de que mesmoque estas sejam capazes de criar um certo momento na direção desejada,elas não poderão fazê-lo sem simultaneamente criar uma força lateral signi-ficativa que tem um efeito secundário indesejado no veículo. Para tais pásmontadas abaixo do CG do veículo (que é o caso predominante nos veículospráticos VTOL), estas forças laterais fazem com que o veículo acelere emdireções que são geralmente contraproducentes para o resultado desejadoatravés da geração dos momentos pelas mesmas pás, limitando assim suautilidade em tais veículos.

O veículo aéreo VZ-6 VTOL da Chrysler usa pás no lado de saí-da do duto, juntamente com um pequeno número de asas muito grandesmontadas fora e acima da área de entrada do duto.

Entretanto, no veículo aéreo VZ-6, a única asa e as pás distintasforam usadas unicamente para fins de criação de uma força propulsora dian-teira constante e invariável, e não para criar momentos de controle variadoscomo parte do sistema de estabilidade e controle do veículo.

O veículo não tripulado Hornet desenvolvido pela AD&D tambémfoi experimentado com o uso ou de uma única asa grande móvel montadafora e acima da entrada ou, alternativamente, com o uso de um pequenonúmero de pás próximo do lado de entrada. Entretanto, estas foram fixadasem ângulo e poderiam não ser movidas no vôo.

Outro caso que é, às vezes, verificado é o de pás instaladas ra-dialmente a partir do centro do duto para fora, para a finalidade de criar mo-mentos de guinada (em torno do eixo da hélice).

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção apresenta um veículo com um sistema depropulsão de ventilador de duto que também produz momentos giratórios eforças laterais para fins de controle. Um veículo do tipo anterior é particular-mente útil como uma aeronave VTOL.

De acordo com um amplo aspecto da presente invenção, é pro-vido um veículo que compreende uma carcaça de veículo, um duto conduzi-do pela carcaça de veículo com o eixo longitudinal do duto perpendicular aoeixo longitudinal da carcaça de veículo, uma hélice giratoriamente montadadentro do duto em torno do eixo longitudinal do duto para forçar um fluidoambiente através do mesmo a partir de sua entrada na extremidade superiordo duto através de sua saída na extremidade inferior do duto, para produzirassim uma força de suspensão ascendente aplicada ao veículo, e uma plu-ralidade de pás espaçadas montadas na extremidade de entrada do duto eatravés desta em torno dos eixos pivotais perpendiculares ao eixo longitudi-nal do duto e seletivamente operacionais para produzirem uma força de con-trole horizontal desejada além da força de suspensão aplicada ao veículo.

Foi descoberto que tal veículo equipado com uma pluralidade detais pás montadas através da entrada do duto (conforme mostrado a partirda extremidade de saída do duto) pode certamente produzir uma combina-ção de forças laterais com momento rotacional que é favorável ao controlenormal do veículo. Também foi considerado que tais pás através da extremi-dade de entrada do duto, particularmente quando combinadas com uma se-gunda pluralidade de pás através da extremidade de saída do duto, podemproduzir movimentos de translação dianteiro, traseiro, esquerdo e direito de-sejados, bem como movimentos giratórios de guinada, de arfagem e de ma-nobra do veículo.

Em algumas concretizações preferidas descritas, as pás sãosubstancialmente paralelas ao eixo longitudinal da carcaça do veículo.

É descrita outra concretização na qual as pás incluem um pri-meiro grupo de pás paralelas se estendendo através de uma metade da en-trada do duto e pivotais em torno dos eixos em um ângulo agudo predeter-minado com relação ao eixo longitudinal da carcaça do veículo, e um segun-do grupo de pás paralelas se estendendo através da metade restante daextremidade de entrada do duto e pivotais em torno dos eixos no ângulopredeterminado, mas na direção oposta, com relação ao eixo longitudinal dacarcaça do veículo, os primeiro e segundo grupos de pás sendo seletiva-mente operacionais para produzir uma força de controle líquida desejadaalém da força de suspensão aplicada ao veículo.

De acordo com as características adicionais nas concretizaçõespreferidas descritas, as pás apresentam uma forma de aerofólio simétricaou, alternativamente, uma forma de aerofólio ligeiramente não-simétrica, esão espaçadas entre si a uma distância substancialmente na faixa de entre50% e 100% do comprimento da corda das pás.

Em uma concretização preferida descrita, cada das pás é pivo-tavelmente montada como uma unidade para seu comprimento completopara produzir um componente de força lateral desejado. Em uma segundaconcretização descrita, cada das pás é dividida em duas metades, cada me-tade de todas as pás sendo separadamente pivotal a partir da outra metadede todas as pás, por meio do que a força do componente com relação à for-ça de suspensão aplicada ao veículo é uma força de momento giratório emtorno do eixo longitudinal do duto.

São descritas outras concretizações nas quais, em um caso, ca-da das pás é pivotavelmente montada em torno de um eixo que passa atra-vés da pá, e, em outro caso, cada das pás inclui uma seção fixa e uma se-ção pivotal pivotavelmente montada no lado traseira da seção fixa.

De acordo com as características adicionais em algumas concre-tizações descritas, o duto inclui uma segunda pluralidade de pás espaçadasparalelas pivotavelmente montadas na extremidade de entrada do duto eatravés da mesma em torno de eixos perpendiculares aos eixos pivotais daprimeira pluralidade mencionada de pás e perpendiculares ao eixo longitudi-nal do duto.

Em uma concretização preferida descrita, os eixos pivotais dasegunda pluralidade de pás estão em um plano verticalmente espaçado doseixos pivotais da primeira pluralidade de pás mencionada, ao passo que, emuma segunda concretização descrita, os eixos pivotais da segunda plurali-dade de pás estão em um plano comum com aquele dos eixos pivotais daprimeira pluralidade de pás mencionada. Com relação à última concretiza-ção, pode ser desejável ter um ligeiro deslocamento nos dois planos a fim dedeslocar a montagem pivotal das pás, mas, em tal caso, o deslocamentoseria relativamente pequeno, por exemplo, menor do que um comprimentode corda.

É descrita outra concretização onde o duto inclui uma segundapluralidade de pás espaçadas pivotavelmente montadas na extremidade desaída do duto e através da mesma em torno de eixos pivotais perpendicula-res ao eixo longitudinal do duto e seletivamente pivotais em torno de seuseixos para produzir outra força de controle lateral desejada ou força de con-trole de momento giratório, além da força de suspensão aplicada ao veículo.

Enquanto a invenção foi descrita acima particularmente com re-lação a pás pivotavelmente montadas, será apreciado que a invenção ouvários aspectos da invenção, conforme descrito, podem também ser vanta-josamente usados, quando descritos com pás não-pivotais.

Tais pás não-pivotais podem empregar um meio aerodinâmicoque não a rotação para modificar o campo de pressão em torno das pás pa-ra criar uma força lateral, tal como sucção de ar ou sopro através de orifíciosna superfície das pás ou atuadores piezelétricos ou outro meio de controlefluídico para induzir mudanças de campo de pressão constantes ou periódi-cas ao fluxo em torno das pás, tudo com a finalidade de produzir uma forçade controle lateral desejada ou uma força de controle de momento giratório,além da força de suspensão aplicada ao veículo.

Por isso, de acordo com um amplo aspecto da presente inven-ção, é provido um veículo que compreende uma carcaça do veículo, um dutoconduzido pela carcaça do veículo com o eixo longitudinal do duto perpendi-cular ao eixo longitudinal da carcaça do veículo, uma hélice giratoriamentemontada dentro do duto em torno do eixo longitudinal do duto para forçar umfluido ambiente através de sua entrada na extremidade superior do duto a-través de sua saída na extremidade inferior do duto, para assim produziruma força de suspensão ascendente aplicada ao veículo, e uma pluralidadede pás espaçadas paralelas de seção transversal na forma de aerofólio ouseção transversal elíptica, ou de qualquer outra forma, conforme exigido,para facilitar a operação da pá, que é não-pivotavelmente montada na ex-tremidade de entrada do duto e através da mesma em torno e substancial-mente paralela ao dito eixo longitudinal da carcaça do veículo, as ditas pássendo operativas para poderem afetar o dito fluido ambiente através da suc-ção ou sopro de ar através de orifícios na superfície das pás ou atuadorespiezelétricos ou outro meio de controle fluídico para induzir mudanças decampo de pressão constantes ou periódicas para o fluxo em torno das pás,tudo com a finalidade de produzir uma força de controle lateral desejada ouuma força de controle de momento giratório, além da força de suspensãoaplicada ao veículo.

Tal veículo equipado com uma pluralidade de tais pás não-pivotais montadas através da entrada do duto (conforme distinguido da ex-tremidade de saída do duto) pode certamente produzir uma combinação deforças laterais com momento rotacional que é favorável ao controle normaldo veículo. Também foi considerado que as pás de produção de força lateralatravés da extremidade de entrada do duto, particularmente quando combi-nadas com uma segunda pluralidade de pás através da extremidade de saí-da do duto, podem produzir movimentos de translação dianteiro, traseiro,esquerdo e direito desejados, bem como movimentos giratórios de guinada,de arfagem e de manobra do veículo.

Todas as várias concretizações diferentes da invenção descritaaqui com pás pivotais ou parcialmente pivotais poderão ser vantajosamenteusadas quando as pás pivotais forem substituídas por pás não-pivotais coma operação, conforme descrito acima.

Enquanto a invenção foi descrita acima particularmente com re-lação a pás pivotavelmente ou não-pivotavelmente montadas, será aprecia-do que a invenção ou vários aspectos da invenção, conforme descrito, pode-rão ser vantajosamente usados com uma combinação de tais pás pivotais enão-pivotais de tal modo que cada tipo de pá seja usado de acordo com suavantagem, tal como resistência ou contingência de saída de potência de con-trole no caso de falha.De acordo com características adicionais em algumas concreti-zações preferidas descritas, as pás são torcidas ao longo de seu eixo longi-tudinal para melhor ajustar seu plano de simetria às variações locais no fluxode entrada no duto.

De acordo com concretizações adicionais em algumas concreti-zações preferidas descritas, um meio de controle fluídico, tal como sucçãode ar ou sopro através de orifícios ou atuadores piezelétrícos, ou outro meiode controle fluídico para induzir mudanças de campo de pressão constanteou periódica para o fluxo em torno das pás, é acrescentado ou incorporadona superfície interna do duto, nas proximidades das pás tudo com a finalida-de de afetar o campo de fluxo nas proximidades da parede do duto e pásadjacentes, para endireitar ou aperfeiçoar o fluxo em torno das pás, ou paraimpedir a separação do fluxo da parede de duto e entre as pás e a dita pare-de de duto.

A invenção será agora descrita em detalhes em conexão com osdesenhos identificados abaixo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A invenção é aqui descrita por meio de exemplo apenas comreferência aos desenhos anexos, nos quais:

a figura 1 ilustra uma forma de veículo de aeronave VTOL cons-truído de acordo com a presente invenção;

a figura 2 ilustra apenas um dos ventiladores de duto na aerona-ve da figura 1;

a figura 3 é uma vista em seção ao longo da linha Ill - Ill da figura 2;

a figura 4 é um diagrama que ilustra o posicionamento das pásda figura 3 em uma direção para produzir uma força lateral em uma direção;

a figura 5 é um diagrama que ilustra o posicionamento das pásda figura 3 para produzir uma força lateral na direção oposta;

a figura 6 ilustra uma modificação na construção das pás, ondecada das pás é dividida em duas metades, cada metade de todas as pássendo separadamente pivotal a partir de outra metade de todas as pás paraproduzir uma força de momento giratório em torno do eixo longitudinal doduto;

a figura 7 é um diagrama que ilustra a construção de uma daspás e a maneira de pivotá-la;

a figura 8 ilustra uma construção alternativa de uma das pás e amaneira de pivotá-la;

a figura 9 ilustra uma disposição que pode ser usada para proverduas cascatas ou montagens de pás na extremidade de entrada do duto da figura 9;

a figura 10 ilustra outra disposição que pode ser usada para pro-ver duas cascatas ou montagens de pás na extremidade de entrada do duto;

a figura 11 ilustra um veículo de aeronave VTOL que inclui umúnico ventilador de duto para fins de propulsão e controle;

a figura 12 é uma vista similar àquela da figura 3, mas que ilustraa provisão de uma cascata ou pluralidade de pás também na extremidade desaída do duto;

as figuras 13a-13b ilustram várias posições pivotais das duascascatas de pás no ventilador de duto da figura 12, e as forças produzidaspor cada tal posicionamento das pás;

a figura 14 é uma vista de topo que diagramaticamente ilustraoutra construção na qual as pás que se estendem através da entrada do du-to são divididas em dois grupos produzindo juntos a força de controle hori-zontal líquida desejada;

as figuras 15a e 15b diagramaticamente ilustram a maneira naqual a força de controle horizontal líquida desejada é produzida pelas pás dafigura 14; e

a figura 16 é uma vista que corresponde àquela da figura 14,mas ilustrando uma variação na disposição de pá para produzir a força decontrole horizontal líquida desejada;

a figura 17 é uma vista similar àquela da figura 12, mas ilustran-do a provisão de uma cascada ou uma pluralidade de pás não-pivotais naentrada e saída do duto;as figuras 18a-d ilustram forças produzidas por várias operaçõesdas duas cascatas de pás não-pivotais no ventilador de duto da figura 17que são similares às forças produzidas pelas pás pivotavelmente montadas,conforme mostrado na figura 13a-13d;

a figura 19 é um detalhe ampliado A da figura 17 que ilustra umfluxo de fluido ininterrupto, quando as pás não estiverem operativas;

a figura 20 é um detalhe ampliado A da figura 17 que ilustra umfluxo de fluido esquemático, quando as pás estiverem operativas para pro-duzirem forças, conforme mostrado nas pás superiores das figuras 18a e b;

a figura 21 ilustra um fluxo de fluido auxiliado por controle fluídi-co esquemático em uma seção transversal de pás não-pivotais torcidas aolongo de seu eixo longitudinal para ajustar seu plano de simetria às varia-ções locais no fluxo de entrada no duto; e

a figura 22 é um detalhe tirado da figura 21 que mostra um dis-positivo piezelétrico na parede do duto para criar pulsos de pressão de altafreqüência dentro do duto.

DESCRIÇÃO DAS CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS

O veículo ilustrado na figura 1, e geralmente designado por 2, éuma aeronave VTOL que inclui uma carcaça ou fuselagem 3 apresentandouma unidade de propulsão de ventilador de duto 4 na parte da frente e outraunidade de propulsão similar 5 na parte de trás. A carga útil do veículo émostrada em 6 e 7, respectivamente, nos lados opostos da fuselagem, e otrem de aterrissagem conforme mostrado em 8.

As figuras 2 e 3 ilustram mais particularmente a estrutura da uni-dade de propulsão 4, que é igual à unidade de propulsão 5. Tal unidade depropulsão inclui um duto 10 conduzido pela fuselagem 3 com o eixo vertical10a do duto paralelo ao eixo vertical do veículo. A hélice 11 é giratoriamentemontada dentro do duto 10 em torno do eixo longitudinal 10a do duto. O res-salto 12 da hélice está virado para cima de modo que a extremidade superior13 do duto constitua a extremidade de entrada de ar e a extremidade inferior14 do duto constitua a extremidade de saída. Conforme mostrado particu-larmente na figura 3, a extremidade de entrada de ar superior 13 é formadacom uma boca na forma de funil para produzir um influxo suave de ar no du-to 10, cujo ar é descarregado em alta velocidade através da extremidade desaída 14 do duto para criar uma força de suspensão ascendente.

Para prover um controle direcional, o duto 10 é provido com umapluralidade de pás espaçadas paralelas 15 pivotavelmente montadas na ex-tremidade de entrada 13 do duto e através da mesma. Cada das pás 15 épivotal em torno de um eixo 16 perpendicular ao eixo longitudinal 10a do du-to 10 e substancialmente paralela ao eixo longitudinal da carcaça do veículo2 para produzir uma força de controle horizontal além da força de suspensãoaplicada ao veículo pelo movimento de ar produzido pela hélice 11. Dessemodo, conforme mostrado na figura 4, se as pás 15 forem pivotadas em umadireção em torno de seus respectivos eixos, elas produzirão uma força decontrole desejada na direção da seta F1 da figura 4; se elas forem pivotadasna direção oposta, elas produzirão uma força de controle desejada na dire-ção da seta F2 na figura 5. Conforme mostrado na figura 3 (também nas fi-guras 7, 8, 12), as pás 15 apresentam uma forma de aerofólio simétrica esão espaçadas entre si a uma distância aproximadamente igual ao comprimento da corda das pás.

A figura 6 ilustra uma variação na qual cada das pás 15, em vezde ser pivotavelmente montada como uma unidade para seu comprimentocompleto para produzir a força de controle lateral desejada, é dividida emduas meias-seções, conforme mostrado em 15a e 15b na figura 6, com cadameia-seção separadamente pivotal a partir da outra meia-seção. Desse mo-do, todas as meias-seções 15a podem ser pivotadas como uma unidade emuma direção, conforme mostrado pela seta D1, e todas as meias-seções 15bpodem ser pivotadas na direção oposta, conforme mostrado pela seta D2,para assim produzir uma qualquer força lateral ou um momento giratório de-sejado além da força de suspensão aplicada ao veículo pela hélice.

Conforme mostrado na figura 7, cada das pás 15 é pivotavel-mente montada em torno do eixo 16 que passa através de uma porção in-termediária da pá. A figura 8 ilustra uma modificação na qual cada pá incluiuma seção fixa 17, que constitui a parte principal da pá, e uma aba ou seçãopivotal 18 pivotavelmente montada em 19 no lado traseira da seção fixa.Portanto, será visto que a aba ou seção pivotal 18 pode ser pivotada paraqualquer posição desejada a fim de produzir a força de controle desejadaalém da suspensão.

A figura 9 ilustra uma variação na qual o ventilador de duto (4e/ou 5, figura 1) inclui uma segunda pluralidade ou cascata de pás paralelasespaçadas, uma das quais sendo mostrada em 20, pivotavelmente montadana extremidade de entrada 13 do duto 10 e através da mesma. Portanto,cada das pás 20 da segunda pluralidade é estritamente espaçada com rela-ção às pás 15 e é pivotal em torno de um eixo perpendicular ao eixo pivotaldas pás 15, bem como ao eixo longitudinal 10a do duto.

Na variação ilustrada na figura 9, as duas cascatas das pás 15,20 são dispostas em planos espaçados paralelos. A figura 10 ilustra umavariação na qual as duas cascatas de pás na extremidade de entrada doduto são engranzadas. Para esta finalidade, cada das pás 21 da segundapluralidade seria interrompida de modo a acomodar as pás de cruzamento15 da primeira pluralidade, conforme mostrado na figura 10. Outra disposi-ção possível seria a de se ter as pás de ambas as cascatas interrompidaspara fins de engranzamento.

A figura 11 ilustra um veículo de aeronave VTOL, geralmenteindicado com 22, que inclui um único ventilador de duto 24 conduzido cen-tralmente de sua fuselagem 23. Tal veículo poderia incluir a disposição depás ilustrada ou na figura 9 ou na figura 10 para prover as forças e os mo-mentos de controle desejados além das forças de suspensão. Em tal veícu-Io, a carga útil pode estar nos lados opostos do ventilador de duto central 24,conforme mostrado em 25 e 26 na figura 11.0 veículo pode também incluiroutras superfícies aerodinâmicas, tais como lemes 27, 28 para prover dire-ção e outros controles.

A figura 12 ilustra uma concretização adicional que pode ser in-cluída em cada dos veículos das figuras 1 e 11, onde o duto 10 também a-presenta uma segunda pluralidade ou cascata de pás espaçadas paralelas,embora, neste caso, a segunda pluralidade seja pivotavelmente montada naextremidade de saída 14 do duto 10 e através da mesma. Desse modo, con-forme mostrado na figura 12, o duto 10 inclui a primeira pluralidade ou cas-cata de lâminas 15 montada na extremidade de entrada 13 do duto e atravésda mesma, e uma segunda pluralidade ou cascata de lâminas 35 montadana extremidade de saída 14 do duto 14 e através da mesma, também per-pendicular ao eixo longitudinal do duto e substancialmente paralela ao eixolongitudinal da carcaça do veículo. Cada montagem ou cascata 15, 35 daspás pode ser pivotada independentemente da outra para produzir forças la-terais selecionadas ou momentos giratórios em torno do eixo transversal doduto para controle de arfagem ou manobra do veículo.

Isto está mais claramente mostrado nos diagramas das figuras13a-13d. Desse modo, quando as duas cascatas de pás 15, 35 forem pivo-tadas em direções opostas, elas produzirão um momento giratório em tornodo eixo transversal 10b do duto 10 em uma direção (por exemplo, no sentidoanti-horário, conforme mostrado na figura 13a); quando elas forem pivotadasna mesma direção, elas produzirão uma força lateral em uma direção (porexemplo, esquerda), conforme mostrado na figura 13b; quando elas forempivotadas em direções opostas, mas opostas à disposição mostrada na figu-ra 13a, elas produzirão um momento giratório na direção em sentido horáriooposta, conforme mostrado na figura 13c; e quanto elas forem pivotadas namesma direção, mas oposta àquela mostrada na figura 13b, elas produzirãouma força lateral na direção oposta (por exemplo, direita), conforme mostra-do na figura 13d.

A figura 14 é uma vista de topo que ilustra outra construção daunidade de propulsão de ventilador de duto, geralmente indicada como 20,que inclui um duto 22 apresentando uma pluralidade de pás 24 que se es-tende através da extremidade de entrada do duto. Neste caso, as pás 24 sãodivididas em um primeiro grupo de pás paralelas 24a que se estende atravésde metade da extremidade de entrada do duto 22 e em um segundo grupode pás paralelas 24b que se estende através da metade restante da extre-midade de entrada do duto.

A figura 14 também ilustra o ressalto 26 da hélice dentro do duto22. A hélice é giratoriamente montada dentro do duto 22 em torno do eixolongitudinal do duto, com o ressalto 26 da hélice centralmente localizada naextremidade de entrada de ar do duto, de tal modo que o ar descarregadoem uma alta velocidade através da extremidade oposta do duto crie umaforça de suspensão ascendente.

Conforme mostrado na figura 14, o primeiro grupo de pás parale-las 24a que se estende através de uma metade da extremidade de entradado duto 22 é pivotal em torno dos eixos 25a em um ângulo agudo predeter-minado α com relação ao eixo longitudinal 20a da carcaça do veículo e, por-tanto, da direção de movimento do veículo, conforme mostrado na seta 27; osegundo grupo de pás paralelas que se estende através da metade restanteda extremidade de entrada do duto é pivotal em torno dos eixos 25b nomesmo ângulo predeterminado a, mas, na direção oposta, com relação aoeixo longitudinal 20a da carcaça do veículo. Os dois grupos de pás 24a, 24bsão seletivamente pivotais para produzir uma força de controle horizontallíquida desejada além da força de suspensão aplicada ao veículo.

As operações anteriores são ilustradas nos diagramas das figu-ras 15a e 15b. Ambas as figuras 15a e 15b ilustram as forças de controlegeradas quando o veículo incluir duas unidades de propulsão de ventiladorde duto 20, 30 nas extremidades opostas do veículo e coaxiais com o eixolongitudinal do veículo 20a. Será apreciado que forças comparáveis serãoproduzidas quando o veículo for equipado com apenas uma unidade de pro-pulsão ventilador de duto mostrada na figura 14.

A figura 15a ilustra a condição na qual os dois grupos de pás24a, 24b são pivotados em ângulos iguais em torno de seus respectivos ei-xos 25a, 25b. As pás produzem assim, além da força de suspensão, forçasde controle de magnitude e ângulos iguais nos lados opostos do eixo longi-tudinal do veículo 20a, de modo a produzir uma força líquida, conforme mos-trado em Fa, coaxial com o eixo longitudinal do veículo 20a.

Os dois grupos de pás 34a, 34b da unidade de propulsão trasei-ra 30 são pivotais da mesma maneira em torno de seus respectivos eixospivotais 35a, 35b, produzindo assim uma força líquida Fa também coaxialcom o eixo longitudinal do veículo 20a.

A figura 15b ilustra uma condição na qual os dois grupos de pás24a, 24b na unidade de propulsão dianteira 20 e os dois grupos de pás 34a,34b na unidade de propulsão traseira 30 são pivotados em torno de seusrespectivos eixos em ângulos desiguais, produzindo assim forças lateraislíquidas Fb em um ângulo com relação ao eixo longitudinal do veículo 20a.Desse modo, com o controle dos ângulos de pivotamento das pás 24a, 24be 34a, 34b em torno de seus respectivos eixos pivotais, uma força de contro-le líquida poderá ser gerada, conforme desejado, no plano das pás.

A figura 16 ilustra uma unidade de propulsão de ventilador deduto, geralmente indicada como 40, também incluindo dois grupos de pás44a, 44b que se estendem através de metade da entrada do duto 42 e pivo-tavelmente montados em torno dos eixos 45a, 45b em um ângulo predeter-minado (por exemplo, 45°) com relação ao eixo longitudinal 40a do veículo.

Neste caso, contudo, as pás 44a, 44b são orientadas na direção dianteira,em vez de serem orientadas na direção traseira, como na figura 14, mas aoperação e as forças geradas pelas pás são basicamente iguais, conformedescrito acima com relação às figuras 14, 15a, 15b.

Conforme mencionado acima, as pás não-pivotais podem serempregadas para criar forças laterais quando usadas em combinação comoutro meio aerodinâmico que gera essas forças. Sob este aspecto, a figura17 ilustra um duto 50 apresentado uma primeira e uma segunda pluralidadede pás não-pivotais 51, 52 nas respectivas extremidades de entrada e saída53, 54 do duto, em cada lado da hélice. O meio aerodinâmico pode incluirum meio de controle fluídico incluindo atuadores piezelétricos ou outros dis-positivos de controle fluídicos para induzir mudanças de campo de pressãoconstantes ou periódicas ao fluxo em torno das pás. Outro meio adequadopode incluir sucção de ar ou ar pressurizado de sopro através de aberturasadequadamente localizadas na parede do duto ou nas pás propriamente di-tas em cada ou em ambas as extremidades de entrada e saída do duto.

As figuras 18a-18d ilustram que as forças produzidas pelo meioaerodinâmico nas pás não-pivotais podem ser basicamente iguais àquelasproduzidas pelas pás pivotavelmente montadas, conforme mostrado nas fi-guras 12 e 13.

A figura 19 ilustra um perfil de fluxo esquemático através daspás 51 do duto 50 quando da não-operação das pás, isto é, quando nenhummeio for empregado para alterar o fluxo.

A figura 20 ilustra a mesma disposição de duto/pá, mas onde omeio de controle fluídico encontra-se operacional para alterar o fluxo de ar,de modo a alterar a distribuição de pressão no fluxo nas proximidades e nasuperfície das pás, induzindo assim as forças laterais desejadas.

A figura 21 ilustra a seção transversal esquemática de um duto60 com pás torcidas. As pás 61 são destorcidas perto do centro do duto etorcidas perto da superfície da borda de entrada 62 do duto onde o campode fluxo afetado 63 é esquematicamente mostrado. Um meio de controlefluídico esquemático incorporado na superfície interna do duto está afetandoo campo de fluxo nas proximidades da parede de duto.

O detalhe na figura 22 adicionalmente explica o método de in-corporação de meio de controle fluídico 64. Uma seção transversal é mos-trada na figura 22 mostrando, como um exemplo, um dispositivo piezelétricomostrado como 65 que cria pulsos de pressão periodicamente alternados dealta freqüência (ou oscilações vibratórias) dentro de uma cavidade adjacentemostrada esquematicamente como 66. Os pulsos de pressão mostradoscomo 67 criados pelo dispositivo 65 são conduzidos para a fenda 68, pormeio do que os pulsos de pressão mostrados como 70 que emanam da fen-da estreita 68 interagem com o fluxo mostrado como 63 na figura 21 afetan-do o comportamento do fluxo nas proximidades da borda do duto mostradona figura 21 como 62. Na concretização mostarda, os pulsos de pressão sa-em da fenda 68 axialmente entre as bordas dianteira e traseira das pás.

Desse modo, a presente invenção descrita acima com referênciaàs figuras 1-16 pode também empregar a configuração de pá não-pivotaldescrita com referência às figuras 17-21.

Será apreciado que qualquer das disposições anteriores podeser usada em qualquer dos veículos de ar acima descritos para produzir asforças de controle desejadas além das forças vitais. As pás não se destinama bloquear o fluxo de ar, mas meramente a desviar o fluxo de ar para produ-zir as forças de controle desejadas. Conseqüentemente, na maioria das apli-cações, as pás pivotavelmente montadas seriam pivotais em não mais de15° em cada direção, que é o ângulo máximo típico obtido antes da separa-ção de fluxo. As pás não-pivotais seriam desejadas com seu eixo longitudi-nal em seção transversal substancialmente paralelo ao eixo longitudinal doduto e preferivelmente ajustado às variações na angularidade de fluxo local,seja através da montagem de toda a pá em um ângulo com relação ao eixolongitudinal do duto, ou com o uso de uma pá que é torcida ao longo de seueixo longitudinal para que com uma maior precisão seja combinada com aangularidade local do fluxo de entrada, ou através da combinação não só damontagem angular como da torção incorporada, conforme exigido para gerarde maneira mais eficaz as forças laterais para produzir movimentos de trans-lação dianteiro, traseiro, esquerdo e direito desejados, bem como movimen-tos giratórios de guinada, arfagem e manobra do veículo.

Uma vez que as forças e momentos de controle são gerados porcomponentes horizontais das forças de suspensão nas pás propriamenteditas, as pás devem ser preferivelmente colocadas no lado de entrada dahélice tão distante do centro de gravidade do veículo quanto possível parracriar os maiores momentos atingíveis. O mesmo se aplicará, se as pás foreniprovidas no lado de saída dos dutos.

Enquanto a invenção foi descrita acima particularmente com re-lação a veículos de ar, será apreciado que a invenção ou vários aspectos damesma, conforme descrito acima, poderão também ser vantajosamente u-sados com outros tipos de veículos, tais como veículos marítimos, para pro-ver propulsão e controle direcional aos veículos.

Conseqüentemente, enquanto a invenção foi descrita com rela-ção às várias concretizações preferidas, será entendido que estas são expli-cadas meramente para fins de exemplo, e que muitas outras variações, mo-dificações e aplicações da invenção poderão ser feitas.

Claims

1. Veículo que compreende:uma carcaça de veículo;um duto conduzido pela dita carcaça de veículo com o eixo lon-gitudinal do duto perpendicular ao eixo longitudinal da carcaça de veículo;uma hélice giratoriamente montada dentro do dito duto em tornodo eixo longitudinal do duto para forçar um fluido ambiente proveniente deuma entrada na extremidade superior do duto através de uma saída na ex-tremidade inferior do duto, e produzir assim uma força de suspensão ascen-dente aplicada ao veículo; euma primeira pluralidade de pás espaçadas paralelas não-pivotavelmente montadas através pelo menos da extremidade de entrada doduto; eum meio fluídico para afetar o dito fluxo de fluido ambiente emtorno das ditas pás para gerar componentes de força horizontal para a forçade suspensão aplicada ao veículo.

2. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, no qual as ditas pásapresentam uma seção transversal na forma de aerofólio.

3. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, no qual as ditas pásapresentam uma seção transversal elíptica.

4. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, que compreende"uma segunda pluralidade de pás espaçadas paralelas não-pivotavelmentemontadas através de uma extremidade de saída do dito duto.

5. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, no qual a dita pri-meira pluralidade de pás se estende substancialmente paralela ao dito eixolongitudinal do dita carcaça de veículo.

6. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, no qual a dita se-gunda pluralidade de pás se estende substancialmente paralela ao dito eixolongitudinal da dita carcaça de veículo.

7. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, no qual pelo menosparte da dita primeira pluralidade de pás é torcida nas extremidades exter-nas da mesma.

8. Veículo, de acordo com a reivindicação 4, no qual pelo menosparte da dita segunda pluralidade de pás é torcida nas extremidades exter-nas da mesma.

9. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, no qual a dita pri-meira pluralidade de pás é dividida em um primeiro e um segundo grupos depás paralelas, cada grupo formando um ângulo de substancialmente 45°com relação ao eixo longitudinal da carcaça de veículo, com o primeiro gru-po se estendendo em um ângulo de substancialmente 90° com relação aosegundo grupo.

10. Unidade de propulsão provida de duto para um veículoVTOL, a unidade de propulsão compreendendo:um duto apresentando um interior definido por uma parede peri-férica, uma extremidade de entrada e uma extremidade de saída;uma hélice localizada no dito interior do duto axialmente entre adita extremidade de entrada e a dita extremidade de saída;pelo menos uma primeira pluralidade de pás espaçadas não-pivotais substancialmente paralelas que se estende através da extremidadede entrada; epelo menos um dispositivo de controle fluídico localizado nasproximidades da dita primeira pluralidade de pás para afetar o fluxo de fluidoem torno de uma ou mais pás da dita primeira pluralidade de pás.

11. Veículo, de acordo com a reivindicação 10, no qual o ditodispositivo de controle fluídico compreende um atuador piezelétrico localiza-do em uma parede periférica do dito duto, adjacente a uma câmara na ditaparede periférica, a dita câmara em comunicação de fluido com o dito interiorde duto.

12. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 11, que compre-ende uma segunda pluralidade de pás espaçadas substancialmente parale-las não-pivotavelmente montadas através de uma extremidade de saída dodito duto; eque adicionalmente compreende pelo menos outro atuador pie-zelétrico localizado nas proximidades da dita segunda pluralidade de pás.

13. Veículo, de acordo com a reivindicação 10, no qual o ditodispositivo de controle de fluido é capaz de aplicar um vácuo nas proximida-des de uma ou mais pás da dita primeira pluralidade de pás.

14. Veículo, de acordo com a reivindicação 10, no qual o ditodispositivo de controle de fluido é capaz de suprir ar pressurizado nas proxi-midades de uma ou mais pás da dita primeira pluralidade de pás.

15. Método de gerar forças horizontais em uma unidade de pro-pulsão provida de duto de um veículo VTOL, que compreende:(a) a disposição de pelo menos um duto em uma carcaça deveículo, o duto apresentando extremidades de entrada ede saída, com uma hélice montada dentro do duto entre asextremidades;(b) a fixação de uma pluralidade de pás não-pivotais atravéspelo menos da extremidade de entrada do duto; e(c) a afetação do fluxo de ar em torno da dita pluralidade depás não-pivotais para criar as forças de controle horizontaisno veículo.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, no qual a etapa(c) é executada com a aplicação de sucção através das aberturas em umaparede periférica do duto ou em pelo menos parte da dita pluralidade de pás.

17. Método, de acordo com a reivindicação 15, no qual a etapa(c) é executada com a aplicação de ar sob pressão através de aberturas emuma parede periférica do duto ou em pelo menos parte da dita pluralidade depás.

18. Método, de acordo com a reivindicação 15, no qual a etapa(c) é executada com a utilização de atuadores piezelétricos para gerar pul-sos de pressão periodicamente alternados na extremidade de entrada dodito duto.

19. Método, de acordo com a reivindicação 15, no qual a etapa(b) inclui a fixação de uma segunda pluralidade de pás não-pivotais atravésda extremidade de saída do duto.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, no qual a etapa(c) inclui a afetação do ar em torno da segunda pluralidade de pás não-pivotais.

21. Método, de acordo com a reivindicação 18, no qual o ditoatuador piezelétrico é localizado adjacente a uma cavidade em uma paredeperiférica na extremidade de entrada do dito duto, de tal modo que os pulsosde pressão gerados pelo dito atuador emanem da dita cavidade para o arque flui para o duto na extremidade de entrada do mesmo.

22. Método, de acordo com a reivindicação 21, no qual os pulsosde pressão emanam para o ar em uma localização entre as bordas dianteirae traseira das pás.