ES2289932B1 - Aeronave con sistema de vuelo convertible. - Google Patents
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Abstract
Aeronave con sistema de vuelo convertible, que puede actuar en forma de helicóptero y de avión y que comprende un fuselaje (1), rotor principal (2) de eje vertical, medios de impulsión y alas (7) móviles situadas en la parte inferior del fuselaje (1), que pueden oscilar entre una posición retraída (7'), en la que quedan ocultas bajo el fuselaje, y una posición extraída, en la que sobresalen de dicho fuselaje, para actuar como alas sustentadoras en vuelo en modo de avión.
Description
Aeronave con sistema de vuelo convertible.
La presente invención se refiere a una aeronave
con sistema de vuelo convertible, y más concretamente a una
aeronave que puede actuar indistintamente en forma de helicóptero o
de avión, y que comprende un fuselaje, un rotor principal de eje
vertical y otros medios de impulsión.
La aeronave de la invención aúna de este modo
las características de vuelo propias de un helicóptero y las de un
avión convencional, permitiendo así operaciones de despegue y
aterrizaje vertical y vuelo estacionario o punto fijo, propios de
un helicóptero, y el vuelo en crucero a alta eficacia, propios de
un avión, con fases de transición muy seguras y suaves de un modo
de vuelo a otro.
Ya son conocidas aeronaves del tipo expuesto,
que pueden actuar en forma de helicóptero o de avión.
En este sentido puede señalarse la patente US
3792827, en la cual se describe una aeronave que comprende un rotor
de eje vertical, que puede utilizarse como rotor giratorio, en cuyo
caso la aeronave funciona a modo de helicóptero, o en posición
fija, con dos de las palas del rotor actuado como alas para vuelo
en forma de avión tradicional. Este sistema exige que las palas del
rotor sean de dimensiones considerables, de modo que en dos de sus
palas puedan cumplir la función de alas, en el vuelo en modo de
avión.
La PCT WO 2005/086563 describe una aeronave
convertible, que comprende un rotor principal de eje vertical, con
el que dicha nave puede volar a modo de helicóptero, y dos alas
fijas, que permiten el vuelo en modo de avión, quedando en esta
modalidad el rotor inmovilizado y las paletas del mismo dirigidas
hacia atrás cuando la aeronave opera en modo avión. En esta
realización la aeronave dispone de alas fijas, que constituyen un
inconveniente durante el funcionamiento de la aeronave en modo de
helicóptero.
También se han desarrollado algunos helicópteros
compuestos, dotados de ala fija para descargar el rotor en vuelo
de crucero y permitir aumentar su velocidad, dotándoles de una
propulsión adicional a la suministrada por el propio rotor o no,
pero en estos casos el ala es un inconveniente para el despegue o
aterrizaje vertical y para el vuelo a punto fijo por la resistencia
vertical que origina sometida al soplo del rotor.
La presente invención tiene por objeto eliminar
los problemas expuestos, mediante una aeronave que puede funcionar
en modo de helicóptero o en modo de avión y que en cada uno de
estos modos de funcionamiento presenta prácticamente solo los
elementos propios de tal modo de funcionamiento. De esta forma se
eliminan funcionalmente los elementos que, siendo necesarios para
uno de los modos de vuelo, puede representar un inconveniente para
el otro modo de vuelo si están permanentemente expuestos.
Es decir que en el caso de vuelo como
helicóptero, la nave estará en una configuración carente de alas
expuestas al flujo de aire, mientras que en el modo de vuelo como
avión el rotor sustentador del helicóptero queda inactivo y en
posición de mínima resistencia.
La aeronave de la invención se caracteriza
porque dispone, en la parte inferior del fuselaje ó a ambos lados
del mismo, de sendas semialas móviles, que pueden oscilar en un
plano aproximadamente horizontal entre una posición retraída, en la
cual quedan adosadas u ocultas en el fuselaje, y una posición
extraída, en la cual sobresalen de dicho fuselaje, para actuar como
alas sustentadoras en modo de avión.
Para conseguir esta disposición las alas irán
montadas de forma articulada al fuselaje y serán accionadas, para
pasar de una a otra posición, mediante mecanismos basados en
sistemas hidráulicos, mecánicos o eléctricos elección condicionada
por criterios de seguridad de operación y de peso de los mecanismos
asociados y que pueden ser diferentes según el tamaño de la
aeronave concreta o de que ésta tenga piloto humano a bordo o
no.
Además las alas ocuparán la posición retraída
cuando los medios de impulsión actúan en modo de helicóptero,
mientras que al alcanzar la aeronave en vuelo una velocidad
determinada, que denominaremos "velocidad de transición", las
alas se despliegan hasta la posición extraída y los medios de
impulsión actúan en modo de avión, y viceversa.
Es decir que cuando las alas ocupan una posición
determinada, los medios de impulsión actuarán de acuerdo con la
modalidad de vuelo de la aeronave. Del mismo modo que las alas
pasarán de una a otra posición de forma automática, al superar o
reducir la "velocidad de transición", los medios de impulsión
cambiarán en su forma de actuación también de forma automática. Los
medios de impulsión incrementarán su actuación progresivamente en
uno de los modos de vuelo al mismo tiempo que reducen su actuación
en el otro modo de vuelo.
La denominada "velocidad de vuelo de
transición" será una velocidad que se encuentre próxima a la
velocidad de vuelo que maximiza la relación
sustentación/resistencia en la configuración de helicóptero.
Como se ha señalado, la aeronave constará de un
fuselaje y un rotor principal y además de un rotor de cola antipar,
para su actuación en forma de helicóptero, cuando los medios de
impulsión están constituidos por ejemplo por un motor alternativo ó
turbina que se aloja en el fuselaje. La aeronave puede estar
también propulsada por una turbina de gas que eyecta los gases por
punta de palas, en cuyo caso no necesitará el rotor antipar.
La aeronave puede disponer de una hélice
tractora o propulsora, a la que se aplicará progresivamente la
potencia de los cambios de impulsión (motor alternativo o turbina
de gas), al alcanzar la "velocidad de transición", al mismo
tiempo que se resta potencia al rotor principal y al rotor de
cola.
Al pasar del modo de vuelo de helicóptero al de
avión, el rotor principal puede dejarse en autorrotación o puede
pararse y bloquearse e incluso plegarse para disminuir resistencia
al avance de la aeronave. Este proceso se realizará en sentido
inverso para pasar de vuelo en modo de avión a vuelo en modo
helicóptero.
Como ya se ha indicado, en la versión propulsada
por turbina de gas que eyecta los gases por punta de palas, puede
prescindirse del rotor de cola, si el rotor principal se acciona
eyectando los gases de la turbina por punta de pala de forma que le
hagan rotar. La transición de un modo a otro de vuelo se realizará
en este caso eyectando gradualmente los gases por una tobera de
empuje, restándolos de los que se eyectan por punta de palas. La
disposición y proceso de despliegue y repliegue de las alas se
llevará a cabo en la forma ya expuesta.
La aeronave de la invención por tanto, dispondrá
de alas sumergibles en la parte inferior del fuselaje o adosables
a sus costados y dispondrá de un proceso de desplegado de estas
alas, combinado con la variación de potencia aplicada al rotor o
hélice (o tobera de empuje en la versión con turbina de gas).
La invención permite realizar de forma compacta
y eficiente el vuelo de una aeronave como helicóptero y como avión
y al plegar las alas en el fuselaje, el vuelo en modo de
helicóptero elimina el efecto negativo del soplo del rotor sobre
las mismas y la resistencia aerodinámica al avance que presentarían
si fuesen alas en posición fija. Además, las fases de transición de
un modo de vuelo a otro resultan muy seguras frente a otros
sistemas conocidos, dado que en este caso siempre hay un elemento
sustentador activo (el rotor o alas). Esto le confiere además a la
aeronave de la invención una seguridad intrínseca en caso de fallo
del motor, ya que puede descender suavemente en autorrotación,
planeando con las alas o con una combinación de ambos.
El problema técnico que resuelve la invención
consiste en posibilitar operaciones de vuelo como un helicóptero
convencional, con todas sus cualidades de vuelo, así como vuelo en
crucero a alta eficiencia de un avión convencional.
Las aplicaciones de la invención pueden ser
militares y civiles que requieran capacidad de despegue y
aterrizaje vertical y vuelo a punto fijo. Por ejemplo para misiones
de observación y rescate, transporte de "punto a punto" de
pasajeros o carga de cualquier tipo, no necesitando campos ni
pistas preparadas, todo ello aunando la capacidad de vuelo en
crucero a eficiencias y velocidades superiores a un helicóptero
convencional.
Con el fin de que puedan comprenderse mejor las
características y ventajas de la aeronave de la invención,
seguidamente se hace una descripción mas detallada de la misma, con
ayuda de los dibujos adjuntos, en los que se representa una forma
de realización no limitativa.
En los dibujos:
La figura 1 muestra en alzado lateral, una
aeronave constituida de acuerdo con la invención, adaptada para su
vuelo en modo de helicóptero.
La figura 2 es una planta superior de la
aeronave de la figura 1.
La figura 3 es un alzado frontal de la aeronave
de las figuras 1 y 2.
La figura 4 es una vista similar a la figura 1,
con la aeronave adaptada para su vuelo a modo de avión.
La figura 5 es una planta superior de la
aeronave de la figura 3.
La figura 6 es un alzado frontal de la aeronave
de las figuras 4 y 5.
La figura 7 es una planta similar a las figuras
2 y 5, mostrando una fase intermedia de plegado o desplegado de
las alas, para pasar de uno a otro modo de vuelo.
En las figuras 1, 2 y 3 se muestra una aeronave,
configurada a modo de helicóptero, que comprende un fuselaje 1, un
rotor principal 2 de eje vertical, un rotor 3 de cola antipar y
medios de generación de potencia (impulsión) no mostrados, que van
alojados en el fuselaje y que pueden consistir en un motor de tipo
alternativo o en una turbina de gas. La aeronave dispone además de
una hélice tractora o propulsora 4, cuyo accionamiento se lleva a
cabo a partir de los mismos medios de generación de potencia, no
mostrados. La aeronave puede ir además dotada de patines 5 y de
estabilizadores de cola 6, en configuración clásica y horizontal ó
de configuración en "V".
De acuerdo con la invención la aeronave dispone
además, debajo del fuselaje 1 ó a uno y otro lado del mismo, de
sendas semialas móviles 7, que pueden oscilar en un plano
aproximadamente horizontal entre una posición retraída, mostrada en
las figuras 1 y 3, en la que se referencian con el número 7' y en
la cual quedan adosadas u ocultas en el fuselaje 1, y una posición
extraída, mostrada en las figuras 4 a 6, donde se referencian con
el número 7, en la cual sobresalen de dicho fuselaje para actuar
como alas sustentadoras en vuelo en modo de avión. Estas alas 7
irán montadas articuladamente y su accionamiento para pasar de la
posición plegada a la desplegada y viceversa puede ser de tipo
mecánico, por ejemplo compuesto por un conjunto de engranajes, con
accionamiento de tipo hidráulico o de tipo eléctrico y control
electrónico. Las alas 7 dispondrán de alerones longitudinales 8,
figura 5, y de extensiones alares ("winglets") extremos 9.
En la posición de las figuras 1 a 3 la aeronave
actúa como helicóptero, con el rotor principal 2 de sustentación y
propulsión y el rotor de cola antipar 3. Las alas 7 se encuentran
en la posición 7' ocultas en el fuselaje 1, de modo que no
constituyen impedimento alguno para la operación de la aeronave a
modo de helicóptero.
Cuando la aeronave en modo de vuelo de
helicóptero, con la disposición de las figuras 1 a 3 alcanza una
velocidad de vuelo determinada, que denominaremos "velocidad de
transición" y que se encuentra próxima a la velocidad de vuelo
que maximiza la relación sustentación/resistencia, las alas que se
encuentran plegadas en la posición 7' comienzan a desplegarse,
hasta alcanzar la posición de las figuras 4 a 6, en la que se
encuentran totalmente desplegadas para su vuelo en forma de avión.
En esta posición las aspas 10 del rotor 2 pueden replegarse,
quedando dirigidas longitudinalmente hacia atrás, y opcionalmente
quedan cubiertas por su carenado de modo que no constituyan
obstáculo alguno para el vuelo en esta forma de avión. Al tiempo
que se produce esta transición tendrá lugar una transmisión de
potencia a la hélice tractora o propulsora 4, restando potencia de
igual forma al rotor principal 2 y al de cola 3.
El proceso descrito se realiza en sentido
inverso para pasar de vuelo en modo de avión a vuelo en modo de
helicóptero.
En el caso de que la aeronave este propulsada
por turbina de gas podría prescindirse del rotor de cola 3, en el
caso de que el rotor principal 2 se accione eyectado los gases de
la turbina por punta de palas 10, de forma que le hagan rotar. La
transición de un modo a otro de vuelo se realizará en este caso
eyectando gradualmente los gases por una tobera 1 de empuje, no
representada, restándolos de los que se eyectan por punta de palas
10.
La hélice impulsora 4 puede incorporar un
mecanismo de variación de paso, de forma que el motor gire a
vueltas constantes y la tracción o empuje requerido se consiga
variando el paso de las palas de esta hélice. Las extensiones alares
("winglets") extremas 9 de las alas 7 producen el efecto de
aumentar el alargamiento efectivo, consiguiéndose así mayor
eficiencia en vuelo en modo de avión.
Aunque en el ejemplo representado en el dibujo
las alas 7 se abaten hacía atrás para situarlas en posición
retraída, de igual forma podrían plegarse hacia delante.
De igual forma las características de la
invención son aplicables tanto a una aeronave tripulada como no
tripulada.
Con la constitución descrita, y partiendo de una
configuración en helicóptero, figuras 1 a 3, la nave puede
despegar de manera vertical merced a la tracción proporcionada por
el rotor principal 2, elevándose hasta la altitud deseada. En esta
situación las alas 7 se encontrarán en la posición plegada o
retraída 7', quedando ocultas bajo el fuselaje 1 o a lo largo de
los costados del mismo. La hélice impulsora 4 se encontrará parada.
A continuación y merced a los mecanismos de variación de paso
cíclico del rotor principal, éste proporcionará el empuje necesario
para que la aeronave puede adquirir una cierta velocidad
horizontal, hasta alcanzar el valor que hemos llamado "velocidad
de transición", que es la velocidad a la cual la configuración
de helicóptero comienza a no ser eficiente (en términos de
sustentación partido por resistencia y potencia necesaria para
vuelo horizontal en función de la velocidad de vuelo), en cuyo
momento se comienza el despliegue de las alas 7, según se
representa en a figura 7, hasta alcanzar el despliegue total
representado en las figuras 4 y 6. La aplicación de potencia a la
hélice 4 y la disminución de potencia al rotor principal 2 se lleva
a cabo durante el despliegue de las alas 7, operación que puede
realizare en cuestión de segundos. En este proceso las alas 7 van
desarrollando la sustentación necesaria para mantener la aeronave
en vuelo horizontal, controlándose en este modo de vuelo a través
de las superficies de mando del ala (alerones 8) y de las
superficies de cola 6 timones de profundidad y dirección o
combinados. El rotor principal 2 puede quedar parado y plegarse,
con las aspas 10 dirigidas hacia atrás, según se representa en las
figuras 4 y 5. Puede además añadirse un carenado para el rotor
plegado, dependiendo de las velocidades máximas que se quieran
alcanzar. El rotor de cola 3 se frena ó desembraga al no ser ya
necesario para vuelo en modo de avión.
La aeronave puede mantener vuelo estacionario en
un punto en cualquier momento que se desee, mediante la ejecución
del proceso antes descrito pero en sentido inverso, es decir
disminuyendo la velocidad de avance hasta la "velocidad de
transición" ó superior siempre que no aparezcan fenómenos de
bataneo en palas de rotor, aplicando potencia al rotor principal 2
y al de cola 3 y restándola de la aplicada a la hélice 4, quedando
esta parada y plegando las alas 7 bajo el fuselaje, ó a lo largo de
los costados del mismo, hasta la posición 7'.
Para el aterrizaje se realiza esta misma
operación, quedando la aeronave en modo de helicóptero, con lo cual
puede aterrizar verticalmente con todas las capacidades de maniobra
de este tipo de aeronave.
En una versión que va propulsada por una turbina
de gas y que se utiliza para mover el rotor principal 2 (en este
caso el único rotor al no ser necesario compensar ningún par sobre
el fuselaje) mediante la eyección de los gases por punta de palas
10, de forma que lo hagan girar, el proceso de operación de la
aeronave consiste en despegar como helicóptero merced a la tracción
del rotor que se mueve por la acción de los gases eyectados por
punta de palas. Al adquirir la velocidad horizontal conveniente
"velocidad de transición", parte de los gases son eyectados en
caudales progresivamente mayores por una tobera de empuje
convencional, no representada, que actúan produciendo empuje e
incrementando la velocidad horizontal de la aeronave, desplegándose
entonces las alas 7 que van produciendo la sustentación necesaria
para mantener el vuelo horizontal de la aeronave. Este proceso
continúa hasta que la práctica totalidad de los gases de la turbina
son desviados a la tobera de empuje, quedando el rotor 2 en
autorrotación, parado o plegado, como en el caso de propulsión por
hélice. El proceso descrito se realiza en forma inversa cuando se
pasa de modo de vuelo tipo avión a tipo helicóptero, para vuelo
estacionario o para aterrizaje vertical.
Claims (6)
1. Aeronave con sistema de vuelo convertible,
que puede actuar en forma de helicóptero y de avión y que
comprende un fuselaje (1), un rotor principal (2) de eje vertical y
medios de impulsión, caracterizada porque dispone, en la
parte inferior del fuselaje (1) ó a ambos lados del mismo, de
sendas alas (7) móviles, que pueden oscilar en un plano
aproximadamente horizontal entre una posición retraída (7'), en la
cual quedan adosadas u ocultas a lo largo del fuselaje, y una
posición extraída (7), en la cual sobresalen de dicho fuselaje,
para actuar como alas sustentadoras en vuelo en modo de avión;
ocupando dichas alas la posición retraída cuando los medios de
impulsión actúan en modo de helicóptero y el desplazamiento
horizontal es inferior a una velocidad de vuelo de transición,
mientras que al alcanzar dicha velocidad de vuelo de. transición
las alas se despliegan hasta la posición extraída y los medios de
impulsión actúan en modo de avión.
2. Aeronave según la reivindicación 1,
caracterizada porque la velocidad de vuelo de transición se
encuentra próxima a la velocidad de vuelo que maximiza la relación
sustentación/resistencia, en modo helicóptero.
3. Aeronave según la reivindicación 1,
caracterizada porque los medios de impulsión aumentan su
actuación progresivamente en uno de los modos de vuelo, al mismo
tiempo que reducen su actuación en el otro modo de vuelo.
4. Aeronave según la reivindicación 1,
caracterizada porque una vez alcanzada la velocidad de vuelo
de transición, y después de que las alas (7) alcanzan la posición
extraída, las aspas (10) del rotor principal se sitúan
posteriormente en una posición longitudinal de mínima resistencia
al avance.
5. Aeronave según la reivindicación 1,
caracterizada porque comprende una hélice tractora o
impulsora (4), accionable por los medios de impulsión a través de
una transmisión que discurre a lo largo del fuselaje, cuando
durante su navegación alcanza la velocidad de vuelo de transición
citada.
6. Aeronave según la reivindicación 1, en la que
los medios de impulsión consisten en una turbina de gas,
caracterizada porque comprende unos medios para la eyección
de gases por punta de palas (10) del rotor (2) y una tobera de
empuje hacia la que se dirigen progresivamente los gases de dicha
turbina al alcanzar en navegación la velocidad de vuelo de
transición citada.
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