ES2353029T3 - Vehículo de despegue y aterrizaje vertical sin planos de sustentación giratorios. - Google Patents
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Abstract
Vehículo de despegue y aterrizaje vertical que consiste en un plano de sustentación delantero con geometría variable (1), un plano de sustentación trasero con geometría variable (8), un plano de sustentación trasero con geometría fija (14), un fuselaje y una cabina de pasajeros caracterizado porque cada una de sus turbomáquinas denominadas en lo adelante, Termorreactor, está constituida por un compresor volumétrico rotativo de lóbulos (5), de paletas (51), centrífuga o equivalente cuya sección de aspiración rectangular (4) alimenta de aire comprimido un depósito (6) unido por una parte, a dos cámaras de combustión simétricas (11) cuyos gases quemados accionan dos turbinas simétricas de reacción (12) impulsando el compresor (51), y luego son evacuados por una tobera (13) de sección rectangular únicamente por encima del extradós (14) del plano de sustentación trasero con geometría fija creando así una fuerza de sustentación, y por otra parte, a otra cámara de combustión (71) del propulsor principal (7) de sección rectangular cuyos gases quemados (72) están directamente orientados hacia el extradós del plano de sustentación trasero con geometría variable (8) cuya incidencia, en modo de despegue, se desplaza de forma tal que se genere una fuerza de sustentación, y luego, en modo de vuelo, vuelve a ser llevada a su posición a fin de generar fuerzas de sustentación y de resistencia óptimas.
Description
Vehículo de despegue y aterrizaje vertical sin
planos de sustentación giratorios.
\global\parskip0.900000\baselineskip
La presente invención está relacionada con un
vehículo de despegue y aterrizaje vertical sin planos de
sustentación giratorios.
En la actualidad, solamente los vehículos con
planos de sustentación giratorios (helicópteros), las aeronaves con
planos de sustentación propulsores oscilantes, denominados
Convertibles, y las aeronaves de reacción en las cuales al
menos una tobera se puede orientar hacia abajo, permiten un despegue
y un aterrizaje vertical, así como el vuelo estacionario
(sustentación). El desplazamiento horizontal se asegura por una
ligera oscilación hacia la parte delantera del rotor principal por
el helicóptero, una rotación de aproximadamente 90 grados hacia la
parte delantera del conjunto planos de sustentación - fuerza
propulsora para los Convertibles, y una orientación casi horizontal
de la tobera para los aviones de reacción.
\vskip1.000000\baselineskip
El vehículo de acuerdo a la invención permite
librarse de estos movimientos de rotación y orientación complejos
mecánicamente para asegurar el despegue y el aterrizaje vertical.
Este se basa en la siguiente evidencia:
- \bullet
- la turbomáquina (reactor) utilizada para generar la fuerza propulsora de las aeronaves aspira aire en un colector de entrada de aire, lo comprime, lo mezcla con un carburante (queroseno...), provoca su combustión,y luego expulsa hacia atrás a gran velocidad y a alta temperatura estos gases quemados a través de una tobera.
- \bullet
- la fuerza propulsora es el producto del flujo másico (casi el número de kg de aire aspirado por segundo) por la diferencia de velocidades entrada - salida de los gases.
\vskip1.000000\baselineskip
Por consiguiente, colocando planos de
sustentación adaptados (geometría, incidencia y perfil variables,
espesor, materiales...) para la entrada de aire del compresor de la
turbomáquina y la salida por la tobera de forma tal que los flujos
de entrada-salida de la turbomáquina ocurran
únicamente en sus extradós, aparece una fuerza de sustentación que
asegura así el despegue y el aterrizaje vertical, como se indica en
el documento GB 955 845.
La turbomáquina de acuerdo a la invención está
caracterizada por su propulsor denominado en lo adelante,
Termorreactor, que entre sus propiedades está la de generar flujos
de entrada al compresor - salida por una tobera con secciones
rectangulares adaptadas a los chorros de aire sobre el extradós de
los planos de sustentación antes mencionados.
\vskip1.000000\baselineskip
En la actualidad las turbomáquinas que originan
una fuerza propulsora se dividen principalmente de la siguiente
forma:
- 1
\;
- - El turborreactor: éste toma una masa de aire de la atmósfera, la comprime con la ayuda de un compresor de centrífugo o axial, la mezcla con un carburante (queroseno,...), la quema en una cámara de combustión, y luego orienta estos gases quemados hacia una turbina cuya función es transformar una parte de la energía térmica en energía mecánica de rotación para impulsar el compresor convirtiendo así la turbo máquina en autónoma. Estos gases quemados son posteriormente expulsados a gran velocidad hacia la atmósfera a través de una tobera, produciendo entonces la fuerza propulsora.
\global\parskip1.000000\baselineskip
- 2
\;
- - el estatorreactor: posee una de las estructuras mecánicas más simples (sin compresor mecánico ni turbina), permite alcanzar grandes velocidades de desplazamiento pero necesita previamente una velocidad inicial de avance importante para que la compresión del aire pueda realizarse por "simple" efecto aerodinámico en su entrada de aire.
- 3
\;
- - el pulsorreactor, sobre todo utilizado durante la última guerra por los alemanes con los famosos V1, que funcionaban en un modo pulsado.
\vskip1.000000\baselineskip
El termorreactor de acuerdo a la invención reúne
las ventajas de estos tres modos de propulsión tomando en cuenta
que un compresor volumétrico rotativo de paletas, de lóbulos (Roots)
o equivalente cuya entrada de aire es de sección rectangular aspira
una masa de aire tomada de la atmósfera para comprimirla y luego
orientarla hacia un depósito llamado de tránsito. De este depósito
parten diferentes conductos que alimentan:
- 1
\;
- - el turborreactor: a través de una cámara de combustión abierta sobre una turbina de acción (o reacción) cuya función es convertir una parte de la energía calórica producida en la cámara de combustión en energía mecánica de rotación necesaria para impulsar el compresor. Entonces el turborreactor se vuelve autónomo. La energía calórica restante es posteriormente transformada en energía cinética. Los gases quemados son entonces acelerados por una tobera adaptada y son soplados solamente sobre el extradós de un plano de sustentación colocado consecuentemente.
- 2
\;
- - el estatorreactor: a través de otra cámara de combustión, la energía calórica de los gases quemados altamente energéticos es convertida totalmente en energía cinética, y dichos gases son entonces directamente (más la turbina) orientados por una tobera adaptada y expulsados a gran velocidad produciendo así la fuerza propulsora buscada.
\vskip1.000000\baselineskip
Por otra parte, cada uno de los conductos que
enlaza el depósito con la cámara de combustión está equipado de una
válvula cuya función es controlar de manera óptima los diferentes
flujos de aire acordados en las fases de funcionamiento del
termorreactor.
\vskip1.000000\baselineskip
Según estas diferentes fases de Despegue,
Aterrizaje o Vuelo, los planos de sustentación delanteros y
traseros presentarán las propiedades siguientes:
Para crear una fuerza de sustentación sobre este
plano de sustentación, los gases quemados producidos en una cámara
de combustión y su tobera de secciones rectangulares ubicadas en el
interior de este plano de sustentación delantero, se liberarán con
una velocidad consecuente, únicamente sobre el extradós de
geometría variable que presenta entonces una curvatura óptima
durante esta fase de despegue. Los gases quemados se liberarán
seguidamente al exterior por una abertura dispuesta por debajo de la
entrada de aire principal del compresor.
\vskip1.000000\baselineskip
- 1
\;
- - Los gases quemados del turborreactor expulsados a gran velocidad de su cámara de combustión y su tobera de secciones rectangulares, tras haber cedido una parte de su energía a la turbina para impulsar el compresor, se liberarán por encima del único extradós con un perfil con curvatura fija, generando así una fuerza de sustentación complementaria.
- 2
\;
- - Los gases quemados muy energéticos expulsados de la cámara de combustión de sección rectangular del propulsor principal (estatorreactor), se liberarán sobre el único extradós de un plano de sustentación cuya incidencia variable se estabiliza con el fin de generar una fuerza de sustentación máxima durante esta fase de despegue.
\vskip1.000000\baselineskip
En el vuelo de avance, la fuerza de sustentación
principal se asegura rápidamente por el fuselaje y su cabina
diseñados alrededor de un perfil de ala; esta fuerza de sustentación
es completada por las de 2 planos de sustentación traseros fijos y
la del plano de sustentación con incidencia variable estabilizada
de forma tal que su resistencia sea mínima:
La fuerza de sustentación desarrollada sobre
este plano ya no se justifica - entonces la cámara de combustión se
apaga -, su extradós se vuelve a llevar a una curvatura tal que las
fuerzas de resistencia son mínimas.
\vskip1.000000\baselineskip
Durante el vuelo de avance, este plano vuelve a
llevarse a una incidencia que lo inscribe entonces en la
prolongación global del Termorreactor de forma que presente solo una
resistencia mínima, mientras que genera justamente la fuerza de
sustentación necesaria.
Se instalan dos palas sobre el extradós y el
intradós del grupo propulsor a fin de mantener una temperatura
aceptable en los planos traseros sometidos permanentemente al flujo
de los gases muy calientes expulsados del propulsor principal
(estatorreactor) y de los turborreactores que activan las turbinas.
Este flujo de aire fresco contribuye asimismo a reducir las
molestias sonoras.
En caso de averías graves, la cabina podrá
independizarse del vehículo y continuar su descenso suspendido de un
paracaídas; antes del impacto final, este dispositivo de seguridad
se completa por el despliegue de bolsas de aire bajo la cabina a fin
de garantizar una protección máxima de los pasajeros.
El depósito y las baterías son desplazables para
ajustar permanentemente el centro de gravedad global en una
oposición exacta a la resultante de las fuerzas de sustentación.
Durante todas las fases de despegue, vuelo y
aterrizaje, este vehículo será pilotado prioritariamente por vía
satelital y/o cualquier otro medio terrestre.
El carburante usado será, preferentemente, una
energía llamada renovable de tipo biocarburante (aceite de girasol,
de colza...).
Los diseños que se anexan ilustran la
invención:
La figura 1a representa en corte longitudinal el
grupo propulsor denominado en lo adelante, Termorreactor, con su
plano de sustentación delantero (1) y su extradós (2) con geometría
variable cuya curvatura - en este caso máxima para asegurar una
fuerza de sustentación buscada en fase de despegue - es accionada
por el mecanismo (3), su cámara de combustión (9) y su tobera
(9_{1}) de expulsión de los gases quemados (9_{2}). La entrada
de aspiración del compresor volumétrico rotativo de lóbulos (5) tipo
Roots o de paletas (5_{1}) figura 1b - cuyas bocas (4_{1}) y
(4_{2}) se encuentran en posición de "despegue" -, que
alimenta el depósito (6) con aire comprimido está en comunicación
con la cámara de combustión (7_{1}) del propulsor principal (7)
cuyos gases quemados, al salir de su tobera (7_{2}), soplan sobre
el extradós del plano de sustentación trasero (8) colocado en modo
de "despegue" o (8_{1}) en modo "de vuelo".
La figura 1b representa el extradós (2) del
plano de sustentación delantero (1) en modo de vuelo cuya curvatura
es llevada nuevamente por el mecanismo (3) a un perfil que ofrece
una resistencia mínima; la cámara de combustión (9)está
previamente apagada. Las bocas de entrada de aire (4_{3}) y
(4_{4}) son entonces colocadas en modo de "vuelo". Por la
válvula de mando (10), el depósito (6) de aire comprimido se pone en
comunicación con la cámara de combustión (11) cuyos gases quemados
activan la turbina (12), luego son expulsados a través de la tobera
(13) únicamente sobre el extradós del plano de sustentación
(14).
La figura 1c representa el conjunto de la parte
trasera del Termorreactor y su depósito (6) visto desde arriba con
sus dos compartimientos: cámara de combustión (11), turbina (12) y
su tobera (13). El ventilador (17) montado sobre el eje de rotación
(20) de las turbinas (12) montadas simétricamente, es alimentado con
aire fresco exterior por la entrada (15), y por el conducto (21) se
interpone entre los gases quemados muy calientes que salen de la
tobera (13) y la extradós (14) sobre la cual circulan estos gases.
La polea (16) montada sobre el eje (20) y su correa (o cualquier
otro mecanismo) impulsan el compresor. La contraventana (19) une los
dos conjuntos mencionados anteriormente.
La figura 1d representa el turborreactor por su
cámara de combustión (11) abierta sobre la turbina (12) y cuyos
gases quemados son expulsados por la tobera (13).
La figura 2a representa el Termorreactor en
perspectiva en su configuración de despegue donde el extradós (2)
de su plano de sustentación delantero (1) presenta una curvatura
máxima a fin de desarrollar allí la fuerza de sustentación
(2_{1}) bajo la acción del flujo de los gases quemados (9_{2})
que fluyen por arriba de dicha curvatura y se escapan por la tobera
(9_{3}). El aire fresco exterior (24) es aspirado por la entrada
de aire del compresor (5_{1}) y luego almacenado en el depósito
(6) para alimentar el propulsor principal (7) y desarrollar la
fuerza de sustentación (2_{1}) por el insuflado de los gases
quemados únicamente por encima del extradós del plano de
sustentación trasero (8) representado aquí en posición de despegue.
Los gases quemados (23) al salir de la turbina (12) - y simétricos
-, corren únicamente por encima de los extradós (14) para producir
las fuerzas de sustentación (22).
La figura 2b representa el Termorreactor en
perspectiva en su configuración de vuelo donde el extradós (2) de
su plano de sustentación delantero (1) presenta aquí una curvatura
mínima bajo la acción del mecanismo (3), el aire fresco exterior
(24) bordea entonces dicho plano de sustentación guiado siempre
lateralmente sobre su extradós por las placas (25) hasta la entrada
de aire (4) del compresor (5_{1}); el plano de sustentación
trasero (8_{1}) adquiere nuevamente una incidencia adaptada a la
configuración de vuelo pero siempre sometida al flujo de los gases
quemados (23) en su extradós emitidos por el propulsor principal
(7), y recibe el flujo de aire exterior (24) en su intradós en
vuelo de avance desarrollando de esta forma la fuerza de
sustentación (27).
La figura 3 representa una arquitectura posible
de este vehículo de despegue vertical cuyos dos Termorreactores son
colocados simétricamente con relación al conjunto
fuselaje-cabina que puede acomodar a cuatro
pasajeros. La fuerza de sustentación F_{C} generada por este
conjunto representa cerca de 2/3 de la fuerza de sustentación
global. La figura 3_{1} representa el vehículo en modo de
"Despegue" y sus fuerzas de sustentación F_{1}, F_{2},
F_{3} desarrolladas por los planos de sustentación delanteros y
traseros (fijos y variables); la figura 3_{2} representa este
vehículo en modo de "Vuelo".
El depósito de carburante R y la batería
instalada en el fuselaje pueden ser desplazados de manera que se
mantenga permanentemente el equilibrio estático y dinámico del
vehículo.
Claims (4)
1. Vehículo de despegue y aterrizaje vertical
que consiste en un plano de sustentación delantero con geometría
variable (1), un plano de sustentación trasero con geometría
variable (8), un plano de sustentación trasero con geometría fija
(14), un fuselaje y una cabina de pasajeros caracterizado
porque cada una de sus turbomáquinas denominadas en lo adelante,
Termorreactor, está constituida por un compresor volumétrico
rotativo de lóbulos (5), de paletas (5_{1}), centrífuga o
equivalente cuya sección de aspiración rectangular (4) alimenta de
aire comprimido un depósito (6) unido por una parte, a dos cámaras
de combustión simétricas (11) cuyos gases quemados accionan dos
turbinas simétricas de reacción (12) impulsando el compresor
(5_{1}), y luego son evacuados por una tobera (13) de sección
rectangular únicamente por encima del extradós (14) del plano de
sustentación trasero con geometría fija creando así una fuerza de
sustentación, y por otra parte, a otra cámara de combustión
(7_{1}) del propulsor principal (7) de sección rectangular cuyos
gases quemados (7_{2}) están directamente orientados hacia el
extradós del plano de sustentación trasero con geometría variable
(8) cuya incidencia, en modo de despegue, se desplaza de forma tal
que se genere una fuerza de sustentación, y luego, en modo de
vuelo, vuelve a ser llevada a su posición a fin de generar fuerzas
de sustentación y de resistencia óptimas.
2. Vehículo según la reivindicación 1
caracterizado porque, en modo de despegue, bajo la acción de
un mecanismo (3) neumático con resorte de retroceso o equivalente,
el extradós (2) unido al plano de sustentación delantero con
geometría variable (1) por articulaciones apropiadas, presenta
entonces una curvatura máxima sobre la cual corren los gases
quemados (9_{2}) producidos en una 3era cámara de combustión (9)
de la misma arquitectura que la cámara de combustión (7_{1}),
creando entonces una fuerza de sustentación (2_{1}), los gases se
evacuan seguidamente al exterior por la tobera (9_{3}) - abertura
instalada bajo la entrada de aire del compresor -, y en modo de
vuelo -la 3era cámara de combustión (9) está apagada -, este
extradós (2) del plano de sustentación delantero con geometría
variable (1) vuelve a ser llevado por el mecanismo (3) a una
curvatura tal que el plano de sustentación delantero (1) presenta
un perfil con resistencia mínima.
3. Vehículo según una de las reivindicaciones
precedentes caracterizado porque el depósito de carburante y
la batería eléctrica, ambas instaladas en el fuselaje, son
transformadas en móviles a fin de mantener el equilibrio estático y
dinámico del vehículo durante sus diferentes modos de vuelo.
4. Vehículo según una de las reivindicaciones
precedentes caracterizado porque la cabina de pasajeros, en
caso de avería grave, se puede independizar de dicho vehículo y
luego, tras desplegar bolsas de aire bajo su piso y abrir un
paracaídas, puede continuar su descenso hasta el suelo preservando
la integridad física de los pasajeros.
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