ES2633217T3 - Vehículo aéreo de despegue y aterrizaje vertical - Google Patents

Abstract

Un vehículo aéreo de despegue y aterrizaje vertical que comprende un bastidor interior (312), un sistema de control (106, 108) un sistema de cardán (301) y un bastidor exterior (304), comprendiendo dicho bastidor interior (312) una propulsión, siendo dicho sistema de propulsión capaz de generar una fuerza de elevación, siendo dicho sistema de control capaz de controlar la orientación del bastidor interior (312), conectando dicho sistema de cardán el bastidor interior (312) al bastidor exterior (304) con al menos dos ejes de rotación (305, 306, 307) que permiten que la libertad de rotación entre el bastidor exterior (304) gire independientemente del bastidor interior (312), caracterizado por que el bastidor interior comprende el sistema de control (106, 108) y el centro de masa del bastidor interior está alineado con cada eje de rotación (305, 306, 307).

Description

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mecánicas que permiten una única rotación entre las dos partes fijadas a la junta.

Una realización de un vehículo aéreo equipado con un cardán que permite dos grados de libertad de giro se muestra en la figura 4. Esta realización es particularmente apropiada cuando los dos ejes de rotación pueden mantenerse en el plano horizontal antes de las colisiones (por ejemplo, con uno de los mecanismos presentados más adelante), de manera que el único eje restringido está alrededor del eje de guiñada, alrededor del cual el bastidor interior puede girar sin afectar gravemente a la estabilidad de la plataforma, ya que las perturbaciones en el alabeo y la inclinación son las más graves para la estabilidad. En la figura 4 se ilustra una realización de un vehículo aéreo equipado con un sistema de cardán que permite que el bastidor exterior gire de acuerdo con dos ejes de rotación 305 y 306. El sistema cardán utiliza un cardán 302 y dos pares de juntas de rotación 309 y 310.

Reducir las perturbaciones de los contactos con objetos externos

En vehículos aéreos convencionales, la estructura de protección (si existe) está rígidamente unida a los sistemas de propulsión y control. El contacto con un objeto externo generará de este modo un par y, por lo tanto, una rotación de todo el vehículo aéreo, incluyendo el sistema de propulsión, de acuerdo con la ecuación (3). Esto podría tener un impacto tan fuerte en la capacidad del vehículo aéreo de mantenerse estable en el aire porque el sistema de propulsión podría no generar ya una fuerza mayormente hacia arriba, y más bien propulsar el vehículo aéreo lateralmente mientras pierde altura. Sin embargo, el desacoplamiento del bastidor interior del bastidor exterior con un sistema de cardán permite que el bastidor interior permanezca independiente de la rotación del bastidor exterior. El contacto con un objeto externo generará así una rotación del bastidor exterior, mientras que el bastidor interior y el sistema de propulsión permanecen en una orientación estable. La figura 5 muestra un ejemplo de colisión con un obstáculo externo 510, describiendo las diferencias entre un vehículo aéreo equipado con un sistema de cardán a) y un vehículo aéreo convencional b). Aunque la figura 5 muestra un ejemplo en 2 dimensiones, el principio es el mismo en 3 dimensiones para contactos en cualquier parte del bastidor exterior.

La figura 5 ilustra una vista lateral de dos situaciones en las que un vehículo aéreo choca con un objeto externo. a) Trayectoria ejemplar 501 de un vehículo aéreo equipado con un sistema de cardán 507 desacoplando la rotación del bastidor exterior 506 del bastidor interior 508 y colisionando con un obstáculo 510. El vehículo aéreo rebota del obstáculo debido a la elasticidad del impacto y es así ligeramente desviado de su trayectoria original. El bastidor exterior 506 gana una cierta velocidad angular 515 después del impacto, pero el bastidor interior 508 que contiene los sistemas de propulsión y control permanece en su orientación original, en la que el sistema de propulsión genera una fuerza de elevación 513 apuntando sobre todo hacia arriba, y el vehículo aéreo puede así continuar hacia la dirección prevista. b) Trayectoria ejemplar 503 de un vehículo aéreo convencional, cuyos sistemas de control y propulsión 511 están conectados rígidamente a un bastidor protector 512, chocando con un obstáculo 510. El impacto genera un par 505 que hace girar el vehículo aéreo en una orientación en la que el sistema de propulsión genera una fuerza 514 que no apunta principalmente hacia arriba. El vehículo aéreo pierde así elevación y va en la dirección hacia la que el sistema de propulsión está generando una fuerza. En la mayoría de las situaciones, el sistema de control no es capaz de estabilizar la orientación del vehículo aéreo lo suficientemente rápido, lo que provoca una gran perturbación en la trayectoria, o incluso un choque contra el suelo.

Suponiendo un sistema de cardán sin fricción en las juntas de rotación que comprenden cardanes de un momento de inercia inapreciable, sólo el momento de inercia del bastidor exterior necesita ser considerado en las ecuaciones (3-7), puesto que sólo el bastidor exterior está girando después de una colisión. Esta reducción del momento de inercia implica que la fuerza F aplicada al vehículo aéreo se reduce y el vehículo aéreo equipado con un sistema de cardán no se ralentiza tanto como un vehículo aéreo convencional después de una colisión. Por lo tanto, el sistema cardán ayuda, no sólo a reducir el par aplicado al bastidor interior por objetos externos, sino también a la fuerza, ayudando así al vehículo aéreo a ir hacia su dirección prevista sin ralentizarse tanto.

Como se describe en la figura 6, la fuerza F aplicada por el objeto externo sobre el bastidor externo 601 de un vehículo aéreo que vuela a una velocidad v 609 equipado con un sistema de cardán 602 se transmite al bastidor interior 603 a través de cada eje descrito en la figura 3, y el vector de fuerza F 608 tiene su origen en el cruce 605 de los ejes de rotación. Si el centro de masa del bastidor interior 604 está desalineado con uno o más de los ejes, el centro de masa experimenta un par

con d 606 la distancia entre el vector de fuerza y el COM. Para reducir el par con el fin minimizar las perturbaciones que afectan a la orientación del bastidor interior, el COM debe alinearse con todos los ejes del sistema de cardán. En la figura 3, la COM debe estar así en el cruce de los 3 ejes.

La figura 6 ilustra una vista lateral del vehículo aéreo equipado con un sistema de cardán 602 chocando con un obstáculo 610. El par 607 generado en el centro de masa 604 del bastidor interior debido a un desalineamiento del COM se representa con respecto al punto de cruce 605 de los ejes de rotación del sistema de cardán. La fuerza 608 aplicada por el objeto externo sobre el vehículo aéreo equipado con un sistema de cardán se aplica al bastidor interior a través de los ejes de rotación del sistema de cardán. El par es proporcional al brazo de palanca d 606, la

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