ES2906820T3

ES2906820T3 - Configuración para sistema de despegue y aterrizaje verticales para vehículos aéreos

Info

Publication number: ES2906820T3
Application number: ES17807144T
Authority: ES
Inventors: Andrei Evulet
Original assignee: Jetoptera Inc
Current assignee: Jetoptera Inc
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2022-04-20
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: KR102292343B1; KR20210053356A; CN109071033B; JP6950971B2; WO2017209820A2; EP3426557A4; CN109071033A; CA3017263A1; AU2017274156A1; AU2023200178A1; BR112018068259A2; EP3426557B1; IL261682A; KR102416862B1; JP2019513104A; CN116002058A; WO2017209820A3; EP3426557A2; AU2017274156B2; KR20180122678A

Abstract

Un vehículo (400), que comprende: un cuerpo (101) principal que tiene una parte (102) de frente, una parte (103) de cola, un lado de estribor y un lado de babor; un generador (104) de fluido acoplado al cuerpo (101) principal y que produce una corriente de fluido; al menos un conducto (111) de frente acoplado de forma fluida al generador (104); al menos un conducto (112) de cola acoplado de forma fluida al generador (104); eyectores (105,106) de frente primero y segundo acoplados de forma fluida al, al menos, un conducto (111) de frente, acoplados a la parte (102) de frente y acoplados respectivamente al lado de estribor y al lado de babor, los eyectores de frente (105,106) que comprenden respectivamente una estructura de salida fuera de la cual fluye fluido desde el al menos un conducto (111) de frente a una velocidad ajustable predeterminada; al menos un eyector (109,110) de cola acoplado de forma fluida al, al menos, un conducto (112) de cola y acoplado a la parte (103) de cola, el al menos un eyector (109,110) de cola que comprende una estructura de salida de la cual fluye fluido del al menos un conducto (112) de cola a una velocidad ajustable predeterminada; y un elemento (115) de perfil aerodinámico principal que tiene una superficie, el elemento (115) de perfil aerodinámico principal acoplado a la parte (103) de cola, la superficie del elemento (115) de perfil aerodinámico principal está ubicada directamente en sentido descendente del primer y segundo eyectores (105,106) de frente de manera que el fluido de los eyectores (105,106) de frente primero y segundo fluya sobre la superficie del elemento (115) de perfil aerodinámico principal; caracterizado por que el elemento (115) de perfil aerodinámico principal comprende un ala (409) cerrada que tiene un borde de ataque y un borde de salida, los bordes de ataque y de salida del ala (409) cerrada que definen una región interior.

Description

DESCRIPCIÓN

Configuración para sistema de despegue y aterrizaje verticales para vehículos aéreos

Antecedentes

Cada aeronave VTOL se enfrenta a la problemática del tamaño del/de los motor(es) y el equilibrio de fuerzas. Véase Daniel Raymer, Aircraft Design: A Conceptual Approach (AIAA Education Series), página 754 (5a ed. 2012).

El despegue vertical se puede conseguir con una alta relación empuje-peso. Por el contrario, durante el vuelo horizontal (crucero), las fuerzas de sustentación tienen parte en la aeronave y los requisitos de empuje son mucho menores. Sin embargo, si la intención es diseñar una aeronave que vuele horizontalmente durante un periodo de tiempo, el requisito de VTOL hará que los requisitos del motor sean demasiado limitantes, lo que añadirá mucho peso que luego se transporta en condiciones de crucero sin funcionalidad. Por lo tanto, el tamaño del motor y el empuje adecuado para una aeronave VTOL con control de crucero se convierte en un problema importante.

El equilibrio es uno de los aspectos más importantes en el diseño de una aeronave VTOL. Durante la fase de despegue, el empuje debe distribuirse alrededor de la aeronave y los momentos se equilibran alrededor del centro de masa para que la aeronave permanezca en equilibrio. La aeronave no se puede equilibrar si el origen del empuje está en un solo lugar. Por ejemplo, incluso cuando una aeronave horizontal como e1Harrier se equilibra en el aire, la aeronave necesita emplear varios elementos generadores de empuje en ubicaciones elegidas específicamente para cancelar los momentos siempre (calculados como fuerza (empuje) x brazo del momento alrededor del centro de la masa de la aeronave). Esto es difícil de lograr si la mayor parte del empuje está ubicado, por ejemplo, en la parte trasera de la aeronave (como se encuentra típicamente en una aeronave VTOL). Los diseños anteriores de dichas aeronaves se describen en los documentos US2946540, US3361386, US5062588, US3051413 y US2932468.

Breve descripción de las figuras de los dibujos

La FIG. 1 ilustra una vista superior de una realización de la presente invención;

la FIG. 2 es una vista trasera de la realización de la presente invención que se muestra en la FIG. 1;

la FIG. 3 es una vista delantera de la realización de la presente invención que se muestra en la FIG. 1;

la FIG. 4. ilustra una realización alternativa de la presente invención en una vista isométrica en despiece;

la FIG. 5 es una vista en perspectiva trasera de una realización alternativa de la presente invención;

la FIG. 6 ilustra la progresión de una realización de la presente invención desde el despegue hasta el vuelo nivelado en relación con una superficie de aterrizaje/despegue; y

la FIG. 7 ilustra la mitad superior de un motor de turboeje/turbohélice con puntos destacados de las estaciones del flujo según una realización de la presente invención.

Descripción detallada de la realización preferida

Esta solicitud pretende describir una o más realizaciones de la presente invención. Se ha de entender que el uso de términos absolutos, tales como "debe", "hará" y similares, así como cantidades específicas, debe interpretarse como aplicable a una o más de dichas realizaciones, pero no necesariamente a todas esas realizaciones. Como tales, las realizaciones de la invención pueden omitir o incluir una modificación de uno o más rasgos característicos o funcionalidades descritas en el contexto de dichos términos absolutos. Además, los títulos de esta solicitud son solo para fines de referencia y no influirán de ninguna manera en el significado o la interpretación de la presente invención.

La presente solicitud se refiere en general al aumento del empuje en vehículos aéreos no tripulados. En particular, una o más realizaciones de la presente invención descritas en la presente solicitud proporcionan soluciones únicas a la problemática de las aeronaves de despegue y aterrizaje verticales (VTOL) y de despegue y aterrizaje cortos (STOL). Tal como se usa en el presente documento, el término "avión de despegue vertical" puede referirse a una o más realizaciones de la presente invención.

Una realización de la presente invención aborda la cuestión de la relación empuje-peso y el dimensionamiento del motor con la mejora y el aumento del empuje. En una realización preferida de la presente invención, los propios eyectores/propulsores están diseñados para permitir un aumento superior a 2:1 y cercano a 3:1. Esto significa que estos propulsores están diseñados para producir un empuje que es 2-3 veces mayor que el empuje producido por un turborreactor convencional. Diseños de aumento del empuje se describen en la solicitud de patente provisional de EE. UU. 62/213.465, titulada SISTEMA PROPULSOR DE FLUIDOS Y GENERADOR DE EMPUJE Y SUSTENTACIÓN EN VEHÍCULOS AÉREOS NO TRIPULADOS, presentada el 2 de septiembre de 2015 ("la solicitud provisional '465") y la solicitud de patente de EE. UU. n.° 15/256.178 presentada el 2 de septiembre de 2016 ("la solicitud '178"). Tal como se usa en la presente memoria, "propulsores" se referirá a dichos eyectores/propulsores con un aumento significativo según se describen en la solicitud provisional '465, así como cualquier versión posterior o mejora de la misma.

En una realización preferida de la presente invención, el propulsor se utiliza con un generador de gas como fuente del flujo principal. Si bien no es necesario utilizar un propulsor de este tipo con un generador de gas que suministre el flujo principal en la presente invención, la utilización de un propulsor de este tipo puede mejorar los efectos del aumento del empuje.

Se puede conseguir un mayor aumento a través de un eyector principal secundario que se puede formar usando el escape de los propulsores junto con un ala en caja cerrada del avión de despegue vertical que actúa como una cubierta.

Los efectos de la cubierta pueden aumentar aún más el empuje en al menos un 10-25%. En efecto, los propulsores y la cubierta pueden tener un efecto combinado en el aumento del empuje de, por ejemplo, 1,1 (desde los propulsores cerrados) multiplicado por 2,5 (de los propulsores), lo que da como resultado un aumento total de 2,75. Por lo tanto, dicho sistema puede producir un empuje que es igual al peso de la aeronave en el despegue aumentando de otra manera un empuje de ~2,75 generado por un simple turborreactor.

En cualquier aeronave que despegue verticalmente sobre su cola, la aeronave necesitaría naturalmente ajustar su inclinación para nivelarse en la inclinación aceptable y reducir el empuje para mantener la aeronave volando hacia adelante a una velocidad de crucero constante. La reducción del empuje a través de la reducción del regulador puede ajustar la potencia necesaria para superar la resistencia aerodinámica de la aeronave, lo que también puede significar un aumento menor de todo el sistema y suficiente para impulsar la aeronave hacia adelante y mantener su velocidad.

En una realización de la presente invención, una aeronave de 150 lb (68 kg) puede emplear un turborreactor de 75 lbf (333,62 N) adaptado para convertirse en un generador de gas. Este concepto se describe en la solicitud de patente provisional de EE. UU. 62/263.407, titulada GENERADOR DE GAS CON MICROTURBINA Y SISTEMA PROPULSOR, presentada el 4 de diciembre de 2015 ("la solicitud provisional '407) y la solicitud de patente de EE. UU. n.° 15/368.428 presentada el 2 de diciembre de 2016 ("la solicitud '428").

En esta realización, estos eyectores de aumento del empuje pueden producir un aumento de, por ejemplo, 1,75 veces el original, lo que significa 75 multiplicado por 1,75, lo que da como resultado un empuje aumentado de 131,25 lbf (583,82 N). Sin una cubierta alrededor del propulsor, el empuje puede estar limitado a este valor y puede que el empuje no permita levantar la aeronave del suelo. Sin embargo, en un ala con una estructura en caja alrededor del/de los propulsor(es) principal(es) que cubre estos propulsores, el aumento global del empuje se vuelve, por ejemplo, 1,15 multiplicado por 131,25, lo que da como resultado 150,94 lbf (671,41 N), y, de ahí que, sobrepasa el peso de la aeronave y permite el despegue.

A medida que se consume combustible a bordo del avión de despegue vertical, el peso del vehículo se vuelve más ligero y la aceleración del vehículo se vuelve más grande, por lo que el despegue se realiza a mayor velocidad y aceleración. Puesto que el vehículo no puede estar habitado, las aceleraciones pueden sobrepasar las aceleraciones limitadas actualmente para humanos y que están restringidas por las normas de seguridad humana no amenazantes para la vida. En una realización, las aceleraciones pueden sobrepasar 20 veces la aceleración gravitatoria. Como tal, después de un breve periodo de tiempo, el vehículo puede tener la capacidad de cambiar su inclinación y conseguir un vuelo nivelado mediante cambios en la superficie de control y en el regulador. La sustentación aumenta a medida que el vehículo cambia su inclinación, mientras que el aumento combinado también disminuye en valor como consecuencia del retroceso del regulador. El avión de despegue vertical puede entonces conseguir un vuelo nivelado reduciendo simultáneamente la carga del motor (corriente principal del generador de gas ergo) a los propulsores en el primer nivel y permitiendo que el ala en caja produzca la sustentación adecuada para mantener la inclinación, mientras que los propulsores producen suficiente empuje para superar la resistencia aerodinámica.

Por el contrario, en la aproximación al destino, la inclinación de la aeronave se puede ajustar con un mayor ángulo de ataque y el aumento de empuje nuevamente desplaza la necesidad de sustentación, ya que la velocidad de avance se reduce y la aeronave finalmente puede aterrizar verticalmente, en su parte de cola, equilibrada mediante los propulsores y el efecto de aumento combinado.

Una o más realizaciones de la presente invención pueden superar el problema del equilibrio de las fuerzas y los momentos al tener brazos de momento más pequeños que los necesarios para equilibrarlos alrededor del centro de masa, lo que se consigue al tener una distribución del empuje en diversas ubicaciones en la aeronave. Esto, a su vez, permite que estas realizaciones tengan más control y hace que sea más fácil mantener una posición suspendida/vertical.

Como se analiza en las solicitudes provisionales '465 y '407, la tecnología única permite la distribución del empuje en diversas ubicaciones de la aeronave, con niveles de aumento conseguidos en diversos propulsores (por ejemplo, en la parte delantera, los “eyectores de frente" detrás de las alas canard, empleados en las fases de vuelo estacionario de despegue y aterrizaje y apagados en un vuelo nivelado, y en la parte trasera, los "eyectores de cola" que generan la mayor parte del empuje).

Un pequeño minimotor a reacción convencional (de <250 Ibf (1112 N) de empuje) normalmente proporciona el empuje en una sola ubicación, normalmente en el centro de la sección de escape. Unos pequeños turboventiladores también proporcionan el empuje en un punto concentrado de la aeronave. Una o más realizaciones de la presente invención permiten la distribución del empuje de una forma casi lineal y/o no circular, en contraposición a una forma circular, y así distribuir el empuje por la longitud de un ala u otras superficies de perfil aerodinámico y/o superficies de control de una aeronave. En el avión de despegue vertical, tanto la corriente caliente principal como la parte de aire de purga de la corriente del compresor se utilizan como fluidos motores para los propulsores de aumento. Puesto que esta realización permite la distribución del empuje de forma lineal, principalmente no circular y distribuida, no en un punto concentrado, se consigue una mejor eficacia propulsora de la aeronave. Además, existe el rasgo característico opcionalmente ventajoso de moldear y conformar el propulsor según la forma de los perfiles aerodinámicos para obtener un mejor rendimiento (p. ej., aumentar el margen de pérdida de un ala canard determinada si el propulsor se sitúa en sentido descendente o aumentar la sustentación de un ala principal si el propulsor se sitúa en una ubicación óptima en sentido ascendente de dicha ala principal). Por lo tanto, el empuje distribuido mejora el rendimiento de la aeronave mediante otra forma de distribución de una corriente rápida y caliente del turborreactor de 75 lbf (333,62 N) desde una ubicación concentrada en la parte trasera del motor turborreactor a, por ejemplo, al menos cuatro ubicaciones de la aeronave. En este ejemplo, los propulsores están montados en estas cuatro ubicaciones en el vehículo de manera óptima, de manera que (i) reciben la corriente de gas o aire presurizado del sistema de purga del compresor y el escape del generador de gas respectivamente y (ii) aumentan cada una de las cuatro fuerzas de empuje que de otro modo resultarían de la expansión isoentrópica sencilla de las cuatro corrientes primarias en 1,5-3 veces. Esto también da como resultado un flujo y un empuje distribuidos ventajosos desde las cuatro ubicaciones, con lo cual mejora la capacidad de maniobra de la aeronave y la eficacia de la propulsión.

Una realización (una versión de turbohélice STOL) de la presente invención incluye un aumento del empuje basado en el fluido motriz proporcionado por un sistema de purga de un generador de gas. El sistema de purga proporciona a los propulsores delanteros de babor y estribor el aire motriz procedente de la purga. Los propulsores delanteros proporcionan un aumento correspondiente a un empuje específico de 100-300 lbf (444,82-1334 N) por cada lb/s de aire motriz proporcionado por el sistema de purga. Este valor supera con creces el empuje específico típico de 50 65 lbf/lb/s (490 - 637 N/kg/s) obtenido con pequeños motores turborreactores, a causa de la eficacia limitada de los componentes y la falta de tecnologías avanzadas. Cuando se convierte en un generador de gas, el valor del aire comprimido se utiliza empleando los propulsores en la parte delantera y trasera del sistema, lo que da como resultado relaciones de aumento de más de 2:1. Como tal, se puede obtener más empuje con la misma entrada de energía.

En dicha realización, se emplea una válvula de control para proporcionar el equilibrio de flujo entre los propulsores de babor y estribor. La modulación del aire se puede obtener con válvulas colocadas entre la purga del motor y la caja de válvulas de control. Las válvulas permiten el control del flujo en cada propulsor y/o el equilibrio del flujo del aire motor entre los dos propulsores delanteros abriendo o cerrando un paso a uno o ambos propulsores delanteros y cambiando el suministro de fluido motriz. Esto, a su vez, genera un desequilibrio en el empuje, y el desequilibrio da como resultado el cambio en la inclinación de la aeronave. Los propulsores también se pueden girar alrededor de su eje principal, mientras se modulan para el flujo principal (flujo de fluido motriz) al mismo tiempo. Esto permite controlar el cabeceo y el balanceo, así como cierto control limitado sobre la orientación y combinaciones de los mismos.

En una realización, a los propulsores se les suministra una corriente caliente de gas de escape a alta presión proporcionada por el generador (menos el aire de purga) a través de una pieza de transición o conducto. La pieza de transición conecta el escape del generador de gas a dichos propulsores traseros. Los propulsores utilizan este suministro como aire motriz para aumentar el empuje. Este sistema de aumento con reactores está diseñado específicamente para permitir un movimiento rápido del vehículo a costa de un consumo adicional de combustible, lo que resulta en velocidades aerodinámicas del vehículo superiores a 200 MPH (320 km/h) y eficacias de propulsión cercanas al 80-90%. El sistema da como resultado un consumo de combustible específico típico de 0,8-1,1 lb/h de combustible por lbf (0,08-0,11 kg/h por Newton generado)) que es típico de los ventiladores de derivación baja, pero sin un ventilador o turbina que impulse el ventilador. Estos niveles son mucho más eficaces que los típicos 1,5 lb/h por lbf (0,15 kg/h por Newton) que normalmente se obtienen con pequeños turborreactores, la mayoría de los mercados actuales de drones. El sistema también puede conseguir el rendimiento del consumo específico de combustible de un turboventilador de derivación bajo a una escala mucho más pequeña y sin emplear una turbina libre y un ventilador per se, con lo cual reduce el peso y la complejidad de todo el sistema de propulsión y elimina un gran motor en movimiento como el conjunto de ventilador/turbina libre.

En una realización, si la misión de la aeronave es de mayor duración/alcance y velocidades aerodinámicas más lentas con mayores eficacias de propulsión, entonces la sección trasera del sistema de propulsión puede hacerse lo suficientemente flexible para ser sustituida por un sistema de turbina/hélice al tiempo que se mantiene el generador de gas común idéntico (frente al sistema de propulsión) y los propulsores "fríos" de aumento. La turbina recibirá el mismo flujo que en el caso del sistema de aumento con reactores, pero puede extraer la energía del flujo de escape del generador de gas y convertirla en trabajo mecánico utilizado para hacer girar la hélice en lugar de aumentar el flujo de forma fluida en un propulsor de tipo eyector. Las interfaces son muy similares, la sustitución consiste en la retirada del conducto de la pieza de transición por un conducto que conduce los gases calientes a presión hacia la turbina libre que acciona la hélice, después de lo cual los gases de escape son expulsados en dirección descendente y hacia el chorro de la hélice. La ventaja de un sistema tan flexible es que con una disposición similar, un impulsor de turbohélice o un sistema de aumento con reactores puede ser intercambiable, lo que permite al usuario elegir el sistema en función de la misión en cuestión. Como tal, un sistema impulsor de turbohélice como se describe puede alcanzar un nivel de consumo de combustible específico por debajo de 0,6 lb/h por cada caballo de fuerza (0,36 kg/h por kW) o un empuje lbf equivalente conseguido. En una realización de la presente invención, el UAV puede ser capaz de entregar un paquete a una distancia de hasta 200 millas (320 km) moviéndose a una velocidad de crucero promedio de 150 mph (240 km/h).

Además, la hélice se puede contener perfectamente, por ejemplo, mediante el sistema de ala en caja descrito en la presente memoria y, por tanto, el ruido generado por el turbohélice se puede reducir significativamente por medios directos (ala en caja) e indirectos (materiales de reducción de ruido dentro del ala). Además, el turbohélice aún se beneficia de la presencia de los propulsores delanteros y el uso de aire de purga para impulsarlos, lo que permite no solo el VTOL sino, cuando sea adecuado y no necesario el VTOL, el despegue y aterrizaje cortos.

En una o más realizaciones de la presente invención, el concepto de despegue y aterrizaje cortos (STOL) se puede conseguir mediante el empleo de propulsores delanteros, lo que reduce significativamente la longitud de carrera necesaria para el despegue. Al girar los propulsores, se puede orientar un empuje vectorial adicional para aumentar la inclinación durante el despegue y reducir la longitud necesaria en comparación con una aeronave convencional. Los propulsores delanteros pueden apagarse durante el crucero o el merodeo, o reactivarse en diversas etapas del vuelo, para aumentar la sustentación, el empuje o ambos. El aumento del empuje se puede lograr a través del diseño mismo de los propulsores. El aumento de la sustentación se puede lograr colocando los propulsores delanteros tanto con respecto al canard (alas delanteras) como con el ala en caja principal. La ubicación en sentido descendente de los propulsores delanteros retrasa la pérdida de las alas canard, lo que permite operar en ángulos de ataque más altos y coeficientes de sustentación más altos antes de que se produzca la pérdida. Esto se debe a la menor presión creada delante de los propulsores, lo que retrasa la separación en la parte superior del ala, la principal causa de la pérdida en la mayoría de las alas en ángulos de ataque altos. El aumento de sustentación gracias al ala principal se debe principalmente al aumento de flujo resultante desde los propulsores delanteros, localmente mayor que la velocidad aerodinámica del vehículo, dicho flujo es guiado sobre la parte inferior del ala en caja y, como saben los familiarizados con la materia, aumenta la sustentación del ala principal.

Las FIG. 1-3 ilustran un vehículo 100 según una realización de la invención desde diferentes vistas en perspectiva. En las FIG. 1 -8, el vehículo 100 tiene un sistema propulsor de aumento con reactores y con un énfasis particular en las capacidades VTOL. Más específicamente, el vehículo 100 incluye un cuerpo 101 principal que tiene una parte 102 de frente y una parte 103 de cola. El cuerpo 101 principal puede incluir una parte de cabina (no se muestra) configurada para permitir la operación tripulada del vehículo 100. Como ocurre con todas las embarcaciones aéreas/de vela, el vehículo 100 tiene un lado de estribor y un lado de babor. Un generador 104 de fluido está acoplado al cuerpo 101 principal y produce una corriente de fluido. En una realización, el generador 104 de fluido está dispuesto en el cuerpo 101 principal. Al menos un conducto frontal (111 en la FIG. 3) y al menos un conducto 112 de cola están acoplados de forma fluida al generador 104.

Los eyectores 105, 106 de frente primero y segundo están acoplados de forma fluida al, al menos, un conducto 111 de frente, acoplados a la parte 102 de frente y respectivamente acoplados al lado de estribor y al lado de babor. Los eyectores 105, 106 de frente incluyen respectivamente una estructura 107, 108 de salida de la cual fluye fluido desde el al menos un conducto 111 de frente a una velocidad ajustable predeterminada. Además, la totalidad de cada uno de los eyectores 105, 106 de frente puede girar alrededor de un eje orientado en paralelo a los bordes de ataque de los eyectores de frente (es decir, el eje transversal) para proporcionar orientación de empuje tanto con los componentes hacia adelante como hacia arriba, lo que permite, por ejemplo, que el vehículo 100 pueda despegar y continuar ascendiendo con ángulos de ataque mucho más pronunciados y, de este modo, reducir la longitud de carrera necesaria. Al final del ascenso o durante el ascenso, los eyectores 105, 106 de frente se pueden realinear con la dirección principal de vuelo o desconectarse por completo apagando las válvulas de purga del motor/generador 104 de gas y, por consiguiente, adaptando la velocidad y el funcionamiento del generador de gas, impulsar el sistema de propulsión trasero (por ejemplo, eyectores 109, 110 de cola). Después del aterrizaje, los eyectores 105, 106 de frente se pueden girar 180 grados para proporcionar un empuje inverso contra la dirección del aterrizaje, acortando la longitud del aterrizaje. En una realización, la totalidad de cada uno de los eyectores 105, 106 de frente puede girar alrededor de un eje orientado perpendicularmente a los bordes de ataque de los eyectores de frente.

Los eyectores 109, 110 de cola primero y segundo están acoplados de forma fluida al, al menos, un conducto 112 de cola y acoplados a la parte 103 de cola. Los eyectores 109, 110 de cola incluyen una estructura 113, 114 de salida de la cual fluye fluido desde el al menos un conducto 112 de cola a una velocidad ajustable predeterminada. Además, la totalidad de cada uno de los eyectores 109, 110 de cola puede girar alrededor de un eje orientado en paralelo a los bordes de ataque de los eyectores de cola (es decir, el eje transversal). En una realización, la totalidad de cada uno de los eyectores 109, 110 de cola puede girar alrededor de un eje orientado perpendicularmente a los bordes de ataque de los eyectores de cola.

En una realización, el generador 104 de fluido incluye una primera región en la que la corriente de fluido está a baja temperatura y una segunda región en la que la corriente de fluido está a alta temperatura. El al menos un conducto 111 de frente proporciona fluido desde la primera región a los eyectores 105, 106 de frente, y el al menos un conducto 112 de cola proporciona fluido desde la segunda región a los eyectores 109, 110 de cola.

Un elemento 115 de perfil aerodinámico principal está acoplado a la parte 103 de cola. El elemento 115 está ubicado directamente en sentido descendente de los eyectores 105, 106 de frente de manera que el fluido de los eyectores de frente fluye sobre al menos una superficie aerodinámica del elemento de perfil aerodinámico principal. El elemento 115 de perfil aerodinámico principal es un ala cerrada que tiene un borde 121 de ataque y un borde 122 de salida, los bordes de ataque y de salida del ala cerrada que definen una región 123 interior. Los eyectores 109, 110 de cola están dispuestos al menos parcialmente dentro de la región 123 interior (es decir, entre el borde 121 de ataque y el borde 122 de salida) y se pueden mover de forma controlada (por ejemplo, avance, retracción, etc.) dentro de la región interior en relación con el elemento 115 de perfil aerodinámico. Como tal, se forma una cubierta mediante el elemento 115 de perfil aerodinámico principal alrededor de los eyectores 109, 110 de cola, formando de este modo un macroeyector.

El vehículo 100 incluye además unas alas 117, 118 de canard primera y segunda acopladas a la parte 102 frontal y respectivamente acopladas al lado de estribor y al lado de babor. Las alas 117, 118 de canard están configuradas para desarrollar capas delimitadoras de aire ambiental que fluyen sobre las alas de canard cuando el vehículo 100 está en movimiento. Las alas 117, 118 de canard están ubicadas respectivamente directamente en sentido ascendente de los eyectores 105, 106 de frente de manera que los eyectores de frente se acoplan de forma fluida a las capas delimitadoras. Los eyectores 105, 106 de frente incluyen respectivamente partes 119, 120 de entrada (es decir, bordes de ataque), y los eyectores de frente están colocados de manera que las capas delimitadoras son ingeridas por las partes de entrada.

La FIG. 4 ilustra en vista en despiece de un vehículo 400 según una realización alternativa. En aras de la brevedad, los elementos ilustrados en la FIG. 4 que tienen características idénticas a sus homólogos ilustrados en las FIG. 1-3 se indican utilizando el mismo número de referencia. El vehículo 400 incluye un generador 104 de fluido, eyectores 109, 110 de cola, un conducto 112 de cola para guiar el gas de escape caliente a presión a los eyectores de cola y un puntal de soporte de los propulsores 401 traseros. El vehículo 400 incluye además alas 117, 118 de canard, un colector 402 de aire de purga y un conducto 111 de frente que conecta el colector de aire de purga a una caja 403 de válvulas de control que tiene una válvula 404 de control del motor que modula el flujo de fluido a los eyectores 105, 106 de frente y el equilibrio del suministro de flujo principal entre los eyectores de frente. Las líneas 405 flexibles guían el aire de purga comprimido desde la caja 403 de válvulas de control hasta los eyectores 105, 106 de frente. Cada uno de los eyectores 105, 106 de frente incluye un reborde 406 y un motor 407 para girar los eyectores de frente alrededor del eje 408.

El vehículo 400 incluye además un elemento 115 de perfil aerodinámico principal con superficies de control tales como timones, elevones, elevadores, etc., un elemento 409 de perfil aerodinámico de ala cerrada adicional y un elemento 410 de perfil aerodinámico de ala cerrada secundario. El elemento 410 de perfil aerodinámico secundario tiene un borde de ataque situado directamente en sentido descendente de la estructura de salida 113, 114 de los eyectores 109, 110 de cola de manera que el fluido de los eyectores de cola fluye sobre una superficie del al menos un elemento de perfil aerodinámico secundario. El vehículo 400 incluye además una aleta central y un timón 124, una parte 103 de cola que transporta un depósito, un generador 104 de fluido y controles, y una parte 102 de frente.

La FIG. 5 ilustra un vehículo 500 según una realización alternativa. En aras de la brevedad, los elementos ilustrados en la FIG. 5 que tienen características idénticas a sus homólogos ilustrados en las FIG. 1-3 se indican utilizando el mismo número de referencia. El vehículo 500 incluye un sistema propulsor de turbohélice con especial énfasis en las capacidades de despegue y aterrizaje cortos (STOL). El vehículo 500 incluye todos los rasgos característicos del vehículo 100 excepto los eyectores 109, 110 de cola. En su lugar, el vehículo 500 incluye una hélice 510 impulsada por una turbina (no se muestra), que a su vez es accionada por un generador de 104 fluido. Una realización puede incluir un conjunto 520 de soporte, como patas u otro dispositivo adecuado, que proporcione soporte al vehículo 500 de manera que haya suficiente espacio y/o desplazamiento entre la hélice 510 y una superficie de aterrizaje/despegue cuando el vehículo 500 está en reposo. El conjunto 520 de soporte preferiblemente se extiende desde la parte 103 de cola y es sustancialmente paralelo al cuerpo 101 principal.

La FIG. 6 ilustra la progresión (A-D) desde el despegue hasta el vuelo nivelado en relación con una superficie 600 de aterrizaje/despegue del vehículo 100. Los eyectores 105, 106 de frente móviles pueden ser responsables del ajuste fino de la orientación del vehículo 100 en vuelo hasta el vuelo nivelado (crucero). Un aspecto de esta realización es que los eyectores 109, 110 de cola, que son más grandes y emplean gases calientes como fluido principal, no necesariamente necesitan girar para controlar la inclinación, mientras que los eyectores 105, 106 de frente, que son más pequeños y funcionan con gas más frío a partir de la descarga o purga del compresor, pueden girar para mantener la altitud y la inclinación del vehículo 100 y conducir su orientación en vuelo hasta la posición e inclinación deseadas. Los eyectores 105, 106 de frente podrían apagarse desde una válvula de control central que cierre el puerto de purga y/o retraerse dentro de la parte 102 de frente, lo que permite que el generador 104 de fluido funcione en la condición accionada por el regulador (menos del 100% de velocidad) y todavía genere gases calientes en la parte trasera para suministrar fluido principal a los eyectores 109, 110 de cola con la válvula de purga del fluido principal cerrada. Todavía es posible un aumento de 2:1 en vuelo nivelado, con una contribución menor o nula del ala en caja que actúa como cubierta para el eyector más grande o macro eyector por los eyectores 109, 110 de cola y el propio elemento 115 de perfil aerodinámico.

El efecto ventajoso de combinar los eyectores 109, 110 de cola, que producen un flujo de aire de alta velocidad, con el elemento 115 de perfil aerodinámico principal para generar un aumento de empuje adicional es particularmente útil cuando el despegue es en una configuración de avión de despegue vertical. Los eyectores 109, 110 de cola se convierten en la boquilla principal de un eyector clásico. Luego, el elemento 115 de perfil aerodinámico principal, junto con los eyectores 109, 110 de cola para formar un macroeyector, genera un aumento de empuje de aproximadamente 1,1-1,2 en comparación con los propulsores sencillos sin la cubierta. Los mismos eyectores 109, 110 de cola también pueden producir un aumento del empuje superior a 2, quizás cercano a 3:1. Así, en lugar de obtener una unidad de empuje utilizando sencillamente dos turborreactores, se obtiene un aumento del empuje total de mínimo 2 * 1,1 = 2,2 y hasta un máximo de un factor de aumento de 3 * 1,2 = 3,6, lo que permite el despegue de un vehículo más pesado. A medida que se nivela a las condiciones de crucero, los motores se pueden reducir y el aumento también disminuye para igualar y superar la resistencia aerodinámica e impulsar el vehículo hacia adelante en un vuelo nivelado.

La FIG. 7 ilustra la mitad superior de un motor turboeje/turbohélice con puntos destacados de las estaciones del flujo. La mitad inferior contiene el mismo motor despojado del eje y la turbina que acciona el eje (turbina libre que acciona la hélice, en este caso) y utiliza el generador de gas para impulsar un sistema de aumento con reactores de la realización preferida de la presente invención. La FIG. 7 muestra los cambios que serían opcionalmente ventajosos para transformar un motor diseñado con turboeje en un generador de gas para el sistema de aumento con reactores y destaca la intercambiabilidad del sistema descrito.

En la FIG. 7, se muestra una configuración de hélice extractora en la mitad superior. Por el contrario, una realización de la presente invención tiene el eje apuntando hacia la derecha, donde se encuentra la hélice impulsora. La mitad superior contiene un compresor, una cámara de combustión y dos turbinas, una conectada al compresor y otra conectada a la hélice a través de un eje. La estación 2 representa la entrada de un compresor; una estación de salida del compresor 3; una entrada a la cámara de combustión 31; una salida de la cámara de combustión 4; una entrada 41 de la primera turbina (conectada y accionando el compresor); una primera salida de turbina 44; una entrada 45 a la turbina libre; una salida 5 de la turbina libre, una salida 6 de la turbina y escape; y escape 8 (del sistema global). El sistema de purga de la estación 3 se utiliza en esta realización como fluido motriz para los propulsores delanteros del sistema. El resto del fluido de trabajo es utilizado por el generador de gas para impulsar la turbina libre, que extrae potencia para impulsar la hélice. En la mitad inferior, el sistema se desmonta de la turbina libre y el eje (e implícitamente la hélice), pero todos los demás elementos siguen siendo los mismos. El sistema es similar, con la primera turbina accionando el compresor, excepto que se elimina la turbina libre, lo que permite que el sistema se convierta en un generador de gas que produce en la estación 44 una presión total de 202,514 kilopascales a una temperatura total de 1248,65 Kelvin. Este flujo portador de energía puede utilizarse ahora como fluido motriz para los eyectores 109, 110 de cola del sistema de aumento con reactores de la realización preferida de la presente invención.

Se pueden diseñar otros generadores de gas para producir, en condiciones normales de funcionamiento, una relación de presión de alrededor de 2. Una realización de la presente invención puede resultar en relaciones de aumento superiores a 1,5 y diversos diseños de los propulsores pueden alcanzar una relación de aumento de hasta 2,75:1 inclusive. Como tal, un sistema de aumento con reactores de esta realización que funcione en estas condiciones puede aumentar el empuje entre 1,4-3 veces. Por el contrario, el consumo específico de combustible se reduce ya que se usa la misma cantidad de combustible para producir las condiciones en la estación 44, y se obtiene 1,4 veces más empuje a partir de los gases de escape en esa condición, utilizado como fluido motriz en los propulsores traseros y delanteros. En comparación con el consumo de combustible de los turborreactores pequeños convencionales, típicamente de 1,5 lb/h por lbf (0,15 kg/h por Newton), el consumo específico de combustible con el sistema de aumento con reactores descrito se reduce 1,4 veces, a alrededor de 1,07 lb/h de combustible por cada lbf producido (0,11 kg/h por cada Newton producido). Una o más realizaciones muestran una reducción de hasta 2,0 veces en comparación con el original de 1,5 lb/h de combustible por lbf producido (0,15 kg/h/N), lo que lleva el sistema a un alto rendimiento de 0,75 lb/h de combustible por cada lbf de empuje producido (0,075 kg(h/N), sin el uso de una turbina libre.

Aunque el texto anterior establece una descripción detallada de numerosas realizaciones diferentes, debe entenderse que el alcance de la protección está definido por las palabras de las reivindicaciones siguientes. La descripción detallada debe interpretarse únicamente como un ejemplo y no describe todas las realizaciones posibles porque describir todas las realizaciones posibles sería poco práctico, si no imposible.

Por tanto, se pueden realizar muchas modificaciones y variaciones en las técnicas y estructuras descritas e ilustradas en la presente memoria sin apartarse del alcance de las presentes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un vehículo (400), que comprende:

un cuerpo (101) principal que tiene una parte (102) de frente, una parte (103) de cola, un lado de estribor y un lado de babor;

un generador (104) de fluido acoplado al cuerpo (101) principal y que produce una corriente de fluido;

al menos un conducto (111) de frente acoplado de forma fluida al generador (104);

al menos un conducto (112) de cola acoplado de forma fluida al generador (104);

eyectores (105,106) de frente primero y segundo acoplados de forma fluida al, al menos, un conducto (111) de frente, acoplados a la parte (102) de frente y acoplados respectivamente al lado de estribor y al lado de babor, los eyectores de frente (105,106) que comprenden respectivamente una estructura de salida fuera de la cual fluye fluido desde el al menos un conducto (111) de frente a una velocidad ajustable predeterminada;

al menos un eyector (109,110) de cola acoplado de forma fluida al, al menos, un conducto (112) de cola y acoplado a la parte (103) de cola, el al menos un eyector (109,110) de cola que comprende una estructura de salida de la cual fluye fluido del al menos un conducto (112) de cola a una velocidad ajustable predeterminada; y

un elemento (115) de perfil aerodinámico principal que tiene una superficie, el elemento (115) de perfil aerodinámico principal acoplado a la parte (103) de cola, la superficie del elemento (115) de perfil aerodinámico principal está ubicada directamente en sentido descendente del primer y segundo eyectores (105,106) de frente de manera que el fluido de los eyectores (105,106) de frente primero y segundo fluya sobre la superficie del elemento (115) de perfil aerodinámico principal;

caracterizado por que el elemento (115) de perfil aerodinámico principal comprende un ala (409) cerrada que tiene un borde de ataque y un borde de salida, los bordes de ataque y de salida del ala (409) cerrada que definen una región interior.

2. El vehículo (400) de la reivindicación 1, en el que la corriente de fluido producida por el generador (104) es el único medio de propulsión del vehículo (400).

3. El vehículo (400) de la reivindicación 1, que comprende además al menos un elemento (410) de perfil aerodinámico secundario que tiene una superficie y está acoplado al cuerpo (101) principal, el borde de ataque del al menos un elemento (410) de perfil aerodinámico secundario ubicado directamente en sentido descendente de la estructura de salida del al menos un eyector (109,110) de cola de manera que el fluido del al menos un eyector (109,110) de cola fluya sobre la superficie del al menos un elemento (410) de perfil aerodinámico secundario.

4. El vehículo (400) de la reivindicación 1, en el que al menos un eyector (109,110) de cola tiene un borde de ataque, y la totalidad del al menos un eyector (109,110) de cola puede girar alrededor de un eje orientado en paralelo al borde de ataque.

5. Un vehículo (500), que comprende:

un generador (104) de fluido acoplado al cuerpo (101) principal y que produce una corriente de fluido; al menos un conducto (111) de frente acoplado de forma fluida al generador (104);

al menos un conducto (112) de cola acoplada de forma fluida al generador (104);

eyectores (105,106) de frente primero y segundo acoplados de forma fluida al, al menos, un conducto (111) de frente, acoplados a la parte (102) de frente y acoplados respectivamente al lado de estribor y al lado de babor, los eyectores de frente (105,106) que comprenden respectivamente una estructura de salida fuera de la cual fluye fluido desde el al menos un conducto (111) de frente a una velocidad ajustable predeterminada; y

caracterizado por que el vehículo (500) comprende además al menos una hélice (510) acoplada de forma fluida al, al menos, un conducto (112) de cola y acoplada a la parte (103) de cola; y

el elemento (115) de perfil aerodinámico principal comprende un ala (409) cerrada que tiene un borde de ataque y un borde de salida, los bordes de ataque y de salida del ala (409) cerrada que definen una región interior.

6. El vehículo (400,500) de la reivindicación 1 o la reivindicación 5, que comprende además unas alas de canard primera y segunda acopladas a la parte (102) de frente y respectivamente acopladas al lado de estribor y al lado de babor, las alas de canard configuradas para desarrollar capas delimitadoras de aire ambiente que fluye sobre las alas de canard cuando el vehículo (400,500) está en movimiento, las alas de canard que están respectivamente ubicadas directamente en sentido ascendente del primer y segundo eyectores (105,106) de frente de manera que el primer y segundo eyectores (105,106) de frente están acoplados de forma fluida a las capas delimitadoras.

7. El vehículo (400,500) de la reivindicación 6, en el que los eyectores (105,106) de frente primero y segundo comprenden respectivamente partes de entrada primera y segunda, y los eyectores (105,106) de frente primero y segundo están colocados de manera que las capas delimitadoras son ingeridas por las partes de entrada.

8. El vehículo (400,500) de la reivindicación 1 o la reivindicación 5, en el que el generador (104) de fluido está dispuesto en el cuerpo (101) principal.

9. El vehículo (400,500) de la reivindicación 1 o la reivindicación 5, en el que los eyectores (105,106) de frente primero y segundo tienen cada uno un borde de ataque, y la totalidad de cada uno de los eyectores (105,106) de frente primero y segundo puede girar sobre un eje orientado en paralelo al borde de ataque.

10. El vehículo (400,500) de la reivindicación 1 o la reivindicación 5, en el que al menos un eyector (109,110) de cola o al menos una hélice (510) está dispuesto al menos parcialmente dentro de la región interior.

11. El vehículo (400,500) de la reivindicación 10, en el que el eyector se puede mover de forma controlada dentro de la región interior.

12. El vehículo (400,500) de la reivindicación 1 o la reivindicación 5, en el que el ala (409) cerrada comprende además una pluralidad de superficies de control.

13. El vehículo (400,500) de la reivindicación 1 o la reivindicación 5, en el que:

el generador (104) de fluido comprende una primera región en la que la corriente de fluido está a baja temperatura y una segunda región en la que la corriente de fluido está a alta temperatura;

el al menos un conducto (111) de frente proporciona fluido desde la primera región a los eyectores (105,106) de frente primero y segundo; y

el al menos un conducto (112) de cola proporciona fluido desde la segunda región a una turbina acoplada al, al menos, un eyector (109,110) de cola o a la al menos una hélice (510).

14. El vehículo (500) de la reivindicación 5, que comprende además un conjunto de soporte que se extiende desde la parte (103) de cola y en paralelo al cuerpo (101) principal.