ES2965928T3 - Aeronave de ala giratoria con un aparato de propulsión en una barra giratoria - Google Patents

Abstract

Una aeronave de ala de rotor (100) provista de un aparato de propulsión (10), en el que dicha aeronave (100) comprende un mástil giratorio (50) configurado para girar dicha ala de rotor (40), comprendiendo dicho aparato un poste (20) conectable mecánicamente a el mástil giratorio (50) de la aeronave, en el que en uno de los extremos de dicho mástil (20) está colocada una turbina eléctrica (30), alimentada por una batería, y configurada para girar el mástil (20) alrededor de un eje de el mástil giratorio (50) de tal manera que la rotación del poste (20) se pueda utilizar para girar el ala del rotor (40). Preferiblemente el poste (20) está fabricado de fibra de carbono. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Aeronave de ala giratoria con un aparato de propulsión en una barra giratoria

Campo de la invención

La presente invención versa acerca de una aeronave de ala giratoria dotada de un aparato de propulsión.

Antecedentes tecnológicos

Se conocen varios sistemas de propulsión distintos para aeronaves de ala giratoria, tales como helicópteros.

En particular, ya se han probado sistemas de propulsión aplicados a los extremos de las palas del ala giratoria, pero estos prestaron problemas de interferencia con los aparatos colectivo y cíclico de los medios a los que fueron aplicados.

Los sistemas conocidos de propulsión de este tipo incluyen, principalmente, el sistema denominado chorro frío o chorro de punta.

Desarrollado por técnicos franceses, el aparato incluía una turbina instalada únicamente con el fin de producir aire a alta presión que había de ser transportado a través del mástil, es decir el eje del ala giratoria, y luego con un sistema complejo, a través de la pala del helicóptero hasta el extremo de la misma donde había una tobera de la que salía aire, poniendo, de esta manera, las palas en movimiento y permitiendo el vuelo.

El sistema de chorro frío fue abandonado debido a que el chorro de aire que salía por los extremos de las palas producía problemas considerables cuando se actuaba sobre el paso de la pala, es decir cuando se variaba el ángulo de la pala para crear sustentación. En ese momento, el chorro de propulsión empujaba las palas hacia arriba.

Se entiende, entonces, que cuando se activaba el control cíclico la pala cambiaba continuamente su paso y luego el chorro producía un empuje oscilante como una función de la inclinación del paso cíclico.

Además, este chorro prevenía casi por completo la inclinación de la pala (movimiento a lo largo del eje vertical del mástil), siempre “empujando” y nunca libre para inclinarse.

Esto se aplicaba al movimiento de aleteo, que se veía influido por los chorros de propulsión.

Este proyecto data de la década de 1950 y ha sido abandonado. No había ningún beneficio en términos de peso del vehículo, duración del vuelo, carga útil.

La única ventaja era la ausencia del rotor principal, del rotor de cola y de la rueda libre, esto en vista del hecho de que el mástil estaba libre y no había ningún problema de par cuando se transmitía el movimiento.

Otro sistema cuya eficacia ha sido probada en el pasado es el denominado sistema de chorro caliente.

Este sistema incluía estatorreactores instalados en el extremo de las palas del helicóptero.

El sistema de chorro caliente, aunque más sencillo que el de chorro frío, produce los mismos problemas debido a que, dado que los estatorreactores se colocan en los extremos de las palas, produce inconvenientes significativos mencionados anteriormente: alteración del paso de la pala, cíclico, inclinación y aleteo.

A estos problemas debe añadirse el problema del consumo, que hace que sea absolutamente imposible volar durante más de 20-30 minutos con un consumo muy elevado.

Otros sistemas existentes de propulsión están conectados directamente con el mástil mediante el rotor - corona/rueda dentada, teniendo, de esta manera, que proporcionar una potencia requerida significativamente mayor que la de la invención.

El documento DE202015001341U1 da a conocer una aeronave que funciona como una combinación de un autogiro y un helicóptero.

El rotor principal de esta aeronave gira por sí mismo mediante el movimiento hacia delante de la máquina que es proporcionado por un sistema de palas giratorias que giran en un plano sustancialmente vertical por detrás del fuselaje de la aeronave.

La aeronave puede despegar rodando sobre la pista de despegue, propulsada por el sistema de palas giratorias que giran en un plano sustancialmente vertical para adquirir la velocidad suficiente para crear sustentación mediante la rotación del rotor principal.

La aeronave puede ascender y descender girando y regulando las palas del rotor como un helicóptero.

Las palas del rotor y la cabeza del rotor giran no solo por el efecto del movimiento hacia delante de la aeronave, sino también por el efecto de hélices eléctricas montadas en una barra que gira en el mismo plano de las palas del rotor. El documento ER 2600303 da a conocer una aeronave dotada de un rotor que tiene dos niveles distintos. Un primer nivel que comprende una pluralidad de palas y un segundo nivel que comprende una barra que soporta un par de hélices motorizadas.

Un fin de la presente invención es superar los problemas de la técnica conocida, en particular proporcionados por los sistemas de propulsión aplicados a los extremos de las palas del ala giratoria, con una solución que permita, al mismo tiempo, ahorros en términos de peso de la aeronave. Otro fin de la invención es crear una aeronave de ala giratoria que permita reducir los costes en comparación con aeronaves existentes.

Sumario de la invención

Estos y otros fines, que serán evidentes a partir de la lectura de la presente descripción, se logran mediante una aeronave de ala giratoria, según la reivindicación 1 independiente adjunta, con capacidad de despegue vertical, estando dotada la aeronave de un aparato de propulsión, comprendiendo dicha aeronave un mástil giratorio configurado para hacer girar dicha ala giratoria, comprendiendo dicho aparato una barra conectada mecánicamente con el mástil giratorio de la aeronave, habiendo colocado en uno de los extremos de dicha barra un motor configurado para hacer girar la barra de tal forma que la rotación de la barra pueda ser utilizada para hacer girar el ala giratoria. Una ventaja de esta realización es que, dado que el motor está configurado para poner en rotación la barra y para transmitir tal movimiento de rotación a las palas del ala giratoria, no es necesario utilizar un motor tradicional.

Además, no es necesario utilizar el rotor principal, el rotor de cola o la rueda libre, dado que el mástil está libre y no hay ningún problema de par cuando se transmite el movimiento.

Otra gran ventaja es una reducción considerable en el peso del vehículo.

Según la invención, el motor o los motores utilizados son turbinas eléctricas, también denominadas, a continuación, electroventiladores.

En los ejemplos que no se reivindican en la presente solicitud, el motor o los motores utilizados son motores de chorro o motores de hélice o turbohélice.

En uno de los extremos de dicha barra se coloca la turbina eléctrica, alimentada por una batería, y configurada para hacer girar la barra en torno a un eje del mástil giratorio de tal forma que la rotación de la barra pueda ser utilizada para hacer girar el ala giratoria.

Por lo tanto, se prevé una barra accionada por turbinas eléctricas y las turbinas eléctricas son accionadas, a su vez, por baterías colocadas a bordo de la propia aeronave.

Según una realización de la invención, se coloca un contrapeso en un extremo de la barra opuesto con respecto al extremo en el que se aplica el motor.

Según la invención, la barra está conformada de tal manera que se evite crear sustentación cuando es puesta en rotación. Según otra realización de la invención, la barra está fabricada de fibra de carbono u otros materiales de nueva concepción.

Se pueden deducir características adicionales de la invención a partir de las reivindicaciones dependientes.

Breve descripción de las figuras

Serán evidentes características y ventajas adicionales de la invención a partir de la lectura de la siguiente descripción proporcionada como un ejemplo y no limitada a las mismas, con la ayuda de las figuras adjuntas, en las que:

- la Figura 1 muestra, esquemáticamente, una realización del aparato de propulsión para una aeronave de ala giratoria según una realización de la invención; y

- la Figura 2 muestra, esquemáticamente, una realización de una aeronave de ala giratoria según una realización de la invención.

Descripción detallada de las figuras

La Figura 1 bosqueja una realización del aparato de propulsión aplicable a aeronaves de ala giratoria, según una realización de la invención, e indicado globalmente con la referencia numérica 10.

El aparato de propulsión para una aeronave de ala giratoria de la invención está asociado con un mástil giratorio 50 conectado mecánicamente con dicha ala giratoria 40.

En términos generales, en la presente descripción, por aeronaves de ala giratoria se entiende aeronaves más pesadas que el aire que utilizan la sustentación generada por superficies alares particulares, denominadas palas, que giran en torno a un eje. El aparato 10 de propulsión comprende una barra 20, conectable mecánicamente, de forma selectiva, al mástil giratorio 50 de la aeronave 100, aplicándose al menos un extremo de esa barra de potencia a un motor 30 configurado para poner la barra 20 en rotación.

Preferiblemente, se aplica un motor 30 en cada uno de los dos extremos de la barra 20 fijados al mástil giratorio 50 de la aeronave 100, contribuyendo cada uno de los motores 30 a proporcionar un par de rotación para la rotación del mástil giratorio 50 de la aeronave 100.

Los motores son turbinas eléctricas alimentadas por baterías a bordo de la aeronave 100 de ala giratoria.

Es posible proporcionar cables de conexión eléctrica y de alimentación que pasan por el interior de la barra 20. En ejemplos no reivindicados en la presente solicitud, los motores 30 pueden ser motores de chorro o motores de hélice o turbohélice.

En todos aquellos casos en los que es necesario proporcionar combustible a los motores, es posible proporcionar canales para un flujo de combustible obtenido en el interior de la barra 20.

En una variante de la invención (no representada en aras de la simplicidad), se coloca un contrapeso en el extremo opuesto de la barra 20 fijado al mástil giratorio 50 de la aeronave al que se aplica el motor, específicamente la turbina eléctrica 30.

En otra variante de la invención, la barra 20 está conectada de forma mecánica directamente al mástil giratorio 50 de la aeronave 100 por medio de una conexión rígida 25.

De forma alternativa, la barra 20 está conectada mecánicamente con el mástil giratorio 50 de la aeronave 100 por medio de una conexión semirrígida o articulada.

La rotación de la barra 20 tiene lugar en un plano distinto con respecto al plano de rotación del ala giratoria 40. En general, la rotación de la barra 20 tiene lugar en torno a un eje perpendicular al eje longitudinal de la propia barra. El punto de fijación de la barra al mástil giratorio 50 de la aeronave 100 está colocado encima del sistema de dirección de la aeronave, específicamente encima (como en el ejemplo de la Figura 1) del plato oscilante y del sistema oscilante 60 del colectivo de la aeronave.

Se debe hacer notar que el plato oscilante y el sistema oscilante 60 del colectivo de la aeronave 100 son de tipo conocido y son controlados por el piloto de una forma conocida en la técnica.

La forma de la barra 20 puede ser cualquiera, con la salvedad de que la barra 20 no debería crear una sustentación significativa durante su rotación.

En ejemplos no reivindicados en la presente solicitud, la barra 20 también puede estar construida con una forma que puede crear sustentación cuando se la hace girar, tal como una sustentación suficiente para un despegue vertical. Preferiblemente, la barra 20 está fabricada de fibra de carbono.

El sistema de propulsión, según se muestra en la figura 1, difiere sustancialmente de los ilustrados en la introducción y conocidos en la técnica. El sistema de propulsión no se aplica a los extremos de las palas del vehículo y constituye el sistema de vuelo como en los casos mencionados en el preámbulo.

De hecho, el sistema de propulsión de la presente invención consiste en una barra 20 (también denominada barra de potencia) de tamaño adecuado aplicado firmemente al eje o mástil del helicóptero u otra aeronave de despegue vertical y es completamente independiente de las palas del mismo.

El mástil ya no tiene el rotor, pero gira libremente sobre un soporte adecuado (cojinete de empuje u otro) accionado por el motor o los motores en los extremos.

Durante la operación del aparato 10 de propulsión, los motores 30 generan un par de rotación indicado por las flechas F1 en la figura 1 y, gracias a la conexión al mástil giratorio 50, generan una rotación correspondiente del ala giratoria 40 según la dirección indicada por las flechas F2.

La Figura 2 muestra, esquemáticamente, una aeronave 100 de ala giratoria según una realización de la invención. En la presente realización, la aeronave 100 está dotada de dos ventiladores eléctricos (electroventiladores) 110, 120 que pueden ser controlados utilizando los pedales para permitir una rotación de hasta 360° en el eje de guiñada.

Un ordenador de a bordo, que utiliza un sistema de compensación, controla la dirección en la que se apunta el rumbo del helicóptero.

A modo de ejemplo no limitante, la longitud del ala giratoria 40 de la aeronave 100 puede ser de 9030 mm y el tamaño de los patines puede ser de 5530 mm.

El sistema 10 de propulsión según las diversas realizaciones de la invención ofrece las siguientes ventajas:

1 - reducción de la potencia requerida para el vuelo: de hecho, aprovechando el efecto de palanca, se reduce la potencia requerida en el extremo de la barra giratoria 20, en comparación con la potencia que se requiere aplicar en el eje del mástil giratorio, hasta un grado considerable debido a la distancia entre la hélice aplicada en el extremo de la barra 20 y el centro del mástil giratorio 50.

Sin embargo, es necesario calcular el empuje necesario utilizando la fórmula de validez general P.L.= 38*r|/V(D.L.) en la que:

P.L. = carga por unidad de potencia kg/HP

D.L. = carga de disco kg/m2

r| = rendimiento aerodinámico de los motores seleccionados.

Una vez que se ha definido el MTOW (Peso máximo al despegue, por sus siglas en inglés), se puede deducir el empuje necesario de los motores.

2 - a diferencia de los sistemas de propulsión ya probados e ilustrados en la introducción, la invención hace el sistema de propulsión independiente del sistema cíclico-colectivo de las palas.

De hecho, la invención es aplicada integralmente al mástil giratorio 50 de la aeronave del cual es el sistema motor. Por lo tanto, en el presente caso, el sistema 10 de propulsión está separado de los sistemas cíclico, colectivo, de aleteo y de inclinación; estos son del tipo tradicional y continúan llevando a cabo su función original sin interferencia del sistema de propulsión.

3 - la invención permite eliminar los motores clásicos, ya sean tradicionales o de turbina, instalados para generar el movimiento giratorio del mástil.

4 - la invención permite eliminar el rotor principal (rueda dentada-corona).

5 - la invención permite eliminar la rueda libre necesaria para los medios tradicionales para permitir la autorrotación.

6 - la invención permite eliminar el rotor de cola dado que no hay ningún efecto “de par” que, en soluciones tradicionales, es generado por el rotor principal, el piñón y la corona. Considérese que el rotor de cola por sí solo absorbe aproximadamente un 8% de la potencia máxima calculada para el vuelo estacionario del helicóptero.

Esto significa ahorros energéticos considerables y una reducción significativa en la potencia instalada.

Esto significa un aumento en la carga útil (pasajeros o combustible o baterías).

7 - la invención permite eliminar la cola del helicóptero sustituyéndola por un pequeño control de deriva o por un motor eléctrico pequeño con palas o ambos.

8 - la invención permite una autorrotación muy eficiente, considerando que las hélices aplicadas al extremo de la barra aumentan la masa inercial de forma considerable.

9 - la invención evita el problema de entrar en una autorrotación dado que el mástil giratorio gira libremente y la entrada en una autorrotación es, de hecho, automática; la detención de las hélices permite, sin embargo, que las palas contribuyan al giro debido a la inercia y permite al piloto y/o al soporte lógico actuar en modo de autorrotación. 10 - una reducción considerable en el peso del vehículo en aproximadamente un 65/70% de un vehículo normal que no se beneficia de la presente invención, permitiendo, de esta manera, que se utilice este ahorro en un aumento de peso para baterías, combustible o pasajeros.

11 - reducción en el coste del vehículo.

12 - si se desea aumentar la potencia del mástil giratorio 50, es suficiente con aumentar el número de motores o adoptar unos más potentes.

13 - la invención es aplicable tanto a sistemas de dos palas como de múltiples palas (tri-tetra-penta pala, etc.) que estén colocados en un eje vertical distinto del de las palas.

14 - el aparato de propulsión también puede ser utilizado como un sistema multiplicador del par, dado que puede ser alimentado con menos energía, incluso en aplicaciones no aeronáuticas no reivindicadas en la presente solicitud, es decir para todas aquellas aplicaciones que puedan beneficiarse del efecto palanca generado por la barra 20 (ejemplos: recarga de baterías, producción de energía a partir de un movimiento giratorio eléctrico o endotérmico al eléctrico, etc...).

En esencia, la invención también contempla el uso de un aparato 10 de propulsión que comprende una barra 20 conectable mecánicamente con un mástil giratorio, estando dotado al menos un extremo de dicha barra 20 de un motor 30 configurado para hacer girar la barra 20 de tal forma que la rotación de dicha barra 20 pueda ser utilizada para hacer girar el mástil giratorio para generar o transmitir energía a un usuario aprovechando el efecto favorable de palanca.

Es importante subrayar que es improbable que se utilicen otras aeronaves de despegue vertical propuestas en la técnica anterior, ya sean drones o sistemas de transporte personal con 3 o 4 ventiladores eléctricos o electroventiladores, para esta tarea dado que es imposible que lleven a cabo una “autorrotación” y, en segundo lugar, la absorción de energía que tienen 3 o 4 electroventiladores de tamaño adecuado hace que vuelos de más de 20-30 minutos sean improbables.

En el contexto de la presente invención, se calculó que un helicóptero típico de dos palas con un diámetro de pala de 9,03 metros, 64 metros cuadrados de superficie del rotor, una potencia continua de 170 HP, un peso máximo de 860 kg de MTOW al despegue, tiene un peso de 500 kg y 360 kg de carga útil.

Restando de los 500 kg el peso del motor Lycoming, el peso del rotor principal, de la rueda libre, del enfriador del aceite, del rotor de cola, de la cola, de la barca trasera, del depósito y de todo lo que ya no es necesario; se restan 368 kg, por lo que la célula pesaría 132 kg.

El peso adicional, que consiste en la barra 20, fabricada de fibra de carbono, y los sistemas de propulsión (electroventilador o motor de chorro) es de aproximadamente 40 kg en línea de vuelo.

Utilizando, entonces, una estructura para la célula, bien en fibra de carbono o bien en fibra de vidrio, se puede reducir adicionalmente el peso total de la aeronave (célula motor del rotor del sistema de propulsión) a menos de 130 kg. Por ello, el ahorro en peso es del 74% del peso original y es igual a 370 kg para la misma carga útil.

Ahora solo es cuestión de cómo puede ser redistribuida esta ventaja. Para el sistema de la invención con turbina de chorro, al peso del helicóptero se tienen que añadir el sistema de bomba de combustible, el depósito, el tabique cortafuegos, el colector de acero de transmisión de combustible, y otros para un peso total de 35 kg. Esto da lugar a un peso del helicóptero en línea de vuelo de 165 kg.

Ejemplosde helicóptero eléctrico

Ejemplo 1

Ejemplo 1 - helicóptero con dos electroventiladores - MTOW de 860 kg, 2 pasajeros equipaje

En este caso, se debería primar la duración del vuelo reduciendo la carga útil a 190 kg e instalando un grupo de baterías de iones de litio de 540 kg, que es equivalente a 135 kW/h.

El diseño de tal helicóptero da lugar a una duración de vuelo de 2,7 h a una velocidad de crucero de 160 km/h con un alcance de 432 km.

Ejemplo 2

Ejemplo 2 - helicóptero con dos electroventiladores - MTOW de 860 kg, 3 pasajeros equipaje

En este caso, se debe primar la duración del vuelo reduciendo la carga útil a 270 kg e instalando un grupo de baterías de iones de litio de 452 kg, que es equivalente a 113 kW/h.

El peso del helicóptero aumenta en 8 kg por el asiento del tercer pasajero.

El diseño de tal helicóptero da lugar a una duración de vuelo de 2,26 h a una velocidad de crucero de 160 km/h con un alcance de 361,6 km.

Ejemplo 3

Ejemplo 3 - helicóptero con dos electroventiladores - MTOW de 860 kg, 4 pasajeros equipaje

En este caso, se debe primar la duración del vuelo reduciendo la carga útil a 334 kg e instalando un grupo de baterías de iones de litio de 380 kg, que es equivalente a 95 kW/h.

El peso del helicóptero aumenta en 16 kg por los asientos de los pasajeros tercero y cuarto.

El diseño de tal helicóptero da lugar a una duración de vuelo de 1,9 h a una velocidad de crucero de 160 km/h con un alcance de 304 km.

Ejemplosde helicóptero con motor de chorro

Ejemplo 4

Ejemplo 4 - helicóptero con motor de chorro - MTOW de 860 kg, 4 pasajeros equipaje adicional

En este caso, se debe primar la duración del vuelo, reduciendo la carga útil a 360 kg y un consumo de combustible de 335 kg por hora de 90 kg. El diseño de tal helicóptero da lugar a una duración de vuelo de 3,72 h a una velocidad de crucero de 160 km/h con un alcance de 595 km.

En general, el aparato de propulsión descrito puede ser utilizado tanto para aeronaves tripuladas como para drones, es decir aeronaves no tripuladas y controlables de forma remota o dotadas de su propio soporte lógico de vuelo autónomo.

En el caso de drones, el aparato de propulsión de la invención les ofrece la posibilidad de transportar mayores cargas y de tener una gran autonomía, a diferencia de los drones actuales.

Posibles usos de tales drones pueden ser: agrícola, de reconocimiento, de fotografía y de cinematografía aéreas y similares.

Evidentemente, se pueden realizar modificaciones o mejoras a la invención descrita por razones contingentes o particulares, sin ir más allá del alcance de la invención como se reivindica a continuación.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Una aeronave (100) de ala giratoria con capacidad de despegue vertical, estando dotada la aeronave de un aparato (10) de propulsión, comprendiendo dicha aeronave (100) un mástil giratorio (50) configurado para hacer girar un ala giratoria (40) de la aeronave, comprendiendo dicho aparato una barra (20) conectada mecánicamente con el mástil giratorio (50) de la aeronave en un punto de fijación colocado encima del plato oscilante y del sistema oscilante (60) del colectivo de la aeronave, estando conformada dicha barra (20) de tal manera que evite crear sustentación cuando es puesta en rotación, colocándose en uno de los extremos de dicha barra (20) una turbina eléctrica (30), alimentada por una batería, y configurada para hacer girar la barra (20) en torno a un eje del mástil giratorio (50) de tal manera que la rotación de la barra (20) pueda ser utilizada para hacer girar el ala giratoria (40), caracterizada porque la rotación de la barra (20) tiene lugar en un plano distinto con respecto al plano de rotación del ala giratoria (40).

2. La aeronave (100) de ala giratoria como en la reivindicación 1, en la que se aplica una turbina eléctrica (30) en cada uno de los extremos de la barra (20), estando colocada dicha turbina eléctrica (30) de tal forma que se genere un par de rotación para hacer girar la barra (20).

3. La aeronave (100) de ala giratoria como en la reivindicación 1 o 2, en la que la barra (20) es hueca internamente para permitir el paso de conductores eléctricos hasta la o las turbinas eléctricas (30).

4. La aeronave (100) de ala giratoria como en la reivindicación 1, en la que se coloca un contrapeso en un extremo opuesto de la barra (20) con respecto al extremo al que se aplica la turbina eléctrica (30).

5. La aeronave (100) de ala giratoria como en la reivindicación 1, en la que la barra (20) está conectada mecánicamente con el mástil giratorio (50) de una forma integral por medio de una conexión rígida (25).

6. La aeronave (100) de ala giratoria como en la reivindicación 1, en la que la barra (20) está fabricada de fibra de carbono.

7. La aeronave (100) de ala giratoria como en la reivindicación 1, en la que la aeronave (100) de ala giratoria comprende dos ventiladores eléctricos (110, 120) que son controlados mediante el uso de pedales para permitir una rotación de la aeronave (100) de ala giratoria hasta 360° en el eje de guiñada.