IT201900006604A1 - Velivolo ad ala rotante dotato di apparato propulsivo perfezionato - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del Brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

“VELIVOLO AD ALA ROTANTE DOTATO DI APPARATO PROPULSIVO PERFEZIONATO”

CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione concerne un velivolo ad ala rotante dotato di un apparato propulsivo perfezionato. Lo stesso apparato può anche essere utilizzato in campi diversi da quello aeronautico, in particolare nel campo della generazione dell’energia.

SFONDO TECNOLOGICO DELL’INVENZIONE

Sono noti diversi sistemi propulsivi per i velivoli ad ala rotante, quali ad esempio elicotteri.

In particolare, sono già stati sperimentati sistemi propulsivi applicati alle estremità delle pale dell’ala rotante, ma questi presentato problemi di interferenza con l’apparato ciclico collettivo dei mezzi a cui sono stati applicati.

Tra i sistemi propulsivi noti di questo tipo si annovera innanzitutto il cosiddetto sistema a getto freddo o tip jet.

Sviluppato da tecnici francesi, l’apparato prevedeva una turbina installata al solo scopo di produrre aria ad alta pressione da convogliare attraverso il mast, ovvero l’albero di rotazione dell’ala rotante, e poi con un sistema complesso, attraverso la pala dell’elicottero verso l’estremità della stessa dove era presente un ugello dal quale usciva l’aria mettendo così in moto le pale e consentendo il volo.

Il sistema a getto freddo è stato abbandonato perché il getto di aria in uscita alle estremità delle pale produceva notevoli inconvenienti quando di dava passo pala cioè quando questa variava angolazione per creare portanza. In tale momento il getto propulsivo spingeva le pale verso l’alto.

Figuriamoci poi quando veniva attivato il comando ciclico con il quale la pala muta continuamente il proprio passo e quindi il getto produceva una spinta oscillante in funzione dell’inclinazione del passo ciclico.

Sempre tale getto impediva in maniera quasi totale il brandeggio della pala (movimento lungo l’asse verticale del mast) essendo sempre in “spinta” e mai libera di brandeggiare.

Così dicasi del movimento di flappeggio che comunque era influenzato dai getti di spinta.

Tale progetto risale ai primi anni ’50 ed è stato poi abbandonato. Non vi era nessun beneficio in tema di peso del mezzo, durata del volo, payload.

Unico vantaggio era l’assenza del rotore principale e del rotore di coda nonché della ruota libera e ciò in considerazione del fatto che l’albero era libero e non vi erano problemi di coppia nel momento della trasmissione del moto.

Un ulteriore sistema sperimentato in passato è il cosiddetto sistema a getto caldo.

Tale sistema prevedeva degli statoreattori installati all’estremità delle pale dell’elicottero.

Il sistema a getto caldo, benché più semplice rispetto al getto freddo, produce gli stessi problemi poiché essendo gli statoreattori posti alle estremità delle pale produce notevoli inconvenienti sopra esposti: alterazione del passo pala, ciclico, brandeggio e flappeggio. A questi problemi si aggiunge il problema del consumo che rende assolutamente impossibile voli di oltre 20-30 minuti con consumi elevatissimi.

Tutti gli altri esistenti sistemi propulsivi sono collegati direttamente al mast tramite il rotore - corona/pignone dovendo quindi fornire una potenza necessaria notevolmente superiore rispetto al trovato.

Un ulteriore apparato propulsivo per velivoli ad ala rotante che supera i problemi sopra indicati è descritto nella domanda di brevetto italiana 102017000108804 e nella corrispondente domanda di brevetto internazionale PCT/EP2018/071196.

Tale apparato propulsivo si basa su concetto di utilizzare un palo rotante, detto anche “power mast” che è collegato all’albero rotante del velivolo, ove l’albero rotante pone in rotazione l’ala rotante. Il palo è meccanicamente collegabile all’albero rotante del velivolo, ed almeno una delle estremità di detto palo è applicato un motore configurato per porre in rotazione il palo in modo tale che la rotazione del palo può essere utilizzata per porre in rotazione l’ala rotante.

Scopo della presente invenzione è quello di migliorare le prestazioni dei sistemi a “power mast” sia in termini di efficienza, sia in termini di sicurezza.

Ulteriore scopo dell’invenzione è quello di realizzare un velivolo ad ala rotante che presenti costi ridotti rispetto ai velivoli esistenti.

RIASSUNTO DELL’INVENZIONE

Questi ed altri scopi che saranno evidenti dalla lettura della presente descrizione, vengono raggiunti da un velivolo ad ala rotante dotato di un apparato propulsivo, ove detto velivolo comprende un albero rotante che pone in rotazione la suddetta ala rotante, ed ove detto apparato propulsivo comprende un palo meccanicamente collegabile all’albero rotante del velivolo, ove ad almeno una delle estremità del palo è applicato un motore configurato per porre in rotazione il palo attorno all’asse dell’albero rotante in modo tale che la rotazione del palo può essere utilizzata per porre in rotazione l’ala rotante, caratterizzato dal fatto che ad ognuna delle estremità del palo è posto un gruppo motore, ove ogni gruppo motore comprende una coppia di eliche controrotanti e disposte in modo tale da generare una coppia di rotazione per porre in rotazione il palo.

Un vantaggio di questa realizzazione è dato dal fatto che la configurazione delle eliche controrotanti rivendicata consente in primo luogo di ridurre la lunghezza del palo rotante, avvicinando quindi le eliche controrotanti all’asse dell’albero rotante e quindi riducendo l’accelerazione centrifuga a cui sono soggetti i motori.

In particolare, secondo una realizzazione dell'invenzione, il palo ha una lunghezza inferiore alla metà della lunghezza dell’ala rotante. Un secondo, importante, vantaggio dell’invenzione è dato dal fatto che essendo le eliche controrotanti appartenenti ad ognuna delle coppie di motori si riduce a zero il momento giroscopico totale che agisce sul “power mast”.

Secondo una realizzazione dell'invenzione, le eliche controrotanti non sono racchiuse in gondole motore.

Un vantaggio di questa realizzazione è dato dal fatto che, evitando le gondole motore, si evitano possibile problemi di integrità strutturale delle gondole stesse quando operanti sotto alte forze centrifughe.

Vantaggiosamente, le eliche controrotanti sono alimentate elettricamente.

Inoltre la presenza delle gondole motore contribuirebbe alla resistenza del rotore ed alla resistenza all’avanzamento del velivolo. Secondo un’altra realizzazione dell'invenzione, lungo il palo sono applicati profili che consentono, durante la rotazione del palo, di generare un controrumore che riduce il rumore totale prodotto dal velivolo in volo.

Ulteriori caratteristiche dell’invenzione sono desumibili dalle rivendicazioni dipendenti.

BREVE DESCRIZIONE DELLA FIGURA

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno evidenti dalla lettura della descrizione seguente fornita a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio della figura allegata, in cui:

- la figura 1 mostra schematicamente un velivolo ad ala rotante dotato dell’apparato propulsivo secondo una realizzazione dell'invenzione; e

- la figura 2 mostra schematicamente un particolare dell’apparato propulsivo di figura 1.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLA FIGURA

La Figura 1 schematizza una realizzazione del velivolo 100 ad ala rotante che è dotato dell’apparato propulsivo, secondo una realizzazione dell'invenzione, l’apparato essendo globalmente indicato con il riferimento numerico 10.

In generale, l’apparato propulsivo 10 per velivoli ad ala rotante dell’invenzione è associato ad un albero rotante 50 meccanicamente collegato alla suddetta ala rotante 40.

In generale, nella presente descrizione, per velivolo ad ala rotante si intende un aeromobile più pesante dell'aria che utilizza la portanza generata da particolari superfici alari, dette pale, in rotazione attorno ad un albero.

L’apparato propulsivo 10 comprende un palo 20, meccanicamente collegabile all’albero rotante 50 del velivolo, ove ad ognuna delle due estremità del palo 20 solidale all’albero rotante 50 del velivolo è applicato un motore 30, ove ognuno dei motori 30 contribuisce a fornire una coppia rotante per far ruotare il palo 20 attorno ad un proprio asse di rotazione coincidente con l’asse di rotazione dell’albero rotante 50 per la rotazione dell’albero rotante 50 del velivolo.

I motori possono essere, ad esempio, eliche controrotanti 32,32’ alimentate elettricamente, detti anche e-fan.

L’alimentazione elettrica delle eliche controrotanti 32,32’ può essere derivata da un pacco batterie posto a bordo del velivolo 100. In particolare ognuno dei motori 30 comprende una coppia di eliche 32,32’ controrotanti disposte in modo tale da generare una coppia di rotazione per porre in rotazione il palo 20.

Nel sistema proposto, ovvero di eliche coassiali controrotanti, si utilizza dunque la potenza generata da un motore elettrico per porre in rotazione due eliche disposte lungo lo stesso asse, ma che vengono fatte girare con versi di rotazione opposti.

In figura 2 è visibile un particolare dell’apparato propulsivo di figura 1 nella quale figura, indicativamente, il verso di rotazione dell’elica 32 è stato indicato con la freccia W1 e il verso (opposto) di rotazione dell’elica 32’ è stato indicato con la freccia W2 il tutto per generare un movimento di rotazione del palo 20 nella direzione della freccia F1.

Un vantaggio di questa realizzazione è dato dal fatto che la configurazione delle eliche controrotanti (e-fan) rivendicata consente in primo luogo di ridurre la lunghezza del palo rotante 20, avvicinando quindi le eliche controrotanti all’asse dell’albero rotante 50 e quindi riducendo l’accelerazione centrifuga a cui sono soggetti i motori. In particolare, secondo una realizzazione dell'invenzione, il palo ha una lunghezza inferiore alla metà della lunghezza dell’ala rotante 40.

Si noti infatti che, l’accelerazione centrifuga a cui sono soggetti i gruppi motore di eliche elettriche (e-fan) 30 durante la rotazione del palo 20 è pari a:

ac = reFanΩ<2>

dove reFan è la distanza dei gruppi motore 30 (o del loro baricentro) dall’asse di rotazione del palo 20 e Ω è la velocità di rotazione del palo 20.

Avvicinando le eliche elettriche controrotanti (e-fan) all’asse di rotazione del palo 20 e dunque riducendo la lunghezza del palo 20 si riducono in proporzione anche le forze centrifughe agenti sui motori e sui loro componenti.

Un secondo, importante, vantaggio dell’invenzione è dato dal fatto che essendo le eliche elettriche controrotanti (e-fan) 32,32’ appartenenti ad ognuna delle coppie di eliche elettriche controrotanti (e-fan) si riduce a zero il momento giroscopico totale che agisce sul “power mast”.

In particolare, il momento giroscopico totale è dato da

Mgyro = IpropΩeFanΩ

dove Iprop è il momento di inerzia dell’elica, e ΩeFan è la velocità angolari dei gruppi motore 30.

Usando eliche controrotanti si riduce il momento giroscopico totale a zero.

Preferibilmente il numero di pale per elica è pari a 4, potendo però essere utilizzato anche un altro numero di pale.

Secondo una realizzazione dell'invenzione, le eliche controrotanti 32,32’ non sono racchiuse in gondole motore.

Un vantaggio di questa realizzazione è dato dal fatto che, evitando le gondole motore, si evitano possibili problemi di integrità strutturale delle gondole stesse quando operanti sotto alte forze centrifughe.

Inoltre la presenza delle gondole motore contribuirebbe alla resistenza del rotore ed alla resistenza all’avanzamento del velivolo. Secondo una realizzazione dell'invenzione, possono anche essere previsti cavi elettrici di collegamento ed alimentazione elettrica passanti all’interno del palo 20.

In un’altra variante dell’invenzione, il palo 20 è meccanicamente collegato in presa diretta all’albero rotante 50 del velivolo tramite un giunto rigido 25.

Alternativamente, il palo 20 è meccanicamente collegato all’albero rotante 50 del velivolo tramite un giunto rigido o semi-rigido oppure articolato.

In generale, la rotazione del palo 20 avviene in un piano diverso dalla rotazione dell’ala rotante 40.

In particolare, il punto di attacco del palo all’albero rotante 50 del velivolo può essere posto sopra o sotto il sistema di governo del velivolo, ad esempio sopra (come nell’esempio di figura 1) o sotto il sistema piatto collettivo e piatto oscillante 60 del velivolo.

Si noti che il sistema piatto collettivo e piatto oscillante 60 del velivolo è di tipo noto e viene controllato dal pilota in modo noto nella tecnica.

La forma del palo 20 può essere qualsiasi con l’avvertenza che il palo 20 non deve creare portanza significativa durante la propria rotazione.

In alternativa, il palo 20 può anche essere realizzato con una forma tale da poter creare portanza quando messo in rotazione.

Preferibilmente, il palo 20 è realizzato in fibra di carbonio.

Il sistema propulsivo come illustrato in figura 1 si differenzia in maniera sostanziale da quelli illustrati in premessa e noti nella tecnica.

L’apparato propulsivo 10 infatti non è applicato alle estremità delle pale del mezzo e che costituiscono il sistema di volo come nei casi in premessa.

Infatti il sistema propulsivo oggetto del presente trovato è costituito da un palo 20 (detto anche power mast) di dimensioni adeguate applicato solidalmente all’albero o mast dell’elicottero o altro mezzo volante a decollo verticale ed è completamente indipendente dalle pale dello stesso.

L’albero non ha più il rotore (sistema corona pignone) ma gira liberamente su adeguato supporto (cuscinetto reggispinta o altro) mosso dal o dai propulsore posti alle estremità.

Secondo una realizzazione dell'invenzione, lungo il palo 20 sono applicati profili che consentono, durante la rotazione del palo 20, di generare un controrumore che riduce il rumore totale prodotto dal velivolo 100 in volo.

In alternativa o in aggiunta a questa soluzione antirumore è possibile prevedere un altoparlante che generi un controrumore in funzione dei giri di rotazione delle eliche controrotanti, o del palo 20 o di altri fattori.

Nel funzionamento dell’apparato propulsivo 10, i motori 30 generano una coppia di rotazione e, tramite il collegamento all’albero rotante 50, generano una corrispondente rotazione dell’ala rotante 40.

L’apparato propulsivo può anche essere utilizzato come sistema moltiplicatore di coppia potendo esso essere alimentato con un’energia inferiore per poter essere quindi usato, anche in applicazioni non aeronautiche, ovvero per tutte quelle applicazioni che possano beneficare dell’effetto leva generato dal palo 20 (esempio: ricarica batterie, produzione di energia da moto rotatorio elettrico o endotermico a quello elettrico ecc…).

In sostanza l’invenzione prevede anche l’uso di un apparato propulsivo 10 associato ad un albero rotante 50 ove l’apparato propulsivo 10 comprende un palo 20 meccanicamente collegabile all’albero rotante 50, ove ad almeno una delle estremità del palo 20 è applicato un motore 30 configurato per porre in rotazione il palo 20 attorno all’asse dell’albero rotante 50, caratterizzato dal fatto che ad ognuna delle estremità del palo 20 è posto un gruppo motore 30, ove ogni gruppo motore 30 comprende una coppia di eliche elettriche controrotanti (e-fan) 32,32’ in modo tale da generare una coppia di rotazione per porre in rotazione il palo 20 e conseguentemente porre in rotazione l’albero rotante 50 per generare o trasmettere energia ad un’utenza.

Ovviamente all’invenzione così come descritta potranno essere apportate modifiche o migliorie dettate da motivazioni contingenti o particolari, senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione come sotto rivendicata.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Velivolo (100) ad ala rotante (40) dotato di un apparato propulsivo (10), ove detto velivolo (100) comprende un albero rotante (50) che pone in rotazione la suddetta ala rotante (40), ed ove detto apparato propulsivo (10) comprende un palo (20) meccanicamente collegabile all’albero rotante (50) del velivolo (100), ove ad almeno una delle estremità del palo (20) è applicato un motore (30) configurato per porre in rotazione il palo (20) attorno ad un asse dell’albero rotante (50) in modo tale che la rotazione del palo (20) può essere utilizzata per porre in rotazione l’ala rotante (40), caratterizzato dal fatto che ad ognuna delle estremità del palo (20) è posto un gruppo motore (30), ove ogni gruppo motore (30) comprende una coppia di eliche controrotanti (32,32’), ove dette coppie di eliche controrotanti (32,32’) sono disposte in modo tale da generare una coppia di rotazione per porre in rotazione il palo (20).
2. 2. Velivolo (100) come alla rivendicazione 1, in cui le eliche controrotanti (32,32’) sono alimentate elettricamente.
3. 3. Velivolo (100) come alla rivendicazione 2, in cui il palo (20) è internamente cavo per permettere il passaggio di cavi conduttori di energia elettrica per le eliche controrotanti (32,32’).
4. 4. Velivolo (100) come alla rivendicazione 1, in cui le eliche controrotanti (32,32’) non sono racchiuse in gondole motore.
5. 5. Velivolo (100) come alla rivendicazione 1, in cui il palo (20) ha una lunghezza inferiore alla metà della lunghezza dell’ala rotante (40).
6. 6. Velivolo (100) come alla rivendicazione 1, in cui la rotazione del palo (20) avviene in un piano diverso rispetto al piano di rotazione dell’ala rotante (40).
7. 7. Velivolo (100) come alla rivendicazione 1, in cui il palo (20) è meccanicamente collegato in presa diretta all’albero rotante (50) del velivolo (100) tramite un giunto rigido (25).
8. 8. Velivolo (100) come alla rivendicazione 1, in cui la forma del palo (20) è tale da non creare portanza quando posto in rotazione.
9. 9. Velivolo (100) come alla rivendicazione 1, in cui lungo il palo (20) sono applicati profili che consentono, durante la rotazione del palo (20), di generare un controrumore che riduce il rumore totale prodotto dal velivolo (100) in volo.
10. 10. Velivolo (100) come alla rivendicazione 1, in cui è previsto un altoparlante che genera un controrumore in funzione dei giri di rotazione delle eliche controrotanti, o del palo (20) o di altri fattori.
11. 11. Uso di un apparato propulsivo (10) associato ad un albero rotante (50) ed ove l’apparato propulsivo (10) comprende un palo (20) meccanicamente collegabile all’albero rotante (50), ove ad almeno una delle estremità del palo (20) è applicato un motore (30) configurato per porre in rotazione il palo (20) attorno all’asse dell’albero rotante (50), caratterizzato dal fatto che ad ognuna delle estremità del palo (20) è posto un gruppo motore (30), ove ogni gruppo motore (30) comprende una coppia eliche controrotanti (32,32’) e tali da generare una coppia di rotazione per porre in rotazione il palo (20) e conseguentemente porre in rotazione l’albero rotante (50) per generare o trasmettere energia ad un’utenza.