IT202000005302A1 - Elicottero ibrido - Google Patents

Description

Descrizione di Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo: "ELICOTTERO

IBRIDO".

Ambito dell?invenzione

In una realt? mondiale come quella attuale ove gli obiettivi sono per lo pi? comuni a tutti come quello della problematica ambientale, dell?utilizzo smisurato dei combustibili fossili, etc? si ? giunti ad una considerazione, ovvero creare un qualcosa che da un lato abbia un utilizzo comune e vario e dall?altro che non inquini e non danneggi quello a cui noi tutti teniamo, la madre terra. L'industria aerospaziale si sta attualmente spostando verso soluzioni pi? rispettose e sostenibili per l'ambiente, in una tendenza generale di "inverdimento".

Brevi cenni alla tecnica nota

Le nuove tecnologie stanno conquistando quote di mercato segnando un cambiamento generazionale in tutto il settore dell'aviazione. Le tecnologie automobilistiche vengono importate nel settore dell'aviazione. Ci? ? particolarmente vero per i motori, in cui l'iniezione elettronica, i motori common rail ed elettrici stanno guadagnando spazi importanti nell'aviazione generale. Il concetto JEHPS (Jet Engine Hybrid Propulsion System) porta la tecnologia ibrida di derivazione automobilistica nell'aviazione generale promettendo: ?Costi operativi ed emissioni di un singolo motore, prestazioni e sicurezza di un gemello?. Ci? si ottiene combinando i vantaggi di un motore endotermico ridimensionato ad alta efficienza e un motore elettrico performante e leggero. La penetrazione nel mercato si ottiene dimostrando le capacit? tecnologiche sui prototipi e sull'elicottero ibrido pre-serializzato per gli attuali attori del mercato. In una seconda fase, ? prevista l'integrazione verticale che consente all'azienda di diventare sviluppatore e assemblatore di elicotteri certificati.

Sintesi dell?invenzione

Il velivolo risulter? molto versatile e di facile pilotaggio, con strumentazione altamente innovativa. I consumi saranno notevolmente ridotti per il fatto che non si tratta di unico motore (single engine), ma di un propulsore a doppia tecnologia (combustione ed elettrico). La manutenzione sar? molto ridotta poich? non vi saranno parti soggette a particolare usura o cedimento strutturale.

La tecnologia di propulsione ibrida ? stata implementata nelle applicazioni automobilistiche alla fine degli anni '90 al fine di ridurre il consumo di carburante, le emissioni e i costi operativi. In generale, consiste in un tradizionale motore a combustione interna (pistoni/turbina), un motore elettrico, un generatore, una unit? di controllo della potenza e un pacco batterie per alimentare il motore elettrico e immagazzinare l'energia recuperata. A seconda della situazione di guida, la centralina seleziona e attiva autonomamente la configurazione di potenza pi? efficiente.

Il progetto prevede tramite un programma gi? prefissato ed opportunamente studiato la realizzazione di un elicottero ibrido (primo e unico al mondo); con due motori totalmente a se stanti ed indipendenti con la capacit? di interagire tra loro, con apposita unit? di trasmissione, in determinate condizioni ed esigenze, con specifico software gestionale. Il primo un motore a combustione interna (scoppio/turbina), alimentato con bio-combustibile, il secondo un motore elettrico radiale, primo ed unico anch?esso con un rapporto di capacit? ? peso ? potenza, senza rivali. Alla fine abbiamo un elicottero multiuso a basso costo e totalmente innovativo. Inoltre cosa importante ? che sar? il primo velivolo al mondo nella fattispecie ?Elicottero?, che avr? due motori e non come i sui simili che ne hanno uno, quindi non avr? alcuna limitazione di sorvolo (ETOPS).

Si precisa inoltre che avendo fatto degli studi di settore ed indagini di mercato avendo peraltro presenziato ad eventi (fiere, convegni, etc.), ove vedevano lo sviluppo tecnologico innovativo al primo posto, ottenevamo una risposta pi? che positiva al nostro prodotto, con un interesse non indifferente. La stessa testata giornalistica ?Il Messaggero.it? ha redatto un articolo definendo il progetto:

?LA SMART VOLANTE DEL FUTURO?.

(www.ilmessaggero.it/speciali/makerfaire/maker_faire_2018_primo_elicottero_ibrid o_low_cost-4038980.html).

Le recenti innovazioni hanno introdotto l'opzione "plug-in" per le auto full ibride fornendo loro un potenziale di guida elettrico completo esteso. Questa opzione consente di ricaricare esternamente le batterie inserendole nella rete, poich? l'energia recuperata durante le normali condizioni di guida non ? sufficiente per ricaricare completamente il pacco batteria. L'uso di questa tecnologia nel settore dell'aviazione ? ancora abbastanza inesplorata ma, analogamente al settore automobilistico, ci sono molti vantaggi di tale applicazione. Un'analisi di un tipico modello di volo mostra che il fabbisogno di potenza di un velivolo (elicottero) non ? costante e pu? cambiare in modo significativo a seconda della fase di volo.

Descrizione dell?elicottero Ibrido

Il prodotto, oggetto del presente, ? un elicottero ibrido con le seguenti caratteristiche:

Numero pale: Bipala

Postazioni: Mono-Biposto con o senza uomo a bordo Motorizzazione: JEPHS (Jet Engine Hybrid Propulsion System)

Potenza: 200 HP endotermico/turbina 150 HP elettrico

Consumo stimato: circa 15 lt/h

Altezza: circa 2,65 mt

Lunghezza: circa 6,20 mt

Peso a vuoto: circa 450 Kg

Velocit?: circa 200 Km/h

Il velivolo ? concepito e realizzato con materiali rigorosamente certificati aereonautici, seguendo le normative previste. Sar? dotato di vari optional e di particolari pre-filtri rotativi aria specifico per zone con particolare presenza di polveri o sabbie (kit desertico-polare).

Le fasi tipiche in un modello di volo sono:

? Taxi / inattiva.

L'energia minima ? necessaria per energizzare il veicolo aereo e il taxi a terra. In genere viene utilizzato solo il 5-10% della potenza totale.

? Decollo.

La procedura di decollo ? normalmente condotta a piena potenza (90-100%). Questa fase dura meno di 1 minuto.

?Salita.

Durante la salita, la potenza continua viene ridotta di circa l'80%. A seconda del velivolo, la potenza di salita pu? variare e pu? essere applicata in modo continuo o limitato nel tempo.

? Crociera.

La potenza di crociera - al fine di ridurre i consumi e il rumore - ? in genere circa il 60-70% della potenza totale di una disposizione.

? Hovering.

Tale manovra consente all?elicottero di rimanere sospeso immobile (stazionamento a punto fisso), effettuando manovre di particolare precisione. Tale procedura comporta un utilizzo della massima potenza (105%).

? Discesa.

A seconda della velocit? di discesa, l'impostazione della potenza pu? essere inferiore al 20% della potenza totale erogata. In alcuni casi particolari e limitatamente a determinati aeromobili, i freni aerei vengono estratti per ridurre la velocit? in discesa.

? L'atterraggio.

Oltre al decollo, hovering, l?atterraggio ? anch?essa una fase critica del volo. Nei casi ordinari e durante l'avvicinamento normale, l'atterraggio viene eseguito con regolazioni di potenza limitate. In casi eccezionali (condizioni meteorologiche avverse, emergenze, ecc.). L'atterraggio pu? richiedere gravi adattamenti di potenza e potenze fino al 100%.

Progettazione motoristica

Ovviamente, quando si progetta un aeromobile e la sua centralina elettronica, il motore viene dimensionato in base alla potenza massima necessaria. Come spiegato, tuttavia, la massima potenza erogata ? necessaria solo durante una frazione del volo. In generale, il motore ? l? sovradimensionato per l'applicazione principale, risultando in un'applicazione a carico parziale per la maggior parte del tempo. Operare a carico parziale di solito significa non raggiungere la massima efficienza.

In termini di efficienza, sembra che avere un motore a combustione interna funzionante per la maggior parte del tempo nel suo punto ottimale e una fonte di spinta alternativa per necessit? di breve durata potrebbe portare ad un aumento dell'efficienza complessiva.

Inoltre, una rapida occhiata al rapporto peso / potenza di un motore a combustione interna (1,0 kg / CV per un tipico motore aeronautico nella gamma di potenza 150-200 CV) e un motore elettrico (circa 0,6 kg / CV) suggerisce che esiste sicuramente un potenziale di ridimensionamento della combustione interna a favore di un'aggiunta di una fonte di energia elettrica. Infine, la fonte di energia elettrica, oltre ad essere pi? efficiente di un motore a combustione interna, sarebbe anche in grado di recuperare energia in alcune fasi di volo, migliorando il bilancio energetico complessivo.

La chiave sta combinando il giusto mix di motore a combustione interna, motore elettrico, pacco batteria e unit? di controllo della potenza per applicazioni aeronautiche. JEHPS ? la risposta e applica al meglio i vantaggi di cui sopra.

Il motore JEHPS ? in grado di generare potenza ibrida tra 230 e 425 cavalli a 4000 giri / min. (sull'albero motore). Il peso totale del sistema di propulsione ibrido varia tra 150 e 198 kg, portando ad un rapporto peso / potenza fino a 0,61.

Una scatola di trasmissione (riduttore d?accoppiamento), in carbonio e titanio di nuova concezione consente la riduzione della velocit? di rotazione del motore da 4000 RPM a 2400 RPM per il gruppo rotore e l'integrazione del motore elettrico permette inoltre di sostenere prestazioni di potenza ottimali e di volo a 40'000 piedi o pi?, ove un semplice motore endotermico non potrebbe arrivare per motivi inerenti alla mancanza di comburente (aria).

A seguito della necessit? globale di una generazione di energia meno dispendiosa in termini di energia e inquinante, in tutti i settori c'? una tendenza a sviluppare soluzioni pi? efficienti.

In analogia con il settore automobilistico, dove ? in atto uno sforzo per sostituire i motori a combustione interna ad alta intensit? di combustibile basati sul ciclo Otto con soluzioni pi? efficienti come motori diesel/benzina e motori elettrici, anche l'aerospazio mostra alcuni primi timidi segnali di un processo "green".

Il settore automobilistico presenta un notevole vantaggio tecnologico rispetto al settore dell'aviazione. Di conseguenza e per ottemperare a normative sempre stringenti, i nuovi motori aeronautici sono ora derivati da applicazioni automobilistiche; in particolare, per le soluzioni diesel pi? efficienti.

Il prototipo deve servire da dimostratore tecnologico e dimostrazione del concetto. La tecnologia JEHPS pu? essere integrata quasi su qualsiasi motore aeronautico attuale (come adattamento retro-fit) e futuro.

Campi applicativi

I principali campi di applicazione di tale sistema di propulsione sono:

L'aviazione generale comprende tutte le operazioni di aviazione civile, dai servizi aerei di linea e dalle operazioni di trasporto aereo non di linea a titolo oneroso o a noleggio. I velivoli di aviazione generale vanno da aerei ad elicotteri. La maggior parte del traffico aereo mondiale rientra in questa categoria e la maggior parte degli aeroporti del mondo serve esclusivamente l'aviazione generale.

L'aviazione ultraleggera e sperimentale sono sottocategorie dell'aviazione generale. Sono limitati dal peso dell'aeromobile o dal tipo di operazioni.

Entrambe le sottocategorie hanno il vantaggio di non richiedere il pieno rispetto delle normative aeronautiche in termini di certificazione dei componenti e del veicolo aereo. C'?, per cos? dire, un po' di facilit? per la sperimentazione.

Possibili evoluzioni

In base alle caratteristiche sopra indicate, ? evidente che per tipologia e prestazioni, il mezzo sar? in grado di adottare vari allestimenti. Verr? equipaggiato con un sistema di pilotaggio controllato al fine di supportare e coadiuvare il pilota interagendo al punto tale di garantire sicurezza e di azzerare quello che in gergo tecnico viene definito come errore da ?fattore umano?.

Potr? essere dotato di pattini da neve o galleggianti, installare sistemi elettronici, di ripresa video, naso elettronico (per analisi ambientali), etc.

Pertanto, si ritiene che il velivolo sia adatto o adattabile a coprire diversi settori, tra i quali: Civile; Agricoltura (data la versatilit? del mezzo ? possibile seminare, trattare ed irrorare latifondi di ampie metrature); Elisoccorso, protezione civile; enti in genere, trasporto materiali, agricoltura addestramento.

Veicoli aerei senza pilota (droni).

Un veicolo aereo senza pilota (UAV), comunemente noto come un drone e indicato anche come velivolo a pilotaggio remoto (RPA), ? un velivolo senza un pilota umano a bordo. Il suo volo ? controllato autonomamente dai computer di bordo o dal telecomando di un pilota a terra o in un altro veicolo. Di solito sono impiegati per applicazioni militari e di operazioni speciali, ma sono anche utilizzati in un numero limitato ma crescente di applicazioni civili, come il controllo del territorio e gli interventi antincendio, e le attivit? di sicurezza non militari, come la sorveglianza delle condotte. Gli UAV sono spesso preferiti per le missioni troppo "noiose, sporche o pericolose" per gli elicotteri con equipaggio.

Questi tecnologia ? la base su cui si costruisce il sistema Ibrido Aeronautico, il sistema di controllo oggetto del brevetto ha il compito di monitorare il funzionamento di entrambi i motori (endotermico/turbina ed elettrico) il cui accoppiamento ? la gestione, la messa in St-By e l?utilizzo di entrambi i motori.

L?accoppiamento tra i due propulsori avviene tramite una scatola ad ingranaggi epicicloidali controllata elettronicamente ed attuata meccatronicamente.

Il motore elettrico ? ?trasparente? quando non utilizzato.

Vi sono diversi sensori sul sistema propulsivo e sul riduttore cos? da poter gestire in sicurezza il tutto.

Nell?eventualit? di un calo di potenza e/o coppia sull?albero motore, il software segnala il problema alla centralina e quest?ultima provveder? ad intensificare la potenza vacante utilizzando il motore elettrico per sopperire al calo di potenza derivante dall?avaria del propulsore principale o anche per una manovra che abbisogna di notevole potenza. Questo ultimo utilizzo della parte elettrica in situazione di elevati carichi dovuti a condizioni atmosferiche avverse, tipologia di volo ed altro, dietro richiesta del Pilota il motore elettrico pu? entrare sul sistema propulsivo fornendo un extra power assimilabile all?After-burner ( Post Combustione ) presente sui velivoli militari, cos? facendo si eviter? l?ingresso alle volte accidentale dell?elicottero nella fase definita ?bassi giri? in cui la potenza erogata non ? sufficiente al sostentamento dell?elicottero.

Grazie al sistema Ibrido si chieder? all?autorit? aeronautica di certificare l?elicottero equipaggiato con detto sistema come ?Bi-Motore? essendo 2 distinti propulsori responsabili del sostentamento del mezzo aereo, in caso di ?Emergenza? indotta da un?avaria motore il velivolo potr? essere ricoverato in sicurezza fuori dagli eventuali centri abitati. Il sistema sopra descritto potr? avere capacit? ETOPS (Extended-range Twin-Engine Operational Performance Standard).

JEHPS (Jet Engine Hybrid Propulsion System) combina le attuali soluzioni di alimentazione pi? efficienti per la mobilit? in un'unica soluzione.

Si vuole precisare inoltre che nel volo di un elicottero vi ? una fase di volo definita ?Curva dell?uomo morto?, ovvero quando l?elicottero si sostiene solamente alla potenza del motore, quindi in decollo, in atterraggio, in hovering, od in fase di emergenza. Qualora venisse a mancare potenza al motore in quella fase il suddetto velivolo verrebbe gi? come un sasso. Invece con il sistema sopra descritto il motore elettrico interverrebbe in maniera istantanea supportando il venir meno dell?altro motore o anche perch? ? richiesta maggiore potenza, al fine di garantire la corretta manovra di volo richiesta. Si precisa inoltre che il motore elettrico puo? funzionare (limitatamente) anche in totale assenza del motore a scoppio (full electric).

Uno degli elementi che rende unica una tale macchina volante ? la facilit? nel gestire in toto la estrema funzionalit?, ovvero, non abbisogna di combustibili specifici come per qualsiasi altro velivolo (Jet A1, Av gas, benzine avio, etc), infatti pu? usare del comune carburante per auto o nella fattispecie bio-combustibile, meno inquinante dei combustibili aeronautici sopra descritti. Per non parlare dei costi di approvvigionamento di gestione e di stoccaggio dei combustibili aeronautici, in quanto altamente pericolosi, costi elevati e di difficoltosa reperibilit?.

Alla luce di quanto sopra non esiste un elicottero che si avvicina minimamente alle caratteristiche sopra descritte.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1- Elicottero, adibito al trasporto di persone, cose e scopi vari, comprendente un rotore principale (per il sostentamento), uno rotore secondario (anti coppia), due motori (ridondanti), di cui uno a combustione interna (pistoni/turbina), ed uno elettrico, una sistema elettronico di gestione comprendente una centralina elettronica, un sistema inverter, e un sistema di batterie a celle. 2- Elicottero, secondo la rivendicazione 1, tale dispositivo per il volo ? caratterizzato dal fatto che ? composto da due motori. Il primo motore a combustione interna (pistoni/turbina), definito come principale che permette la rotazione di un albero motore, il secondo motore (elettrico), definito come secondario, che permette anch?esso la rotazione di un altro albero motore, entrambi collegati da una scatola di riduzione / trasmissione primaria. 3- Elicottero, secondo la rivendicazione 2, i motori sono collegati tra loro da tramite una scatola di riduzione trasmissione ad ingranaggi epicicloidali, con successive pulegge e cinghie, controllata elettronicamente da una centralina di gestione, sensori, ed attuata meccatronicamente. inoltre tale sistema ha funzione di frizione di accoppiamento/disaccoppiamento e ruota libera di entrambi i motori, la quale permette a questi ultimi di lavorare simultaneamente o in maniera indipendente l?uno dall?altro. 4- Elicottero, secondo la rivendicazione 3, entrambi i motori, hanno inizialmente una funzione sequenziale. Dapprima parte il motore elettrico, che ha funzione di innescare il sistema rotativo, tramite la scatola di riduzione, del secondo sistema di trasmissione, che comanda il rotore principale, quindi le pale principali e contestualmente il rotore secondario (anti coppia), ovvero il rotore di coda. Una volta innescata la rotazione subentra il motore a combustione interna, sempre attraverso la scatola di riduzione / trasmissione che permetter? all?elicottero, di volare. Nel frattempo il motore elettrico, tramite gestione elettronica, diminuir? la coppia diventando ?trasparente?, passando da una fase attiva primaria in una passiva o secondaria che avr? il compito di generare corrente per la ricarica del gruppo batterie. Solo in fase definita di ?emergenza? o di eventuale richiesta di potenza dell?elicottero, il motore elettrico, avr? una funzione di supporto a quello a combustione interna, o in caso di totale assenza di quest?ultimo il motore elettrico lavorer? in maniera esclusiva (full electric). Il motore secondario (elettrico), avr? una autonomia limitata, dipendentemente dal fatto che per motivi di peso non vi ? possibilit? di carico di batterie di accumulo su di un velivolo. La suddetta autonomia bench? limitata risulter? ampiamente sufficiente per poter gestire manovre e situazioni di emergenza in totale sicurezza per l?elicottero e per gli occupanti. 5- Elicottero, secondo la rivendicazione 3, comprende oltre ai motori, anche una centralina elettronica di gestione, la quale tramite dei sensori montati a bordo del sistema di riduzione/trasmissione principale, che si evidenziano in sensori elettro meccanici i quali gestiscono parametri come temperature, rapporto di potenza - coppia in N-m, e map, i quali comunicando ed interagendo con la centralina, permettono di effettuare una continua analisi dei parametri dello stato funzionale e del carico di potenza del motore primario, e l?eventuale ?sofferenza? di esso, durante l?utilizzo, compensando all?occorrenza con quello elettrico. 6- Elicottero comprende l?intero sistema propulsivo denominato JEPHS (Jet Engine Hybrid Prpulsion System), ? considerato tecnicamente una doppia motorizzazione (ridondante), la quale pu? essere gestita anche manualmente dal pilota dal posto di comando. Si precisa che la centralina elettronica, ha funzione anche di registrazione di eventi di tutto ci? che accade dal momento dell?accensione al momento dello spegnimento dell?elicottero. 7- Elicottero, secondo la rivendicazione 4, in tutte le fasi sequenziali ? funzionali, permettono un risparmio di carburante del motore primario, che varia dal 20% al 30%. Tale riduzione del carburante e dovuta proprio dal fatto che il motore elettrico, interagisce intelligentemente con quello a combustione interna, evitando condizioni di stress e quindi di consumo eccessivo da parte di quest?ultimo.