IT202100023024A1 - Aeromobile più leggero dell’aria - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'Invenzione Industriale dal titolo: ?Aeromobile pi? leggero dell?aria?

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un aeromobile pi? leggero dell?aria comprendente almeno una camera stagna contenente gas pi? leggero dell?aria e mezzi propulsori.

Pi? di due terzi della superficie terrestre del mondo e pi? della met? della popolazione mondiale non hanno accesso diretto alle strade asfaltate. Man mano che ci si allontana dalle infrastrutture, i costi, i tempi e la sicurezza dei trasporti diventano sempre pi? una sfida.

Il trasporto aereo ? inoltre spinto negli ultimi tempi dall?innovazione tecnologica verso nuovi utilizzi e nella direzione di una significativa diminuzione dell?impatto ambientale.

In questo contesto sta crescendo l?attenzione verso aeromobili pi? leggeri dell?aria, o dirigibili. Questo tipo di aeromobili, ampiamente indagato e sviluppato nelle prime decadi del ventesimo secolo, ha subito un grande declino alla luce di alcune limitazioni tecnologiche tra cui grandi ingombri, ridotte velocit? e problemi di sicurezza.

Una rinnovata attenzione per questa tipologia di aeromobili ? dovuta agli sviluppi tecnologici che permettono di mitigare alcune delle suddette limitazioni permettendo al contempo di ottenere alcuni vantaggi rispetto ai mezzi di trasporto attualmente pi? affermati.

I moderni dirigibili possono consentire la consegna sicura e a costi competitivi di carichi pesanti e personale praticamente ovunque - acqua o terra, in normali condizioni meteorologiche di volo -con poche o nessuna infrastruttura. I dirigibili richiedono una minor spesa energetica per il volo, ossia possono consumare molto meno carburante rispetto agli aerei convenzionali. Per molti progetti, la combinazione di queste capacit? rende i dirigibili la migliore scelta economica e un?alternativa ecologica alle modalit? di trasporto tradizionali.

Esiste tuttavia attualmente un?esigenza non soddisfatta di un sistema di propulsione di un aeromobile pi? leggero dell?aria che consenta di ottenere velocit? competitive con il trasporto a terra, ad esempio il trasporto merci su gomma, ma che sia al contempo molto efficiente per consentire di ridurre al minimo rumore, pesi, consumi ed emissioni.

La presente invenzione mira all?ottenimento di questi scopi con un aeromobile pi? leggero dell?aria comprendente almeno una camera stagna contenente gas pi? leggero dell?aria e mezzi propulsori, in cui i mezzi propulsori comprendono almeno una unit? di propulsione cicloidale.

L?unit? di propulsione cicloidale, o ciclogiro, comprende una serie di pale poste in rotazione attorno ad un asse principale secondo un percorso circolare, ciascuna pala essendo orientabile lungo un proprio asse di rotazione sostanzialmente parallelo all?asse principale, in modo da variare l?angolo di attacco di ogni singola pala per generare una spinta globale a direzione regolabile.

L?utilizzo del ciclogiro in macchine volanti ? stato proposto, ma mai effettivamente realizzato, in aeromobili chiamati ciclocotteri. I cicloclotteri volano grazie ad una ala rotante ad asse orizzontale in grado di effettuare voli sostenuti e controllati, sia autonomi che pilotati, sia in volo verticale/hovering, sia in decollo e atterraggio verticali (VTOL - Vertical Take-Off and Landing), e volo di crociera. Ad oggi non ci sono stati ciclocotteri di successo, sebbene la funzionalit? teorica di questo velivolo sia stata verificata in modo indipendente numerose volte dai principali ricercatori aerospaziali nel corso dell?ultimo secolo. I tentativi di progettazione sono stati fatti a partire dalla fine del 1800, con un significativo lavoro di ricerca svolto negli anni ?30 e ?40. La ricerca sull?argomento ? stata per lo pi? abbandonata dopo la Seconda Guerra Mondiale, mentre l?elicottero diventava dominante come tecnologia di velivoli VTOL.

Il ciclogiro prende il nome dal percorso cicloidale che le sue ali tracciano rispetto all?aria durante il volo in avanti. Questo movimento non ? dissimile da quello degli insetti alati e degli uccelli. Le forze di sollevamento e propulsione del ciclogiro sono generate in modo molto simile ai comandi dell'alettone e dell'elevatore su un tradizionale rotore di elicottero completamente articolato, in cui gli input di controllo ciclico variano individualmente l?angolo di attacco delle pale del rotore mentre ruotano rispetto all?elicottero. Per il ciclogiro, le pale oscillanti sono orientate in una disposizione a ruota a pale e mantengono un angolo tangenziale rispetto al loro percorso quando non c?? input di controllo. Quando viene fornito l?input di controllo, gli angoli delle pale rispetto al loro percorso oscillano con un?ampiezza, un angolo di fase e un offset del passo dipendenti dal meccanismo di controllo. La spinta netta che ne risulta ? fortemente dipendente dal design del meccanismo di controllo, ma in tutti i casi pu? essere variata di 360? nel piano perpendicolare all?asse principale di rotazione.

In ogni istante, su un diametro ortogonale alla direzione di propulsione, le pale sono tangenti al cerchio passante per il centro di rotazione delle pale, cerchio che rappresenta anche il percorso compiuto dalle pale. Sul diametro estendentesi nella direzione della forza propulsiva sviluppata dall?unit? propulsiva, quelle pale poste al lato anteriore dell?unit? propulsiva hanno le estremit? anteriori inclinate verso l?esterno rispetto a detto cerchio, mentre all?altra estremit? del diametro, ossia al lato posteriore dell?unit? propulsiva, le pale hanno le estremit? anteriori inclinate verso l?interno del detto cerchio.

In una forma esecutiva sono previsti uno o pi? propulsori tangenziali atti a porre l?intero aeromobile in rotazione attorno ad un asse, essendo l?unit? di propulsione cicloidale costituita da una pluralit? di pale montate sull?aeromobile ed estendentisi in direzione sostanzialmente parallela all?asse di rotazione dell?aeromobile, essendo ciascuna pala montata ruotabile attorno ad un proprio asse di rotazione ed essendo previsti mezzi di azionamento ad oscillazione di ciascuna pala attorno al proprio asse.

La propulsione ? quindi effettuata ponendo l?intero aeromobile in rotazione attorno ad un asse di rotazione che diventa l?asse principale di rotazione dell?unit? propulsiva cicloidale. L?unit? propulsiva cicloidale comprende una pluralit? di pale che vengono continuamente orientate in modo da generare una spinta globale in una determinata direzione da trasferire all?aeromobile, cos? da porre l?intero aeromobile in tale direzione di avanzamento.

In una ulteriore variante esecutiva l?unit? di propulsione cicloidale comprende un rotore azionato a rotazione da un motore, una pluralit? di pale montate sul rotore ed estendentisi in direzione sostanzialmente parallela all?asse di rotazione del rotore, essendo ciascuna pala montata ruotabile attorno ad un proprio asse di rotazione ed essendo previsti mezzi di azionamento ad oscillazione di ciascuna pala attorno al proprio asse.

In questo caso quindi l?unit? propulsiva cicloidale comprende un rotore o corpo girevole attorno all?asse principale di rotazione fissato in modo girevole all?aeromobile. Il rotore ? provvisto di una pluralit? di pale che si protendono da tale rotore e sono libere di ruotare a comando sui loro assi, in modo che, quando il rotore ruota, le pale possono fornire una forza propulsiva in una direzione al rotore, la quale forza propulsiva viene trasmessa all?aeromobile.

In una forma esecutiva preferita, l?asse principale di rotazione ? verticale. Le pale si estendono pertanto anche esse in direzione sostanzialmente verticale.

Secondo un esempio esecutivo i mezzi di azionamento ad oscillazione di ciascuna pala attorno al proprio asse comprendono servomotori elettrici.

La presenza di servomotori per controllare l?incidenza dei profili delle pale durante la rotazione permette di comandare indipendentemente ogni pala. Ci? rende possibile l?ottimizzazione delle caratteristiche aerodinamiche ed eventualmente anche di controllare l?assetto dell?aeromobile.

In un esempio esecutivo sono previste due unit? di propulsione cicloidale controrotanti.

Ci? consente di mantenere l?aeromobile rotazionalmente stazionario durante la fase l?avanzamento.

Secondo una forma esecutiva il rotore di ciascuna unit? di propulsione cicloidale ? costituito da un corpo anulare su cui sono montate le dette pale.

In una ulteriore forma esecutiva le due unit? di propulsione cicloidale sono poste rispettivamente sulla superficie superiore e sulla superficie inferiore dell?aeromobile.

In un esempio esecutivo le unit? di propulsione cicloidale controrotanti sono azionate da uno o pi? motori elettrici.

In una forma esecutiva l?aeromobile ? di forma discoidale.

Secondo un perfezionamento l?aeromobile ? di forma lenticolare.

La presente invenzione ? particolarmente indicata per aeromobili a bassa velocit?. I rendimenti propulsivi se opportunamente ottimizzati possono essere pi? elevati e il rumore generato meno intenso rispetto ad aeromobili provvisti di eliche aeronautiche convenzionali.

L?energia necessaria ad alimentare i motori ? preferibilmente fornita da batterie, pannelli solari e eventualmente celle a combustibile alimentate ad idrogeno, che pu? essere anche utilizzato come gas di sostentamento.

L?aeromobile ha dimensioni tali da permettere l?istallazione di pannelli solari in grado di fornire tutta l?energia necessaria, le batterie possono essere utilizzate nel caso di scarsa radiazione solare. L?aeromobile pu? spostarsi a velocit? superiori a 140 km/h mantenendo una notevole efficienza propulsiva.

L?aeromobile pu? pertanto effettuare trasporti a velocit? maggiore dei mezzi terrestri e pu? operare lungo percorsi rettilinei e ovunque anche in zone prive di infrastrutture (strade, ferrovie, vie d?acqua etc.).

Queste ed altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno pi? chiaramente dalla seguente descrizione di alcuni esempi esecutivi non limitativi illustrati nei disegni allegati in cui: la fig. 1 illustra una vista d?insieme di una prima forma esecutiva dell?aeromobile;

la fig. 2 illustra una vista dall?alto della medesima forma esecutiva;

la fig. 3 illustra una vista dall?alto di una seconda forma esecutiva;

la fig. 4 illustra una vista dall?alto di una terza forma esecutiva.

Le figure illustrano un aeromobile pi? leggero dell?aria comprendente un corpo principale 1, il quale corpo principale 1 comprende al proprio interno almeno una camera stagna contenente gas pi? leggero dell?aria.

Il gas pu? ad esempio essere elio e/o idrogeno. Il corpo principale 1 pu? essere costituito da una struttura gonfiabile mono-camera o a pi? camere, una struttura rigida, ossia avente un'intelaiatura interna in materiale rigido idoneo che determina la forma complessiva e che alloggia al proprio interno una pluralit? di celle riempite di gas pi? leggeri dell'aria, o preferibilmente una struttura semirigida, ad esempio avente una travatura reticolare di chiglia su cui ? fissata una struttura gonfiabile.

Il corpo principale 1 pu? essere di forma qualsivoglia, preferibilmente ? di forma discoidale, in particolare lenticolare.

L?aeromobile ? provvisto di mezzi propulsori, comprendenti almeno una unit? di propulsione cicloidale 2. L?unit? di propulsione cicloidale 2 comprende una serie di pale 20 poste in rotazione attorno ad un asse principale 21 secondo un percorso circolare. Ciascuna pala 20 ? orientabile lungo un proprio asse di rotazione in modo da variare l?angolo di attacco di ogni singola pala 20 per generare una spinta globale a direzione regolabile. L?asse di rotazione di ciascuna pala 20 ? sostanzialmente parallelo all?asse principale di rotazione 21, o, come illustrato in figura 1 leggermente divergente dallo stesso. Preferibilmente, infatti, le pale 20 sono disposte lungo assi normali alla superficie dell?aeromobile nel loro punto di contatto. Nel caso di un velivolo lenticolare, ad esempio, lo scostamento rispetto all?asse principale di rotazione 21 ? minimizzato.

Le pale oscillanti 20 sono orientate in una disposizione a ruota a pale e mantengono un angolo tangenziale rispetto al loro percorso quando non c?? input di controllo. Quando viene fornito l?input di controllo, gli angoli delle pale 20 rispetto al loro percorso oscillano con un?ampiezza, un angolo di fase e un offset del passo dipendenti dal meccanismo di controllo, ossia dal tipo di mezzi di azionamento ad oscillazione di ciascuna pala. La spinta netta che ne risulta ? fortemente dipendente dal design del meccanismo di controllo, ma in tutti i casi pu? essere variata di 360? nel piano perpendicolare all?asse principale di rotazione.

I mezzi di azionamento ad oscillazione di ciascuna pala 20 attorno al proprio asse possono essere unicamente meccanici come nelle unit? di propulsione cicloidale note allo stato dell?arte, oppure comprendono servomotori elettrici 22. Ciascuna pala 20 ? pertanto collegata ad un rispettivo servomotore elettrico 22 ed ? orientata dallo stesso. Preferibilmente ? prevista almeno una sorgente di alimentazione elettrica di ciascun servomotore 22 ed almeno una centralina di comando di ciascun servomotore 22, collegate allo stesso mediante collegamenti elettrici di tipo noto allo stato dell?arte.

Come visibile nelle figure 2, 3 e 4, in ogni istante, su un diametro ortogonale alla direzione di propulsione, le pale 20 sono tangenti al cerchio avente per centro l?asse principale di rotazione 21, cerchio che rappresenta anche il percorso compiuto dalle pale 20. Sul diametro estendentesi nella direzione della forza propulsiva sviluppata dall?unit? di propulsione 2, quelle pale 20 poste al lato anteriore dell?unit? di propulsione 2 hanno le estremit? anteriori inclinate verso l?esterno rispetto a detto cerchio, mentre all?altra estremit? del diametro, ossia al lato posteriore dell?unit? di propulsione 2, le pale 20 hanno le estremit? anteriori inclinate verso l?interno del detto cerchio.

Ci? consente di esercitare una spinta globale nella direzione desiderata.

Nella prima forma esecutiva illustrata nelle figure 1 e 2, l?aeromobile ? provvisto di due unit? di propulsione cicloidale 2 controrotanti. Le due unit? di propulsione cicloidale 2 sono poste rispettivamente sulla superficie superiore e sulla superficie inferiore del corpo principale 1 dell?aeromobile e sono coassiali rispetto all?asse principale di rotazione 21.

Ciascuna unit? di propulsione cicloidale 2 comprende un rotore 23 azionato a rotazione da un motore, preferibilmente un motore elettrico. Il rotore 23 di ciascuna unit? di propulsione cicloidale 2 ? costituito da un corpo anulare rigido su cui sono montate le dette pale 20, che si estendono in direzione sostanzialmente parallela all?asse principale di rotazione 21 del rotore 23, rispettivamente verso l?alto per l?unit? di propulsione cicloidale 2 superiore e verso il basso per l?unit? di propulsione cicloidale 2 inferiore. Ciascuna pala 20 ? montata ruotabile attorno ad un proprio asse di rotazione ed ? azionata a rotazione da un rispettivo servomotore elettrico 22.

Ciascun rotore 23 ? costituito da un elemento di forma anulare fissato al corpo principale 1 dell?aeromobile in modo girevole attorno all?asse principale di rotazione 21. Il diametro dei rotori 23 ? da ottimizzare in funzione del peso degli stessi e delle prestazioni aerodinamiche attese.

Solo i due rotori 23 che sostengono le pale 20 ruotano, mentre il corpo principale 1 che contiene il gas e produce le forze di sostentamento ? stazionaria.

I rotori 23 sono provvisti ciascuno di una pluralit? di pale 20, in numero qualsivoglia, che si protendono da tali rotori 23 e sono libere di ruotare a comando sui loro assi, in modo che, quando i rotori 23 ruotano, le pale 20 possono fornire una forza propulsiva in una direzione ai rotori 23, la quale forza propulsiva viene trasmessa all?aeromobile.

In una forma esecutiva preferita illustrata nelle figure, l?asse principale di rotazione 21 ? verticale. Le pale 20 si estendono pertanto anche esse in direzione sostanzialmente verticale.

L?aeromobile pu? essere equipaggiato con una piattaforma sollevabile 3 per l?appoggio al suolo e/o di una cabina di trasporto persone o merci e/o di mezzi di aggancio di unit? esterne di trasporto. Preferibilmente tali componenti aggiuntivi sono accoppiati al corpo principale 1 nella zona compresa all?interno del rotore 23 inferiore.

Le due unit? di propulsione cicloidale 2 superiore ed inferiore possono essere azionate a rotazione da un unico motore elettrico. Preferibilmente ? previsto un unico motore elettrico che invece di essere costituito da statore e rotore ? costituito da due rotori controrotanti, ciascuno solidale ad un rispettivo rotore 23.

In alternativa il motore elettrico ? collegato ai due rotori 23 mediante opportuni ingranaggi. In una alternativa ulteriore ciascuna unit? di propulsione cicloidale 2 ? provvista di un dedicato motore elettrico, ad esempio essendo il motore elettrico costituito da uno statore fissato solidale al corpo principale 1 dell?aeromobile e da un rotore costituito dal rotore 23 provvisto delle pale 20.

La parte superiore del corpo principale 1 pu? essere coperta almeno in parte da pannelli fotovoltaici di ricarica delle sorgenti di alimentazione di energia elettrica, preferibilmente costituite da batterie ricaricabili, o di alimentazione diretta della centralina di comando e/o dei motori elettrici dei rotori 23 e/o dei servomotori 22 delle pale 20.

La figura 3 illustra una seconda forma esecutiva, che presenta sostanzialmente tutte le caratteristiche della prima esecutiva ad eccezione della disposizione delle due unit? di propulsione 2 controrotanti. In questa forma esecutiva, infatti, i due rotori 23 sono posti sul medesimo lato, superiore o inferiore, del corpo principale 1 dell?aeromobile. Il posizionamento superiore delle unit? di propulsione cicloidale 23 ottimizza la capacit? di carico dell?aeromobile sulla sua superficie inferiore, viceversa il posizionamento inferiore consente di massimizzare l?area disponibile ai pannelli fotovoltaici superiormente.

In questa configurazione, i rotori 23 sono sempre coassiali rispetto all?asse principale di rotazione 21, ma un rotore 23 ? posto internamente all?altro, avendo un primo rotore 23 diametro inferiore rispetto al secondo rotore 23.

Anche in questo caso, ? possibile prevedere due motori elettrici dedicati, oppure vantaggiosamente pu? essere previsto un unico motore elettrico che invece di essere costituito da statore e rotore ? costituito da due rotori controrotanti, ciascuno solidale ad un rispettivo rotore 23.

Nella terza forma esecutiva illustrata in figura 4, sono previsti uno o pi? propulsori tangenziali 4 atti a porre il corpo principale 1 e quindi l?intero aeromobile in rotazione attorno all?asse principale di rotazione 21.

I propulsori tangenziali 4 sono configurati in modo tale per cui esercitano una spinta tangenziale e possono essere di qualsivoglia tipo noto allo stato dell?arte, preferibilmente eliche azionate da motori elettrici.

In questo caso l?unit? di propulsione cicloidale 2 comprende una pluralit? di pale 20 montate direttamente sul corpo principale 1 dell?aeromobile. Le pale 20 si estendono in direzione sostanzialmente parallela all?asse di rotazione 21 dell?aeromobile, ossia in direzione sostanzialmente verticale, essendo preferibilmente l?asse principale di rotazione 21 verticale.

Ciascuna pala 20 ? montata ruotabile attorno ad un proprio asse di rotazione, anche in questo caso preferibilmente azionata ad oscillazione attorno al proprio asse mediante un servomotore elettrico 22.

La propulsione ? quindi effettuata ponendo l?intero aeromobile in rotazione attorno all?asse principale di rotazione 21. Le pale 20 dell?unit? propulsiva cicloidale 2 vengono continuamente orientate in modo da generare una spinta globale in una determinata direzione da trasferire all?aeromobile, cos? da porre l?intero aeromobile in tale direzione di avanzamento.

Claims (9)

RIVENDICAZIONI

1. Aeromobile pi? leggero dell?aria comprendente almeno una camera stagna contenente gas pi? leggero dell?aria e mezzi propulsori,

caratterizzato dal fatto che

i mezzi propulsori comprendono almeno una unit? di propulsione cicloidale (2).

2. Aeromobile secondo la rivendicazione 1, in cui sono previsti uno o pi? propulsori tangenziali (4) atti a porre l?intero aeromobile in rotazione attorno ad un asse (21), essendo l?unit? di propulsione cicloidale costituita da una pluralit? di pale (20) montate sull?aeromobile ed estendentisi in direzione sostanzialmente parallela all?asse di rotazione dell?aeromobile (21), essendo ciascuna pala (20) montata ruotabile attorno ad un proprio asse di rotazione ed essendo previsti mezzi di azionamento ad oscillazione di ciascuna pala (20) attorno al proprio asse.

3. Aeromobile secondo la rivendicazione 1, in cui l?unit? di propulsione cicloidale (2) comprende un rotore (23) azionato a rotazione da un motore, una pluralit? di pale (20) montate sul rotore (23) ed estendentisi in direzione sostanzialmente parallela all?asse di rotazione (21) del rotore (23), essendo ciascuna pala (20) montata ruotabile attorno ad un proprio asse di rotazione ed essendo previsti mezzi di azionamento ad oscillazione di ciascuna pala (20) attorno al proprio asse.

4. Aeromobile secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui i mezzi di azionamento ad oscillazione di ciascuna pala attorno al proprio asse comprendono servomotori elettrici (22).

5. Aeromobile secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui sono previste due unit? di propulsione cicloidale (2) controrotanti.

6. Aeromobile secondo la rivendicazione 5, in cui il rotore (23) di ciascuna unit? di propulsione cicloidale (2) ? costituito da un corpo anulare su cui sono montate le dette pale (20).

7. Aeromobile secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui le due unit? di propulsione cicloidale (2) sono poste rispettivamente sulla superficie superiore e sulla superficie inferiore dell?aeromobile.

8. Aeromobile secondo la rivendicazione 5, in cui le unit? di propulsione cicloidale (2) controrotanti sono azionate da uno o pi? motori elettrici.

9. Aeromobile secondo una o pi? delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che ? di forma discoidale.