NO317612B1 - Rotor som genererer loft og bruk av rotor - Google Patents

Description

Rotor og luftfartøy passivt stabilt i hover

Denne oppfinnelsen omhandler rotorer og rotor baserte luftfartøy og da spesielt et rotorsystem som tillater passive stabil hover (stå stille i luften). Den omhandler også et koaksialt rotorsystem spesielt egnet for små luftfartøy samt metoder for å styre slike.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Et rotorbasert luftfartøy som f.eks. et helikopter holdes oppe av rotoren som roterer om rotorakslingen og som genererer en vertikal kraft. Retningen på kraften er vinkelrett på rotasjonsplanet som defineres som det planet som beskrives av tuppene til rotorbladene når disse roterer om rotorakslingen.

På et konvensjonelt helikopter kan den totale vertikale kraften endres ved at stigningsvinkelen på alle rotorbladene endres likt, og på den måten styres helikopteret i vertikal retning. Horisontalt kan helikopteret styres ved syklisk å endre stigningsvinkelen på bladene. Syklisk endring av stigningsvinkelen på bladene betyr at hvert enkelt rotorblad har en stigningsvinkel som kan endres fra et maksimum i en spesiell del av rotasjonen til et minimum på motsatt side. Dette fører til at den vertikale kraften eller løftet er større i en del av rotasjonen enn i de andre delene, hvorpå rotasjonsplanet vippes i forhold til rotorakslingen. Når rotasjonsplanet er vippet slik som dette vil den opprinnelige vertikale kraften også få en horisontal komponent som drar helikopteret i den retning som rotasjonsplanet er vippet ned.

Vanligvis må et helikopter styres aktivt av en pilot eller ved.hjelp av gyroskopiske sensorer. De nødvendige anordningene for å variere og styre stigningsvinkelen på hvert enkelt rotorblad er kompliserte, dyre og tunge.

En rotor med faste blader uten individuell styring av stigningsvinkelen vil åpne mulighetene for et lettere helikopter eller luftfartøy. Imidlertid er en slik rotor i utgangspunktet ustabil og krever derfor andre mekanismer for kontroll. Det finnes flere eksempler på helikoptre med rotorer, inkludert kontra-roterende rotorer, som har fast stigningsvinkel og som styres ved hjelp av vektforflytning.

US patent no. 06182 923 viser et helikopter hvor rotoren inkludert rotorakslingen kan skyves frem og tilbake samtidig som den kan vippes fra side til side. Hensikten med dette arrangementet er å flytte tyngdepunktet i forhold til den vertikale kraften fra rotoren, for på den måten å tippe hele helikopteret i den retningen man ønsker å fly. Et annet helikopter med kontra-roterende koaksiale rotorer med fast stigningsvinkel er vist i US patent no. 06460802. På dette helikopteret er hele rotorsystemet fritt opplagret og kan vippe i alle retninger for på den måten å kunne styre det.

På flere helikoptre konstruert og bygget av Kaman Corporation, har den innerste delen av rotorbladene fast stigningsvinkel tilsvarende helikoptrene beskrevet tidligere, men bladene er i tillegg fleksible og kan vris i lengderetningen. På Kaman helikoptrene styres bladene aktivt av såkalte "servo flaps" som kan vri bladene for syklisk å kunne endre stigningsvinkelen og dermed gi kontroll.

Kontroll av et luftfartøy med faste rotorer kan også oppnås ved å bruke klaffer eller spalter som endrer luftstrømmen som går igjennom rotoren. Et annet alternativ er å bruke 4 separate propeller, 2 og 2 roterende i hver sin retning, diagonalt plassert rundt en vertikal senterakse. Hver propell bidrar i utgangspunktet med en like stor del av vertikalkraften som løfter luftfartøyet. Luftfartøyet blir så styrt ved å vippe det i den retningen man ønsker å fly ved at kraften fra én propell økes mens kraften fra propellen på motsatt side reduseres. Denne ideen ble først brukt på et stort helikopter i 1920. Et tilsvarende, men lite leke "helikopter", batteridrevet og radiostyrt ble introdusert av Keyence Corporation i Japan i 1997.

Luftfartøyene beskrevet over er alle eksempler på enkle konstruksjoner, men ingen av dem er passivt stabile og de må derfor styres av en erfaren pilot. De fleste av dem må også brukes i lite vind eller innendørs.

Et luftfartøy som er passivt stabilt i hover er vist i US patent no. 05297759. Dette luftfartøyet fremstår som en stor flygende rotor med begrensede muligheter for styring.

Et annet stabilt lekehelikopter er vist i patentsøknad no. WO 03039950. Dette helikopteret bruker forskjellige former for ringer eller sikkerhetsbuer forbundet til tuppen av rotorbladene, og det baserer seg på at gyroskopiske krefter endrer stigningsvinkelen på rotorbladene på en måte som sikrer stabilitet, mye tilsvarende konvensjonelle 2-bladede rotorer med store stabiliserings stag. Hensikten med sikkerhetsbuene, i tillegg til å øke sikkerheten, er å skape en gyroskopisk kraft som hvis nødvendig, endrer stigningsvinkelen på propellen (rotorbladene) slik at den har en sterk tendens til å forbli i, eller returnere til, en horisontal posisjon. Dette helikopteret har en propell (rotor) med blader som ligger helt horisontalt uten noen form for koning. Bladene kan fritt rotere om lengdeaksen slik at stigningsvinkelen endres uten at de er fleksible eller på annen måte bøyes eller vris, og uten å kunne bevege seg opp eller ned. Hensikten med denne oppfinnelsen ser ut til å være; så effektivt som mulig, hele tiden å holde propellen flatt og derigjennom også hindre helikopteret i å begynne og oscillere og bli ustabilt. Imidlertid gir dette stabiliseringssystemet begrenset kontroll over helikopteret og det tillater ikke presise manøvrer.

I mange anvendelser vil det være ønskelig å ha et helikopter som ér stabilt uten noen form for aktive stabiliserings-systemer, dette selv om mulighetene for høy foroverhastighet og operasjon i vind ofres. Det er nødvendig å ha en rotor som er stabil og som holder helikopteret i samme posisjon i forhold til luften omkring, men samtidig må en slik rotor tillate full horisontal kontroll og presise manøvrer.

Kort oppsummering av oppfinnelsen

Denne oppfinnelsen tar sikte på å oppfylle ønsket om et passivt stabilt luftfartøy ved å presentere en rotor med enkel konstruksjon som muliggjør et slikt luftfartøy. Videre kan den presenterte rotoren brukes i et koaksialt, kontra-roterende rotorsystem som er både lett, effektivt og enkelt å operere. Den vil være ideell for små elektriske fjernstyrte luftfartøy.

Rotoren som presenteres har en fast konisk form, en rotoraksling med en vertikal akse, et "rotasjonsplan" definert som det planet tuppen av rotorbladene beskriver når rotoren roterer, samt et fast "referanseplan" vinkelrett på rotorakslingen. Rotoren skaper det nødvendige løftet for å holde et luftfartøy i luften, og tillater stabil hover. Den presenterte oppfinnelsen baserer seg på tre forskjellige mekanismer som fungerer sammen for å kontrollere stabiliteten

.■ og egenskapene til rotoren.

Først forbinder en .anordning rotoren til akslingen på en måte som tillater at rotoren kan vippe uten at enkeltblader alene kan flappe (bevege seg opp og ned). Rotasjonsplanet til rotoren kan vippe forholdsvis fritt i alle retninger i forhold til referanseplanet.

For det andre er rotoren stabilisert i forhold til rotorakslingen og selve luftfartøyet ved at en del av rotorbladene har en fast stigningsvinkel i forhold til referanseplanet. For et rotorblad er stigningsvinklen definert som vinklen mellom et plan som skjærer gjennom både bladets forkant og bakkant, og et referanseplan vinkelrett på rotoraksen. Hvis rotoren (rotasjonsplanet) er vippet, vil bladene følge en bane som går opp og ned mens de roterer. Den delen av bladene med fast stigningsvinkel i forhold til referanseplanet vil da ha forskjellig løft i de forskjellige delene av rotasjonen, hvorpå rotoren vippes tilbake til sin opprinnelige posisjon.

For det tredje, vil bladene i en rotor som beveger seg horisontalt oppleve forskjellig relativ lufthastighet avhengig av hvor i rotasjonen de er. I de delene av rotasjonen hvor bladene beveger seg forover i samme retning som bevegelsen, vil den relative lufthastigheten øke. Den økte hastigheten gir økt løft og begynner dermed å vippe rotoren/rotasjonsplanet opp i fronten. På den foreliggende rotoren har minst en del av rotorbladene en stigningsvinkel som følger rotasjonsplanet. Dette er i tillegg til den delen som har en fast vinkel i forhold til referanseplanet, og dette medfører at rotorbladet enten må være fleksibelt i lengderetningen eller bestå av to eller flere deler fleksibelt forbundet med hverandre. Den faste stigningsvinkelen i forhold til rotasjonsplanet er viktig fordi den i stor grad bidrar til at rotoren/rotasjonsplanet, og derfor også det vertikale løftet tilter, selv ved meget små horisontale bevegelser. Det tiltede løftet har nå fått en horisontal komponent som virker mot bevegelsen og prøver å stoppe denne.

Den økte tendensen til å tilte/vippe er faktisk det. motsatte av hva man normalt ønsker at en rotor skal gjøre og det begrenser muligheten for stor foroverhastighet. Når bevegelsen stopper vil den andre mekanismen, som stabiliserer rotoren i forhold til rotorakslingen, bringe rotoren tilbake til utgangspunktet.

For å holde og beskytte rotorbladene når rotoren er i bruk, er tuppen av bladene forbundet med en ring som omslutter hele rotoren. Denne ringen vil på grunn av sin masse også bidra til den gyroskopiske stabiliteten til rotoren.

Den foreliggende oppfinnelsen beskriver også et luftfartøy som benytter et koaksialt kontra-roterende rotorsystem som både er passivt stabilt i hover og som kan fly forover. Videre beskrives systemer for å styre luftfartøyet i forskjellige retninger, f.eks. rotasjon og foroverflukt. Til slutt beskrives alternative luftfartøy for bruk i forskjellige situasjoner og til spesielle oppgaver.

Kort beskrivelse av tegningene

Den følgende detaljerte beskrivelsen av den foretrukne utførelsen er ledsaget av tegninger for å gjøre den lettere å forstå.

Figur 1 er en perspektivtegning av en 4-bladet rotor.

Figur 2a og 2b er rotoren i figur 1 sett fra siden, de viser rotoren i en horisontal og en vippet posisjon. Figur 3 er et rotorblad som er fleksibelt i lengderetningen, 3a sett nedenfra, 3b sett bakfra og 3c sett fra siden. Figur 4 er et.rotorblad som består av 2 koblede elementer, 4a sett nedenfra, 4b sett bakfra, 4c og 4d sett fra siden. Figur 5a og 5b er en 4-bladet rotor i en horisontal og en vippet posisjon, begge sett fra siden. Figur 6 er en perspektivtegning av et luftfartøy med et koaksialt rotorsystem og en propell med vertikal skyvkraft brukt til styring. .Figur 7 er en perspektivtegning av et luftfartøy som benytter en alternativ utførelse av oppfinnelsen.

Figur 8 er en perspektivtegning av et luftfartøy som benytter en annen alternativ utførelse av oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse av den foretrukne utførelsen

I det følgende vil den foreliggende oppfinnelsen bli diskutert og den foretrukne utførelsen beskrevet gjennom å vise til tegningene. Noen alternative utførelser blir beskrevet, men en fagmann vil kunne se andre anvendelser og modifikasjoner innen omfanget av denne oppfinnelsen slik den er definert gjennom de selvstendige kravene.

I figur 1, 2 og 3 er den foretrukne utførelsen for en rotor i henhold til den foreliggende oppfinnelsen vist. Denne rotoren passer best til små luftfartøy, som enten flyr fritt eller er radiostyrt og som brukes innendørs eller i lett vind. Rotoren består av 4 fleksible rotorblader, vippbart forbundet til en vertikal rotoraksling på en måte som gir en forholdsvis fast konisk form. Et rotasjonsplan definert som det planet tuppene av rotorbladene beskriver når rotoren roterer samt et fast referanseplan definert til å være vinkelrett på rotorakslingens senterakse, hjelper til å beskrive rotorens virkemåte. Rotoren er omsluttet av en ring som er fast forbundet til tuppen av hvert rotorblad, og ingen individuelle rotorblader tillates å flappe (bevege seg opp og ned) separat. Ringen ligger per definisjon i rotasjonsplanet. Det finnes ingen anordninger for aktivt å kunne styre stigningsvinkelen til bladene.

På en rotor slik den som er beskrevet i denne oppfinnelsen, er stigningsvinklen definert som vinklen mellom et plan som skjærer gjennom både bladets forkant og bakkant, og et valgt referanseplan. Dette betyr at hvis stigningsvinklen omtales som fast i forhold til et spesielt plan, f.eks det tidligere definerte "referanseplanet", så er vinklen mellom planet som skjærer gjennom både bladets forkant og bakkant, og referanseplanet, uendret selv om rotoren tipper eller tilter.

En rotor som beskrevet over, er på grunn av massen til rotorbladene og ringen, påvirket av gyroskopiske krefter. På grunn av "gyroskopisk presesjon" vil et roterende objekt, som f.eks denne rotoren når den utsettes for en vippekraft, ende med å vippe sidelengs. Hvis aerodynamiske krefter prøvde å vippe rotoren og denne var mer fast forbundet med rotorakslingen, ville den oppleve mekaniske krefter fra koblingen som ville prøve å hindre rotoren i å vippe. På grunn av den gyroskopiske presesjonen ville rotoren faktisk kunne tippe sideveis i forhold til den kraften som i første omgang ville hindre vipping. Denne sideveise tippingen ville så igjen gi opphav til nye mekaniske krefter og føre til at rotoren tipper i enda en ny retning. Rotoren kan nå lett komme ut av kontroll.

Fra diskusjonen av gyroskopiske krefter kan vi se at fordi rotoren i den foreliggende oppfinnelsen har en forholdsvis fast geometri, er en av de viktige og nødvendige egenskapene at den kan vippe forholdsvis fritt i alle retninger i forhold til det faste referanseplanet. Dette er selvfølgelig viktig for å redusere de mekanisk introduserte kreftene mellom rotoren og rotorakslingen.

Siden rotoren kan vippe i alle retninger er det viktig å kunne stabilisere den. I en konvensjonell 2-bladet rotor kan dette gjøres ved å benytte en såkalt "stabiliseringsstang" som gyroskopisk styrer stigningsvinkelen til rotorbladene på en måte som sikrer stabiliteten i forhold til rotorakslingen.

Den foreliggende oppfinnelsen viser imidlertid en annen måte å oppnå stabilitet uten å bruke en stabiliseringsstang. Ved å benytte et rotorblad som kan vri/bøye seg om sin lengdeakse slik at hvis rotasjonsplanet (rotoren) tipper om en akse parallelt med rotorbladet vi studerer, vil det være mulig for den innerste delen av bladet å beholde sin stigningsvinkel i forhold til referanseplanet uten nevneverdig å begrense vippebevegelsene til rotoren. Dette er illustrert i figur 2.

Hvis rotoren er vippet vil den delen av bladene som har en fast stigningsvinkel i forhold til referanseplanet ha redusert løft idet bladet roterer mot punktet hvor rotasjonsplanet ligger høyest (vippet mest opp) og tilsvarende økt løft på motsatt side. Dette skyldes at bladene i tillegg til å følge rotoren rundt også beveger seg opp og ned for å kunne følge den vippede banen. Dette vil i praksis si at bladenes innfallsvinkel i forhold til luften, og derfor også løftet, endres. Løftet er minst på det punktet i rotasjonen hvor bladene er 90 grader foran det høyeste punktet. På grunn av den gyroskopiske presesjonen beskrevet tidligere vippes rotoren tilbake til sin opprinnelige posisjon av forskjellene i løft og ikke sideveis som man ellers ville kunne tro.

For å oppnå passiv stabilitet prøver rotoren å hindre enhver bevegelse i forhold til luften rundt. På en rotor som beveger seg horisontalt vil bladene oppleve forskjellig lufthastighet mens de roterer. I den delen av rotasjonen hvor bladene roterer forover i samme retning som bevegelsen (forovergående blad) er lufthastigheten større enn på motsatt side (bakovergående blad). Det er åpenbart at den høyeste relative lufthastigheten og derfor også det største løftet opptrer når forovergående blad peker ut til siden, vinkelrett på den horisontale bevegelsesretningen. Det økte løftet begynner å vippe rotasjonsplanet. På grunn av den gyroskopiske presesjonen vil det økte løftet på forovergående blad føre til at rotoren vipper opp i front og ikke sideveis.

En viktig egenskap som øker tendensen til å vippe ligger i at' den ytterste delen av rotorbladene har en fast stigningsvinkel i forhold til rotasjonsplanet og ringen. Dette kan ses i figur 2b og 5b. Hvis rotoren har blitt vippet, vil stigningsvinkelen til den innerste delen av rotorbladene forbli uendret, mens stigningsvinkelen videre utover bladet vris og endres slik at bladene i tuppen har uendret stigningsvinkel i forhold til det nå vippede rotasjonsplanet.

For ytterligere å øke tendensen til å vippe har rotoren en viss konisk form, bladene går ikke helt horisontalt ut fra rotorakslingen, men peker litt oppover. Denne koningen bidrar til å øke løftet på rotorbladene når de er i den fremre delen av rotasjonen. Til å begynne med har rotoren et løft som peker rett oppover. Når rotasjonsplanet begynner å vippe , vipper også løftet og det får således en horisontal komponent som virker i motsatt retning av bevegelsen og prøver å stoppe denne. Når bevegelsen stopper opp, vil stabiliteten i forhold til rotorakslingen gradvis bringe rotoren tilbake til sin opprinnelige horisontale stilling.

Denne økte tendensen til å vippe (ofte kalt: back-flapping) som en følge av horisontal bevegelse, skiller denne rotoren fra andre rotorer. Dette er faktisk det motsatte av det man vanligvis ønsker at en rotor skal gjøre og det begrenser mulighetene for stor flyhastighet forrover.

På en vanlig 2-bladet rotor med fast stigningsvinkel vil vinkelen langs hele rotoren (begge rotorbladene) og ikke bare den innerste delen forbli fast mens den fremdeles kan vippe opp og ned. På grunn av dette vil en vanlig 2-bladet rotor med fast stigningsvinkel ville kunne være forholdsvis stabil i forhold til rotorakslingen. Dette er vanligvis ønskelig hvis helikopteret f.eks er kontrollert ved hjelp av vektforflyttning.

For et av leketøys helikoptrene beskrevet tidligere (WO 03 03 9950) er virkemåten nærmest den motsatte. Her er rotoren ekstremt stabil i forhold til rotorakslingen og helikopteret. Rotoren/propellen er faktisk forhindret fra å flappe (vippe opp og ned). Sentrifugalkrefter vil isteden tendere til å endre stigningsvinkelen til propellen slik at både propellen og selve helikopteret alltid forblir horisontalt.

Helikoptre fra Kaman Corporation beskrevet tidligere og faktisk de fleste andre helikoptre, blir styrt ved å endre . stigningsvinkelen til rotorbladene. Ved horisontal flygning vil stigningsvinkelen normalt endres syklisk for å redusere tendensen til å vippe, ikke øke den slik som tilfellet er i den foreliggende oppfinnelsen.

Ingen annen kjent rotor ser ut til å vippe og reagere på bevegelse i forhold til luften rundt på den samme måten som rotoren i denne oppfinnelsen.

På rotoren vist i figur 1, er den relative betydningen av stabilitet i forhold til rotorakslingen holdt opp mot evnen til å vippe som en reaksjon på en horisontal bevegelse påvirket av; rotorens rotasjonshastighet, graden av koning, vekt, form og stivhet på rotorbladene og ringen som omslutter dem, samt utformingen og vekten til luftfartøyet som anvender rotoren. Disse faktorene må optimaliseres i forhold til hverandre for å oppnå passiv stabilitet i hover.

Eksperimenter har vist at: Lav rotasjonshastighet krever rotorblader som generelt er bredere, opptil 50-80% bredere ved roten enn ved tuppen. Lav rotasjonshastighet krever også blader med tyngre tupper eller en ring som omslutter dem. Høy stabilitet i forhold til luften rundt krever mer koning og rotorblader som vris/bøyes lett i lengderetningen. Det kan også nevnes at hvis evnen til å vippe opp som en reaksjon på horisontal bevegelse blir gitt for stor prioritet blir det vanskelig å fly forover eller operere i vind.

Når vi fortsetter beskrivelsen av den foretrukne utførelsen refererer vi til figur 1, 2 and 3. Rotoren (10) består av 4 rotorblader ordnet i to par (11,12) med et vingeprofil formet som en tynn kurvet plate. Dette vingeprofilet er valgt for å få rotorblader som lett kan vris/bøyes samtidig som de beholder styrke i lengderetningen. Rotorbladene er forbundet til to senterdelerto rotor blader (11) i hver sin retning er forbundet til en øvre senterdel (13) og de to andre rotorbladene (12) orientert 90 grader i forhold til de første, er forbundet til en nedre senterdel (14). På tuppen er de forbundet med en ring (15) som omslutter hele rotoren. Bladene har en forhåndsbestemt stigningsvinkel på omtrent 20 grader, og de peker oppover 6-12 grader (16) for å gi rotoren en konisk form, se figur 2a. De .ortogonalt orienterte senterdelene er uavhengig og vippbart koblet via pinner (17,19) til den vertikale rotorakslingen (18), figur 2b og 3c. Vippekoblingen tillater at momentet fra rotorakslingen driver rotoren rundt samtidig som hvert sett av rotorblader kan vippe i sin lengderetning. Stigningsvinkelen på den innerste delen til alle rotorbladene forblir uendret når rotoren vipper.

I figur 5 kan en tilsvarende rotor med fast stigningsvinkel og vippeakser for hvert sett av rotorblader ses mer detaljert. Det vippbare rotasjonsplanet er merket (A) og det faste referanseplanet er merket (B). Den faste stigningsvinkelen (41) på den innerste delen av rotorbladet (12) som er vist i figur 5a, forblir uendret i figur 5b etter at rotoren er vippet om vippeaksen (47). Hengslene merket

(46) og (48) og som står vinkelrett på hverandre, kan være en hvilken som helst type hengsel bestående av rotasjonspinner som i figur 1 og 2 eller en form for fleksibelt materiale. Vippeaksen (47) står vinkelrett på senterdelen (43) og lengdeaksen til det øverste rotorbladparet og tillater at disse rotorbladene fritt kan tilte opp og ned. Det samme er tilfellet for vippeaksen (49) og senterdelen (44) til det nederste bladparet (12). Begge hengslene (46,48) er forbundet til rotorakslingen (18) gjennom en plate (45), I figur 5b kan det klart ses at tuppen til rotorbladet (12), forbundet med ringen (15) beholder sin stigningsvinkel (42) uendret i forhold til det nå vippede rotasjonsplanet (A). Når man studerer tegningene vil det bli klart at vipping om den andre vippeaksen (49) vil gi det samme resultatet for det settet av rotorblader som peker mot høyre og venstre (11).

Ringen (15) som omslutter rotorbladene har tre forskjellige oppgaver: Først og fremst holder ringen den ytterste delen av rotorbladene og sikrer at stigningsvinkelen er fast i forhold til rotasjonsplanet. (Ringen vil ut i fra definisjonen av rotasjonsplanet alltid ligge i dette.) For det andre beskytter den rotoren når den er i drift ved å hindre at noe kommer inn i rotorbladene. For det tredje vil ringen på grunn av sin masse sikre god gyroskopisk stabilitet for rotoren selv ved lave rotasjonshastigheter.

Imidlertid er det viktig å notere seg, at på tross av de forskjellige oppgavene til ringen (15) vil en slik ring på ingen måte begrense denne oppfinnelsen. Det er fullt mulig å lage en rotor med rotorblader i henhold til minst et av kravene i den foreliggende oppfinnelsen som vil fungere uten en ring som omslutter dem.

Med referanse til figur 4 vises en annen utførelse av rotorbladet. Dette rotorbladet består av to elementer: Det første elementet (21) med fast stigningsvinkel i forhold til resten av rotoren (rotasjonsplanet) og et annet element (22) med en fleksibel eller leddet forbindelse (23) til det første elementet, se figur 4a. Det første elementet er fast forbundet til en senterdel, en såkalt hub (24) . Huben holder alle rotorbladene i rotoren, og den er vippbart (25) forbundet med rotorakslingen (26) på en måte som tillater rotoren å vippe i alle retninger. Det andre elementet har en stigningsvinkel som er mer eller mindre fast i forhold til referanseplanet og rotorakslingen (26), og den blir styrt av en arm (27) og linker (2 8) som forbinder den til en blokk (29) som stikker ut fra rotorakslingen, figur 4b.

Koblingen mellom linken (28) og det andre elementet (22) av rotorbladet ligger på en akse som går igjennom rotorakslingen og som er vinkelrett til både rotorbladets lengdeakse og til rotorakslingen. Dette tillater at rotorbladet kan vippe opp og ned uten noen relativ bevegelse av det andre elementet. Hvis imidlertid rotoren vipper i den andre retningen (den retningen som i utførelsen beskrevet tidligere ville ha vridd/bøy rotorbladet), vil det første elementet (21) vippe sammen med resten av rotoren mens det andre elementet (22) hovedsakelig beholder sin opprinnelige stigningsvinkel i forhold til referanseplanet og rotorakslingen, se figur 4d. Formen på vingeprofilet vil derimot endres som en følge av vippingen. . Ved å studere rotorbladet i figur 4 og ved å følge beskrivelsene over, kan man se at en rotor bestående.av disse rotorbladene vil fungere etter de samme prinsippene'som den første utførelsen vist i figur 3, og derfor muliggjøre vedvarende flygning som er passivt stabil i hover. Man vil også se at en slik rotor vil fungere helt uavhengig av om det finnes en ring som omslutter den. En annen viktig egenskap ved dette rotorbladet er at det vil fungere like godt for 2, 3, 4 og 5-bladede rotorer. En fagmann på området vil også se andre modifikasjoner og varianter av denne utførelsen som ligger innenfor omfanget av oppfinnelsen.

Den foreliggende oppfinnelsen viser også forskjellige luftfartøyer som har koaksiale kontra-roterende rotorer. De er passivt stabile i hover og de kan fly forover i lave hastigheter. Stabil hover gjør luftfartøyene mye enklere å bruke og å styre. De koaksiale kontra-roterende rotorene vil i tillegg til å være meget effektive også ha den fordelen at gyroskopiske og aerodynamiske effekter tenderer til å utballansere hverandre og bidra til å forenkle styringen. Den faste formen til den vippbare rotoren reduserer også behovet for individuell "flapping" (opp og ned) eller "lead/lag"

(forrover og bakover) bevegelse hos rotorbladene samt at det er lite eller ingen vibrasjoner i luftfartøyet.

Med referanse til figur 6 er den foretrukne utførelsen av et luftfartøy i henhold til den foreliggende oppfinnelsen vist. Det er et lite elektrisk drevet fjernstyrt helikopterlignende luftfartøy (50) med koaksial kontra-roterende rotor. Det koaksiale rotorsystemet består av to rotorer tilsvarende den som ble omtalt i den første utførelsen diskutert tidligere. Den ene rotoren er plassert over den andre, og de bruker en indre aksling (51) for den øverste rotoren (52) og en ytre aksling (53) for den nedre rotoren (54). Hovedfordelen med dette rotorsystemet er at det ikke trenger f.eks en halerotor som motvirker momentet fra rotoren. De to rotorene som roterer i hver sin retning utbalanserer hverandre og all energien kan brukes til å lage løft. Fordi luftfartøyet løfter sine egne forholdsvis tunge batterier (55) er det viktig at rotorsystemet er effektivt og at selve luftfartøyet er lett, bygget av karbonfiber eller tilsvarende lette materialer.

Luftfartøyet er fjernstyrt av en operatør som bruker.en-sender med styrestikker (ikke vist) som sender kontroll signaler til en mottaker (56) i luftfartøyet. Kontroll signalene styrer så elektriske hastighetsregulatorer (57) elektrisk koblet til to elektriske motorer (58) og (59) som driver hovedrotorsystemet samt en liten elektrisk motor (60) som driver en propell (61) som kan vippe hele luftfartøyet. All elektronikken og motorene er kommersielt tilgjengelig og anses som kjent teknologi. Den lille propellen (61) for styring, er plassert mellom to horisontale stenger (62) som går bakover fra hovedkroppen (63) til luftfartøyet. Den er plassert horisontalt for å kunne gi en vertikal kraft (64) som skal kunne vippe hele luftfartøyet inkludert rotorakslingen og rotorene. Når det står på bakken, holdes luftfartøyet oppe av 4 fleksible ben (65) som strekker seg nedover fra hovedkroppen.

De elektriske motorene er koblet til rotorakslingen via reduksjonsgir bestående av hjul med stor diameter (66) på rotorakslingen og små hjul (67) på motorakslingene. De små hjulene driver de store gjennom gummibånd med tilstrekkelig styrke. De to motorene som driver hovedrotorene går i hver sin retning, men har samme dreiemoment. Når hastigheten til motorene og derigjennom hastigheten til rotorene øker, vil til slutt skyvkraften løfte luftfartøyet.

Det er veldig enkelt å styre dette luftfartøyet:

Vertikalt styres luftfartøyet med hastigheten (69) og (70) til de to hovedrotorene. For å stige økes hastigheten og derigjennom også løftet fra rotorsystemet. For å dale, reduseres hastigheten. Fordi momentet som driver rotorene i hver sin retning er ballansert og fordi luftfartøyet er passivt stabilt, kreves ingen annen kontroll.

Sideveis styring, vridning av luftfartøyet fra side til side, oppnås enkelt ved å øke hastigheten (69) på én rotor og redusere hastigheten (70) på den andre rotoren tilsvarende. Luftfartøyet vil da rotere i motsatt retning av den rotoren som fikk økt hastighet.

Horisontalt blir luftfartøyet bare styrt forover og bakover. For å starte foroverflukt økes hastigheten på den lille propellen (61) plassert bak på luftfartøyet. Det vertikale løftet (64) fra denne propellen vipper hele luftfartøyet inkludert rotorakslingen og hovedrotorsystemet, for derigjennom å gi det totale løftet en horisontal komponent som driver luftfartøyet fremover. Kjøres den lille propellen motsatt vei drives luftfartøyet bakover. Hvis den lille propellen selv er en liten stabil rotor i henhold til den foreliggende oppfinnelsen, vil luftfartøyet også kunne være passivt stabilt i rotasjon. Det vil si at hvis luftfartøyet begynner å rotere, vil den lille propellen (rotoren) bak vippe og den opprinnelige vertikale kraften vil få en horisontal komponent som virker mot rotasjonen.

På grunn av rotorens innebygde motstand mot horisontale bevegelser er det begrenset hvor stor hastighet det er mulig å oppnå. Det er også nødvendig å påpeke at Igor Sikorsky uten å lykkes prøvde små styrepropeller i noen av sine tidlige modeller. De sluttet å virke når hastigheten forover økte og luftstrømmen fra hovedrotoren begynte å treffe styrepropellen. Den maksimale hastigheten i den foreliggende oppfinnelsen er imidlertid lav, og konseptet virker her. Vi vil også se at for å fly til siden, så er det nødvendig å først rotere luftfartøyet for deretter å fly forover i den ønskede retningen.

Alt i alt ender det med at disse tre styrings retningene; vertikalt, forrover/bakover og rotasjon (retning) er en veldig enkel og intuitiv måte å styre luftfartøyet på. Men muligens er den viktigste egenskapen til dette luftfartøyet at: Hvis operatøren skulle miste kontroll med luftfartøyet, så kan han bare slippe styringsstikkene så de går tilbake til nøytral. Luftfartøyet vil da stoppe og helt av seg selv bli stående i hover!

Man kan også tenke seg andre utførelser av denne oppfinnelsen. Med referanse til figur 7 er det vist et annet alternativt luftfartøy (80). Det er veldig likt det foregående og bare forskjellene vil bli omtalt. I stedet for å ha en liten løftepropeller posisjonert helt bak på luftfartøyet, kan det vippes ved hjelp av vektforflytning. En separat og tung del av luftfartøyet, i dette tilfellet batteriene (81) kan kontrollert flyttes i en horisontal retning (82) ved hjelp av servo aktuatorer (83) som er elektronisk koblet til mottakeren. Forflyttningen av batteriene endrer tyngdepunktet i forhold til rotorsystemet for derigjennom å vippe luftfartøyet slik at en vedvarende horisontal flukt starter.

Enda en annen utførelse av oppfinnelsen er vist i figur 8. Dette alternative luftfartøyet (90) er også ganske likt de tidligere, imidlertid er nå begge hovedrotorene drevet av en større elektrisk motor (91) med et lite dobbelthjul (92). En av de to drivende gummibåndene er vridd (93) for å få rotorene til å rotere i motsatt retning. På grunn av at rotorene nå alltid roterer med samme hastighet styres sving/rotasjon på en annen måte. Bak på luftfartøyet er den enkle propellen erstattet med to nye propeller (94) og (95) som er orientert vinkelrett på hverandre for å kunne gi både en vertikal (96) og en horisontal (97) kraft. Den vertikale komponenten tipper luftfartøyet på samme måte som beskrevet tidligere og den horisontale komponenten gir

rotasjonskontroll.

Man kan lett finne andre modifikasjoner av utførelsene. Alle de beskrevne luftfartøyene kan i tillegg til forrover flukt oppnå sideveis flukt ved å bruke anordninger som vipper luftfartøyet sideveis. Videre, så kan anordningene for å generere løft være små propeller, jet-systemer eller et hvilket som helst system som skaper løft. For å oppnå horisontal flukt kan anordningene som skaper en skyvkraft (løft) plasseres nært rotorsystemet slik at de lager en horisontal kraft som skyver luftfartøyet i den ønskede retningen. I en annen utførelse kan fire rotorer brukes i stedet for propeller på et luftfartøy tilsvarende det fra Keyence Corporation beskrevet tidligere, og da også oppnå . stabilitet i rotasjon. Rotoren i den foreliggende, oppfinnelsen kan også kombineres med aktiv syklisk styring av rotorbladene som i et konvensjonelt helikopter. Ved behov kan helikopteret bli passivt stabilt i hover ved å koble in en form for "fail-safe" modus.

Selv om egenskapene til den foreliggende oppfinnelsen er beskrevet i forbindelse med luftfartøy og helikoptre, kan oppfinnelsen være nyttig i mange andre sammenhenger. Oppfinnelsen kan med fordel benyttes i alle tilfeller der noe skal holdes stabilt i hover uten bruk av verken elektronisk eller manuell aktiv kontroll. Eksempler på slike anvendelser kan være: Luftfartøy brukt i reklamesammenheng til å løfte f.eks plakater, bannere, flagg, logoer eller fremvisnings skjermer. Inspeksjoner av en eller annen type hvor luftfartøyet utstyres med sensorer og et videokamera. Film eller TV produksjon hvor kamera og mikrofoner skal løftes. For innsamling av miljødata eller meteorologiske data ved å bruke et luftfartøy utstyrt med sensorer og la det passivt drive med vinden. Flygende leker av forskjellig type, enten fjernstyrt eller fritteflygende. Og i større skala, til forskjellige løfteoperasjoner eller i politi sammenheng og til militære operasjoner.

Selv om den foretrukne utførelsen av den foreliggende oppfinnelsen har blitt beskrevet og enkelte alternativer foreslått vil en fagmann på området kunne finne andre modifiserte utførelser innenfor en bredere ramme av konseptet beskrevet i denne oppfinnelsen. Det er derfor klart at oppfinnelsen ikke er begrenset av de konkrete utførelsene beskrevet her men dekker modifikasjoner samt utførelser som ligger innenfor omfanget av oppfinnelsen slik den er definert i de vedlagte selvstendige kravene.

Claims (16)

1. Rotor som genererer løft, bestående av minst to rotorblader og en hovedsakelig vertikal rotoraksling med en senterakse, og hvor rotorbladene strekker seg utover fra rotorakslingen og ender i en tupp, rotoren har et rotasjonsplan (A) definert av en bane som tuppen til rotorbladene følger når rotoren roterer, karakterisert ved at rotasjonsplanet (A) er vippbart i alle retninger i forhold til et referanseplan (B) vinkelrett på rotorakslingens senterakse, og minst en del av ett eller flere av rotorbladene har en stigningsvinkel som er fast i forhold til referanseplanet, og minst en del av ett eller flere av rotorbladene har en stigningsvinkel som er fast i forhold til rotasjonsplanet.

2. Rotor i følge krav 1, karakterisert ved at minst ett av rotorbladene (11) er laget av et fleksibelt materiale som tillater at rotorbladet (11) kan vri seg i lengderetningen, og minst en del av rotorbladet (11) har en stigningsvinkel (41) som er fast i forhold til referanseplanet (B) og minst en annen del av rotorbladet (11) har en stigningsvinkel (42) som er fast i forhold til rotasjonsplanet (A).

3. Rotor i følge krav 1, karakterisert ved at minst ett av rotorbladene består av to eller flere elementer (21,22) holdt sammen av en fleksibel eller leddet forbindelse (23), og minst ett av rotorbladets elementer (22) har en stigningsvinkel som er fast i forhold til referanseplanet (B) og minst ett annet av elementene (21) har en stigningsvinkel som er fast i forhold til rotasjonsplanet (A).

4. Rotor i følge krav 1, karakterisert ved at et første sett av rotorblader (12) er forbundet til rotorakslingen (18) med et første fleksibelt eller leddet hengsel (48) med en hengselakse (49) vinkelrett på både rotorbladene (12) og rotoraksen, og et andre sett av rotorblader (11) anbrakt vinkelrett på det første settet (12) og forbundet til rotorakslingen (18) med et andre fleksibelt eller leddet hengsel (46) med en hengselakse (47) vinkelrett på både det andre settet av rotorblader (11) og rotoraksen, og hvor den innerste delen av alle rotorbladene (11,12) har en uendret stigningsvinkel (41) i forhold til referanseplanet (B) når rotoren tiltes opp og ned eller sideveis.

5. Rotor i følge krav 1, karakterisert ved at rotorbladene er vinklet oppover i forhold til referanseplanet slik at rotoren får en konisk form.

6. Rotor i følge krav 1, karakterisert ved at to eller flere av rotorbladene (11) i tuppen er forbundet til en ring (15) som omslutter rotoren.

7. Bruk av en eller flere rotorer i følge krav 1 i et luftfartøy hvor den ene eller flere av rotorene har tilstrekkelig rotasjonshastighet til å generere minst en del. av det nødvendige løftet for gi vedvarende flygning inkludert passiv stabil hover.

8. Bruk av en eller flere rotorer i følge krav 1 i et luftfartøy (50) som har minst én anordning (61) tilpasset for å generere en kontrollerbar vertikal skyvkraft (64), forbundet til luftfartøyet (50) i en horisontal avstand fra den ene eller flere av rotorene, for derigjennom å oppnå en kontrollert vipping av luftfartøyet.

9. Bruk av en eller flere rotorer i følge krav 1 i et luftfartøy (80) som i utgangspunktet har et tyngdepunkt plassert rett under den ene eller flere rotorer og hvor en separat og tung del (81) av luftfartøyet er tilrettelagt for å kontrollert forflyttes i en horisontal retning (82) slik at tyngdepunktet endres i forhold til den ene eller flere rotorer, hvori luftfartøyet kan vippes kontrollert.

10. Bruk av en eller flere rotorer i følge krav 1 i et luftfartøy (90) som har minst én anordning (94,95) tilpasset for å generere en kontrollerbar horisontal skyvkraft (97) og som er forbundet med luftfartøyet på tvers og i en horisontal avstand fra den ene eller flere rotorer, for å oppnå rotasj onsstyring.

11. Bruk av en eller flere rotorer i følge krav 1 i et luftfartøy (50) som har to rotorer (52,54) der den ene er plassert over den andre, ved å benytte en indre aksling (51) for øvre rotor (52) og en ytre aksling (53) for nedre rotor (54), og hvor de to rotorene roterer i hver sin retning (69,70) og danner et koaksialt, kontra-roterende rotorsystem.

12. Bruk av en eller flere rotorer i følge krav 1 i et luftfartøy (50) som har to rotorer og hvor rotasjonshastigheten (69,70) til de to rotorene (52,54) på en kontrollert måte kan endres i forhold til hverandre for å oppnå rotasjonsstyring.

13. Bruk av en eller flere rotorer i følge krav 1 i et passivt stabilt luftfartøy for reklameformål og hvor luftfartøyet er i stand til å løfte en hvilken som helst form for merking, display eller objekt for å gi informasjon eller fange publikums oppmerksomhet.

14. Bruk av en eller flere rotorer i følge krav 1 i et passivt stabilt luftfartøy for inspeksjonsformål og hvor luftfartøyet er utstyrt med et sett av sensorer og eventuelt et kamera hvori bilder sendes tilbake til en operatør som styrer luftfartøyet.

15. Bruk av en eller flere rotorer i følge krav 1 i et passivt stabilt luftfartøy for å innhente en hvilken som helst form for miljødata eller metrologiske data, og hvor luftfartøyet er utstyrt med sensorer og hvor det driver med en vind mens det sender data til en mottaker.

16. Bruk av en eller flere rotorer i følge krav 1 i en passivt stabil flygende leke, enten som et fjernstyrt lekehelikopter eller som en hvilken som helst annen form for hovrende lekeluftfartøy, styrt eller frittflygende.