PL231145B1

PL231145B1 - Hovering unit

Info

Publication number: PL231145B1
Application number: PL414381A
Authority: PL
Inventors: Michał Stefaniuk; Anna Kret; Adam Cygal; Grzegorz Lewiński; Jakub KRAWCZYK; Jakub Krawczyk; Adam Augustynowicz; Przemysław Mazurek; Maciej Gucma; Grzegorz Putynkowski
Original assignee: Centrum Badan I Rozwoju Tech Dla Przemyslu Spolka Akcyjna; Centrum Badan I Rozwoju Technologii Dla Przemyslu Spólka Akcyjna; Feliksik Adam Adaco; Opegieka Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia; Opegieka Spólka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia; Przed Badan Geofizycznych Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia; Przedsiebiorstwo Badan Geofizycznych Spólka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2019-01-31
Also published as: PL414381A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest jednostka latająca, a zwłaszcza jednostka latająca wyposażona w aerostat i napędy śmigłowe.The invention relates to a flying unit, in particular a flying unit equipped with an aerostat and propeller drives.

Powszechnie znane i wykorzystywane są wielowirnikowe, bezzałogowe jednostki latające. Takie jednostki latające cechują się małymi rozmiarami oraz wysoką zwrotnością. Jednakże ich dopuszczalny czas przebywania w powietrzu oraz nośność są mocno ograniczone.Multi-rotor unmanned aerial vehicles are widely known and used. Such flying units are characterized by small dimensions and high maneuverability. However, their permissible time in the air and load-bearing capacity are very limited.

Znane są ze stanu techniki rozwiązania mające na celu zwiększanie udźwigu śmigłowców wielowirnikowych, zwanych też multikopterami, poprzez połączenie ich z aerostatem zamocowanym w obrębie multikoptera. Napędy, czyli zespoły śmigłosilnikowe, umieszczone przy aerostacie wytwarzają siłę nośną, która w połączeniu z siłą wyporu aerostatu unosi całe urządzenie wraz z obciążeniem oprzyrządowania, do przenoszenia którego jest ono przeznaczone. W przypadku braku dodatkowego obciążenia, aerostat wydłuża czas, przez jaki jednostka latająca może znajdować się w powietrzu.There are known from the state of the art solutions for increasing the lifting capacity of multi-rotor helicopters, also known as multicopters, by connecting them to an aerostat mounted within a multi-rotor helicopter. Drives, i.e. helicopter assemblies, located next to the aerostat, generate a lifting force which, combined with the buoyancy force of the aerostat, lifts the entire device together with the load of the equipment for which it is intended. In the absence of additional load, the aerostat extends the time the aircraft can remain in the air.

Zgłoszenie patentowe W02015000088A1 ujawnia nadmuchiwaną, szczelną strukturę obok systemu napędowego jednostki latającej, w której zewnętrzna warstwa złożona jest z elastycznych i lekkich materiałów, a wewnętrzna warstwa z lekkich zbiorników z elastycznego i uszczelniającego materiału. Struktura wypełniona jest gazem lżejszym niż powietrze, wskutek czego obniżona jest waga całkowita urządzenia. Wewnątrz toroidalnej struktury znajdują się jednostki napędowe.Patent application WO2015000088A1 discloses an inflatable, sealed structure next to the propulsion system of an aircraft, in which the outer layer is composed of flexible and lightweight materials and the inner layer of light tanks is made of flexible and sealing material. The structure is filled with a gas that is lighter than air, which reduces the overall weight of the device. There are power units inside the toroidal structure.

Zgłoszenie patentowe US20080185475A1 ujawnia zasilanego energią słoneczną drona, wykorzystującego wodór do produkowania energii elektrycznej. Wodór wypełnia pokładowe zbiorniki, dzięki czemu cały dron staje się lżejszy od powietrza. Poprzez odpowiednie zarządzanie wodorem, możliwe jest sterowanie wysokością lotu drona.Patent application US20080185475A1 discloses a solar powered drone that uses hydrogen to produce electricity. Hydrogen fills the on-board tanks, making the entire drone lighter than air. By proper hydrogen management, it is possible to control the flight altitude of the drone.

Zgłoszenie patentowe EP1600370A2 ujawnia hybrydową jednostkę latającą do zastosowań wywiadu militarnego, zawierająca elektryczny system napędowy połączony z korpusem, który zapewnia siłę nośną całej jednostki.Patent application EP1600370A2 discloses a hybrid flying unit for military intelligence applications, comprising an electric propulsion system connected to the body, which provides lifting force for the entire unit.

Korpus wyposażony jest w struktury wypełnione helem (gazem lżejszym niż powietrze).The body is equipped with structures filled with helium (a gas lighter than air).

Powyższe rozwiązania cechują się dużymi rozmiarami oraz małą zwrotnością.The above solutions are characterized by large dimensions and low maneuverability.

Celowym byłoby opracowanie jednostki latającej, w której wirniki wspomagane są aerostatem, gdzie jednostka latająca cechowała by się zwiększoną stabilnością przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej manewrowości oraz małych rozmiarów.It would be advisable to develop a flying unit in which the rotors are supported by an aerostat, where the flying unit would be characterized by increased stability while maintaining high maneuverability and small size.

Przedmiotem wynalazku jest jednostka latająca zawierająca aerostat do wypełniania gazem lżejszym niż powietrze, który to aerostat po wypełnieniu wytwarza siłę nośną skierowaną pionowo w górę, napędy śmigłowe przystosowane do wytwarzania siły nośnej F wzdłuż osi obrotu R śmigieł napędów śmigłowych, ramę do której przymocowane są napędy śmigłowe oraz aerostat, charakteryzująca się tym, że aerostat ma kształt elipsoidy z pionową płaszczyzną symetrii A i prostopadłą do niej poziomą płaszczyzną symetrii B, która to płaszczyzna B dzieli aerostat na część górną i część dolną, przy czym co najmniej dwa napędy śmigłowe umieszczone są symetrycznie względem osi symetrii A tak, że ich osie obrotu R śmigieł przecinają się w punkcie P należącym do płaszczyzny A, leżącym poza bryłą aerostatu po stronie części górnej, przy czym napędy wirnikowe umieszczone są względem płaszczyzny B po stronie części górnej.The subject of the invention is a flying unit containing an aerostat for filling with a gas lighter than air, which aerostat, when filled, produces a lifting force directed vertically upwards, propeller drives adapted to generate a lifting force F along the rotational axis R of propeller propellers, a frame to which propeller drives are attached and an aerostat, characterized in that the aerostat has the shape of an ellipsoid with a vertical plane of symmetry A and a perpendicular horizontal plane of symmetry B, which plane B divides the aerostat into an upper part and a lower part, with at least two propeller drives arranged symmetrically with respect to axis of symmetry A so that their rotational axes R of the propellers intersect at a point P belonging to the plane A, lying outside the aerostat body on the upper side, with the rotor drives located in relation to the plane B on the upper side.

Korzystnie, osie obrotu R śmigieł napędów śmigłowych są nachylone względem płaszczyzny B pod kątem od 5 do 50°.Preferably, the rotational axes R of the propellers are inclined with respect to the plane B by an angle of 5 to 50 °.

Korzystnie, odległość X osi obrotu R śmigła względem najmniej oddalonego od niej punktu powierzchni aerostatu wynosi dwukrotność długości płata śmigła.Preferably, the distance X of the rotational axis R of the propeller to the most distant point of the aerostat surface is twice the length of the propeller blade.

Korzystnie, odległość X wynosi L + 5 cm do L + 100 cm w zależności od wielkości długości L łopaty śmigła.Preferably, the distance X is L + 5 cm to L + 100 cm depending on the size of the propeller blade length L.

Korzystnie, rama okala aerostat zasadniczo w płaszczyźnie B.Preferably, the frame surrounds the aerostat substantially in plane B.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym:The subject of the invention has been presented in the examples of embodiments in the drawing, where:

Fig. 1 przedstawia jednostkę latającą w widoku z boku,Fig. 1 shows the flying unit in a side view,

Fig. 2 przedstawia jednostkę latającą w widoku z góry,Fig. 2 shows the flying unit in a top view,

Fig. 3 przedstawia jednostkę latającą w widoku z boku z uszczegółowieniem zależności konstrukcyjnych,Fig. 3 shows the flying unit in a side view with detailed design relationships,

Fig. 4 przedstawia jednostkę latającą w widoku z boku z uwidocznionymi przepływami powietrza,Fig. 4 is a side view of the flying craft with air flows shown,

Fig. 5 przedstawia jednostkę latającą w widoku z boku z uwidocznionymi rozkładami ciśnienia.Fig. 5 is a side view of the aircraft with the pressure distributions shown.

PL 231 145 B1PL 231 145 B1

Fig. 1 przedstawia jednostkę latającą w widoku z boku. Jednostka latająca zawiera aerostat 1. Aerostat 1 przystosowany jest do bycia wypełnionym gazem lżejszym niż powietrze. Wypełniony aerostat 1 wytwarza siłę nośną skierowaną pionowo do góry. Jednostka latająca zawiera ponadto ramę 2, do której przymocowane są napędy śmigłowe (wirnikowe) 3. Aerostat 1 ma kształt elipsoidy, korzystnie spłaszczonej w pionie. W przypadku spłaszczenia elipsoida jest szersza niż wyższa. Elipsoida zawiera co najmniej jedną pionową oś symetrii oraz jedną poziomą oś symetrii. Zaletami elipsoidalnego kształtu są łatwość wykonania, jak również i stosunkowo duża przewidywalność aerodynamiczna. Ma on również minimalny wpływ na zwrotność całej jednostki. Aerostat 1 może mieć również inne kształty, na przykład sferyczny (kulisty).Fig. 1 shows the aircraft in a side view. The flying unit contains an aerostat 1. The aerostat 1 is adapted to be filled with gas lighter than air. The filled aerostat 1 produces a lift directed vertically upwards. The flying unit also comprises a frame 2 to which are attached propeller (rotor) drives 3. The aerostat 1 has the shape of an ellipsoid, preferably vertically flattened. When flattened, the ellipsoid is wider than it is taller. The ellipsoid has at least one vertical axis of symmetry and one horizontal axis of symmetry. The advantages of the ellipsoidal shape are ease of manufacture as well as relatively high aerodynamic predictability. It also has a minimal effect on the maneuverability of the entire unit. The aerostat 1 can also have other shapes, for example spherical (spherical).

Fig. 2 przedstawia jednostkę latającą w widoku z góry. Widoczne jest, że rama 2 okala aerostat 1. Korzystnie, rama 2 przylega ściśle do powierzchni aerostatu 1. Napędy śmigłowe 3 rozmieszczone są równomiernie wokół aerostatu 1, w przykładzie wykonania jest to rozmieszczenie obwodowe.Fig. 2 shows the flying unit in a top view. It can be seen that the frame 2 surrounds the aerostat 1. Preferably, the frame 2 lies tightly against the surface of the aerostat 1. The propeller drives 3 are evenly distributed around the aerostat 1, in the embodiment it is circumferential.

Fig. 3 przedstawia jednostkę latającą w widoku z boku z uszczegółowieniem zależności konstrukcyjnych. Napędy śmigłowe 3 wytwarzają siłę ciągu F wzdłuż osi R obrotu swoich śmigieł. Aerostat 1 ma kształt elipsoidy z pionową płaszczyzną symetrii A i prostopadłą do niej poziomą płaszczyzną symetrii B, gdzie płaszczyzna B dzieli aerostat 1 na część górną i część dolną. Co najmniej dwa napędy śmigłowe 3 umieszczone są symetrycznie względem osi symetrii A tak, że ich osie obrotu R śmigieł przecinają się w punkcie P należącym do płaszczyzny A, leżącym poza bryłą aerostatu 1 po stronie części górnej. Te napędy wirnikowe 3 umieszczone są względem płaszczyzny B po stronie części górnej. Innymi słowy, co najmniej dwa naprzeciwległe względem siebie napędy śmigłowe 3 są symetrycznie nachylone ku wnętrzu jednostki latającej. Takie ukierunkowanie napędów śmigłowych 3 pozwala na podniesienie stabilności jednostki latającej. Korzystnie, osie obrotu R śmigieł napędów śmigłowych 3 są nachylone względem płaszczyzny B pod kątem od 5 do 50°. Pozwala to na zmaksymalizowanie stabilności zapewnianej przez cechę nachylenia napędów śmigłowych 3. Kąt ten może być stały lub zmienny w czasie lotu lub ustawiany na ziemi przed lotem urządzenia. Regulację kąta można zapewnić przykładowo poprzez ruchome zamontowanie napędów śmigłowych, gdzie ich położenie kątowe (orientacja względem aerostatu 1 i ramy 2) są sterowane za pomocą serwomechanizmów. Korzystnie, rama 2 okala aerostat zasadniczo w płaszczyźnie B. Zwiększa to stabilność jednostki latającej.Fig. 3 shows the aircraft in a side view with a detailed description of the design relationships. The propeller drives 3 generate a thrust F along the rotation axis R of their propellers. The aerostat 1 has the shape of an ellipsoid with a vertical symmetry plane A and a horizontal symmetry plane B perpendicular thereto, where plane B divides the aerostat 1 into an upper part and a lower part. At least two propeller drives 3 are placed symmetrically with respect to the axis of symmetry A, so that their rotation axes R of the propellers intersect at a point P belonging to the plane A, lying outside the body of the aerostat 1 on the upper side. These rotor drives 3 are arranged in relation to the plane B on the upper side. In other words, at least two opposing propeller drives 3 are symmetrically inclined towards the interior of the aircraft. Such an orientation of the propeller drives 3 makes it possible to increase the stability of the flying unit. Preferably, the rotational axes R of the propellers 3 are inclined with respect to the plane B by an angle of 5 to 50 °. This allows maximizing the stability provided by the pitch feature of the propeller motors 3. This angle may be constant or variable in flight, or set on the ground prior to flight of the device. The angle adjustment can be provided, for example, by movably mounting propeller drives, where their angular position (orientation with respect to the aerostat 1 and frame 2) is controlled by servos. Preferably, the frame 2 surrounds the aerostat substantially in plane B. This increases the stability of the flying unit.

Wspomniane ukierunkowane napędy śmigłowe 3 zbliżone są do powierzchni aerostatu 1 na tyle, aby zwiększać prędkość opływania powietrza przy jego powierzchni w wyniku obrotu ich śmigieł. Korzystnie, odległość X osi obrotu R śmigła względem najmniej oddalonego od niej punktu powierzchni aerostatu 1 wynosi dwukrotność długości L płata śmigła. Taka odległość optymalnie wpływa na poprawę stabilności. Korzystnie, odległość X wynosi od L + 5 cm do L + 100 cm, w zależności od długości L łopaty śmigła.Said directed propeller drives 3 are close to the surface of the aerostat 1 so as to increase the speed of flowing air near its surface as a result of the rotation of their propellers. Preferably, the distance X of the rotational axis R of the propeller in relation to the most distant point of the aerostat 1 surface is twice the length L of the propeller blade. This distance optimally improves the stability. Preferably, the distance X is from L + 5 cm to L + 100 cm, depending on the blade length L of the propeller.

Fig. 4 przedstawia w jaki sposób ukierunkowane napędy śmigłowe 3 wpływają na prędkość powietrza opływającego aerostat 1. Jak widać, powietrze bezpośrednio przy powierzchni aerostatu 1 zostaje przyspieszone. Przyspieszony strumień powietrza, poprzez oddziaływanie śmigła 3, opływa z pewną prędkością powierzchnię obłą aerostatu 1. Opływanie przez powietrze obłej powierzchni daje efekt przyśpieszenia lokalnego strugi powietrza. W czasie opływu wytwarzają się lokalne zaburzenia przepływu. Przyśpieszenie strumienia powietrza oraz jego zawirowania dają korzystny efekt lokalnego spadku ciśnienia w obszarze ponad aerostatem. Powoduje to powstawanie dodatkowej siły nośnej wynikającej z różnicy ciśnień. Rozwiązanie to pozwala na uzyskanie stabilizacji urządzenia. Natomiast odchylenie płaszczyzny wirowania śmigieł nośnych powoduje spadek siły nośnej o kierunku pionowym. Siła nośna jednostki latającej jest kompensowana i podwyższana poprzez uzyskanie efektu powstania siły nośnej na skutek lokalnego rozrzedzenia ośrodka, w którym jednostka latająca się porusza.Fig. 4 shows how the directed propeller drives 3 influence the speed of the air flowing around the aerostat 1. As can be seen, the air directly at the surface of the aerostat 1 is accelerated. The accelerated air stream, through the influence of the propeller 3, flows around the round surface of the aerostat 1 at a certain speed. Flowing the round surface by the air gives the effect of accelerating the local air stream. Local flow disturbances develop during the run-off. The acceleration of the air stream and its swirls give the beneficial effect of a local pressure drop in the area above the aerostat. This creates an additional lift due to the pressure difference. This solution allows for stabilization of the device. On the other hand, the deviation of the plane of rotation of the main propellers causes a decrease in the lift force in the vertical direction. The lift force of the flying unit is compensated and increased by obtaining the effect of the lift force resulting from the local dilution of the medium in which the flying unit is moving.

Fig. 5 przedstawia rozkład ciśnienia wokół aerostatu 1, który powstaje w wyniku działania ukierunkowanych napędów śmigłowych 3. Na rysunku, dla uproszczenia, widoczna jest tylko rama 2 aerostatu 1. Praca ukierunkowanych napędów śmigłowych 3 powoduje spadek ciśnienia w górnej części aerostatu. W konsekwencji, wokół dolnej części aerostatu 1 panuje wyższe ciśnienie niż w wokół jego górnej części.Fig. 5 shows the pressure distribution around the aerostat 1 resulting from the action of the directed propeller drives 3. In the drawing, for the sake of simplicity, only the frame 2 of the aerostat 1 is visible. The operation of the directed propeller drives 3 causes a pressure drop in the upper part of the aerostat. Consequently, there is a higher pressure around the lower part of the aerostat 1 than around its upper part.

Siły nośne F od napędów śmigłowych 3 sumują się z siłą wyporu zapewnianą przez aerostat 1 napełniony gazem lżejszym niż powietrze tak, że ogólna siła nośna jednostki latającej jest zwiększona.The lift forces F from the propeller drives 3 add up with the buoyancy force provided by the aerostat 1 filled with a gas lighter than air, so that the overall lift force of the flying unit is increased.

PL 231 145 B1PL 231 145 B1

Napędów śmigłowych 3 może być więcej, przy czym co najmniej dwa skierowane są tak jak wspomniano powyżej. Napędów ukierunkowanych w powyższy sposób może być więcej, przy czym co najmniej dwa muszą spełniać wspomniane warunki. Będzie oczywiste dla znawcy jak w takiej sytuacji dostosować konstrukcję jednostki latającej. Oczywiste dla znawcy w dziedzinie będzie również w jaki sposób wyposażyć konstrukcję w zasilanie oraz elektronikę sterującą lub zaadoptować istniejące jednostki latające, by zawierały zastrzegane cechy.There may be more propeller drives 3, at least two of which are directed as mentioned above. There can be more drives oriented in the above manner, and at least two must meet the mentioned conditions. It will be obvious to a person skilled in the art how to adapt the structure of the flying unit in such a situation. It will also be obvious to those skilled in the art how to equip the structure with power supply and control electronics or adapt existing flying units to include the claimed features.

Claims

Patent claims

1.A flying unit containing an aerostat (1) for filling with a gas lighter than air, the aerostat (1), when inflated, producing a lift directed vertically upwards, propeller drives (3) adapted to generate a lifting force F along the rotational axis R of the propeller propeller blades (3), a frame (2) to which propeller drives (3) and an aerostat (1) are attached, characterized in that the aerostat (1) has the shape of an ellipsoid with a vertical symmetry plane A and a horizontal symmetry plane B perpendicular thereto. plane B divides the aerostat (1) into an upper part and a lower part, where at least two propeller drives (3) are placed symmetrically with respect to the axis of symmetry A, so that their rotational axes R of the propellers intersect at the point P belonging to the plane A, lying outside the aerostat body (1) on the upper side, where the rotor drives (3) are located in relation to the B plane on the upper side.

2. An flying unit according to claim The propeller blades according to claim 1, characterized in that the rotational axes R of the propellers (3) are inclined with respect to the plane B by an angle of 5 to 50 °.

3. An flying unit according to claim The method of claim 1, characterized in that the distance X of the rotational axis R of the propeller in relation to the most distant point of the aerostat (1) surface is twice the length of the propeller blade.

4. An flying unit according to claim 3. The propeller blade according to claim 3, characterized in that the distance X is L + 5 cm to L + 100 cm depending on the size of the propeller blade length L.

An flying unit as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the frame (2) surrounds the aerostat substantially in plane B.