RO128727A2 - Mecanism de propulsie cu aripi în mişcare cicloidală, pentru microvehicule aeriene - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un mecanism de propulsie cu aripi în mişcare cicloidală, pentru microvehicule aeriene, aplicând principiul de funcţionare a propulsorului Schneider, utilizat în marină, la generarea portanţei minivehiculului. Mecanismul conform invenţiei utilizează două propulsoare coaxiale, denumite aici rotoare, la care axul comun este orizontal atunci când vehiculul este în repaus la sol, fiecare rotor putând fi prevăzut cu două, trei sau chiar patru aripi (), fiecare, iar axele () aripilor () formează cu axa rotoarelor un unghi de evazare Δ, aceasta fiind o modificare notabilă în raport cu propulsorul naval, unde axele aripilor sunt paralele cu axul de rotaţie, mecanismul pentru realizarea mişcării rotoarelor conţinând două soluţii originale, şi anume, utilizarea unui ghidaj () cilindric, circular, pentru pasul ciclic şi comanda prin sistem roată dinţată () - cremalieră () a pasului general, ghidajul cilindric, circular, modificând unghiul de pas ciclic după o lege corectă din punct de vedere aerodinamic, iar comanda transmisă prin sistemul roată dinţată () - cremalieră () permite variaţia amplitudinii medii a legii de mai înainte, propunându-se, de asemenea, un sistem de comenzi, profundor, direcţie, eleroane, plasat în jetul rotoarelor, care astfel funcţionează în orice regim, inclusiv, în zbor la punct fix.

Description

MECANISM DE PROPULSIE CU ARIPI IN MIȘCARE CICLOIDALA PENTRU MICROVEHICULE AERIENE

Descriere

Invenția se refera la un nou sistem de generare a forțelor aerodinamice pentru punerea in mișcare a unui minivehicul aerian.

Se știe ca mini/microvehiculele aeriene (in engl. Micro air vehicles, sau prescurtat MAV) sunt aparate de zbor de mici sau foarte mici dimensiuni, avand masa de cel mult 60-80g si dimensiunea maxima de 150mm. Ele pot fi de trei tipuri: cu aripa fixa, cu aripa rotativa si cu aripa batanta. Soluția constructiva propusa de autor este cea de aripa rotativa. Ea insa utilizează si mecanisme aerodinamice specifice aripilor batante. De altfel, din punct de vedere conceptual, s-a ajuns la soluția propusa pornind de la mecanismul batant, si nu de la cel de tip elicopter.

Precizam ca prin termenul de ‘aripa’ se înțelege aici ca in biomecanica, fiecare suprafața portanta care are mișcare proprie. In biomecanica se zice, de exemplu, ca pasarea colibri are doua aripi, deși in aeronautica se folosește denumirea de aripa pentru ansamblul celor doua semiplane (stanga+dreapta). Un termen alternativ pentru aripa in sensul folosit de noi aici, este acela de pala. Vom prefera insa denumirea de aripa, deoarece se subînțelege ca o pala are alungire foarte mare, ceea ce aici nu este cazul.

Noutatea propunerii consta in utilizarea propulsorului Schneider in domeniul aviației, cu modificări urmărind funcționarea optima la numere Reynolds mici. Termenul ‘mișcare cicloidala' se refera la traiectoria profilelor aripii in raport cu curentul de aer neperturbat (curentul ‘de la infinit').

Propulsorul lui Schneider este utilizat in marina si, după stiinta autorului, nu este folosit in aviație. De aceea, pentru înțelegerea mecanismului propus aici, prezentam mai intai succint (fig.l) principiul de funcționare a acestui propulsor. Am ales pentru exemplificare un sistem cu 2 aripi dreptunghiulare. Profilele aripilor sunt simetrice si au focarele in punctele M si P. Aceste puncte se rotesc in jurul originii O cu viteza unghiulara constanta, in sens trigonometric. Curentul de la infinit este aliniat cu axa OZ. El curge de la plus infinit spre minus infinit. Viteza acestui curent trebuie sa fie mai mica decât viteza periferica in punctele M si P. Unghiurile de pas ciclic ale aripilor se obțin punând condiția ca întotdeauna corzile profilelor aMf si aPf sa fie perpendiculare pe KM, respectiv pe KP. Punctul K se afla pe porțiunea semi-axei negative OX, OK<raza cercului. Poziția lui K pe OX impune pasul mediu al aripilor pe ciclu numit si pas ^f v 20¹2-C025-! 4 -02- ?0'2

general. Cu cat excentricitatea lui K este mai mare, cu atat forța aerodinamica medie pe un ciclu de rotatie este mai mare. Se demonstrează teoretic ca forța aerodinamica medie pe un ciclu se proiectează doar pe axa OZ, si are valori pozitive. Subliniem ca la propulsorul lui Schneider, planele corzilor aripilor (cazul 3D) sunt perpendiculare pe planul fig. I (XOZ). Mișcarea focarelor M si P in jurul lui O se va numi mișcare de revoluție, iar mișcarea in jurul punctelor M si P se va numi mișcare de rotatie.

Invenția se refera la următoarele aspecte:

o Poziționarea planelor aripii fata de planul vertical de simetrie (XOZ);

o Mecanismul de acționare a aripilor ;

o Comenzi pentru generare de momente de : tangaj, giratie si ruliu.

Avantajele soluției propuse de autor sunt următoarele :

• Se utilizează fenomene aerodinamice specifice curgerilor la numere Reynolds mici; acestea permit atingerea unor coeficienți de portanta mari, la unghiuri de incidența mari (fenomenul de desprindere intarziata, « delayed stall »);

• mecanismul de acționare al aripilor este mai simplu ca in cazul aripilor batante ;

• se elimina unele forte inerțiale care apar la mișcarea batanta; astfel, mișcarea de revoluție cu viteza unghiulara uniforma introduce doar forte inerțiale centrifugale constante in timp;

• permite marirea numărului de aripi ale minivehiculului aerian (pot fi 4,6 sau chiar 8 pentru întregul minivehicul aerian);

• comanda pasului ciclic permite o variație continua a amplitudinii acestuia, si astfel o variație continua a forței aerodinamice utile (generatoare de portanta si tracțiune).

Prezentam pe rând cele patru aspecte sus-mentionate ale invenției :

Poziționarea planelor aripii fata de planul vertical de simetrie (XOZ)

Descriem mai intai aparatul propriu-zis. El va fi numit de acum înainte MAV si are forma prezentata in figurile 2 si 3. Aparatul are in locul fuselajului un corp de forma unui turn, avand la baza un tren de aterizare (fig. 2,3 poz. [18]). In părțile laterale (dreapta si stanga) se găsesc cele doua sisteme de aripi rotative [14] numite rotoare. Se remarca evazarea aripilor. In corpul central [17] (‘turn’) se găsesc motorul electric, acumulatori, mecanismul prezentat in aceasta descriere, aparatura radio, de navigație, sarcina utila formata din camera de luat vederi, senzori, etc.

Cele doua rotoare (dreapta/stanga) executa in bloc o rotatie in jurul axei orizontale OY (sens pozitiv in sistemul XYZ). In fig. 2 si 3 s-au prezentat rotoare cu cate doua aripi. Aripile au fiecare cate un focar, iar axa aripilor trebuie sa treaca prin el, sa nu avem ts- 2 O 1 2 - O O 1 15 - - /Ț l < -IB- ZS1Z ' ' moment de torsiune. Punctele in care axa aripilor se frânge, datorita evazarii sunt plasate in poziții diametral opuse pe rotor (fig. 1). In cazul sistemelor de trei aripi, aceste puncte vor fi așezate in vârfurile un triunghi echilateral. Evident ca la rotoarele cu patru aripi, aceste puncte vor fi plasate in vârfurile unui patrat.

Daca am urma ideea lui Schneider, nu am avea evazare si aripile ar fi perpendiculare pe XOZ. In cadrul proiectului de fata, axele aripilor (liniile care trec prin focarele aripilor) sunt evazate cu un unghi cu A, adica rotite in jurul dreptelor «M/’ respectiv «P/ cu unghiul Δ. Acest unghi se vede bine in fig. 4. Unghiul Δ va fi de cel mult 30°. Evazarea se face din motive aerodinamice.

Prezentam in fig. 4 doua vederi ale soluției constructive cu aripi evazate. Este vorba de cele doua aripi de pe bordul stâng al aparatului. Pe bordul drept avem inca doua aripi simetrice cu cele prezentate aici.

Mecanismul de acționare a aripilor 'Turnul' (1) găzduiește sistemul de propulsie, alcătuit din trei mecanisme :

A. Mecanismul de transmitere a mișcării de revoluție;

B. Mecanismul de rotatie a aripii (sau de realizare a pasului ciclic);

C. Mecanismul de variație a amplitudinii medii a pasului ciclic (sau a pasului general).

Mecanismul de transmitere a mișcării de revoluție (fig. 5, A) se compune din motorul electric [1] care transmite prin reductorul [2]+[3] mișcarea sa arborelui [4] cu axa de simetrie coincizand cu OY . Restul pieselor care sunt prezentate in figura, pun in mișcare aripile din partea dreapta (caracterizate de Y>0). Piesele care pun in mișcare aripile din partea stanga sunt simetrice fata de cele din partea dreapta. Astfel lagarul [5] are un simetric [5’], manivelele [6] au simetricele [6’], la fel axul [7] are simetricul [7’]. Manivelele [6] care formează cu arborele [4] litera 'Τ’, corespund diametrului MP din fig. i.

Mecanismul de rotatie a aripii (sau de realizare a pasului ciclic)·, (fig. 5, B ; fig. 6) este alcătuit din cupla de rotatie [8] care permite rotatia in jurul axului [7], Perpendicular Pe [8] si solidar cu [8] se gaseste tija [12], Aceasta tija culiseaza in ghidajul [11]. Ghidajul la rândul lui este montat rigid pe o culisa cu suprafața de glisare in forma de « zona cilindrica » [9], La rândul ei, culisa [9] glisează pe un ghidaj cilindric [10]. In fig. 5, ghidajul cilindric este sugerat doar de o porțiune din el. Linia medie a caii de glisare este reprezentata ca o linie punctata. Prelungind axa ghidajului [11], întâlnim axa de simetrie a ghidajului cilindric [10]. Aceste doua axe sunt perpendiculare (fig 6). Solidar legat de piesa [8] se afla axul aripii [13]. Se remarca unghiul de « evazare » al aripii notat

C\“ 2012-00125-2 4 -02- 2012

cu Δ. Subliniem faptul ca axele pieselor [7], [8], [11], [12] si [13] sunt coplanare, iar acest plan conține axa de simetrie a ghidajului cilindric [10], Pe aceasta axa de simetrie se afla desigur si K, centrul cercului punctat din fig. 5. In acest mod, ghidajul [11] obliga piesa [8] sa se orienteze mereu cu aceeași fata spre axa de simetrie a suprafeței cilindrice a piesei [10]. Aripa [14] conține axul [13], dar planul ei este perpendicular pe planul desenului din fig. 6. Tot astfel, aripa [14] este îndreptată mereu cu aceeași fata spre axul de simetrie al ghidajului [10],

Mecanismul de variație a amplitudinii medii a pasului ciclic (sau a pasului general) (fig. 5, C ; fig. 7, 8) Reglajul amplitudinii medii a pasului ciclic, numit aici si pas general, se realizează prin poziționarea punctului K (fig. 1) la o excentricitate mai mare sau mai mica. In mecanismul real (3D), punctul K este locul unde axa de simetrie a suprafețelor cilindrice ale ghidajului [10] inteapa planul liniei medii de glisare a culisei [9], fig. 5 si 7. Aceasta axa de simetrie se gaseste in planul XOY. Piesa [10] poate culisa pe direcția OX de-a lungul ghidajelor legate la corpul MAV. Partea de jos a piesei [10] are o porțiune in forma de cremalieră, paralela cu OX. Cremalieră angrenează cu roata dintata [15], a cărei axa orizontala paralela cu OY este fixata la corpul MAV prin intermediul suportului [16], Roata dintata [15] este actionata de servomotorul [17], In fig. 8, se observa simetria piesei [10] fata de planul vertical ce trece prin axa de simetrie a porțiunii cilindrice. Figura arata ca piesa [10] prezintă cate un ghidajcilindric pe dreapta pentru rotorul drept- care s-a descris, si unul pe stanga, pentru rotorul stâng.

Modul de funcționare al mecanismului

In esența, mecanismul trebuie sa realizeze următoarele mișcări: ljmiscarea de revoluție a aripilor ale căror axe longitudinale descriu suprafețe riglate închise;

2)miscarea de rotatie in jurul axei cuplei de rotatie [8] , conform unei legi impuse de mecanism.

Ne vom referi in cele ce urmeaza in special la fig. 5. Motorul [1] pune in mișcare arborele [4] prin intermediul reductorului [2] si [3]. Acest arbore antrenează ambele rotoare. Ne vom referi la cel drept. El rotește manivela dubla [6]. Din nou ne vom referi la o parte a acestei manivele, anume aceea care antrenează axul [7] in mișcare ciculara. Cupla de rotatie [8] este antrenata in mișcare de axul [7], Aceasta mișcare este chiar mișcarea de revoluție a aripii, căci de [8] este legat rigid axul aripii [3], Prima mișcare a aripii este așadar realizata.

Rotatia aripii se efectuează in jurul axei de simetrie a piesei [8]. Rotatia se face astfel incat piesa [8] sa arate aceeași fata punctului K (centrul cercului punctat din fig 5), sau, mai bine zis, axei de simetrie a ghidajului circular [10]. Acest lucru se realizează prin intermediul pieselor [12], [11] si [9], Tija [12] este perpendiculara pe [8] si fixata rigid de acesta. Ea este insa constrânsa de ghidajul [11] sa fie coaxial cu el. Ghidajul [11] este la

R - 2 O 1 2 - O O 1 2 5 - 2 4 -02” 2012 rândul lui fixat rigid de culisa [9] care glisează pe ghidajul circular [10], Menționam ca axa de simetrie a lui [IU este perpendiculara pe planul tangent la suprafața activa (cilindrica) a culisei [9], dar si a piesei [10]. Așadar [H] si [12] au axele îndreptate spre axa de simetre a ghidajului [10], Am realizat astfel condiția ca [8] sa «privească» in permanenta spre axa ce trece prin K, deci mișcarea de rotatie. Tot astfel, aripa, deși ușor inclinata cu unghiul A, arata mereu aceeași fata axei de simetrie care trece prin K.

Se înțelege de la sine ca la celalalt capat al manivelei [6] se gaseste un alt ax similar lui [7] si lanțul de piese omologe. Ele ocupa pozițiile pe care le-ar avea piesele [7]-[ 14] daca am roti arborele [4] cu 180°.

Comenzi pentru generare de momente de : tangaj, giratie si ruliu

Am aratat anterior ca pasului general este dat de poziția punctului K pe axa OX. El are ca efect variația portantei medii pe ciclu pana la valoarea dorita, pentru realizarea zborului echilibrat sau evoluției. Mai avem nevoie de orientarea corpului MAV in postura pe care o dorim sau/si pentru realizarea diferitelor evoluții.

Pentru aceasta utilizam un ansamblu de ampenaje/voleti de tip monobloc care se afla in suflul rotoarelor, in acest mod comenzile fiind utilizabile inclusiv la zborul la punct fix (fig. 2,3). Astfel cei doi voleti [19] ii vom numi profundor, suprafețele [20] eleroane, iar cele doua suprafețe [21], direcție.

Profundorul [19] este alcătuit din doua suprafețe bracabile cu același unghi. Dimpotrivă, eleroanele [20] se bracheaza cu unghiuri egale si de sens contrar. Direcția [21] este alcatuita din doua suprafețe, una pe stanga, alta pe dreapta. O idee simpla ar fi ca direcția sa fie fixata normal pe axa profundorului si eleroanelor, si sa se miște in bloc întregul sistem de voleti in jurul axei din PVS paralele cu OX, fig 3.

Acționarea acestor suprafețe de comanda se realizează cu mijloacele obișnuite : mini-cabluri, tije, etc.

Claims (1)

1. Revendicări • Sistemul de realizare a unor viteze periferice sporite, cu efecte benefice din punct de vedere aerodinamic. El este caracterizat prin aceea ca axele aripilor [13] formeza un unghi de evazare Δ cu axa de rotatie OY.

   • Sistemul de realizare a mișcării de pas ciclic, caracterizat prin aceea ca ghidajul cilindric [10] permite antrenarea unor rotoare cu doua, trei sau chiar patru aripi.

   • Sistemul de variație a amplitudinii medii pe ciclu, caracterizat prin aceea ca excentricitatea punctului K poate varia prin acționarea servocomenzii [14] ; aceasta antrenează roata dintata [15] care angrenează cu cremaliera cu care este prevăzut ghidajul [10] situat la partea sa inferioara.

   • Sistemul de comenzi : profundor (stg/dr), eleroane, direcția (stg/dr) caracterizate prin aceea ca sunt suprafețe portante monobloc, cu unghi de bracaj variabil, care actioneaza in jetul rotoarelor si deci permit controlul zborului inclusiv in evoluții la punct fix.