RO134627A2 - Sistem de propulsie şi aeronave cu decolare şi aterizare pe vericală - vtol - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un sistem de propulsie pentru o aeronavă cu decolare şi aterizare pe verticală, de tipul cu aripi fixe şi care foloseşte fenomene aerodinamice de amplificare a tracţiunii pentru a crea sustentaţia şi a reduce raportul tracţiune/greutate. Sistemul conform invenţiei este constituit din câte două unităţi (7 şi 9) de propulsie, centrale şi respectiv laterale, care la decolare/aterizare formează cu orizontala un unghi α cuprins între 350 şi 900 şi care sunt dispuse în colţurile unui trapez T1, distanţa în proiecţie longitudinală dintre două unităţi (7 şi 9) de propulsie este egală cu o distanţă D, care coincide cu înălţimea trapezului T1, unităţile (7) de propulsie, centrale sunt montate pe un bord (6) de atac al unei aripi (3) singulare, a unei aeronave (1), iar unităţile (9) de propulsie, laterale sunt montate pe nişte suporturi (8) dispuse perpendicular pe aripă (3), la decolare/aterizare aripa (3) formează cu orizontala un unghi α cuprins între 350 şi 900, fiecare dintre unităţile (7 şi 9) de propulsie conţine cel puţin un motor (10) şi o elice (11) tractivă, prevăzută cu nişte palete (12) articulate, care se pliază peste motor (10) atunci când elicea (11) tractivă nu este acţionată de motor (10).

Description

Data depozit

Sistem de propulsie si aeronave cu decolare si aterizare pe verticala - VTOL

Prezenta invenție se refera la sistem de propulsie si aeronave cu decolare si aterizare pe verticala - VTOL de tipul cu aripi fixe si care folosesc fenomene aerodinamice de amplificare a tracțiunii pentru a crea sustentatia si a reduce raportul tractiune/greutate.

Aeronavele care au capacitatea de decolare si de aterizare pe verticală (VTOL) combina avantajele elicopterelor, si anume decolarea si aterizarea pe un spațiu limitat sau pe terenuri greu accesibile, cu avantajele avioanelor convenționale, cum ar fi viteza de croazieră crescută si zborul orizontal cel mai eficient energetic. în ultimele decenii, s-au înregistrat progrese semnificative în domeniul aeronavelor cu decolare si aterizare pe verticală dar până în prezent un progres economic semnificativ nu a fost atins.

Sunt cunoscute soluțiile de aeronave cu decolare si aterizare pe verticala la care fuzelajul este poziționat pe verticala in timpul decolării si aterizării si este poziționat orizontal pe perioada zborului pe orizontala. O astfel de aeronava poate adăposti o singura persoana ca la soluția NASA Puffin. In zborul orizontal pasagerul se gaseste intr-o poziție incomoda in care vizibilitatea exterioara este puternic afectata.

O mare parte a soluțiilor de aeronave VTOL utilizează sisteme de propulsie separate pentru zborul pe orizontala si pentru zborul pe verticala ceea ce complica construcția, creste greutatea aeronavei si prezintă un cost ridicat. Pe de alta parte majoritatea acestor sisteme utilizează aripi pivotate sau elici pivotante. Toate aceste sisteme de propulsie direcționale sunt acționate de mecanisme complicate si scumpe.

De asemenea majoritatea soluțiilor de aeronave VTOL utilizează propulsia electrica distriubuita (DEP) fara insa a folosi fenomene aerodinamice suplimentare pentru a reduce raportul tractiune/greutate care in majoritatea cazurilor este supraunitar (1.2 - 1.4).

In consecința devine o necesitate realizarea unui sistem de propulsie foarte eficient, cu raport tractiune/greutate unitar sau subunitar, care sa fie utilizat atit pentru zborul pe verticala cit si pentru zborul pe orizontala, a cărui acționare sa fie foarte simpla si la care trecerea de la zborul vertical la cel orizontal si invers sa se faca rapid. O alta necesitate este ca aeronava ce conține sistemul de propulsie sa poata adăposti un pasager care sa stea confortabil si sa alba o buna vizibilitate in toate fazele zborului.

a 2019 00366

18/06/2019

Prezenta invenție are ca obiectiv sa definească o noua arhitectura a unui sistem de propulsie si a unei aeronave cu decolare si aterizare pe verticala care sa utilizeze un singur tip de sistem de propulsie atit pentru zborul pe orizontala cit si pentru cel pe verticala si care sa provoace sustentatia inclusiv in coditii statice.

Invenția înlătură dezavantajele aratate mai sus prin aceea ca intr-o prima varianta o aeronava utilizează, conform unui prim aspect al invenției, un sistem de propulsie ce utilizează o aripa, profilata aerodinamic, avind un intrados si un extrados. In poziția statica respectiv la decolare sau aterizare, aripa formează cu orizontala un unghi cuprins intre 35⁹ si 90⁹. Aripa prezintă de asemenea un bord de atac pe care sunt montate doua unitati de propulsie înclinate cu un unghi cuprins intre 35² si 90^. La fiecare capat al aripii sunt fixati doi suporți ce susțin fiecare cite o unitate de propulsie paralela cu celelalte unitati de propulsie. Unitatille de propulsie sunt plasate in colturile unui trapez isoscel, doua fiind considerate centrale si doua laterale. Fiecare unitate de propulsie conține cel puțin un motor si o elice tractiva. Fiecare elice tractiva prezintă niște palete articulate care se pot plia peste motor atunci cind elicea nu este actionata de motor, in acest fel micsorind rezistenta la înaintare. Planul de rotatie ai fiecărei elicii tractive este situat, deasupra aripii, aceasta comportindu-se ca o aripa suflata chiar si atunci cind aeronava se afla in staționare (condiții statice). In zona mediana aripa este solidara cu un fuzelaj ce se termina cu un stabilizator sau ampenaj. Stabilizatorul se constituie intr-unui din punctele de sprijin ale aeronavei in staționare, respectiv la decolare sau aterizare. Suportii unităților de propulsie se prelungesc cu doua picioare de sprijin care de asemenea se constituie in punctele de sprijin laterale ale aeronavei in staționare, respectiv la decolare sau aterizare.

Intr-o prima varianta in zona mediana a aripii este montat prin intermediul unei articulatii un scaun pe care este așezat un pilot. Scaunul prezintă un suport pentru picioare care in staționare, respectiv la decolare sau aterizare se constituie intr-un al patrulea punct de sprijin. Pilotul este protejat de un ecran transparent. Poziția pilotului si scaunului este determinata de acțiunea concomitenta a forței gravitaționale si a forței aerodinamice exercitate pe perioada zborului orizontal. Pilotul poate comanda aeronava prin intermediul a doua juistikuri fixate de scaun prin intermediul unor suporți.

a 2019 00366

18/06/2019

In conformitate cu alt aspect al invenției o metoda de a produce sustentatia pe verticala pentru sistemul de propulsie consta in utilizarea aripii ca o aripa cu circulație dinamica de aer atunci cind motoarele actioneaza elicile propulsive, inclusiv in condiții statice. In acest caz elicile tractive produc o depresiune importanta pe extradosul aripii si o presiune importanta pe intrados ce contribuie la amplificarea forței de tracțiune pe verticala.

Intr-o alta varianta constructiva aripa este compusa dintr-o porțiune centrala situata intre cele doua unitati de propulsie centrale si din doua aripi laterale ce fac legătură intre unitățile de propulsie centrale si cele laterale. Aripa are un aspect segmentat simetric.

Sistemul de propulsie prezintă un randament ridicat in zborul vertical deoarece utilizează inclusiv depresiunea de pe extradosul aripii si presiunea de pe intrados pentru a produce sustentatia chiar si in condiții statice. In consecința raportul tractiune/greutate poate fi unitar sau subunitar si deci puterea maxima necesara decolării este diminuata comparativ cu soluțiile cunoscute. Schimbarea regimului de zbor se realizează cu ușurința prin schimbarea regimului de rotatie a rotoarelor. Avind o proiecție pe sol redusa aeronava este bine adaptata pentru utilizarea in spatii restrinse, caracteristice de exemplu mediului urban. Aeronava prezintă un nivel de redundanta ridicat si un grad redus de periculozitate. Datorita faptului ca nu utilizează mecanisme de rotire a aripilor principale sau a motoarelor aeronava este foarte ieftina si fiabila. O alta consecința este costul redus al întreținerii.

Se dau mai jos un număr de exemple de realizare a invenției in legătură cu figurile 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,10,11 si 12 care reprezintă:

Fig. 1, o vedere izometrica dinspre fata a unei aeronave individuale cu aripa unitara cu ecranul de protecție ridicat;

Fig. 2, o vedere izometrica dinspre fata a a aeronavei de la figura 1 in poziția de decolare/aterizare sau de zbor vertical;

Fig. 3, o vedere laterala a aeronavei de la figura 2;

Fig. 4, o vedere de sus a aeronavei de la figura 2;

Fig. 5, o reprezentare schematica cu fazele succesive de zbor ale aeronavei de la figura 2;

Fig. 6, o vedere izometrica dinspre fata a aeronavei de la figura 2 in zbor orizontal economic;

Fig. 7, o vedere izometrica dinspre fata a unei aeronave individuale cu aripa segmentata in poziția de decolare/aterizare sau de zbor vertical;

a 2019 00366

18/06/2019

Fig. 8, o vedere laterala a aeronavei de la figura 7;

Fig. 9, o vedere de sus a aeronavei de la figura 7;

Fig. 10, o vedere izometrica dinspre fata a aeronavei de la figura 7 in zbor orizontal economic;

Fig. 11, o vedere izometrica dinspre fata a unei drone cu aripa segmentata in poziția de decolare/aterizare sau de zbor vertical;

Fig. 12, o reprezentare schematica cu fazele succesive de zbor ale dronei de la figura 11.

Intr-o prima varianta o aeronava 1, individuala, cu decolare si aterizare pe verticala utilizează utilizează un sistem de propulsie 2 ce utilizează o aripa 3, profilata aerodinamic, avind un intrados 4 si un extrados 5 ca in figurile 1, 2, 3, 4, 5 si 6. In poziția statica respectiv la decolare sau aterizare, aripa 3 formează cu orizontala un unghi a cuprins intre 35“ si 90“ Aripa 3 prezintă de asemenea un bord de atac 6 pe care sunt montate doua unitati de propulsie 7, centrale, înclinate cu un unghi a cuprins intre 35“ si 90“ fata de orizontala. La fiecare capat al aripii 3 sunt fixati doi suporți 8 ce susțin fiecare cite o unitate de propulsie 9, laterala, paralela cu celelalte unitati de propulsie 7. Unitatille de propulsie 7 si 9 sunt plasate in colturile unui trapez isoscel TI, doua unitati de propulsie fiind considerate centrale si doua laterale ca in figura 4. Distanta in proiecție longitudinala dintre doua unitati de propulsie 7 si 9 este egala cu D, care coincide cu inaltimea trapezului TI (figura 3). Fiecare unitate de propulsie 7 sau 9 conține cel puțin un motor 10 si o elice tractiva 11. Fiecare elice tractiva 11 prezintă niște palete 12, articulate, care se pot plia peste motorul 10 atunci cind elicea tractiva 11 nu este actionata de motorul 10 si in acest fel micsorind rezistenta la înaintare. Planul de rotatie ai fiecărei elicii tractive 11 este situat, deasupra aripii 3, aceasta comportindu-se ca o aripa suflata chiar si atunci cind aeronava 1 se afla in staționare (condiții statice). In zona mediana aripa 4 este solidara cu un fuzelaj 13 ce se termina cu un ampenaj 14 in forma de T. Stabilizatorul 14 se constituie intr-unui din punctele de sprijin ale aeronavei 1 in staționare, respectiv la decolare sau aterizare. Suportii 8 ai unităților de propulsie 9 se prelungesc cu doua picioare de sprijin 15 care de asemenea se constituie in punctele de sprijin laterale ale aeronavei 1 in staționare, respectiv la decolare sau aterizare. In zona mediana a aripii 3 este montat prin intermediul unei articulatii 16 un scaun 17 pe care este așezat un pilot 18. Scaunul 17 prezintă un suport 19, pentru picioare, care in staționare, respectiv la decolare sau aterizare se constituie intr-un al patrulea punct de a 2019 00366

18/06/2019 sprijin pentru aeronava 1. Pilotul 18 este protejat de un ecran transparent 20, rabatabil, susținut de o articulație 21, concentrica cu articulația 16. Inițial ecranul transparent 20 este rabatat in sus pentru a putea permite accesul pilotului 18 pe scaunul 17 (figura 1). Pilotul 18 este menținut in toate situațiile pe scaunul 17 cu ajutorul unei centuri 22. La decolare ecranului transparent 20 este rabatat in jos (figura 2). Pilotul 18 poate comanda aeronava 1 prin intermediul a doua juistikuri 23 fixate de scaunul 17 prin intermediul unor suporți 24. Aeronava 1 prezintă un centru de greutate 25 situat de preferința in interiorul distantei D pe perioada decolarii/aterizarii. In perioada decolării trunchiul pilotului 18 se afla intr-o poziție considerata ca fiind in mod substanțial verticala, corespunzător unei poziții la a aeronavei 1, ca in figura 6. Motoarele 10 sunt acționate, antrenind elicile tractive 11 care genereraza o circulație dinamica de aer, inclusiv in condiții statice. In interacțiunea dintre elicile tractive 11 si aripa 3 se creeaza un efect de suctiune, respectiv o depresiune puternica pe extradosul 5. Concomitent interacțiunea dintre elicile tractive 11 si aripa 3 se creeaza o presiune puternica pe intradosul 4. Pe de alta parte impulsul masei de aer vehiculate de elicile tractive 11 creeaza forța de fracțiune, in lungul axei motorelor 10 si îndreptată înclinat spre in sus. Forțele aerodinamice si forța de tracțiune se compun si dau o rezultanta totala îndreptată spre in sus ceea ce produce decolarea aeronavei 1. După decolare respectiv in poziția lb si lc, unitățile de propulsie 7 sunt accelerate suplimentar fata de unitățile de propulsie 9 ceea ce produce înclinarea aeronavei 1 fata de verticala si deplasarea pe direcția frontala, respectiv intrarea in faza de tranziție. Tranziția continua pina ce aripa 3 ajunge sa realizeze un unghide atac optim cuprins intre 2° si 8°, corespunzător pozițiilor ld si le caracteristice zborului pe orizontala sau de croaziera. Ajunsa in poziția le aeronava 1 poate decide întreruperea funcționarii unităților de propulsie 7 pentru a produce un zbor cit mai economic, reprezentat in detaliu in figura 6. In acest caz paletele 12, articulate, se pliaza peste motorul 10, corespunzător, ceea ce reduce rezistenta la înaintare. La aterizare fazele se inversează, respectiv aeronava 1 intra intr-o zona de tranziție corespunzătoare pozițiilor lf si lg pina se ajunge in poziția considerata ca fiind verticala lh. Aterizarea se produce prin coborirea in poziția li. Pe toata perioada zborului poziția pilotului 18, a scaunului 17 si a ecranului transparent 20 este determinata de acțiunea concomitenta a forței gravitaționale si a forței de presiune aerodinamice.

a 2019 00366

18/06/2019

Intr-o alta varianta constructiva o aeronava 30, individuala, asemanatoare cu cea anterioara, utilizează o aripa compusa 31 formata dintr-o aripa centrala 32 situata intre cele doua unitati de propulsie 7, centrale si din doua aripi laterale 33 ce fac legătură intre unitățile de propulsie 7, centrale si unitățile de propulsie 9, laterale ca in figurile 7, 8, 9 si 10 . Aripa compusa 31 are un aspect segmentat simetric, unitatille de propulsie 7 si 9 fiind aplasate in colturile unui trapez isoscel T2 ca in figura 9. In zona mediana a aripii compuse 31 este fixat un fuzelaj 34 care se termina cu un stabilizator 35 in forma de V ce se constituie ca un sprijin pentru aeronava 30 in poziția de decolare/aterizare. Aripa compusa 31 formează cu orizontala un unghi a cuprins intre 35° si 90° in poziția de decolare/aterizare (figura 8). La capetele fiecărei aripi laterale 33 este fixat un picior 36 ce se constituie ca un sprijin pentru aeronava 30 in poziția de decolare/aterizare. Si in acest caz paletele 12, articulate, ale elicilor tractive 11 se pot plia peste motorul 10, corespunzător, ceea ce reduce rezistenta la înaintare ca in figura 10. Funcționarea este asemanatoare cu cea de la exemplul anterior.

Intr-o alta varianta constructiva o drona 40, cu decolare si aterizatre pe verticala, prezintă doua aripi compuse 41 fixate simetric de o parte si de alta a unui fuzelaj 42 ca in figurile 11 si 12. Fiecare aripa compusa 41 conține o aripa 43, perpendiculara pe fuzelajul 42 ce se continua cu o aripa 44, înclinată spre in fata. In mod asemanator ca la exemplele anterioare, pe aripile compuse 41 sunt fixate patru unitati de propulsie 45 si 46, așezate in colturile unui trapez isoscel. La partea din spate a fuzelajului 42 este fixat un ampenaj 47 in forma de V. asa cum se prezintă in figurile 11 si 12. Funcționarea este asemanatoare cu cea de la exemplele anterioare, respectiv ca in figura 12, respectiv cu drona 40 in poziția 40a la decolare, in poziția 40b in tranziție si in poziția 40c in zbor orizontal.

Pentru un control mai precis al zborului aeronavele descrise pot avea pe aripi un număr de flapsuri (nefigurate) cu rol convențional.

Motoarele 10 pot fi alimentate cu energie electrica de la un sistem de baterii electrice sau de la un sistem electric hibrid. Bateriile pot fi amplasate in aripi, in fuzelaj, sub scaun, etc.

Claims (11)

1. Revendicări

   1. Sistem de propulsie pentru aeronave cu decolare si aterizare pe verticala de tipul celor care utilizează aceleași unitati de propulsie atit pentru decolare/aterizare cit si pentru zborul orizontal caracterizat prin aceea ca un sistem de propulsie (2) al unei aeronave (1) utilizează doua unitati de propulsie (7), centrale si doua unitati de propulsie (9), laterale, care la decolare /aterizare formează cu orizontala un unghi a cuprins intre 35° si 90° si care sunt plasate in colturile unui trapez TI, si distanta in proiecție longitudinala dintre doua unitati de propulsie 7 si 9 este egala cu o distanta D, care coincide cu inaltimea trapezului TI, si fiecare unitate de propulsie 7 sau 9 conține cel puțin un motor 10 si o elice tractiva 11, si fiecare elice tractiva 11 prezintă niște palete 12, articulate, care se pot plia peste motorul 10 atunci cind elicea tractiva 11 nu este actionata de motorul 10, si
2. 2. Sistem de propulsie ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca unitățile de propulsie (7), centrale sunt montate pe bordul de atac (6) al unei aripi (3), singulare, si uintatile de propulsie (9), laterale sunt montate pe niște suporți (8), situati perpendicular pe aripa (3), si suportii 8 ai unităților de propulsie 9, laterale, se prelungesc cu doua picioare de sprijin 15, si la decolare/aterizare aripa 3 formează cu orizontala un unghi a cuprins intre 35° si 90°.
3. 3. Sistem de propulsie ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca utilizează o aripa compusa 31 formata dintr-o aripa centrala 32 situata intre cele doua unitati de propulsie 7, centrale si din doua aripi laterale 33 ce fac legătură intre unitățile de propulsie 7, centrale si unitățile de propulsie 9, si aripa compusa 31 are un aspect segmentat simetric, unitatille de propulsie 7 si 9 fiind aplasate in colturile unui trapez isoscel T2, si la decolare/aterizare aripa compusa 31 formează cu orizontala un unghi a cuprins intre 35° si 90°.

   a 2019 00366

   18/06/2019
4. 4. Aeronava ca la revendicarea 2 si 3 caracterizata prin aceea ca in zona mediana a aripii (3), respecvtiv a arpii compuse (31) este montat prin intermediul unei articulatii 16 un scaun 17 pe care este așezat un pilot 18, si pilotul 18 este protejat de un ecran transparent 20, rabatabil, susținut de o articulație

   21, concentrica cu articulația 16, si pilotul 18 este menținut in toate situațiile pe scaunul 17 cu ajutorul unei centuri 22, si pilotul 18 comanda aeronava 1 prin intermediul a doua juistikuri 23 fixate de scaunul

   17 prin intermediul unor suporți 24, si aeronava 1 prezintă un centru de greutate 25 situat de preferința in interiorul distantei D pe perioada decolarii/aterizarii.
5. 5. Aeronava ca la revendicarea 4 caracterizata prin aceea ca In zona mediana aripa 4 este solidara cu un fuzelaj 13 ce se termina cu un stabilizator 14 in forma de T.
6. 6. Aeronava ca la revendicarea 4 caracterizata prin aceea ca zona mediana a aripii compuse 31 este fixat un fuzelaj 34 care se termina cu un stabilizator 35 in forma de V.
7. 7. Metoda de funcționare a unei aeronave cu decolare si aterizare pe verticala caracterizata prin aceea ca in perioada decolării trunchiul pilotului 18 se afla intr-o poziție considerata ca fiind in mod substanțial verticala, corespunzător unei poziții la a aeronavei 1, si motoarele 10 sunt acționate, antrenind elicile tractive 11 care genereraza o circulație dinamica de aer, inclusiv in condiții statice, si in interacțiunea dintre elicile tractive 11 si aripa 3 se creeaza un efect de suctiune, respectiv o depresiune puternica pe extradosul 5, si concomitent in interacțiunea dintre elicile tractive 11 si aripa 3 se creeaza o presiune puternica pe intradosul 4, si impulsul masei de aer vehiculate de elicile tractive 11 creeaza forța de tracțiune, in lungul axei motorelor 10 si îndreptată înclinat spre in sus, si forțele aerodinamice si forța de tracțiune se compun si dau o rezultanta totala îndreptată spre in sus ceea ce produce decolarea aeronavei 1, si după decolare respectiv in poziția lb si lc, unitățile de propulsie 7 sunt accelerate suplimentar fata de unitățile de propulsie 9 ceea ce produce înclinarea aeronavei 1 fata de verticala si deplasarea pe direcția frontala, respectiv intrarea in faza de tranziție, si tranziția continua pina ce aripa 3 ajunge sa realizeze un unghide atac optim cuprins a 2019 00366

   18/06/2019 intre 2° si 8°, corespunzător pozițiilor ld si le caracteristice zborului pe orizontala sau de croaziera, si ajunsa in poziția le aeronava 1 decide întreruperea funcționarii unităților de propulsie 7 pentru a produce un zbor cit mai economic si in acest caz paletele 12, articulate, se pliaza peste motorul 10, corespunzător, ceea ce reduce rezistenta la înaintare, si la aterizare fazele se inversează, respectiv aeronava 1 intra intr-o zona de tranziție cu fuzelajul 13 înclinat, corespunzătoare pozițiilor lf si lg pina se ajunge in poziția considerata ca fiind verticala lh, si aterizarea se produce prin coborirea in poziția li considerata ca fiind verticala.
8. 8. Metoda ca la revendicarea 7 caracterizata prin aceea ca inițial ecranul transparent 20 este rabatat in sus pentru a putea permite accesul pilotului 18 pe scaunul 17 si la decolare ecranul transparent 20 este rabatat in jos, si pe toata perioada zborului poziția pilotului 18, a scaunului 17 si a ecranului transparent 20 este determinata de acțiunea concomitenta a forței gravitaționale si a forței de presiune aerodinamice.
9. 9. Drona ca la revendicarea 3 caracterizata prin aceea ca o drona 40, cu decolare si aterizatre pe verticala, prezintă doua aripi compuse 41 fixate simetric de o parte si de alta a unui fuzelaj 42, si fiecare aripa compusa 41 conține o aripa 43, perpendiculara pe fuzelajul 42 ce se continua cu o aripa 44, înclinată spre in fata, si pe aripile compuse 41 sunt fixate patru unitati de propulsie 45 si 46, așezate in colturile unui trapez isoscel, si la partea din spate a fuzelajului 42 este fixat un ampenaj 47 in forma de V.
10. 10. Sistem de propulsie ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca motoarele 10 sunt alimentate cu energie electrica de la un sistem de baterii electrice.
11. 11. Sistem de propulsie ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca motoarele 10 sunt alimentate cu energie electrica de la un sistem electric hibrid.