RO134959A2 - Sistem de propulsie şi drone cu decolare şi aterizare pe verticală-vtol - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o dronă cu decolare şi aterizare pe verticală care foloseşte un sistem de propulsie atât pentru zborul pe verticală, cât şi pentru cel pe orizontală, utilizată în principal pentru misiuni de durată mărită, pentru aprovizionare sau supraveghere aeriană. Drona conform invenţiei are un sistem (2) de propulsie montat pe un fuzelaj (3), profilat aerodinamic şi care la decolare/aterizare este poziţionat vertical, pe fuzelaj (3), la partea din spate, sunt montate simetric două aripi (4) compuse, fiecare aripă (4) compusă este formată din două segmente (5 şi 6) interior şi exterior, având între ele un unghi obtuz α, de preferinţă cuprins între 1000 şi 1500, segmentul (5) interior este fixat înclinat faţă de fuzelaj (3) cu un unghi obtuz β, cuprins de preferinţă între 1200 şi 1700, fiecare aripă (4) compusă, având la partea din faţă, în zona îmbinării dintre cele două segmentul (5 şi 6) interior şi exterior, un suport (7) interior pe care este montat la o anumită distanţă un motor (8) electric care acţionează un rotor (9) interior, de asemenea, fiecare aripă (4) compusă, având la partea din faţă, în zona capătului segmentului (6) exterior, un suport (10) exterior pe care este montat la o anumită distanţă un motor (11) electric care acţionează un rotor (12) exterior, suportul (10) exterior se prelungeşte la partea din spate în aşa fel încât depăşeşte marginea din spate a aripii (4) compuse având la capăt o zonă (14) de contact cu solul, fiecare aripă (4) compusă, având la partea din spate, în zona îmbinării dintre cele două segmente (5 şi 6) interior şi exterior, un stabilizator (15) vertical, de formă trapezoidală care are în zona din spate o muchie (16) de contact cu solul.

Description

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

Prezenta invenție se refera la sistem de propulsie si drone cu decolare si aterizare pe verticala VTOL de tipul cu aripi fixe utilizabile in principal pentru misiuni de durata mărită pentru aprovizionare sau supraveghere aeriana.

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.

Sunt cunoscute soluțiile de drone cu decolare si aterizare pe verticala la care fuzelajul este poziționat pe verticala in timpul decolării si aterizării si este orientat orizontal pe perioada zborului pe orizontala. Aceste soluții utilizează de obicei unul sau doua rotoare. Din aceasta cauza nivelul de redundanta este redus, existind pericolul prăbușirii in caz de defectare. Pe de alta parte aceste aeronave prezintă de obicei o raza de acțiune redusa.

O mare parte a soluțiilor de drone 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.

Alte sisteme de propulsie VTOL utilizează aripi pivotate sau elice pivotante. Aceste sisteme de propulsie direcționale sunt acționate de mecanisme complicate si scumpe.

Un prim obiect al prezentei invenții este realizarea unui sistem de propulsie foarte eficient, care sa fie utilizat atit pentru zborul pe verticala cit si pentru zborul pe orizontala.

Un alt obiect al invenției este realizarea unei drone cu autonomie extinsa.

Un alt obiect al invenției este realizarea unui sistem de propulsie a cărui acționare sa fie foarte simpla si la care trecerea de la zborul vertical la cel orizontal si invers sa se faca rapid.

Un alt obiect al invenției este realizarea unui sistem de propulsie cu nivel de redundanta ridicat.

Invenția înlătură dezavantajele aratate mai sus prin aceea ca o drona , avind o configurație Canard, utilizează, conform unui prim aspect al invenției, un sistem de propulsie montat pe un fuzelaj, profilat aerodinamic si care la decolare/aterizare este poziționat vertical. Pe fuzelaj, la partea din spate, sunt montate simetric doua aripi compuse. Fiecare aripa compusa este formata din doua segmente, unul interior si altul exterior, avind intre ele un unghi obtuz, de preferința cuprins intre 100° si 150°. Segmentul de aripa interior este fixat înclinat fata de fuzelaj cu un unghi de asemenea obtuz, cuprins de preferința intre 120° si 170°. Fiecare aripa compusa, prezintă la partea din fata, in zona îmbinării dintre segmentul interior si cel exterior un suport interior pe care este montat la o anumita distanta un motor electric ce actioneaza un rotor interior. De asemenea, fiecare aripa compusa, prezintă la partea din fata, in zona capătului segmentului exterior un suport exterior pe care este montat la o anumita distanta un motor electric ce actioneaza un rotor exterior. Rotoarele prezintă niște palete pliabile. Lungimea suportilor interior si exterior este astfel aleasa incit paletele pliabile sa nu atinga aripa compusa atunci cind sunt pliate. Suportul exterior se prelungește la partea din spate in asa fel incit depășește marginea din spate a aripii compuse avind la capat o zona de contact cu solul. Fiecare aripa compusa, prezintă la partea din spate, in zona îmbinării dintre segmentul interior si cel exterior un stabilizator vertical, avind de preferința o forma trapezoidala. Stabilizatorul vertical prezintă in zona din spate o muchie de contact cu solul. Drona se sprijină la decolare si aterizare pe zonele de contact si pe muchiile de contact, formind o suprafața tralezoidala, iar fuzelajul, respectiv centrul lui de greutate, este amplasat in zona centrala a trapezului in asa fel incit la decolare/aterizare drona sa ramina stabila pe verticala. La partea din fata fuzelajul prezintă doua aripi fata, de tip Canard, amplasate simetric, utilizabile pentru stabilizarea dronei in zborul orizontal.

In conformitate cu alt aspect al invenției o metoda de a produce sustentatia pe verticala consta in acționarea celor patru rotoare. La o anumita înălțime, rotoarele interioare sunt acționate suplimentar fata de cele exterioare, producindu-se modificarea unghiului de tangaj al dronei pina ce fuzelajul ajunge in poziția orizontala, respectiv pina cind aripile compuse ajung la un unghi de incidența favorabil deplasării pe orizontala si pina cind aripile fata preiau o parte din greutatea dronei. La atingerea vitezei de croaziera doua motoare electrice sunt întrerupte si paletele corespunzătoare ale rotorelor respective se pliaza in lungul motorului electric corespunzător sub acțiunea curentului frontal de aer. Unghiul de giratie al dronei se poate modifica prin acționarea suplimentara a rotorului exterior virajului.

In conformitate cu alt aspect al invenției, virtejurile de la capetele aripilor compuse sunt diminuate de rotoarele exterioare care prezintă un sens de rotatie contrar virtejurilor, ceea ce produce o reducere a energiei pentru a produce aceiași forța de tracțiune.

Intr-o alta varianta constructiva fuzelajul poate avea o forma cilindrica.

Intr-o alta varianta constructiva segmentele de aripa exterioare sunt pliabile ceea ce reduce proiecția suprafeței aeronavei pe sol la decolare/aterizare.

Potrivit unui alt aspect al invenției suprafețele exterioare ale aripilor si fuzelajului pot conține celule solare care aduc un aport de energie suplimentar sistemului de propulsie al dronei.

Sistemul de propulsie prezintă un randament ridicat in zborul orizontal deoarece, in regim de croaziera, utilizează dezactivarea unor rotoare, fara a creste rezistenta la înaintarea in aer. Aripile compuse si aripile fata funcționează cu un randament superior in zborul orizontal si de tranziție datorita faptului ca sunt suflate de curentul de aer produs de rotoare. Daca in zborul orizontal sunt utilizate rotoarele exterioare, randamentul propulsiei creste suplimentar datorita anularii virtejuIui de la capetele aripilor compuse. Schimbarea regimului de zbor se realizează cu ușurința prin schimbarea regimului de rotatie a rotoarelor. Avind o proiecție pe sol redusa in varianta cu aripi plabile, drona este bine adaptata pentru utilizarea in spatii restrinse, caracteristice de exemplu mediului urban. In acest caz spațiul de depozitare sau de parcare este redus. Drona 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 drona este 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 si 9 care reprezintă:

Fig. 1, o vedere izometrica a unei drone considerata de transport cu aripi fixe in poziția de decolare/aterizare;

Fig. 2, o vedere dinspre spate a dronei de la figura 1;

Fig. 3, o vedere izometrica a dronei de la figura 1 in poziția de tranziție;

Fig. 4, o vedere izometrica a dronei de la figura 1 in poziția de zbor orizontal;

Fig. 5, o vedere izometrica a dronei de la figura 1 in poziția in zbor orizontal economic;

Fig. 6, o schema cu secvențele de zbor ale dronei de la figura 1;

Fig. 7, o vedere izometrica a unei drone de transport cu aripi pliabile in poziția de deco la re/ateriza re;

Fig. 8, o vedere izometrica a dronei de la figura 7 după decolare;

Fig. 9, o vedere izometrica a unei drone de supraveghere cu aripi fixe in poziția de zbor orizontal;

Fig. 10, o vedere izometrica a unei drone de supraveghere cu fuzelaj cilindric in poziția de zbor orizontal.

Intr-o prima varianta o drona 1, cu decolare si aterizare pe verticala, avind o configurație Canard, utilizează un sistem de propulsie 2 montat pe un fuzelaj 3, profilat aerodinamic si care la decolare/aterizare este poziționat vertical, ca in figurile 1,2,3,4,5 si 6. Drona 1 este in principal utilizata pentru transport si pentru alte misiuni diverse. Pe fuzelajul 3, la partea din spate, sunt montate simetric doua aripi compuse 4. Fiecare aripa compusa 4 este formata din doua segmente, unul interior 5 si altul exterior 6, avind intre ele un unghi obtuz a, de preferința cuprins intre 100° si 150°. Segmentul interior 5 este fixat înclinat fata de fuzelajul 3 cu un unghi de asemenea obtuz β, cuprins de preferința intre 120° si 170°. Fiecare aripa compusa 4, prezintă la partea din fata, in zona îmbinării dintre segmentul interior 5 si cel exterior un suport interior 7 pe care este montat la o anumita distanta un motor electric 8 ce actioneaza un rotor interior 9. De asemenea, fiecare aripa compusa 4, prezintă la partea din fata, in zona capătului segmentului exterior 6 un suport exterior 10 pe care este montat la o anumita distanta un motor electric 11 ce actioneaza un rotor exterior 12. Rotoarele interioare 9 si exterioare 12 prezintă niște palete pliabile 13. Lungimea suportilor interior 7 si exterior 10 este astfel aleasa incit paletele pliabile 13 sa nu atinga aripa compusa 4 atunci cind sunt pliate. Suportul exterior 10 se prelungește la partea din spate in asa fel incit depășește marginea din spate a aripii compuse 4 avind la capat o zona 14, de contact cu solul. Fiecare aripa compusa 4, prezintă la partea din spate, in zona îmbinării dintre segmentul interior si cel exterior, un stabilizator vertical 15, avind de preferința o forma trapezoidala. Stabilizatorul vertical 15 prezintă in zona din spate o muchie 16, de contact cu solul. Drona 1 se sprijină la decolare si aterizare pe zonele 14, de contact si pe muchiile 16, de contact, formind o suprafața trapezoidala 17, ca in figura 2, iar fuzelajul 3, respectiv un centru 18, de greutate al fuzelajului 3, este amplasat in zona centrala a suprafeței trapezoidale 17 in asa fel incit la decolare/aterizare drona 1 sa ramina stabila pe verticala. La partea din fata fuzelajul prezintă doua aripi fata 19, de tip Canard, amplasate simetric pe fuzelajul 3, utilizabile pentru stabilizarea dronei 1 in zborul orizontal. Aripile fata 19 se pot roti pentru a controla unghiul de tangaj al dronei 1 in timpul zborului. Drona 1 poate avea si alte suprafețe de control aerodinamice ca flapsuri, eleroane, etc. (nefigurate). In funcționare, la decolare, drona 1 are o postura vericala ca in figura 1 si corespunzătoare unei poziții la din figura 6. După acționarea motoarelor electrice 8 si 11 drona 1 se ridica la o anumita înălțime la care rotoarele interioare 9 sunt acționate suplimentar ceea ce produce tranziția, respectiv înclinarea spre in fata a dronei 1 ca in figura 3, corespunzător unei poziții lb din figura 6. înclinarea dronei 1 continua pina in momentul in care fuzelajul 3 ajunge intr-o postura substanțial orizontala, specifica zborului orizontal, ca in figura 4, ceea ce corespunde unei poziții lc din figura 6. In zborul orizontal aripile compuse 4 si aripile fata 19 preiau sustentatia dronei 1. La atingerea vitezei de croaziera sau economice motoarele electrice 8 sunt întrerupte respectiv rotoarele interioare 9 sun dezactivate ca in figura 5, corespunzător unei poziții ld din figura 6. In acest caz paletele pliabile 13 sunt împinse de fluxul frontal de aer in lungul motoarelor electrice 8 ceea ce reduce rezistenta la înaintarea in aer. La viteza de croaziera consumul de energie este optimizat si autonomia dronei 1 este crescută. In tranziția spre aterizare toate rotoarele interioare 9 si exterioare 12 sunt activate respectiv rotoarele exterioare 12 sunt accelerate suplimentar, producindu-se înclinarea dronei 1, ceea ce corespunde unei poziții le din figura 6. După atingerea posturii verticale a dronei 1 corespunzător unei poziții lf din figura 6, viteza de rotatie a rotoarelor interioare 9 si exterioare 12 este redusa treptat si simultan pina la contactul lin cu solul al dronei 1, ceea ce corespunde unei poziții lg din figura 6. In zborul orizontal virtejurile de la capetele aripilor compuse 4 sunt diminuate de rotoarele exterioare 12 care prezintă un sens de rotatie contrar virtejurilor, ceea ce produce o reducere a energiei necesare pentru a produce aceiași forța de tracțiune. Aripile compuse 4 funcționează ca aripi suflate ceea ce mărește portanta. Unghiul de giratie al dronei 1 se poate modifica in zborul orizontal prin accelerarea suplimentara a unuia din rotoarele exterioare 12.

Intr-o alta varianta constructiva o drona 30, derivata din cea anterioara, utilizează niște aripi compuse 31 ca in figurile 7 si 8. Fiecare aripa compusa 31 este formata din doua segmente, unul interior 32, care este fix si altul exterior 33, care este mobil. Segmentul exterior 33 se poate roti pe o articulație 34 existenta in segmentul interior 32, fiind acționat de un actuator (nefigurat). In funcționare, la decolare si aterizare unghiul a, descris in figura 2, este minim pentru a obține un gabarit redus, ca in figura 7. Imediat după decolare (figura 8) segmentele exterioare 33 sunt extinse pentru a obține in zborul orizontal o portanta maxima.

Intr-o alta varianta constructiva o drona 40, derivata din cele anterioare, echipata insa pentru supraveghere aeriana, prezintă montat sub fuzelajul 3 un multi-scaner 41, ca in figura 9. Multiscanerul 41 conține un număr de senzori optici sau acustici, respectiv camere de luat de luat vederi (nefigurate). Pe suprafața superioara a fuzelajului 3 este montat un pachet de celule solare 42. Pe extradosul fiecărei aripi compuse 4 este montat un pachet de baterii solare 43. De asemenea pe extradosul fiecărei aripi fata 19 este montat un pachet de baterii solare 44. Pachetele de baterii solare 42, 43 si 44 furnizează o parte din energia necesara funcționarii dronei 40 in zborul orizontal.

Intr-o alta varianta constructiva o drona 50, derivata din cele anterioare, echipata pentru supraveghere aeriana, prezintă un fuzelaj 51 de forma cilindrica, ca in figura 10. La partea anterioara drona 50 utilizează un multi-scaner 52, integrat in fuzelajul 51, ceea ce reduce rezistenta la înaintarea in aer.

Toate variantele descrise pot utiliza pentru alimentarea motoarelor electrice un pachet de baterii electrice.

Intr-o alta varianta dronele descrise pot utiliza pentru alimentarea motoarelor electrice un sistem hibrid.

Claims (18)

1. Revendicări

   l.Drona cu decolare si aterizare pe verticala ce utilizează un sistem de propulsie (2) atit pentru zborul pe verticala cit si pentru zborul pe orizontala caracterizata prin aceea ca o drona (1), avind o configurație Canard, utilizează un fuzelaj (3), profilat aerodinamic si care la decolare/aterizare este poziționat vertical, si pe fuzelajul (3), la partea din spate, sunt montate simetric doua aripi compuse (4), si fiecare aripa compusa (4) este formata din doua segmente, unul interior (5) si altul exterior (6), avind intre ele un unghi obtuz a, de preferința cuprins intre 100° si 150°, si segmentul interior (5) este fixat înclinat fata de fuzelajul (3) cu un unghi de asemenea obtuz β, cuprins de preferința intre 120° si 170°, si fiecare aripa compusa (4), prezintă la partea din fata, in zona îmbinării dintre segmentul interior (5) si cel exterior un suport interior (7) pe care este montat la o anumita distanta un motor electric (8) ce actioneaza un rotor interior (9), si fiecare aripa compusa (4), prezintă la partea din fata, in zona capătului segmentului exterior (6) un suport exterior (10) pe care este montat la o anumita distanta un motor electric (11) ce actioneaza un rotor exterior (12).
2. 2. Drona ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca suportul exterior (10) se prelungește la partea din spate in asa fel incit depășește marginea din spate a aripii compuse (4) avind la capat o zona (14), de contact cu solul, si fiecare aripa compusa (4), prezintă la partea din spate, in zona îmbinării dintre segmentul interior si cel exterior un stabilizator vertical (15), avind de preferința o forma trapezoidala, si stabilizatorul vertical (15) prezintă in zona din spate o muchie (16), de contact cu solul, si drona (1) se sprijină la decolare si aterizare pe zonele (14), de contact si pe muchiile (16), de contact, formind o suprafața tralezoidala (17), iar fuzelajul (3), respectiv un centru (18), de greutate al fuzelajului (3), este amplasat in zona centrala a suprafeței tralezoidala (17) in asa fel incit la decolare/aterizare drona (1) sa ramina stabila pe verticala.
3. 3. Drona ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca la partea din fata fuzelajul (3) prezintă doua aripi fata (19), de tip Canard, amplasate simetric pe fuzelajul (3), utilizabile pentru stabilizarea dronei (1) in zborul orizontal.
4. 4. Drona ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca aripile fata (19) sunt montate pe o articulație avind posibilitatea de a se roti pentru a controla unghiul de tangaj al dronei (1) in timpul zborului orizontal.
5. 5. Drona ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca rotoarele interioare (9) si exterioare (12) prezintă niște palete pliabile (13) si lungimea suportilor interior (7) si exterior (10) este astfel aleasa incit paletele pliabile (13) sa nu atinga aripa compusa (4) atunci cind sunt pliate.
6. 6. Metoda de funcționare a unei drone cu decolare si aterizare pe verticala caracterizata prin aceea ca in funcționare, la decolare, drona (1) are o postura verticala, corespunzătoare unei poziții (la), si după acționarea motoarelor electrice (8) si (11) drona 1 se ridica la o anumita înălțime la care rotoarele interioare (9) sunt acționate suplimentar ceea ce produce tranziția, respectiv înclinarea spre in fata a dronei (1), corespunzător unei poziții (lb), si înclinarea dronei (1) continua pina in momentul in care fuzelajul (3) ajunge intr-o postura substanțial orizontala, specifica zborului orizontal, ceea ce corespunde unei poziții (lc), si in zborul orizontal aripile compuse (4) si aripile fata (19) preiau sustentatia dronei (1).
7. 7. Metoda ca la revendicarea 6 caracterizata prin aceea ca la atingerea vitezei de croaziera sau economice motoarele electrice (8) sunt întrerupte respectiv rotoarele interioare (9) sunt dezactivate, corespunzător unei poziții (ld), si paletele pliabile (13) sunt împinse de fluxul frontal de aer in lungul motoarelor electrice (8) ceea ce reduce rezistenta la înaintarea in aer, si la viteza de croaziera consumul de energie este optimizat si autonomia dronei (1) este crescută.
8. 8. Metoda ca la revendicarea 6 caracterizata prin aceea ca in tranziția spre aterizare toate rotoarele interioare (9) si exterioare (12) sunt activate respectiv rotoarele exterioare (12) sunt accelerate suplimentar, producindu-se înclinarea dronei (1), ceea ce corespunde unei poziții (le), si după atingerea posturii verticale a dronei (1), corespunzător unei poziții (lf), viteza de rotatie a rotoarelor interioare (9) si exterioare (12) este redusa treptat si simultan pina la contactul lin cu solul al dronei (1), ceea ce corespunde unei poziții (lg).
9. 9. Metoda ca la revendicarea 6 caracterizata prin aceea ca in zborul orizontal virtejurile de la capetele aripilor compuse (4) sunt diminuate de rotoarele exterioare (12) care prezintă un sens de rotatie contrar virtejurilor, ceea ce produce o reducere a energiei necesare pentru a produce aceiași forța de tracțiune.
10. 10. Metoda ca la revendicarea 6 caracterizata prin aceea ca aripile compuse (4) funcționează ca aripi suflate cu scopul măririi portantei.
11. 11. Metoda ca la revendicarea 6 caracterizata prin aceea ca unghiul de giratie al dronei (1) se poate modifica in zborul orizontal prin accelerarea suplimentara a unuia din rotoarele exterioare (12).
12. 12. Drona ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca o drona (30), utilizează niște aripi compuse (31), fiecare aripa compusa (31) fiind compusa din doua segmente, unul interior (32), care este fix si altul exterior (33), care este mobil, si segmentul exterior (33) se poate roti pe o articulație (34) existenta in segmentul interior (32), fiind acționat de un actuator, si in funcționare, la decolare si aterizare unghiul a este minim pentru a obține un gabarit redus, si imediat după decolare segmentele exterioare (33) sunt extinse pentru a obține in zborul orizontal o portanta maxima.
13. 13. Drona ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca drona 1 este utilizata pentru transport, respectiv pentru misiuni asemanatoare transportului.
14. 14. Drona ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca o drona (40) echipata pentru supraveghere aeriana, prezintă montat sub fuzelajul (3) un multi-scaner (41), multi-scanerul (41) continind un număr de senzori optici/acustici, respectiv camere de luat de luat vederi.
15. 15. Drona ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca pe suprafața superioara a fuzelajului (3) este montat un pachet de celule solare (42), si pe extradosul fiecărei aripi compuse (4) este montat un pachet de baterii solare (43), si pe extradosul fiecărei aripi fata (19) este montat un pachet de baterii solare (44), si pachetele de baterii solare (42), (43) si (44) furnizează o parte din energia necesara funcționarii dronei (1 si 40) in zborul orizontal.
16. 16. Drona ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca o drona (50), echipata pentru supraveghere aeriana, prezintă un fuzelaj (51) de forma cilindrica, si la partea anterioara drona (50) utilizează un multi-scaner (52), integrat in fuzelajul (51), cu scopul reduceri rezistentei la înaintarea in aer.
17. 17. Drona ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca alimentarea cu energie a motoarelor electrice (8) si (11) se realizeza de la un pachet de baterii electrice.
18. 18. Drona ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca alimentarea cu energie a motoarelor electrice (8) si (11) se realizeza de la o unitate de putere hibrida.