RO135318A2 - Dronă reconfigurabilă cu deco- lare şi aterizare pe verticală-vtol - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o dronă reconfigurabilă cu decolare şi aterizare pe verticală, de tipul celor care utilizează anumite fenomene aerodinamice pentru a amplifica forţa de sustentaţie şi a mări raportul tracţiune/greutate. Drona conform invenţiei are un sistem de propulsie format din patru elemente (3 şi 4) producătoare de tracţiune, două anterioare şi respectiv două posterioare, care conţin cel puţin un rotor (5 şi 7) anterior şi posterior acţionat de cel puţin un motor (6 şi 8) electric, anterior şi posterior, motoarele (6 şi 8) electrice, anterioare şi posterioare sunt ataşate prin intermediul unor suporturi (9 şi 11) de o parte şi de alta a unui fuzelaj (10), fiecare dintre suporturile (9 şi 11) se roteşte în jurul câte unui ax (50 şi 51) fixat în fuzelajul (10).

Description

Data depozit.....

Drona reconfigurabila cu decolare si aterizare pe verticala -VTOL

Invenția se refera la o drona reconfigurabila cu decolare si aterizare pe verticala VTOL de tipul celor care utilizeza anumite fenomene aerodinamice pentru a amplifica forța de sustentatie si a mari raportul tractiune/greutate.

S-au depus numeroase eforturi pentru a proiecta o drona pentru aprovizionare cu decolare si aterizare pe verticala ca in invenția US 20170283048 A1. Aceasta aeronava utilizează rotoare diferite pentru zborul pe verticala si pentru cel pe orizontala. In consecința pe perioada zborului orizontal, a cărui durata este cea mai mare, majoritatea motoarelor nu sunt utilizate. Aceasta creste inutil complexitatea si costul construcției.

O soluție asemanatoare avind aceleași dezavantaje este descrisa in invenția US 20180093770 A1. In plus la aceasta construcție rotoarele neprotejate pot intra in contact cu obiectele din jur sau cu oamenii aflati la sol, ceea ce reprezintă un comportament foarte periculos.

Sunt cunoscute soluțiile de drone cu decolare pe verticala care utilizează aripi pivotante sau rotoare pivotante. Acest tip de aeronave necesita un control sofisticat al stabilitatii respectiv al poziției relative dintre fuzelaj si sistemul de propulsie care se realizează cu ajutorul unor mecanisme complexe si scumpe. Controlul devine si mai dificil datorita schimbării poziției relative dintre centrul de presiune si centrul de greutate al dronei mai ales pe perioada tranziției si datorita condiției ca fuzelajul sa ramina in poziție orizontala tot timpul. Orice greșeala in acest control poate determina un accident major. Spre exemplu daca mecanismul de pivotare se blochează in poziția de zbor orizontal, drona nu mai poate ateriza pe verticala.

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).

Prin urmare, este nevoie de o drona care sa aiba un zbor eficient atit pe verticala cit si pe orizontala. Este de asemenea necesar ca viteza dronei sa fie ridicata si autonomia extinsa. Drona trebuie sa aiba o construcție simpla si eventual pliabila pentru a putea fi transportata cu ușurința in spatii reduse. Rotoarele trebuie sa fie protejate împotriva contactului cu limitările materiale ale spațiului înconjurător sau cu persoanele aflate la sol.

Invenția înlătură dezavantajele aratate mai sus prin aceea ca o drona cu decolare si aterizare pe verticala utilizează un sistem de propulsie format din cel puțin patru elemente producătoare de fracțiune, respectiv doua anterioare si doua posterioare. Fiecare element producător de tracțiune utilizează cel puțin un rotor antrenat de cel puțin un motor electric. Planul de rotatie al rotoarelor anterioare si posterioare este considerat in mod substanțial orizontal sau ușor înclinat atunci cind drona este in poziție statica. Motoarele electrice sunt fixate prin intermediul unor suporți de o parte si de alta a unui fuzelaj. La partea din fata este fixata simetric fata de fuzelaj o aripa anterioara. Fixarea aripii anterioare se realizează prin intermediul unui suport si al unui sistem de clipsare sau de fixare. Sistemul de clipsare poate fixa aripa anterioara pe cele doua motoare electrice anterioare sau pe fuzelaj. Aripa anterioara face cu orizontala un unghi nemodificabil cuprins intre 15° si 80° atunci cind drona este in poziție statica. La partea din spate este fixata simetric fata de fuzelaj o aripa posterioara. Aripa posterioara face cu orizontala un unghi nemodificabil cuprins intre 15° si 80° atunci cind drona este in poziție statica. Aripa posterioara se fixeaza in mod similar pe motoarele electrice posterioare sau pe fuzelaj. Aiti aripa anterioara cit si cea posterioara prezintă la capete doua (imitatoare de jet. Aripa anterioara este astfel poziționată incit planele de rotatie ale rotoarelor anterioare sa fie localizate in apropierea muchiei posterioare a aripii anterioare si deasupra extradosului acesteia. Aripa posterioara este astfel poziționată incit planele de rotatie ale rotoarelor posterioare sa fie localizate in apropierea bordului de atac al aripii posterioare si dedesuptul intradosului acesteia.

Conform unui alt aspect al invenției drona poate zbura ca un quadrotor obișnuit, fara aripile anterioara si posterioara, in misiunile in care zborul pe orizontala are o durata redusa si este prioritar zborul cu viteza foarte mica sau cel vertical. Prin montarea aripilor anterioara si posterioara construcția dronei este reconfigurata pentru misiuni executate pe distante medii si lungi la care zborul pe orizontala are o durata ridicata comparativ cu durata zborului vertical. In acest caz sustentatia in zborul orizontal este realizata in principal de aripile anterioara si posteroara si drona consuma o cantitate de energie de citeva ori mai mica pentru deplasare.

Conform unui alt aspect al invenției rotoarele anterioare si posterioare se pot roti cu 90° in asa fel incit suprafața dronei sa fie redusa. In acest fel drona poate fi transportata intr-un locaș al unei valize compacte. Aripile anterioara si posterioara pot fi de aemenea transportate in alte doua locașuri ale valizei.

Drona conform invenției este un mijloc convenabil si sigur de a transporta bunuri între doua locații fara amenajeri speciale sau pentru a inspecta diverse obiective. Asa cum este conceputa, drona are o dimensiune compactă după ce este pliata. Randamentul propulsiei este imbunatit in zborul vertical datorita componentei generata de depresiunea de pe extradosul aripii anterioare si presiunii de pe intradosul aripii posteriore exercitate chiar si in condiții statice. Randamentul propulsiei este imbunatit in zborul orizontal datorita portantei aripilor anterioare si posterioare. Lipsa actuatoarelor pentru sistemul de propulsie sau pentru aripi simplifica construcția si reduce costul produsului.

Se dau mai jos un număr de exemple de realizare a invenției in legătură cu figurile 1, 2, 3, 4 si 5 care reprezintă:

- Fig. 1, o vedere izometrica dinspre fata a unei drone cu aripile demontate;

- Fig. 2, o vedere izometrica dinspre fata a unei drone cu aripile montate

- Fig. 3, o reprezentare a secvențelor de zbor ale dronei de la figura 2;

Fig. 4, o vedere izometrica dinspre fata a dronei de la figura 1 cu rotoarele pliate;

- Fig. 5, o vedere izometrica a unei valize ce transporta drona de la figura 1.

Intr-o prima varianta de configurare o drona 1, cu decolare si aterizare pe verticala, de tipul quadrotor, utilizează un sistem de propulsie 2 format din patru elemente producătoare de tracțiune, doua anterioare 3 si doua posterioare 4 ca in figura 1. Fiecare element producător de tracțiune anterior 3 conține cel puțin un rotor anterior 5 acționat de cel puțin un motor electric anterior 6. Fiecare element producător de tracțiune posterior 4 conține cel puțin un rotor posterior 7 acționat de cel puțin un motor electric posterior 8. Planul de rotatie al rotoarelor anterioare 5 si posterioare 7 este considerat in mod substanțial orizontal sau ușor înclinat atunci cind drona 1 este in poziție statica. Motoarele electrice anterioare 6 sunt atașate prin intermediul unor suporți 9 de o parte si de alta a unui fuzelaj 10. Fiecare suport 9 se poate roti in jurul unui ax 50 fixat in fuzelajul 10. In mod similar mtoarele electrice posterioare 8 sunt atașate prin intermediul unor suporți 11 de o parte si de alta a fuzelajului 10. Fiecare suport 11 se poate roti in jurul unui ax 51 fixat in fuzelajul 10. Drona 1 funcționează ca un quadrotor obișnuit in toate fazele, respectiv in zbor vertical sau in zbor orizontal.

Intr-o a doua varianta de configurare o drona modificata 60 utilizează drona 1 la care i se ataseaza, simetric fata de fuzelajul 10, o aripa anterioara 12, respectiv o aripa posterioară 13, ca in figurile 1 si 2. Aripa anterioara 12 face cu orizontala un unghi nemodificabil cuprins intre 15° si 80° atunci cind drona 1 este in poziție statica. Aripa posterioară 13 face cu orizontala un unghi nemodificabil cuprins intre 15° si 80° atunci cind drona 1 este in poziție statica. Aripa anterioara 12 prezintă la capete doua limitatoare de jet 14. Aripa posterioară 13 prezintă la capete doua limitatoare de jet 15. Aripa anterioara 12 are un profil aerodinamic care prezintă un intrados 16, un extrados 17, un bord de atac 18 si o muchie ascuțita 19. Aripa posterioară 13 are un profil aerodinamic care prezintă un intrados 20, un extrados 21, un bord de atac 22 si o muchie ascuțita 23. Aripa anterioara 12 este astfel poziționată incit planele de rotatie ale rotoarelor anterioare 5 sa fie localizate in apropierea muchiei ascuțite 19 a aripii anterioare 12 si deasupra extradosului 17 al acesteia. Planele de rotatie ale rotoarelor anterioare 5 fac cu aripa anterioara 12 un unghi nemodificabil cuprins intre 110° si 160°. Aripa posterioară 13 este astfel poziționată incit planele de rotatie ale rotoarelor posterioare 7 sa fie localizate in apropierea bordului de atac 22 al aripii posterioare 13 si dedesubtul intradosului 20 al acesteia. Planele de rotatie ale rotoarelor posterioare 7 fac cu aripa posterioară 13 un unghi nemodificabil cuprins intre 110° si 160°. Atit aripa anterioara 12 cit si aripa posterioară 13 prezintă la capete un profil rotunjit concentric cu planul de rotatie al rotoarelor anterioare 5, respectiv cu al rotoarelor posterioare 7. Fixarea aripii anterioare 12 se realizează prin intermediul unui suport 24 si al unui sistem de fixare 25. Sistemul de fixare 25 ataseaza aripa anterioara 12 pe cele doua motoare electrice anterioare 6 prin intermediul unor clipsuri elastice 26 solidare cu

suportii 24. Fiecare clips elastic 26 prezintă o fanta 27 in care, la montajul aripii anterioare 12 pe drona 1, intra suportul 9 corespunzător. In acest fel se asigura blocarea tuturor gradelor de libertate ale aripii anterioare 12 fata de drona 1. Fixarea aripii posterioare 13 se realizează prin intermediul unui suport 28 si al unui sistem de fixare 29. Sistemul de fixare 29 ataseaza aripa posterioara 13 pe cele doua motoare electrice posterioare 8 prin intermediul unor clipsuri elastice 30 solidare cu suportii 28. Fiecare clips elastic 30 prezintă o fanta 31 in care, la montajul aripii posterioare 13 pe drona 1, intra suportul 11 corespunzător. In acest fel se asigura blocarea tuturor gradelor de libertate ale aripii posterioare 13 fata de drona 1. Drona 1 poate fi o drona nou proiectata sau o drona existenta, aflata in producție de serie. In funcționare, la decolare/aterizare, atunci cind motoarele electrice anterioare 6 ale dronei modificate 60 sunt acționate, rotoarelor anterioare 5 produc o depresiune importanta pe extradosul 17 al aripii anterioare 12 si acest lucru contribuie la amplificarea forței de tracțiune pe verticala. Concomitent sunt acționate rotoarele posterioare 7 care produc o presiune crescută pe intradosul 20 aripii posterioare 13 si acest lucru contribuie la amplificarea forței de tracțiune pe verticala, ceea ce corespunde poziției 60a a dronei modificate 61 din figura 3. Trecerea de la zborul vertical la zborul orizontal se realizează treptat pe perioada tranziției prin variația vitezei de rotatie a rotoarelor posterioare 7 fata de rotoarele anterioare 5, ceea ce produce modificarea unghiului de tangaj al dronei modificate 60 si corespunde poziției 60b a dronei 1 din figura 3. Rotoarele posterioare 7 sunt accelerate supliomentar pina cind aripa anterioara 12 si cea posterioara 13 ajung la un unghi de atac optim si drona modificata 60 atinge viteza de croaziera pe orizontala. In acest caz sustentatia este preluata in principal de aripile anterioara 12 si cea posterioara 13 ceea ce corespunde unei poziții 60c a dronei modificate 60 din figura 3. Aripile anterioara 12 si posterioara 13 funcționează ca niște aripi suflate la care fluxul de aer este accelerat suplimentar pe suprafelele lor aerodinamice de rotoarele anterioare 5 si posterioare 7. Controlul direcției de zbor se realizează prin variația vitezei de rotatie a rotoarelor situate pe partea stingă in comparatrie cu cele de pe partea dreapta a dronei modificate 60, sau invers.

Intr-o alta varianta constructiva aripile anterioara si posterioara se pot fixa direct pe fuzelaj.

Drona 1 poate fi reconfigurata pentru împachetare asa cum este descris in figura 4 si 5. In acest caz suportii 9 si 11 pot fi rotiti cu 90° in jurul axului 50 respectiv 51 in asa fel incit suprafața dronei 1 pliate sa fie redusa. Drona 1, pliata, poate fi transportata intr-o valiza compacta 70, respectiv intr-un locaș 71 al acesteia, ca in figura 5. Valiza compacta 70 conține de asemenea un locaș 72 pentru aripa anterioara 12, respectiv un locaș 73 pentru aripa posterioara 13. Valiza compacta 70 este închisa cu un capac 74.

Drona 1, respectiv drona modificata 60 pot fi utilizate pentru diverse misiuni de transport, supraveghere/inspectie sau fotografiere si pot fi ușor transportate cu ajutorul valizei compacte 70 in portbagajul unui automobil.

Claims (13)

1. Drona de tipul celor cu decolare si aterizare pe verticala si de tipul celor care utilizează același sistem de propulsie atit pentru zborul vertical cit si pentru zborul orizontal caracterizata prin aceea ca o drona modificata (60), avînd o forma reconfigurabila, este construita dintr-o drona (1), de baza, pe care se fixeaza o aripa anterioara (12) si o aripa posterioara (13) ce îmbunătățesc comportamentul aerodinamic al dronei modificate (60) atit in zborul vertical cit si in zborul orizontal in comparație cu drona (1).

2. Drona ca la revendicarea 1 caracterizata prin aceea ca drona (1) poate funcționa separat ca un quadrotor uzual.

3. Drona ca la revendicarea 1 caracterizata prin aceea ca drona (1) este un produs de serie, aflat in fabricație.

4. Drona ca la revendicarea 1 caracterizata prin aceea ca drona modificata (60) utilizează un sistem de propulsie (2) de tipul biplan format din cel puțin patru elemente producătoare de tracțiune, doua anterioare (3) si doua posterioare (4), dispuse simetric de o parte si de alta a unui fuzelaj (10), si aripa anterioara (12) este fixata la partea din fata a dronei modificate (60), facind cu orizontala un unghi nemodificabil cuprins intre 15° si 80° atunci cind drona modificata (60) este in poziție statica, respectiv la decolare /aterizare, si aripa posterioara (13) este fixata la partea din spate a dronei modificate (60), facind cu orizontala un unghi nemodificabil cuprins intre 15° si 80° atunci cind drona modificata (60) este in poziție statica, respectiv la decolare /aterizare, si aripa anterioara (12) prezintă la capete doua (imitatoare de jet (14), si aripa posterioara (13) prezintă la capete doua limitatoare de jet (15), si aripa anterioara (12) are un profil aerodinamic care prezintă un intrados (16), un extrados (17), un bord de atac (18) si o muchie ascuțita (19), si aripa posterioara (13) are un profil aerodinamic care prezintă un intrados (20), un extrados (21), un bord de atac (22) si o muchie ascuțita (23), si elementele producătoare de tracțiune anterioare (3) si posterioare (4) sunt poziționate pe fuzelajul (10) intre aripa anterioara (12) si aripa posterioara (13), si fluxul de aer generat de elementele producătoare de tracțiune anterioare (3) si posterioare (4) pe extradosul (17) al aripii anterioare (12) si pe intradosul (21) al aripii posterioare (13) creeaza o forța de sustentatie suplimentara ce contribuie la procesul de decolare pe verticala inclusiv in condiții statice.

5. Drona ca la revendicarea 4 caracterizata prin aceea ca fiecare element producător de fracțiune anterior (3) conține cel puțin un rotor anterior (5) acționat de cel puțin un motor electric anterior (6), si fiecare element producător de fracțiune posterior (4) conține cel puțin un rotor posterior (7) acționat de cel puțin un motor electric posterior (8), si planul de rotatie al rotoarelor anterioare (5) si posterioare (7) este considerat in mod substanțial orizontal atunci cind aeronava (1) este in poziție statica, respectiv la decolare/aterizare, si aripa anterioara (12) este astfel poziționată incit planele de rotatie ale rotoarelor anterioare (5) sa fie localizate in apropierea muchiei ascuțite (19) a aripii anterioare (12) si deasupra extradosului (17) al acesteia, si planele de rotatie ale rotoarelor anterioare (5) fac cu aripa anterioara (12) un unghi nemodificabil cuprins intre 110° si 160°, si aripa posterioara (13) este astfel poziționată incit planele de rotatie ale rotoarelor posterioare (7) sa fie localizate in apropierea bordului de atac (22) al aripii posterioare (13) si dedesuptul intradosului (20) al acesteia, si planele de rotatie ale rotoarelor posterioare (7) fac cu aripa posterioara (13) un unghi nemodificabil cuprins intre 110° si 160°.

6. Drona ca la revendicarea 5 caracterizata prin aceea ca aripa anterioara (12) cit si aripa posterioara (13) prezintă la capete un profil rotunjit concentric cu planul de rotatie al rotoarelor anterioare (5), respectiv cu al rotoarelor posterioare (7).

7. Drona ca la revendicarea 4 caracterizata prin aceea ca sistemul de propulsie (2) produce in timpul zborului vertical o forța de sustentatie mai mare decit forța de fracțiune dezvoltata de elementele producătoare de tracțiune anterioare (3) si posterioare (4).

Μ

8. Drona ca la revendicarea 4 caracterizata prin aceea ca fixarea aripii anterioare (12) pe drona 1 se realizează prin intermediul unui suport (24) si al unui sistem de fixare (25), si fixarea aripii posterioare (13) pe drona (1) se realizează prin intermediul unui suport (28) si al unui sistem de fixare (29).

9. Drona ca la revendicarea 8 caracterizata prin aceea ca sistemul de fixare (25) asigura montarea aripii anterioare (12) pe cele doua motoare electrice anterioare (6) prin intermediul unor clipsuri elastice (26) solidare cu suportii (24), fiecare clips elastic (26) avind o fanta (27) in care, la montajul aripii anterioare (12) pe drona (1), intra suportul (9) corespunzător, si sistemul de fixare (29) asigura montarea aripii posterioare (13) pe cele doua motoare electrice posterioare (8) prin intermediul unor clipsuri elastice (30) solidare cu suportii (28), fiecare clips elastic (30) avind o fanta (31) in care, la montajul aripii posterioare (13) pe drona (1), intra suportul (11) corespunzător.

10. Drona ca la revendicarea 8 caracterizata prin aceea ca un sistem de fixare permite montarea unei aripi anterioare pe fuzelajul (10) si un sistem de fixare permite montarea unei aripi posterioare pe fuzelajul (10).

11. Drona ca la revendicarea 4 caracterizata prin aceea ca fiecare suport (9) se poate roti in jurul unui ax (50) fixat in fuzelajul (10) si fiecare suport (11) se poate roti in jurul unui ax (51) fixat in fuzelajul (10) in asa fel incit suprafața dronei (1), pliate, sa fie minima.

12. Drona ca la revendicarea 11 caracterizata prin aceea ca drona (1), pliata, poate fi transportata intr-o valiza compacta (70), respectiv intr-un locaș (71) al acesteia, si valiza compacta (70) este închisa cu un capac (74).

13. Drona ca la revendicarea 12 caracterizata prin aceea ca valiza compacta (70) conține un locaș (72) unde este depozitata aripa anterioara (12), respectiv un locaș (73) unde este depozitata aripa posterioara (13).