RO138465A2 - Dronă cu decolare şi aterizare pe verticală-vtol - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o dronă cu decolare şi aterizare pe verticală, de tipul celor cu aripi care permit un zbor eficient pe distanţe extinse. Drona, conform invenţiei are un sistem (2) de propulsie format din cel puţin şase elemente (3, 4 şi 5) producătoare de tracţiune, câte două anterioare, mediane şi respectiv posterioare fixate simetric de o parte şi de alta a unui fuzelaj (6) aerodinamic prin intermediul unor suporturi (7) simetrice, fiecare dintre elementele (3, 4 şi 5) producătoare de tracţiune, anterior, median şi posterior au un motor (8 şi 10) electric care antrenează câte un rotor (9 şi 11) de tipul tractor şi respectiv de tipul propulsiv, rotoarele (11) mediane sunt dispuse la o distanţă mai mare de fuzelaj (6) decât rotoarele (9) anterioare şi posterioare, rotoarele (11) mediane au nişte palete (12) pliabile, rotoarele (9) anterioare şi posterioare au pasul optimizat, de preferinţă pentru zborul orizontal, iar rotoarele (11) mediane au pasul optimizat pentru zborul pe verticală, pe elementele (3 şi 5) producătoare de tracţiune, anterioare şi posterioare este fixată simetric câte o aripă (13 şi 15) anterioară şi posterioară prin intermediul a câte două suporturi (14 şi 16).

Description

Drona cu decolare si aterizare pe verticala - VTOL

OFICIUL DE STAT PENTRU INVENȚII Șl MĂRCI Cerere de brevet de Invenție.

Mr ' pjf, ............,_(Μ«ΓιΤ*μα*Τμ(***»··*··ι··μ····»·«**”·»*'* oata depozit.21¾.¾..

Invenția se refera la o drona cu decolare si aterizare pe verticala - VTOL de tipul celor cu aripi care permit un zbor eficient pe distante extinse.

Invenția reprezintă o continuare a invenției RO135113A2.

Pentru apelativul „decolare si aterizare pe verticala” se va utiliza denumirea conscacrata din limba engleza VTOL care reprezintă prescurtarea de la „vertical take-off and landing.

Sunt cunoscute soluțiile de aeronave cu decolare si aterizare pe verticala - VTOL care utilizează aripi pivotante sau rotoare pivotante. Aceste tipuri de aeronave necesita un control sofisticat al stabilitati 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 aeronavei 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 un mecanism de pivotare se blochează in poziția de zbor orizontal, aeronava nu mai poate ateriza pe verticala.

Majoritatea soluțiilor de aeronave VTOL utilizează propulsia electrica distriubuita (DEP) fara insa a folosi fenomene aerodinamice suplimentare pentru a reduce raportul tractiune/greutate.

Sunt de asemenea cunoscute dronele de tip multi-rotor. In general acestea nu prezintă aripi pentru a realiza un zbor eficient si in plan orizontal. In plus ele nu prezintă posibilitatea dezactivării mai multor rotoare in timpul zborului orizontal pentru a scadea consumul de energie si a imbunatati autonomia, respectiv raza de acțiune.

Este cunoscuta drona realizata de compania Amazon denumita MK27, descrisa in invenția US2022097844A1. Aceasta drona, cu sase rotoare, prezintă o aripa hexagonala ce înconjoară rotoarele. La aceasta soluție aripile laterale din partea inferioara a hexagonului creeaza o portanta negativa ce diminuează portanta totala a vehiculului in zbor orizontal. In plus aripa hexagonala mărește greutatea generala a aeronavei si afecteaza autonomia si micșorează greutate utila imbarcata.

Prin urmare, este un obiectiv al acestei invenții ca o drona sa aiba un zbor eficient si stabil atit pe verticala cit si pe orizontala. Este de asemenea necesar ca viteza dronei sa fie ridicata si autonomia extinsa. Aeronava trebuie sa aiba o construcție simpla, compacta si cu nivel de redundanta ridicat. Rotoarele trebuie sa fie protejate împotriva contactului cu limitările materiale ale spațiului înconjurător sau cu persoanele aflate la sol. Drona trebuie sa prezinte o rezistenta cit mai redusa la înaintarea in aer.

Prezenta invenție descrie un vehicul aerian sau o drona cu decolare si aterizare pe verticala VTOL care este configurată pentru a trece de la o decolare verticala la un mod de zbor orizontal sau de la un mod de zbor orizontal la o aterizare verticala folosind un număr de elemente producătoare de tracțiune fixe, montate in asa fel incit sa producă fenomene aerodinamice adiționale cu efect pozitiv pe niște suprafețe producătoare de portanta fixe, atit in zborul vertical cit si in zborul orizontal.

Potrivit unui prim aspect al invenției, o drona cu decolare si aterizare pe verticala utilizează un sistem de propulsie format din cel puțin sase elemente producătoare de tracțiune, respectiv doua anterioare, doua mediane si doua posterioare. Elementele producătoare de tracțiune anterioare, mediane si posterioare sunt fixate simetric de o parte si de alta a unui fuzelaj aerodinamic, prin intermediul unor suporți simetrici. Fiecare element producător de tracțiune utilizează cel puțin un motor electric ce antrenează un rotor. Planul de rotatie al rotoarelor anterioare, mediane si posterioare este considerat in mod substanțial orizontal sau ușor înclinat atunci cind drona este in poziție statica. Rotoarele anterioare si posterioare sunt de tipul tractoare. Rotoarele mediane sunt de tipul propulsive si sunt poziționate la o distanta mai mare de fuzelaj decit rotoarele anterioare si posterioare. Planele de rotatie ale rotoarelor anterioare si posterioare sunt decalate fata de planele de rotatie ale rotoarelor mediane si se suprapun pe o anumita porțiune pentru a micșora gabaritul general si a creste eficienta. Rotoarele mediane prezintă niște palete pliabile. Pe elementele producătoare de tracțiune anterioare este fixata simetric o aripa anterioara prin intermediul a doi suporți. Pe elementele producătoare de tracțiune posterioare este fixata simetric o aripa posterioara prin intermediul a doi suporți. Aripa anterioara face cu orizontala un unghi nemodificabil cuprins intre 25° si 85° atunci cind drona este in poziție statica. Aripa posterioara face cu orizontala un unghi nemodificabil cuprins intre 25° si 85° atunci cind drona este in poziție statica. Atit aripa anterioara cit si cea posterioara prezintă doua limitatoare de jet ce delimitează fluxul de aer produs de elementele producătoare de tracțiune. Aripa anterioara este astfel poziționată incit planele de rotatie ale elementelor producătoare de tracțiune anterioare sa fie localizate in apropierea bordului de fuga al aripii anterioare si deasupra extradosului acesteia. Aripa posterioara este astfel poziționată incit planele de rotatie ale elementelor producătoare de tracțiune posterioare sa fie localizate in apropierea bordului de atac al aripii posterioare si dedesuptul intradosului acesteia. Fuzelajul este montat in asa fel incit sa aiba o orientare după o direcție substanțial similara cu cea a aripile anterioara si posterioara, si in asa fel incit sa expună o suprafața minima curentului frontal de aer in zborul orizontal.

In conformitate cu alt aspect al invenției o metoda de a produce sustentatia pe verticala a aeronavei consta in acționarea elementelor producătoare de tracțiune anterioare care produc o depresiune importanta pe extradosul aripii anterioare si acest lucru contribuie la amplificarea forței de tracțiune pe verticala. Concomitent sunt acționate elementele producătoare de tracțiune posterioare care produc o presiune crescută pe intradosul aripii posterioare si acest lucru contribuie la amplificarea forței de fracțiune pe verticala. Elementele producătoare de tracțiune mediane simt si ele acționate.

In conformitate cu alt aspect al invenției o metoda de a controla trecerea de la zborul vertical la cel orizontal si invers se realizează prin variația vitezei de rotatie a elementelor producătoare de tracțiune posterioare fata de elementele producătoare de tracțiune anterioare, ceea ce produce modificarea unghiului de tangaj al aeronavei.

In conformitate cu alt aspect al invenției rotorele mediane funcționează la decolare/aterizare, in zborul la punct fix, in tranziție si la viteza maxima. Atunci cind aerona atinge viteza de croaziera economica rotoarele mediane sunt dezactivate si paletele pliabile ale acestora se aliniaza cu fluxul frontal de aer.

Drona conform invenției este un mijloc convenabil si sigur de a transporta bunuri între doua locații fara amenajeri speciale. Asa cum este conceputa, aeronava este stabila în timpul zborului si are o dimensiune compactă, astfel încât amprenta la sol, respectiv aria necesara de stocare la sol să fie minime. 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 14 care reprezintă:

Fig. 1, o vedere izometrica laterala a unei drone, pregătită pentru decolare;

Fig. 2, o vedere izometrica laterala a dronei de la figura 1, in faza decolării;

Fig. 3, o vedere izometrica laterala a dronei de la figura 1, in faza tranziției;

Fig. 4, o vedere izometrica laterala a dronei de la figura 1, in faza zborului orizontal;

Fig. 5, o vedere izometrica dinspre fata a unei drone cu rotoarele mediane avind un diametru substanțial mărit;

- Fig. 6, o vedere izometrica dinspre fata a unei drone cu rotoarele anterioare si posterioare de tipul auto-adaptabil;

Intr-un prim exemplu de realizare a invenției, o drona 1, cu decolare si aterizare pe verticala, utilizează un sistem de propulsie 2 format din cel puțin sase elemente producătoare de tracțiune, respectiv doua anterioare 3, doua mediane 4 si doua posterioare 5, ca in figurile 1-4. Elementele producătoare de tracțiune anterioare 3, mediane 4 si posterioare 5 sunt fixate simetric de o parte si de alta a unui fuzelaj 6, aerodinamic, prin intermediul unor suporți 7, simetrici, ca in figura 1. Fiecare element producător de tracțiune anterior 3 si posterior 5 utilizează un motor electric 8 ce antrenează un rotor 9, de tipul tractor. Fiecare element producător de tracțiune median 4 utilizează un motor electric 10 ce antrenează un rotor 11, de tipul propulsiv. Planul de rotatie al rotoarelor 9 si 11 este considerat in mod substanțial orizontal sau ușor înclinat atunci cind drona este in poziție statica. Rotoarele 11, mediane, sunt poziționate la o distanta mai mare de fuzelaj decit rotoarele 9. Planele de rotatie ale rotoarelor 9 sunt decalate fata de planele de rotatie ale rotoarelor 11 si se suprapun pe o anumita porțiune pentru a micșora gabaritul general si a creste eficienta. Rotoarele 11, mediane prezintă niște palete pliabile 12. Rotoarele 9 anterioare si posterioare au pasul optimizat, de preferința, pentru zborul orizontal. Rotoarele 11, mediane au pasul optimizat pentru zborul pe verticala. Pe elementele producătoare de tracțiune anterioare 3 este fixata simetric o aripa anterioara 13 prin intermediul a doi suporți 14. Pe elementele producătoare de tracțiune posterioare 5 este fixata simetric o aripa posterioara 15 prin intermediul a doi suporți 16. Aripa anterioara 13 face cu orizontala un unghi nemodificabil cuprins intre 25° si 85° atunci cind drona 1 este in poziție statica. Aripa posterioara 15 face cu orizontala un unghi nemodificabil cuprins intre 25° si 85° atunci cind drona 1 este in poziție statica. Atit aripa anterioara 13 cit si cea posterioara 15 prezintă doua limitatoare de jet 17 si 18 ce delimitează fluxul de aer produs de elementele producătoare de tracțiune anteriore 3 si posterioare 5. Aripa anterioara 13 este astfel poziționată incit planele de rotatie ale rotorelor 9, anterioare, sa fie localizate in apropierea unui bord de fuga 19 al aripii anterioare 13 si deasupra extradosului acesteia, atunci cind drona 1 se afla in zbor orizontal. Aripa posterioara 15 este astfel poziționată incit planele de rotatie ale rotoarelor 9, posterioare, sa fie localizate in apropierea unui bord de atac 20 al aripii posterioare 15 si dedesuptul acestuia, atunci cind drona 1 se afla in zbor orizontal. Fuzelajul 6 este montat după o direcție principala in mod substanțial similara cu cea a aripilor anterioara 13 si posterioara 15, si in asa fel incit sa expună o suprafața minima curentului frontal de aer in zborul orizontal al dronei 1. Fuzelajul 6 prezintă la partea din spate o suprafața aplatizata 21 care este folosita ca sprijin la decolare/aterizare. Pe fiecare suport 7 este fixat un picior 22 ce servește de asemenea ca sprijin la decolare/aterizare. In funcționare, la decolare/aterizare sunt acționate toate cele sase elemente producătoare de tracțiune 3, 4 si 5 ca in figura 2. Elementelor producătoare de tracțiune anterioare 3 produc o depresiune importanta pe extradosul aripii anterioare 13 si acest lucru contribuie la amplificarea forței de tracțiune pe verticala. Concomitent elementele producătoare de tracțiune posterioare 5 produc o presiune crescută pe intradosul aripii posterioare 15 si acest lucru contribuie la amplificarea forței de tracțiune pe verticala. După decolare, elementele producătoare de tracțiune posterioare 5 sunt accelerate suplimentar si drona 1 începe sa se încline spre fata, ca in figura 5, ceea ce corespunde perioadei de tranziție, ca in figura 3. Pe măsură ce viteza pe orizontala a dronei 1 creste, arpile anterioare 13 si cele posterioare 15 generează din ce in ce mai multa portanta. După un timp, drona 1 se apropie de viteza de croaziera si in acest caz arpile anterioare 13 si cele posterioare 15 generează cea mai mare parte a forței de sustentatie. La atingerea vitezei de croaziera pentru drona 1, motoarele electrice 10 ce actioneaza rotoarele 11 sunt întrerupte si paletele pliabile 12 se alinaza in lungul unei axe a fiecărui motor electric 10, fiind împinse de fluxul frontal de aer, ca la figura 4. In consecința, rotoarele 11 sunt dezactivate ceea ce generează scăderea consumului energetic al dronei 1. La aterizare rotoarele 11 sunt din nou activate.

Intr-un al doilea exemplu de realizare a invenției, o drona 40, cu decolare si aterizare pe verticala, utilizează un sistem de propulsie 41, similar cu cel de la exemplul anterior, ca in figura 5. In acest caz drona 40 folosește doua rotoare 42 mediane avind diametrul substanțial mai mare decit cel ar rotoarelor 9 anterioare si posterioare.

Intr-un al treilea exemplu de realizare a invenției, o drona 50, cu decolare si aterizare pe verticala, utilizează un sistem de propulsie 51, ca in figura 6. In acest caz drona 40 folosește doua rotoare 11 mediane ca la primul exemplu. Sistemul de propulsie 51 utilizează patru rotoare 52, anterioare si posterioare de tipul celor cu pas autoadaptabil. Scopul utilizării rotoarelor 52 cu pas auto-adaptabil este este acela de a putea schimba în mod adaptiv pasul elicei pe măsură ce viteza si regimul de zbor se modifica, astfel incit drona 50 să aiba o eficiența imbunatatita la viteze diferite. In cazul decolarii/aterizarii si a zborului la punct fix rotoarele 52 prezintă un pas de valoare mica care determina eficienta ridicata in aceste regimuri. In zborul orizontal rotoarele 52 prezintă un pas de valoare substanțial mărită care determina o eficienta ridicata in acest regim. Pasul rotoarelor 52 se modifica in funcție de turatie. Mecanismul ce modifica pasul rotoarelor 52 constituie obiectul unei cereri de invenții anterioare a aceluiași autor.

Claims (6)

1. Revendicări

   l.Drona de tipul cu aripi, avind decolare si aterizare pe verticala, caracterizata prin aceea ca o drona (1) utilizează un fuzelaj (6), aerodinamic, ce susține un sistem de propulsie (2) format din cel puțin sase elemente producătoare de tracțiune, respectiv doua anterioare (3), doua mediane (4) si doua posterioare (5), si elementele producătoare de tracțiune anterioare (3), mediane (4) si posterioare (5) sunt fixate simetric de o parte si de alta a fuzelajului (6) prin intermediul unor suporți (7), simetrici, si fiecare element producător de tracțiune anterior (3) si posterior (5) utilizează un motor electric (8) ce antrenează un rotor (9), de tipul tractor, si fiecare element producător de tracțiune median (4) utilizează un motor electric (10) ce antrenează un rotor (11), de tipul propulsiv, si un plan de rotatie al rotoarelor (9) si (11) este considerat in mod substanțial orizontal atunci cind drona (1) este in poziție statica, si rotoarele (11), mediane, sunt poziționate la o distanta mai mare de fuzelaj ul (6) decit rotoarele (9), si planele de rotatie ale rotoarelor (9) sunt decalate fata de niște plane de rotatie ale rotoarelor (11) si se suprapun pe o anumita porțiune, si rotoarele (11), mediane prezintă niște palete pliabile (12), si pe elementele producătoare de tracțiune anterioare (3) este fixata simetric o aripa anterioara (13) prin intermediul a doi suporți (14), si pe elementele producătoare de tracțiune posterioare (5) este fixata simetric o aripa posterioara (15) prin intermediul a doi suporți (16), si aripa anterioara (13) face cu orizontala un unghi nemodificabil cuprins intre

   25° si 85° atunci cind drona (1) este in poziție statica, si aripa posterioara (15) face cu orizontala un unghi nemodificabil cuprins intre

   25° si 85° atunci cind drona (1) este in poziție statica, si atit aripa anterioara (13) cit si cea posterioara (15) prezintă doua limitatoare de jet (17) si (18) ce delimitează fluxul de aer produs de elementele producătoare de tracțiune anteriore (3) si posterioare (5), si aripa anterioara (13) este astfel poziționată incit planele de rotatie ale rotorelor (9), anterioare, sa fie localizate in apropierea unui bord de fuga (19) al aripii anterioare (13) si deasupra extradosului acesteia, atunci cind drona (1) se afla in zbor orizontal, si aripa posterioara (15) este astfel poziționată incit planele de rotatie ale rotoarelor (9), posterioare, sa fie localizate in apropierea unui bord de atac (20) al aripii posterioare (15) si dedesuptul acestuia, atunci cind drona (1) se afla in zbor orizontal, si fuzelajul (6) este montat după o direcție principala in mod substanțial similara cu cea a aripilor anterioara (13) si posterioara (15), si in asa fel incit sa expună o suprafața minima curentului frontal de aer in zborul orizontal al dronei (1).
2. 2. Drona ca la revendicarea 1 caracterizata prin aceea ca rotoarele (9) anterioare si posterioare au pasul optimizat pentru zborul orizontal, si rotoarele (11), mediane au pasul optimizat pentru zborul pe verticala.
3. 3. Drona ca la revendicarea 1 caracterizata prin aceea ca o drona (50), folosește un sistem de propulsie (51) care utilizează patru rotoare (52), anterioare si posterioare de tipul celor cu pas auto-adaptabil.
4. 4. Drona ca la revendicarea 1 caracterizata prin aceea ca in funcționare elementele producătoare de tracțiune anterioare (3) produc o depresiune importanta pe extradosul aripii anterioare (13) si acest lucru contribuie la amplificarea forței de tracțiune pe verticala, si concomitent elementele producătoare de tracțiune posterioare (5) produc o presiune crescută pe intradosul aripii posterioare (15) si acest lucru contribuie la amplificarea forței de tracțiune pe verticala, si după decolare, elementele producătoare de tracțiune posterioare (5) sunt accelerate suplimentar si drona (1) începe sa se încline spre fata, ceea ce corespunde perioadei de tranziție, si pe măsură ce viteza pe orizontala a dronei (1) creste, arpile anterioare (13) si cele posterioare (15) generează din ce in ce mai multa portanta, si intr-o faza ulterioara, drona (1) se apropie de viteza de croaziera si in acest caz arpile anterioare (13) si cele posterioare (15) generează cea mai mare parte a forței de sustentatie, si la atingerea vitezei de croaziera pentru drona (1), motoarele electrice (10) ce actioneaza rotoarele (11) sunt întrerupte si paletele pliabile (12) se alinaza in lungul unei axe a fiecărui motor electric (10), fiind împinse de fluxul frontal de aer, rotoarele (11) fiind dezactivate, si la aterizare rotoarele (11) sunt din nou activate, pentru a mari forța de tracțiune pe verticala.
5. 5. Drona ca la revendicarea 3 caracterizata prin aceea ca rotoarelor (52) cu pas autoadaptabil schimba în mod adaptiv pasul elicei pe măsură ce viteza si regimul de zbor se modifica, astfel incit drona (50) să aiba o eficiența imbunatatita la viteze diferite, si in cazul decolarii/aterizarii si a zborului la punct fix rotoarele (52) prezintă un pas de valoare mica care determina eficienta ridicata in aceste regimuri, si in zborul orizontal rotoarele (52) prezintă un pas de valoare substanțial mărită care determina o eficienta ridicata in acest regim, si pasul rotoarelor (52) se modifica in funcție de turatie.
6. 6. Drona ca la revendicarea 1 caracterizata prin aceea ca o drona (40) utilizează un sistem de propulsie (41) care folosește doua rotoare (42) mediane avind diametrul substanțial mai mare decit cel ar rotoarelor (9) anterioare si posterioare.