ES2542901T3 - Alas inflables reforzadas para vehículos aéreos con restricciones de montaje - Google Patents

Abstract

Un ala para la despliegue a partir de un fuselaje, que comprende: un fuselaje (20, 108, 208, 308, 400) que tiene la forma y línea del molde exterior OML para formar una primera porción (24, 110, 210, 310) del ala que se extiende a partir de una raíz de una ala (28, 114, 214, 314) unido al fuselaje (106, 206, 306, 402) a lo largo de por lo menos de una porción de la envergadura del ala y que se extiende a popa a lo largo de por lo menos una porción de la longitud del cordón del ala; y una piel (30, 116, 216, 316, 404) unida al cajón del ala. Dicha estructura tiene una forma y OML de una segunda porción (34, 118, 218, 318) del ala; caracterizado en que también incluye un conjunto de placas (40, 122, 222, 322, 406) que cuando están ensambladas tienen la forma y OML de por lo menos una sub-porción (42) de la segunda porción del ala, dichas placas están fijadas a las ubicaciones correspondientes en dicha piel, dicha piel y placas están plegadas y almacenadas en un volumen limitado con el cajón del ala; y un mecanismo de inflado (50, 124, 224, 324) en la caja del ala configurado para inflar la estructura para formar la segunda porción del ala y así ensamblar las placas para reforzar dicha sup-porción del ala.

Description

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Alas inflables reforzadas para vehículos aéreos con restricciones de montaje

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

5 Campo de la Invención

Esta invención se refiere a las alas para vehículos con restricciones de montaje y más concretamente a las alas para misiles, proyectiles y vehículos aéreos no tripulados (UAVs) lanzados por tubo y pilón.

Descripción de las técnicas relacionadas

Con frecuencia se lanzan vehículos de aire como misiles, proyectiles y vehículos aéreos no tripulados (UAVs) desde tierra, aire o mar con base en plataformas de lanzamiento de tubo o pilón. Estos vehículos van desde una fracción de una libra (0,45 kg) para UAVs pequeños hasta más de 10.000 libras (4.536 kg) de municiones y

15 misiles de crucero grandes y vuelan a velocidades que van desde unos cuantos kilómetros por hora a velocidad transónica, es decir, alrededor de Mach 1. Estas plataformas de lanzamiento estan limitadas en el espacio y volumen, por ejemplo el limitado volumen de un tubo o el limitado volumen del interior o debajo del fuselaje. Para utilizar el espacio disponible y el volumen, estos vehículos normalmente utilizanan las alas retráctiles 10 que se almacenan dentro del fuselaje 12 y se desplegan en el lanzamiento, como se indica en las Figuras 1a y 1b. En este documento un "ala" es cualquier superficie aerodinámica que proporciona control de vuelo o generación de empuje ascensional como alas, aletas y sistemas canard.

Normalmente, las alas retráctiles están hechas de aluminio mecanizado. Las alas de aluminio mecanizadas pueden soportar las cargas pesadas producidas por vuelos transónicos o maniobras rápidas. El aluminio

25 mecanizado también se mecaniza fácilmente para satisfacer niveles de tolerancia bajos en la «línea externa del molde» (OML) del ala. Un nivel reducido de tolerancia OML es fundamental para proporcionar alteraciones mínimas en el funcionamiento aerodinámico que podrían crear momentos de balanceo/inclinación, arrastre, etc. Sin embargo, las alas se limitan a tener una longitud "d" de cordón menor que el diámetro del vehículo en una longitud de tramo "1" menor que la longitud del fuselaje para retraerse completamente dentro del marco del fuselaje para su almacenamiento.

Al aumentar la demanda de los clientes en cuanto al rendimiento de estos tipos de vehículos de aire y restringirse más las limitaciones de ajuste, las limitaciones de las longitudes del cordón y envergadura proveen una resistencia inadecuada (gama) y control para las misiones de vuelo deseadas. En comparación, los aviones

35 comerciales tripulados suelen tener una longitud de cuerda que multiplica por 3-4 el diámetro del fuselaje y un lapso de 2 x de la longitud del fuselaje para proporcionar una superficie de ala suficiente para dar sustentación a bajas velocidades para la maniobrabilidad y un vuelo eficaz.

Las alas inflables existen y se encuentran en uso limitado desde hace aproximadamente 40 años. Puede encontrarse un ejemplo en la Patente de los EE.UU 3633 846 A que representa el punto de partida de la presente invención. Además, las alas inflables se han propuesto para su uso en un avión de escape inflable para pilotos y UAVs de alta altitud y alta resistencia lanzados desde el espacio. Estos vehículos aéreos son lentos y no es necesario un control preciso. En vehículos HAL (de alta altitud) el ala se dobla y guarda en una caja de ala en el interior del fuselaje. Para abrirla, la toma del cajón del ala se despliega a partir del fuselaje y un depósito de gas infla

45 una estructura alrededor y conectada a el cajón del ala. La estructura se infla hasta una forma con el OML del ala. El ala inflada puede tener un cordón o evergadura de longitud mayor que la restricción de ajuste del fuselaje y una mayor superficie total. En el avión de escape inflable, se infla el avión entero.

Las alas inflables son factibles para estas aplicaciones limitadas en las que no es necesaria una alta velocidad, ni control preciso, o alto nivel de carga sobre las alas. Sin embargo, a pesar de considerables inversiones y prolongados esfuerzos, la industria no ha podido producir un ala inflable apta para su uso en vehículos como misiles lanzados por tubo o pilón, proyectiles y UAVs de uso general. El problema principal es que la tolerancia del OML que produce el inflado de una bolsa no es suficiente, normalmente no supera las 14 pulgadas (35 cm). Para vehículos de alta velocidad con altos niveles de carga sobre las alas y requisitos de funcionamiento de vuelo terminal

55 precisos, el rendimiento aerodinámico de las alas inflables no es suficiente. La industria ha intentado diferentes enfoques para mejorar la tolerancia OML incluyendo deflectores en la estructura y alas inflables segmentadas, pero ha sido en vano. Además, la estructura llena de gas no es lo suficientemente fuerte como para soportar cargas pesadas. Incluso con sus limitaciones de longitud de cordón y envergadura, las alas retráctiles de aluminio siguen siendo la única solución viable para los vehículos de aire con limitaciones de ajuste que se usan habitualmente para misiles y municiones.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

El siguiente es un resumen de la invención para proporcionar una comprensión básica de algunos aspectos 65 de la invención. Este resumen no pretende identificar elementos claves ni presentar algunos conceptos de la invención o para delimitar el alcance de la misma. Su único propósito es presentar algunos conceptos de la

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invención en forma simplificada como introducción de la descripción más detallada y las reivindicaciones definitorias que se presentan más adelante.

La presente invención proporciona una mejora en las alas inflables que mejora la tolerancia de la OML y refuerzan el ala por lo menos en las zonas de alto nivel de carga. Este enfoque proporciona a los vehículos de aire con restricciones de ajuste alas con un aumento de la superficie para mejorar la resistencia de vuelo o el control aerodinámico.

Esto se logra con una caja de ala que tiene una forma y línea de molde exterior (OML) para formar una primera porción del ala que se extiende desde un encastre del ala unido a la estructura del fuselaje a lo largo de por lo menos una porción de la envergadura y extensión de popa a lo largo de por lo menos parte de la longitud del cordón del ala. Normalmente, el cajón del ala se almacena dentro del fuselaje y se despliega en el lanzamiento. Una estructura con forma y una línea de molde externo (OML) de por lo menos una segunda porción de la ala se une al cajón del ala. Se fija un conjunto de placas está fijada a las ubicaciones correspondientes en la estructura.

La estructura y placas se pliegan y almacenan en un volumen limitado con el cajón del ala. Un mecanismo de inflado está configurado para desplegar e inflar la estructura para formar la segunda porción del ala y así montar las placas rígidas para reforzar una parte auxiliar del ala. La sub-porción reforzada podría limitarse a solo las zonas de alto nivel de carga del ala, como las superficies superior e inferior a lo largo del borde de ataque o de fuga de la porción inflada del ala. Alternativamente, la sub-porción reforzada podría abarcar la porción inflada completa. La tolerancia de la OML en al menos las zonas de alto nivel de carga carga ahora está determinada por las placas rígidas y no por la estructura. El mecanismo podría inflar el ala con espuma de polímero para formar una porción sólida de ala. La porción inflada y reforzada del ala puede aumentar la longitud de cordón o extender la envergadura del ala. El ala desplegada tiene una superficie mayor que la superficie del cajón del ala, generalmente por lo menos 2 x y una tolerancia OML en las áreas de alto nivel de carga del ala que es suficiente para satisfacer los requisitos de control o resistencia del vehículo de vuelo.

En una de las representaciones, el cajón del ala forma el borde de ataque del ala. La estructura y partes móviles están infladas a popa del cajón del ala, lo que aumenta la longitud de cuerda y refuerza el borde de fuga. La se infla adecuadamente con espuma de polímero que forma un ala sólida reforzada lo largo del borde de fuga.

En una de las representaciones, el cajón del ala forma el borde de ataque del ala. La estructura y partes móviles se inflan a inflados proa y a popa del cajón del ala aumentando la longitud de cordón y reforzando por lo menos el borde de fuga y posiblemente tanto el borde de ataque como el de fuga. La estructura se infla adecuadamente con espuma de polímero que forma un ala sólida reforzada a lo largo del borde de fuga.

En una de las representaciones, el cajón del ala forma una porción interior incluyendo los bordes de ataque y de fuga del ala. Una estructura dentro de la caja del se pliega para formar un área central extendida del ala. El ala y las partes móviles se inflan hacia delante y hacia atrás de la estructura plegada, aumentando así la envergadura y reforzando por lo menos el borde de fuga y posiblemente tanto el el borde de fuga como el de ataque. El ala se infla adecuadamente con espuma de polímero que forma un ala sólida reforzada lo largo del borde de fuga. La estructura de pliegue podría haberse extendido por completo y a continuación inflar el ala porciones del ala podrían extraírse secuencialmente al extenderse la estructura.

Estas y otras características y ventajas de la invención serán claras para los expertos en estas técnicas a partir de la siguiente descripción detallada de las representaciones preferidas, junto con los dibujos adjuntos, en los que:

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Las FIGs. 1a y 1b, como se ha descrito anteriormente, muestran una configuración típica para alas de aluminio mecanizadas que se despliegan en el lanzamiento; Las FIGs. 2a a 2c son vistas de un ala inflable reforzada de acuerdo con la presente invención; Las FIGs. 3a a 3e son diferentes vistas de una representación que representan el despliegue de un ala inflable reforzada de popa para aumentar la longitud de cordón de acuerdo con la presente invención; Las FIGs. 4a a 4e son varias vistas de otra representación, que muestran el despliegue de un ala inflable reforzada hacia delante y atrás para aumentar la longitud de cordón de acuerdo con la presente invención; Las FIGs. 5a a 5e son diferentes vistas de una representción que muestran el despliegue de un ala inflable reforzada longitudinal para aumentar la longitud del cordón de acuerdo con la presente invención; y Las FIGs. 6a y 6b son diferentes vistas de una representación que muestran el despliegue de un ala inflable reforzada para aumentar la longitud del cordón de acuerdo con la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

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La presente invención proporciona una mejora en el ala inflable que mejora el nivel de tolerancia de la OML y refuerza el ala en por lo menos las zonas de alto nivel de carga. Este enfoque proporciona a los vehículos de aire vehículos con ajuste limitado alas con una mayor superficie para mejorar la resistencia de vuelo o el control aerodinámico.

Como se muestra en las figuras desde la 2a hasta la 2c, un conjunto de ala 18 incluye una caja de ala 20 que tiene una forma y línea de molde exterior (OML) 22 para formar una primera porción 24 del ala 26 que se extiende desde una raíz del ala 28 conectada al fuselaje a lo largo de por lo menos una porción de la envergadura "l" y extendiéndose a popa a lo largo de por lo menos parte de la longitud de cordón "d". Normalmente, el cajón del ala se almacena dentro del fuselaje y se despliega en el lanzamiento. Alternativamente, el cajón del ala puede ser un "talón" de ala fijado. El cajón del ala está convenientemente formada de un metal sólido como aluminio mecanizado

o un material compuesto. Para soportar las cargas colocadas en el ala durante el vuelo es necesario que una porción del ala esté formada de un material rígido que esté anclado al fuselaje en la raíz del ala.

Una piel 30 que tiene una forma y OML 32 (cuando está inflado) de al menos una segunda parte 34 del ala está unida a el cajón del ala. Precisamente dónde y cómo la estructura se une a el cajón del ala depende de qué parte del ala está formada por la estructura y cómo se despliega la estructura. La estructura está hecha de un material flexible como una tela, elastómero, polímero con memoria de forma (SMP), compuestos SMP u otros materiales. La estructura podría definir un solo compartimiento o segmentarse en fragmentos individuales.

Un grupo de placas 40 se fija a las ubicaciones correspondientes en la piel 30. Por ejemplo, las placas pueden colocarse en los bolsillos individuales 41 formados en la piel 30. Alternativamente, las placas podrían adherirse directamente sobre la estructura. Las placas se colocan de modo que cuando se ensamblan tras el inflado de la estructura, las placas refuerzan una sub-porción 42 de la segunda parte del ala inflada. Normalmente, la subporción cubre al menos las zonas de alto nivel de carga del ala inflada incluidas las superficies superior e inferior de cualquier borde de ataque y de fuga. Alternativamente, la sub-porción reforzada podría abarcar la porción inflada completa. Las placas podrían ser planas o curvadas para ajustarse a la forma de ala deseada. Las placas podrían ser de los mismos o diferentes tamaños. La configuración exacta dependerá de qué alas se refuercen, las limitaciones del plegado de la estructura y cómo se infla la estructura.

Las placas pueden fabricarse de un material rígido como metal, material compuesto o plástico cerámico o modificado. Cada placa puede tener la forma de una porción de la superficie de sustentación correspondiente a su posición en el ala. Alternativamente, cada placa puede ser plana en cuyo caso el ala inflada es una aproximación lineal por trozos de la superficie deseada. Alternativamente, las placas pueden ser "bi-estables". En un estado almacenado, las placas son planas para un almacenamiento más eficaz. En un estado desplegado, cada placa asume la forma de su porción correspondiente de la superficie de sustentación. Una placa bi-estable podría formarse, por ejemplo, usando una aleación con memoria de forma (SMA) o una estructura de metal y polímeros multicapa en la que la capa de polímero se modela convenientemente para proporcionar las propiedades anisotropías necesarias para crear los dos estados. En el despliegue, la placa se calienta (por ejemplo, calefacción resistente) hasta un umbral de temperatura a la que la estructura de SMA o metal/polímero cambia su estado para asumir la forma de la porción de la superficie de sustentación correspondiente a su posición en el ala.

La piel 30 y las placas 40 se pliegan y almacenan en un volumen limitado en el cajón del ala. Dependiendo de la configuración, se puede almacenar por encima o por debajo del cajón del ala o dentro del cajón del ala.

Un mecanismo de inflado 50 como un depósito de espuma a presión colocado dentro del cajón del ala está configurado para desplegar e inflar la piel 30 para formar la segunda porción del ala y así montar las placas rígidas 40 para reforzar la sub-porción del ala. La tolerancia de la OML 23 en al menos las zonas de alto nivel de carga ahora se ve determinada por las placas rígidas 40 y no por la piel 30. El mecanismo puede inflar el ala con espuma de polímero para formar una porción sólida del ala. La espuma cura, se endurece, se fija o se solidifica de otra manera para formar la porción sólida del ala. La espuma se puede inyectar previamente curada (pre reticulada). La combinación del cajón del ala con la estructura inflada que se había reforzado con espuma de polímero y placas rígidas proporciona unas alas estructuralmente capaces de soportar condiciones de vuelo rigurosas. La porción inflada y reforzada del ala podría aumentar la longitud del cordón "d" como se muestra en la figura 2b o extender la envergadura del ala. Las alas desplegadas tienen una superficie mayor que la superficie del cajón del ala, generalmente por lo menos 2 x y una tolerancia OML en las zonas de alto nivel de carga del ala suficiente para satisfacer los requisitos de control o resistencia del vehículo del vuelo.

Hay muchas configuraciones posibles de la caja de ala, la estructura, las placas de refuerzo y mecanismos de despliegue dependiendo del tamaño de la estructura del aire, velocidad, forma del ala y 30 requisitos de la misión (ejemplo: resistencia/control de la precisión). Sin perder el carácter general, se ilustran y describen cuatro representaciones a modo de ejemplo. Las dos primeras representaciones aumentan la longitud del cordón del ala mientras que las dos últimas representaciones extienden la envergadura del ala. Los dibujos son representaciones simplificadas de un fuselaje y estructura de ala para ilustrar la invención y no son necesariamente completos. El diseño del cajón del ala de metal mecanizado o material compuesto para formar parte de un ala es una modificación

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de un ala convencional retráctil. Además, el mecanismo de despliegue, un motor "M", para desplegar el cajón del ala es el mismo que se utiliza para desplegar un ala.

Como se ilustra en la figuras 3a-3e, un vehículo de aire 100 incluye un par de alas ensambla 102 y un mecanismo de despliegue 104 como un motor "M" almacenado en un fuselaje 106. Solo se representa uno de los ensamblajes de ala 102. Los ensamblajes del ala pueden almacenarse unos al lado de los otros o apilados. Cada ensamblaje de ala 102 incluye una caja de ala 108 que cuando se despliega forma una primera porción 110 del ala, incluyendo el borde de ataque 112 que se extiende desde la raíz del ala 114. El cajón del ala puede tener de forma adecuada la longitud de cordón máxima "d" y dimensiones de envergadura "l" soportadas por un fuselaje concreto. En otras palabras, la primera porción del ala es tan grande como un ala convencional retraíble. Cada ensamblaje de ala 102 también incluye una estructura 116 unida en popa a la caja del ala que cuando se despliega forma una segunda porción 118 del ala incluido el borde de fuga 120 que se extiende desde la raíz del ala 114. Las placas 122 unidas a la estructura refuerzan por lo menos una sub-porción incluyendo el borde de salida 120 (en esta representación de la segunda parte completa). Un depósito de espuma 124 inyecta espuma de polímero 126 bajo presión a la estructura 116 provocando que se expanda (véase la Figura 3c) a su forma y OML y el ensamblaje de las placas 122. La espuma se solidifica rápidamente para formar una sólida segunda parte 118 del ala (véase la Figura 3d). El ala inflable reforzada aumenta la longitud del cordón del ala retráctil convencional (por ejemplo, cajón del ala), normalmente por un factor de al menos 2 x.

Como se ilustra en las Figuras 4a-4e, un vehículo aéreo 200 incluye un par de conjuntos de ala 202 y un mecanismo 204 de despliegue tal como un motor "M" almacenado en un fuselaje 206. Solo se representa uno de los conjuntos de ala 202. Los conjuntos de ala se podrían almacenar unos junto a los otros o apilados. Cada conjunto de ala 202 incluye una caja de ala 208 que cuando se despliega forma una primera porción 210 del ala que incluye una región central 212 que se extiende desde la raíz del ala 214. La caja de ala puede tener adecuadamente la longitud máxima del cordón "d" y la dimensión de la envergadura "I" apoyados por fuselaje concreto. En otras palabras, la primera porción del ala es tan grande como un ala retráctil convencional. Cada conjunto de ala 202 también incluye una estructura 216 unida a proa y popa del cajón del ala que cuando se despliega forma una segunda porción 218 del ala incluyendo tanto el borde de ataque 219 como el borde de fuga 220 que se extiende desde la raíz del ala

214. Las placas 222 fiajadas a la estructura refuerzan por lo menos una sub-porción incluyendo el borde de ataque 219 y el borde de fuga 219 (en esta representación, la segunda parte entera). Un bote de espuma 224 inyecta espuma de polímero 226 bajo presión a la estructura 216 hacia delante y atrás provocando que se expanda (véase la figura 4c) a su forma y OML y el ensamblaje de las placas 222. La espuma se solidifica rápidamente para formar una segunda porción sólida 218 del ala (véase la Figura 4d). El ala inflable reforzada aumenta la longitud del cordón del ala retráctil convencional (por ejemplo, el cajón del ala), normalmente por un factor de al menos 2 x.

Como se ilustra en las figuras 5a-5e, un vehículo de aire 300 incluye un par de ensamblajes de ala 302 y un primer mecanismo de despliegue 304 como un motor "M" en un fuselaje 306. Solo se representa uno de los ensamblajes de ala 302. Los ensamblajes de ala pueden almacenarse unos junto a los otros o apilados. Cada ensamblaje del ala 302 incluye una caja del ala 308 que cuando despliega forma una primera porción interior 310 del ala, incluyendo el borde de ataque y de fuga que se extienden desde la raíz del ala 312. El cajón del ala puede adecuadamente tener una longitud máxima de cordón "d" y dimensiones de envergadura «l» soportada por un fuselaje concreto. En otras palabras, la primera porción del ala es tan grande como un ala convencional retraíble. La caja del ala 308 incluye una estructura plegable 313 y un segundo mecanismo de despliegue 314 como un motor "M" para extender la estructura telescópica. Cuando está extendida, la estructura plegable forma una región central 315 que se extiende hacia fuera desde la primera parte (véase la figura 5b).

Cada ensamblaje del ala 302 también incluye una estructura 316 conectada a la parte anterior y posterior del cajón del ala que cuando se despliega forma una segunda porción 318 del ala incluyendo tando el borde de ataque 319 como el borde de fuga 320 que se extiende desde la raíz del ala 314. Las placas 322 fjjadas a la estructura refuerzan por lo menos una sub-porción que incluye el borde de ataque 319 y el borde de fuga 320 (en esta representación, la segunda porción entera). Una vez que se ha desplegado la estructura telescópica, un bote de espuma 324 inyecta espuma de polímero 326 bajo presión a la estructura 316 hacia delante y atrás provocando que se expanda hasta alcanzar su forma y OML y que se ensamblen las placas 322. La espuma rápidamente se solidifica para formar una segunda parte sólida 318 del ala (véase la Figura 3d). El ala inflable reforzada aumenta la envergadura del ala del ala retráctil convencional (por ejemplo, cajón del ala), normalmente por un factor de al menos 2 x.

Como se ilustra en las figuras 6a y 6b, se despliega una caja del ala 400 para extenderse a lo largo a partir de un fuselaje 402 y formar una primera porción interior del ala (parecida a la que se muestra en la Figura 5b). Una estructura 404 que está dividida en varias de celdas independientes se pliega y guarda en el cajón del ala. Las placas 406 se fijan a ciertas células para reforzar superficies de alto nivel de carga. Un motor accionador 408 extiende una estructura desplegable 410 a partir del cajón del ala progresivamente al ir extrusionando un depósito de espuma (no mostrado) espuma a través de un "troquel" 414 para llenar las células secuencialmente. Las células 416 en la parte delantera y trasera de la región central se llenan y solidifican al extenderse la estructura plegable.

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Mientras que se han mostrado y descrito varias representaciones ilustrativas de la invención, numerosas variaciones y representaciones alternativas se harán evidentes para los expertos en la materia. Se contemplan dichas variaciones y representaciones alternativas y pueden hacerse sin salir del ámbito de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

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