RO135520A2 - Aeronave cu decolare şi aterizare pe verticală-vtol - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o aeronavă cu decolare şi aterizare pe verticală care foloseşte fenomene aerodinamice de amplificare a tracţiunii pentru a reduce raportul tracţiune/greutate. Aeronava conform invenţiei are un fuzelaj (2) care uneşte două sisteme (3 şi 4) ejectoare, anterior şi respectiv posterior, de tipul biplanar, dispuse la extremităţile fuzelajului (2), fiecare dintre cele două sisteme (3 şi 4) ejectoare are câte două aripi (5 şi 6) principală şi secundară care sunt suprapuse, paralele şi decalate între ele cu o anumită distanţă D, fuzelajul (2) uneşte cele două aripi (5) principale în zona lor mediană, în aşa fel încât unghiul format cu orizontala în poziţia statică al aripilor (5) principale să fie cuprins între 35° şi 80°, între aripile (5 şi 6) principale şi secundare sunt montate un număr de ventilatoare (7) intubate fixate cu ajutorul unor suporturi (8), ventilatoarele (7) dispuse de preferinţă la distanţe egale unele de altele sunt de asemenea distanţate de aripile (5 şi 6) principală şi secundară corespunzătoare, fuzelajul (2) transportă cel puţin o persoană, respectiv un pilot (12) aşezat pe o şa (13) fixată pe un planşeu (14) al fuzelajului (2), planşeul (14) este fixat în partea din spate, pe aripa (5) principală a sistemului (4) ejector posterior şi este prevăzut cu o fantă (18) care permite trecerea aerului expulzat de ventilatoarele (7) intubate dispuse în partea din spate.

Description

Aeronave cu decolare si aterizare pe verticala - VTOL

OFiCIUt D£ STAT PEN-RU INVENȚII Șl MÂfdj Cerere de brevet de invenție _Nr CI00 i

Datadenozitί

------------ ----------------------------— -- ·*

Prezenta invenție se refera la aeronave cu decolare si aterizare pe verticala - VTOL ce folosesc fenomene aerodinamice de amplificare a tracțiunii pentru 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, sau înregistrat progrese semnificative în domeniul aeronavelor cu decolare si aterizare pe verticală dar până în prezent un progres comercial semnificativ nu a fost atins.

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.

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

Este cunoscuta soluția descrisa in brevetul US10293914 al companiei Lilium GMBH. In acest caz sistemul de propulsie utilizează o multitudine de actuatoare pentru a roti diverse grupări de ventilatoare intubate ceea ce creste greutate, complica construcția si creste prețul produsului.

Este cunoscuta soluția descrisa in brevetul US9346542 pentru o aeronava individuala. Deși este o soluție simpla, prezintă dezavantajul unui raport tractiune/greutate supraunitar deoarece nu utilizează nici un dispozitiv suplimentar pentru amplificarea tracțiunii. Pe de alta parte, datorita faptului ca poziția pilotului in timpul decolării si aterizării este sprijinit pe spate si cu fata in sus, vizibilitatea este redusa si confortul pilotului este sacrificat. La aceasta soluție rotoarele nu sunt protejate fiind periculoase in cazul contactului cu obiecte din spațiul înconjurător sau cu personalul aflat la sol.

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.

Pe de alta parte exista necesitatea de a avea o configurație a unei aeronave care sa evite contactul pârtilor mobile, respectiv rotoarelor, cu mediul exterior sau cu persoane aflate la sol.

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 o aeronava utilizează, conform unui prim aspect al invenției, un fuzelaj ce unește doua sisteme ejectoare , unul anterior si altul posterior, de tipul biplanar, situate la extremitățile fuzelajului. Fiecare sistem ejector utilizează doua aripi, una principala si alta secundara care sunt suprapuse, paralele si decalate intre ele cu o anumita distanta. Fuzelajul unește cele doua aripi principale in zona lor mediana, in asa fel incit unghiul format cu orizontala in poziția statica al acestora sa fie cuprins de preferința intre 35^ si 80^. Potrivit unui alt aspect intre fiecare aripa principala si fiecare aripa secundara sunt fixate pe aripa principala un număr de ventilatoare intubate, situate de preferința la distante egale unele de altele. Fiecare ventilator intubat conține un motor electric ce actioneaza un rotor, care poate avea pas fix sau variabil. Fiecare motor electric este fixat in interiorul unui tub. Distanta dintre doua ventilatoare intubate vecine si distanta dintre ventilatoarele intubate si aripa principala, respectiv aripa secundara este astfel aleasa incit in funcționare sa se creeze un efect Venturi de suctiune care sa mareasca fluxul de aer ce traversează sistemul ejector, ceea ce constituie o prima treapta de amplificare a tracțiunii.

In conformitate cu următorul aspect al invenției, in funcționare, ventilatoarele intubate creeaza o depresiune importanta pe extradosul fiecărei aripi secundare si o presiune importanta pe intradosul aripii principale, crescind sustentatia inclusiv in condiții statice, respectiv la decolare si aterizare, ceea ce creeaza o a doua treapta de amplificare a tracțiunii.

In conformitate cu următorul aspect al invenției pe fuzelaj este fixat in zona mediana cel puțin un scaun pentru cel puțin un pasager sau pilot.

In conformitate cu următorul aspect al invenției fuzelajul se constituie intr-un compartiment funcțional ce poate conține si un spațiu de depozitare.

In conformitate cu următorul aspect al invenției sistemul ejector anterior si cel posterior sunt unite prin intermediul a doua lonjeroane. Intre cele doua lonjeroane, in zona centrului de greutate, este fixat un compartiment funcțional aerodinamic ce poate conține si un spațiu de depozitare.

In conformitate cu alt aspect al invenției fuzelajul prezintă fixat in părțile laterale doua flotoare si in acest caz aeronava este amfibie.

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 rotorelor ventilatoarelor intubate situate la partea din spate fata de rotoarele situate la partea din fata, ceea ce produce modificarea unghiului de tangaj al aeronavei.

Sistemul de propulsie biplanar prezintă un randament ridicat deoarece utilizează efectul Venturi si crearea unor diferente de presiuni pe aripi pentru a produce sustentatia chiar si in condiții statice. In consecința 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. Aeronavele conform invenției pot sa decoleze si sa aterizeze pe diverse suprafețe, inclusiv de pe apa si pot sa zboare in apropierea solului sau apei, mărind randamentul propulsiei prin efect de sol. Avind o proiecție pe sol redusa aceste aeronave sunt bine adaptate pentru utilizarea in spatii restrinse, caracteristice de exemplu mediului urban. Aeronavele, conform invenției, prezintă un nivel de redundanta ridicat si au un grad redus de periculozitate, rotoarele fiind protejate.

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

Fig. 1, o vedere izometrica a unei aeronave individuale, cu decolare si aterizare pe verticala, avind doua sisteme ejectoare, in poziția de zbor vertical;

Fig. 2, o secțiune longitudinala prin aeronava de la figura 1;

Fig. 3, o reprezentare a secvențelor succesive de zbor ale aeronavei de la figura 1;

Fig. 4, o vedere izometrica a unei aeronave amfibii;

Fig. 5, o vedere izometrica a unei aeronave tip drona cu cadru;

Fig. 6, o vedere izometrica a dronei de la figura 5 in poziția de zbor orizontal;

Fig. 7, o vedere izometrica a unei aeronave tip drona cu compartiment aerodinamic in poziția de zbor vertical;

Fig. 8, o vedere izometrica a dronei de la figura 7 in poziția de zbor orizontal.

Intr-o prima varianta de realizare o aeronava 1 cu decolare si aterizare pe verticala utilizează un fuzelaj 2 ce unește doua sisteme ejectoare, unul anterior 3 si altul posterior 4, de tipul biplanar, situate la extremitățile fuzelajului 2 ca in figurile 1, 2 si 3. Fiecare sistem ejector 3 sau 4 utilizează doua aripi, una principala 5 si alta secundara 6 care sunt suprapuse, paralele si decalate intre ele cu o anumita distanta D. Fuzelajul 2 unește cele doua aripi principale 5 in zona lor mediana, in asa fel incit unghiul format cu orizontala in poziția statica al aripilor principale 5 sa fie cuprins de preferința intre 35⁹ si 805. intre fiecare aripa principala 5 si fiecare aripa secundara 6 sunt montate un număr de ventilatoare intubate 7, fixate cu ajutorul unor suporți 8. Ventilatoarele intubate 7 situate de preferința la distante egale unele de altele sunt de asemenea distanțate de aripa principala 5 si de aripa secundara 6 corespunzătoare. Fiecare ventilator intubat 7 conține un motor electric 9 ce actioneaza un rotor 10, care poate avea pas fix sau variabil. Fiecare motor electric 9 este fixat in interiorul unui tub 11. Fuzelajul 2 poate transporta cel puțin o persoana, respectiv un pilot 12 așezat pe o șa 13 fixata pe un planseu 14 al fuzelajul 2. Șaua 13 are un limitator posterior 15 si un limitator anterior 16 care mențin in siguranța pilotul 12 atunci cind aeronava 1 executa diverse manevre. In plus o centura de siguranța 17 este fixata pe fuzelajul 2 si înconjoară corpul pilotului 1 in timpul zborului. Fuzelajul 2 are o forma conica sau piramidala, aerodinamica, care se micșorează spre partea din fata. Planseul 14 se fixeaza la partea din spate pe aripa principala 5 a sistemului ejector 4, posterior. Planseul 14 prezintă o fanta 18 care permite trecerea aerului expulzat de ventilatoarele intubate 7 situate la partea din spate. Pilotul 12 are montata in spate o parașuta 19, ce poate fi de tipul balistic, utilizabila in caz de urgenta. Pilotul 12 este aparat de fluxul frontal de aer de un parbriz 20 montat la partea superioara a fuzelajului 2. Fiecare aripa principala 5 este unita cu aripa secundara 6 corespunzătoare prin intermediul unor limitatoare de jet 21 care au rolul de a împiedica imprastierea jetului de aer produs de ventilatoarele intubate 7 in lateral. Limitatoarele de jet 21 pot sa servească suplimentar ca sprijin la aterizare pentru aeronava 1. Distanta dintre doua ventilatoare intubate 7 vecine si distanta dintre ventilatoarele intubate 7 si aripa principala 5, respectiv aripa secundara 6 este astfel aleasa incit in funcționare sa se creeze un efect Venturi de suctiune care sa mareasca fluxul de aer ce traversează sistemul ejector, ceea ce constituie o prima treapta de amplificare a tracțiunii. In funcționare, la decolare/ aterizare, atunci cind motoarele electrice 9 sunt acționate, ventilatoarele intubate 7 produc o depresiune importanta pe extradosul aripii secundare 6 si o presiune crescută pe intradosul aripii principale 5 ceea ce corespunde poziției la a aeronavei 1 din figura 3. In acest fel se realizează o a doua treapta de amplificare a tracțiunii. Trecerea de la zborul vertical la zborul orizontal se realizează treptat pe perioada tranziției prin creșterea vitezei de rotatie a ventilatoarelor intubate 7 situate in spate fata de ventilatoarele intubate 7 situate in fata, ceea ce produce modificarea unghiului de tangaj al aeronavei 1 si corespunde poziției lb a aeronavei 1 din figura 3. Ventilatoarele intubate 7 sunt accelerate suplimentar pina cind aripile principale 5 si cele secundare 6 ajung la un unghi de atac optim si aeronava 1 atinge viteza de croaziera pe orizontala. In acest caz sustentatia este preluata in principal de aripile principale 5 si cele secundare 6 ceea ce corespunde unei poziții lc a aeronavei 1 din figura 3. Poziția pilotului 12 la decolare/aterizare este cu torsul considerat in mod substanțial pe verticala. Poziția pilotului 12 in zborul orizontal este cu torsul înclinat spre in fata. Aeronava 1 poate zbura in apropierea solului sau apei utilizind efectul de sol si in acest caz randamentul utilizării este maxim.

Intr-o alta varianta o aeronava 25 cu decolare si aterizare pe verticala derivata din cea anterioara este de tipul amfibie ca in figura 4. In acest caz pe fuzelajul 2 sunt fixate simetric pe părțile laterale doua flotoare 26 situate in partea la inferioara. Flotoarele 26 prezintă o forma aerodinamica alungită.

Intr-o alta varianta constructiva o drona 30, cu decolare si aterizare pe verticala prezintă un corp central 31 ce face legătură intre doua sisteme ejector 32 si 33 unul anterior si altul posterior, ca in figurile 5 si 6. Corpul central 31 are o forma ce poate fi considerata in mod substanțial paralelipipedica. Corpul central 31 conține un cadru 34 de rezistenta sub forma unei grinzi cu zăbrele si un număr de panouri 35, 36 si 37 care închid corpul central 31. Sistemul ejector 32, anterior, conține doua subsisteme 38 simetric dispuse pe o aripa principala 39. Fiecare subsistem 38 utilizează aripa principala 39 pe care este fxata la capat o aripa secundara 40. Pe aripa principala 39 sunt fixate un număr de ventilatoare intubate 41 prin intermediul unor suporți 42. In mod similar, sistemul ejector 33, posterior, conține doua subsisteme 38 simetric dispuse pe aripa principala 39. Fiecare subsistem 38 utilizează aripa principala 39 pe care este fxata la capat aripa secundara 40. Pe aripa principala 39 sunt fixate un număr de ventilatoare intubate 41 prin intermediul suportilor 42. Toate ventilatoarele intubate 41 sunt fixate intre aripa principala 39 si aripa secundara 40 corespunzătoare la egala distanta intre ele si astfel incit in funcționare sa dezvolte un effect Venturi de amplificare a debitului de aer. Corpul central 31 este fixat intre cele doua aripi principale 39 in zona lor mediana si poate conține instalațiile auxiliare ale dronei 30, precum si un spațiu de depozitare pentru sarcina utila. Fiecare aripa principala 39 are fixate la capete niște placi de sprijin 43, perpendiculare pe aripa principala 39 care servesc ca tren de aterizare. Funcționarea dronei 30 este similara cu cea a aeronavei de la exemplul anterior.

Intr-o alta varianta constructiva o drona 50, cu decolare si aterizare pe verticala, derivata din cea prezentata anterior, prezintă fixate intre cele doua sisteme ejector 32 si 33 doua lonjeroane 51 montate in zona mediana a celor doua aripi principale 39 ca in figurile 7 si 8. intre cele doua lonjeroane 5, respective in partea lor mediana este fixat un fuzelaj 52, ce are un profil aerodinamic. Profilul aerodinamic al fuzelajului 52 este considerat in mod substanțial paralel cu cel al aripilor principale 39, poziționat pentru a expune o secțiune minima pe perioada zborului orizontal. Fuzelajul 52 poate conține instalațiile auxiliare ale dronei 50, precum si un spațiu de depozitare pentru sarcina utila. Funcționarea dronei 50 este similara cu cea a aeronavelor de la exemplele anterioare.

Aeronavele descrise mai sus pot fi alimentate de la un pachet de baterii electrice sau de la o unitate de putere hibrida.

In toate cazurile prezentate, pentru un control mai precis al aeronavei, aripile pot sa conțină flapsuri si/sau eleroane comandate de mecanisme convenționale.

Claims (6)

1. Revendicări

   1. Vehicul aerian cu decolare si aterizare pe verticala sau cu efect de sol, care utilizeza același sistem de propulsie in toate fazele de zbor caracterizat prin aceea ca o aeronava (1) cu decolare si aterizare pe verticala utilizează un fuzelaj (2) ce unește doua sisteme ejectoare, unul anterior (3) si altul posterior (4), de tipul biplanar, situate la extremitățile fuzelajului (2), si fiecare sistem ejector (3) sau (4) utilizează doua aripi, una principala (5) si alta secundara (6) care sunt suprapuse, paralele si decalate intre ele cu o anumita distanta D, si fuzelajul (2) unește cele doua aripi principale (5) in zona lor mediana, in asa fel incit unghiul format cu orizontala in poziția statica al aripilor principale (5) sa fie cuprins de preferința intre 35⁵ si 80⁵, si intre fiecare aripa principala (5) si fiecare aripa secundara (6) sunt montate un număr de ventilatoare intubate (7), fixate cu ajutorul unor suporți (8), si ventilatoarele intubate (7) sunt distanțate de aripa principala (5) si de aripa secundara (6) corespunzătoare, si fiecare ventilator intubat (7) conține un motor electric (9) ce actioneaza un rotor (10), care are pas variabil, si fiecare motor electric (9) este fixat in interiorul unui tub (11), si fiecare aripa principala (5) este unita cu aripa secundara (6) corespunzătoare prin intermediul unor limitatoare de jet (21) care au rolul de a împiedica imprastierea jetului de aer produs de ventilatoarele intubate (7) in lateral, si limitatoarele de jet (21) servesc ca sprijin la aterizare pentru aeronava (1), si distanta dintre doua ventilatoare intubate (7) vecine si distanta dintre ventilatoarele intubate (7) si aripa principala (5), respectiv aripa secundara (6) este astfel aleasa incit in funcționare sa se creeze un efect Venturi de suctiune care sa mareasca fluxul de aer ce traversează fiecare sistemul ejector (3) sau (4).
2. 2. Vehicul aerian ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca fuzelajul (2) poate transporta cel puțin o persoana, respectiv un pilot (12) așezat pe o șa (13) fixata pe un planseu (14) al fuzelajul (2), si șaua (13) are un limitator posterior (15) si un limitator anterior (16) care mențin in siguranța pilotul (12) atunci cind aeronava (1) executa diverse manevre, si pe fuzelajul (2) este fixata o centura de siguranța (17) ce înconjoară corpul pilotului (1) in timpul zborului, asigurindu-i o poziție stabila, si fuzelajul (2) are o forma aerodinamica, care se micșorează spre partea din fata, si planseul (14) se fixeaza la partea din spate pe aripa principala (5) a sistemului ejector (4), posterior, si planseul (14) prezintă o fanta (18) care permite trecerea aerului expulzat de ventilatoarele intubate (7) situate la partea din spate, si pilotul (12) are montata in spate o parașuta (19), ce poate fi de tipul balistic, utilizabila in caz de urgenta, si pilotul (12) este aparat de fluxul frontal de aer de un parbriz (20) montat la partea superioara a fuzelajului (2).
3. 3. Metoda de funcționare a unui vehicul aerian caracterizata prin aceea ca in funcționare, la decolare/aterizare, atunci cind motoarele electrice (9) sunt acționate, ventilatoarele intubate (7) produc o depresiune importanta pe extradosul aripii secundare (6) si o presiune crescută pe intradosul aripii principale (5) ceea ce corespunde poziției (la) a aeronavei (1), si poziția pilotului (12) la decolare/aterizare este cu torsul considerat in mod substanțial pe verticala, si trecerea de la zborul vertical la zborul orizontal se realizează treptat pe perioada tranziției prin creșterea vitezei de rotatie a ventilatoarelor intubate (7) situate in spate fata de ventilatoarele intubate (7) situate in fata, ceea ce produce modificarea unghiului de tangaj al aeronavei (1) si corespunde poziției (lb) a aeronavei (1), si ventilatoarele intubate (7) sunt accelerate suplimentar pina cind aripile principale (5) si cele secundare (6) ajung la un unghi de atac optim si aeronava (1) atinge viteza de croaziera pe orizontala, si in acest caz sustentatia este preluata in principal de aripile principale (5) si cele secundare (6) ceea ce corespunde unei poziții (lc) a aeronavei (1), si poziția pilotului (12) in zborul orizontal este cu torsul înclinat spre in fata.
4. 4. Metoda ca la revendicarea 3 caracterizata prin aceea ca aeronava (1) poate zbura in apropierea solului sau apei utilizind efectul de sol si in acest caz randamentul utilizării este maxim.
5. 5. Vehicul aerian ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca o aeronava (25) este de tipul amfibiu, si in acest caz pe fuzelajul (2) sunt fixate simetric pe părțile laterale doua flotoare (26) situate in partea la inferioara, si flotoarele (26) prezintă o forma aerodinamica alungită.
6. 6. Vehicul aerian cu decolare si aterizare pe verticala, care utilizeza același sistem de propulsie in toate fazele de zbor caracterizat prin aceea ca o drona (30), cu decolare si aterizare pe verticala prezintă un corp central (31) ce face legătură intre doua sisteme ejector (32) si (33) unul anterior si altul posterior, si corpul central (31) are o forma ce poate fi considerata in mod substanțial paralelipipedica, si corpul central (31) conține un cadru (34) de rezistenta sub forma unei grinzi cu zăbrele si un număr de panouri (35), (36) si (37) care închid corpul central (31), si sistemul ejector (32), anterior si sistemul ejector (33), posterior conțin fiecare doua subsisteme (38) simetric dispuse pe o aripa principala (39), si fiecare subsistem (38) utilizează aripa principala (39) pe care este fxata la capat o aripa secundara (40), si pe aripa principala (39) sunt fixate un număr de ventilatoare intubate (41) prin intermediul unor suporți (42), si ventilatoarele intubate (41) sunt fixate intre aripa principala (39) si aripa secundara (40) corespunzătoare la egala distanta intre ele si astfel incit in funcționare sa dezvolte un efect Venturi de amplificare a debitului de aer, si corpul central (31) este fixat intre cele doua aripi principale (39) in zona lor mediana si conține instalațiile auxiliare ale dronei (30), precum si un spațiu de depozitare pentru sarcina utila, si fiecare aripa principala (39) are fixate la capete niște placi de sprijin (43), perpendiculare pe aripa principala (39) care servesc ca tren de aterizare.

   RO 135520 Α2

   Ί. Vehicul aerian ca la revendicarea 6 caracterizat prin aceea ca o drona (50) prezintă fixate intre cele doua sisteme ejector (32) si (33) doua lonjeroane (51) montate in zona mediana a celor doua aripi principale (39), si intre cele doua lonjeroane (5), respective in partea lor mediana este fixat un fuzelaj (52), ce are un profil aerodinamic, si profilul aerodinamic al fuzelajului (52) este considerat in mod substanțial paralel cu cel al aripilor principale (39), si este poziționat pentru a expune o secțiune minima pe perioada zborului orizontal, si fuzelajul (52) conține instalațiile auxiliare ale dronei (50), precum si un spațiu de depozitare pentru sarcina utila.