SE516367C2 - Unmanned rotor propelled aircraft, controlled by rudders actuated by air flow from rotor, and provided with articulated rotor shaft - Google Patents

Description

30 516 367 2 Det finns olika typer av kända flygfarkoster, som lämpar sig för utveckling av UAV för näroperationer. En vanlig typ är rotorfarkoster, vars bemannade hu- vudmotsvarighet är helikoptern. Det finns kända UAV, som liknar helikoptrar. Å andra sidan finns det UAV, som är helt olika helikoptrar, men där man ändå åstad- kommer flygfarkostens lyftkraft med hjälp av rotorer, vilket även gäller flygfarkos- ten enligt föreliggande uppfinning. Vid utformningen av en sådan rotorfarkost är det speciellt viktigt att erhålla goda egenskaper vid hovring, dvs. när flygfarkosten håller sig stilla i lufthavet. Goda hovringsegenskaper brukar dock medföra försäm- rade högfartsegenskaper.

De flesta nu använda helikoptrar har en rotor med varierande antal rotor- blad. För att motverka rotorns vridande moment och för att styra helikoptern i gir- led, användes vanligen en stjärtrotor, som åstadkommer ett styrbart vridmoment.

Stjärtrotorn medför dock vissa nackdelar såsom en ganska stor effektförbrukning och en ganska komplicerad konstruktion hos helikoptern. Helikopterns styrning i höjd, tipp, och roll åstadkommes genom vridning av rotorbladen omkring deras längsaxel. Styrmekanismen härför utgörs av stötstänger, som vrider rotorbladen och vars positioner styrs av en s k swash-platta runt rotoraxeln. Swash-plattans läge och orientering styrs i sin tur av två spakreglage i förarkabinen. Även denna styrmekanism är ganska komplicerad och känslig för smutsinverkan speciellt hos små helikoptrar.

Tidigare känd är vidare en obemannad rotorburen flygfarkost (PCT/SE99/OO099) vilken är försedd med en drivenhet som driver en rotor direkt via en rotoraxel. Till drivenheten är vidare en lastbärare ansluten via en kardanled så att drivenheten kan vinkelförskjutas oberoende av lastbäraren. Emellertid med- för denna lösning med en kardanled mellan lastbäraren och drivenheten att flyg- farkostens tyngdpunkt blir mycket högt placerad vid laster motsvarande massan av drivenheten. Detta innebär i sin tur att start och landningsegenskaperna blir sämre än om tyngdpunkten skulle vara placerad lägre.

UPPFINNINGENS SYFTE Syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en obemannad ro- torburen flygfarkost, som har en robust konstruktion och som uppvisar mycket goda hovringsegenskaper, dvs. då farkosten är väsentligen stillastående i luftha- vet. 20 25 30 516 367 3 Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att åstadkomma en obemannad ro- torburen flygfarkost vilken uppvisar förbättrade start och Iandningsegenskaper än tidigare kända sådana flygfarkoster.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Dessa syften uppnås medelst den inledningsvis angivna flygfarkosten, som utmärks av att drivenheten är direkt förbunden med lastbäraren och att rotoraxeln, som överför effekt mellan drivenheten och rotororganet, är uppdelad i en nedre ro- toraxel och en övre rotoraxel vilka rotoraxlar är ledbart förbundna med varandra genom ett första ledorgan. Vidare är farkostens styrorgan lagrade kring den övre rotoraxeln varvid styrorgan och rotororgan utgör en första del av farkosten medan lastbärare och drivenhet utgör en andra del av farkosten. Den första och den and- ra delen är vidare ledbart förbundna med varandra genom ledorgan. Således krävs ledorgan för rotoraxeln och ledorgan mellan styrorgan och lastbära- re/drivenhet. Ledorganen är placerade så att en av varje ledorgans, mot rotoraxeln vinkelråta vridningsaxel sammanfaller vid något vridningsläge av rotoraxeln.

Härigenom uppdelas flygfarkosten i två inbördes rörliga delar, vilket medför följande fördelar: Till skillnad mot en stel förbindelse mellan de tvà farkostdelarna, som skulle kräva ett väsentligt större styrmoment för att uppnå en given grad av vridning av rotordisken, ger ledorganet enligt uppfinningen en bättre styreffektivitet.

Den medelst ledorganet upphängda lastbäraren får en naturlig vertikal ori- entering, vilket är en fördel om lasten utgörs av spaningsutrustning (kameror e dyl.), som bör verka från en stabiliserad plattform.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att anvisa en konstruktion som medger en i förhållande till känd teknik enklare och mera robust lösning av flygfar- kostens styrning, som medger att rotorbladen ej behöver vridas kring deras längd- axlar med hjälp av swash-plattor eller liknande styrarrangemang och att stjärtrotor kan undvaras för erforderligt moment i girled.

Detta ytterligare ändamål uppnås genom att flygfarkosten är försedd med inställbara roderelement, som inte är fast förbundna med drivenheten och som är anordnade att påverkas av rotororganets luftström.

Denna styrprincip innefattande roderelement är inte ny utan har visats tidi- gare. Resultaten tycks dock inte ha varit positiva, troligtvis beroende på att man 20 25 30 516 367 4 o u n o u ~ a n . . o nu inte kunnat finna lämpliga ställen på en helikopter för placeringen av roderelemen- ten. Styrningen kräver nämligen att man kan åstadkomma kraftiga moment på flygfarkosten utan användning av orimligt stora roderytor. Detta förutsätter att ro- derelementens momentarmar relativt flygfarkostens tyngdpunkt blir tillräckligt långa, vilket i sin tur kräver en helt annorlunda utformning av flygfarkostens kropp än som är vanlig hos helikoptrar.

Företrädesvis innefattar rotororganet en tvådelad rotoraxel och ett antal långsträckta rotorblad, vilka är stelt förbundna med den övre delen av rotoraxeln, så att rotorbladen är fasta eller med andra ord ovridbara omkring sina längdaxlar.

Sådana fasta rotorblad medger en enkel och robust infästning vid rotoraxeln.

Därmed erhålls ökad säkerhet mot att rotorbladen lossnar. Ett lossnat rotorblad kan åstadkomma stor skada på sin omgivning, vilket begränsar användningen av rotorfarkoster i känsliga miljöer. Skyddet mot lossnande rotorblad kan förbättras genom att rotorspetsama omsluts med en ring. Företrädesvis utformas ringen även till att axiellt utsträckas till att även täcka roderorganen.

En nackdel med fasta rotorblad hos en konventionell helikopter är att fart- och vindinducerade rotormoment överförs till helikoptern och orsakar icke önsk- värda dynamiska påkänningar. Detta ledde till att rörliga rotorblad infördes redan på de tidigaste helikoptrarna.

Lastbäraren iflygfarkosten enligt uppfinningen isoleras från inverkan av så- dana dynamiska påkänningar genom den kardanska upphängningen av lastbära- ren.

Erfarenheten har visat att hovrande helikoptrar på låg flyghöjd är känsliga för vindbyar, vilket gör det svårt att bibehålla önskad orientering och position. Or- saken till att vindbyarna påverkar helikoptern är i första hand att vindbyarna skapar krafter som verkar på rotororganet. T ex alstrar horisontella vindbyar horisontella krafter på rotororganet som vrider och även sidoförflyttar helikoptern.

Samma problem finns givetvis hos rotor-UAV och försvårar dess använd- ning för t ex spaning. Genom roderarrangemanget enligt det ovan beskrivna utfö- randet kan man reducera denna typ av vindbypåverkan. De vindbyorsakade hori- sontella krafterna angriper UAVn i rotororganets diskplan, dvs. ovanför flygfarkos- tens tyngdpunkt. Vindbyarna orsakar emellertid också horisontella krafter på ro- derelementen. Genom lämplig placering av roderelementen kan de horisontella krafterna på roderelementen fås att angripa flygfarkosten under dess tyngdpunkt, 20 25 30 v u I a ro o 516 367 s så att flygfarkosten stabiliseras. Effekten av dessa vindbyorsakade krafter kan där- för neutraliseras genom lämpligt val av placering av och storlek hos roderelemen- ten. Alternativt eller som komplement kan ett band anordnas omkring roderele- menten. Bandet kan också utnyttjas för infästning av lagringar hos roderelementen och som skydd av roderelementen.

Ett sätt att balansera momenten omkring rotoraxeln är att använda två kon- centriska men kontraroterande rotororgan. Exempel härpå finns hos sovjetiska he- likoptrar och UAV-projekten Sentinel (Kanada) och Sprite (Storbritanningen) . Så- vitt bekant användes konventionell rotorbladvridning som styrprincip i dessa ex- empel. En nackdel är att man mister den gyrostabiliserande effekten hos ett enkelt rotororgan, eftersom kontrarotationen medför motarbetande gyroverkan. Däremot adderas de bägge rotororganens vindbyorsakade krafter. För ett kontraroterande arrangemang med roderstyrning är det därför särskilt angeläget att använda den ovan beskrivna stabiliserande roderkonstruktionen.

Den praktiska utformningen av farkostens styrorgan beror bl.a. på valet av rotorsystem. Höjdstyrningen förutsätts i en utföringsform ske genom reglering av rotorvarvtalet, men genom föreliggande uppfinning åstadkommes dessutom en möjlighet till att med konstant rotorvawtal reglera lyftkraften genom att minst ett roderelement, och företrädesvis samtliga, innefattar en första roderhalva och en andra roderhalva separerbara från varandra i dess nederkant en vinkel a, där a kan anta ett värde från 0° till 180°. Denna uppdelning av varje roderelement inne- bär att varje roderelement kräver två servon för vridning av roderelementen kring två axlar. Vidare utgör detta arrangemang i kombination med en kring rodren och rotorn omslutande ring att lyftkraften kan minimeras genom att rodren tillsammans stryper luftflödet genom ringen. Antalet servon kan även minskas till två för varje roder genom att vid varje roder montera en mekanism som med ett servo samti- digt vrider båda roderhalvorna.

Varje rotorsystem alstrar ett girmoment, vars storlek beror av bl.a. rotor- van/talet. För ett kontraroterande rotorsystem kan man därför styra girmomentet genom lämplig skillnad i varvtal hos de två rotororganen. Kan man inte använda individuell varvtalstyrning är alternativet att utnyttja styrorgan med roderelement.

För ett enkelrotorsystem åstadkommes girstyrning och balanseringen av rotormo- mentet med hjälp av roderelementen, som då ställs i lämplig anfallsvinkel för att åstadkomma girmoment. 20 25 516 367 6 I u n o o a | o n Q o oo Roderelementen placeras så långt nedströms om rotordisken som det är praktiskt lämpligt för att därigenom få så långa momentarmar som möjligt. En så- dan momentarrn kan utgöras av en bom eller av någon annan stel, långsträckt struktur, som i sin ena ände har en lagring för roderelementets axel och i sin andra ände är fäst vid drivenheten. Normalt använder man två roderelement för rollstyr- ning och två för tippstyrning monterade i ett kryssarrangemang.

Vridningen av roderelementen sker med hjälp av servoanordningar. Minimi- antalet servoanordningar är två (för roll- resp. tippstyrning). Med fyra servoanord- ningar (en servoanordninq per roderelement) kan man överlagra girstyrningen en- ligt ovan. För separering av roderhalvorna krävs ytterligare ett eller två servon för varje roder.

Effekten av roderstyrningen blir olika beroende på om man använder ett kontraroterande rotorsystem eller ett enkelrotorsystem. Skillnaden beror på att en enkelrotor utgör ett gyro, vilket medför att rodermomentens styrverkan blir annor- lunda än för ett kontraroterande rotorsystem.

KORT BESKRlVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare med hjälp av utföringsex- empel med hänvisning till de bifogade ritningarna, på vilka Figur 1 schematiskt visar en sidovy av en utföringsform av en obemannad ro- tordriven flygfarkost enligt uppfinningen med monterad uppskuren ring, och Figur 2 schematiskt visar en vy från ovan av flygfarkosten enligt figur 1, och Figur 3 visar en ändvy av ett roder till en farkost enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Figur 1 visar schematiskt principkonstruktionen för en obemannad rotorbu- ren flygfarkost (UAV) enligt uppfinningen.

Flygfarkosten innefattar två huvuddelar, dels en drivenhet 5 med en lastbä- rare 7, vilken innehåller lämplig utrustning, t ex spaningskameror och bränsletank dels ett rotororgan 1, vars rotorblad är stelt fixerade i ett rotornav 3, tillsammans med ett styrorgan S. Drivenheten 5 inrymmer en drivmotor och en reduktionsväxel för rotororganets 1 rotationsdrivning. Rotororganet 1 har en rotoraxel 4, som är 516 367 7 n . u o n o - o o u oo ansluten till navet 3 och som är roterbart driven av drivmotorn i drivenheten 5. Ro- toraxeln är vidare uppdelad i en nedre rotoraxel 4a och en övre rotoraxel 4b vilka rotoraxlar 4a, 4b är Iedbart förbundna med varandra genom ett första ledorgan 91 som medger en begränsad vinkelrörelse mellan den nedre rotoraxeln 4a och den 5 övre rotoraxeln 4b.

Lastbäraren 7 är anordnad väsentligen vertikalt under drivenheten 5 och är företrädes fast ansluten till denna.

Styrorganet S, vilket är roterbart lagrat kring den övre rotoraxeln 4b, är för- sett med ett andra ledorgan 92 i form av en andra kardanled med mot varandra 10 vinkelrätta axlar A-A och B-B. Kardanleden innefattar ledtappar 11, vilka är för- bundna med drivenheten 5 och bildar axeln A-A. En kardanring 13 är anordnad på ledtapparna 11 så att den är svängbar omkring axeln A-A. Vinkelrätt mot axeln A- A skjuter en ledtapp 15 ut från kardanringen 13 på var sin sida om rotororganet 1 och bildar axeln B-B. Kring varje ledtapp 15 är lagrat ett axelhus 17, vilket är stelt 15 fixerat vid drivenheten 5 och lastbäraren 7 medelst något lämpligt icke närmare beskrivet förband.

Hela flygfarkosten bärs i viloläge upp av ett landningsställ, här i form av ett flertal, vid lastbärarens nedre ände fixerade ben 19.

Vidare visar figur 1 schematiskt det för flygfarkosten enligt uppfinningen ut- 20 nyttjade styrorganet S. Man identifierar rotororganet 1 med rotornav 3 och den därmed via rotoraxeln 4 förbundna drivenheten 5. Kring rotoraxeln 4 är ett bärar- organ 21 roterbart lagrat vilket bärarorgan kröker sig med skänklar 21' på båda si- dor om axeln ner mot drivenheten 5. Det inre avståndet mellan bärarorganets skänklar är tillräckligt stort för att medge full rörelsefrihet för lastbäraren 7 och dri- .¿:.; 25 venheten 5. Vid skänklarnas 21' nedre ändar är en hållarring 23 stelt fixerad, på vilken i sin tur fyra kring hàllarringen 23 jämnt fördelade roder 25 är vridbart an- ordnade. Varje roder 25 har en i tvärsnitt avsmalnande form. Rodren 25 är i en grundinställning vertikalt orienterade med rodrens 25 tjockare partier riktade uppåt mot rotorbladen och de smalare partierna riktade nedåt. Rodren 25 är anslutna till 30 respektive roderaxlar 26, vilka är vridbara av servoorgan 27 för att ge önskade pà- verkningsmoment på drivenheten 5. Som torde framgå bland annat av figuren är rodren 25 anordnade i den nedàtriktade luftströmmen (nedsvepet) från rotororga- net 1. inom; 20 25 30 .516 367 8 . u n - a o Q - n u a u nu Figur 1 visar även att flygfarkosten i den visade utföringsformen är försedd med en ringformad kåpa R vilken skyddar dels rotororganet 1 och dels rodren 25.

Kåpan är monterad till övre rotoraxeln 4b via åtminstone två stag 211, 212 samt till rodrens yttre ändar via rodertappar 213. Stagen 211, 212 är centralt anslutna till en staglagertapp 213 vilken är vridbart lagrad och axiellt fixerad i ett staglager i ro- tornavet 3. l den visade utföringsformen är även farkosten försedd med ett andra motroterande rotororgan 111 fast anslutet till en andra övre rotoraxel 4c i sin tur ansluten till den övre rotoraxeln 4b via en reverserande kuggväxel 214 med en in- gående axel och två koncentriskt utgående axlar i ett kontraroterande rotorsystem för att eliminera gyroverkan av endast ett rotororgan. I utföringsformer med dubbla rotororgan är de övre rotoraxlarna 4b, 4c koncentriska samt staglagret beläget i det andra rotororganet 111.

Figur 2 visar att ett roderutrymme RU är bildat mellan kåpan R och hållar- ringen 23 i vilket roderutrymme rodren 25 verkar. Figuren antyder rodrens 25 möj- liga ytterlägen vid fullt roderutslag genom streckade linjer, men dessa streckade linjer skall även ses som ytterlägen för roderdelar visade i den alternativa utfö- ringsformen av roder enligt figur 3. Styrorganet S med dess bärarorgan 21 och skänklar 21' är i figur 2 dolda under rotororganet 1. Figuren visar även axeln B - B genom ledtapparna 15 vilka är monterade l kardanringen 13. För tydlighetens skull har drivenheten och axelhuset inte ritats in i figur 2.

Figur 3 visar en fördelaktig utformning av roder i samband med en flygfar- kost enligt föreliggande uppfinning. Varje roder 25 består av två roderhalvor 251, 253 vilka är ledbart lagrade kring sin ledaxel 252 varvid roderhalvorna kan vinklas från varandra så att dess spetsar vrids utåt till dess att halvorna ligger i linje, dvs. bildar vinkeln a=180° med varandra. Roderhalvorna kan dessutom, oavsett värdet på vinkeln a, tillsammans vridas gemensamt kring roderaxeln 26. Således kan rodren styra farkosten samtidigt som lyftkraften minskas när roderhalvorna separe- ras utan att rotorvarvtalet behöver ändras vilket är mycket fördelaktigt vid start och landning. l utföringsexemplen har den obemannade flygfarkosten beskrivits ha en ledförbindelse mellan drivenheten 5 och styrorganet S i form av en kardanled.

Fackmannen inser naturligtvis att vilket lämpligt ledorgan som helst kan användas för att ge den önskade allsidiga rörligheten mellan dessa komponenter, under för- utsättning att ledorganet har två frihetsgrader (roll och tipp) och att den är vridstyv, 5 16 3 6 7 f: . n n o n u n u o o oo 9 så att rodrens vridande påverkan på bärarorganet 21 överförs till drivenheten 5 och till lastbäraren 7.

Likaså kan uppfinningen modifieras på många olika sätt inom ramen för pa- tentkraven.

Claims (13)

nu n. . n n n . n. . . o - n I O I I I I I I i O II I I O I I » u o . . u n u u n » v o v v .n u. . ~ - | - n - . - o u q u , u n n . n v u n o u v I I I I . n | u n u 10 PATENTKRAV

1. Obemannad rotorburen flygfarkost, innefattande en drivenhet (5), som har en drivmotor förbunden via en rotoraxel (4) med ett rotororgan (1 ) för generering av s en väsentligen nedåtriktad iuftström, en lastbärare (7), som är anordnad under dri- venheten (5) och som är förbunden med denna, och ett, iförhàllande till lastbära- ren (7) vinkelrörligt oberoende, styrorgan (S) innefattande ett bärarorgan (21) försett med inställbara roderelement (25), som är anordnade att påverkas av rotororganets (1) genererade iuftström, för styrning av farkostens rörelse, 10 kännetecknad av att rotoraxeln (4) innefattar en nedre rotoraxel (4a) och en övre rotoraxel (4b) vilka rotoraxlar (4a, 4b) är ledbart förbundna med varandra genom ett första ledorgan (91) som medger en begränsad vinkelrörelse mellan den nedre rotoraxeln (4a) och den övre rotoraxeln (4b). 15

2. Flygfarkost enligt kravet 1, kännetecknad av att styrorganet (S) är roterbart lagrat kring den övre rotoraxeln (4b).

3. Flygfarkost enligt kravet 2, kännetecknad av att det första ledorganet (91) utgörs av en första kardanled. 20

4. Flygfarkost enligt något av kraven 2-3, kännetecknad av att ett andra ledorgan (92) är fast förbundet med bärarorganet (21 ).

5. Flygfarkost enligt kravet 4, kännetecknad av att det andra ledorganet (92) - ; 25 utgörs av en andra kardanled.

6. Flygfarkost enligt något av kraven 4-5, kännetecknad av att drivenheten (5) är ansluten till det andra ledorganet (92) för oberoende vinkelrörelse i förhållande till bärarorganet (21). 30

7. Flygfarkost enligt något av kraven 4-6, kännetecknad av att en vridningsaxel i det andra ledorganet (92) sammanfaller med en vridningsaxel i det första ledorganet (91 ) vid något annat vinkelläge mellan rotoraxlarna (4a, 4b) än parallella axlar. 516 367 11 nou- ø a n « u v a n u oo

8. Flygfarkost enligt något av kraven 1-7, kännetecknad av att servoorgan (27) är anordnade för reglering av roderelementens (25) anfallsvinkel. 5

9. Flygfarkost enligt något av kraven 1-8, kännetecknad av att minst ett roderelement (25) innefattar en första roderhalva (251) och en andra roderhalva (253) separerbara från varandra i dess nederkant en vinkel a, där a kan anta ett värde från 0° till 180°.

10. 10. Flygfarkost enligt kravet 9, kännetecknad av att servoorgan (27) är anordnade dels för reglering av rodrens (25) anfallsvinkel och dels för reglering av roderhalvornas (251, 253) vinkel i förhållande till varandra.

11. Flygfarkost enligt något av kraven 1-10, kännetecknad av att både 15 rotororganet (1 ) och rodren (25) är omslutna av en ringformad kåpa (R) vilken är ansluten till bärarorganet (21 ).

12. Flygfarkost enligt kravet 11, kännetecknad av att rodren (25) är utformade så att 20-60 % av den axiellt projicerade arean mellan en till bärarorganet (21) 20 ansluten hàllarring (23) och kåpan (R) sammanfaller med roderhalvornas (251, 253) axiellt projicerade area när roderhalvorna är vinklade 180°.

13. Flygfarkost enligt något av kraven 1-12, kännetecknad av att ett motroterande andra rotororgan (111) är anordnat att verka i ett plan parallellt med w-*É 25 rotororganet (1) varvid det andra rotororganet drivs med drivenhetens (5), drivmotor via en koncentriskt med den övre rotoraxeln (4b) anordnad andra övre rotoraxel (4c) vilka övre rotoraxlar (4b, 4c) är anslutna till varandra via en reverserande kuggväxel (214) och till den nedre rotoraxeln (4a) via det första ledorganet (91). 30