WO2024182866A1 - Veículo aéreo vtol em formato vetor - Google Patents

Abstract

Veículo aereo vtol do tipo vetorial, objeto desta solicitação, consiste essencialmente de uma aeronave VTOL, composto de uma fuselagem cilíndrica (1) com quatro asas fixas (2) em forma de cruz integradas a fuselagem (1), localizadas próximo da entrada de ar (5) do motor central (4). Em cada ponta de asa está instalado um propulsor (3), capaz de impulsionar e estabilizar o veículo em modo VTOL e voo vertical de baixa velocidade, por meio de um sistema preciso de controle de rotação dos seus motores elétricos (3), e possui um motor central (4) tipo turbofan, para o modo de voo cruzeiro de alta velocidade e grande autonomia.

Description

“VEÍCULO AÉREO VTOL EM FORMATO VETOR”

Campo da invenção

[001] A presente patente de invenção tem por objeto um prático e inovador veículo voador não tripulado, conhecido ARP-Aeronave Remotamente Pilotada, do tipo VTol, acrônimo do inglês para Vertical Take-Off and Landing, que significa "Decolagem e Aterragem Vertical", capaz de voar em altas velocidades, acima de 500 km/h, e ter longo alcance, pertencente ao campo veículos para transporte aéreo.

Estado da técnica

[002] A patente EUA10486808B2 dos Estados Unidos intitulada “Aeronave de decolagem vertical” prevê uma aeronave inclui uma fuselagem, uma asa, um ventilador canalizado e um controlador. A asa e o ventilador canalizado são acoplados à fuselagem. O controlador é operável para controlar a aeronave em um modo de voo vertical, um modo de voo horizontal e fazer a transição da aeronave do modo de voo vertical para o modo de voo horizontal. Essa proposta, contempla a transição dos voos do modo horizontal para o vertical.

[003] A patente EUA1 0287013B2 dos Estados Unidos contempla um veículo aéreo não tripulado (UAV) de decolagem e pouso vertical (VTOL) que inclui um sistema de controle de voo configurado para fornecer controle aviônico do UAV VTOL em modo de pairar e em modo de voo nivelado. O VANT VTOL também inclui um corpo encapsulando um motor e o sistema de controle de voo. O VANT VTOL inclui ainda um disco de rotor acoplado ao motor e configurado para fornecer empuxo vertical e controle de passo cíclico no modo pairar e para fornecer empuxo horizontal para o voo durante o modo de voo nivelado.

[004] KR101188294B1 da Coreia do Sul contempla um veículo aéreo não tripulado para guerra eletrônica que usa motor a jato deve ser fabricado a baixo custo, omitindo uma unidade de controle de voo e um sensor de imagem. O referido motor a jato inflama e dispara a partir de um recipiente. O custo para a instalação do veículo aéreo é reduzido como o recipiente usado em vez de um lançador. O veículo aéreo não tripulado voa com um propulsor montado na parte de trás de uma fuselagem, e o propulsor é separado do propulsor quando o combustível acaba. Uma asa dianteira (102), uma asa traseira (103) e uma antena (109) para transmitir e receber dados são abertas, e um comando de voo é realizado. O veículo aéreo não tripulado obtém sustentação da asa dianteira e é livremente controlado pela asa traseira e pelo empuxo vetorial.

Pontos deficientes do estado da técnica

[005] Veículos de decolagem e pouso vertical VTol como são conhecidos possuem potência relativamente elevada, gerando alto consumo, baixa velocidade e baixa autonomia em voo. Quando elétricos são de baixa velocidade e pouca autonomia de voo devido à baixa densidade de energia das baterias. Ademais, a maioria dos veículos voadores, quando em voo, possuem seu eixo longitudinal de fuselagem na posição horizontal ou paralela em relação ao solo.

[006] Uma das grandes desvantagens de veículos VTOL é que para voar horizontalmente, precisam de muita potência para se manterem no ar pois geralmente não possuem asas ou superfícies aerodinâmicas, o que implica em alto consumo de energia, o que significa dizer, consumo de bateria ou combustível, diminuindo assim seu alcance.

[007] Por outro lado, aviões de asa fixa fazem esse papel, minimizando o consumo de combustível para manter o voo horizontal, mas não decolam nem pousam verticalmente.

[008] Algumas propostas de aeronaves VTOL dotadas de asa fixa, com capacidade de voo horizontal, utilizam apenas um propulsor traseiro de baixa velocidade de escape, o que limitam a velocidade desse tipo de aeronave.

[009] Existem ainda propostas que apresentam superfícies de controle no escape da hélice para a manobrabilidade da aeronave, o que aumenta o custo e a complexidade do controle da aeronave, especialmente no modo VTOL.

Solução proposta

[010] Trata a presente invenção de uma tecnologia inovadora aplicada em drones, que possui características peculiares qual seja, como fuselagem cilíndrica contendo um conjunto de canard na parte frontal e finalizando com um conjunto de asas em cruz e um motor central, posicionado atras e possuindo sua entrada de ar a sua frente, envolvendo todo o perímetro da seção da fuselagem. Essa configuração de fuselagem, na forma cilíndrica com as quatro asas integradas a sua estrutura, otimiza os coeficientes aerodinâmicos, especialmente a sustentação. Cada asa possui um propulsor, preferencialmente elétrico, fixado em suas pontas, totalizando assim cinco propulsores, dando um aspecto inovador ao veículo.

[011] A fuselagem em forma cilíndrica possui um comportamento de posição vertical sempre que está em modo VTOL, plainando ou mesmo pousado em solo.

[012] A configuração aplicada à invenção é composta de cinco motores, sendo quatro preferencialmente elétricos em ponta de asa, para controle de voo vertical, e um central que é acionado ainda em modo VTOL e opera como susteiner, quando em voo cruzeiro ou de alta velocidade. Susteiner é o motor do veículo responsável em mantê-lo em voo contínuo durante sua trajetória. Neste modo, a aeronave é sustentada pelas asas fixas gerando grande economia de combustível. No caso, o voo cruzeiro é uma condição de voo reto nivelado e com velocidade constante que permite otimizar alcance e consumo de combustível.

[013] Os propulsores em ponta de asa, são preferencialmente do tipo elétrico, ducted fan ou hélices, que operam no modo VTOL para decolagem, aterrisagem, flutuação ou mesmo voo plano em baixa velocidade. Uma característica do propulsor central é auxiliar os propulsores na ponta das asas, quando da decolagem e pouso da aeronave, proporcionando maior equilíbrio, precisão e segurança.

[014] O voo na posição vertical, eixo central da fuselagem na vertical em relação a superfície do solo, os propulsores podem variar coletivamente ou isoladamente sua tração, através de sua rotação para mudar a velocidade de voo e os movimentos da aeronave, tais como, longitudinal, em arfagem (pitch), direcional, em guinada (yaw) e lateral, em rolamento (roll) em torno do sistema de eixo da aeronave, permitindo a decolagem e o pouso vertical, flutuação (ou planeio), bem como o voo horizontal de baixa velocidade.

[015] Os propulsores de ponta de asa são fixos e possuem controle de velocidade de rotação independente ou coletivo. Condição importante para o controle de voo, principalmente baixa velocidade. Todo o controle da aeronave no modo VTOL ou baixa velocidade, baseia-se no vetoramento desses quatro propulsores, ficando o motor central em modo constante de tração.

[016] O motor central, por sua vez, é fundamental para apoio de tração durante o VTOL, mas opera principalmente para atender ao voo cruzeiro e de alta velocidade da aeronave. Neste caso, os quatro propulsores de ponta de asas são desligados e suas ogivas fechadas com objetivo de melhorar a aerodinâmica e diminuir o arrasto no voo horizontal em altas velocidades.

[017] O controle aerodinâmico em voo cruzeiro e/ou de alta velocidade é feito pelas superfícies aerodinâmicas móveis de controle, simetricamente distribuídas nas quatro asas, similar aos modelos de misseis de cruzeiro que usam empenas em cruz. Localizadas no bordo de fugas das asas que sustentam o voo, essas superfícies aerodinâmicas de controle ajudam na estabilidade e manobra da aeronave.

[018] Trata-se, portanto, o presente invento de um veículo aéreo com características de asa fixa, e sobretudo, decolagem e pouso vertical, gerando grande autonomia mesmo em altas velocidades, podendo executar vários tipos de missões, dentre elas, monitoramento de área, levantamento aéreo fotográfico, agricultura, deliveries e busca etc.

[019] Possui tanto as características de aeronave tipo drone VTOL, de helicóptero, como de aeronave de asa fixa, que voam a longas distancias devido a sustentação das asas que minimizam a propulsão, solicitada basicamente para vencer o arrasto a uma dada velocidade. Outro grande diferencial é sua capacidade de pouso com sua fuselagem cilíndrica, na posição vertical em relação a superfície de pouso. Isso permite ocupar menos espaço do veículo no ponto de pouso, tornando um diferencial para uso, por exemplo, em fragatas e locais de pouca área de pouso e decolagem.

[020] Para o pouso suave e estabilizado, o veículo é dotado de um sistema de trem de pouso composto de hastes amortecedoras que são prolongamentos dos cones dos propulsores de ponta de asa.

[021] A presente invenção tem comportamento versátil: pode decolar e pousar em posição de fuselagem sempre na vertical, plainar, voar lento com propulsores elétricos de ponta de asas, também na vertical, ou nas mesmas condições, fazer o voo de ré. E ainda, voar normalmente na posição horizontal como uma aeronave de asa fixa, impulsionada pela tração do propulsor central, estando os motores de ponta de asas em modo desligados e suas entradas de ar fechadas. Sua fuselagem cilíndrica e quatro asas integradas a esta estrutura, otimiza os coeficientes aerodinâmicos, especialmente a sustentação.

[022] Atualmente, com o avanço da tecnologia de fabricação, melhores propulsores, baterias e melhor sistema eletrônico de controle, veículos tipo VTOL munidos de asas e propulsores em suas pontas ganham atratividade por unirem vantagens consideráveis como, capacidade de decolagem e pouso vertical, planeio, voo a ré, maior velocidade horizontal e maior autonomia de voo e menor área quando estacionados.

[023] Trata-se o invento aqui proposta de uma nova concepção de aeronave com fuselagem cilíndrica e asas integradas a sua fuselagem projetados simetricamente em forma de cruz. Os propulsores em número de cinco, estão quatro deles posicionados em cada uma das asas para controle em modo VTOL e baixa velocidade, sendo o propulsor central com maior tração para impulsionar a aeronave em modo cruzeiro. Este último, preferencialmente do tipo turbofan, porém, de acordo com seu uso, ele pode ser elétrico, EDF (Eletric Ducted Fan) e possuí uma inovadora forma de captação do ar através de uma entrada de ar anelar, posicionada na parte inferior da fuselagem.

[024] Nessa configuração aerodinâmica, além das asas contribuírem para o aumento da sustentação com o mínimo de arrasto, permitindo-lhe altas velocidades com economia de combustível e autonomia de voo, apresentando vantagens do que veículos aéreos tradicionais de sua categoria.

[025] Ao atingir uma altura e velocidade predeterminada de voo, o eixo da fuselagem inclina-se para a frente, assumindo uma condição horizontal, então os rotores de ponta de asa são desligados e suas ogivas fechadas, ficando apenas o motor central ativado em modo propulsivo. Em tal condição, os propulsores de ponta de asa são desligados, a aeronave pode voar em alta velocidade e alcançando maiores distâncias, pois requer menor empuxo usando apenas o propulsor central. Nesta condição, a sustentação aliada ao baixo arrasto minimizam esforços do propulsor.

Breve descrição dos desenhos da disposição

[026] A complementar a presente descrição de modo a obter uma melhor compreensão das características do presente invento e de acordo com uma preferencial realização prática do mesmo, acompanha a descrição, em anexo, um conjunto de desenhos, onde, de maneira exemplificada, embora não limitativa, se representou o seguinte:

A FIG. 1 - Mostra a vista geral da aeronave.

A FIG. 2 - Mostra a aeronave com os cones dos propulsores na posição frontal.

A FIG. 3 - Mostra a aeronave na posição vertical, horizontal e seus movimentos.

A FIG. 4 - Mostra a aeronave em perspectiva com vista anterior.

A FIG. 5 - Mostra a aeronave em perspectiva com vista posterior.

A FIG. 6 - Mostra a asa com os propulsores e detalhes elétricos e baterias.

A FIG. 7 - Mostra vista em raio x com detalhes internos da aeronave.

A FIG. 8 - Mostra detalhe do trem de pouso constituídos de hastes dos propulsores de ponta de asa.

Descrição detalhada da invenção

[027] A patente aqui apresentada do veículo aéreo híbrido, de decolagem e pouso vertical, conhecidos como Vtol, concebido com uma fuselagem cilíndrica vertical (1) com quatro asas simétricas (2) integradas simetricamente a fuselagem (1) dispostas em formato de cruz, com seus respectivos propulsores (3), preferencialmente elétricos, posicionados na ponta de cada asa (2). Sendo as respectivas asas (2) posicionadas na parte inferior da fuselagem cilíndrica vertical (1) próximas a entrada de ar (5) do propulsor central (4) operáveis para decolar ou pousar verticalmente a aeronave.

[028] A respectivo veículo aéreo pode ainda pairar ou fazer voo em baixa velocidade na posição vertical e a partir de determinada velocidade, ela se inclina na posição horizontal para início de seu voo de alta velocidade e, pode ainda, retornar para o voo vertical para plainar ou pousar verticalmente, conforme pode ser visto esquematicamente na figura 3.

[029] Durante o voo vertical, os quatro propulsores de ponta de asa (3) são operados para manter o controle e estabilidade de voo. Quando em voo em posição horizontal, em alta velocidade, o veículo aéreo usa seu propulsor central (4).

[030] Nos voos horizontais de baixa velocidade, cada propulsor (3) de controle de VTOL colocado na extremidade de cada asas (2), pode controlar o voo através da rotação dos motores nessa condição o veículo não usa suas superfícies de controle (12), figura 6, sendo controlado e impulsionado pela rotação de cada propulsor (3) que podem desenvolver tração conjunta ou diferencial utilizando o controle de rotação dos motores para permitir manobras de arfagem, guinada e rolamento e acelerações, bem como o deslocamento vertical, conforme figura 3.

[031] A parte frontal da aeronave, figura 4 possui a frente da fuselagem no formato elipsoide (7) e a parte traseira é constituída pela nacele do motor central (8). No corpo cilíndrico da fuselagem (1), há o duto anelar (5) para entrada de ar para o motor central (4).

[032] Na figura 6 vemos o interior de cada asa (2) com a instalação do propulsor (3) e seu driver (10) para controle de rotação com sua bateria (11) e demais acessórios necessários para operação do voo da aeronave em qualquer modo de voo.

[033] Na mesma figura 6, vemos também, a superfícies de controle (12) de modo padrão instalada no bordo de fuga de cada asa (2), para melhor manobrabilidade, estabilização e controle do veículo em voos horizontais e de alta velocidade. Além disso, a presente invenção também contempla canards (23) instalados na posição frontal da fuselagem cilíndrica (1) para melhor ajuste dos parâmetros aerodinâmicos de voo.

[034] A estrutura interna de cada asa acomoda, de forma independente, um driver (13), que tem a função de comandar o motor elétrico de passo (14) de precisão do giro da respectiva superfície de controle (12), e sua respectiva bateria (18) com os demais acessórios, não referenciando nos desenhos.

[035] Na figura 7, vemos o interior da fuselagem (1) onde encontra-se o tanque de combustível (15), no caso de propulsão a jato, compartimentos para carga (21) útil, sistema de navegação (9) e acessórios suplementares. [036] A presente proposta forma um conjunto robusto e harmônico com sua fuselagem (1) em formato cilíndrico integrado a uma nacele (8) que possui o propulsor central (4) e uma entrada de ar anelar (5).

[037] A figura 8 apresenta o sistema de trem de pouso composto de hastes (19), do tipo telescópica formado pela extensão do próprio cone de cauda de cada propulsor (3) de ponta de asa (2), dotado de sistema de amortecimento (20) que permite pouso suave VTOL da aeronave.

[038] No bordo de fuga de cada asa há superfícies de controles (12) móveis, confeccionadas em material resistente e leve, tendo sua estrutura dimensionada e fabricada de forma convencional e que atenda requisitos de projeto voo.

[039] O sistema de controle de navegação principal (22) do veículo encontra-se na fuselagem central e se comunica aos propulsores (3 e 4), bem como a superfícies de controle nas asas, via fiação elétrica que circunda a asa (2) até os propulsores (3) e as superfícies de controle (12). Cada propulsor é comandado (3), de forma independente, pelo seu respectivo driver (10) a partir de uma resposta à ordem do Comando Central de Controle de Voo (22). [040] O sistema propulsive composto de cinco unidades de propulsoras, quatro propulsores posicionados em cada ponta de asa (3) e um propulsor central (4) que pode ser elétrico EDF, hélice, turbo jato ou turbofan. Para cancelar o torque produzido pela rotação desses propulsores (3) e melhor estabilidade da aeronave, um conjunto de dois propulsores opera girando em direções opostas como visto na figura 2, aos outros dois propulsores, no sentido de anular efeitos de momentos aerodinâmicos angulares evitando o giro descontrolado da aeronave. Ajustes na rotação de cada propulsor (3), comandados pela Central de Comando e Controle de Voo (22), produzem a tração simultânea ou independente necessária para o controle, o voo e as manobras em baixa velocidade.

[041] Conforme demonstrado na Figura 03, durante a decolagem e o pouso, os quatro propulsores de ponta de asa (3) se encontram na posição vertical, e todos com valor de tração definido pelo Comando Central de Controle de Voo (22), correspondendo a tração necessária para o controle e estabilidade do veículo ou mesmo para superar a gravidade na decolagem, ou ainda uma tração menor ou igual ao peso do veículo na condição necessária para pouso e planeio. Os propulsores de ponta de asa (3) podem ainda executar a manobra de reverso, ou seja, podem executar voo de ré da aeronave em posição vertical.

[042] O Comando Central de Controle de Voo (22) comanda a tração dos quatro motores (3) de ponta de asa bem como a tração do propulsor central (4). O controle de giro acionado pelos motores elétricos (3) pode ser de forma independente, o que permite o posicionamento individual, dois a dois ou simultâneos dos propulsores (3) com precisão, promovendo estabilidade e atitude, especialmente em rolamento. Ademais, o Comando Central de Controle de Voo (22) controla também a tração dos propulsores (3) de forma individual ou combinada, em conjunto de dois propulsores ou simultânea, de forma que a aeronave possa executar suas manobras e voos programados em baixa velocidade na posição vertical da fuselagem.

[043] O Comando Central de Controle de Voo (22) da aeronave é responsável por todo o comando de estabilidade, decolagem, pouso, planeio e voo, composto de sistema de navegação e controle de giros e acelero metros, é responsável por cumprir a missão e a estabilidade de voo da aeronave, ou seja, pela velocidade imprimida à aeronave, pela execução de curvas e pela estabilidade do veículo a todo instante nos três eixos de coordenadas: guinada, arfagem e rolamento. [044] Uma peculiaridade da presente invenção é o comando duplo de controle de voo. Um para voo vertical em baixa velocidade com atuação dos propulsores de ponta de asa (3) e outro para voo horizontal em velocidades acima da velocidade de stall, com uso de superfícies moveis (12) aerodinâmicas de controle posicionadas nas asas (2). Esse controle opera comandando a tração do propulsor central (4) em modo voo horizontal de alta velocidade e no controle dos quatro propulsores

(3), de forma coletiva ou individual, no voo VTOL de baixa velocidade, em posição vertical fuselagem. Dessa forma, os controles de arfagem, guinada e rolamento são fornecidos durante o voo vertical pela rotação dos motores de ponta de asa e no voo horizontal pela tração (3 e 4) e controle das superfícies aerodinâmicas de controle (12) todos comandados de forma coletiva ou independente pelo Comando Central de Controle de Voo (22).

[045] Durante o voo cruzeiro horizontal, o Comando Central de Controle de Voo (22) desliga os quatro propulsores (3) simultaneamente, e mantem o controle a partir das superfícies móveis (12) de controle e da propulsão central do veículo

(4) de forma suficiente e eficiente a superar o arrasto da aeronave, para a velocidade requerida. [046] É certo que quando o presente invento for colocado em prática, poderão ser introduzidas modificações no que se refere a certos detalhes de construção e forma, sem que isso implique afastar-se dos princípios fundamentais que estão claramente substanciados no quadro reivindicatório, ficando assim entendido que a terminologia empregada teve a finalidade de descrição e não de limitação do presente invento.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. “VEÍCULO AÉREO VTOL DO TIPO VETORIAL” cujo estado da técnica antecipa uma aeronave de decolagem e pouso vertical caracterizado por conter uma fuselagem cilíndrica (1) composta por quatro asas integradas em forma de cruz, posicionadas simetricamente no meado da fuselagem (1) contendo em cada uma das asas (2) um propulsor fixo (3) com sistema de trem de pouco na haste ( 19) formada pelo prolongamento do propulsor e um propulsor central (4), com entrada de ar anular (5) envolvendo toda a fuselagem (1) e possuir um sistema de fechamento das entradas de ar através de ogivas (24 ) em cada um dos propulsores de ponta de asa (3) que será fechada para voos no modo horizontal e de alta velocidade de forma a minimizar arrasto aerodinâmico.

2. “VEÍCULO AÉREO VTOL DO TIPO VETORIAL” cujo estado da técnica antecipa uma aeronave de decolagem e pouso vertical, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por fazer o voo de planeio em qualquer direção mantendo a fuselagem na posição vertical em relação ao solo de acordo com figura 3.

3. “VEÍCULO AÉREO VTOL DO TIPO VETORIAL” cujo estado da técnica antecipa uma aeronave de decolagem e pouso vertical, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo propulsor central (4) dar apoio na decolagem no modo VTOL, minimizando o uso das baterias ou combustível dos propulsores de ponta de asa (3).

4. “VEÍCULO AÉREO VTOL DO TIPO VETORIAL” cujo estado da técnica antecipa uma aeronave de decolagem e pouso vertical, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo propulsor central (4) ser usado como propulsor principal no voo horizontal em velocidades acima do stall na posição horizontal em relação ao solo.

5. “VEÍCULO AÉREO VTOL DO TIPO VETORIAL” cujo estado da técnica antecipa uma aeronave de decolagem e pouso vertical, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por possuir um canard (23) em sua fuselagem cilíndrica (1) para melhor ajuste de centro aerodinâmico e de gravidade.

6. “VEÍCULO AÉREO VTOL DO TIPO VETORIAL” cujo estado da técnica antecipa uma aeronave de decolagem e pouso vertical, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por possuir controle duplo de voo, um para o voo vertical controlando a rotação dos propulsores de ponta de asa (3) no modo de voo vertical e outro no modo de voo horizontal controlando as superfícies móveis (12) com o propulsor central (4).

7. “VEÍCULO AÉREO VTOL DO TIPO VETORIAL” cujo estado da técnica antecipa uma aeronave de decolagem e pouso vertical, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ter o controle de voo através de superfícies móveis (12) colocadas em cada uma das asas (2) do veículo permitindo mudar atitude em arfagem (pitch), direcional, em guinada (yaw) e lateral, em rolamento (roll) em torno do sistema de eixo da aeronave.

8. “VEÍCULO AÉREO VTOL DO TIPO VETORIAL” cujo estado da técnica antecipa uma aeronave de decolagem e pouso vertical, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo comando central (22) quando em voo horizontal, manter o controle a partir das superfícies aerodinâmicas (12) e da propulsão central do veículo (4).

9. “VEÍCULO AÉREO VTOL DO TIPO VETORIAL” cujo estado da técnica antecipa uma aeronave de decolagem e pouso vertical, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por possuir em cada uma das tubeiras dos motores de ponta de asa (3), uma extensão em forma de haste (19) dotado de sistema flexível telescópico (20) atuando como mecanismo de amortecimento do pouso.

10. “VEÍCULO AÉREO VTOL DO TIPO VETORIAL” cujo estado da técnica antecipa uma aeronave de decolagem e pouso vertical, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo dispositivo de amortecimento (20) também minimizar o arrasto da nacele do propulsor.