CAMPO TÉCNICO

Esta invención se relaciona con la industria aeronáutica ya que es un ala rotativa que proporciona elevación a una aeronave. De manera más específica a una que utiliza la autorotadón para impulsar el movimiento de las aspas y proporcionar la capacidad de despegue y aterrizaje vertical, asi como de flotar en un punto estático en el aire.

ANTECEDENTES

Las alas rotativas han sido utilizadas para proporcionar eievadón a distintos tipos de aeronaves. Dependiendo del sistema que se use las alas rotativas pueden proporcionar elevación, pero también empuje. Una de las grandes cualidades de algunos sistemas es que pueden proporcionar a una aeronave la capacidad de despegue y aterrizaje vertical, así como de flotar en un punto estático en el aire.

El principal sistema que se ha utilizado es en el cuai el rotor es impulsado mecánicamente por un motor desde el eje de rotación. Este sistema se utiliza en aeronaves conocidas como heiicópteros. Es un sistema muy complejo de entender en cuanto a física y aerodinámica pero la base de su funcionamiento se puede resumir de ia siguiente manera:

- El rotor es impulsado mecánicamente por un motor desde el eje de rotación.

- El rotor genera elevación y también empuje.

- El giro del rotor genera torque lo que hace que el sistema sea naturalmente inestable ya que la aeronave intentará girar sobre el eje de rotación, pero en la dirección opuesta a la que gira el rotor. Debido a esto es necesario contar con un sistema que contrarreste el torque, por ejemplo, un rotor de cola o el configurar la aeronave con dos rotores principales que giren en direcciones opuestas.

- El rotor cuenta con mecanismos que controlan el ángulo de incidencia individual de las aspas de manera cíclica y colectiva para aumentar o disminuir ia elevación y controlar el empuje del rotor.

- En este sistema el giro de las aspas hace que el aire fluya de arriba hacia abajo del rotor.

El sistema tiene grandes ventajas como el proporcionar a una aeronave la capacidad de despegue y aterrizaje vertical, así como de flotar en un punto estático en el aire y de moverse en cualquier dirección.

El sistema también tiene grandes desventajas como el hecho de que es un sistema naturalmente inestable por el torque generado por el giro del rotor. También es complejo por Sos mecanismos que se usan para controlar la eievadón, el empuje y para contrarrestar el torque del rotor. EI sistema es costoso de fabricar, de mantener, de operar y difícil de pilotear Existe una variante del sistema anterior que es importante mencionar. Es un sistema en el cual se utilizan múltiples rotores. Todos están impulsados por motores asi que generan torque, pero es posible contrarrestarlo al hacer que los rotores giren en direcciones opuestas. En este sistema no es necesario contar con mecanismos que controlen el ángulo de incidencia individual de las aspas, los rotores en conjunto generan y controlan tanto elevación cómo empuje al variar la velocidad del giro de los rotores de manera muy precisa.

El sistema tiene grandes ventajas como el proporcionar a una aeronave la capacidad de despegue y aterrizaje vertical, asi como de flotar en un punto estático en el aire y de moverse en cualquier dirección.

La desventaja principal de este sistema es que para poder controlar de manera muy precisa la velocidad de giro de los rotores es necesario que ios motores que los Impulsan sean eléctricos y esto hace que su tiempo de vuelo y capacidad de carga estén limitados a la capacidad de las baterías.

Existe otro sistema de ala rotativa que opera de manera diferente a los dos anteriores. Este se utiliza en un tipo de aeronave que es llamada de distintas maneras tales como giroplano, autogiro o girocóptero y la base de su funcionamiento se puede resumir de la siguiente manera:

- La diferencia fundamental de este sistema radica en que el rotor no es impulsado por un motor. El rotor gira libremente sobre el eje de rotación impulsado por un fenómeno que se llama autorotación en el que un flujo de aire que pasa a través de las aspas hace que estas giren y generen elevación.

- El rotor genera elevación, pero no empuje.

- El giro del rotor no genera torque lo que hace que el sistema sea naturalmente estable y no sea necesario contar con un sistema que contrarreste el torque.

- El rotor no cuenta con mecanismos que controlan el ángulo de incidencia Individual de las aspas.

- En este sistema el aire fluye de abajo hacia arriba del rotor.

En este sistema el flujo de aire que hace posible la autorotación se genera cuando la aeronave se desplaza de lugar por lo que la aeronave cuenta con un motor, pero este no está conectado al rotor principal, sino que se encarga únicamente de generar empuje horizontal para poder impulsar la aeronave hacia adelante. Esto se puede hacer por medio de una hélice u otro sistema de propulsión horizontal en una configuración similar a la que se usa en las aeronaves de ala fija.

Ei flujo de aire que hace posible la autorotación viene desde el frente de la aeronave y fluye de abajo hacia arriba del rotor a diferencia del sistema que utilizan los helicópteros en donde el giro de las hélices hace que el aire fluya de arriba hada abajo del rotor. Una característica interesante es que la autorotación hace que en los rotores de giroplanos las aspas aceleran su movimiento hacia adelante al recibir un flujo de aire en su parte frontal lo que significa que las aspas tienen la capacidad de acelerar su movimiento en ia dirección opuesta a la que fluye el aire que las impacta en su parte frontal. En el sistema de rotor de los giroplanos la elevación aumenta al incrementar la velocidad de giro del rotor y esto se controla incrementando el empuje horizontal, el cual aumenta el flujo de aire que pasa a través de las aspas del rotor y también al modificar el ángulo de ataque del rotor como una sola pieza. Es por esta razón que el sistema carece de la complejidad del sistema utilizado en los helicópteros ya que no se necesita un mecanismo que controle el ángulo de incidencia individual de las aspas para aumentar o disminuir la elevación. El flujo de aire se obtiene y se incrementa ai aumentar el empuje horizontal pero también una vez que la aeronave está en el aire se obtiene al perder altitud cuando disminuye o se detiene el empuje horizontal. Esto hace que este tipo de aeronaves sean muy seguras ya que una vez que están en el aire pueden descender gradualmente a tierra sin la ayuda de ningún tipo de motor, únicamente usando el flujo de aire que se genera ai perder altitud, el cual fluye a través del rotor de abajo hacia arriba y mantiene al rotor girando.

En este tipo de sistemas el rotor funciona incluso en aeronaves que no tienen motor de empuje y que únicamente al ser remolcadas por otro vehículo ya sea terrestre o acuático obtienen el flujo de aire que hace posible la autorotación.

Otra característica importante de mencionar es que la autorotación puede ser utilizada por los helicópteros al realizar un descenso de emergencia en caso de una falla de motor o de transmisión. Al perder altitud el flujo de aire se invierte, si durante el vuelo normal fluye de arriba hacia abajo en la autorotación fluye de abajo hacia arriba acelerando el giro del rotor y permitiendo un descenso controlado a tierra.

El sistema de ala rotativa que utilizan los giroplanos tiene grandes ventajas como el hecho de que es un sistema naturalmente estable ya que el giro del rotor no genera torque y por lo tanto la aeronave no necesita tener un mecanismo que lo contrarreste. También es un sistema más sencillo ya que no necesita mecanismos que cambien el ángulo de incidencia individual de ías aspas para controlar la elevación. Es un sistema muy seguro ya que el movimiento del rotor es automático e independiente del funcionamiento de un motor. Es un sistema que es menos difícil de pilotear si es comparado con el sistema que utilizan los helicópteros, también es menos costoso de fabricar, de mantener y de operar.

Este sistema también tiene desventajas ya que no puede ofrecer a una aeronave el despegue y aterrizaje vertical. Tampoco tiene ia capacidad de flotar en un punto estático en el aire a menos que ia aeronave reciba una corriente de aire en su parte frontal derivada de condiciones atmosféricas.

Es importante mencionar que se han hecho sistemas de alas rotativas que combinan características del sistema de helicópteros y de giroplanos. Esto se ha hecho para tener ventajas de ambos, por ejemplo, al configurar aeronaves con un sistema que utiliza ia autorotación para el vuelo de crucero pero que para lograr un despegue vertical conecta temporalmente el rotor a un motor e incorpora un mecanismo que varía eí ángulo de incidencia individual de ¡as aspas. Han sido diversos los métodos que combinan los dos tipos de sistemas, pero So importante es mencionar que se han hecho combinaciones en donde al incorporar los mecanismos del sistema de helicópteros se incorporan sus complicaciones y desventajas. También se han configurado aeronaves que utilizan eí sistema tradicional de los helicópteros pero que incorporan rotores adicionales de empuje horizontal para aumentar ia velocidad de crucero.

También es importante mencionar que existe un sistema de ala rotativa que presenta una diferencia importante en cuanto a diseño y funcionamiento. Es un sistema en el cual la punta de las aspas cuenta con un dispositivo de propulsión tal como un motor cohete. El dispositivo de propulsión es alimentado por combustible que se transporta a través del interior del aspa desde el eje de rotación a la punta. Una característica importante de este tipo de sistema es que al ser impulsado desde la punta de ¡as aspas el giro del rotor no genera torque por lo que no es necesario contar con un sistema que lo contrarreste.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCION

Esta invención es un ala rotativa que proporciona elevación a una aeronave y que utiliza la autorotación como base de su funcionamiento. Al igual que en un giroplano el movimiento del rotor es generado por un flujo de aire que pasa a través de las aspas, pero una gran diferencia consiste en que la obtención del flujo de aire es independiente al desplazamiento de lugar de la aeronave o a las condiciones atmosféricas. De esta manera el rotor puede ofrecer a una aeronave la capacidad de despegue y aterrizaje vertical, así como de flotar en un punto estático en el aire. Esto adicional a la capacidad de autorotar de manera estándar ai desplazar la aeronave de lugar.

A diferencia de los sistemas en donde se han combinado mecanismos de rotores de helicópteros y giroplanos en este sistema no se utilizan mecanismos del sistema de helicópteros. El rotor en ningún momento se conecta ni es impulsado mecánicamente por un motor desde eí eje de rotación de manera que el giro del rotor no genera torque. El sistema tampoco utiliza mecanismos para variar el ángulo de incidencia individual de las aspas, la elevación aumenta o disminuye ai incrementar o reducir ia velocidad de giro del rotor. Esta invención tiene las ventajas de un rotor de giroplano empezando por el hecho de que es un sistema naturalmente estable ya que el giro del rotor no genera torque. También es un sistema muy seguro y confiable ya que opera por autorotación en todo momento y no depende de la conexión mecánica a un motor. Es un sistema que carece de la necesidad de tener mecanismos complicados para controlar el ángulo de incidencia individual de las aspas ni para compensar el torque del motor Además de tener las ventajas del sistema de giroplanos puede proporcionar a una aeronave la capacidad de despegue y aterrizaje vertical, asi como de permanecer flotando en un punto estático en el aire.

Así como se menciona que el sistema no incorpora mecanismos del sistema que usan los helicópteros es importante mencionar que tampoco utiliza un sistema de propulsión en la punta de ¡as aspas para hacer girar al rotor Para entender mejor este invento podemos considerar que los sistemas que se han utilizado para impulsar un rotor y proporcionarle la capacidad de despegue y aterrizaje vertical, así como de flotar en un punto estático en el aire han impulsado ai rotor desde cualquiera de los dos erremos de las aspas. Ya sea desde el eje de rotación utilizando un motor o desde las puntas de las aspas utilizando un sistema propulsor. Una diferencia importante de esta invención es que el rotor usaría la superficie de en medio del aspa para tener esas capacidades. Esto es posible ya que esta ala rotativa tendría la capacidad de autorotar en todo momento. Al igual que en un giroplano podría autorotar gracias al flujo de aire derivado de desplazar la aeronave hacia adelante o ai perder altura, pero también podría Inducir su propia autorotación durante el despegue, aterrizaje y para flotar en un punto estático en el aire. La autorotación se podría inducir gradas ai diseño de las aspas.

Las aspas estándar de helicópteros y giroplanos constan de una sola pieza, pero en este rotor las aspas son compuestas lo que significa que cada aspa está formada por dos partes. Son dos estructuras aerodinámicas que embonan entre si, una frontal (1) y una trasera (2) unidas en una configuración que permite que las dos estructuras puedan estar completamente unidas o parcialmente separadas lo que da como resultado dos tipos de posiciones. La primera es la posición de autorotación estándar y la segunda de autorotación inducida.

La forma en que se unen y separan parcialmente las dos estructuras aerodinámicas es por medio de unas barras ( 3) que están fijas a la estructura aerodinámica frontal (1 ). Estas barras (3) entran a la estructura aerodinámica trasera (2) por medio de orificios en su parte delantera (7) de manera que cuando las dos estructuras aerodinámicas están juntas las barras( 3) quedan dentro de la estructura aerodinámica trasera (2) la cual cuenta con suficiente longitud para almacenarías. Cuando las dos estructuras están parcialmente separadas las barras (3) corren hada adelante de la estructura aerodinámica trasera (2) de manera que proyectan la estructura aerodinámica frontal (1) hada adelante. El movimiento de las barras hacia adelante o bada atrás de la estructura aerodinámica trasera ( 2) se genera desde el interior de esta y puede ser impulsado de manera hidráulica o eléctrica.

En la posición de autorotación estándar las dos estructuras se encuentran unidas y tienen la forma aerodinámica de un aspa individual (de una soia pieza). De esta manera la autorotación se genera al recibir un flujo de aire (6) derivado del desplazamiento de la aeronave. Esta sería la posición del aspa para una modalidad de vuelo crucero.

Para el despegue y aterrizaje vertical o para flotar en un punto estático en el aire se utiliza la posición de autorotación inducida. En esta posición las dos estructuras se encuentran parcialmente separadas. Siguen manteniendo una forma aerodinámica similar a la de un aspa individual, pero con un espado entre ambas a través del cual la estructura frontal (1 ) provee a la trasera (2) de un flujo de aire que activa la autorotación. Esto es posible ya que la estructura trasera (2) tiene en si misma la forma aerodinámica de un aspa individual, la cual al recibir un flujo de aire en su parte frontal acelera su movimiento hacia adelante.

La estructura aerodinámica frontal (1 ) tiene a lo largo una parte hueca (4) por donde se inyecta un flujo de aire (6). Este flujo de aire es expulsado posteriormente por medio de aberturas (5) que miran hacia atrás, hacia la parte frontal de la estructura aerodinámica trasera (2). Eí flujo de aire (6) es inyectado desde ei eje de rotación (8) y puede ser generado de distintas formas, por ejemplo, por un compresor de aire en la aeronave o por el motor de empuje horizontal, pero redirigiendo el flujo de aire utilizando conductos hacia el eje de rotación (8) y posteriormente a la parte hueca de la estructura aerodinámica frontal del aspa (4). Ai igual que en un rotor de giroplano ¡a elevación se controla por medio de la velocidad de giro del rotor y esta a su vez es controlada variando la velocidad del flujo de aire que es Inyectado al sistema.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 es la vista de perfil de la forma aerodinámica de la estructura frontal del aspa.

La figura 2 es la vista de perfil de la forma aerodinámica de la estructura trasera del aspa.

La figura 3 es la vista de perfil de la forma aerodinámica de las dos estructuras unidas en posición de autorotación estándar.

La figura 4 es la vista de perfil de ia forma aerodinámica de las dos estructuras separadas en posición de autorotación inducida.

La figura 5 es la vista de perfil de la estructura aerodinámica frontal del aspa, la parte hueca que corre a través de ella y las barras fijas a esta estructura.

La figura 6 es ia vista desde atrás de una sección de la estructura aerodinámica frontal donde se indica la posición de las aberturas por donde sale el flujo de aire que fue inyectado desde el eje de rotación.

La figura 7 es la vista desde atrás de una sección de la estructura aerodinámica frontal donde se indica la dirección del flujo de aire que es expulsado por las aberturas y que fue previamente inyectado desde ei eje de rotación.

La figura 8 es la vista desde atrás de una sección de la estructura aerodinámica frontal donde se indican los lugares a los cuales van fijas las barras.

La figura 9 es una vista en perspectiva de una sección de la estructura aerodinámica frontal con las barras. La figura 10 es una vista en perspectiva de una sección de la estructura aerodinámica frontal con la dirección de flujo de aire inyectado desde el eje de rotación. Las flechas blancas muestran la dirección que toma el flujo de aire al pasar por la parte hueca y al ser expulsado por las aberturas.

La figura 11 es una vista en perspectiva de una sección de la estructura aerodinámica trasera y los orificios por donde se introducen las barras fijas a la estructura aerodinámica frontal.

La figura 12 es una vista en perspectiva de una sección de las dos estructuras donde se muestra la posición de las barras de la estructura aerodinámica frontal en relación a los orificios de la estructura aerodinámica trasera.

La figura 13 es una vista en perspectiva de una sección del aspa donde las dos estructuras aerodinámicas que la conforman están unidas en posición de autorotación estándar.

La figura 14 es una vista en perspectiva de una sección del aspa donde ¡as dos estructuras aerodinámicas que ¡a conforman están unidas en posición de autorotación estándar y donde se muestra la dirección del flujo de aire derivado del desplazamiento de la aeronave.

La figura 15 es una vista en perspectiva de una sección del aspa donde de las dos estructuras aerodinámicas que la conforman están separadas en posición de autorotación inducida.

La figura 16 es una vista en perspectiva de una sección del aspa donde las dos estructuras aerodinámicas que la conforman están separadas en posición de autorotación inducida y donde se muestra ia dirección del flujo de aire inyectado desde el eje de rotación. Las flechas blancas muestran la dirección que toma el flujo de aire al pasar por la parte hueca en el interior de la estructura aerodinámica frontal y al ser expulsado por las aberturas.

La figura 17 es una vista en perspectiva de una sección del aspa donde las dos estructuras aerodinámicas que la conforman están unidas en posición de autorotación estándar.

La figura 18 es una vista en perspectiva de una sección del aspa donde las dos estructuras aerodinámicas que la conforman están unidas en posición de autorotación estándar y donde se muestra la dirección del flujo de aire derivado del desplazamiento de la aeronave.

La figura 19 es una vista en perspectiva de una sección del aspa donde las dos estructuras aerodinámicas que la conforman están separadas en posición de autorotación inducida.

La figura 20 es una vista en perspectiva de una sección del aspa donde las dos estructuras aerodinámicas que la conforman están separadas en posición de autorotación inducida y donde se muestra ia dirección del flujo de aire inyectado desde el eje de rotación. Las flechas blancas muestran la dirección que toma el flujo de aire al pasar por la parte hueca en el interior de la estructura aerodinámica frontal y al ser expulsado por las aberturas.

La figura 21 es la vista en perspectiva de dos aspas del ala rotativa en posición de autorotación inducida donde se muestra el movimiento del flujo de aire con respecto a la dirección de movimiento de las aspas.

MEJOR METODO CONOCIDO O MEJOR MANERA PREVISTA POR EL SOLICITANTE PARA

REALIZAR LA INVENCIÓN REIVINDICADA

Esta Invención se puede realizar a través de una compañía, institución, centro de investigación o universidad que tenga conocimientos de ingeniería aeronáutica y que tenga la capacidad de analizar, diseñar y probar estructuras aerodinámicas en particular alas rotativas. El primer paso es hacer la prueba de concepto seguida de un diseño y simulaciones por computadora. Después de estos pasos se puede construir un diseño funcional ya sea a escala o de tamaño real.

FORMA EN QUE PUEDE PRODUCIRSE, UTILIZARSE O AMBOS

Debido a que esta ala rotativa es naturalmente estable, muy segura, con buena capacidad de carga útil, con menor costo de operación y mantenimiento (comparada con los sistemas que usan los helicópteros) y con menor dificultad para pilotear una aeronave que la utilice su aplicación industrial es amplia y versátil. El sistema también ofrece la ventaja de la flexibilidad de ser usado en aeronaves impulsadas por motores eléctricos, de combustión interna o híbridos así que este tipo de ala rotativa podría ser utilizada en aeronaves tripuladas y no tripuladas, tanto para uso civii como militar.

Por ejemplo, podría ser utilizada en aeronaves de transporte personal (para una o dos personas) con la capacidad de superar a los diseños existentes en términos de seguridad, estabilidad, capacidad de carga, costo de operación y facilidad para pilotear. También podría ser utilizada en aeronaves no tripuladas para uso militar de reconocimiento y poder tener características de sigilo (si se usa con un sistema de propulsión eléctrico) tales como una baja huella térmica para los sensores infrarrojos asi cómo bajos niveles de ruido. De igual forma se podría incorporar en diversos tipos de aeronaves dependiendo de las necesidades especificas de cada disefiador o constructor.