S. Pat. 201431170Autor:

Antonio SnchezMlaga. Espaa

asmotor@gmail.com

1

Antecedentes y estado de la tcnicaLa presente invencin concierne a una embarcacin del tipo de vuelo rasante, consustentacin mixta sobre agua-aire y propulsin slo acutica, capaz de despegarse delagua y volar y propulsarse sobre ella a corta distancia utilizando el efecto suelo.

En el transporte convencional a alta velocidad en medio acutico la embarcacin sepropulsa y sustenta sobre agua. En su avance, la superficie sumergida de la embarcacindesplaza importantes masas de lquido sin ningn aprovechamiento, lo que la frenaconsumiendo una parte importante de la energa motriz. La resistencia hidrodinmicaaumenta fuertemente con la velocidad, y en la misma medida el consumo de combustible.Con mal tiempo u oleaje fuerte la eficiencia y velocidad disminuyen drsticamente,cuando no impide su operatividad. En las embarcaciones de transporte de pasajeros, eloleaje, adems de bajar la velocidad, provoca molestias en el pasaje. Para evitar estosinconvenientes, actualmente existen y se siguen desarrollando y fabricando, navesvolantes que aprovechan el efecto suelo en su desplazamiento sobre agua, de tipoekranoplano WIG (Wing In Ground effect).

Ekranoplano A-90 Orlyonok WIG SH-5

El efecto suelo se produce cuando una nave vuela prxima a una superficie plana hastauna altura aproximadamente igual a su envergadura. Entonces la resistencia aerodinmicainducida se reduce y la sustentacin aumenta, ambas drsticamente. A la vez, el airecirculante entre el ala y la superficie se comprime (efecto colchn), aumentando ladiferencia de presin entre el extrads y el intrads del ala, que vienen a provocar otroaumento de sustentacin.

Discusin tcnicaTodas las naves WIG existentes actualmente son de propulsin area, utilizando hlices oturbinas. Estas naves presentan distintos inconvenientes como son su configuracin deavin con alas de cierta envergadura y fuselaje cilndrico. Esta disposicin no maximiza lasuperficie enfrentada a la lmina acutica y por tanto el efecto suelo, adems de ofrecerpoco espacio de carga. Las puntas de las alas suponen un riesgo importante por impactocon el agua a alta velocidad. Otra dificultad crtica viene dada por su malamaniobrabilidad. En vuelo y a velocidad de crucero (en torno a los 100 nudos) no puedenhacerse giros pronunciados ya que la inclinacin hara impactar el ala con el agua y a lavez perder sustentacin. Esto obliga a tener mucha previsin en la navegacin, ya que noes posible cambiar de rumbo bruscamente o frenar para evitar colisionar con algn objetoflotante. En el agua la maniobrabilidad es igualmente pobre, ya que se realiza con lassuperficies de control de las alas y asimetra en la propulsin de las hlices.

2

La propulsin area les impide realizar aceleraciones o deceleraciones rpidas, quesuponen otro riesgo en su operacin intra o extra portuaria. El agua desplazada, adems defrenar el despegue, genera una onda de frente. En realidad, para despegar estas naves delagua es preciso disponer de motores de una potencia varias veces superior a la necesariapara su operacin en vuelo, suponiendo tanto la carrera de despegue como lasobredimensin de motores un consumo de combustible y peso extra considerables. Lapropulsin exclusivamente area no es la adecuada para alcanzar y mantener altasvelocidades en flotacin sobre el agua para conseguir la velocidad de despegue. Estequizs sea uno de los principales problemas que presentan y que quedara resuelto con larespuesta enrgica de la propulsin acutica con POD's aqu propuesta. Otra limitacinimportante de este tipo de naves es su incapacidad para desplazarse sobre aguas con fuerteoleaje, estando limitadas a aguas tranquilas. Si por cualquier circunstancia pierdensustentacin o deben amerizar sobre aguas con cierto oleaje, no slo no podran volver adespegar, sino que entraran en situacin peligrosa. En algunas naves de este tipo consustentacin exclusivamente area y diseo deficiente se han presentado problemas con suestabilidad longitudinal volando sobre aguas agitadas, por prdida de sustentacin eimposibilidad de recuperarse slo con sus hlices areas o turbinas.

Sin embargo el agua es un medio mucho ms denso que el aire y por tanto la propulsinsobre la misma es mucho ms eficiente utilizando la tcnica correcta. Las naves de vuelorasante se desplazan sobre la masa de agua a corta distancia en todo momento, por lo queobtener una propulsin ms eficiente sobre la misma, que adems provea sustentacindirecta, es posible con un diseo tcnico adecuado que nica y exclusivamente mantengasumergida la parte propulsora, ya que las superficies que se desplazan en contacto con elagua, incluso conformadas hidrodinmicamente, suponen la principal barrera para obteneralta velocidad eficiente. Incluso el aire cercano a la superficie acutica es denso y cargadode humedad, por lo que se hace necesaria una conformacin aerodinmica optimizada dela embarcacin que reduzca superficies.

Embarcaciones ligeras de alta velocidad.

Hoy se hace evidente que el futuro de las embarcaciones, tanto civiles como militares,pasa por el desarrollo de embarcaciones eficientes de alta velocidad. Actualmente existenembarcaciones ligeras de poco calado tipo catamarn que desarrollan velocidadessuperiores a los 60 nudos con motores Diesel convencionales. Tanto el transportemartimo de pasajeros como las aplicaciones militares requieren cada vez ms velocidad y

3

poder operar en aguas poco profundas con completa capacidad y seguridad. Con estaembarcacin alar puede ser posible volar de forma segura a velocidades de crucero entorno a los 60-70 nudos con un motor convencional y una eficiencia muy superior acualquier otro medio de transporte martimo. La eficiencia mejorara an ms revistiendoel fuselaje de la cara superior con placas solares integradas, que descargaran a los motoresdurante la navegacin diurna. Con la configuracin de la figura 9, la embarcacin, conunas medidas de 67,6m. de eslora x 28,2m. de manga y 2,2m. de puntal podra transportarms de 1.200 pasajeros de forma cmoda y segura.

Con la presente invencin se compacta el diseo de estas naves para maximizar susustentacin por efecto suelo, su seguridad y su espacio til, conservando eldesplazamiento areo y sus ventajas, y sumergiendo su propulsor para as mejorar sueficiencia, sustentacin y maniobrabilidad. La propulsin sobre agua la dota de unarespuesta ms rpida, precisa y potente en cuanto a su aceleracin, deceleracin y forzadode la sustentacin en aguas agitadas. As el despegue, amerizaje, frenado y cambios dedireccin pueden ser enrgicos y bien controlados. El despegue completo puede serposible en pocos segundos, y a velocidades en torno a los 50 nudos. Esto permite operaresta embarcacin a alta velocidad dentro de puertos, ros o estuarios de forma segura, ydespegar o amerizar ya dentro de aguas abrigadas para seguridad y comodidad del pasaje.La estabilidad longitudinal queda asegurada al estar controlada por el estabilizador de colay el brazo propulsor de forma coordinada. El tipo de motorizacin puede ser convencionalpara aprovechar combustibles ms econmicos, ya que no es crtico el tipo y peso de losmotores. Al poder variar la distancia y ngulo de empuje de su propulsor en relacin alfuselaje, esta embarcacin puede volar nivelada en todo momento, incluso sobre aguas confuerte oleaje. La cara superior del fuselaje provee una superficie casi plana, maximizadaen relacin al tamao total, que puede ser revestida de paneles solares electrogeneradoresecolgicos, integrados en el revestimiento estructural, para proveer de una fuente deenerga auxiliar con la que se conseguira una embarcacin rpida extremadamenteeficiente. Otra ventaja importante de este tipo de embarcacin viene dada por sus formascompactas y su bajo puntal, que le confiere buenas caractersticas "stealth" como vehiculode defensa. Al estar conformada en un slo nivel, el acceso a todas las partes para sureparacin o cambios de configuracin queda muy facilitado.

AShiplane. Alzado de proa.

4

Embarcacin alar de alta velocidadLa presente invencin se caracteriza por ser una embarcacin construida con unaestructura aeronutica ligera de aluminio de alta densidad, o mejor an fibra de carbono,conformada como un fuselaje (1) con forma de perfil alar aerodinmico afilado en suproa, y achatado en su popa. Este fuselaje es completamente estanco durante lanavegacin. Tanto la ventilacin de la cabina como la admisin de los motores se realizasobre conductos que tienen su boca en el empenaje de cola. Cada costado del fuselaje seprolonga en su parte inferior en un flotador (2) de perfil alar vertical. Estos dos flotadoresestabilizan la trayectoria de la embarcacin en el sentido de la marcha, la proveen deflotabilidad, y adems tienen la funcin de aumentar el efecto suelo, al contener el aire quecircula entre la superficie acutica y la cara inferior del fuselaje, cuando la embarcacinvuela. La conformacin de la proa del fuselaje es inclinada hacia arriba para aumentar yelevar el borde de ataque alar, que en vuelo proveer de presin y depresin extra a su carainferior y superior respectivamente. Sobre el agua, la conformacin de proa elevada evitael contacto con la misma y facilita el despegue y amerizaje. Otra funcin de laconfiguracin de proa es aumentar la visibilidad del piloto, al estar situada la cabina demando (3) en el extremo anterior de dicha proa. La parte de la cara inferior del fuselajeprxima a la popa est elevada en ngulo y se prolonga verticalmente hacia abajo en unapluralidad de flotadores (4) longitudinales, que tienen adems la funcin hidrodinmicade actuar de estabilizadores y tambin de colchn en los despegues y amerizajes.

El fuselaje se prolonga en la parte central de la popa en una cola (5) que sostiene el timnde profundidad aerodinmico (6) situado en posicin alta. ste est dividido en dosmitades simtricas coaxiales de actuacin independiente, para la estabilizacin completade la embarcacin en marcha a alta velocidad, pudiendo variar la inclinacin vertical yhorizontal de sta, para facilitar la navegacin estable y nivelada, as como los despeguesy amerizajes.

Para la energizacin del propulsor, esta embarcacin incorpora un grupo electrgeno (7)con su cpula de refrigeracin (8). En esta cpula se encuentra el intercambiador decalor de los motores y sus escapes protegidos con vlvula. Al igual que en una aeronave,el reparto de pesos en esta embarcacin es crtico. El peso debe limitarse y distribuirsepara poder levantar el vuelo y permitir la correcta operacin de los mecanismos de control.El grupo electrgeno ocupa el centro del fuselaje, retrasado a popa. En esta posicin, ydebido a su alto peso en relacin al resto del fuselaje hace que se retrase tambin el centrode gravedad de la embarcacin. Los depsitos de combustible (9) ocupan la base centraldel fuselaje, estando divididos en una pluralidad de receptculos que impiden eldesplazamiento del combustible cuando el fuselaje se inclina, y por tanto que se altere poresta causa el centro de gravedad de la embarcacin.

El brazo mvil (10) del propulsor est posicionado longitudinalmente bajo el fuselaje ytiene perfil hidrodinmico. Este brazo est articulado en su extremo superior, apoyando sueje en un punto del fuselaje ligeramente adelantado en relacin al centro de gravedad. Esteeje al ser actuado gira verticalmente hasta 30 grados. En su extremo inferior, el brazomvil posee otros dos ejes articulaciones actuables. Una de giro vertical y otra de girohorizontal. La articulacin horizontal gira hasta 360 y sostiene el propulsor PODazimutal (11). Este propulsor es alimentado por energa elctrica y es capaz de impulsaragua en las dos direcciones de su canal por conmutacin elctrica de sus motores. El ejehorizontal acta de timn de direccin en relacin al rumbo de la embarcacin. El eje

5

vertical acta variando el ngulo vertical de empuje de las hlices (12), que son dos ygiran sobre su eje cada una en distinta direccin y a diferente velocidad para contrarrestarel empuje contrarrotativo sobre el fuselaje y la distinta velocidad del caudal que pasa sobreellas respectivamente. Adems, el brazo mvil del propulsor puede girar sobre su ejesuperior que lo une al fuselaje para variar la distancia y el ngulo con ste. As es posiblemantener el propulsor sumergido y empujando en tanto la embarcacin aumenta sudistancia media con la superficie acutica volando nivelada sobre la misma. Estacapacidad permite a la embarcacin volar sin contacto del fuselaje con el agua encondiciones de fuerte oleaje. La embarcacin incluso puede ser alcanzada por el oleaje sinverse afectada en su operatividad.

Con estas caractersticas, la presente embarcacin es capaz de flotar y desplazarse en elagua con su propulsor sumergido, seguidamente acelerar y despus rotar y levantar sumitad anterior, separndola del agua. Una vez alcanza velocidad suficiente para conseguirsustentacin y actuacin del timn de profundidad, levanta la mitad posterior despegandosu fuselaje completamente del agua mientras conserva permanentemente sumergido supropulsor para adquirir y mantener su velocidad de crucero de forma estabilizada. Elpropulsor empuja en sentido horizontal, y tambin en sentido vertical levantando elfuselaje.

Prototipo simplificado

FuncionamientoLa presente invencin se realiza como se describe a continuacin:

REPOSO. En la figura 1 la embarcacin est en posicin de reposo, con su brazo mvildel propulsor retrado a la posicin ms alta y el timn de profundidad en su posicinneutra.

ACELERACIN. En la figura 5 la embarcacin inicia el despegue sobre el agua avelocidad moderada. El timn de profundidad sigue en posicin neutra y el brazo mvildel propulsor se ha girado 5 grados hacia abajo. Las hlices estn actuando y el propulsorest empujando a la embarcacin hacia adelante y hacia arriba, levantando y separando lamitad anterior de la misma del agua. En estas condiciones el aire entra a velocidadmoderada por la proa empujando la base de la embarcacin hacia arriba cada vez ms yconforme disminuye la superficie en contacto con el agua aumenta la velocidad de laembarcacin.

DESPEGUE Y VUELO. En la figura 6 la embarcacin ha aumentado ya su velocidadpara permitirle despegarse completamente del agua. El propulsor ha aumentado su empujey la embarcacin se desplaza a alta velocidad. Para despegar la mitad trasera de laembarcacin, el timn de profundidad ha girado hacia abajo 15 grados sobre su eje y ahora

6

corta el aire que lo atraviesa y empuja hacia arriba, levantando la mitad posterior de laembarcacin. Una vez que la embarcacin se despega del agua disminuye drsticamente laresistencia al avance aumentando su velocidad y a la vez la sustentacin area transmitidasobre la base de la misma por el efecto suelo. Entonces, el timn de profundidad esactuado para nivelar la embarcacin sobre sus ejes vertical y horizontal en funcin de lavelocidad y los vientos actuantes.

VUELO CON OLEAJE. En la figuras 7a y 7b la embarcacin est configurada para volarnivelada a alta velocidad sobre el agua en condiciones de fuerte oleaje. El brazo mvil delos propulsores se ha girado hacia abajo 20 grados para mantenerlo sumergido ypropulsando en todo momento mientras la embarcacin permanece elevada y fuera decontacto con las olas. A su vez, el timn de profundidad y el eje vertical del propulsoractan continuamente para mantener la embarcacin sustentada, nivelada y separada deloleaje. Cundo el oleaje es extremadamente fuerte y la longitud de la ola lo permite, o avoluntad, la embarcacin puede ser gobernada con el timn de profundidad para volarsobre las olas cindose a la superficie de la ola, guardando con esta la distancia deseguridad de forma automtica o manual.

PARTES1.- Fuselaje2.- Flotadores de costado3.- Cabina de mando4.- Flotadores de popa5.- Cola6.- Timn de profundidad7.- Grupo electrgeno8.- Cpula de refrigeracin9.- Depsitos de combustibles10.- Brazo mvil del propulsor11.- Propulsor POD12.- Hlices13.- Radomo

FIGURASFigura 1. Alzado longitudinal de la embarcacin en posicin de reposo.Figura 2. Vista en planta de la embarcacin.Figura 3. Perspectiva anterior de la embarcacin.Figura 4. Seccin longitudinal del fuselaje.Figura 5. Embarcacin en configuracin de aceleracin sobre el agua.Figura 6. Embarcacin en configuracin de aceleracin y despegue del agua.Figuras 7a y 7b. Embarcacin en configuracin de vuelo sobre oleaje fuerte.Figura 8. Perspectiva del brazo mvil del propulsor.Figura 9. Ejemplo de configuracin de transporte para 1.200 pasajeros.Figura 10. Seccin transversal central del fuselaje en configuracin pasajeros.Figura 11. Alzado longitudinal.Figura 12. Alzado de proa.Figura 13. Seccin longitudinal central.Figura 14.- Prototipo unipersonal simplificado.

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22