Cool Jet Tipp Patent

8/13/2019 Cool Jet Tipp Patent

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United S t a t e s P a t e n tUS007147182B1

( 1 2 ) ( 1 0 ) P a t e n t N 0 . : US 7 , 1 4 7 , 1 8 2 B 1F l a n i g a n ( 4 5 ) D a t e o f P a t e n t : D e c . 1 2 , 2 0 0 6

( 5 4 ) GAS-POWERED TIP-JET-DRIVEN OTHER PUBLICATIONSTILT-ROTOR COMPOUND VTOL AIRCRAFT Dwayne A . D a y , V/STOL T e c h n o l o g y a n d A i r c r a f t , U . S . C e n t e n n ia l

76 _ _ of F l i g h t Commission, h t t p : / / w w w . c e n t e n n i a l o i ? i g h t . g o v / e s s a y /( ) I n V e m O r - Kenneth Warren F l a n l g a n , 1 2 3 8 5 6 t h E v o l u t i o n i o f i T e c h n o l o g y / V S T O L i a i r c r a f t / T e c h 3 0 . h t r n .S t . , 5 2 1 , Yucaipa, CA US) 92399 , ,* c i t e d by examlner( * ) N o t i c e : S u b j e c t t o a n y d i s c l a i m e r , t h e t e r m o f h i s P r i m a r y ExamineriTimOthy D o l l i n sp a t e n t i s extended o r a d j u s t e d under 35

U . S . C . 1 5 4 ( b ) b y 0 d a y s . ( 5 7 ) ABSTRACT( 2 1 ) A p p 1 _ NO; 1 1 / 0 6 2 , 5 3 6 A i l t - r o t o r compound VTOL i r c r a f t h a s a m u l t i p l e - ? o wt h r u s t g e n e r a t o r ( s ) c o m p r i s i n g a g a s - p o w e r e d t i p - j e t d r i v e n( 2 2 ) F i l e d : F e b . 22, 2 0 0 5 r o t o r ( s ) h a v i n g a t h r u s t - a u g m e n t a t i o n r a t i o o f a t l e a s t t w o ;

t h a t t i l t s a b o u t t h e a i r c r a f t s p i t c h a x i s w h e r e i n t h e r o t o r sR e l a t e d US. A p p l i c a t i o n Data p l a n e o f r o t a t i o n i s s u b s t a n t i a l l y h o r i z o n t a l f o r VTOL p e r a

- - - - tions a n d t he rotors p l a n e of rotation is substantially vertical( 6 0 ) 5 2 0 2 8 5 0 4 1 1 2 1 1 a p p h c a n o n N O ' 6 0 / 5 4 7 0 2 5 ? l e d o n F e b ' f o r w a r d ? i g h t o p e r a t i o n s . A r e l a t i v e l y s m a l l ? x e d - w i n g s u s t a i n s t h e a i r c r a f t d u r i n g forward ? i g h t . Compressed

( 5 1 ) Int CL e x h a u s t g a s from t h e f a n - j e t e n g i n e ( s ) i s d u c t e d t o a maniB64C 2 7 / 2 2 ( 2 0 0 6 0 1 ) f o l d h a v i n g v a l v e s which c o n t r o l power o t h e m u l t i p l e - ? o w( 5 2 ) U Cl 244/6 2 4 4 7 R _ 4 1 6 2 4 t h r u s t g e n e r a t o r ( s ) and o t h e e t e x h a u s t n o Z Z l e ( s ) a s s u p p l e5 8 F , I d h 2 4 4 / 6 mental t h r u s t f o r forward p r o p u l s i o n and y a w c o n t r o l . The( ) 1 e 0 2 2 2 5 / 1 7 i s y ) : 1 6 7 m l ? 2 0 R m a n i f o l d a l s o s e r v e s t o d i s t r i b u t e c o m p r e s s e d g a s t o t h e

416/22 2 3 2 d e a d engine s i d e of h e a i r c r a f t i n t h e event of dead engineS e e a l i c a t i o n ? l e f o r Com l e t e S e a r c h h i s t o e m e r g e n c y , and t o r e a c t i o n j e t s f o r a t t i t u d e c o n t r o l d u r i n gpp p 1 y VTOL p e r a t i o n s . Thus t h i s t i l t - r o t o r a i r c r a f t i s more e f ?( 5 6 ) R e f e r e n c e s C i t e d c i e n t , f a s t e r , i m m e n s e l y l i g h t e r , l e s s c o m p l e x a n d l e s s

U . S . PATENT DOCUMENTS5,984,635 A *6,530,542 Bl *

11/1999 K e l l e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416/20 A3/2003 Toulmay . . . . . . . . . . . . . . . . . 244/1713

e x p e n s i v e t o p u r c h a s e a n d m a i n t a i n t h a n i t s s h a f t - d r i v e nc o u n t e r p a r t s .1 2 C l a i m s , 1 1 Drawing S h e e t s

F A N J E TE N G I N E

R O T A R Y - W I N GT I P - J E T S 22

T O E F I 'R O T A R Y - W l N GT I P - J E T S 2 2

F A N J E TE N G I N E


2/17

U.S. P a t e n t D e c . 1 2 , 2 0 0 6 S h e e t 1 o r 1 1 US 7 , 1 4 7 , 1 8 2 B1

2 8

P 7 4


3/17



4/17

U.S. P a t e n t D e c . 1 2 , 2 0 0 6 S h e e t 3 0 f 1 1 US 7 , 1 4 7 , 1 8 2 B1


5/17


6/17



7/17


8/17


a 3.

w

@ 2 6 18n

M N2 ;6 2 3 E 5 0 1m :2a. .. 1Ea sm z z mE E

m mm


9/17


F I G


10/17


F/G- l0

m/puT: fRaM~ .CQMPUIZR: POWER, f UTPUTS- ' 2 :A777 r u p z AT 7 51 /0 5 GAS VALVESA565: v70 STABILITY iSENSORS PR 7 Tl/RoTTLE

I\ 6 7F/G

AIR SPEED GOA/IP071? -rBLADEPITCHP R E J ' Z S . A0. FF/CJENCy

FROG RAM RPMAll?72M?>FUEL FLOW ___=- L Val/'5 32

5 2 .


11/17

U.S. P a t e n t D e c . 1 2 , 2 0 0 6 S h e e t 1 0 o r 1 1 US 7 , 1 4 7 , 1 8 2 B1

Horsep o wer a t O P i t c h P r o ? l e ConditionsThrust Hp Pro?le hCompressor

1 1 0

10.0

0.00 )g /5 . 0 ?/E /O I,I .0 /

20 K, / A / .0.0 . F . , 1

0 50 0 1000 1500 2000 2500 3000RPM


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13/17

U S 7 , 1 4 7 , 1 8 2 B11

GAS-POWERED TIP-JET-DRIVENTILT-ROTORCOMPOUNDVTOL AIRCRAFT

CROSS-REFERENCE TO RELATEDAPPLICATION

CLAIM OF PRIORITYT h i s a p p l i c a t i o n c l a i m s t h e b e n e ? t o f P r o v i s i o n a l A p p l i

c a t i o n S e r . N o s . 6 0 / 5 4 7 , 0 2 5 , ? l e d 2 0 0 4 , F e b . 2 3 by t h ep r e s e n t i n v e n t o r .

BACKGROUND OF INVENTIONiFIELD OFINVENTION

T h i s i n v e n t i o n r e l a t e s t o t i l t - r o t o r c om p ou nd VTOL i rc r a f t t h a t u t i l i Z e c o m p r e s s e d g a s d r i v e n t i l t - r o t o r s .BACKGROUND OF INVENTION

I n a r o u n d t h e y e a r 1 0 0 BC, Hero o f l e x a n d r i a d i s c o v e r e dt h e r e a c t i o n e n g i ne W i t h h i s a e o l i p i l e e x p e r i m e n t . T h e n t h eW r i g h t b r o t h e r s i n t r o d u c e d p o W e r e d ? i g h t i n 1 9 0 3 , a n d i n1 9 1 0 H e n r i M a r i e Coanda m a r r i e d t h e tWo t o g e t h e r t o ?y t h e? r s t j e t - p r o p e l l e d a i r p l a n e . I n 1 9 5 5 t h e B e l l X V - 3 , t h eW o r l d s ? r s t t i l t - r o t o r a i r c r a f t , made t s ? r s t ? i g h t , a n d i n t h esame y e a r t h e McDonnell XV-l t i p - j e t a u t o g y r o mad e i t sr e c o r d - b r e a k i n g ? i g h t .

With mans d e s i r e f o r a i r c r a f t t h a t Would u s e l e s s runWayc o i n c i d e n t W i t h ? y i n g f a s t e r , s a f e r a n d e a s i e r h a n d l i n g , h eh a s c r e a t e d m a n y d i f f e r e n t t y p e s of VTOL o r SVTOLa i r c r a f t i n c l u d i n g h e l i c o p t e r s , a u t o g y r o s , t i l t - r o t o r s , t i p - j e t s ,c o n v e r t i p l a n e s , g y r o d y n e s , c o n t r a - r o t a t o r s a n d d i r e c t l i f tH a r r i e r t y p e s . I n t e r m s o f b e s t m e e t i n g t h o s e g o a l s , tWot y p e s s t a n d o u t i n t h i s ? e l d , n a m e l y t h e t i l t - r o t o r s a n d t h ed i r e c t l i f t H a r r i e r t y p e s . The d i r e c t l i f t t y p e s h a v e t h ea d v a n t a g e o f s p e e d , b u t a r e v e r y e x p e n s i ve t o p u r c h a s e a n do p e r a t e d u e i n p a r t by t h e i r n e e d f o r e x t r e m e poWer d u r i n gVTOL o p e r a t i o n s . P r e s e n t d a y t i l t - r o t o r s a r e n o t c h e a pe i t h e r , b u t poWer r e q u i r e m e n t s f o r VTOL o p e r a t i o n s a r em u c h more m o d e s t . They a r e v e r y c o m p l e x , b u t m o d e r a t e l yf a s t . T h e i r b i g d i s a d v a n t a ge s , i n a n u t s h e l l , a r e t h e i r m a s s i v e ,c o m p l e x , e x p e n s i v e , i n e ? i c i e n t , h i g h m a i n t e n a n c e , m e c h a n ic a l d r i ve s y s t e m s .

As complex a s t i l t - r o t o r a i r c r a f t a r e , t h e y a r e s t i l l v e r ymu c h i n t h e i r i n f a n c y . P r e s e n t d a y d e s i g n s make u s e o fmechanical d r i v e s y s t e m s t h a t c a u s e t h e s e a i r c r a f t t o bee x p e n s i v e , h a v e p o o r economy o f o p e r a t i o n a n d m a i n t en a n c e , a poor empty-Weight f r a c t i o n , poor r a n g e , poorp e r f o r m a n c e , and t i l l o t h e r f a c t o r s t h a t W i l l b e d i s c u s s e d i nm o r e d e t a i l beloW.

The B e l l XV-3 f o l l o W e d by t h e XV-15 Were t h e ? r s t t op r o v e t h e t i l t - r o t o r c o n c e p t . The B e l l - B o e i n g V - 2 2 O s p r e y i st h e r e s u l t o f s p e n d i n g b i l l i o n s a n d b i l l i o n s o f d o l l a r s andsome 5 0 y e a r s o f e x p e r i m e n t i ng W i t h and t e s t i n g t h e t i l tr o t o r c o n c e p t . With t h a t k i n d o f r e s o u r c e s poured i n t o t h ep r o j e c t , i t Was made t o Work.A e a r c h o f t h e l i t e r a t u r e and t h e U S . P a t e n t O?ice r e v e a l

o n l y s h a f t d r i v e n r o t o r s f o r t i l t - r o t o r a i r c r a f t .The McDonnell XV-l With t s t i p - j e t d r i v e n r o t o r Was one

o f t h e ? r s t a i r c r a f t t o r e a l l y p r o v e t h e g a s - p o W e r e d t i p - j e tc o n c e p t b y e x c e e d i n g c o n t e m p o r a r y r o t o r - W i n g s p e e dr e c o r d s b y h i t t i n g 2 0 0 m p h . T i p - j e t d r i v e n r o t a r y - W i n ga i r c r a f t have t h e a d v a n t a g e s o f a poWered r o t o r b u t need n o th a v e a h e a v y , m a s s i v e d r i v e t r a i n , t r a n s m i s s i o n , c l u t c h , r o t o rhead and b l a d e r o o t s e c t i o n s . F u r t h e r m o r e , i n t h e c a s e ofs i n g l e r o t o r a i r c r a f t , t h e y h a v e no n e e d f o r a n a n t i - t o r q u e

20

25

30

35

40

45

50

55

60

6 5

2d e v i c e such a s a t a i l r o t o r . The s o l u t i o n t o making t h e s ea i r c r a f t r e m a r k a b l y f a s t and e ? i c i e n t a i r c r a f t can be foundu s i n g t e c h n iq u e s d e s c r i b e d h e r e i n .

SUMMARY OF THE INVENTIONBy t i l i Z i n g t h e g a s - p o W e r e d t i p - j e t d r i v e n r o t o r c o n c e p t ,

We t r a n s f o r m t h e t i l t - r o t o r a i r c r a f t from a h e a v y , v e r yc o m p l e x , v e r y e x p e n s i v e a i r c r a f t i n t o a n e ? i c i e n t , f a s t ,r e l a t i v e l y s i m p l e , much e s s e x p e n s i v e a i r c r a f t . E n g i n e s c a ncome i n b o a r d ( p e r h a p s b e n e a t h t h e W i n g r o o t s ) , t h u s s a v i n ghuge a m o u n t s i n W e i g h t , c o s t a n d c o m p l e x i t y . I n o n ee m b o d i m e n t , c o m p r e s s e d g a s f r o m t h e e n g i n e s i s d u c t e dt h r o u g h e a c h s u p p o r t i n g s t r u c t u r e o r y o k e , i n t o t h e r o t o rh u b s f o r d i s t r i b u t i o n i n t o t h e b l a d e s and o u t t h e t i p - j e t s .T h r u s t i n f o r W a r d ? i g h t i s o b t a i n e d from a n y c o m b i n a t i o n o ft h r u s t f r o m t h e t i p - j e t d r i v e n r o t o r s a n d j e t e x h a u s t d i r e c t l yfrom t h e e n g i n e s . One e n g i n e c a n e a s i l y t a k e o v e r t h ep o W e r i n g o f b o t h r o t o r s W i t h s i m p l e v a l v e t r a n s f e r s W i t h i nt h e l i g h t W e i g h t m a n i f o l d . B e c a u s e t i p - j e t poWered r o t o r s a r er e a l l y m u l t i p l e - ? o W t h r u s t g e n e r a t o r s o f a s u p e r i o r k i n d ,v e r y l a r g e t h r u s t a u g m e n t a t i o n r a t i o i s a c h i e v e d .

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGSFIG. 1 i s a s i d e v i e W of an a i r c r a f t c o n s t r u c t e d i n

a c c o r d a n c e W i t h t h e p r e f e r r e d embodiment o f t h e p r e s e n ti n v e n t i o n shoWn i n VTOL ode.

FIG. 2 i s a f r o n t vieW of t h e a i r c r a f t of FIG. 1 shoWn i nVTOL ode.

F I G . 3 i s a t o p vieW of t h e a i r c r a f t o f F I G . 1 shoWn i nVTOL ode.

FIG. 4 i s a s i d e vieW of t h e a i r c r a f t o f F I G . 1 s h oWn i n? x e d - W i n g ? i g h t m o d e .FIG. 5 i s a f r o n t vieW of t h e a i r c r a f t of FIG. 1 shoWn i n? x e d - W i n g ? i g h t m o d e .F I G . 6 i s a t o p vieW of t h e a i r c r a f t o f F I G . 1 shoWn i n? x e d - W i n g ? i g h t m o d e .F I G . 7 i s a s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f t h e c o m p r e s s e d

g a s c e n t r a l m a n i f o l d a n d v a l v i n g s y s t e m o f t h e a i r c r a f t o fF I G . 1 .

F I G . 8 i s a m e c h a n i c a l draWing s i d e vieW o f t h e m a n i f o l d /i m p e l l e r W i t h i n t h e r o t a r y - W i n g h u b .

F I G . 9 i s a n i s o m e t r i c vieW o f t h e m a n i f o l d / i m p e l l e r byi t s e l f .

F I G . 1 0 i s a s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f t h e a t t i t u d e ands t a b i l i t y c o m p u t e r .F I G . 1 1 i s a s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f t h e e ? i c i e n c y

c o m p u t e r .F I G . 1 2 i s a c h a r t i l l u s t r a t i n g c o m p r e s s o r h o r s e p o W e r and

t h r u s t horsepoWer v e r s u s r o t o r r p m W h e n t h e r o t o r i s a tZ e r o - p i t c h a n d n o - l o a d .

F I G . 1 3 i s a c h a r t i l l u s t r a t i n g c o m p r e s s o r h o r s e p o W e r andt h r u s t h o r s e p o W e r v e r s u s r o t o r b l a d e p i t c h a n g l e W hen t h er o t o r r p m i s s e t a t 2700 rpm.

DETAILED DESCRIPTION OF PREFERREDEMBODIMENT

I t i s g e n e r a l l y u n d e r s t o o d and de?ned h e r e i n t h a t acompo un d a i r c r a f t i s o n e t h a t h a s b o t h ?xed W i n g s a n dr o t a r y W i n g s f o r s u s t e n a n c e o f ? i g h t . T h i s embodiment o f ac om p ou nd a i r c r a f t c o n c e r n s i t s e l f W i t h a p a r t i c u l a r t y p e o ft i p - j e t d r i v e n compound a i r c r a f t , a n d t h a t t y p e i s a t i l t - r o t o rt i p - j e t d r i v e n VTOL i r c r a f t . As W e s h a l l s e e momentarily i nt h e d r a W i n g s , t h e i n v e n t i o n c o m p r i s e s a s u p p o r t i n g s t r u ct u r e , h u b , r o t o r / p r o p e l l e r ( h e r e i n a f t e r c a l l e d r o t o r a s s e m b l y )


14/17

U S 7 , 1 4 7 , 1 8 2 B13

a n d n o z z l e s o r t i p - j e t s ( a s f u l l y d e s c r i b e d i n my r s t d i s c l os u r e ) . T h e s u p p o r t i n g s t r u c t u r e f o r m u l t i - e n g i n e a i r c r a f t ( o ry o k e f o r s i n g l e e n g i n e a i r c r a f t ) i s r o t a t e d a b o u t t h e p i t c h a x i st h a t i s g e n e r a l l y c o i n c i d e n t W i t h t h e c e n t e r o f l i f t a n d / o r t h ec e n t e r o f g r a v i t y i n t h e c a s e o f s i n g l e e n g i n e a i r c r a f t . Theyoke o r s u p p o r t i n g s t r u c t u r e e x t e n d s up i n t h e v e r t i c a lp o s i t i o n t o p u t t h e r o t o r o r p r o p e l l e r i n t h e h o r i z o n t a l p l a n ef o r v e r t i c a l t a k e - o f f s and l a n d i n g s , and t h e n i s r o t a t e d t o t h eh o r i z o n t a l p o s i t i o n , Which p u t s t h e r o t o r o r p r o p e l l e r i n t h ev e r t i c a l p l a n e f o r f o r W a r d p r o p u l s i o n . W h e n t h e s u p p o r t i n gs t r u c t u r e i s i n t h e h o r i z o n t a l p o s i t i o n , i t i s f a i r e d and b l e n d sp e r f e c t l y W i t h i t s s u r r o u n d i n g s u r f a c e s W h e t h e r t h e y a r eW i n g s o r f u s e l a g e s u r f a c e s .

G a s , h e r e i n de?ned g e n e r a l l y a s a n y ? u i d W i t h i t s mole c u l e s s p a c e d f u r t h e r a p a r t t h a n t h a t o f a l i q u i d , i s f e dt h r o u g h t h e s u p p o r t i n g s t r u c t u r e f r o m a t u r b i n e , t u r b o f a n ,f a n j e t o r a n e n g i n e d r i v e n c o m p r e s s o r mounted e l s e W h e r e ,t o t h e h u b , t h r o u g h t h e b l a d e s a n d o u t t h e t i p - j e t s . T i p - j e t sa r e g e n e r a l l y d e ? n e d herein a s nozzles or o r i ? c e s o r e x i ta p e r t u r e s l o c a t e d a n y W h e r e a l o n g t h e b l a d e s ( b u t g e n e r a l l ytoWard t h e t i p s ) and d i r e c t e d r e a r W a r d s o a s t o e x p e ls u ? i c i e n t g a s a t v e l o c i t i e s t o cause b l a d e r o t a t i o n about t h er o t o r h u b . T h i s makes f o r a v e r y s i m p l e , l i g h t W e i g h t , loWc o s t means of p r o v i d i n g VTOL a p a b i l i t y f o r a v e r y e f f ic i e n t , r e l a t i v e l y h i g h s p e e d , c o m b i n a t i o n j e t a n d p r o p e l l e rd r i v e n a i r c r a f t .

T i p - j e t d r i v e n r o t o r s c a n b e t e r m e d m u l t i p l e - ? o w t h r u s tg e n e r a t o r s . J . V . F o a i n E l e m e n t s o f F l i g h t P r o p u l s i o n( p u b l i s h e d b y W i l e y a n d S o n s ) d e ? n e s a m u l t i p l e - ? o w t h r u s tg e n e r a t o r a s one i n Which v a r i o u s a g g r e g a t e s o f t h e Worki n g ? u i d u n d e r g o d i ? f e r e n t c y c l e s . ( H e r e f e r s h e r e t od i f f e r e n t t h e r m a l c y c l e s . ) E x a m p l e s a r e : a ) t u r b o f a n s ; b )t u r b o p r o p s ; c ) d u c t e d e n g i n e s ; a n d d ) t i p - j e t - d r i v e n p r o p e ll e r s and r o t o r s .

Of a l l of t h e v a r i o u s means o f a p p l y i n g d i r e c t l i f t t o ac r a f t , none can compete W i t h a W e l l - d e s ig n e d m u l t i p l e - ? o wt h r u s t g e n e r a t o r i n t e r m s o f e ? i c i e n c y a n d e n e r g y a p p l i e dversus a d e s i r e d r e s u l t . This i s d ue t o a l i t t l e understood f a c tt h a t t h i s t y p e o f t h r u s t g e n e r a t o r p r o vi d e s t h r u s t - a u g m e nt a t i o n . The a b o v e - i d e n t i ? e d r e f e r e n c e d e ? n e s t h r u s t - a u gmentation a s an i n c r e a s e i n t h r u s t a t n o e x t r a c o s t i n energyi n p u t . He r e m a r k s t h a t a j e t - d r i v e n p r o p e l l e r p r o v i d e s o n eo f t h e m o s t s t r i k i n g i l l u s t r a t i o n s o f t h r u s t - a u g m e n t a t i o n .

By Way o f e x a m p l e , a q u a r t e r - s c a l e m o d e l ( r o t o r d i a m e t e rof 5 . 6 5 f e e t ) o f a t i p - j e t r o t o r system Was b u i l t . One t e s t a t6 d e g r e e s p i t c h on e a c h o f t h r e e b l a d e s t u r n i n g a t 2700 rpmproduced a t h r u s t - a u g m e n t a t i o n r a t i o o f 1 6 . 8 . T h i s meanst h a t i t Would t a k e a mere 1 3 . 1 l b s of combined t h r u s t t oh o v e r a q u a r t e r - s c a l e m o d e l a i r c r a f t W e i g h i n g 2 2 0 p o u n d s .U s i n g t h i s p r i n c i p l e i n a t i l t - r o t o r s y s t e m p r o d u c e s t h e h i g h l ye f ? c i e n t , h i g h p e r f o r m a n c e a i r c r a f t d e s c r i b e d i n t h i s e m b o d iment.

The e f ? c i e n c y o f t h i s s y s t e m W i l l a t t a i n i t s maximum b yo p e r a t i n g t h e t i p - j e t d r i v e n r o t o r i n i t s most e f ? c i e n t z o n e o fo p e r a t i o n When i n VTOL p e r a t i o ns . T e s t s W i t h t h e q u a r t e rs c a l e model shoWed t h a t t h e r o t o r s most e f ? c i e n t zone ofo p e r a t i o n i s When t h e t i p v e l o c i t y i s a r o u n d 8 0 0 f e e t p e rs e c o n d . The f a s t e r t h e r o t o r i s d r i v e n up t o t h e p o i n t b e f o r et h e t i p e n t e r s t h e s o n i c t r a n s i t i o n r e g i o n , t h e more e f ? c i e n tt h e s y s t e m becomes due t o t h e c e n t r i f u g a l a c t i o n on t h e g a smass W i t h i n t h e b l a d e s . A l s o , t h e h e a v i e r t h e l o a d on t h er o t o r s y s t e m , t h e h i g h e r t h e o p e r a t i n g g a s p r e s s u r e o f t h es y s t e m , t h e d e n s e r t h e g a s , t h e more mass b e i n g a c t e d u p o nb y c e n t r i f u g a l f o r c e .

F I G . 1 2 i s a c h a r t t h a t shoWs t h e r e l a t i o n s h i p betWeenr o t o r rpm a n d v a r i o u s k i n d s o f h o r s e p o W e r a t z e r o - p i t c h ,n o - l o a d c o n d i t i o n s . T h r u s t horsepoWer Was c a l c u l a t e d from

20

25

30

35

40

45

50

55

60

6 5

4t h e s t a n d a r d e q u a t i o n : r p m > < t o r q u e d i v id e d b y 5 2 5 0 . P r o ? l ea n d c o m p r e s s o r h o r s e p o W e r Were a l s o c a l c u l a t e d u s i n gs t a n d a r d e q u a t i o n s . N o t i c e t h a t c o m p r e s s o r h o r s e p o W e rs t a r t s o u t b e i n g l e s s e f ? c i e n t , a n d t h e n a t 2000 r p m , b e g i n si n c r e a s i n g i n e f ? c i e n c y u n t i l i t becomes more e ? i c i e n t t h a nt h e o t h e r s a t 2750 rpm. The r o t o r r p m of 2750 e q u a t e s t o at i p v e l o c i t y o f 8 1 3 f p s f o r t h i s p a r t i c u l a r r o t o r .

F I G . 1 3 i s a c h a r t t h a t shoWs t h e r e l a t i o n s h i p betWeen t h esame t h r e e k i n d s o f h o r s e p o W e r ( e x c e p t i n d u c e d h p i si n c l u d e d W i t h p r o ? l e h p h e r e ) v e r s u s b l a d e p i t c h W h i l s t rpmi s ?xed a t 2700 t h i s t i m e . N o t i c e , a s p o i n t e d o u t abovec o n c e r n i n g l o a d , t h a t t h e l a r g e r t h e p i t c h , t h e more e f ? c i e n tt h e s y s t e m b e c o m e s .

N o t e t h a t t h r u s t a n d p r o ? l e o r p r o ? l e / i n d u c e d h o r s e p o W e rt r a c k each o t h e r on both c h a r t s of FIGS. 1 2 * 1 3 .

The o v e r a l l o b j e c t o f t h i s i n v e n t i o n i s t o t e a c h a methodby Which t i l t - r o t o r compound a i r c r a f t c a n b e made f a s t e r ,mu c h i g h t e r , mu c h e s s c o s t l y , mu c h e s s c o m p l e x a n d moree f ? c i e n t t h a n i s p r e s e n t l y knoW n i n t h e a r t .

The p r e s e n t i n v e n t i o n a s s e m b l e s a number o f t e c h n o l og i e s a n d m e t h o d s i n t o a h a r m o n i o u s , s y n e r g i s t i c e m b o d iment of a t i l t - r o t o r c o m p o u n d VTOL i r c r a f t . I n t h e p r ef e r r e d embodiment, Which h a s some n u m e r i c a l v a l u e s u s e df o r i l l u s t r a t i v e p u r p o s e s o n l y , W e h a v e a h i g h p e r f o r m a n c ef u s e l a g e i n c l u d i n g e m p e n n a g e s u i t a b l e f o r c a r r y i n g e i g h ta d u l t s . We add t o i t a s m a l l Wing t h a t i s h i g h l y e f ? c i e n t a t300+ m p h d e s i g n e d t o h a v e a Wing l o a d i n g o f a r o u n d 5 0 t o6 0 l b s / s q . f t . We h e n i n s t a l l tWo 800 b t h r u s t f a n j e t e n g i n e sW i t h s e v e r a l v a l v e s t o d i v e r t t h e h o t e x h a u s t g a s e s t o v a r i o u sn o z z l e s o r j e t s d e p e n d i n g upon t h e n e e d . NoW, add tWog a s - p o W e r e d t i p - j e t d r i v e n , r i g i d , t h r e e - b l a d e d t i l t - r o t o ra s s e m b l i e s ( p r e v i o u s l y d e s c r i b e d a s m u l t i p l e - ? o w t h r u s tg e n e r a t o r s ) t h a t c a n b e t i l t e d a b o u t t h e p i t c h a x i s and W eh a v e t h e b a s i c m a j o r c o m p o n e nt s t h a t When o p e r a t e d i n t h emanner t o b e d e s c r i b e d W i l l y i e l d t h e s u p e r i o r p e r f o r m i n gt i l t - r o t o r compo un d VTOL i r c r a f t d e s c r i b e d h e r e i n .

Problems t h a t h e r e - t o - f o r e Were unrecognized o r b e l i e v e dt o be i n s o l u b l e a r e n o W t u r n e d t o a d v a n t a g e s . For example,i t h a s been a common b e l i e f t h a t hovering and VTOLo p e r a t i o n s consume t h e m o s t poWer ( o u t o f g r o u n d e f f e c t , o fc o u r s e ) , a n d t h a t t h e poWer p l a n t had t o b e s i z e d f o r t h e s eo p e r a t i o n s . C o m b i n i n g t h r u s t a u g m e n t a t i o n W i t h a t i l t - r o t o ra i r c r a f t a l l o W s u s t h e huge a d v a n t a g e o f b e i n g a b l e t o h o v e ra 7,650 l b . a i r c r a f t With a mere 648 l b s . of t h r u s t . T h i se q u a t e s t o a t h r u s t a u g m e n t a t i o n r a t i o o f 1 1 . 8 . And bytWeaking t h e r o t o r p a r a m e t e r s s u c h a s r p m and l o a d , Wed i s c o v e r a n u n r e c o g n i z e d p r o b l e m o f h e a v y d r i v e t r a i n st h o u g h t t o b e more e f ? c i e n t t h a n t i p - j e t d r i v e n r o t o r s , andt a k e a d v a n t a g e o f i p - j e t d r i v e n r o t o r s t o g a i n t h e maximume f ? c i e n c y b e t W e e n t h e p o W e r p l a n t a n d t h e m u l t i p l e - ? o wt h r u s t g e n e r a t o r ( s ) a s p r e v i o u s l y d e s c r i b e d .I t i s c o m m o n l y e x p e c t e d t h a t h u g e s a v i n g s i n W e i g h t a n de x p e n s e c o u l d b e r e a l i z e d i f h e a v y , e x p e n s i v e , b u l k y d r i v et r a i n p a r t s c o u l d b e r e p l a c e d W i t h t i p - j e t d r i v e n r o t o r s , a n di t i s kn oWn t h a t an a n t i - t o r q u e d e v i c e i s n o t n e e d e d , b u t i t i sn o t common noWledge t h a t b l a d e r o o t s can be s u b s t a n t i a l l ys m a l l e r and l i g h t e r b e c a u s e t h e r e i s a l m o s t no t o r q u einvolved h e r e . The hub f o r t h e b l a d e s s e r v e s mostly a s ana n c h o r p o i n t f o r t h e b l a d e r o o t s . A n o t h e r u n e x p e c t e d r e s u l ti s t h a t t h i s system becomes more e f ? c i e n t t h e f a s t e r t h e r o t o ri s t u r n e d , a n d W i t h s c i m i t a r t i p p e d b l a d e s , i t i s p o s s i b l e t oo b t a i n a ma x i m um e ? f e c t i v e t i p v e l o c i t y o f a b o u t M a c h . 8 5 .T h i s i s because t h e r o t o r a c t s l i k e a g i a n t c e n t r i f u g a l c o mp r e s s o r u p o n t h e g a s mass i n s i d e i t . Another u n e x p e c t e da d v a n t a g e i s t h a t t h i s a l s o Works t o o u r a d v a n t a g e due t o t h eg a s becoming d e n s e r a s t h e r o t o r l o a d i n c r e a s e s . Anothera d v a n t a g e i s t h a t a m u c h s m a l l e r ?xed Wing i s r e q u i r e d on


15/17

U S 7 , 1 4 7 , 1 8 2 B15

t h i s c r a f t b e c a u s e t h e Wing i s n o t n o r m a l l y u s e d f o r t a k e o l f sa n d l a n d i n g s . T h u s , p r o ? l e d r a g d r o p s b y a l a r g e a m o u n t ,W h i c h e q u a t e s t o b e t t e r e ? i c i e n c y a n d s p e e d When t h ea i r c r a f t i s s u s t a i n e d by t h e ?xed W i n g s . A n o t h e r e l e m e n t W ee l i m i n a t e i n t h e p r e f e r r e d embodiment i s t h e b l a d e h i n g e .Be ca use t h e s e b l a d e s W i l l a l s o s e r v e a s p r o p e l l e r s , We eedr i g i d i t y , s o W e do b e t t e r W i t h o u t h i n g e s . An d t o i n s u r eminimum a s energy l o s s e s We m a k e s u r e t h e gas passagesand d u c t i n g have a uniform c r o s s - s e c t i o n from t h e s o u r c e t ot h e v a r i o u s j e t n o Z Z l e s . C o m b i n e d , t h e s e f e a t u r e s i n c r e a s ee ? i c i e n c y a n d s p e e d o v e r p r i o r a i r c r a f t .F i n a l l y , i f a n e n g i n e q u i t s , a m a n i f o l d a n d v a l v e s p r o v i d ea Way t o i m m e d i a t e l y t r a n s f e r t h e o u t p u t o f t h e W o r k i n ge n g i n e t o b o t h r o t o r a s s e m b l i e s , a s W e l l a s b o t h j e t e x h a u s tn o Z Z l e s , i f d e s i r e d . I n t h e e x t r e m e l y u n l i k e l y e v e n t t h a t a ne n g i n e s - o u t e m e r g e n c y l a n d i n g i s r e q u i r e d , a n o r m a l a u t o r ot a t i o n emergency l a n d i n g can b e made.N o W p u t y o u r s e l f i n t o t h e c o c k p i t o f t h i s a i r c r a f t . Y o u v ec o m p l e t e d y o u r ? i g h t c h e c k , a n d y o u a r e r e a d y t o t a k e o l f o rj u m p - o ? ) f r o m y o u r FAA a p p r o v e d p a r k i n g l o t . Y o u r W i n g? a p s a r e s e t a t 6 0 d e g r e e s . Y o u push t h e t h r o t t l e s f o r W a r dW i t h y o u r r i g h t h a n d . Y o u f e e d i n some p i t c h and y o u r c r a f ts t a r t s t o a s c e n d . Y o u m a i n t a i n s t a b i l i t y and c o n t r o l a s you i f to f f W i t h t h e h e l p o f a c o m p u t e r t h a t c o n t r o l s r e a c t i o n e t s f o rp i t c h , a i r ? o W t o t h e t i p - j e t r o t o r s f o r r o l l , a n d a i r ? o W t o j e te x h a u s t n o Z Z l e s on e i t h e r s i d e o f t h e f u s e l a g e f o r y a W . Y o ul i f t t h e l a n d i n g g e a r , and W h e n you a r e up maybe 50 o r 100f e e t , d e p e n d s , you e a s e f o r W a r d on your VTOLiForWard F l i g h t c o n t r o l moving i t o u t o f t h e VTOL d e t e n tp o s i t i o n . The o t o r s b e g i n t o r o t a t e f o r W a r d i n t o t h e p r o p e l l e rp o s i t i o n . Y o u r a i r c r a f t b e g i n s m o v i n g f o r W a r d . You i n c r e a s ef o r W a r d s p e e d u n t i l y o u r W i n g s b e g i n t o c a r r y some o f t h el o a d a t a r o u n d 60 k n o t s . Y o u e t y o u r ? a p s t o 30 d e g r e e s , andW h e n you have r e a c h e d 100 k n o t s , you a r e on h e W i n g s . Y o ut a k e i n a l l o f y o u r ? a p s . By t h i s t i m e y o u r r o t o r s h a v ebecome p r o p e l l e r s a n d more j e t g a s i s g o i n g o u t t h e j e te x h a u s t n o Z Z l e s and l e s s t o t h e r o t o r . Another onboardcomputer h e l p s you ?nd t h e b e s t r o t o r rpm v e r s u s r o t o r p i t c hv e r s u s j e t t h r u s t f o r optimum e ? i c i e n c y . I t W i l l c h a n g e a sf o r W a r d s p e e d a n d a l t i t u d e i n c r e a s e . B o t h c o m p u t e r s h e l p t or e d u c e p i l o t l o a d .

As you s e t t l e i n a t 1 5 , 0 0 0 f e e t , you may b e s u r p r i s e d t h a ty o u a r e noW r u i s i n g a t arou nd 350 k n o t s . Y o u never Wo u l dh a v e b e l i e v e d p e r f o r m a n c e c o u l d b e t h i s good i n a t i p - j e td r i v e n t i l t - r o t o r compound VTOL i r c r a f t . W e l l , W i t h t i p - j e td r i v e n r o t o r s , you d o n t n e e d a t u r b o p r o p e n g i n e W i t h a l l o fi t s a t t e n d a n t g e a r i n g a n d s h a f t i n g . Nor d o you n e e d i n t e rl i n k i n g d r i v e t r a i n s b e t W e e n t h e tWo e n g i n e s W hen o n l y al i g h t W e i g h t m a n i f o l d W i l l s u ? i c e i n t h e e v e n t t h a t oneq u i t s i a n o t h e r h u g e u n a p p r e c i a t e d a d v a n t a g eD e s c r i p t i o n U s i n g D r a W i n g s

R e f e r r i n g t o t h e 3 - v i e W d r a W i n g s o f t h e p r e f e r r e d e m b o d im e n t , F I G S . 1 , 2 a n d 3 , a n d F I G S . 4 , 5 a n d 6 , a i r c r a f t 1 h a sa n e l o n g a t e d f u s e l a g e 1 0 . A o r W a r d s W e p t Wing 1 2 e x t e n d so u t e q u a l l y f r o m t h e l o W e r p o r t i o n o f b o t h s i d e s o f f u s e l a g e1 0 . F I G S . 1 , 2 a n d 3 shoW Wing a s s e m b l y 1 2 W i t h a p a i r o fc o m b i n a t i o n ? a p s a n d a i l e r o n s 1 8 shoWn e x t e n d e d . F I G S . 4 ,5 and 6 shoW t h e same p a i r o f c o m b i n a t i o n ? a p s and a i l e r o n s18 r e t r a c t e d . P i t c h r e a c t i o n j e t s 26 a r e a t t h e extreme a i l endo f f u s e l a g e 1 0 , a n d a r e u s e d f o r p i t c h c o n t r o l W hen i n t h eVTOL nd t r a n s i t i o n modes.

F I G S . 1 , 2 a n d 3 a n d a g a i n i n F I G S . 4 , 5 a n d 6 , shoW e a c hh a l f Wing o f Wing a s s e m b l y 1 2 h a s a t i l t a b l e r i g i d r o t o ra s s e m b l y 1 4 ( a l s o s o m e t i m e s c a l l e d a r o t a r y - W i n g ) s h r o u d e db y f a i r i n g 3 8 a n d a t t a c h e d t o t h e W i n g t i p s . F I G S . 1 , 2 a n d3 shoW e a c h r o t o r a s s e m b l y 1 4 i n t h e VTOL o s i t i o n , W h i l e

20

25

30

35

40

45

50

55

60

6 5

6F I G S . 4 , 5 a n d 6 shoW them i n t h e ? x e d - W i n g ? i g h t modep o s i t i o n . E a c h r o t o r a s s e m b l y 1 4 i s d r i v e n b y c o m p r e s s e dg a s f r o m f a n j e t e n g i n e s 2 4 shoWn i n t h e a i r c r a f t i n F I G S . 2a n d 5 , a n d a g a i n s c h e m a t i c a l l y i n F I G . 7 , a n d h a s a p a s s a g et h r o u g h a s u p p o r t i n g s t r u c t u r e 44 t h a t t e r m i n a t e s a t manif o l d / i m p e l l e r 4 2 W i t h i n hub 4 6, a l l shoWn n F I G . 8 , a n d W i t hm a n i f o l d / i m p e l l e r 4 2 shoWn i s o m e t r i c a l l y b y i t s e l f i n F I G .9 . B l a d e s 16 have an e n t r a n c e and a p a t h t h r o u g h o u t t h e i rl e n g t h t h a t t e r m i n a t e s a t t h e i r t i p s , e a c h h a v i n g a n o Z Z l e o rt i p - j e t 2 0 . The p r e f e r r e d e m b o d i m e n t o f t h e r o t o r a s s e m b l y1 4 h a s t h r e e b l a d e s 1 6 .

F I G . 7 s h o W s a t y p i c a l a r r a n g e m e n t , s c h e m a t i c a l l y , o fe n g i n e s 2 4 and m a n i f o l d 4 0 f o r e x h a u s t g a s e s , Which p r ov i d e t h e c o m p r e s s e d g a s f o r o p e r a t i o n o f t h e r o t o r s 1 4 , t h ep i t c h r e a c t i o n j e t s 26 and a va r i a b l e c o n t r i b u t i o n o f t h r u s t a sd e t e r m i n e d b y o v e r a l l ? i g h t c o n d i t i o n s t o j e t e x h a u s t n o Z Z l es2 2 . Main p i t c h v a l v e 3 6 i s a d o u b l e a c t i n g v a l v e i n t h a t i tr o t a t e s f o r v a r y i n g t h e mass g a s ? oW betWeen t h e upper andl o W e r p i t c h r e a c t i o n e t s 2 6, a n d s l i d e s i n a n d o u t f o r o v e r a l lvolume o r mass ? o W t o t h e p i t c h r e a c t i o n j e t s 2 6 .

Ma i n g a s v a l v e s 3 2 a t t h e o u t p u t o f e a c h e n g i n e 2 4 o p e r a t ei n t h r e e d i s t i n c t W a y s p l u s p r o v i d e v a r y i n g d e g r e e s o f e a c h .F i r s t , t h e y p r o v i d e a d i r e c t p a t h t o j e t e x h a u s t n o Z Z l e s 2 2 ,a n d W hen d o i n g s o t h e y s h u t o f f t h e c o m m u n i c a t i o n p a t h i n t omanifold 4 0 . Second, t h e y can be t u r n e d s o t h a t a l l o r av a r i a b l e amount o f ? oW i s d i r e c t e d i n t o m a n i f o l d 40b e t W e e n e n g i n e s 2 4 , t h u s some c o u l d ?o W o u t j e t e x h a u s tn o Z Z l e s 22 and t h e r e m a i n d e r Would g o i n t o m a n i f o l d 4 0 .T h i r d , m ai n g a s v a l v e s 32 can be t u r n e d t o block a deade n g i n e 2 4 a n d a l l o W t h e o t h e r e n g i n e 2 4 t o p r o v i d e c o mp r e s s e d g a s t o j e t e x h a u s t n o Z Z l e 2 2 a f t o f t h e d e a d e n g i n e2 4 .A i p - j e t a d j u s t v a l v e 3 4 i s u s e d t o c o n t r o l t h e r e l a t i v e g a s

?oW betWeen t h e t W o r o t o r s 1 4 . The a m o u n t of g a s mass?oW a l r e a d y b e i n g c o n t r o l l e d b y m a i n g a s v a l v e s 3 2 , t i p - j e ta d j u s t v a l v e 3 4 m e r e l y a d j u s t s t h e r e l a t i v e amount t o e a c hr o t o r a s s e m b l y 1 4 .F I G . 1 0 shoWs a s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f c o m p u t e r 5 1 ,W h i c h h e l p s t h e p i l o t t o m a n a g i n g a t t i t u d e a n d s t a b i l i t y o fa i r c r a f t 1 . F I G . 1 1 i s a s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f computer5 2 , Which manages a i r c r a f t e ? i c i e n c y W h e n i n h o r i z o n t a lc r u i s e ? i g h t .O p e r a t i o n

A i r c r a f t 1 , b e i n g a t i l t - r o t o r compound a i r c r a f t , h a s t W omodes o f ? i g h t o p e r a t i o n W i t h a b l e n d i n g o f t h e t W o d u r i n gt r a n s i t i o n . V e r t i c a l t a k e o l f i s a c c o m p l i s h e d b y ? r s t c o n ? gu r i n g a i r c r a f t 1 f o r VTOL o p e r a t i o n s b y f u l l y e x t e n d i n gc o m b i n a t i o n ? a p a n d a i l e r o n s 1 8 , a n d p u t t i n g t h e Modes W i t c h ( n o t s h o W n ) i n t h e VTOL T a k e o f f p o s i t i o n . T h emode s W i t c h p r o v i d e s c o m p u t e r 5 1 i n p u t f o r c o n t r o l l i n gmain g a s v a l v e s 3 2 t h a t c o n t r o l t h r u s t from j e t e x h a u s tn o Z Z l e s 2 2 f o r yaW c o n t r o l . Computer 5 1 W i l l a l s o c o n t r o lmain p i t c h v a l v e 3 6 t h a t p r o v i d e s g a s f o r v a r i a b l e a m o u n t so f t h r u s t a t e i t h e r o f tWo p i t c h r e a c t i o n j e t s 2 6, a n d t a k e sc o n t r o l o f t i p - j e t a d j u s t v a l v e 3 4 t o p r o v i d e t h e means o fc o n t r o l l i n g r o l l b y v a r y i n g t h e a m o u n t o f e l a t i v e p o W e r ( g a s?oW) betWeen t h e tWo r o t o r s 1 4 .

R o t o r a s s e m b l i e s 1 4 , b e i n g a l r e a d y i n t h e v e r t i c a l p o s i t i o nr e a d y f o r a VTOL i f t - o f f , a r e a W a i t i n g y o u r command. Y o upush f o r W a r d on t h e t h r o t t l e s and r o t o r p i t c h l e v e r s j u s t a syou Would i n a normal t W i n - e n g i n e a i r c r a f t . A i r c r a f t 1becomes a i r b o r n e a s l i f t from m u l t i p l e - ? o W t h r u s t g e n e r a t o rr o t o r a s s e m b l i e s 14 overcomes a i r c r a f t 1 W e i g h t . Y o u r a i s el a n d i n g g e a r 5 0 , a n d , i f y o u d e s i r e , may t a k e c o n t r o l o f o l l ,p i t c h a n d yaW W i t h s l i g h t a d j u s t m e n t s t o a s m a l l j o y s t i c k


16/17

U S 7 , 1 4 7 , 1 8 2 B17

( n o t s h o w n ) t h a t c o n t r o l s t i p - j e t a d j u s t v a l v e 3 4 , m a i n p i t c hv a l v e 3 6, a n d main g a s v a l v e s 3 2 r e s p e c t i v e l y .

A n o t h e r c o n t r o l ( n o t s h o W n ) , o p e r a t e d b y t h e p i l o t s l e f th a n d , i s marked VTOLiForWard F l i g h t a n d c o n t r o l st h e p o s i t i o n i n g o f t h e t i l t - r o t o r s W i t h r e s p e c t t o t h e a i r c r a f t .B e f o r e l e a v i n g g r o u n d e f f e c t , t h e p i l o t e a s e s t h i s c o n t r o lf o r W a r d Which W i l l s i m u l t a n e o u s l y b e g i n t o r o t a t e t h e tWor o t o r a s s e m b l i e s 1 4 f o r W a r d t o W a r d t h e i r ? x e d - W i n g ? i g h t ,p r o p e l l e r p o s i t i o n . C o m p u t e r 5 1 m a i n t a i n s a i r c r a f t a t t i t u d eand s t a b i l i t y , a s i t s t i l l h a s c o n t r o l W h i l e t h e a i r c r a f t 1 i s i nt h e VTOL r t r a n s i t i o n modes. Y o u p u l l i n your c o m b i n a t i o n?ap and a i l e r o n s 1 8 t o 3 0 d e g r e e s a s you p a s s t h r o u g h 6 0k n o t s .

By t h e t i m e a i r c r a f t 1 h a s r e a c h e d 1 0 0 k n o t s , i t h a s f u l l yt r a n s i t i o n e d t o f o r W a r d ? x e d - W i n g ? i g h t . R o t o r a s s e m b l i e s1 4 a r e i n t h e i r f o r W a r d a n d l o c k e d p o s i t i o n . A i g h t ( n o tshoWn) on y o u r i n s t r u m e n t p a n e l i n d i c a t e s you a r e t h r o u g ht r a n s i t i o n s o you b r i n g i n y o u r c o m b i n a t i o n ?ap and a i l e r o n s1 8 a n d p u s h y o u r Mod e s W i t c h t o F i x e d W ing F l i g h t p o s i t i o n . T h i s t a k e s c o m p u t e r 5 1 o u t o f c o n t r o l o f v a r i o u sv a l v e s e x c e p t f o r t h e m ai n g a s v a l v e s 3 2 , Which a r e n o Wb e i n g f e d by a n e ? i c i e n c y p r o g r a m i n c o m p u t e r 5 2 t h a tc o n t r o l s r o t o r assembly 14 p i t c h a s W e l l a s t h e r e l a t i v eamount o f mass ? oW betWeen t i p - j e t s 20 and j e t e x h a u s tn o Z Z l e s 2 2 t o p r o v i d e maximum e ? i c i e n c y a n d economyd u r i n g y o u r ? i g h t . I n p u t s t o c o m p u t e r 5 2 f o r t h i s p u r p o s ei n c l u d e a m b i e n t t e m p e r a t u r e , p r e s s u r e a l t i t u d e , f u e l ? o W ,and f o r W a r d s p e e d . L i k e t h e c r u i s e c o n t r o l i n y o u r c a r , youcan o v e r r i d e computer 52 a t any t i m e .

Y o u c o n t r o l a i r c r a f t 1 n o W j u s t a s you Would any o t h e rt w i n - e n g i n e a i r c r a f t . F o r i n s t a n c e , p u s h i n g a q u a d r a n t ( n o ts h o W n ) f o r W a r d l o W e r s e l e v a t o r 2 8 . P r e s s i n g t h e l e f t p e d a l( n o t s h o W n ) c a u s e s r u d d e r 3 0 t o s W i n g l e f t . T u r n i n g t h eq u a d r a n t l e f t d e ? e c t s c o m b i n a t i o n ? a p a n d a i l e r o n s 1 8 t op r o v i d e a l e f t b a n k .

W h e n t h e p i l o t h a s e a s e d t h e t h r o t t l e a n d s l o W e d a i r c r a f t1 t o a b o u t 1 2 0 k n o t s i n p r e p a r a t i o n f o r a VTOL a n d i n g , heW i l l p u t t h e mode s W i t c h i n t o t h e VTOL a n d i n g p o s i t i o n .He W i l l c o n t i n u e s l o W i n g a i r c r a f t 1 a n d e x t e n d c o m b i n a t i o n?ap a n d a i l e r o n s 1 8 t o 30 d e g r e e s a t 1 0 0 k n o t s . He d r o p sl a n d i n g g e a r 5 0 . H e n o W b e g i n s t o s l o W l y co me back on t h eVTOLiForWard F l i g h t c o n t r o l i n t o t h e VTOL o s it i o n . T h i s c o n t r o l r o t a t e s r o t o r a s s e m b l i e s 1 4 a b o u t t h ea i r c r a f t s p i t c h a x i s . W h e n h e r e a c h e s h i s d e s i r e d r a t e o fd e s c e n t , h e W i l l m a i n t a i n i t b y a d j u s t i n g r o t o r a s s e m b l y 1 4p i t c h W i t h h i s r o t o r p i t c h c o n t r o l l e v e r s . V a l v e 3 6 f o r p i t c hr e a c t i o n j e t s 2 6 i s c o n t r o l l e d by c o m p u t e r 5 1 o n c e a g a i n t om a i n t a i n a t t i t u d e a n d s t a b i l i t y a b o u t t h e p i t c h a x i s . Main g a sv a l v e s 3 2 c o n t r o l t h r u s t from e t e x h a u s t n o Z Z l e s 2 2 f o r yaWc o n t r o l , a n d t i p - j e t a d j u s t v a l v e 3 4 p r o v i d e s t h e means o fc o n t r o l l i n g r o l l b y v a r y i n g t h e a m o u n t o f e l a t i v e p o W e r ( g a s?oW) betWeen t h e tWo r o t o r a s s e m b l i e s 1 4 .

BeloW 6 0 k n o t s , a i r c r a f t 1 i s f u l l y i n t h e VTOL ode. Thep i l o t may t a k e c o n t r o l f r o m c o m p u t e r 5 1 a t a n y t i m e bym a k i n g a d j u s t m e n t s v i a t h e s m a l l j o y s t i c k t h a t c o n t r o l st i p - j e t a d j u s t v a l v e 3 4 , m a i n p i t c h v a l v e 3 6 , a n d m a i n g a sv a l v e s 3 2 . As a i r c r a f t 1 i s sloWed t o a p p r o x i m a t e l y 2 5 k n o t st h e p i l o t f u l l y e x t e n d s c o m b i n a t i o n ? a p a n d a i l e r o n s 1 8 t o 6 0d e g r e e s . W h e n a i r c r a f t 1 i s W i t h i n g r o u n d e f f e c t , t h e p i l o te a s e s r o t o r assembly 14 p i t c h and t h r o t t l e c o n t r o l s t o c o mp l e t e h i s v e r t i c a l l a n d i n g . Once h e i s b a c k on t h e g r o u n d , h ec a n t a x i by r o t a t i n g main g a s v a l v e s 3 2 t o t h e s t r a i g h tt h r o u g h p o s i t i o n a n d p r o v i d i n g some t h r u s t W i t h t h r o t t l e s .When main g a s v a l v e s 32 a r e r o t a t e d t o t h i s p o s i t i o n , a l lc o m p r e s s e d g a s poWer i s b l o c k e d f r o m g o i n g t o r o t o ra s s e m b l i e s 1 4 and t h e y f r e e W h e e l t o a s t o p .

25

30

35

40

45

50

55

60

6 5

8CONCLUSION, RAMIFICATIONS, AND SCOPE

There h a s been a l o n g f e l t need t o have a VTOL i r c r a f tt h a t can ?y o v e r 300 k n o t s . T h i s h a s o n l y been a c h i e v e d s of a r b y t h e m i l i t a r y s V - 2 2 O s p r e y a n d t h e AV-8 H a r r i e r .When a i r c r a f t c o s t v e r s u s u s e f u l load o r o p e r a t i n g c o s t sv e r s u s u s e f u l l o a d a r e c o n s i d e r e d , n e i t h e r can m e e t t h e highs t a n d a r d s o f h i s p r e f e r r e d e m b o d i m e n t , W h i c h W i l l ?y W e l lover 300 k n o t s . A l l t i l t - r o t o r a i r c r a f t s t i l l use s h a f t d r i v e nr o t o r s . None have shoWn a n a s s e m b l i n g o f p r o p e r l yd e s i g n e d e l e m e n t s t o a c c o m p l i s h W h a t t h e p r e s e n t i n v e n t i o na c c o m p l i s h e s .

To s u m m a r i z e , W e u s e t i l t a b l e , m u l t i p l e - ? o W t h r u s t gene r a t o r s c o m p r i s e d o f g a s - p o W e r e d t i p - j e t d r i v e n r o t o r s f o rt h e r o t o r a s s e m b l i e s . T h e s e m u l t i p l e - ? o W t h r u s t g e n e r a t o r so f t e n o b t a i n a n a u g m e n t a t i o n r a t i o o f g r e a t e r t h a n 1 0 , a n dt h e y p r o v i d e t h e l i f t W h e n i n t h e VTOL r t r a n s i t i o n m o d e s .Whe n i n t h e ? x e d - W i n g ? i g h t m o d e , t h e y may p r o v i d e t h et h r u s t f o r f o r W a r d ? i g h t , o r j e t e x h a u s t may p r o v i d e t h et h r u s t , o r t h e r e may be a combination of h e t W o . The r o t o r sh a v e c o l l e c t i v e p i t c h c o n t r o l b u t no c y c l i c c o n t r o l . The b l a d er o o t s e c t i o n s a r e s m a l l and l i g h t W e i g h t compared t o s h a f td r i v e n c o u n t e r p a r t s .

The p r e f e r r e d embodiment u s e s a m e d i u m t o h i g h a s p e c tr a t i o , medi um t o h i g h l y l o a d e d ? x e d - W i n g t o s u s t a i n t h ea i r c r a f t d u r i n g t h e h i g h e r s p e e d s o f f o r W a r d ? i g h t .A o m p u t e r h e l p s m a i n t a i n a t t i t u d e a b o u t t h e p i t c h a x i sW i t h r e a c t i o n j e t s i n VTOL n d t r a n s i t i o n m o d e s . V a r y i n gt h e t h r u s t betWeen t h e tWo e t e x h a u s t n o Z Z l e s c o n t r o l s y a W ,and v a r y i n g t h e g a s p oWer t o t h e tWo r o t o r a s s e m b l i e sc o n t r o l s r o l l . T h i s i s a l l combined With uniform c r o s ss e c t i o n d u c t i n g , n e c e s s a r y g a s v a l v e s , o t h e r n e c e s s a r y cont r o l s u r f a c e s , and a m a n i f o l d / i m p e l l e r i n e a c h r o t o r hub f o re ? i c i e n t t r a n s i t i o n o f g a s ? oW i n t o t h e b l a d e s . O t h e r o p e r at i o n a l f u n c t i o n s i n c l u d e o p e r a t i n g t h e r o t o r s a t h i g h rpm a n dl o a d s f o r b e t t e r e ? i c i e n c y W hen i n VTOL and t r a n s i t i o n a lm o d e s , u s i n g ? a p s o n t h e ? x e d - W i n g t o r e d u c e W i n g p r i n tunder t h e r o t o r s and h e l p t o a c h i e v e t r a n s i t i o n a t a loWerf o r W a r d s p e e d . We c a n o p t i o n a l l y u s e d um p and c a p t u r ev a l v e s a s a means of c o n t r o l l i n g t e m p e r a t u r e , p r e s s u r e andvolume o f t h e c o m p r e s s e d g a s e s .The p r e f e r r e d embodiment o f t h i s t i l t - r o t o r a i r c r a f t h a s anumber o f u n f o r e s e e n a d v a n t a g e s , Which i n c l u d e :

. economy of o p e r a t i o n ,

. economy of maintenance,

. l a r g e r e d u c t i o n i n W e i g h t ,

. l a r g e r e d u c t i o n i n i n i t i a l c o s t ,

. increased payload,

. i n c r e a s e d r a n g e ,

. increased performance,

. b u i l t i n r o t o r / p r o p e l l e r d e - i c i n g c a p a b i l i t y ,

. n o s h a f t i n g , clutches or transmissions required t oc o u p l e t W o p o W e r - p l a n t s / r o t o r s t o g e t h e r f o r e m e r g e n c ye n g i n e o u t c o n d i t i o n s ,

1 0 . g a i n s i n e ? i c i e n c y r e s u l t a s r o t o r l o a d and rpmi n c r e a s e ,1 1 . d o e s n o t r e q u i r e a l a r g e , heavy b l a d e r o o t s e c t i o n t o

c a r r y t h e l o a d from t h e s h a f t a s i n s h a f t d r i v e n r o t o r s ,1 2 . b e t t e r a e r o d y n a m i c d e s i g n s , ( T h e a i r c r a f t c a n b e

d e s i g n e d f r o m a p u r e l y a e r o d y n a m i c a n d c g / b a l a n c ep o i n t o f v i e W . T h e r e need b e no c o n s i d e r a t i o n g i v e n t ol o c a t i n g t h e e n g i ne ( s ) W i t h r e s p e c t t o t h e d r i v e t r a i n o rr o t o r s . )1 3 . a h u g e t h r u s t a u g m e n t a t i o n r a t i o ,

1 4 . no n e e d f o r an a n t i - t o r q u e device s uch a s a t a i l r o t o ro n a h e l i c o p t e r ,

1 5 . p e r m i t s d r i v i n g more t h a n o n e d e v i c e ( r o t o r a n d / o rp r o p e l l e r ) W i t h o n e e n g i n e s i m p l y b y d u c t i n g g a s t o t h ed e v i c e s l o c a t i o n s ,


17/17

U S 7 , 1 4 7 , 1 8 2 B11 6 . e l i m i n a te s t h e need f o r e n g i n e n a c e l l e s and t h e i r e x t r a

d r a g W hen t i s d e s i r e d t o p l a c e p r o p e l l e r s o u t on t h eW i n g s ,1 7 . p e r m i t s t h e u s e o f a v e r y s m a l l Wing ( h i g h Wingl o a d i n g ) b e c a u s e t h e W i n g i s o n l y u s e d t o t a l l y b y i t s e l f

f o r l i f t W h e n t h e r o t o r / p r o p e l l e r s a r e f u l l y f o r W a r d i nt h e ? x e d - W i n g ? i g h t m o d e . ( T h i s o c c u r s a t s p e e d su p W a r d o f 1 0 0 m p h , a n d W i l l d r a m a t i c a l l y i n c r e a s ea i r c r a f t p e r f o r m a n c e a b o v e t h i s s p e e d d u e t o mu c hl o W e r W i n g p r o ? l e d r a g . )

I t i s t h e o b j e c t o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n t o p r o v i d e ag a s - p o W e r e d t i p - j e t - d r i v e n t i l t - r o t o r c o m p o u n d VTOL a i rc r a f t t h a t W i l l b r i n g a b o u t t h e r e a l i Z a t i o n o f e a c h a n d e v e r yone of t h e s e v e n t e e n enumerated bene?ts l i s t e d a b o v e .

W h i l e t h e a b o v e d e s c r i p t i o n c o n t a i n s many s p e c i ? c i t i e s ,t h e s e should not be construed a s l i m i t a t i o n s o n t h e scope oft h e i n v e n t i o n , b u t r a t h e r a s an exempli?cation of one p r ef e r r e d embodiment t h e r e o f . M a n y o t h e r v a r i a t i o n s a r e p o ss i b l e . F o r e x a m p l e , a n y ?xed Wing t h a t W i l l s u s t a i n t h ea i r c r a f t i s s u i t a b l e . T h e r e a r e v a r i o u s e n g i n e o p t i o n s t h a t canb e u s e d , s u c h a s p u r e t u r b i n e e n g i n e s o r r e c i p r o c a t i n gengines combined With a bloWer o r compressor, o r t W oe n g i n e s of t h e same o r d i f f e r e n t t y p e s c o u l d be used r a t h e rt h a n p r o v i d i n g t h e main g a s v a l v e o f my r e f e r r e d e m b o d im e n t . ForWard ? i g h t p r o p u l s i o n c a n be a n y c o m b i n a t i o n o fp r o p e l l e r a n d j e t e x h a u s t . VTOL t t i t u d e c o n t r o l c o u l d a l s obe by o t h e r means, such a s e x t r a c o n t r o l s u r f a c e s f o r used u r i n g s l o W s p e e d m a n e u v e r s , o r s m a l l f a n s a t p o i n t s on t h ea i r c r a f t t h a t Would a d e q u a t e l y c o n t r o l a t t i t u d e a r o u n d t h eyaW, p i t c h a n d r o l l a x e s ; o r e ve n a combination of v a r i o u smeans could be u s e d . TWo, t h r e e o r e ve n f o u r b l a d e s couldb e u s e d f o r t h e t i l t - r o t o r a s s e m b l i e s , a n d t h e y c o u l d b e o f t h e? e x - b e a m - r o t o r t y p e d e p i c t e d i n U . S . P a t . N o . 6 , 0 2 4 , 3 2 5 ,Which c a n b e u s e d f o r c o l l e c t i v e p i t c h c o n t r o l . The t h r e ep o s i t i o n m o d e s W i t c h , Whose f u n c t i o n s Were a d d r e s s e d i nt h e o p e r a t i o n s p a r t o f t h e d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f p r ef e r r e d e m b o d i m e n t s e c t i o n , may b e r e p l a c e d b y c o m p u t e rl o g i c . A n d , ? n a l l y , i t m i g h t b e a d v a n t a g e o u s t o s t o p t h er o t o r s c o m p l e t e l y a n d f e a t h e r t h e m d u r i n g ? x e d - W i n g ? i g h t .These a r e a l l r a m i ? c a t i o n s of t h e p r e s e n t i n v e n t i o n t h a t Ic l a i m .

A c c o r d i n g l y , t h e s c o p e o f t h e i n v e n t i o n s h o u l d b e d e t e rmined n o t b y t h e e m b o d i m e n t i l l u s t r a t e d , b u t b y t h ea p p e n d e d c l a i m s a n d t h e i r l e g a l e q u i v a l e n t s .I c l a i m :1 . A c c o r d i n g t o t h e p r e s e n t i n v e n t i o n , t h e r e i s p r o v i d e d ag a s - p o W e r e d t i p - j e t - d r i v e n t i l t - r o t o r c o m p o u n d a i r c r a f t , i n

h e r e i n a f t e r knoW n a s s a i d a i r c r a f t , c o m p r i s i n g :a . ) a f u s e l a g e ;b . ) a ?xed Wing h a v i n g a n o u t e r p o r t i o n and a c e n t r a lp o r t i o n W i t h t h e c e n t r a l p o r t i o n ? x e d t o s a i d f u s e l a g er e s u l t i n g i n t W o h a l f - W i n g s p r o j e c t i n g t o e i t h e r s i d e df r o m s a i d f u s e l a g e ;

c . ) one o r mo r e engines With means f o r providing comp r e s s e d g a s e s t o a m a n i f o l d e q u i p p e d W i t h v a l v e s f o rt h e c o n t r o l and d i s t r i b u t i o n of s a i d g a s e s t o :1 . ) one o r mo r e multiple-?oW t h r u s t g e n e r a t o r s comp r i s i n g :( a ) a r o t o r c a r r i e d by a s u p p o r t i n g s t r u c t u r e W i t h

means f o r c h a n g i n g t h e o r i e n t a t i o n of s a i d r o t o rbetWeen a ? r s t mod e Wherein t h e p l a n e o f r o t a t i o no f s a i d r o t o r i s i n a ? r s t p o s i t i o n f o r v e r t i c a l andh o v e r o p e r a t i o n s , and a s e c o n d mod e Wherein t h ep l a n e of r o t a t i o n o f s a i d r o t o r i s i n a secondp o s i t i o n f o r h o r i Z o n t a l ? i g h t o p e r a t i o n s ;( b ) s a i d r o t o r h a v i n g a p l u r a l i t y o f b l a d e s , e a c hh a v i n g a t i p , a r o o t and a t r a i l i n g e d g e , s a i d r o o t

20

25

30

35

40

45

50

55

60

1 0b e i n g r i g i d l y ?xed t o a hub W h e r e i n s a i d b l a d e sa r e p e r m i t t e d t o r o t a t e a b o u t t h e i r span a x i s f o rc o l l e c t i v e p i t c h c o n t r o l , W h e r e i n s a i d r o t o r cont a i n s an e n t r a n c e and a p a t h f o r compressed g a s e st o ?oW from s a i d s u p p o r t i n g s t r u c t u r e i n commun i c a t i o n With s a i d manifold t o a t i p - j e t on each ofs a i d b l a d e s ;( c ) a j e t e x h a u s t W i t h means f o r p r o p e l l i n g s a i da i r c r a f t i n h o r i Z o n t a l ? i g h t .

2 . An i r c r a f t a s d e s c r i b e d i n c l a i m 1 Wherein t h e mainm e a n s o f p r o p e l l i n g s a i d a i r c r a f t d u r i n g ? x e d - W i n g ? i g h t i sb y a n y c o m b i n a t i o n o f j e t e x h a u s t f r o m s a i d e n g i n e ( s )t h r o u g h a j e t e x h a u s t n o Z Z l e ( s ) a n d t h r u s t f r o m t h e m u l t i p l e?oW t h r u s t g e n e r a t o r ( s ) , a n d , f u r t h e r i n c l u d i n g a main g a sv a l v e ( s ) t o c o n t r o l a n d m o d u l a t e t h e c o m p r e s s e d g a s ?oWf r o m s a i d e n g i n e ( s ) t o s a i d m u l t i p l e - ? o W t h r u s t g e n e r a t o r ( s )a n d s a i d j e t e x h a u s t n o Z Z l e ( s ) f o r f o r W a r d p r o p u l s i o n .3 . An a i r c r a f t a s d e s c r i b e d i n c l a i m 1 Wherein s a i dm u l t i p l e - ? o W t h r u s t g e n e r a t o r s a r e c a r r i e d b y s a i d s u p p o r ti n g s t r u c t u r e s t h a t a r e a ? i x e d t o s a i d o u t e r p o r t i o n s o f s a i dh a l f - W i n g s W i t h means f o r c h a n g i n g t h e p o s i t i o n o f s a i dr o t o r betWeen VTOL o d e W h e r e i n t h e p l a n e o f r o t a t i o n o fs a i d r o t o r i s s u b s t a n t i a l l y h o r i z o n t a l , a n d a ? x e d - W i n g ? i g h tmode W h e r e i n t h e p l a n e o f r o t a t i o n o f s a i d r o t o r i s s u b s t a nt i a l l y v e r t i c a l .4 . An i r c r a f t a s d e s c r i b e d i n c l a i m 1 f u r t h e r c o m p r i s i n gc o m p u t e r c o n t r o l l e d r e a c t i o n j e t s t h a t augment o t h e r meansf o r c o n t r o l l i n g s a i d a i r c r a f t a t t i t u d e d u r i n g VTOL n d t r a ns i t i o n ? i g h t on v a r i o u s yaW, p i t c h o r r o l l a x e s .5 . An i r c r a f t a s d e s c r i b e d i n c l a i m 1 , Wherein s a i d v a l v e sand manifold a r e con?gured f o r a dead e n g i n e emergency s ot h a t c o m p r e s s e d g a s e s f r o m t h e g o o d e n g i n e a r e r e d i r e c t e dt o t h e m u l t i p l e - ? o W t h r u s t g e n e r a t o r a n d j e t e x h a u s t n o Z Z l eon t h e dead e n g i n e s i d e a s r e q u i r e d .6 . An a i r c r a f t a s d e s c r i b e d i n c l a i m 1 , Wherein s a i dm u l t i p l e - ? o W t h r u s t g e n e r a t o r h a s a n a u g m e n t a t i o n r a t i o o fa t l e a s t 2 .

7 . An i r c r a f t a s d e s c r i b e d i n c l a i m 1 Wherein t h e p o r t i o no f s a i d d u c t i n g i n t h e ? x e d W i n g a n d s a i d d u c t i n g W i t h i n s a i dr o t a r y - W i n g b l a d e s may p r o v i d e d e - i c i n g c a p a b i l i t y f o r s a i d? x e d W i n g a n d r o t a r y - W i n g .8 . An i r c r a f t a s d e s c r i b e d i n c l a i m 1 Wherein s a i d b l a d et i p s a r e s c i m i t a r shaped s o a s t o achieve a loWer e ? f e c t i v eM a c h n u m b e r .

9 . An i r c r a f t a s d e s c r i b e d i n c l a i m 1 f u r t h e r i n c l u d i n g am a n i f o l d / i m p e l l e r ( s ) W i t h i n s a i d h u b ( s ) c o m p r i s i n g a ni m p e l l e r t h a t i n c l u d e s s p i r a l e d b l a d e s t h a t form i n t o c r o s ss e c t i o n a l p a t h s t h e s i Z e o f e a c h b l a d e e n t r a n c e , t h u s p r o v i di n g a n i m p e l l i n g f o r c e , smooth ?oW a n d t r a n s i t i o n o f t h e g a si n t o s a i d b l a d e s .

1 0 . An i r c r a f t a s d e s c r i b e d i n c l a i m 1 f u r t h e r i n c l u d i n gl e a d i n g e d g e a n d t r a i l i n g e d g e ? a p s a ? i x e d t o e a c h o f s a i dh a l f - W i n g s p r o v i d e a means o f :a . ) r e m o v i n g some o f t h e W i n g f o o t - p r i n t a r e a d i r e c t l y

u n d e r s a i d r o t o r ( s ) , a n db . ) e ? f e c t i n g t r a n s i t i o n t o ? x e d - W i n g ? i g h t a t a l o W e r ? i g h ts p e e d s .1 1 . An i r c r a f t a s d e s c r i b e d i n c l a i m 1 f u r t h e r i n c l u d i n g a

means f o r u s i n g a computer t o c o n t r o l r o t o r b l a d e p i t c h andr o t o r rpm s e t t i n g s .

1 2 . An i r c r a f t a s d e s c r i b e d i n c l a i m 1 f u r t h e r i n c l u d i n g ac o m p u t e r means t o c o n t r o l v a r i o u s s y s t e m s f o r e a s i n g p i l o tl o a d .

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