專利名稱：用于動力風(fēng)箏穩(wěn)定性的外形結(jié)構(gòu)及其使用的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空中飛行和發(fā)電系統(tǒng)，更具體地，涉及被配置成用于在被栓繩栓住的起飛和降落期間維持傾斜控制(pitch control)的空中載具。


本發(fā)明的各種實施例在隨后的詳細說明和附圖中被公開。 圖I為圖示了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的被栓繩栓住的風(fēng)箏系統(tǒng)的實施例的簡圖。圖2為圖示了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的處于懸停模式的動力風(fēng)箏系統(tǒng)的簡圖。圖3A為根據(jù)本發(fā)明一些實施例的動力風(fēng)箏的概略圖。圖3B為根據(jù)本發(fā)明一些實施例的動力風(fēng)箏的概略圖。圖4為圖示了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的處于側(cè)風(fēng)飛行中并結(jié)合有坐標系統(tǒng)和視風(fēng)矢量的動力風(fēng)箏的簡圖。圖5A為示出了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的尾翼的第一定向的動力風(fēng)箏的簡圖。圖5B為示出了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的尾翼的第二定向的動力風(fēng)箏的簡圖。圖5C為根據(jù)本發(fā)明一些實施例的風(fēng)箏和尾翼幾何形狀的簡圖。圖為根據(jù)本發(fā)明一些實施例的各種風(fēng)箏和尾翼位置的簡圖。圖5E為根據(jù)本發(fā)明一些實施例的懸停模式下具有傾斜定向的風(fēng)箏的簡圖。圖6為根據(jù)本發(fā)明一些實施例的風(fēng)箏的附圖。圖7為根據(jù)本發(fā)明一些實施例的安裝在起飛結(jié)構(gòu)上的風(fēng)箏的概略圖。
具體實施例方式本發(fā)明可以以多種方式實施，包括作為方法、裝置和系統(tǒng)。在本說明書中，這些實施或本發(fā)明可以采取的任何其他形式可以被稱為技術(shù)?？傊?，所公開方法的步驟的順序可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)作出改變。除非另有說明，被描述為被配置以執(zhí)行任務(wù)的元件例如處理器或存儲器可以作為在給定的時間臨時地被配置以執(zhí)行所述任務(wù)的普通元件或者被生產(chǎn)以執(zhí)行所述任務(wù)的特定元件來實施。在此使用時，術(shù)語“處理器(processor)”指的是被配置成用于處理數(shù)據(jù)例如計算機程序指令的一個或多個設(shè)備、電路和/或處理核。本發(fā)明一個或多個實施例的詳細描述在下面將連同圖示本發(fā)明原理的附圖一起被提供。本發(fā)明結(jié)合這樣的實施例進行描述，但是本發(fā)明并不限制于任何實施例。本發(fā)明的范圍僅由權(quán)利要求限定并且本發(fā)明包含許多替代物、變體和等同物。為了提供對本發(fā)明徹底的理解，許多具體細節(jié)在如下的說明書中被闡述。這些細節(jié)以用于示例的目的被提供，而且本發(fā)明可以根據(jù)權(quán)利要求在不包括這些具體細節(jié)中一些或全部的情況下實施。為了清楚的目的，在本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的技術(shù)材料并沒有詳細地描述，使得本發(fā)明沒有不必要的晦澀。在動力風(fēng)箏的起飛、懸停、轉(zhuǎn)換和降落中有用的空氣動力學(xué)表面和驅(qū)動器的配置被公開。在一些實施例中，動力風(fēng)箏包括主翼、尾翼并且可能包括多個其他翼。風(fēng)箏連接到栓繩，該栓繩連接到地面或一些其他物體。風(fēng)箏包括多個轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子被用來用電力輸入來產(chǎn)生推力或者以拖拽(drag)為代價來發(fā)電。在側(cè)風(fēng)或靜止飛行模式的空氣動力學(xué)構(gòu)架中，動力風(fēng)箏的尾翼位于質(zhì)心和動力風(fēng)箏上的栓繩附接位置之后和之上。尾翼被部分地或完全地驅(qū)動，以使得當風(fēng)箏轉(zhuǎn)換到懸停飛行模式和從懸停飛行模式轉(zhuǎn)換而翼處于懸停飛行模式時，尾翼主要保持附加的氣動流(attached aerodynamic flow)并增加風(fēng)箏的穩(wěn)定性。在包括與風(fēng)級范圍、風(fēng)向范圍和風(fēng)的其他特性范圍相關(guān)聯(lián)的條件的環(huán)境條件的范圍內(nèi)，所述方式中的尾片的布置和驅(qū)動在一些飛行模式下改善了空氣動力穩(wěn)定性并且增加了氣動控制權(quán)(aerodynamic control autority)。以被栓繩栓住的飛機(aircraft)和被栓繩栓住的直升飛機(helicopter)兩種方式飛行的動力風(fēng)箏可以被設(shè)計成包含空氣動力學(xué)表面，該空氣動力學(xué)表面改善兩種飛行?！な较潞娇掌?craft)的縱搖軸空氣動力穩(wěn)定性而在其他軸的穩(wěn)定性上沒有顯著的不利影響。當以被控制住的飛機的方式飛行時，風(fēng)箏必須從根本上控制或者被動地減小通過風(fēng)箏縱搖軸的栓繩上的張力以延長疲勞壽命或者減小栓繩和翼的結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量。當以直升飛機的方式懸停時，風(fēng)箏在縱搖軸上必須具有足夠的控制權(quán)(control authority),以避免栓繩受到陣風(fēng)帶來的無法控制的干擾。兩種飛行模式下的縱搖軸的控制可以由主翼后上方的全動式尾翼來改進。當作為被栓繩栓住的飛機飛行時，所述尾翼就以常規(guī)尾翼的方式起作用。另外，在一些實施例中，尾翼可以通過尾翼翼型阻力系數(shù)(airfoil drag coefficient)的調(diào)整來增加穩(wěn)定效果，使得其在負迎角時產(chǎn)生較高的阻力(drag)并且在正迎角時產(chǎn)生較低的阻力，以增加動力風(fēng)箏穩(wěn)定性的方式。當懸停時，風(fēng)箏上的視風(fēng)大致垂直于風(fēng)箏的主翼。當主翼被旋轉(zhuǎn)90度以使得其在懸停中面向風(fēng)時，尾翼提供恢復(fù)力矩。雖然有可能造出不具有這種空氣動力學(xué)表面的特定結(jié)構(gòu)的動力風(fēng)箏，但這樣的風(fēng)箏卻必然需要更快速更精確的控制信號，并且因此對傳感器噪聲和元件損壞的抵抗力較低。雖然為了將水平尾翼保持在主翼的尾流(wake)之外的目的，飛機上的尾翼可以安置在相對于主翼的類似位置，但是當風(fēng)箏的主翼大致平行于或者大致垂直于感知風(fēng)時，它不能起到消除繞著質(zhì)心和栓繩附接點中的一個或者兩個的空氣動力力矩的同樣目的。此外，它還沒起到在懸停時降低風(fēng)對栓繩的干擾的目的。在本發(fā)明的一些實施例中，如圖I所示，動力風(fēng)箏101適于飛行但被栓繩栓住。在一些實施例中，風(fēng)箏101包括一個或多個翼型元件(airfoil elements),其上安裝有潤輪驅(qū)動發(fā)電機。所述風(fēng)箏101通過栓繩102被連接到物體103上，該物體可以是一個地面裝置。在一些實施例中，所述地面裝置可以包括纏繞和/或絞盤元件，其適于延長或放出栓繩。在一些實施例中，所述栓繩102包括結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電兩個方面。所述地面裝置可以適于接收從所述風(fēng)箏101通過栓繩102傳送的電能。在一些實施例中，風(fēng)箏101可以在側(cè)風(fēng)飛行模式下運行。風(fēng)箏101也可以在其他飛行模式下飛行，包括靜止飛行模式和懸停飛行模式。風(fēng)箏101可以適于在上述飛行模式之間轉(zhuǎn)換。在一些實施例中，為了產(chǎn)生電力的目的，風(fēng)箏101以懸停飛行模式從地面起飛并轉(zhuǎn)換到側(cè)風(fēng)飛行模式。在一些實施例中，地面裝置可以包括適于在地面上支撐風(fēng)箏的外形(aspects)。在一些實施例中，當受到地面裝置的約束時，所述風(fēng)箏被安置在垂直結(jié)構(gòu)中，以使得風(fēng)箏的“前面”向上。在一些實施例中，系統(tǒng)適于以風(fēng)箏被約束在地面裝置上的這種方式開始發(fā)電模式。渦輪驅(qū)動發(fā)電機可以適于還具有馬達驅(qū)動螺旋槳的功能。風(fēng)箏可以使用馬達驅(qū)動螺旋槳來提供垂直向下的推力以用于從地面起飛并上升到所想要的高度。隨著風(fēng)箏增加其高度，所述地面裝置可以延長栓繩。在一些實施例中，在風(fēng)箏飛行的起飛部分中栓繩的張力受到監(jiān)控。如下所述，在想要的高度上，風(fēng)箏可以開始從基本上垂直的起飛模式轉(zhuǎn)換到規(guī)則的飛行模式。在飛行結(jié)束時，風(fēng)箏101可以從規(guī)則的飛行模式轉(zhuǎn)換至懸停飛行模式以降落。在一些實施例中，在從懸停模式轉(zhuǎn)換后，風(fēng)箏101可以在栓繩102的末端以規(guī)則的、靜止的飛行模式飛行。在一些實施例中，風(fēng)箏101可以以側(cè)風(fēng)飛行模式飛行。在一些實施例中，側(cè)風(fēng)飛行模式可以大體上是環(huán)形的。在一些實施例中，可以以其它飛行模式飛行。在側(cè)風(fēng)飛行模式下，風(fēng)箏101在飛行路徑104上以在數(shù)量級上等于或大于風(fēng)速105的慣性 速度飛行。在各種實施例中，飛行路徑104包括通過空間的路徑、通過參數(shù)空間的路徑或任何其他適當?shù)穆窂剑鰠?shù)空間包括通過路徑的對于發(fā)電量、栓繩張力或其他可測量變量的預(yù)定目標。在各種實施例中，參數(shù)包括如下的一個或多個栓繩102上的張力、風(fēng)箏101上的載荷、風(fēng)箏101的角位移率或者任何其他適當?shù)膮?shù)。在靜止飛行模式下，風(fēng)箏101在相較于風(fēng)速105而言為小的慣性速度下飛行。在這種飛行模式下，在空中支撐風(fēng)箏101的大部分升力來自于拂過風(fēng)箏101的翼的風(fēng)105的流動。在飛行模式之間轉(zhuǎn)換時，風(fēng)箏101從一種飛行模式轉(zhuǎn)換到另一種飛行模式。在各種實施例中，飛行模式的轉(zhuǎn)換包括高度地動態(tài)操控、接近靜態(tài)平衡的慢操控或任何其他適當?shù)牟倏?。圖2為圖示了處于懸停飛行模式下的動力風(fēng)箏的實施例的簡圖。在本發(fā)明的一些實施例中，懸停飛行模式下的風(fēng)箏201使用轉(zhuǎn)子或一些其他機載電力裝置來產(chǎn)生推力以克服重力并且用來保持位置或移動到目標位置。在一些實施例中，用于在側(cè)風(fēng)飛行模式下產(chǎn)生電能的渦輪驅(qū)動發(fā)電機也可以在懸停模式下用作馬達驅(qū)動螺旋槳。一些克服重力的力仍然可以從風(fēng)箏201的翼上獲得。在這種飛行模式下，視風(fēng)(apparent wind)214在大致垂直于風(fēng)箏201的定向(orientation)。物體23可以是向風(fēng)箏201上的轉(zhuǎn)子提供電力以產(chǎn)生機載推力的地面站。在一些實施例中，提供至轉(zhuǎn)子的電力由風(fēng)箏201上的電源提供。在各種實施例中，物體203包括附接在地面的基站、船、載運車輛、沒有固定到地面的有效載荷(payload)或者栓繩202附接到其上的任何其他適當物體。在一些實施例中，當推力由風(fēng)箏201上的轉(zhuǎn)子輸出時，物體203向風(fēng)箏201提供電力，并且當轉(zhuǎn)子以拖拽(drag)為代價來發(fā)電時物體203從風(fēng)箏201接收電力。在一些實施例中，風(fēng)箏201使用例如電池或燃氣發(fā)動機的機載電源來根據(jù)需要向轉(zhuǎn)子提供電力。栓繩202包括高強度材料以從風(fēng)箏201向物體203傳送機械力。栓繩202包括電氣元件以從物體203至風(fēng)箏201或從風(fēng)箏201至物體203傳送電力。在一些實施例中，栓繩202的電氣和機械元件為同一元件。在一些實施例中，栓繩202包括用來傳送其他形式能量的元件。在各種實施例中，栓繩202包括固定長度的栓繩、可變長度的栓繩，或者具有用于栓繩的任何其他適當?shù)奶卣骰蛐阅?。在一些實施例中，栓繩202可以被卷繞在與物體203聯(lián)合的線軸上或者被卷繞在與風(fēng)箏201聯(lián)合的線軸上。 在本發(fā)明的一些實施例中，如圖3A所示，風(fēng)箏適于在如上所討論的各種飛行模式下飛行。在一些實施例中，圖3的風(fēng)箏301被用來實施圖I的系統(tǒng)中的風(fēng)箏101或者被用來實施圖2的系統(tǒng)中的風(fēng)箏201。在所示的示例中，風(fēng)箏301包括多個渦輪機/螺旋槳，在此以后稱為轉(zhuǎn)子310。轉(zhuǎn)子310包括連接到驅(qū)動裝置的空氣動力學(xué)表面，其被用來以增加的拖拽為代價以風(fēng)力渦輪機的方式發(fā)電，或者被用來通過電力或機械動力的輸入來產(chǎn)生推力。在一些實施例中，轉(zhuǎn)子310包括連接到固定槳距或可變槳距螺旋槳的電動馬達/發(fā)電機。在各種實施例中，與轉(zhuǎn)子310的一轉(zhuǎn)子相關(guān)聯(lián)的馬達包括氣馬達，空氣動力學(xué)表面包括撲翼，或者轉(zhuǎn)子包括能夠?qū)饬鬓D(zhuǎn)換成機械動力或?qū)C械動力轉(zhuǎn)換成氣流的任何其他驅(qū)動的空氣動力學(xué)表面。在一些實施例中，當風(fēng)箏310在側(cè)風(fēng)飛行模式下沿著飛行路徑飛行或者在靜止飛行模式下飛行時，轉(zhuǎn)子310被用于提取動力或施加推力，或者當風(fēng)箏301懸停時被用于施加推力(例如圖5B所描述的)。在一些實施例中，轉(zhuǎn)子310只能夠產(chǎn)生推力。在各種實施例中，轉(zhuǎn)子組310包括四個單獨的轉(zhuǎn)子、單個獨立的轉(zhuǎn)子或者任何其他適當數(shù)量的獨立的轉(zhuǎn)子或其他空氣動力驅(qū)動器。在所示的示例中，風(fēng)箏301包括多個翼，例如兩個翼311和312。主翼311包括風(fēng)箏301的主翼表面，并且在一些飛行模式下提供大部分的氣動力。在一些實施例中，主翼311包括多個翼節(jié)段。尾翼312包括風(fēng)箏301的后部翼表面，并提供主要用于實現(xiàn)風(fēng)箏301的穩(wěn)定性并保持力和力矩的平衡的較小放的氣動力。在一些實施例中，尾翼312包括許多翼節(jié)段。在各種實施例中，風(fēng)箏301包括其他翼，例如翼313，其被用于產(chǎn)生進一步的升力，或者用于進一步增加風(fēng)箏301的穩(wěn)定性以減少風(fēng)箏301的一些結(jié)構(gòu)元件的阻力(drag)，或者用于一些其他適當?shù)哪康?。在一些方面，?11、312和313以及風(fēng)箏301所包括的任何其他翼通過結(jié)構(gòu)支撐件(例如翼梁320和翼梁322)與轉(zhuǎn)子310連接。在各種實施例中，風(fēng)箏301上的主翼311、尾翼312、翼313和其他翼表面包括剛性的單一元件翼型(airfoils)、撓性的單一元件翼型、具有控制表面的翼型、多元件翼型或翼型類型的任何其他組合。在一些實施例中，風(fēng)箏301上的一些翼上的控制表面在懸停飛行模式下被偏轉(zhuǎn)以修正風(fēng)箏301的空氣動力學(xué)性能或改變風(fēng)箏301的穩(wěn)定性性能。在各種實施例中，翼上的多元件翼型的后部或前部元件的偏轉(zhuǎn)被用來為飛行模式之間轉(zhuǎn)換的想要部分誘導(dǎo)失速，被用來改變懸停飛行模式下該翼上的空氣動力壓力的中心，或者被用來以減少懸停飛行模式下翼上載荷變化的方式穩(wěn)定翼周圍的氣動流。圖3B是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的風(fēng)箏350的圖示示例。在此圖示示例中，主翼352為風(fēng)箏350提供主要的升力。主翼352具有8米的翼展。主翼352的面積為4平方米，并且主翼具有的縱橫比為15。四個渦輪驅(qū)動發(fā)電機351使用掛架356安裝到主翼352上。渦輪機之間的垂直間隔為O. 9米，在主翼352上下相等地間隔。在動力飛行模式或者懸停模式下所述渦輪驅(qū)動發(fā)電機適于還具有馬達驅(qū)動螺旋槳的功能。螺旋槳半徑為36厘米。尾桁架354被用來將后部控制表面附接到主翼352，并且通過延伸附接到栓繩。尾桁架的長度為2米。一垂直穩(wěn)定器355附接到尾桁架354的后面。在垂直穩(wěn)定器355的頂上的是尾翼353。尾翼353位于風(fēng)箏350的質(zhì)心之上I米。尾翼表面面積為O. 45平方米。在一些實施例中，風(fēng)箏350可以在140米的栓繩上飛行。
盡管在此用單一元件翼型進行說明，但是在一些實施例中，翼型可以包括多個元件。在一些實施例中，可以具有堆疊的翼型，或其他的翼型結(jié)構(gòu)。圖4為說明風(fēng)箏的實施例的簡圖。在所示示例中，風(fēng)箏401在側(cè)風(fēng)或靜止飛行模式下飛行。風(fēng)箏401飛入等于風(fēng)箏的慣性速度和風(fēng)的慣性速度的矢量和的視風(fēng)414。包括風(fēng)箏401的各種元件的位置在坐標系418中被標示出來。在坐標系418中，反向平行于視風(fēng)414的風(fēng)箏上的軸416被標示為‘X’?！甐軸415的指向與風(fēng)箏401在側(cè)風(fēng)飛行模式下飛行時的升力方向相反。當坐標以[‘X’、‘y’、‘z’ ]的順序列出時，‘Y’軸417以右手坐標系統(tǒng)的方式同時垂直于‘X’軸416和‘z’軸415。在各種實施例中，栓繩402在風(fēng)箏上的一個位置、兩個位置(例如附接到翼的一側(cè)和附接到翼的另一側(cè)，或者朝向風(fēng)箏的前面和朝向風(fēng)箏的后面)、多個點(例如四個)上附接到風(fēng)箏401，并且在此處栓繩附接到多個其他系帶上，所述多個系帶附接到所述多個點，或者栓繩直接或間接地使用系帶和/或任何其他適當?shù)倪B接件附接到任何其他數(shù)目的適當位置。在各種實施例中，栓繩402剛性地附接在風(fēng)箏401上的適用所有飛行模式的單一點，以旋轉(zhuǎn)中心根據(jù)來自于栓繩的力的方向或者由于一些其他變量而改變的方式附接或者任 何其他適當?shù)母浇臃绞礁浇?。在各種實施例中，風(fēng)箏401上的栓繩402的旋轉(zhuǎn)中心由聯(lián)動裝置、繩索或線纜的構(gòu)造或一些其他適當?shù)臋C構(gòu)控制。在一些實施例中，栓繩402直接附接到風(fēng)箏401上。在一些實施例中，栓繩402附接到風(fēng)箏401上的方式使得栓繩402的旋轉(zhuǎn)中心在不同的軸上不同。在各種實施例中，栓繩402以其可以從風(fēng)箏401上被解除的方式附接、以永久固定的方式附接或者以任何其他適當?shù)姆绞礁浇?。在一些實施例中，當觀察處于水平配置(horizontal configuration)中的風(fēng)箏時，尾翼相對于主翼升高的外形(aspect)允許在風(fēng)箏處于懸停模式時風(fēng)箏的傾斜控制的附加方法。風(fēng)箏垂直地正面朝上時，尾翼的升力中心以允許尾翼的升力變化的方式位于風(fēng)箏的后部，以使用后部距離(水平配置中尾翼高于主翼的數(shù)值)的力臂(lever arm)促使一力矩環(huán)繞懸停風(fēng)箏的重心。這種力隨著升力的變化而產(chǎn)生，被繞著風(fēng)箏質(zhì)心之后的距離作杠桿移動，促使一轉(zhuǎn)矩進入系統(tǒng)，從而使得風(fēng)箏傾斜的變化可以被控制。由于在操控和懸停期間風(fēng)箏可以在傾斜中擺動，懸停模式期間尾翼的更遠的后部位置(水平飛行模式下的“升高的位置”)允許風(fēng)箏的一些傾斜而仍然保持后部外形相對垂直于地面。在一些實施例中，由于風(fēng)、陣風(fēng)和其他原因的動態(tài)變化，風(fēng)箏可以被期望向后傾斜10度。在更極端的情況下，可以看到20度的傾斜變化。由于超出了被設(shè)計為10度的設(shè)計余量，就需要一種設(shè)計，使得在水平配置中被觀察時，尾翼的升力中心位于比通過風(fēng)箏重心的以30度向后升起的直線要高的點。雖然風(fēng)箏會繞著旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，在被栓繩栓住的飛行的大多數(shù)方面，旋轉(zhuǎn)中心在其確定中包含栓繩，在懸停模式下，栓繩張力可能變化，因此傾斜中的旋轉(zhuǎn)中心也可能在風(fēng)箏的質(zhì)心與朝向栓繩的位置之間變化。圖5A和5B為圖示風(fēng)箏的實施例的簡圖。在所示示例中，尾翼512在相對于風(fēng)箏501的兩個定向上示出。坐標系518假定附加在風(fēng)箏501上。尾翼512在X軸516上相對于栓繩502到風(fēng)箏501的兩個附接點或者相對于風(fēng)箏501的質(zhì)心520位于明顯的負位置。主翼512在z軸515上相對于栓繩502到風(fēng)箏501的兩個附接點以及相對于風(fēng)箏501的質(zhì)心520位于明顯為負的位置。尾翼512還能夠通過機械或空氣動力驅(qū)動部分地或完全地旋轉(zhuǎn)。圖5A示出的尾翼512被安置成大致平行于主翼511，以使得在一些或所有的情況范圍內(nèi)，尾翼512將主要保持附加的氣動流，在所述一些或所有的情況范圍內(nèi)，主翼511主要保持附加的氣動流。在此定向上，尾翼512通過提供除氣動阻尼力之外的氣動恢復(fù)力來增強風(fēng)箏501的穩(wěn)定性。如圖5A所示的定向在一些情況下可以用在靜止或側(cè)風(fēng)飛行中。圖5B示出的尾翼512被安置成大致垂直于主翼511，以使得對于反向平行于z軸515的視風(fēng)，尾翼512將保持附加的氣動流并提供氣動恢復(fù)力和氣動阻尼力。如圖5B所示的結(jié)構(gòu)可以是懸停模式的例證。在每種飛行模式下，尾翼512可以被驅(qū)動以提供所想要的控制力或者可以被保持固定。在各種實施例中，尾翼512通過機械驅(qū)動器的方式或者通過空氣動力學(xué)控制表面的移動的方式旋轉(zhuǎn)。在一些實施例中，尾翼512繞著位于翼型內(nèi)的固定點旋轉(zhuǎn)。在各種實施例中，尾翼512繞著一些其他的點或瞬時中心或者支撐尾翼的、隨著翼512旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，或者任何其他適當?shù)男D(zhuǎn)方式。在一些實施例中，多個翼旋轉(zhuǎn)以起到尾翼512的作用。在一些實施例中，其他翼或控制表面旋轉(zhuǎn)或偏轉(zhuǎn)以修正風(fēng)箏501的空氣動力學(xué)特征。在一些實施例中，所述系統(tǒng)被設(shè)計成使得其在側(cè)風(fēng)或靜止飛行模式與懸停飛行模式之間轉(zhuǎn)換的所有時刻保持靜態(tài)氣動平衡。例如，能夠在疾風(fēng)中以任意慢速率轉(zhuǎn)換飛行模 式的風(fēng)箏。風(fēng)箏包括有足夠控制權(quán)與風(fēng)接合(engage)的表面(例如具有力矩臂以改變風(fēng)箏姿態(tài)的尾部控制表面上的足夠面積)，以補償用于改變沖擊主翼的力(例如作用在主翼上的陣風(fēng))的時間。在一些實施例中，系統(tǒng)被設(shè)計成使得所述風(fēng)箏必須經(jīng)歷動態(tài)操控以在飛行模式之間轉(zhuǎn)換。例如，風(fēng)箏執(zhí)行一操控，所述操控一旦開始就需要完成。也就是說，在操控中沒有辦法控制風(fēng)箏以停止操控(或在停止后重新啟動)。所以，風(fēng)箏通過向上傾斜進入懸停模式以使得其頭部減速向上，當在垂直位置上接近于停止時，風(fēng)箏進入其懸停模式。圖5C示出了當尾翼512被驅(qū)動到可以用在懸停模式下的位置時與風(fēng)箏501 —起可見的幾何參數(shù)。在該圖示的示例中，風(fēng)箏可以直接地正面朝上，并且風(fēng)可以直接垂直于主翼底部地沖擊風(fēng)箏。在這種情況下，尾翼的升力可以被改變以提供繞著風(fēng)箏的質(zhì)心或旋轉(zhuǎn)中心的力矩。尾翼升力的變化將導(dǎo)致風(fēng)箏傾斜的改變，由于升力的改變將繞著尾翼的升力中心在風(fēng)箏質(zhì)心后面(在這種結(jié)構(gòu)中)的距離550作杠桿移動。經(jīng)過風(fēng)箏的質(zhì)心到尾翼的升力的中心所畫的直線的角度552表示這樣的功能范圍，即升力的改變可以用于使尾翼的升力的改變與環(huán)繞風(fēng)箏質(zhì)心的相同對應(yīng)方向上的力相互關(guān)聯(lián)。一旦風(fēng)箏向后傾斜到這條線的角度552，尾翼升力的增加將導(dǎo)致向上傾斜，而直到此角度尾翼升力的增加到將導(dǎo)致向下傾斜。在這種結(jié)構(gòu)中，尾翼升力的中心位于風(fēng)箏質(zhì)心后面的距離550決定偏離垂直多少角度，風(fēng)箏在懸停模式下可以被控制(使用相同的力感度)。圖示出了懸停模式期間風(fēng)箏的傾斜情況的變化。如所示的，在這種結(jié)構(gòu)中的尾翼的后部外形(表示水平飛行期間的升高外形)允許在可能位置的變化期間利用尾翼升力的改變來進行傾斜控制。在可能情況的變化期間，例如懸停模式期間的陣風(fēng)和離開垂直飛行的其他偏離，尾翼的后部外形允許足夠的控制。圖5E示出了懸停模式運行期間后部外形部分地傾斜的風(fēng)箏501。盡管向后傾斜偏離垂直，仍然有足夠的角度551允許良好的控制和系統(tǒng)抗拒陣風(fēng)的傾斜穩(wěn)定性。在一些實施例中，風(fēng)箏的馬達驅(qū)動螺旋槳將與風(fēng)結(jié)合將視風(fēng)傳送到尾翼以使得可以得到更多的控制。
在本發(fā)明的一些實施例中，如圖6所示，可以看到在懸停模式下的風(fēng)箏350附接到系帶362，所述系帶362附接到栓繩360。在這種結(jié)構(gòu)中，尾翼353處于大致垂直于主翼的水平位置?？梢钥吹斤L(fēng)向361基本上垂直于主翼。當栓繩360在風(fēng)箏橫搖中產(chǎn)生不對稱的力時，系帶362在風(fēng)箏350上產(chǎn)生一個扭矩。在這樣的實施例中，系帶362在擾動后恢復(fù)風(fēng)箏的橫搖角度，如果一些栓繩張力存在。通過這種方法，風(fēng)箏350可以在沒有充足控制輸入以主動地保持想要的橫搖或者在沒有任何主動的橫搖控制結(jié)構(gòu)或控制法則的情況下被懸停。在本發(fā)明的一些實施例中，沒有諸如系帶362的系帶，栓繩360直接附接到風(fēng)箏350上。在這樣的一些實施例中，附接點被布置以模仿系帶362的效果。在其他一些實施例中，風(fēng)箏350可以在懸停中保持一些其他的橫搖控制方法。在本發(fā)明的一些實施例中，越過尾翼的視風(fēng)是在懸停模式下飛行期間的實際風(fēng)和越過尾翼的潤流(propwash)的合量。如上所述,尾翼可以在視風(fēng)中用作升力翼并且會影響傾斜控制。 在本發(fā)明的一些實施例中，如圖7所示，可以看出風(fēng)箏501安裝在支撐結(jié)構(gòu)701上，該支撐結(jié)構(gòu)適于在降落期間接收風(fēng)箏501并且適于在起飛前支撐風(fēng)箏501。在一些實施例中，絞盤702可以適于在風(fēng)箏501降落期間卷繞栓繩502。在一些方面，支撐結(jié)構(gòu)701可以位于地面703上，或者位于其他位置。盡管為了清楚理解的目的已經(jīng)相當詳細地描述了前述實施例，但是本發(fā)明并不限于所提供內(nèi)容。本發(fā)明的實施還有很多可選方式。所公開的實施例是例證性的而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種適于被栓繩栓住的飛行的風(fēng)箏，所述風(fēng)箏包括 主翼， 尾翼，和 尾桁架，所述尾桁架在第一端部附接到所述主翼，所述尾桁架在第二端部結(jié)合到所述尾翼， 其中，所述尾翼安裝在所述主翼的后上方。
2.如權(quán)利要求I所述的風(fēng)箏，其中，所述尾翼包括適于相對于所述主翼旋轉(zhuǎn)的能夠完全旋轉(zhuǎn)的翼。
3.如權(quán)利要求2所述的風(fēng)箏，其中，所述尾翼適于從平行于所述主翼的第一位置旋轉(zhuǎn)到垂直于所述主翼的第二位置。
4.如權(quán)利要求2所述的風(fēng)箏，其中，所述尾翼適于從平行于所述主翼的第一位置旋轉(zhuǎn)到超過垂直于所述主翼的第二位置。
5.如權(quán)利要求3所述的風(fēng)箏，其中，所述風(fēng)箏進一步包括多個渦輪驅(qū)動發(fā)電機。
6.如權(quán)利要求5所述的風(fēng)箏，其中，所述多個渦輪驅(qū)動發(fā)電機適于用作馬達驅(qū)動螺旋槳。
7.如權(quán)利要求2所述的風(fēng)箏，其中，所述風(fēng)箏具有質(zhì)心，當所述主翼位于水平位置時，所述尾翼繞著遠高于經(jīng)過所述質(zhì)心并偏離水平20度的線的一點旋轉(zhuǎn)。
8.如權(quán)利要求2所述的風(fēng)箏，其中，所述風(fēng)箏具有質(zhì)心，當所述主翼位于水平位置時，所述尾翼繞著遠高于經(jīng)過所述質(zhì)心并偏離水平30度的線的一點旋轉(zhuǎn)。
9.被栓繩栓住的動力風(fēng)箏的飛行方法，所述方法包括步驟 在懸停模式下提升風(fēng)箏離開地面，所述風(fēng)箏包括主翼和當在水平方向上觀察時位于所述主翼后方上的尾翼，在所述懸停模式下所述風(fēng)箏被垂直地定向；以及 至少部分地通過旋轉(zhuǎn)所述尾翼來控制傾斜中的所述風(fēng)箏，其中，所述尾翼適于從水平旋轉(zhuǎn)至少九十度。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其進一步包括在所述風(fēng)箏升高離開地面棲息處后放出栓繩的步驟，其中，所述栓繩在第一端部附接到所述風(fēng)箏并且在第二端部附接到地面站。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其進一步包括從所述懸停模式轉(zhuǎn)換到向前飛行模式的步驟。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其進一步包括從所述向前飛行模式轉(zhuǎn)換到所述懸停模式的步驟。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其進一步包括在懸停模式下降落風(fēng)箏的步驟，同時至少部分地通過旋轉(zhuǎn)所述尾翼來控制傾斜中的所述風(fēng)箏。
14.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述提升風(fēng)箏離開地面的步驟包括提升安裝在地面接收固定裝置上的風(fēng)箏使其脫離。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述降落風(fēng)箏的步驟包括將風(fēng)箏降落到地面接收固定裝置。
16.如權(quán)利要求9所述的方法，其進一步包括通過所述風(fēng)箏與所述栓繩之間的系帶的使用而在橫搖軸上約束風(fēng)箏的步驟。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，在橫搖軸上約束風(fēng)箏包括使用系帶系統(tǒng)在橫搖軸上約束風(fēng)箏，所述系帶系統(tǒng)適于提供繞著橫搖軸的恢復(fù)力。
18.具有被栓繩栓住的風(fēng)箏的發(fā)電系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 地面站； 栓繩，所述栓繩在第一端部附接到所述地面站并且在第二端部附接到風(fēng)箏；以及 風(fēng)箏，所述風(fēng)箏包括 主翼， 尾翼，及 尾桁架，所述尾桁架在第一端部附接到所述主翼，所述尾桁架在第二端部結(jié)合到所述尾翼， 其中，所述尾翼安裝在所述主翼的后上方。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述尾翼包括適于相對于所述主翼旋轉(zhuǎn)的能夠完全旋轉(zhuǎn)的翼。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述尾翼適于從平行于所述主翼的第一位置旋轉(zhuǎn)到垂直于所述主翼的第二位置。
21.如權(quán)利要求19所述的風(fēng)箏，其中，所述尾翼適于從平行于所述主翼的第一位置旋轉(zhuǎn)到超過垂直于所述主翼的第二位置。
全文摘要
使用被栓繩栓住的風(fēng)箏的發(fā)電、風(fēng)基飛行以及起飛和降落的系統(tǒng)和方法，所述風(fēng)箏具有安裝在主翼或多個翼的后部的升高尾部。所述尾部可以完全旋轉(zhuǎn)并且可以適于從其傳統(tǒng)飛行模式期間的標稱位置旋轉(zhuǎn)超過90度。
文檔編號A63H27/08GK102917765SQ201180026044
公開日2013年2月6日 申請日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月24日
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