在侧风飞行和悬停飞行之间转换飞行器的方法和系统的制作方法
【专利说明】在侧风飞行和悬停飞行之间转换飞行器的方法和系统
[0001 ]与相关申请的横向参考
[0002]本申请要求2013年12月30日提交的美国专利申请第14/144,545号的优先权，该申请是2013年9月16日提交的美国专利申请第14/028,251的部分继续申请，二者由此通过引用整体结合于此。
技术领域
【背景技术】
[0003]除非在此另有所指，在这个部分中描述的材料不是本申请中的权利要求的现有技术，也不是通过包括在这个部分中而承认为现有技术。
[0004]能量产生系统可以将化学和/或机械能量(例如，动能)转化成电能，以用于各种用途，如电器系统。作为一个例子，风能系统可以将动态风能转换成电能。
【发明内容】
[0005]在此描述了在特定飞行模式之间转换飞行器的方法和系统，该方法和系统利于将动能向电能转化。简要地说，在此描述的实施方式可以减少在飞行器上的阻力，这可以减小飞行器用于飞行的推力。此外，在此描述的实施方式可以允许飞行器的推力对重量比降低。于是，飞行器的一个或多个部件的尺寸，如马达或推进器可以被减小，这可以允许飞行器被优化以用于能量产生飞行。
[0006]在一个方面，该方法可以包括以悬停飞行取向操作飞行器，其中，该飞行器连接到系绳，该系绳限定了具有基于系绳的长度的半径的系绳球体，其中，该系绳连接到地面站；在飞行器处于悬停飞行取向的同时，将飞行器定位在基本上在所述系绳球体上的第一位置，其中，该第一位置在地面站的基本下风处，飞行器从悬停飞行取向向向前飞行曲线变换，使得飞行器从系绳球体移动，其中飞行器具有附着流(attached flow)，且其中，系绳的张力被减小;并且在向前飞行取向下操作飞行器，以升角升高到第二位置，该第二位置基本上在系绳球体上，其中，该第二位置在地面站的基本下风处。
[0007]在另一方面，系统可以包括:连接到地面站的系绳，其中该系绳限定了具有基于系绳的长度的半径的系绳球体;连接到该系绳的飞行器；以及控制系统，该控制系统被构造成:以悬停飞行取向操作飞行器;在飞行器处于悬停飞行取向的同时，将飞行器定位在基本上处于系绳球体上的第一位置处，其中，该第一位置在地面站的基本下风处;将飞行器从悬停飞行取向向向前飞行取向变换，使得飞行器从系绳球体移动，其中飞行器具有附着流，并且其中，系绳的张力被减小；以及在向前飞行取向下操作飞行器，以升角升高到第二位置，该第二位置基本上在系绳球体上，其中，所述第二位置在地面站的基本下风处。
[0008]在另一方面，一种方法可以包括在侧风飞行取向下操作飞行器，其中该飞行器连接到系绳，该系绳限定了具有基于系绳的长度的半径的系绳球体，其中，该系绳连接到地面站;在飞行器处于侧风飞行取向下的同时，将飞行器定位在第一位置，该第一位置基本上在系绳球体上，其中该第一位置在地面站的基本下风处;将飞行器从侧风飞行取向变换到向前飞行取向，使得飞行器从系绳球体移动，其中，该飞行器具有附着流，并且其中，系绳的张力被减小，并且在向前飞行取向下操作飞行器，以升角升高飞行器到第二位置，其中，该第二位置在地面站的基本下风处。
[0009]在另一方面，一种系统可以包括用于在悬停飞行取向下操作飞行器的装置，其中，该飞行器连接到系绳上，该系绳限定了具有基于系绳的长度的半径的系绳球体，其中，所述系绳连接到地面站;在飞行器处于悬停飞行取向下的同时，用于将飞行器定位在第一位置的装置，该第一位置基本上在系绳球体上，其中，该第一位置在地面站的基本下风处；用于将飞行器从悬停飞行取向向向前飞行取向转换使得飞行器从系绳球体移动的装置，其中，飞行器具有附着流，并且其中系绳的张力被减小；以及用于在向前飞行取向下操作飞行器以升角升高到第二位置的装置，所述第二位置基本上在系绳球体上，其中，所述第二位置在地面站的基本下风处。
[0010]在仍另一方面，一种系统可以包括用于在侧风飞行取向下操作飞行器的装置，其中所述飞行器连接到系绳，该系绳限定了具有基于系绳的长度的半径的系绳球体，其中该系绳连接到地面站;在飞行器处于侧风飞行取向下的同时，用于将飞行器定位在基本上处于系绳球体上的第一位置的装置，其中，该第一位置在地面站的基本下风处；用于将飞行器从侧风飞行取向向向前飞行取向转换使得飞行器从系绳球体移动的装置，其中，飞行器具有附着流，且其中系绳的张力被减小；以及用于在向前飞行取向下操作飞行器以升角升高到第二位置的装置，其中，所述第二位置在地面站的基本下风处。
[0011]在另一方面，一种系统可以包括连接到地面站的系绳，其中，该系绳限定了具有基于系绳的长度的半径的系绳球体;连接到系绳的飞行器；以及控制系统，该控制系统被构造成:在侧风飞行取向下操作飞行器;在飞行器处于侧风飞行取向下，将飞行器定位在基本上在所述系绳球体上的第一位置处，其中，该第一位置在所述地面站的基本下风处;将飞行器从侧风飞行取向向向前飞行取向转换，使得飞行器从系绳球体移动，其中，该飞行器具有附着流，并且其中系绳的张力被减小，以及在向前飞行取向下操作飞行器以升角升高到第二位置，其中，该第二位置在地面站的基本上下风处。
[0012]在另一方面，一种方法可以包括在侧风飞行取向下操作飞行器，其中该飞行器连接到系绳，该系绳限定了具有基于系绳的长度的半径的系绳球体，其中，该系绳连接到地面站;在飞行器处于侧风飞行取向的同时，将飞行器定位在第一位置，该第一位置基本上在所述系绳球体上，其中，所述第一位置在地面站的基本上下风处;将飞行器从侧风飞行取向向向前飞行取向变换，使得系绳的张力减小，其中，所述飞行器具有附着流；以及在向前飞行取向下操作飞行器，以升角升高到第二位置，其中，第二位置在地面站的基本下风处。
[0013]在仍另一方面中，一种系统可以包括用于在侧风飞行取向下操作飞行器的装置，其中，该飞行器连接到系绳上，该系绳限定了具有基于系绳的长度的半径的系绳球体，其中，所述系绳连接到地面站;在所述飞行器处于侧风飞行取向的同时，用于将飞行器定位在基本上处于系绳球体上的第一位置处的装置，其中该第一位置在地面站的基本下风处；用于将飞行器从侧风飞行取向向向前飞行取向变换使得系绳的张力减小的装置，其中，所述飞行器具有附着流；以及用于在向前飞行取向上操作飞行器以升角升高到第二位置的装置，其中该第二位置在地面站的基本上下风处。
[0014]通过适当参照附图阅读以下的详细描述，这些以及其他方面、优点和替代方案对本领域技术人员来说将变得清楚。
【附图说明】
[0015]图1描绘了根据示例性实施方式的空中风力涡轮机(AWT);
[0016]图2是示出根据示例性实施方式的AWT的部件的简化方块图；
[0017]图3a和3b描绘了根据示例性实施方式的从悬停飞行向侧风飞行变换的飞行器的示例；
[0018]图4a_4c是涉及根据示例性实施方式的升角的图形表示；
[0019]图5a和5b描绘根据示例性实施方式的系绳球体；
[0020]图6a_6c描绘根据示例性实施方式的从侧风飞行向悬停飞行变换的飞行器的示例；
[0021 ]图7a是根据示例性实施方式的方法的流程图；
[0022]图7b是根据示例性实施方式的另一方法的流程图；
[0023]图8a是根据示例性实施方式的另一方法的流程图；
[0024]图Sb是根据示例性实施方式的再另一方法的流程图。
【具体实施方式】
[0025]在此描述了示例性方法和系统。应该理解的是，在此使用“示例性”意在“作为示例，例子或说明”。在此描述为“示例性”或“说明性”特征的任何实施方式或特征不必理解为比其他实施方式或特征更优选或有利。更总体地说，在此描述的实施方式不意在限制。将轻易理解到的是所公开的方法和系统的特定方面可以按照各种不同构造来布置和组合，所有这些都在此考虑。
[0026]1.概述
[0027]说明性实施方式涉及飞行器，它可以用在风能系统，如空中风力涡轮机(AWT)中。尤其是，说明性实施方式可以涉及或采取用于将飞行器在特定飞行模式之间转换的系统和方法的形式，所述飞行模式利于将动能转变成电能。
[0028]作为背景，AWT可以包括在诸如基本上环形路径的路径上飞行的飞行器，以将风的动能转变成电能。在说明性的实现方式中，飞行器可以通过系绳连接到地面站。在用系绳系紧时，飞行器能够(i)在一定范围高度上并基本上沿着所述路径飞行，并返回到地面以及
(ii)将电能通过系绳传递到地面站。(在一些实现方式中，地面站可以将电力传递到飞行器用于起飞和/或着陆)。
[0029]在AWT中，在风不利于发电时，飞行器可以在地面站内和/或上休整(或停留)。当风有利于发电时，如当在200米(m)高度处的风速可以为3.5米每秒(m/s)时，地面站可以部署(或发射)飞行器。另外，当飞行器被部署并且风不利于发电时，飞行器可以返回到地面站。
[0030]此外，在AWT中，飞行器可以被构造成悬停飞行和侧风飞行。侧风飞行可以用于以诸如基本上环形运动的运动运行，并由此可以是用于产生电能的主要技术。悬停飞行接着可以由飞行器使用，以将其自身为侧风飞行作准备和定位。尤其是，飞行器可以至少部分基于悬停飞行而升高到用于侧风飞行的位置。此外，飞行器可以通过悬停飞行起飞和/或着陆。
[0031]在悬停飞行中，飞行器的主翼的翼展可以基本上平行于地面取向，并且飞行器的一个或多个推进器可以导致飞行器在地面之上悬停。在一些实现方式中，飞行器可以在悬停飞行下垂直升高或下降。
[0032]在侧风飞行中，飞行器可以由风基本上沿如上所述的路径推进，可以将风的动能转变成电能。在一些实现方式中，飞行器的一个或多个推进器可以通过减慢入射的风来产生电能。
[0033]当(i)飞行器具有附着流(例如，稳定流和/或不失速条件(这可以指的是空气流与翼型不分离)以及(ii)系绳处于张力下时飞行器可以进入侧风飞行。此外，飞行器可以在在地面站的基本上下风的位置进入侧风飞行。
[0034]在一些实现方式中，在侧风飞行期间系绳的张力可以大于在悬停飞行期间系绳的张力。例如，在侧风飞行期间系绳的张力可以是15千牛顿(KN)，而在悬停飞行期间系绳的张力可以是1KN。
[0035]在此描述的实施方式涉及将飞行器从悬停飞行向侧风飞行的转换。在说明性实现方式中，一种方法可以涉及到将飞行器从悬停飞行取向向向前飞行取向转换，并且在向前飞行取向下操作飞行器以升高到用于侧风飞行的位置。简要地说，在此描述的实施方式可以减小在升高到用于侧风飞行的位置期间在飞行器上的拖曳(阻力)，这可以减少飞行器的功耗。此外，在此描述的实施方式可以允许飞行器的推力对重量比降低。于是，飞行器的一个或多个部件的尺寸，如马达或推进器的尺寸可以减小，这可以允许飞行器针对能量产生飞行而优化。
[0036]此外，其他实施方式可以涉及将飞行器从侧风飞行向悬停飞行转换。例如，一些实现方式可以涉及将飞行器从侧风飞行取向向向前飞行取向转换，并在向前飞行取向下操作飞行器以移动到用于悬停飞行的位置。另外，一些实现方式可以涉及到将飞行器从侧风飞行取向向向前飞行取向转换，以使飞行器减速到用于悬停飞行的速度。简要地说，这种实现方式通过在低海拔高度下快速降低飞行器速度而可以改善进入悬停飞行。
[0037]I1.说明性系统
[0038]A.空中风力涡轮机(AWT)
[0039]图1示出根据示例性实施方式的AWT 100。尤其是，AWT 100包括地面站110、系绳120和飞行器130。如图1中所示，飞行器130可以连接到系绳120，且系绳120可以连接到地面站110。在这个示例中，系绳120可以在地面站110上的一个位置处附连到地面站110，并在飞行器130上的两个位置处附连到飞行器130。但是，在其他示例中，系绳120可以在多个位置处附连到地面站110和/或飞行器130的任何部分上。
[0040]地面站110可以用于保持和/或支撑飞行器130，直到它处于操作模式为止。地面站110也可以被构造成允许飞行器130的重新定位，使得装置的部署成为可能。此外，地面站110可以进一步构造成在着陆期间接收飞行器130。地面站110可以由适当地保持飞行器130的任何材料形成，该飞行器130在处于悬停飞行、向前飞行、侧风飞行的同时附连和/或锚固到地面上。在一些实现方式中，地面站110可以被构造成在陆地上使用。但是，地面站110也可以在水体、如湖泊、河流、大海或大洋上实现。例如，除了其它可能性外，地面站110可以包括或布置在浮动的离岸平台或船舶上。此外，地面站110可以被构造成保持静止或相对于地面或水体的表面移动。
[0041 ]另外，地面站110可以包括一个或多个部件(未示出)，如绞盘，该绞盘可以改变系绳120的长度。例如，当飞行器130被部署时，所述一个或多个部件可以被构造成付出和/或展开系绳120。在一些实现方式中，所述一个或多个部件可以被构造成付出和/或展开系绳120到预定长度。作为示例，所述预定长度可以等于或小于系绳120的最大长度。此外，当飞行器130着陆在地面站110上时，所述一个或多个部件可以被构造成卷入系绳120。
[0042]所述系绳120可以将飞行器130产生的电能传递到地面站110。另外，系绳120可以将电力传递到飞行器130，以便给飞行器130供能，用于起飞、着陆、悬停飞行和/或向前飞行。系绳120可以以任何形式且利用任何材料构造，所述材料可以允许飞行器130产生的电能的传输、传送和/或利用且/或将电力传输到飞行器130。在飞行器130处于操作模式时，系绳120也可以构造成承受飞行器130的一个或多个力。例如，系绳120可以包括芯部，在飞行器130处于悬停飞行、向前飞行和/或侧风飞行时，该芯部被构造成承受飞行器130的一个或多个力。芯部可以由任何高强度纤维构成。在一些示例中，系绳120可以具有固定长度和/或可变长度。例如，在至少一个这样的示例中，系绳120可以具有140米的长度。
[0043]飞行器130可以被构造成基本上沿着路径150飞行以产生电能。术语“基本上沿着”如在本文中使用的，指的是精确沿着或从精确沿着的一个或多个偏离，该偏离并不明显影响如在此描述的电能的产生和/或如在此描述的飞行器在特定飞行模式之间的转换。
[0044]飞行器130可以包括或采取各种类型的装置的形式，除了其它可能性外，如风筝、直升机、飞翼和/或飞机。飞行器130可以由金属、塑料和/或其他聚合物的实心结构形成。飞行器130可以由允许高推力对重量比以及产生电能的任何材料形成，该电能可以在电器用途中使用。另外，材料可以被选择以允许轻量的、加硬的、冗余和/或容错设计，这能够处理风速和风向上的较大和/或突然转变。其他材料也是有可能的。
[0045]在各种不同实施方式中，路径150可以是各种不同形状。例如，路径150可以基本上为环形。并且在至少一个这样的示例中，路径150可以具有达到