本申请要求于2015年12月30日提交的美国专利申请第14/984369号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术：
除非本文另有说明，否则本部分描述的材料不是本申请权利要求的现有技术，并且不通过包含在本部分中而被认为是现有技术。
发电系统可以将化学和/或机械能(例如动能)转换成电能用于各种应用比如公用系统。作为一个示例，风能系统可以将风动能转换为电能。
技术实现要素：
本文描述了机电缰绳。能量风筝的高纵横比机翼在发电过程中会产生大量升力，需要将此载荷转移到锚定在地面或地面附近的系绳(tether)。虽然单一系绳可能更接近理想的空气动力学和效率，但将载荷从机翼在单个点处转移至系绳可能会导致较长的机翼经受相当大的弯矩。此相当大的弯矩将需要非常大且昂贵的结构。通过使用一个或多个机电缰绳(bridle)在多个位置之间划分系绳和机翼之间的载荷传递，可以减轻这种弯矩以及对大而昂贵的结构的需求。有益地，本文所述的缰绳的实施例可以是坚固的、抗疲劳的、空气动力学的、成本有效的，并且可以允许能量风筝的俯仰(pitch)和滚转(roll)自由度。
一方面，机电缰绳包括含有缠绕的纤维细丝(filament)的结构构件。机电缰绳包括系绳套管，其联接到所述结构构件的第一端，其配置成将系绳联接到所述机电缰绳。所述机电缰绳包括机翼套管，其联接到所述结构构件的第二端。所述机翼套管配置为将飞行器连接到所述缰绳。所述机电缰绳还包括多个电导体，其联接到所述结构构件并且从所述第一端延伸到所述第二端。
另一方面，一种机电缰绳系统包括第一缰绳，所述第一缰绳包括：第一结构构件，其包括缠绕的纤维；第一系绳套管，其联接到所述第一结构构件的第一端；和第一机翼套管，其联接到所述第一结构构件的第二端，其中，所述第一机翼套管配置为将飞行器联接到所述第一缰绳。所述机电缰绳系统还包括第二缰绳，所述第二缰绳包括：第二结构构件，其包括缠绕的纤维；第二系绳套管，其联接到所述第二结构构件的第一端；和第二机翼套管，其联接到所述第二结构构件的第二端，其中，所述第二机翼套管配置为将飞行器联接到所述第二缰绳。所述第一系绳套管和所述第二系绳套管配置为将所述第一缰绳和所述第二缰绳联接到系绳。所述机电缰绳系统还包括多个电导体，其联接到所述第一缰绳并且延伸所述第一结构构件的长度。
另一方面，一种能量风筝系统包括联接到导电系绳的地面站。该能量风筝系统包括多个缰绳，每个缰绳包括：结构构件，其包括缠绕的纤维；系绳套管，其联接到所述结构构件的第一端；和机翼套管，其联接到所述结构构件的第二端；其中，每个系绳套管联接到导电系绳。所述能量风筝系统还包括多个电导体，其延伸所述多个缰绳中的至少一个的长度并电联接到飞行器。所述能量风筝系统还包括功率传输回路，其配置成在所述导电系绳和机电缰绳系统之间传输电力或信号。机翼套管分别联接到飞行器。
通过阅读下面的详细描述并适当参考附图，这些以及其他方面、优点和替代方案对于本领域的普通技术人员来说将变得显而易见。
附图说明
图1示出了根据示例实施例的飞行风力涡轮机(awt)。
图2是示出根据示例实施例的awt的部件的简化框图。
图3示出了根据示例实施例的飞行器。
图4示出了根据示例实施例的经由系绳联接到地面站的飞行器。
图5示出了根据示例实施例的经由缰绳系统500联接到系绳120的飞行器330。
图6示出了根据示例实施例的处于第一取向和第二取向的缰绳600，其中缰绳600从第一取向转过90度。
图6a示出了根据示例实施例的缰绳的横截面。
图6b示出了根据示例实施例的缰绳的横截面。
图7a示出了根据示例实施例的缰绳的横截面。
图7b示出了根据示例实施例的缰绳的横截面。
图7c示出了根据示例实施例的缰绳的横截面。
图7d示出了根据示例实施例的缰绳。
图8a示出了根据示例实施例的缰绳800。
图8b示出了根据示例实施例的缰绳800的沿着线aa的横截面。
具体实施方式
本文描述了示例性系统和方法。应该理解的是，在此使用词语“示例性”用来表示“用作示例、实例或说明”。在此描述为“示例性”或“说明性”的任何实施例或特征不一定被解释为相对于其他实施例或特征是优选的或有利的。更一般地，本文描述的实施例并不意味着限制。将容易理解的是，所公开的系统的某些方面可以以各种各样的不同配置进行布置和组合，所有这些都在本文中考虑。
一、概述
说明性实施例涉及可用于风能系统(比如能量风筝)的飞行器，其也可称为飞行风力涡轮机(awt)。特别地，说明性实施例可以涉及或采用可用于awt的缰绳的形式。
作为背景，awt可以包括飞行器，其在闭合路径中飞行，比如基本上圆形的路径，以将风动能转换为电能。在说明性实施方式中，飞行器可以通过系绳连接到地面站。当被系住时，飞行器可以：(i)在一定高度范围内且基本上沿着该路径飞行并返回到地面；和(ii)通过系绳将电能传输到地面站。(在一些实施方式中，地面站可将电力传输到飞行器用于起飞和/或降落。)
在awt中，当风不利于发电时，飞行器可以安置在地面站(或停栖处(perch))中和/或其上。当风有利于发电时，比如当在200米(m)的高度风速可以为3.5米/秒(m/s)时，地面站可以部署(或发射)飞行器。另外，当飞行器被部署且风力不利于发电时，飞行器可返回到地面站。
此外，在awt中，飞行器可以配置成用于悬停飞行和侧风飞行。侧风飞行可以用于以诸如基本上圆周运动的运动行进，因此可以是用于产生电能的主要技术。悬停飞行有可以由飞行器使用来准备和定位自己进行侧风飞行。特别地，飞行器至少部分地基于悬停飞行可以上升到侧风飞行的位置。此外，飞行器可以通过悬停飞行起飞和/或降落。
在悬停飞行中，飞行器的主翼的跨度可以基本平行于地面取向，并且飞行器的一个或多个螺旋桨可以使得飞行器悬停在地面上。在一些实施方式中，飞行器可以在悬停飞行中垂直上升或下降。此外，在侧风飞行中，飞行器可被取向成使得飞行器可以基本上沿着闭合路径被风推进，如上所述，这可以将风动能转换为电能。在一些实施方式中，飞行器的一个或多个转子可通过减慢入射风来产生电能。
本文描述的实施例可涉及或采取机电缰绳的形式。在说明性实施方式中，机电缰绳系统可链接在一起以形成“y”形系统，该系统用于在多个位置之间划分系绳和飞行器之间的载荷传递。
二、说明性系统
a.飞行风力涡轮机(awt)
图1示出了根据示例实施例的awt100。特别地，awt100包括地面站110、系绳120和飞行器130。如图1所示，系绳120可以在第一端连接到飞行器并且可以在第二端连接到地面站110。在该示例中，系绳120可以在地面站110上的一个位置附接到地面站110，并且在飞行器130上的三个位置处附接到飞行器130。然而，在其他示例中，系绳120可以在多个位置附接到地面站110和/或飞行器130的任何部分。
地面站110可以用于保持和/或支撑飞行器130，直到它处于运行模式。地面站110还可以配置成允许对飞行器130进行重新定位，使得可以部署该装置。此外，地面站110可以进一步配置为在降落期间接收飞行器130。地面站110可以由在悬停飞行、侧风飞行和其他飞行模式比如向前飞行(可以称为“飞机般的飞行”)时可以适当地保持飞行器130附接和/或锚定到地面的任何材料形成。在一些实施方式中，地面站110可以配置为在陆地上使用。然而，地面站110也可以实施在诸如湖泊、河流、大海或海洋之类的水体上。例如，地面站可包括或布置在浮动的离岸平台或船上等。此外，地面站110可以配置成保持静止或相对于地面或水体表面移动。
另外，地面站110可包括可以改变系绳120的长度的一个或多个部件(未示出)，比如绞盘(winch)。例如，当部署飞行器130时，一个或多个部件可以配置成松开(payout)和/或放出(reelout)系绳120。在一些实施方式中，一个或多个部件可以配置成松开和/或放出系绳120至预定长度。作为示例，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降落在地面站110中时，一个或多个部件可以配置为卷入(reelin)系绳120。
系绳120可以将由飞行器130产生的电能传输到地面站110。另外，系绳120可以将电力传输到飞行器130，以便对飞行器130供电用于起飞、降落、悬停飞行和/或前进飞行。系绳120可以以任何形式并且使用任何材料构造，所述材料可以允许传输、输送和/或利用由飞行器130产生的电能和/或将电力传输到飞行器130。系绳120也可以配置成当飞行器130处于运行模式时承受飞行器130的一个或多个力。例如，系绳120可以包括芯，该芯配置成当飞行器130处于悬停飞行、向前飞行和/或侧风飞行时承受飞行器130的一个或多个力。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。
飞行器130可以配置为基本上沿着闭合路径150飞行以产生电能。如在本公开中使用的术语“基本上沿着”是指精确地沿着和/或不显著影响电能的产生的与精确地沿着存在的一个或多个偏差。
飞行器130可以包括或采取各种类型的装置的形式，比如风筝、直升机、机翼和/或飞机等。飞行器130可以由金属、塑料和/或其他聚合物的固体结构形成。飞行器130可以由可以用于公用应用的、允许高推重比和电能产生的任何材料形成。另外，材料可被选择为允许闪电硬化、冗余和/或容错设计，其可以能够处理风速和风向的大的和/或突然的变化。
闭合路径150在各种不同的实施例中可以是各种不同的形状。例如，闭合路径150可以是大致圆形的。并且在至少一个这样的示例中，闭合路径150可以具有高达265米的半径。如在本公开中使用的术语“大致圆形的”是指精确圆形的和/或不会显著影响如本文所述的电能产生的与精确圆形存在的一个或多个偏差。闭合路径150的其他形状可以是卵形比如椭圆形、果冻豆的形状、数字8的形状等。
飞行器130可被操作以沿闭合路径150的一个或多个循环行进。
b.awt的说明性部件
图2是示出了awt200的部件的简化框图。awt100可以采取awt200的形式或与之类似的形式。具体地，awt200包括地面站210、系绳220以及飞行器230。地面站110可以采取地面站210的形式或与之类似的形式，系绳120可以采取系绳220的形式或与之类似的形式，以及飞行器130可以采取飞行器230的形式或与之类似的形式。
如图2所示，地面站210可以包括一个或多个处理器212、数据存储器214和程序指令216。处理器212可以是通用处理器或专用处理器(例如数字信号处理器、专用集成电路等)。一个或多个处理器212可以配置为执行计算机可读程序指令216，该计算机可读程序指令216存储在数据存储器214中并且可被执行以提供本文描述的功能的至少一部分。
数据存储器214可以包括可由至少一个处理器212读取或访问的一个或多个计算机可读存储介质，或可采取可由至少一个处理器212读取或访问的一个或多个计算机可读存储介质的形式。一个或多个计算机可读存储介质可以包括易失性和/或非易失性存储部件，比如光学、磁性、有机或其他存储器或盘存储器，其可以整体地或部分地与一个或多个处理器212中的至少一个集成。在一些实施例中，可以使用单个物理设备(例如一个光学、磁性、有机或其他存储器或盘存储单元)来实现数据存储器214，而在其他实施例中，可以使用两个或更多个物理设备来实现数据存储器214。
如上所述，数据存储器214可以包括计算机可读程序指令216以及可能的附加数据，比如地面站210的诊断数据。因此，数据存储器214可以包括程序指令以执行或促进本文描述的功能的一些或全部。
在进一步的方面，地面站210可以包括通信系统218。通信系统218可以包括一个或多个无线接口和/或一个或多个有线接口，其允许地面站210经由一个或多个网络通信。这样的无线接口可以提供在一种或多种无线通信协议下的通信，比如蓝牙、wifi(例如ieee802.11协议)、长期演进(lte)、wimax(例如ieee802.16标准)、射频id(rfid)协议、近场通信(nfc)和/或其他无线通信协议。这样的有线接口可以包括以太网接口、通用串行总线(usb)接口或类似的接口，以经由导线、双绞线、同轴电缆、光链路、光纤链路或其他物理连接而通信至有线网络。地面站210可以经由通信系统218与飞行器230、其他地面站和/或其他实体(例如命令中心)通信。
在示例实施例中，地面站210可以包括允许短程通信和远程通信的通信系统218。例如，地面站210可以配置成用于使用蓝牙的短程通信和用于cdma协议下的远程通信。在这样的实施例中，地面站210可以配置为充当“热点”；或换句话说，作为远程支持设备(例如系绳220、飞行器230和其他地面站)与一个或多个数据网络(比如蜂窝网络和/或因特网)之间的网关或代理。像这样配置，地面站210可以促进远程支持设备否则不能自行执行的数据通信。
例如，地面站210可以提供到远程设备的wifi连接，并且用作到蜂窝服务提供商的数据网络的代理或网关，地面站210例如可能在lte或3g协议下连接到该蜂窝服务提供商的数据网络。地面站210也可以用作到其他地面站或命令中心的代理或网关，远程设备否则可能不能访问该其他地面站或命令中心。
此外，如图2所示，系绳220可以包括传输部件222和通信链路224。传输部件222可以配置为将电能从飞行器230传输到地面站210和/或将电能从地面站210传输到飞行器230。传输部件222可以在各种不同的实施例中采用各种不同的形式。例如，传输部件222可以包括配置为传输电力的一个或多个导体。并且在至少一个这样的示例中，一个或多个导体可以包括允许电流传导的铝和/或任何其他材料。此外，在一些实施方式中，传输部件222可以围绕系绳220的芯(未示出)。
地面站210可以经由通信链路224与飞行器230通信。通信链路224可以是双向的并且可以包括一个或多个有线和/或无线接口。而且，可以有构成通信链路224的至少一部分的一个或多个路由器、交换机和/或其他设备或网络。
此外，如图2所示，飞行器230可以包括一个或多个传感器232、动力系统234、发电/转换部件236、通信系统238、一个或多个处理器242、数据存储器244、程序指令246和控制系统248。
传感器232可以包括各种不同实施例中的各种不同的传感器。例如，传感器232可以包括全球定位系统(gps)接收器。gps接收器可以配置为提供典型的众所周知的gps系统(其可被称为全球导航卫星系统(gnns))的数据，比如飞行器230的gps坐标。这样的gps数据可被awt200利用来提供本文描述的各种功能。
作为另一示例，传感器232可以包括一个或多个风传感器，比如一个或多个皮托管。一个或多个风传感器可以配置为检测表观和/或相对风。这样的风数据可被awt200利用来提供本文描述的各种功能。
作为另一示例，传感器232可以包括惯性测量单元(imu)。imu可以包括加速度计和陀螺仪，其可以一起用于确定飞行器230的取向。特别地，加速度计可以测量飞行器230相对于地球的取向，而陀螺仪测量围绕轴线(比如飞行器230的中心线)的旋转速率。imu可以以低成本、低功率封装商购。例如，imu可采用微型微机电系统(mems)或纳米机电系统(nems)的形式或包括微型微机电系统(mems)或纳米机电系统(nems)。还可以利用其他类型的imu。除了加速度计和陀螺仪之外，imu还可以包括其他传感器，这可以帮助更好地确定位置。这种传感器的两个示例是磁力计和压力传感器。其他示例也是可能的。
虽然加速度计和陀螺仪在确定飞行器230的取向方面可以是有效的，但是测量中的轻微误差可能随时间而恶化并且导致更显著的误差。然而，示例飞行器230可以通过使用磁力计来测量方向而能够减轻或减少这种误差。磁力计的一个示例是低功率数、字3轴磁力计，其可以用于实现用于精确航向信息的取向独立电子罗盘。然而，还可以利用其他类型的磁力计。
航空器230还可以包括压力传感器或气压计，其可以用于确定飞行器230的高度。可替代地，可以使用其他传感器比如声波高度表或雷达高度表来提供高度的指示，这可以有助于提高imu的准确度和/或防止其漂移。另外，飞行器230可以包括一个或多个测力传感器(loadcell)，其配置成检测在系绳220到飞行器230的连接之间分配的力。
如所述，飞行器230可以包括动力系统234。动力系统234可以在各种不同实施例中采取各种不同的形式。例如，动力系统234可以包括用于向飞行器230提供动力的一个或多个电池。在一些实施方式中，一个或多个电池可以是可再充电的，并且每个电池可以经由电池与电源之间的有线连接和/或经由无线充电系统来再充电，比如将外部时变磁场施加到内部电池的感应充电系统和/或使用从一个或多个太阳能电池板收集的能量的充电系统。
作为另一示例，动力系统234可以包括用于向飞行器230提供动力的一个或多个马达或发动机。在一些实施方式中，一个或多个马达或发动机可以由比如碳氢化合物基燃料的燃料供能。并且在这样的实施方式中，燃料可以储存在飞行器230上并且经由一个或多个流体导管(比如管道)输送到一个或多个马达或发动机。在一些实施方式中，动力系统234可以全部或部分地在地面站210上实施。
如所述，飞行器230可以包括发电/转换部件236。发电/转换部件236可以在各种不同实施例中采用各种不同的形式。例如，发电/转换部件236可以包括一个或多个发电机，比如高速直驱发电机。利用这种布置，一个或多个发电机可以由一个或多个转子驱动。并且在至少一个这样的示例中，一个或多个发电机可以在可能超过60％的容量因数下以11.5米每秒的全额定功率风速运行，并且一个或多个发电机可以产生40千瓦至600千瓦的电力。
此外，如所述，飞行器230可以包括通信系统238。通信系统238可以采取通信系统218的形式或与之类似的形式。飞行器230可以经由通信系统238与地面站210、其他飞行器和/或其他实体(例如命令中心)通信。
在一些实施方式中，飞行器230可以配置成充当“热点”；或换句话说，作为远程支持设备(例如地面站210、系绳220、其他飞行器)与一个或多个数据网络(比如蜂窝网络和/或因特网)之间的网关或代理。如这样配置，飞行器230可以促进远程支持设备否则不能自行执行的数据通信。
例如，飞行器230可以提供到远程设备的wifi连接，并且用作到蜂窝服务提供商的数据网络的代理或网关，飞行器230例如可能在lte或3g协议下连接到该蜂窝服务提供商的数据网络。飞行器230也可以用作到其他飞行器或命令站的代理或网关，远程设备否则可能无法访问该其他飞行器或命令站。
如所述，飞行器230可以包括一个或多个处理器242、程序指令246和数据存储器244。一个或多个处理器242可以配置为执行计算机可读程序指令246，该计算机可读程序指令246存储在数据存储器244中并且可被执行以提供本文描述的功能的至少一部分。一个或多个处理器242可以采取一个或多个处理器212的形式或与之类似的形式，数据存储器244可以采取数据存储器214的形式或与之类似的形式，并且程序指令246可以采取程序指令216的形式或与之类似的形式。
此外，如所述，飞行器230可以包括控制系统248。在一些实施方式中，控制系统248可以配置为执行本文描述的一个或多个功能。控制系统248可以用机械系统和/或用硬件、固件和/或软件来实现。作为一个示例，控制系统248可以采用存储在非暂时性计算机可读介质上的程序指令和执行指令的处理器的形式。控制系统248可全部或部分地在飞行器230上和/或远离飞行器230定位的至少一个实体(比如地面站210)上实施。通常，实施控制系统248的方式可以不同，取决于具体应用。
虽然上面已经描述了飞行器230，但应该理解的是，本文描述的方法和系统可以包括连接到系绳(比如系绳220和/或系绳120)的任何合适的飞行器。
c.说明性的飞行器
图3示出了根据示例实施例的飞行器330。飞行器130和/或飞行器230可以采取飞行器330的形式或与之类似的形式。具体地，飞行器330可以包括主翼331、塔架(pylon)332a、332b、转子334a、334b、334c、334d、尾梁335和尾翼组件336。这些部件中的任何一个都可以以允许使用升力分量抵抗重力和/或向前移动飞行器330的任何形式成形。
主翼331可以为飞行器330提供主升力。主翼331可以是一个或多个刚性或柔性翼型件，并且可以包括各种控制表面，比如小翼、襟翼(例如fowler襟翼、hoerner襟翼、裂口襟翼等)、方向舵、升降舵、扰流板、俯冲制动器等。控制表面可用于在悬停飞行、向前飞行和/或侧风飞行期间稳定飞行器330和/或减小飞行器330上的阻力。
主翼331和塔架332a、332b可以是用于飞行器330参与悬停飞行、向前飞行和/或侧风飞行的任何合适的材料。例如，主翼331和塔架332a、332b可以包括碳纤维和/或e-玻璃，并且包括内部支撑翼梁或其他结构。此外，主翼331和塔架332a、332b可以具有各种尺寸。例如，主翼331可以具有与常规风力涡轮机叶片相对应的一个或多个尺寸。作为另一示例，主翼331可以具有8米的跨度、4平方米的面积和15的纵横比。
塔架332a、332b可以将转子334a、334b、334c和334d连接到主翼331。在一些示例中，塔架332a、332b可以采取提升体翼型件(例如机翼)的形式或与之类似的形式。在一些示例中，相应的转子(例如塔架332a上的转子334a和转子334b)之间的垂直间距可以是0.9米。
转子334a、334b、334c和334d可以配置成驱动一个或多个发电机以产生电能。在该示例中，转子334a、334b、334c和334d每个都可以包括一个或多个叶片，比如三个叶片或四个叶片。转子叶片可以通过与风的相互作用而旋转并且用于驱动一个或多个发电机。另外，转子334a、334b、334c和334d还可以配置成在飞行期间向飞行器330提供推力。利用这种布置，转子334a、334b、334c和334d可以用作一个或多个推进单元，比如螺旋桨。尽管在该示例中转子334a、334b、334c和334d被描绘为四个转子，但是在其他示例中，飞行器330可以包括任意数量的转子，比如少于四个转子或多于四个转子(例如八个转子)。
尾梁335可以将主翼331连接至尾翼组件336，其可包括尾翼336a和竖直稳定器336b。尾梁335可以具有各种尺寸。例如，尾梁335可以具有2米的长度。此外，在一些实施方式中，尾梁335可以采用飞行器330的主体和/或机身的形式。在这样的实施方式中，尾梁335可以承载有效载荷。
尾翼336a和/或竖直稳定器336b可用于在悬停飞行、向前飞行和/或侧风飞行期间稳定飞行器330和/或减小飞行器330上的阻力。例如，尾翼336a和/或竖直稳定器336b可用于在悬停飞行、向前飞行和/或侧风飞行期间维持飞行器130的俯仰。尾翼336a和竖直稳定器336b可以具有各种尺寸。例如，尾翼336a可以具有2米的长度。此外，在一些示例中，尾翼336a可具有0.45平方米的表面积。此外，在一些示例中，尾翼336a可位于飞行器130的质心上方1米处。
虽然上面已经描述了飞行器330，但应该理解的是，本文描述的系统可以包括连接到比如系绳120和/或系绳220的飞行风力涡轮机系绳任何合适的飞行器。
d.经由系绳联接到地面站的飞行器
图4示出了经由系绳120联接到地面站510的飞行器330。参照图4，地面站410可以包括绞盘鼓412和平台414。地面站110和/或地面站210可以采取地面站410的形式或与之类似的形式。图4仅用于说明性目的，并且可能不反映所有部件或连接。
如图4所示，系绳120可以在系绳近端122处联接到系绳万向节组件442，并且在系绳远端124处联接到飞行器330。另外或可替代地，系绳120的至少一部分(例如至少一个被绝缘的电导体)可以穿过系绳万向节组件442。在一些实施例中，系绳120可以终止于系绳万向节组件442。此外，如图4所示，系绳万向节组件442还可联接到绞盘鼓412，绞盘鼓412又可联接到平台414。在一些实施例中，系绳万向节组件442可以配置成围绕一个或多个轴线旋转，比如高度轴线和方位轴线，以便响应于飞行器330的移动而允许系绳近端122在这些轴线上移动。
位于系绳120和系绳万向节组件442之间的旋转部件444可以允许系绳120围绕系绳120的长轴线旋转。长轴线被限定为在系绳近端122和系绳远端124之间延伸。在一些实施例中，系绳120的至少一部分可以穿过旋转部件444。此外，在一些实施例中，系绳120可以穿过旋转部件444。此外，在一些实施例中，旋转部件444可以包括固定部分444a和可旋转部分444b，例如以一个或多个轴承和/或滑环的形式。固定部分444a可以联接到系绳万向节组件442。可旋转部分444b可以联接到系绳120。
在旋转部件444的固定部分444a中使用词语固定不旨在将固定部分444a限制为静止配置。在该示例中，固定部分444a可以沿由系绳万向节组件442所描述的轴线(例如高度和方位)移动，并且可以在绞盘鼓412旋转时围绕地面站410旋转，但是固定部分444a将不围绕系绳120即相对于系绳120的长轴线旋转。此外，在该示例中，旋转部件444的可旋转部分444b可以联接至系绳120，并且配置为随着系绳120的旋转而基本上旋转120。
经由旋转部件444，当飞行器330环绕轨道飞行(orbit)时，系绳120可以沿着长轴线围绕其中心线旋转。系绳远端124可以旋转与系绳近端122不同的量，从而导致沿系绳420的长度的扭曲量。利用该布置，在飞行器330的侧风飞行期间，系绳420中的扭曲量可以基于多个参数而变化。
e.说明性缰绳和缰绳系统
图5示出了经由缰绳系统500联接到系绳120的飞行器330。图5和描绘缰绳和缰绳系统的其余附图仅用于说明目的，并且可能不反映所有部件或连接。此外，如图所示，附图可能不反映实际操作条件，而仅仅是为了说明所描述的实施例。例如，尽管可以使用完美的直线图来说明所描述的缰绳部件，但是在环绕轨道飞行侧风飞行期间，系绳和/或缰绳实际上可能在地面站与飞行器之间展现出一定程度的下垂。此外，附图中的相对尺寸可能不是按比例的，而仅仅是为了说明所描述的实施例。
如图5所示，根据示例实施例，缰绳系统500包括第一缰绳510和第二缰绳520。缰绳系统500包括第一缰绳至系绳接口510a和第二缰绳至系绳接口520a。缰绳系统500包括第一缰绳至机翼接口510b和第二缰绳至机翼接口520b。缰绳系统500包括系绳终止部件502。
在一些实施方式中，系绳120终止于系绳终止部件502。可以使用双连接叉(clevis)2销连接器作为缰绳至系绳接口用于接口510a和510b。该接口将机械载荷从系绳传递到缰绳，允许滚转自由度，并允许将功率和信号导体从系绳传输到缰绳。也可以使用其他连接器(例如双连接叉和单销连接器以及3销配置)。在一些实施方式中，销可以使用耐磨损和低摩擦的轴颈轴承来实现良好的滚转运动。例如，可以使用在不锈钢背衬上具有聚四氟乙烯(“ptfe”)嵌入织物的轴颈轴承。在一些实施例中，可以在缰绳至系绳接口处使用球形轴承。其他连接器和示例是可能的。
功率和信号传输可以例如通过功率传输回路、电缆或诸如完整或部分服务回路的系统发生，所述服务回路允许滚转运动而不会在导体上产生弯曲疲劳。第一缰绳510和第二缰绳520可以具有由围绕套管缠绕纤维细丝组成的结构构件(例如系绳至缰绳接口处的u形销可以穿过缰绳套管)。缠绕的纤维细丝可被固结并固化成坚固、坚硬和牢固的连结。
如图5所示，缰绳的长度可能不同。例如，从缰绳至系绳接口520a到缰绳至机翼接口520b的第二缰绳520的长度可以短于从缰绳至系绳接口510a到缰绳至机翼接口510b的第一缰绳510的长度，以平衡发电期间的载荷(因为飞行器可能在单向路径中飞行)。电导体(图5中未示出)可以利用这个较短的距离(以及与沿着第一缰绳510的载荷相比沿着第二缰绳520所经历的名义上较小的载荷)并且仅沿着第二缰绳520延伸。
缰绳至机翼接口510b和520b可以使用球形轴承以允许低摩擦和高周期俯仰运动。安装在飞行器上的金属板可以起到连接叉的作用并捕获轴承以传输飞行器中的载荷(例如到飞行器的翼梁中)。在一些实施例中，缰绳至机翼接口可以不包括球形轴承。例如，缰绳至机翼接口可以是鞍型轴承表面(例如链条中的链节)、轴颈轴承和止推轴承的组合；或者用作万向节的两个轴颈轴承关节。其他示例是可能的。
图6示出根据示例实施例的处于第一取向和第二取向的缰绳600，其中缰绳600从第一取向转过90度。缰绳600包括一个或多个传感器(未示出)、缰绳至系绳接口610a、系绳套管612、缰绳至机翼接口620a、机翼套管620和结构构件630。如图6所示，机翼套管和系绳套管旋转九十度。在一些实施方式中，机翼套管和系绳套管可以旋转多于或少于九十度，或者可以同相并且完全不旋转。
结构构件630可以包括缠绕的纤维细丝或多种材料。例如，在一些实施例中，结构构件630可以包括碳纤维、玻璃纤维、干强度纤维(例如芳族聚酰胺、聚(对亚苯基-2,6-苯并二唑)(aramid,poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazole，“pbo”)或超高分子量聚乙烯分子量聚乙烯(ultra-high-molecular-weightpolyethylene，“uhmw-pe”))、金属丝或任何其他合适的材料。
可以经受较高载荷的缰绳部分可以比其他部分更加强化。例如，如图6所示，与结构构件630的中心相比，最靠近系绳套管612的缰绳至系绳接口610a的部分可以具有更多的增强物(例如更多数量的缠绕的纤维细丝)。类似地，与结构构件630的中心相比，最接近机翼套管622的缰绳至机翼接口620a的部分可以具有更多的增强物(例如更多数量的缠绕的纤维细丝)。
至少部分地基于缰绳600的预测载荷，比如缰绳600的预测的拉伸载荷，可以选择缰绳和缰绳部件的尺寸。为了与awt一起使用，第一缰绳可以具有约7100毫米的长度l(例如从系绳套管612的中心到机翼套管622的中心的距离)。在第一缰绳上，系绳套管612可具有约62毫米的内直径d2和约57毫米的宽度w2。在第一缰绳上，机翼套管622可具有约120毫米的内直径d1和约45毫米的宽度w1。第二缰绳可具有约7880毫米的长度l。第二缰绳可具有系绳套管612，其内直径d2约为62毫米和宽度w2约为57毫米。第二缰绳可以具有机翼套管622，其内直径d1约为120毫米和宽度w1约为45毫米。
缰绳系统600可以包括一个或多个传感器(未示出)。传感器可以放置在终端上(例如缰绳至系绳接口610a和缰绳至机翼接口620a)，或者传感器可以放置在缰绳600、系绳120、或者飞行器330中的其他地方。在一些实施例中，缰绳系统600可被设计成测量载荷或位置。例如，缰绳系统600可以包括传感器，比如嵌入式光纤-布拉格(bragg)应变感测光纤、在缰绳端处的单向载荷销、在缰绳端处的双向载荷销或者联接到缰绳至机翼接口620a的直接应变计。
图6a和6b示出了根据示例实施例的沿着图6中的线aa和bb的缰绳600的横截面。如图6a和6b所示，结构构件630的横截面可以具有近似椭圆形的形状。在一些实施方式中，椭圆形纵横比约为2:1。如图6a所示，结构构件630的横截面与机翼套管622同相。如图6b所示，结构构件630仍与机翼套管同相，但与系绳套管612的相位相差90度。通过在系绳套管612和机翼套管622之间提供90度的相位差，系绳套管612可以与滚转轴线对准以允许滚转运动，并且机翼套管622可以与俯仰轴线对准以允许俯仰运动。此外，使结构构件630的横截面与机翼套管622同相最小化了缰绳600上的阻力。尽管图6a和6b示出了结构构件630的椭圆形横截面，但横截面可以具有各种形状，比如圆形或翼形形状等。
图7a、7b、7c和7d示出了根据一些实施例的用于将导体放置在缰绳中或周围的示例实施方式。图7a示出了具有结构构件730、两个中空管740和导体750的缰绳700。导体750可以是被绝缘的或裸露的。在一些实施方式中，一个或多个中空管可以配置在结构构件730的内部。导体750可以通过中空管740延展(run)并贯穿缰绳700延伸。
在其他实施方式中，导体750可以以其他方式连接。例如，导体750可以沿着与缰绳分离的路径连接到机翼。在一些实施例中，导体(和其他部件)可以在唯一的一个缰绳上延展。在其他实施例中，导体(和其他部件)可以在两个或更多个缰绳之间分开。在一些实施例中，导体以直线在缰绳的外侧上延展。在一些实施例中，导体螺旋缠绕在缰绳的结构构件周围。在一些实施例中，导体在多个位置处被固定住(tack)到结构构件，但在这些地点之间具有松弛，因此结构构件可被加载而不会使导体变形(strain)。在一些实施例中，缰绳上的每个导体与系绳上的导体匹配。在其它实施例中，可以组合缰绳上的导体，使得缰绳比系绳具有更少的导体(例如相内的导体可被组合)。
图7b示出了具有椭圆形结构构件730、整流部件735和导体750的缰绳700。如图7b所示，缰绳700可以包括联接到结构构件730的整流部件735，以为结构构件730和导体750提供更加空气动力学的形状。结构构件730可以被具有比结构构件730的弹性模量更高的弹性模量的顺应(compliant)材料732层围绕。顺应材料732可以保护导体750免受由抵着结构构件730的摩擦以及结构构件730的全部轴向应变引起的磨损。缰绳可以在一些或全部部分中整流，包括沿着结构构件730的主长度并且在端部(例如缰绳至机翼接口和缰绳至系绳接口)处。整流件(fairing)可以包括添加到圆形或椭圆形主横截面的“v”形，或者主截面本身可被模制成空气动力学形状。整流件设计包括重心、弹性中心和空气动力学中心的正确定位，使得缰绳在所有飞行速度下都稳定且不颤动。
为了减轻颤动，导体750可以沿着缰绳700的前缘延伸，使得缰绳700的质量中心放置成使得整流的缰绳是稳定的。整流部件735可以是围绕全部或部分缰绳700添加的非结构部件，以降低阻力和/或拉回缰绳700横截面的空气动力学中心以便稳定并抵抗颤动。结构芯的横截面可以是短轴与气流对准的椭圆形。这种对准提供了更宽的宽度，以便将导体750整齐地装配在结构构件730的前面，并且缩短了所需的总整流量，这又允许缰绳700更容忍迎面的空气或相对风与缰绳700上的参考线之间的高角度。整流部件735可被设计成围绕缰绳700装配，使得其可以旋转并“导向(vane)”风中以帮助实现正确的取向。在一些实施例中，在预期风向沿着缰绳700的长度保持基本不变的情况下，整流部件735可以与气流对准地固定到结构构件730，使得其不能旋转或“导向”。
在一些实施方式中，整流件可具有不仅在一个方向上减小阻力(例如经由边界脱离特征)而且当迎角处于较高角度时具有低阻力和/或低升力的轮廓。整流件的主轴线可以略微倾斜，以帮助匹配局部相对气流的典型方向(而不是垂直于机翼轴线对准)。在一些实施方式中，整流件的主轴线的角度可以沿着缰绳700的长度变化。
在一些实施方式中，缰绳700可以具有使边界层脱离以降低总体阻力的表面特征。例如，缰绳700可以具有肋状物、凹槽、涡流发生器、点状物或其他边界层脱离特征。在一些实施方式中，缰绳700可以具有提供前缘保护的表面特征，比如聚氨酯弹性体或可提供前缘防风保护的任何其他材料。
图7c示出了具有圆形结构构件730、整流部件735和导体750的缰绳700。如图7c所示，缰绳700可包括联接到结构构件730的整流部件735，以为结构构件730和导体750提供更具空气动力学的形状。导体750可以沿着缰绳700的前缘延展，使得缰绳700的质量中心放置成使得整流的缰绳稳定并且不会颤动。整流部件735可以是围绕全部或部分缰绳700添加的非结构部件，以降低阻力和/或拉动缰绳700横截面的空气动力学中心以便稳定并抵抗颤动。
图7d示出了螺旋缠绕在缰绳700的结构构件730周围的导体750。如图7d所示，缰绳700可以包括结构构件730、多个电导体750以及护套760。缰绳700可以具有长轴702。仅出于说明的目的，图7d中的缰绳700示出为移除了一些部件的一部分(例如护套760和多个电导体750)以示出缰绳700中的部件的布置。因此，图7d可被称为缰绳700的局部剖视图。
结构构件730可以是如本文所述已经固结和固化的缠绕的纤维细丝。在一些实施例中，结构构件730可以对缰绳700的拉伸强度和/或剪切强度提供显著的贡献。有利地，结构构件730可以在awt(例如awt100和/或awt200)正在运行的同时改善缰绳700对疲劳载荷的抵抗。此外，结构构件730可以改善缰绳700的各种部件(比如多个电导体750)对疲劳或拉伸载荷的抵抗。
结构构件730可以在各种不同实施例中采用各种不同的形式。例如，在一些实施例中，结构构件730可以包括拉挤纤维棒、碳纤维棒、玻璃纤维、一种或多种金属(例如铝)，碳纤维、玻璃纤维和/或一种或多种金属的组合，和/或树脂或热塑性塑料。作为一个示例，结构构件730可以包括纤维的组合，比如具有第一模量的第一碳纤维和具有大于第一模量的第二模量的第二碳纤维。作为另一示例，结构构件730可以包括碳纤维和玻璃纤维。此外，结构构件730可以包括基体复合材料和/或碳纤维和/或玻璃纤维，比如金属基体复合材料(例如铝基体复合材料)。
在一些实施例中，结构构件730可具有圆形横截面形状或可包括其他横截面形状。例如，在一些实施例中，结构构件730可以具有椭圆形状(例如纵横比约为2:1)、梯形横截面形状、馅饼楔形横截面形状、矩形横截面形状、三角形横截面形状等。在一些实施例中，结构构件730可以包括具有各种横截面形状的多个较小结构构件。另外，在一些实施例中，结构构件730可以具有沿着缰绳700的长轴702变化的横截面形状。
此外，多个电导体750可以配置为传输电力。例如，多个电导体750可以配置成用于高压ac或dc功率传输(例如大于1000伏)。例如，多个电导体750可以配置为承载1千伏至5千伏或更高的ac或dc电压以及50安培至250安培之间的相关的功率传输电流。
在一些实施例中，如图7d所示，多个电导体750可以螺旋缠绕在结构构件730的外表面周围。多个电导体750可以以其他方式缠绕。例如，在一些实施例中，多个电导体750中的电导体可以具有围绕结构构件730的外表面的交替布置，或围绕结构构件730的外表面的反向摆动走向。
在一些实施例中，多个电导体750可以包括限定分离的电路径的电导体组。此外，在一些实施例中，电导体组可以配置为不同地操作。例如，在ac功率传输布置中，第一组电导体可以配置成沿着第一电路径承载电力的第一相，第二组电导体可以配置成沿着第二电路径承载不同于电力的第一相的电力的第二相等等。此外，在dc功率传输布置中，第一组电导体可以配置为沿着第一电路径在第一电势下操作，第二组电导体可以配置为沿着第二电路径在与第一电势不同的第二电势下操作等等。作为一个示例，第一电势相对于地面可以是+2000伏，第二电势相对于地面可以是-2000伏。作为另一示例，第一电势可以是高电压，第二电势可以接近地面电势。
在一些实施例中，多个电导体750中的每个电导体可以包括相同的材料并且具有相同的厚度。然而，在一些实施例中，多个电导体750中的至少两个电导体可以包括不同的材料和/或具有不同的厚度。例如，在一些实施例中，与第二组电导体中的电导体相邻的第一组电导体中的电导体可以具有与第一组电导体中的两个电导体相邻的第一组电导体中的电导体不同的厚度。
在一些实施例中，电导体750可以通过以陡峭或远离缰绳轴线的螺旋角度缠绕而减轻应变。通过在电导体750的缠绕半径内包含低体积弹性模量层，使得低体积弹性模量层在电导体750的张力下压缩，从而允许电导体750的一些向内径向行进，电导体750可以额外地减轻应变，因此减少电导体750的所需自由长度。
此外，在一些实施例中，多个电导体750中的每个电导体可以包括绝缘层752。然而，在其他实施例中，多个电导体750中的至少一个电导体可以不包括绝缘层。
在一些实施例中，缰绳700还可以包括位于导体750和护套760之间的填充材料790，使得填充材料790填充空隙。利用这种布置，填充材料790可以阻止来自多个电导体750的湿气。例如，在一些实施例中，填充材料790可以阻止湿气沿着多个电导体750扩散到缰绳700的内部。
填充材料790可以在各种不同实施例中采用各种不同的形式。例如，在一些实施例中，填充材料790可以包括硅树脂上的硫化橡胶，比如室温硫化橡胶。另外，填充材料790可以包括聚酯薄膜(mylar)。此外，在一些这样的实施例中，填充材料790可以包括一个或多个填充棒、纤维和/或带。
护套760可以在各种不同实施例中采用各种不同的形式。例如，护套760可以包括热塑性聚氨酯(“tpu”)、聚丙烯、聚氨酯和/或尼龙(例如尼龙11)。在一些实施例中，护套760可被挤压在多个电导体750之上。此外，在一些实施例中，当缰绳700包括填充材料790时，护套760可被挤压在填充材料790之上。此外，在一些实施例中，护套760可以具有1.2或1.5毫米的优选厚度。其他厚度也是可能的。
在一些实施例中，可以选择护套760的一种或多种材料以增加缰绳700对人和/或动物的可见性。例如，在一些实施例中，护套760可以包括具有白色或亮色或者对比色图案的材料。此外，在一些实施例中，护套760可以包括反射紫外(uv)光、发光或uv反射和发光的组合的材料或涂层。
此外，在一些示例中，缰绳700可以进一步包括至少一个光纤电缆和/或同轴导体(未示出)。光纤电缆或同轴导体可以配置为用于在飞行器(例如飞行器330)和地面站(例如经由系绳120的地面站410)之间进行通信。在一些实施例中，光纤电缆或同轴电缆可以以与多个电导体750被缠绕相同或类似的方式围绕外表面结构构件730缠绕。另外，在一些示例中，缰绳700还可以包括配置为经由有源以太网(“eop”)进行通信的导体。
在一些实施方式中，绳索可以包括具有多个阻力影响表面特征(例如脱离边界层的特征)的护套。图8a示出了根据示例实施例的缰绳800。此外，图8b示出了根据示例实施例的沿线aa的缰绳800的横截面。仅出于说明的目的，图8a中的缰绳800显示为具有以与图7d中的缰绳700相同的方式移除的一些部件的一部分。
如图8a所示，除了其它部件之外，缰绳800还可以包括结构构件830、多个电导体850、护套860和填充材料890。与图7d中的部件类似的图8a和8b中的部件可以以相似的方式具有相同的配置和功能。
护套860可以包括覆盖多个电导体830的至少一部分的内表面842和与内表面842相对的外表面844。护套860的外表面844可以包括多个阻力影响表面特征846。多个阻力影响表面特征846可以配置为影响缰绳800的阻力。作为一个示例，多个阻力影响表面特征846可以减小缰绳800的阻力。作为另一示例，多个阻力影响表面特征846可以增加缰绳800的阻力。
多个阻力影响表面特征846可以在各种不同实施例中采取各种不同的形式。在一些实施例中，多个阻力影响表面特征846可以包括在护套860的外表面844中的多个槽纹(flute)847(例如凹槽)。如图8b所示，在一些实施例中，多个槽纹847可包括具有500毫米间距的十六个槽纹(图8b中标记的多个槽纹847中的槽纹847a)。然而，在其他实施例中，多个槽纹847可以包括多于或少于十六个槽纹和/或多个槽纹847可以具有不同的间距。另外，在一些实施例中，多个槽纹847中的每个槽纹可以具有相同的深度和相同的半径。然而，在其他实施例中，多个槽纹847中的至少两个槽纹可以具有不同的深度和/或不同的半径。作为一个示例，槽纹847a可以具有0.6毫米的深度和0.8毫米的半径。
此外，在一些实施例中，多个阻力影响表面特征846可以包括从护套860的外表面844突出的多个板条(strake)(例如隆起)、多个凹坑、带有肋条的带、或者可以影响缰绳800的阻力的任何其他纹理化形状/材料。另外，多个表面特征846可以包括槽纹、板条、凹坑和带有肋条的带中的一个或多个。利用这种布置，多个表面特征846可以包括槽纹、板条、凹坑和/或带有肋条的带的组合。
多个阻力影响表面特征846可以以各种方式布置在护套840的外表面844上。例如，在一些实施例中，多个阻力影响表面特征846可以沿着缰绳800的长轴802设置在外表面844上。此外，在一些实施例中，多个阻力影响表面特征846可以以螺旋图案设置在外表面844上。在一些这样的实施例中，螺旋图案可以基于固定的螺旋角度和/或变化的螺旋角度。此外，在一些实施例中，多个阻力影响表面特征846可以以摆动路径设置在外表面844上。此外，在一些实施例中，多个阻力影响表面特征846的至少一部分可以以摆动路径或者以具有固定或变化的螺旋角度的螺旋图案沿着缰绳800的长轴802设置在外表面844上。利用这种布置，多个阻力影响表面特征846可以包括布置在外表面844上的组合有以摆动路径和/或以具有固定或变化的螺旋角度的螺旋图案沿着系绳800的长轴802设置的表面特征。
尽管上面描述的示例缰绳可以用在awt中，但是在其他示例中，本文描述的缰绳可以用于其他应用，包括架空传输(overheadtransmission)、浮空器(aerostat)、海底和海洋应用，包括离岸钻井和遥控潜水器(rov)、拖航、采矿和/或桥梁等等。
三、结论
图中所示的特定布置不应被视为限制。应该理解，其他实施例可以包括给定附图中所示的每个元件的更多或更少。此外，所示元件中的一些可以组合或省略。另外，示例性实施例可以包括未在附图中示出的元件。
另外，虽然本文已经公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。在此公开的各个方面和实施例是用于说明的目的，而不是限制性的，真正的范围和精神由以下权利要求书指出。可以使用其他实施例，并且可以做出其他改变而不偏离本文提出的主题的精神或范围。将容易理解的是，如本文一般性描述的以及在附图中示出的本公开的方面可以以各种各样的不同配置进行布置、替换、组合、分离和设计，所有这些都在本文中被考虑。