用于在高风速中飞行的风筝配置和飞行策略

相关申请的交叉引用

本申请要求Vander Lind于2010年11月3日申请的美国临时专利申请第61/409,894号的优先权，该申请的全部内容特此通过引用并入本申请。

技术领域

本发明涉及使被拴绳拴住的载具在高风速中飞行的系统和方法。

背景技术

包括拴绳翼（风筝）的侧风风筝系统能够从风中提取有效功率以用于例如发电、抬升或者拖拽物体或载具等等的目的。为了提供或使用持续动力，其需要在循环轨道（即，限定环路）上驾驶风筝。其还需要将风筝维持在空中并且在一系列的环境条件中沿持续轨道飞行，例如在高风速、大阵风、湍流或不定风条件中。然而，用典型侧风风筝系统模式运行，风筝的惯性速度、拴绳上的张力、风筝结构上的气动载荷以及系统功率输出都随着风速的增加而增加。如此，例如，当拴绳张力或风筝结构载荷超过安全极限时，在疾风的时候问题就会出现。因此，需要一种替代的运行模式，以使得当在疾风和改变风中以限定环路飞行时侧风风筝系统能够维持边界载荷和边界发电量。

发明内容

一种适于在疾风中以替代模式运行的侧风风筝系统。为了减轻疾风期间系统上的载荷，所述系统可以在疾风中以降低的效率运行。为了减轻疾风条件下的载荷，所述系统可以使用多元件翼型，其被促动以降低翼型的升力系数。其它飞行方面可以被控制，包括使侧风风筝在侧滑中飞行以诱导可以降低系统上的载荷的阻力。

附图说明

图1为图示说明风筝主体坐标系、攻角、侧滑角以及气动升力、阻力和侧向力的方向的示意图。

图2为图示说明侧风风筝系统的实施例的示意图。

图3为图示说明用在侧风风筝系统中的风筝的实施例的示意图。

图4为图示说明用于通过极端风条件的侧风风筝系统的控制的程序的实施例的信息流。

图5为图示说明用于侧风风筝系统的拴绳的实施例的阻力系数的曲线图，作为雷诺数的函数。

图6为图示说明用在侧风风筝系统中的拴绳的各种实施例的截面形状的示意图。

图7为图示说明用在侧风风筝系统中的系带部分的各种实施例的形状的示意图。

图8为图示说明用在侧风风筝系统上的混合转子的实施例的效率的曲线图，作为旋转速率的函数。

图9为图示说明用于侧风风筝系统的马达/发电机的控制的程序的两个实施例的信息流。

图10为根据本发明的一些实施例的机载的被拴绳拴住的飞行系统的透视图。

图11为根据本发明的一些实施例的多元件翼型的代表性侧面视图。

图12为用于多元件翼型的各种设置的攻角与升力系数之间关系的曲线图。

图13图示说明了根据本发明的一些实施例的塔架的垂直翼型的截面。

具体实施方式

本发明能够以多种方式实施，包括作为方法；设备；系统；物的组合；在电脑可读储存介质上具体化的电脑程序产品；和/或处理器例如被配置为执行储存在与处理器结合的存储器上的或者由存储器提供的指令的处理器。在此说明书中，这些实施，或者本发明可以采取的任何其它形式可以被称之为技术。总之，所公开方法的步骤的顺序可以在本发明的范围内作出改变。除非另有说明，被描述为被配置以执行任务的元件例如处理器或存储器可以作为在给定的时间临时地被配置以执行所述任务的普通元件或者被制造以执行所述任务的特定元件来实施。在此使用时，术语“处理器（processor）”指的是被配置成用来处理数据例如电脑程序指令的一个或多个装置、电路和/或处理核。

本发明一个或多个实施例的详细描述在下面将连同图示本发明原理的附图一起被提供。结合这样的实施例对本发明进行描述，但是本发明并不限制于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求限定并且本发明包含许多替代物、变体和等同物。

为了提供对本发明的彻底理解，许多具体细节在如下的说明书中被阐述。这些细节以用于示例的目的被提供，而且本发明可以根据权利要求在不包括这些具体细节中一些或全部的情况下实施。为了清楚的目的，在本发明的技术领域内已知的技术材料并没有详细地描述，使得本发明没有不必要的晦涩。

用于能够容忍极端风条件的侧风风筝系统的物理配置和飞行控制策略被公开。侧风风筝系统包括具有控制表面的风筝、拴绳、锚固装置，以及在一些实施例中的混合转子（即，能够用作螺旋桨和/或涡轮机的旋转气动表面或者表面组）。当用于发电模式时，该方面作为涡轮驱动发电机运转。当用于推力输送模式时，该方面作为马达驱动螺旋桨运转。侧风风筝系统可以被用于，例如，从风力发电、提升有效载荷和/或拖拽物体或例如船或车的载具。在常态风条件下，风筝被操作以等于或者更大量级大于风速的惯性速度沿飞行路径飞行。在一些实施例中，在疾风条件或阵风条件下，风筝上的控制表面偏转和马达命令被调整以降低惯性速度和风筝的升力系数，并且因此将结构载荷和功率输出限制在可接受的范围内，即使得系统在安全界限内持续运行而没有结构损坏。在疾风或阵风中，为了降低结构载荷和限制最大功率输出而使系统配置改变时，系统的多个方面协助维持飞行路径，而维持系统遵循期望的飞行路径的能力。通过控制表面偏转和马达命令，风筝被控制以在疾风中以大侧滑角飞行，并且风筝被配置以使得显著的侧向力系数由大侧滑角飞行引起。侧向力有助于将风筝维持在期望飞行路径的转动力。在一些实施例中，风筝还被配置以使得在大侧滑角飞行期间，风筝的形状和结构刚度导致风筝的阻力系数的增加。

在典型的水平飞行中，没有环境风，在负向X或者滚转轴方向，越过翼型的气流直接从前向后流动。在被拴绳拴住的具有翼的风筝以圆形样式上飞行的情况中，气流更复杂。如在图2的飞行路径206中所见的，当以基本圆形飞行路径飞行时，例如，对于具有翼型的风筝可能有多种姿态。有一系列的姿态选项可用，其在用在飞行路径中的不同控制方法与姿态之间进行交替使用。例如，一种方法是滚转整个风筝，并且使用风筝的主水平翼型的升力分量来提供转动力，以为了遵循例如环形的重复飞行路径。这能够使用副翼、或者使用多元件翼型的后缘元件来完成以滚转具有翼型的风筝。这种方法可能的缺点为要求降低翼型的升力，例如当疾风时可能在系统上加载了太多的结构载荷，该降低的升力将在降低的转动力上可以看出，并且因此具有翼型的翼必须在滚转中进一步倾斜飞行，以便实现期望的飞行路径。过分的倾斜飞行可能引起控制系统问题。

另一个方法将是使用具有翼型元件的垂直塔架。塔架的翼型元件，其标称地相对于风筝的主翼型垂直，能够被用于在标称的水平方向上提供升力，其在圆形飞行的情况中能够被用来沿着期望的飞行路径转动风筝。相较于所有的转动由滚转风筝的主水平翼型而引起的情况，该方面使得具有翼型的风筝的姿态更平坦，更少滚转。通过舵的使用，垂直元件的翼型能够相对于他们的攻角而被控制。这种方法具有至少两个优点。这两个优点都涉及疾风条件下限制风筝结构和拴绳上的结构载荷。第一，由于所选择的翼型设计的本质，随着垂直翼型的攻角被增加，塔架的垂直翼型的使用能够显著地增加阻力。增加的阻力可能是在疾风中的期望情况。第二，与风筝主翼型的倾斜飞行相反的是，塔架的垂直翼型的使用可以允许风筝的主翼型的升力在很大程度上与圆形飞行路径的维持脱离，因此空出其它的控制范式以降低风筝的主翼型的升力。风筝的主翼型的升力的降低可能是在疾风中的期望情况。

上面所讨论的方面，以及这些方面的组合，可以用在适于高速风的飞行系统和飞行策略中。这些方面包括适于增加风筝的阻力和/或降低风筝的主翼型的升力的各种特征和策略。这些方面的组合还可以被合并以产生不会降低风筝被控制的能力的系统。

在一些实施例中，拴绳被配置为在更高的视风速度下显示出更高的阻力。为了实现这个，拴绳包括导致跨其长度的全部或一部分雷诺数从属阻力系数的表面形状或者纹理（例如，粗糙或洼坑表面）。在那些包含混合转子的实施例的子集中，混合转子被配置为在疾风中低效率地发电。如果混合转子为固定叶片桨距，混合转子的全部或一些子集以显著降低的旋转速率运行，在适当的旋转速率下，其导致相同功率输出下的高系统阻力。如果混合转子为可变桨距或者可变扭曲（warp）设计，混合转子在旋转速率和桨距或扭曲的低效率组合下运行。例如，混合转子可以被调整桨距或被扭曲以具有高自由旋转的角速率，但是被控制为以较低的角速率运行，其提供期望的功率输出，但是至于速度其是不稳定的。在那些包括连接到马达/发电机的混合转子的实施例的子集中，到马达/发电机的扭矩命令最小化混合转子上的功率可变性和/或载荷可变性的度量。例如，用于性能可变性的适当的度量为功率输出的标准偏差。这发生在单独的马达/发电机的层次或者发生在风筝上的整套马达/发电机的层次。在实施例的子集中，其中，水平升力表面包括主翼和后缘水平尾翼，由于他们对拴绳张力和翼梁载荷的非最小相位控制，主翼上的控制表面被用于高频结构载荷控制，并且水平尾翼上的控制表面被用于低频结构载荷控制。在一些实施例中，水平升力表面的子集被配备有控制表面，其允许对风筝的升力失速系数的控制，并且这些控制表面被偏转以降低在疾风条件中风筝的升力失速系数或改变风筝的失速特性。

图1是根据本发明一些实施例的风筝101和相关的主体坐标系102的图示说明。气流相对于（with respect to）风筝101的速度v_a为风的速度v_w减去风筝101的惯性速度v_i的矢量和103。图1还示出了相对于相对气流v_a定义的风筝101的攻角104（α）和侧滑角105（ψ）。飞行的方向v_i以及气动升力（L）106、阻力（D）107和侧向力（Y）108的方向也在图1中表示出来了。

图2是包括风筝202的侧风风筝系统201的实施例的图示说明。风筝202被附接到拴绳203的一端，拴绳203的另一端被附接到锚固装置204上。当在侧风飞行模式时，风筝202被控制以沿着飞行路径206向入射风205的下游飞行。在所示示例中，风筝202包括连接到马达/发电机208的混合转子207，其从侧风风筝系统201提供或提取动力（power）。在图示的例子中，入射风205的速度可以为10米每秒，并且在沿飞行路径206的侧风飞行期间在风筝202处的视风速度可以在40-50米每秒的范围内。

在一些实施例中，飞行路径206为固定路径。在其它一些实施例中，飞行路径206是基于环境和控制变量例如风速、风向和期望的功率输出而变化的。在另外一些实施例中，飞行路径206可以从实体系统和控制策略的结合中体现出来，其并没有明确地估计出路径。

在一些实施例中，风筝202包括混合转子207，其将流体动态拖曳动力（fluid dynamic drag power）转换为轴旋转动力（shaft rotation power）或者将轴转动动力转换为流体动态推力（fluid dynamic thrust power）。在一些实施例中，混合转子207只将流体动态拖曳动力转换为轴旋转动力或者只将轴旋转动力转换为流体动态推力。在一些实施例中，混合转子207连接到马达/发电机208，其或者将轴旋转动力转换为电力（electrical power）或者将电力转换为轴旋转动力，或者其既能够将轴旋转动力转换为电力又能够将电力转换为轴旋转动力。在一些实施例中，马达/发电机208包括化学引擎或其它引擎，其将化学或其它动力（power）转换为轴旋转动力或者将轴旋转动力转换为化学或其它动力。

在各种实施例中，马达/发电机208在直接驱动配置中连接到混合转子207，通过磁性或者机械齿轮箱连接到混合转子207，或者通过粘性或流体动态结合件（fluid dynamic coupling）连接到混合转子207。

拴绳203包括高强度材料，其将力从风筝202传输到锚固装置204。在一些实施例中，拴绳203还包括导电材料，其将电力传输到风筝和从风筝传输电力。在一些实施例中，拴绳203包括气动的或流线型的形状或者表面纹理。

在一些实施例中，电力通过拴绳203被传递到风筝202和从风筝202传递。在一些实施例中，通过机载化学存储或者电磁转换的动力方式对风筝202提供动力。在其它一些实施例中，风筝202为无动力的，并且其不包括机载混合转子207。

在各种实施例中，侧风风筝系统202被用来在拴绳203上产生牵引力，或者被用来用机载涡轮机207产生轴旋转和/或电力。侧风风筝系统202的动力和牵引性能衡量为

$>P=K_1{v}_w^3\frac{C_L^3}{C_D^2}$>（方程式1）

以及，简化以忽略发电阻力，

$>T=K_2{v}_w^2\frac{C_L^3}{C_D^2}$>（方程式2）

其中，K₁和K₂分别为经验常数，C_L为系统升力系数，C_D为系统阻力系数，并且v_w为相对于地面锚点的平均风速。方程式1可以被称为性能度量。升力系数C_L以及阻力系数C_D以用于飞行器的常规方式定义。在一些实施例中，拴绳203被设计用来在设计升力和阻力系数以及设计风速下抵御拉伸载荷。在更高风速下，在本发明的一些实施例中，气动力系数C_D和C_L被修改从而使得拴绳203上的拉伸载荷保持有界限以避免结构损坏。

风筝202具有非零质量和非零速度。为了遵循飞行路径206，风筝202必须基本上朝向飞行路径的瞬时曲率中心被加速，并且因此必须产生足够的气动向心力（即，如在图2中图示的被引导朝向飞行路径的曲率中心的升力206和气动侧向力208的分量的和）。

侧向力系数C_γ被定义为由风速的平方、空气的密度ρ和翼参考面积A所标准化的气动侧向力如下：

$>C_{\gamma }=\frac{\gamma }{0.5\rho V_W^{2}A}$>（方程式3）

风筝202在攻角104以及侧滑角105下飞行（如在图1中所图示的）。在一些实施例中，风筝202为非对称的并且当在非零侧滑角飞行时其具有非零侧向力系数。在一些实施例中，存在非对称垂直升力表面以使得风筝202上的侧向力系数作为风筝飞行所处的侧滑角的函数而改变，以相同的方式，在稳定水平飞行的飞行器的升力系数随着攻角变化。在一些实施例中，在常态风条件下，主要通过风筝202相对于拴绳203的滚转角的调整来使得风筝202遵循飞行路径206，而且，在疾风条件下，主要通过风筝202的侧向力系数C_γ的改变来使得风筝202遵循飞行路径206。在其它一些实施例中，在所有的风条件下，主要通过侧向力系数C_γ的改变来使得风筝202遵循飞行路径206。在一些实施例中，升力系数C_L的改变被额外地用来控制风筝202以遵循飞行路径206。在一些实施例中，所有三项技术根据风速被用于不同水平。

图3为侧风风筝301的实施例的图示说明。在一些实施例中，图3的风筝包括图2中的侧风风筝系统201中的风筝202。在一些实施例中，风筝301包括多个升力表面302，其在存在流体流动时产生气动力，该气动力具有垂直于流动方向的分量。在各种实施例中，风筝301包括将拴绳304附接到风筝301的系带303、一个或几个控制表面305、连接到马达/发电机307相连接的混合转子306、流动调节器308和/或一个或多个控制电脑309。

在一些实施例中，拴绳304包括形状或表面处理以使得拴绳阻力系数取决于雷诺数或视风速度。在各种实施例中，拴绳304包括形状或表面处理以使得拴绳显示出一些截止（cut-off）雷诺数之上的减小的阻力系数、一些截止雷诺数之上的增大的阻力系数、或者一个截止雷诺数之上的减小的阻力系数和一不同的截止雷诺数之上的增大的阻力系数两者。在一些实施例中，拴绳304包括这样一种只在其长度的一部分上的表面处理。在一些实施例中，拴绳304的形状或表面处理随着飞行速度或张力以修改拴绳304的阻力系数的方式改变。例如，拴绳304的后缘可以包括流线型或者气动形状，其包含铺设在波浪样式中的高杨氏模量纤维，以使得拴绳后缘在高的拴绳张力下产生出波纹。

在一些实施例中，系带303包括多个独特的拉伸元件，其将来自于拴绳304的载荷分布在风筝301上。在一些实施例中，风筝301上的系带附接点横跨风筝301的俯仰和滚转力矩中心（pitch and roll centers ofmoment），以使得系带303对风筝301的俯仰和滚转定向提供恢复力矩。在其它一些实施例中，拴绳304直接连接到风筝301。在一些实施例中，系带303将拴绳304的附接点约束在相对于翼的固定位置。在其它一些实施例中，系带303将拴绳304连接到系带303的位置约束为相对于翼的一行、一弧形或者其它弯曲的或区域的空间。在一些实施例中，系带303具有低阻力形状。在一些实施例中，系带303具有当风筝301在大侧滑角飞行时产生气动侧向力的形状，例如具有翼形截面的形状。在一些实施例中，系带303和/或拴绳304具有当风筝301以显著的侧滑角飞行时产生更大流体气动阻力的形状，例如翼形的、椭圆的、扁平的或其它形状的截面。

在风筝301的一些实施例中，升力表面302包括水平表面301和垂直表面311。在存在相对气流时，水平表面310在俯仰平面上产生升力并且垂直表面311在偏航平面上产生升力，即，气动侧向力。在各种实施例中，由水平表面310所产生的升力分量为风筝301主要的动力。在一些实施例中，风筝301相对于拴绳303滚转使得水平表面310所产生的升力分量有助于风筝301的转动力。在各种实施例中，由垂直表面311所产生的升力是风筝301的转动力的主要分量。在疾风飞行中，垂直表面311被用于替代水平表面310来产生主要的转动力，而风筝301的定向被改变以使得升力系数由于水平表面310而被减小。在此种方式中，在失速或翼梁故障之前，攻角上更大的偏差在水平表面310上是可以忍受的。在一些实施例中，升力表面302包括多个不同方向上的升力表面，其用于与垂直表面311和垂直表面310的相同联合目的。

在一些实施例中，水平表面310和垂直表面311的寄生和诱导阻力由风筝301的配平攻角和侧滑角并且由控制表面305的偏转来确定。在一些实施例中，来自于水平表面310和垂直表面311的阻力在那些在疾风条件下可以看到的、相较于当侧风风筝系统201在常态风条件下运行时所观测到的侧滑角而言是大侧滑角的侧滑角范围内显著地增加。在一些实施例中，水平表面310的升力系数在相较于当侧风风筝系统在常态风条件下运行时所观测到的侧滑角而言是大侧滑角的侧滑角范围内减小。在一些实施例中，垂直表面311的纵横比小以使得当产生侧向力时垂直表面311产生巨额诱导阻力。在一些实施例中，垂直表面311通过包括不规则翼弦、翼展分布间隙、翼展分布狭槽或者交替后缘偏转被造型以具有低翼展效率。在一些实施例中，马达塔架的垂直表面具有非对称翼型以使得垂直表面适合于在一个方向上的上升，在一些方面其可以是圆形飞行路径的中心。在一些实施例中，升力表面302的子集包括侧滑从属升力（dependent lift）调节器308，其调节包括包括它们的表面的升力和阻力。在各种实施例中，侧滑从属升力调节器308包括通风器（vortilators）、栅栏或任何其它适当的升力调节器。在一些实施例中，升力调节器308根据侧滑调节升力表面302的子集的失速特性。在一些实施例中，垂直表面311包括贯穿翼通风口或者前缘缝翼，其在常态运行中遇见很少的气流，但在大侧滑角时显示出大的通流和大的阻力系数。在一些实施例中，垂直表面311包括控制表面305的子集，当被偏转或者被促动时，其在一给定的侧滑角时增加垂直表面311的侧向力。

在本发明的一些实施例中，如在图13中所见的，塔架可以包括NACA2415翼型并且在常规发电飞行中具有零入射角，产生0.25的塔架升力系数。在纵横比为4并且翼展效率为1时，这导致单独涉及（referenced to）塔架面积的0.005的诱导阻力系数。在疾风飞行中，如果风筝在平均7度的侧滑下飞行，那么塔架产生涉及塔架的0.08的诱导阻力系数。在一些实施例中，塔架具有主翼面积的大约0.25，其导致涉及翼面积的0.02的阻力系数的增加。在一些实施例中，塔架以具有非常低的翼展效率的方式被造型。例如，塔架可以在越过短的翼展方向距离的翼弦上具有大的变化，或者可以具有靠近塔架尖端的锐边，其被定向成与风筝侧滑的气流相对齐但是与高侧滑的气流不对齐。例如，塔架的尖端可以被切断为方端。如上所述具有垂直塔架的塔架提供的有点在于当风筝处于侧滑飞行时诱导阻力显著地增加。由于在疾风飞行中侧滑角被增大，诱导阻力增加，减轻了由于风速增加导致的系统上结构载荷的增加。

塔架翼型轮廓还可以被修改以在临界侧滑角之上产生更大的轮廓阻力。例如，塔架轮廓1301可以包含跨越塔架翼展一部分的前缘翻边（leadingedge cuff），如在图13中所描绘的。塔架的节段的横截面轮廓1301可以覆盖全部塔架翼展的例如20%。塔架可以具有前缘翻边1302，其具有小曲率不连续性，引起在相对于视风的塔架截面的临界风筝侧滑或临界攻角之上的越过塔架截面的顶部表面的节段的气流分离。因为塔架大部分仍然采用传统的翼型截面，由于翻边塔架节段的增加的分离和寄生阻力不会明显地影响失速攻角或风筝操作。具有如上所述轮廓特征的塔架提供的优点在于当风筝在显著的侧滑角飞行时轮廓阻力增加。由于在疾风飞行中侧滑角增加，轮廓阻力增加，减轻了由于风速增加导致的系统上结构载荷的增加。

在一些实施例中，主翼具有为25的纵横比，而且在常态发电飞行中以为2的升力系数运行并且在疾风飞行中以0.7或超过0.7的升力系数运行。为了提供一个示例，这导致在常态侧风飞行期间涉及翼面积的0.085与0.05之间的诱导阻力系数，以及在用在疾风飞行中的低升力系数下为0.006的诱导阻力系数。在此示例中，假定拴绳具有涉及翼面积为0.05的阻力系数，以及涉及翼面积为0.04的寄生和轮廓阻力。这导致对于机身，升力与阻力比为14并且性能度量（C_L^3/C_D^2）为400。

在疾风中，再一次忽略飞行路径几何形状的影响，导致主翼上在升力系数为0.7时升力对阻力的比率为7，并且性能度量为40。然而，如果由于之前所列出的侧滑（0.01）和由于轮廓上的改变（0.01）所增加的塔架阻力被包括，升力对阻力的比率变成6，并且性能度量变成25。在给定示例中，在升力系数为1.5时持续的环形飞行变得困难，由于对过量的拴绳滚转角的需要以便完成转动（转而由于可以获得的低气动力以抵消向心力）。如果这被当作是不包括本发明各方面的风筝系统在其飞行中的最小升力系数，包括具有侧滑的转动，那么升力对阻力的比率以及系统的性能度量分别为12.6和240。气动力大概以进入风速的平方增加。因此，如果上面标称飞行示例在10m/s的风中使用完全允许的飞行载荷（例如每4平方米翼20000牛顿），具有最小升力系数为1.5的示例能够在不高于13m/s的风中飞行，而包括本发明的多个方面具有最小升力系数为0.7的示例能够在不高于39m/s的风中飞行。尽管在本发明的实践实施例中可以采用附加的特征来减轻疾风情况中的载荷，能够看到的是仅仅这一方面就允许抗风能力290%的增加，与此相对的是，在此示范实施例中不具有此方面的只有30%的增加。

在一些实施例中，风筝301包括多个控制表面305。控制表面305调节由升力表面302所生成的升力和阻力。在各种实施例中，控制表面305可以包括襟翼、前缘缝翼、副翼、福勒襟翼、升降器、升力扰流器、舵、翼扭转促动器或任何其它适当的移动表面（并未在图3中全部示出）。在一些实施例中，风筝301是稳定的，并且风筝301的配平攻角和侧滑是控制表面305的偏转的函数。在一些实施例中，风筝301是不稳定的并且必须通过使用自动控制来稳定，自动控制下的风筝301的配平攻角和侧滑是控制表面305的平均偏转的函数。

在一些实施例中，控制表面305包括主翼后缘元件312和升降器313，主翼后缘元件312位于主水平升力表面上，并且升降器313位于后缘水平升力表面上，例如水平尾翼上。在一些实施例中，主翼后缘元件位于气动中心的前面以使得后缘元件312的偏转立即引起由风筝301所产生的升力系数的增加。在一些实施例中，升降器313位于风筝301的气动中心之后很远，并且当被偏转以产生风筝301的升力系数的增加时，他们暂时地产生升力系数的增加。在一些实施例中，后缘元件312通过控制程序例如由控制电脑309所执行的程序使用以减弱由于阵风造成的升力上的高频率变化，而升降器313用于减弱由于阵风造成的升力上的低频率变化。在一些实施例中，后缘元件312包括多元件翼型（multi-element airfoil）的次级或第三级元件，而在其它一些实施例中，后缘元件312在单一元件翼型上包括铰链式控制表面、弯曲控制表面或任何其它类型的控制表面。在一些实施例中，福勒襟翼被用作后缘元件。

在一些实施例中，风筝301进一步包括连接到马达/发电机307的混合转子306。在一些实施例中，混合转子306是与在图2中的混合转子207相同的混合转子，并且马达/发电机307为与在图2中的马达/发电机208相同的马达/发电机。在各种实施例中，通过叶片桨距控制、旋转速率控制、位置控制、扭矩控制或者用于控制的一些其它机构或算法，混合转子306和马达/发电机307运行以调整风筝301的配平攻角和侧滑。在一些实施例中，风筝301不包括控制表面305并且风筝301的配平攻角和侧滑由混合转子306的调制确定。转子的调制可以包括区别转子右/左（偏航）、上/下（倾斜）或者两者的载荷以及因此的阻力。

在一些实施例中，风筝301进一步包括飞行控制电脑309，其控制控制表面305的偏转和到马达/发电机307的命令以及因此混合转子306上的流体动态力。在一些实施例中，飞行控制电脑309运行控制程序以基于传感器输入选择控制表面偏转和马达/发电机命令。在一些实施例中，飞行控制电脑309不位于风筝301上，而是从某一其它位置将命令传达到风筝。在一些实施例中，控制程序没有储存在飞行控制电脑309中而是某一其它位置加载。在一些实施例中，控制程序基于所感应到的例如风速或风向的环境条件改变控制表面305的配平控制表面偏转、到马达/发电机307的马达/发电机命令以及风筝301的攻角和侧滑角。在一些实施例中，当接近设计的环境变量（例如，标称设计风速）被感应到时，控制程序给出将风筝301配平到一侧滑角的命令，该侧滑角将最大化功率输出量级和质量的度量（例如，最小的可变性），并且当脱离设计的环境变量（例如，高风速）被感应到时，控制程序给出将风筝301配平到一侧滑角的命令，该侧滑角将使得结合功率输出量级和功率输出质量以及风筝结构可靠性的度量最大化。在各种实施例中，控制程序给出将风筝301配平到大侧滑角的命令，其增加了阻力、减小了最大升力并且改变了风筝301的稳定性特性。在一些实施例中，在低风和疾风条件中，风筝301可以以相同的侧滑角飞行。

图4图示说明了用于侧风风筝系统控制的程序的实施例。飞行控制电脑401（例如，图3中的飞行控制电脑309）包括处理器和存储器以存储并实施用于风筝（例如，图2的风筝202或图3的风筝301）控制的程序。飞行控制电脑401获得来自于传感器402的输入信号，其可以包括在风筝上和/或其它位置所感应到的数据。飞行控制电脑401使用来自于传感器402的信号来确定控制表面403（例如图3中的控制表面305）所需要的偏转，并且，对于那些包括混合转子的风筝的实施例，来确定马达/发电机404（例如，图2中的马达/发电机208或图3中的马达/发电机307）所需要的性能。由飞行电脑401所实施的程序包括飞行参数控制系统405，其确定飞行路径（例如，图2的飞行路径206）、控制表面403的期望的偏转以及用于稳定性配平和控制系统406的控制增益。由飞行电脑401所实施的程序进一步包括稳定性配平和控制系统406。

稳定性配平和控制系统406获得来自于传感器402的输入信号和飞行参数控制系统405的输出。如果侧风风筝系统的飞行电脑401是没有自动控制的非动态稳定的，那么稳定性配平和控制系统406就会实施反馈环，其稳定侧风风筝系统的那些非动态稳定的模式。在常态运行风条件中，飞行参数控制系统405命令控制表面403的偏转，其导致高运行效率（例如，设计用于发电的系统上的作为风速的函数的高发电能力）。在一些实施例中，在疾风中，飞行参数控制系统405命令控制表面403的配平偏转，其在风筝上直接产生更高的流体动态阻力，或者导致产生更高阻力系数的侧滑角或攻角。在那些包括混合转子的实施例中，飞行参数控制系统405可以发送命令信号到马达/发电机404，其直接在风筝上产生更高的流体动态阻力，或者导致产生更高阻力系数的侧滑角或攻角。在一些实施例中，飞行配平由风筝的结构或几何形状被动地调整，并且不一定由飞行参数控制系统例如飞行参数控制系统405调整。例如，风筝的形状可以使得当被调控到以更低攻角飞行时，风筝将其定向被动地调整到更高的侧滑角；或者风筝可以在载荷下以以产生更高系统阻力、更低升力系数和/或更高配平侧滑角的方式变形。

图5是图示说明了作为当地视风速度和相关的雷诺数（Re）的函数的拴绳阻力系数502的曲线图，用于侧风风筝系统的拴绳（例如，图2的拴绳203和图3的拴绳304）的实施例。拴绳阻力系数502是来自于在与飞行方向相反的方向上作用在风筝上的拴绳的分力，在被标准化到与用于确定风筝的升力、阻力以及侧向力系数相同的面积时。在截止当地视风速度501之上，拴绳阻力系数502增加，降低了相关侧风风筝系统的飞行速度以及因此相对于风速和相对于阻力系数502保持恒定时将会显示出的系统张力的系统张力。在一些实施例中，在截止当地视风速度数值503之下，拴绳阻力系数502也增加。在示范性实施例中，拴绳阻力系数保持相对高，并且然后从大约15m/s的风速开始下降。所标绘的阻力系数的低谷期可以非常靠近于标称运行视风速度，其可以为20m/s。在大约为80m/s或者更高的拴绳上的高视风速度中，阻力系数可以达到更高水平。这样一组拴绳的性能参数提供了在标称风速下低阻力系数的优势，允许使用机载系统的涡轮机驱动发电机的更高效率的发电，然而在高风速下还具有更高的阻力系数，其中，增加的阻力减轻了结构载荷，该结构载荷在没有此阻力的增加时将会更高。

图6A-D图示说明了用于侧风风筝系统的拴绳的各种可能实施例的截面形状，所述拴绳如图2的拴绳203、图3的拴绳304或者其测量的阻力系数曲线在图5中被表示出来的拴绳。在各种实施例中，拴绳包括沿其圆周具有多个半球状切口的表面截面形状601、振荡半径的表面截面形状602、具有例如那些由喷砂造成的表面缺陷的截面形状603或者任何其它适当的表面截面形状。在一些实施例中，拴绳为导致截止雷诺数或视风速度之上的阻力系数增加的某一其它形状。在一些实施例中，拴绳在截止飞行速度之上或者在截止张力之上变形，以使得经修改的形状导致拴绳阻力系数的增加。这种拴绳的示例可以在Vander Lind的美国专利申请第13/185,507号中可见，该申请的全部内容在此通过引用结合本申请中。在更高风速中并且在更高飞行速度下，侧风风筝系统的拴绳的更大节段经历任何给定截止速度之上的视风。在一些实施例中，拴绳包括一表面截面形状（例如，形状601或形状603），其在某一速度或雷诺数之上显示出阻力系数的下降。在一些实施例中，拴绳包括这样一种截面形状，其只跨越接近风筝的拴绳节段，以使得在惯性风速或风筝速度增加时接近地面附接点的拴绳上增加的视风不会促成拴绳阻力系数的降低。图6D图示说明了用在400kW额定功率机载风力涡轮机上的拴绳截面形状的较佳实施例。在图6C中所见的形状603具有25mm的截面直径，并且绕着圆周其包括12个每个深度为2mm的半圆扇形604。扇形沿着拴绳的长度以与拴绳的拉伸方向轴线（tension-wise axis）成12度的角度成螺旋形。作为拴绳形状604上的视风速度的函数，在图6D中所见的拴绳形状的表面之上的到湍气流的长度平均过渡（length-averagedtransition）沿着拴绳轮廓改变位置，以使得在常态运行条件中（拴绳形状604上的视风速度为20-50m/s），拴绳形状604的涉及直径的（diameter-referenced）阻力系数接近于其最小值，例如，接近于图5中的风速503所表示的值（例如，在0.5与0.8之间的阻力系数）。在拴绳形状604上的更高的视风速度中，拴绳形状604的涉及直径的阻力系数增加，例如增加到图5中的风速501处所表示的值（例如，在0.8与1.1之间的阻力系数）。

图7A-C图示说明了用于侧风风筝系统的系带形状的几个可能的实施例（例如，在图3中系带303的形状）。在一些实施例中，系带形状包括椭圆截面例如在图7A中所见的系带形状701，或者翼型截面形状例如在图7B中所见的系带形状702，以使得当风筝以非零侧滑角飞行时，系带展示出非零升力和增加的阻力。在一些实施例中，如在图7B中所见的实施例中的系带形状702包括翼型形状，其被剪裁以在一个确定的侧滑角下失速，以使得系带形状702的阻力在所述确定的侧滑角之上增加。在一些实施例中，为了避免失速颤振，系带形状702包括翼型形状，其不会通过失速展示出俯仰力矩上的大的变化。在一些实施例中，系带形状的弦是恒定的，例如分别用于图7A和7B的系带形状701和702。在其它一些实施例中，例如在图7C中所见的系带形状703中，系带的弦沿着系带的长度变化，以使得系带在更高的攻角下失速，具有增加的诱导阻力，或者由于失速流的定位在失速时在截面升力上显示出更小的可变性。

图8是图示说明了混合转子的实施例（例如，图2的混合转子207或图3的混合转子306）的效率的曲线图，作为其旋转速率的函数。垂直线801和802是用于混合转子的一个实施例运行旋转速率，在此处，转子产生相等数量的轴旋转动力。数据线803为混合转子的一个实施例在单一的相对空速（airspeed）下在一旋转速率范围内的预计效率。在高效率下，对于所产生的给定数量的轴旋转动力，一较小的阻力施加到风筝系统上，导致风筝牵引和发电性能的提高。在较低效率下，对于所产生的给定数量的轴旋转动力，一较大的阻力施加到风筝系统上，导致风筝牵引和发电性能下降。在包括混合转子的侧风风筝系统（例如，侧风风筝系统201和混合转子207）的一些实施例中，当侧风风筝系统在疾风条件中以具有增加阻力的目标运行时，混合转子中的一些或者全部的旋转速率被控制以在低效率点下运行。在侧风风筝系统的一些实施例中，混合转子具有可变桨距叶片，并且当侧风风筝系统在疾风条件下运行时被控制以在旋转速率和叶片桨距的低效率结合下运行。在侧风风筝系统的一些实施例中，混合转子被设计为在某些运行点处失速或者相反地显著增加每个叶片的一大节段上的截面阻力，以增加在高风速中可能产生的阻力。

图9是图示说明用于控制连接到侧风风筝系统上的混合转子的发电机的程序的实施例的流程图。在一些实施例中，发电机为图2的发电机208并且混合转子为图2的混合转子207。在一些实施例中，由图9的程序所控制的发电机（例如，发电机208）的扭矩是基于发电机旋转速率和发电机功率输出的测量值而被控制。扭矩基于旋转速率的平均测量值和发电机功率输出的近似于瞬时测量值而被计算出来。在一些实施例中，旋转速率测量值被平均所跨的时间长度作为风速或者某一其它外部测量值的函数而被改变，或者基于功率输出而被改变。在一些实施例中，旋转速率测量值被平均所跨的时间长度在所有的运行条件中是固定的。在一些实施例中，旋转速率测量值被平均所跨的时间长度在发电机使用电力时比在发电机产生电力时短。在一些实施例中，除了发电机扭矩之外，转子叶片桨距在阶段903被命令。在一些实施例中，功率和旋转速度传感器901包括风筝上的所有功率和旋转速度传感器，而在其它一些实施例中，其它一些传感器被使用。在一些实施例中，控制电脑902向马达/发电机903给出命令，其最小化风筝的全部功率输出或功率输出变化的函数和在混合转子上的测量的或估算的载荷（例如，在特定的范围内，尽可能多地减弱功率输出变化然而维持马达控制权和响应速度的命令）。在一些实施例中，控制电脑902在风筝电力系统处于侧风飞行模式时向马达/发电机903给出使功率输出变化最小化的命令，而在风筝电力系统处于其它飞行模式例如悬停飞行模式时给出使响应速度最大化的命令。在一些实施例中，控制电脑902在低风条件中用作用于马达/转子903的速度控制器，并且作为用于马达/转子903的扭矩或功率控制器。

图10为适于侧风飞行的风筝的实施例的图示说明，其作为根据本发明的一些实施例的机载被拴绳拴住的飞行系统的一部分。风筝1001包括水平表面1010和垂直表面1011。水平表面1010包括水平主翼1012和水平尾翼1013。水平主翼1012包括多元件翼型，其中主要元件具有为总翼弦的大约0.75的翼弦，并且后缘元件1016具有为总翼弦的大约0.25的翼弦。后缘元件包括六个节段，其沿水平主翼1012翼展的全部或大部分延伸并且全部被促动，以使得水平主翼1012的失速攻角、升力失速系数、阻力系数和力矩系数可以被修改。在疾风条件中，水平主翼1012的后缘元件被偏转以使得水平主翼1012的中心节段上侧的失速攻角被彻底地减小，而在水平主翼1012的外侧节段的失速攻角只是少量地减小，因此改变风筝1001的失速特性以更平缓。基于在拴绳1004上所感应到的张力以及估算的由主翼1012所产生的升力，水平主翼1012的后缘元件以减弱拴绳张力或者翼型升力的高频率变化的方式被促动。水平尾翼1013包括促动器，其枢转整个水平尾翼1013。促动器被用来响应拴绳1004上的感应张力和主翼1012上的估算升力的低通滤波器而促动水平尾翼1013。垂直表面1011包括马达塔架1014以及垂直尾翼1015。马达塔架1014和垂直尾翼1015具有低纵横比和低翼展效率，以使得当风筝1001以大侧滑角飞行时风筝1001具有增加的阻力系数。在所描述的示例性实施例中，大于5度的侧滑角导致风筝阻力系数20%的增加，在升力系数为1下当被标准化到主翼面积，在标称风筝飞行速度下。风筝1001进一步包括混合转子1006，其为可变桨距设计。在疾风条件中，混合转子1006被促动到低叶片桨距和高叶片旋转速率，以使得由转子1006所提取的能量的大多数转换为系统阻力。混合转子1006安装在马达塔架1014上，以使得混合转子1006的尾流（wake）不会与水平主翼1012的边界层相互作用。风筝1001进一步包括系带1003，其将拴绳1004连接到主翼1012并将载荷从拴绳1004传送到主翼1012。系带1003被布置以沿水平主翼1012的翼展分布载荷，并且因此减小由水平主翼1012所经历的弯矩。在典型实施例中，主翼1012的翼展为8米，翼面积为4平方米。翼弦长度，包括后缘元件1016在内，为0.52米。质量为55kg。系统具有长度为150米的拴绳飞行，其具有50米的飞行样式半径。拴绳的最大张力为19kN。最小飞行速度为2m/s并且最大飞行速度为100m/s。

拴绳1004包括圆柱形截面，其具有如形状601中的扇形切口，适于储存在卷筒上。拴绳1004只在接近于风筝1001的拴绳1004的30%以上包括扇形切口，如形状601显示出在临界雷诺数之下的阻力系数的增加。拴绳1004的阻力轮廓作为风速的函数与图5中所描绘的相似，具有对应于雷诺数503的风筝1001的最小视风飞行速度，以及对应于雷诺数501的风筝1001的疾风飞行速度。风筝1001进一步包括控制电脑1009，其存储并运行用于风筝1001的控制的控制程序。当风筝1001在低风条件下飞行时，控制电脑1009上的控制程序用速度控制回路操作马达/发电机1007，并且当风筝1001在疾风条件下飞行时，用电流控制回路操作马达/发电机1007。

主翼1012包括促动器，其以类似于“福勒”或多元件襟翼的方式绕着枢轴点偏转主翼后缘元件1016，如图11中的后缘元件角度偏转1102-1105所描绘的。在为10米每秒或更低的基于地面的风速中，后缘元件1016被偏转到0度的时间平均偏转（如图11中后缘元件偏转1104所描绘的），对应于产生接近于升力最大量的主翼1012的配置，并且风筝1001由水平尾翼表面1013到0度的时间平均攻角的偏转并且由舵1018到0度的时间平均侧滑的偏转所控制。在超过12m/s的风速中，后缘元件1016被向上偏转到一位置，就如图11中由后缘元件偏转1103所示的位置。后缘元件1016的时间平均向上偏转随着基于地面的风速从12m/s时的0度到25m/s时的-30度大致线性地增加。在一些实施例中，后缘元件1016的，后缘元件的某一子集1017，随着风速的增加以更高比率向上偏转。例如，在12m/s和25m/s之间的基于地面的风速之间，后缘元件的子集1017可以被偏转到线性增加到-45度的时间平均向上偏转。在这样的实施例中，主翼1012的接近在后缘元件1017的部分在疾风中完全失速。在其它一些实施例中，后缘元件1016的时间平均偏转在所有控制表面之间大致相等。在一些实施例中，只有后缘元件1016的一部分包括促动器，并且其它的后缘元件1016为固定的偏转。在一些实施例中，后缘元件1016还被用于转向和滚转控制，并且转动命令被增加到在此所描述的那些襟翼型命令。在一些实施例中，通过沿着主翼1012翼展的翼型轮廓上的变化，不同的襟翼子集如所命令地被偏转到不同的角度。

在一些实施例中，风筝1001包括主翼1012，其使用单一的元件翼型。不包括后缘翼型元件例如上面所述实施例的后缘元件1016，主翼1012可以包括以与后缘元件1016相同方式定位和使用的襟翼。在较佳实施例中，主翼1012包括产生大于1.5的时间平均升力系数的多元件翼型，当参照在处于或低于设计功率风速的风速中的主翼平面形状面积。当参照主翼面积，由于大于1.5的有限的翼升力系数的维持难以用单一的元件翼型实现，多元件翼型才是较佳的。

图11是描绘根据本发明的一些实施例的多元件翼型1106的图解，例如其可以被用在图10中所描绘的多元件主翼1012中。在所描绘的实施例中，多元件翼型1106包括主翼型元件1101和后缘翼型元件1104。多元件翼型1106包括促动器，其从飞行控制电脑接收控制信号以将后缘元件1104偏转到各个偏转，例如-15度（如后缘元件偏转1103所描绘的）、-30度（1102）以及+10度（1105）。在例如风筝1001的风筝上，由于用作例如主翼1012的主翼，在基于地面的风速处于或低于12m/s时，后缘元件1104被促动到0度（1104）的时间平均偏转。在更高的基于地面的风速中，后缘元件1104被向上偏转。例如，在25m/s或更大的风速中，后缘元件1104可以被向上偏转到-30度（1102描绘）。

图12是描绘多元件翼型所产生的升力系数的绘制的图解，所述多元件翼型例如在图11中所描绘的多元件翼型1106或者在图10中所描绘的多元件翼型1012。相对于水平轴1201上的攻角，升力系数被绘制在垂直轴1202上。升力系数曲线1203、1204、1205和1206对应于襟翼偏转-30、-15、0和10度（例如，分别在图11中所见的后缘元件偏转1102、1103、1104和1105）。如在图1和2中所描绘的在常态风或低风条件中的机载风力涡轮机，在主翼后缘元件偏转为0度下飞行，如在图11中的后缘元件1104和图12中的升力曲线1205所描绘的。在疾风中，例如30m/s的基于地面的风速，后缘元件如在图11中的1102以及图12中的升力曲线1203所描绘地被偏转。在升力曲线1203上，多元件翼型的最大升力系数被降低。升力系数相对于（with regard to）攻角的降低以及当在疾风条件中被期望的控制此升力系数向下的能力提高另一方面，其允许机载飞行系统减轻疾风条件中飞行期间的结构载荷。此外，在风筝的给定攻角下在大的向上的（负的）后缘元件偏转下升力被降低，允许风筝例如风筝1001以与视风相似的转子例如转子1006的入射角飞行，在低的基于地面的风速（例如，0-10m/s）下，如同在高的基于地面的风速（例如，20-40m/s）下，其具有降低混合转子上的变量和结构性疲劳结构载荷的效果。由于主翼可以基本上接近于风筝的气动中心，主翼上升力系数的变化能够直接通过主翼后缘元件的促动来实现，不像使用后缘尾翼可实现的升力系数的改变，在诱导增加总的风筝升力系数的攻角的变化之前，其必须产生风筝升力系数上的负的变化。

尽管为了清楚理解的目的前述实施例已经在一些方面详细描述，但是本发明不受所提供的细节的限制。有许多实施本发明的替代方式。所公开的实施例为说明性的而不是约束性的。