СИСТЕМА РАЗВЕРТЫВАНИЯ ВЗЛЕТАЮЩЕГО ПАРУСА В ВИДЕ КАЙТА НА ВОДНОМ ТРАНСПОРТНОМ СРЕДСТВЕ С ВЕТРОВЫМ ПРИВОДОМ
SYSTEM FOR UNFOLDING FLYING SAIL IN FORM OF KITE ON WIND DRIVEN WATERBORNE CRAFT

Изобретение относится к системе развертывания свободно взлетающего паруса в виде кайта на водном транспортном средстве с ветровым приводом.
Подобная система развертывания свободно взлетающего паруса в виде кайта известна из публикации Ship Propulsive Kites, An Initial Study, by J.F. Wellicome and S. Williams, University of Southampton, ISSN 0410 3818 SSSU19, гл. 4.1.2 "Non Powered Drouge Launch".
Недостатком этой описанной в названной публикации лишь схематично и недостаточно разработанной системы развертывания является то, что развертывание паруса должно происходить с помощью вспомогательного привода в виде дополнительного парашюта. Кроме того, не описаны меры, позволяющие снова надежно убирать парус большего размера.
В основе изобретения лежит задача, заключающаяся в том, чтобы предусмотреть меры, позволяющие запускать парусную систему пригодным для практического применения на море образом и снова надежно убирать ее. При этом, в частности, должно быть также обеспечено, чтобы парусом в развернутом состоянии можно было управлять с палубы водного транспортного средства с целью минимизации его крена.
Эта задача решается посредством мер, приведенных в отличительной части п.1 формулы. Изобретение основано при этом на том факте, что для уборки паруса его переводят в положение, в котором он может быть надежно и без проблем убран.
При этом особенно предпочтительно, если предусмотрен азимутально поворачиваемый держатель, посредством которого парус может быть приведен, с одной стороны, для развертывания в положение, в котором он подвержен достаточному воздействию ветра. Стыковочно-захватное устройство для разъемного соединения со стыковочным адаптером паруса направлено при этом соответственно в обращенную от ветра сторону, причем могут быть предусмотрены как приводимые подтягивающие средства, так и своего рода флюгарка. Стыковочно-захватное устройство выполнено при этом с возможностью обеспечения также фиксации для уборки паруса за счет автоматически входящих в зацепление удерживающих средств.
Особенно предпочтительным в изобретении является далее то обстоятельство, что запуск паруса может происходить только за счет воздействия ветра.
Далее благоприятно, если положение запуска находится со смещением в горизонтальном и/или вертикальном направлении относительно места последней запасовки каната в развернутом состоянии паруса. Последнее образовано в большинстве случаев лебедкой или находится вблизи лебедки. Таким образом, парус в рабочем состоянии может эксплуатироваться независимо от запускающего устройства.
Другое предпочтительное усовершенствование изобретения выполнено при этом таким образом, что у свободно взлетающего паруса в виде кайта разветвляющийся на несколько строп тянущий канат соединен с транспортным средством, причем предусмотрен перекрывающий точку разветвления соединительный канат, идущий от стыковочного устройства на парусе к лежащей по другую сторону точки разветвления, если смотреть от паруса, точке соединения с главной частью тянущего каната, и что предусмотрен сорлинь, который идет от стыковочно-захватного устройства и свободный конец которого, по меньшей мере, в зоне соединительного каната расположен с возможностью перемещения по тянущему канату с силовым замыканием. Таким образом, точка разветвления тянущего каната, вблизи которой могут находиться также элементы управления аэродинамической настройкой паруса при эксплуатации, в процессе уборки перекрыта, так что он может быть надежно подтянут к стыковочному устройству. Сорлинь может быть образован при этом предпочтительно также фалом или т.п., если парус используется на спортивном судне.
В одном предпочтительном усовершенствовании изобретения дополнительный сорлинь соединен с тянущим канатом посредством канатного распределителя, содержащего средства для перевода выполненного в виде канатного желоба направляющего устройства, соединенного с концом сорлиня, из его положения на тянущем канате на сорлинь при уборке паруса, тогда как парус другой частью линя соединен с канатным распределителем. Предпочтительно канатный распределитель имеет при этом, по существу, Т-образный профиль, Ω-образно охватываемый направляющим устройством. Таким образом, облегчаются захват и уборка паруса.
Если азимутально вращаемый стыковочный захват содержит устройство, которое автоматически переводит активное направление захвата в подветренную сторону, то может быть реализован автоматический процесс уборки, так что даже при возможном неправильном функционировании управляющей части или присоединенного, важного для управления парусом прибора самопроизвольно происходит надежная уборка паруса. При использовании сорлиня захватное устройство также может самопроизвольно перемещаться в подветренную сторону за счет того, что с захватным устройством эксцентрично соединен огибной ролик для сорлиня, так что находящийся под давлением ветра парус самопроизвольно тянет захватное устройство в подветренную сторону.
В одном предпочтительном усовершенствовании изобретения стыковочный захват и парус выполнены с возможностью оказания парусом в состыкованном состоянии минимальной нагрузки на систему. Это достигается, например, тогда, когда парус направляется на стыковочном захвате в его точке аэродинамического равновесия. Если это так, то обтекаемый ветром парус создает точно ту подъемную силу, которая необходима для нейтрализации его веса. Тогда парус «парит» на стыковочном захвате. Последний должен тогда воспринимать только горизонтально действующие на парус силы сопротивления, которые, однако, относительно малы, поскольку парус состыкован своей узкой передней стороной. Легко понять, что выполненная подобным образом система дает значительные преимущества для расчета.
В другом предпочтительном усовершенствовании изобретения парус содержит устройство для зарифления, причем тогда развертывание и/или уборка выполненного гибким паруса происходит в зарифленном состоянии. При этом по причинам стабильности благоприятно, если парус содержит жесткую, незарифляемую среднюю часть.
Зарифление происходит предпочтительно тогда, когда механизм для зарифления содержит направленные в направлении процесса зарифления тяговые ленты, выполненные с возможностью приведения в действие предпочтительно с помощью предусмотренной внутри паруса лебедки, причем зарифление происходит предпочтительно в боковом продолжении профиля несущего крыла. Возникающие при зарифлении складки закладывают предпочтительно между участками жесткого профильного сечения, причем, по существу, по всей длине несущего крыла предусмотрено одинаковое профильное сечение.
В одном предпочтительном усовершенствовании изобретения парус выполнен так, что по всей своей ширине он имеет небольшую кривизну. Это позволяет легче рифить парус, поскольку силы трения рифбантов в парусе уменьшаются. Далее в этом усовершенствовании предпочтительно то, что зарифенный парус имеет меньшую высоту, чем зарифенный парус большой кривизны. Летательные свойства существенно улучшены при меньшей высоте, что облегчает управление парусом.
Благоприятным образом для повышения стабильности в зоне передней кромки крыла и/или между участками с жестким сечением крыла предусмотрен, по меньшей мере, один надувной элемент, служащий также для поддержания разрифления.
В другом предпочтительном усовершенствовании изобретения возвышенное положение образует верхний конец, в частности, телескопического крана, у которого предпочтительно гидроцилиндры соединены с соседними или следующими друг за другом телескопическими секциями для привода.
Благоприятным образом мобильный кран содержит в зоне азимутально поворачиваемого захвата аэродинамически облицованный присоединительный элемент, имеющий подвод и присоединительный элемент для сжатого воздуха, выполненный с возможностью соединения с надувным телом паруса.
В одном предпочтительном усовершенствовании изобретения либо у подножия крана, либо в стыковочном захвате системы предусмотрен мощный вентилятор, подходящий также для работы в режиме всасывания. Посередине передней кромки паруса при этом варианте выполнения находится отверстие относительно большого сечения, которое в состыкованном состоянии соединено заподлицо со стыковочным захватом с возможностью быстрого надувания и сдутия паруса. Легко понять, что за счет этого устройства можно ускорить процессы развертывания и уборки.
Далее предпочтительно, если процесс зарифления может быть инициирован при свободно летящем парусе посредством дистанционного управления или выходного сигнала, по меньшей мере, одного сенсорного элемента, причем у содержащего надувной элемент паруса может быть инициирован также процесс сдутия.
Процесс аварийного зарифления инициируют при этом предпочтительно посредством быстрого открывания закрывающего надувной элемент закупоривающего участка, в частности вместе с быстрым выбиранием тянущего каната паруса.
Для поддержания усилий уборки на низком уровне улавливание паруса происходит посредством крепежа, расположенного в точке, в которой симметрично действующие силы ветра компенсируются в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Изобретение пригодно, в частности, для мореходных судов или судов, плавающих по большим озерам.
Другие благоприятные примеры осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Предпочтительный пример изображен на чертежах, на которых представляют:
- фиг. 1: в перспективе судно, буксируемое системой кайтинга согласно изобретению;
- фиг.1а: систему координат, служащую в качестве системы отсчета в последующем описании;
- фиг.1b: пример выполнения кайта согласно изобретению в виде параплана;
- фиг.2: блок-схему управления парусом согласно изобретению;
- фиг.3: более подробную блок-схему управления парусом согласно изобретению;
- фиг.4: стыковочное устройство для паруса, вид в перспективе;
- фиг.4а: деталь стыковочного устройства по фиг.4, вид в перспективе;
- фиг.4b: другую деталь стыковочного устройства по фиг.4, вид в перспективе;
- фиг.4с: схематично устройство для зарифления паруса;
- фиг.5а: блок-схему процесса развертывания согласно изобретению;
- фиг.5b: блок-схему процесса уборки согласно изобретению;
- фиг.6а: схематично протекание процесса развертывания согласно изобретению;
- фиг.6b: схематично протекание процесса уборки согласно изобретению;
- фиг.7: ускоренный процесс уборки согласно изобретению.
На фиг.1 в перспективе изображено судно, буксируемое системой кайтинга согласно изобретению. При этом парус 1 посредством тянущего каната 1.1 с устройством 2 приложения силы, установленным в носовой части судна 4, соединен с последним. Тянущий канат 1.1 ведет к центральной гондоле 1.2, от которой отходят стропы 1.3, ведущие к выполненному по типу параплана с профилем кайта парусу 1 и придающие ему необходимую форму. В отношении подробностей следует сослаться на нижеследующее описание. Кажущееся направление ветра в зоне паруса 1 обозначено буквой W. Соответствующий вектор ветра охарактеризован своими величиной и направлением. При необходимости его изменение по времени характеризовано еще обозначающей порывистость величиной В, которая образует среднее по времени отклонение скорости ветра от среднего значения и может быть изображена в виде скаляра, который образует как бы радиус шара вокруг вершины вектора W ветра.
s
s
s
s
s
s
s
На фиг.1а изображена система координат, которую в нижеследующем описании используют в качестве системы отсчета. При этом х означает направление движения судна, а y - направление поперек направления движения. Система координат при этом предполагается жестко привязанной к точке P судна. Эта точка представляет собой предпочтительно точку 2 воздействия силы в носовой части. Высота h соответствует при этом направлению оси z традиционной системы координат. Она указывает высоту над точкой P отсчета. Этой точкой отсчета является предпочтительным образом место размещения GPS-антенны находящего на борту GPS-прибора, так что координаты точки вне P, в которой находится другой GPS-прибор, могут быть созданы посредством образования разности выданных обоими приборами координат. (Если GPS-антенна находящего на борту GPS-прибора удалена от точки P отсчета, то это может быть учтено за счет добавления постоянной разности координат).
Для упрощения ниже следует исходить из полярной системы координат, в которой угол α образует азимутальный угол, а угол β - высотный угол. Направление вектора V указывает при этом на гондолу 1.2 паруса 1. Речь при этом идет как бы о «географической системе координат», поскольку гондола 1.2 или парус 1 движутся, по существу, по поверхности шара. Азимутальный угол α и высотный угол β указывают, тем самым, как бы географические долготу и широту положения гондолы на образованном вектором V «земном шаре». Долгота вектора V грубо указывает длину тянущего каната 1.1, причем его провисание сначала следует оставить без внимания.
k
k
k
k
k
k
k
k
Гондола 1.2 паруса ориентирована по собственной системе координат с направлениями x, y и z, причем z указывает в направлении продолжения вектора V. Вращение гондолы 1.2 паруса 1 вокруг вертикальной оси z называется углом рыскания (Yaw). Изменение угла рыскания вызывает изменение направления полета паруса 1. Угол рыскания может быть изменен, в том числе, за счет активного управления описанными ниже тормозными клапанами образующего парус 1 параплана. Он вызывает изменение направления, и этот процесс сопоставим с управлением управляемым воздушным змеем. Вращение вокруг продольной оси x представляет движение крена (крен) и управляется неактивно. По движению крена или соответствующему отклонению направления от z можно определить провисание тянущего каната 1.1 на основе силы тяжести, тогда как вращение вокруг поперечной оси y образует наклон паруса вокруг поперечной оси и может быть вызвано порывами ветра и их воздействием на тянущий канат 1.1. Эта система отсчета образует основу понимания нижеследующего описания системы судно-кайт.
На фиг.1b схематично изображен пример выполнения паруса согласно изобретению. Парус образует в изображенном варианте выполнения параплан 101 с контейнером 102 для управления, который более подробно описан ниже. От закрепленного на тянущем канате 1.1 контейнера 102 отходят стропы 103, переходящие в ответвления 104 в виде подвесной системы, соединенные с нижней текстильной оболочкой 105. Верхняя текстильная оболочка 106 образует замыкание сверху. Обе оболочки удерживаются вместе внутренними соединительными линями (не показаны) или соответствующими соединительными элементами, например текстильными ребрами, причем образованный обеими оболочками профиль несущего крыла стабилизирован внутренним избыточным давлением воздуха, возникающим через отверстия на передней кромке кайта (на чертеже слева), которые для наглядности также не показаны. Направление полета обозначено стрелкой 107.
На фиг.2 изображена блок-схема системы ветрового привода. Фиг. 2 служит также для ориентации в нижеследующем описании отдельных составных частей системы. Использованные сотенные ссылочные позиции образуют также групповые обозначения детально изображенных ниже частей системы. (Штриховая линия 99 обрамляет при этом те узлы, которыми должно быть дополнено традиционное судно, чтобы оно было дополнительно оснащено ветровым приводом согласно изобретению). Парусная система 100 содержит парус и относящуюся к нему систему управления. Устройство может быть расположено при этом в находящейся на конце тянущего канала гондоле, от которой отходят стропы, или же непосредственно встроено в парус. Система управления включает в себя, по существу, автопилот, который контролирует управление положением и траекторией полета паруса.
Парусная система 100 посредством тянущего каната и лебедки 210 (включая тянущий канат) и обозначенных штриховыми линиями путей связи с бортовой системой 200 соединена с поверхностью управления (интерфейс пользователя) 205, содержащей систему управления, которая контролирует положение кайта и подает машине 5 и рулю 6 судна необходимые управляющие команды. С парусом бортовая система соединена различными путями связи, которые позволяют, в принципе, задавать положение кайта с бортовой системы и принимать от парусной системы информацию, важную для бортовой системы.
Перед бортовой системой 200 включена навигационная система 300, которая передает бортовой системе соблюдаемый маршрут судна с учетом расходов, времени, скорости и использования ветра, а также, при необходимости, передает направление и силу ветра. К информации о ветре может относиться также обозначение, характеризующее его порывистость. Сюда могут относиться также информация касательно волнения на море и результирующее из этого движение судна. (Данные о ветре и метеоданные происходят при этом первоначально из описанной ниже системы 600 метеоинформации). Навигационная система поддерживается навигаторным информационным ориентиром (движение по карте) 310.
Из информации о курсе, ветре и волнах вырабатывают сигналы, которые управляют бортовой системой 200 и вызывают соответствующую настройку системы 100 кайтинга. Бортовая система 200 вырабатывает управляющие сигналы для машины 5 и руля 6.
Навигационной системой 300 управляют с помощью маршрутной системы 400, которая определяет путь судна посредством лежащей в основе его эксплуатации экономической базы. Маршрутной системой 400 управляют на основе заданных внешней станцией 500 данных, которые корректируют с данными системы 600 метеоинформации. Полученные навигационной системой 300 актуальные курсовые данные посредством соединения 302 с обратной связью (по радио, через спутник) передают обратно к внешней станции 500. Данные могут приниматься также другими, оснащенными системой, согласно изобретению, судами и использоваться для локальной актуализации системы метеоинформации. Таким образом, могут быть учтены актуальные, локально обусловленные изменения курса при дальнейшем внешнем задании маршрута.
Видно, что позиционирование системы 100 кайтинга происходит в зависимости от курсовых данных так, что на основе метеоусловий (актуально господствующие ветры и условия волнения) и с учетом экономических граничных условий, которые должны обосновать максимально рентабельную эксплуатацию судна, происходит оптимальное задание маршрута.
Аварийная система 700 в случае непредвиденной ситуации, вынуждающей сразу же совершить действия в виде аварийного маневра, подает требуемые управляющие команды.
Другие блоки 800 и 900 представляют соответственно систему сигнализации и систему связи, которые согласуют навигацию с другими участниками движения. К системе сигнализации относится навигационно-аварийное освещение и передача собственных навигационных данных по радио, которые информируют другие находящиеся вокруг суда о развернутой парусной системе и предполагаемом маршруте или актуальном курсе. Система связи включает в себя все системы, касающиеся дальнейшего обмена информацией.
Основные пути потоков данных показаны на фиг.2 сплошными линиями, тогда как остальные информационные пути переданы штриховыми линиями.
На фиг. 3 более подробно изображены блок 100, представляющий парусную систему, и блок 200 с бортовой системой по фиг.2. Здесь описано позиционирование и управление кайтом 101. Информация о направлении и скорости ветра, включая параметр порывистости, а также информация о волнении поступают в промежуточную память 211, в которой эти данные хранят для буферизации. Поскольку направление ветра и все настройки кайта относятся к кажущемуся ветру, курсовая информация при обработке не нужна. Настройка и маневрирование паруса по отношению к судну не требуют знания актуального курса, поскольку все маневры относятся к судну и под влиянием воздействующего ветра на кайт кажущегося ветра. Информация о ветре происходит при развертывании кайта 101 сначала из системы 600 метеоинформации на фиг. 2, если речь идет о позиционировании кайта. Как только, однако, его собственное измерение ветра после запуска начнет функционировать, кажущийся ветер определяют в месте самого паруса, поскольку оно является определяющим для позиционирования.
Данные о ветре и волнении образуют, в целом, набор данных, который адресует образующую справочную таблицу память 212 для заданного положения и типа маневра паруса. Эта справочная таблица организована как нормальная адресуемая память, причем выходные данные промежуточной памяти 211 в качестве адресных сигналов адресуют отдельные ячейки памяти, в которых хранятся относящиеся к адресуемым данным данные о состоянии паруса. Подобная «справочная таблица» связывает по типу постоянной памяти (ROM) согласно заданной функциональной взаимосвязи входные и выходные данные между собой, т.е. ее следует понимать как математическое соответствие (функция). Соответствующие блоки образуют, однако, только пример реализации и могут быть также заменены другими произвольными функциональными органами или узлами. При этом речь может идти, например, о микропроцессоре, у которого управляющая программа хранится в соответствующей памяти, или же об электрической схеме, у которой функциональная взаимосвязь установлена по типу аналогового вычислителя за счет участвующих электрических компонентов. Изображение в качестве справочной таблицы выбрано здесь для наглядности, поскольку решение с микропроцессором потому менее наглядно, что различные, последовательно отрабатываемые шаги программы требуют сложных рассуждений о том, какие части программы должны последовательно подаваться на микропроцессор.
При выбранном выполнении управляющие сигналы могут обрабатываться параллельно, причем, однако, не показаны коммутирующие устройства, которые вызывают активирование изображенных блоков в определенное время и соответствующие регулировки. Для простоты следует исходить из того, что поступающий управляющий сигнал, который отличается от прежде возникшего состояния, вызывает обработку в последующих блоках, сохраняющих соответствующее достигнутое состояние, пока изменение сигнала не приведет к новой обработке.
Данные о состоянии включают в себя, следовательно, во-первых, заданное положении паруса, т.е. его направление по отношению к судну, и стравливаемую длину тянущего каната. Кроме того, они содержат, при необходимости, также информацию о том, следует ли, и если да, то по какой хранящейся в памяти команде маневрировать кайтом 101. В то время как кайтом управляют в некоторых положениях статически, т.е. неподвижно, для эксплуатации судна в определенных случаях благоприятнее управлять кайтом динамически, т.е. совершать им заданные фигуры пилотажа, поскольку в результате повышается его скорость относительно ветра и вследствие этого также его тяговая мощность. В другой памяти 213 хранят актуальное положение кайта 101, определяемое его навигационной системой.
Записанное в памяти 213 фактическое положение кайта относится к судну, и его определяют преимущественно посредством образования разности двух GPS-сигналов. При этом речь идет, во-первых, о GPS-приемнике 124 кайта 101 в пределах системы 100 кайтинга, которая связана с летящим кайтом 101. Полученные в положении полета кайта 101 данные о положении передают посредством передатчика 112 к приемнику 214, находящемуся на борту судна. Другой GPS-приемник 215 также установлен на борту судна. Его выходной сигнал вместе с выходным сигналом приемника 214 подают к блоку 216 вычитания, с помощью которого вырабатывают дифференциальный GPS-сигнал. В подключенном к блоку 216 вычитания блоке 217 дифференциальные данные положения пересчитывают в полярные координаты, которые относятся к расстоянию между лебедкой и положением паруса. Речь при этом идет об углах α и β на фиг. 1а, а также о длине L каната. Полученные таким образом дифференциальные GPS-данные о положении имеют большую точность, если их определяют одновременно, а GPS-приемник судна установлен в месте, которое как можно меньше подвержено движениям судна, или если эти движения компенсируются.
Далее необходимо учитывать разность координат между положением лебедки и GPS-приемника посредством вычитания постоянного значения. Полученное с помощью образованного дифференциального GPS-приемника положение определяют в интервалы времени. Если его точности недостаточно, то оно может поддерживаться значениями, определяемыми посредством датчиков 117, 119, 120 ускорения. Соответствующие вычисления, содержащие интегрирование, выполняют в блоке 123. Поскольку в пределах интервалов времени, в которых должно происходить интегрирование, речь идет лишь о времени, которое проходит до следующего GPS-сигнала положения, интеграторам не требуется удовлетворять требования к качеству, которые гарантировали бы стабильность в течение длительных промежутков времени. (Датчики ускорения служат сами по себе для стабилизации маневров в полете, как это описано ниже, т.е. приобретают вторую функцию). Кроме того, предусмотрены высотомер 129, выполненный предпочтительно в виде барометра, и датчик 128 магнитного поля Земли, данные которого также подаются в память для навигационного сигнала 124.
Другой возможностью определения фактического положения паруса по отношению к судну является использование переданных судну данных высотомера 129 и датчика 128 магнитного поля Земли. Эти данные передают на судне в блок 227 и записывают. В блоке 227 происходит затем образование разности с данными высотомера 223 на судне и датчика 234 магнитного поля Земли на судне. Если высотомер 129 представляет собой барометр, то для определения давления воздуха на судне можно использовать также метеоданные из блока 600 (изобары). Полученные таким образом информационные данные о положении подают к блоку 217 и корректируют с GPS-данными. Таким образом, информационные данные о положении двух независимых систем поддерживают друг друга, и при выходе из строя одной системы необходимые данные, тем не менее, имеются в распоряжении.
Считанное из памяти 212 заданное положение кайта подают, с одной стороны, к компаратору 218, который выдает сигнал, если фактическое положение парусной системы 100, хранящееся в памяти 213, совпадает со считанным из памяти 212 заданным положением. В этом случае посредством схемы 219 деблокирования из памяти 220 типов маневров считывают характеризующий выбранный тип маневра набор данных. (При этом статический режим полета может отличаться также тем, что кайт не совершает никаких маневров, а сохраняет свое положение полета. При этом речь идет о типе маневра «нуль»).
При управлении этой памятью 220 типов маневров считывают, следовательно, полетную программу последовательного типа и передают ее автопилоту парусной системы 100. Выходной сигнал памяти 220 поступает при этом на передатчик 221, который определяет данные и подает их к приемнику 113 парусной системы 100. От выхода приемника 113 сигнал поступает в систему автопилота, а оттуда - в блок 114 управления маневрами. Он получает характеризующие определенный последовательный маневр в полете сигналы и преобразует их в значения виражей, подаваемые к полетному процессору 116, который управляет данным маневром. При этом устанавливаемое значение передают в компаратор 115 значений виражей, к которому подают, с другой стороны, входной сигнал измерителя 117 значений рыскания. Полетный процессор 116 создает теперь на своем соответствующем выходе 125 через соответствующий приводной элемент на кайте 101 посредством асимметричного притормаживания кайта 101 или соответствующей аэродинамической деформации криволинейный полет заданной последовательности и продолжительности. Другими аэродинамическими эффектами, управляемыми обоими другими выходами полетного процессора 116, являются установка крыла и зарифление, как это будет описано ниже.
Из памяти 220b для позиционирования управляют также лебедкой 240 для стравливания определенной заданной длины каната.
Во избежание качания вокруг вертикальной оси к полетному процессору 116 с наложением на управляющий сигнал с фазовым сдвигом дополнительно подают отфильтрованный фильтром высоких частот сигнал, что предотвращает размах. В то время как через выход 125 можно управлять движениями рыскания, через выход 126 настраивают установку несущего крыла. Как известно, степень установки крыла позволяет оптимизировать отношение между лобовым сопротивлением и подъемной силой. Через дополнительный выход 127 можно инициировать зарифление кайта 101. Зарифление изменяет подъемную силу и сопротивление и может потребоваться при отдельных маневрах.
Поскольку кайт прочно направляется на тянущем канате, он за счет его тягового действия автоматически стабилизируется в центре приложения подъемной силы относительно своих движений крена и наклона. Чтобы также и здесь исключить раскачивание, к полетному процессору через соответствующие инвертирующие фильтры 121, 122 верхних частот подают соответствующим образом сигналы положения датчика 119 крена и датчика 120 наклона, что предотвращает и компенсирует резкие изменения положения паруса 101.
Если кайт находится, следовательно, в своем заданном положении (на выходе компаратора 218 возникает характеризующий это состояние выходной сигнал), то считывается выбранный тип маневра, который заставляет кайт выполнять заданную циклическую полетную программу. Когда этот тип маневра передан, автопилот автоматически управляет парусом, а блоку 200 больше не приходится реагировать, если кайт не покидает своего заданного положения из-за непредвиденных ситуаций.
Если номинальное положение паруса 101 не совпадает с его заданным положением, будь то из-за изменения заданного положения, считываемого из памяти 212, что происходит при развертывании кайта, или из-за того, что кайт в ходе маневрирования покидает свое положение, то выходной сигнал пропадает на выходе компаратора 218 и активированный коммутирующим устройством 219 тип маневра из памяти 220 заканчивается. На выходе памяти 220 для типов маневров (левая часть) возникает сигнал «нуль», а это интерпретируется автопилотом парусной системы 100 таким образом, что записанный в память последним маневр больше не выполняется. Вместо этого фактическое положение кайта, считываемое из памяти 213 и полученное через GPS, сравнивают с заданным положением из памяти 212 посредством блока 221 корректировки положения и определяют маневр, который приводит кайт в заданное положение. Корректировочный блок 221 также выполнен в виде справочной таблицы, причем заданное и фактическое положения (также по отношению к судну) объединяют в один общий сигнал адресации и считывают характеристику соответствующего корректировочного маневра паруса из фактического положения А в заданное положение В. Следует лишь обратить внимание на то, что в зависимости от запуска и целевой точки (а также, при необходимости, в зависимости от ветровых условий и условий волнения) должны быть выбраны различные маневры кайта. Благодаря указанным мерам могут быть выбраны любые маневры, совершаемые кайтом.
Если при совершении маневров играют роль ветер и волнение, то эти данные из памяти 211 могут быть «пропущены» через справочно-табличные памяти 212 и 221, благодаря чему они еще содержатся в наборе данных для выбора специфического маневра и может быть выбран подходящий маневр. При этом, однако, речь идет не об уравнивании отдельных событий, а об универсальных правилах настройки, которые могут включать в себя, например, то, что при сильном волнении кайт заставляют летать так, чтобы действующие за счет направления волн на водное транспортное средство силы, по возможности, компенсировались. Так, при сильном крене судна следовало бы предпочесть положение кайта с поперечной составляющей, а при сильной килевой качке - с продольной составляющей. По этой причине выходной сигнал блока 231 для регистрации волнения подают непосредственно к блоку 211, чтобы добавить информацию, которая при выборе соответствующего положения кайта и при маневрировании также действует в описанном выше смысле. Другая функция этой связи состоит в выборе частей маневров так, чтобы они противодействовали ускорениям из-за волнения. Сюда относится такое совершение маневров с циклическими траекториями полета, при которых различные тянущие силы на тянущем канате действуют в разное время, чтобы эти силы возникали с фазовым сдвигом по отношению к ускорениям, вызванным волнением. Таким образом, в целом, уменьшаются движения судна. Эта компенсация или это уменьшение движений судна за счет различных тянущих сил, вызванных маневрированием, не мешает остальным применяемым способам компенсации волнения. Причина этого в том, что уменьшенные с самого начала движения судна требуют меньше затрат при уменьшении их влияний на траекторию полета кайта. Вследствие компенсации отдельных движений судна описание блока 231 приведено ниже.
Для смены положения правую часть памяти 220 через коммутирующее устройство 222 адресуют со считанным из корректировочного блока 221 набором данных, причем коммутирующее устройство 222 активируют выходным сигналом компаратора посредством инвертора 223, если не активировано коммутирующее устройство 219, т.е. заданное и фактическое положения неодинаковы.
Кроме того, для положения паруса может играть роль также стабильность полета. Установленный на кайте многонаправленный приемник 111 воздушных давлений образует, с одной стороны, анемометр, а с другой стороны, передает для измеренной в направлении полета составляющей состояние слишком низкого набегающего на кайт потока посредством соответствующего сигнала, который вместе с совершением маневра смены положения управляет также блоком 240 управления лебедкой, в результате чего кайт при смене положения ускоряется, так что набегающий поток снова возрастает. (Видно, что лебедка даже при «желаемых» изменениях положения на основе данных о ветре и волнах может управляться правой частью памяти 220b, с тем чтобы, например, можно было вызвать изменение высоты паруса).
Для определения истинных значений направления и скорости ветра анемометр содержит направленные в разных направлениях приемники воздушных давлений с анероидными коробками, оцениваемыми отдельно. По значениям давления трех направленных под прямым углом друг к другу анероидных коробок с максимальными значениями давления можно определить направление и скорость ветра по отношению к ориентации анемометра 111. Если принять также в расчет выходной сигнал датчика 128 магнитного поля, содержащего мостовую схему из магнитно-чувствительных резисторов и обеспечивающего, тем самым, определение направления линий магнитного поля Земли, то можно отнести направление ветра к северному направлению и передать на водное транспортное средство, тем самым, в качестве направления кажущегося ветра. Там происходит тогда, при необходимости, корректировка магнитного Севера на географический Север.
Направленная к блоку 211 стрелка указывает, что нормальная навигация кайта не функционирует. Через вентиль 224 или, включенный перед инвертором 223, прекращают также остальное нормальное управление маневрированием. (Это относится соответственно и к описанным ниже блокам 228, 229, 230, 232, активирующим другие специальные функции. Соответствующие сигнальные связи для наглядности опущены).
Через блок 228 посредством выбора и запуска соответствующего типа маневра инициируют аварийный маневр «аварийный сброс» с помощью правой части памяти 220b типов маневров, содержащей соответствующие программирования. Этот маневр необходим, если от паруса из-за неблагоприятных обстоятельств или аварии исходит большая опасность для судна (например, в результате столкновения с препятствием). При совершении этого маневра парус полностью отделяют от судна.
Через блок 229 «развертывание» и блок 230 «уборка» инициируют соответствующие маневры посредством выбора и запуска соответствующего типа маневра с помощью правой части памяти 220b типов маневров, содержащей соответствующие программирования.
Через блок 231 «движения судна» с помощью соответственно ориентированного датчика ускорения определяют направленную в направлении тянущего каната составляющую ускорения и после интегрирования вырабатывают сигнал, который описывает движения судна в направлении тянущего каната. Этот сигнал подают к бортовому GPS-приемнику, который подает корректированный для положения блока 240 управления лебедкой сигнал положения, в случае если приемник или антенна сами не установлены в этом положении. Если бы этот GPS-сигнал положения оценивался непосредственно вместе с принятым приемником 214 GPS-сигналом положения системы 100 кайтинга и использовался для управления кайтом 101, то он следовал бы при своем управлении за движениями лебедки во время волнения. Поскольку он, однако, должен совершать свои маневры по отношению к воображаемому успокоенному положению судна, интегрированный сигнал датчика ускорения в блоке 231 дополнительно подают к GPS-приемнику 215, чтобы (в качестве помехи) вычесть из сигнала, подаваемого для обработки к блоку 216, так что в нем обрабатывают сигнал положения «успокоенной платформы». Таким образом, кайт 101 совершает маневры, свободные от помех в результате волнения. Видно, что действующие, главным образом, в направлении тянущего каната компоненты волнения становятся заметными для летательного аппарата, а направленные поперек них компоненты способствуют лишь исчезающему именно при длинном тянущем канате изменению углов α и β вектора полета и являются, тем самым, пренебрежимо малыми.
Для того чтобы в изображенном примере постоянно не попадать в ситуацию, в которой при сильном волнении совершаемый маневр приходится прерывать из-за констатации отклонения в дифференциальном блоке 218 и совершать управляемый «полет» в правильном положении (в этом случае за счет активирования лебедки 240 с помощью правого маневрового блока 220b), существует прямая связь от блока 231 к блоку 240 управления лебедкой. Последний получает непосредственно команду в соответствии с констатацией движения волнения в направлении тянущего каната посредством блока 231 на стравливание и выборку тянущего каната, в результате чего движения судна для кайта непосредственно компенсированы. Только если этой компенсации по какой-либо причине больше недостаточно, активируют корректировку положения посредством соответствующего маневра.
Для того чтобы инициировать маневры также вручную, соответствующие команды ввода возможны через пользовательское устройство 232 ввода, являющееся частью пользовательской поверхности 205 на фиг.2. С помощью соответствующих команд можно в левой части 220а маневровой памяти для ручных команд с подавлением выдачи остальных сигналов из этой памяти передавать непосредственно управляющие команды к блоку автопилота и блоку 240 управления лебедкой. При этом речь идет о функциях «влево», «вправо», «зарифление», «разрифление», «установка (+)», «установка (-)», «лебедка (+)», «лебедка (-)». Все команды могут модулироваться по своей интенсивности.
При одном содержащемся в описанном выполнении варианте «предусмотрительное маневрирование» происходит таким образом, что в систему для расчета актуального положения паруса вводят фиктивные данные о ветре и курсе и устанавливающуюся конфигурацию отображают для информации. На этой основе штурман может затем оценить предсказуемое поведение системы и соответственно настроить навигацию. Эта многократная обработка данных по типу условного предвидения изображена на фиг. 3 посредством многократных углов на углах различных блоков памяти, а это должно обозначать, что содержимое этих блоков памяти многократно оценивают независимо от актуального управления процессом. При этом, следовательно, предусмотрены дополнительные средства памяти и сравнения, которые обеспечивают хранение соответствующих предыдущим моментам времени сигналов с возникающими позднее по времени сигналами с возможностью сравнения следующих друг за другом по времени маневровых состояний с принятием за основу различных - также фиктивных - входных данных.
На фиг.4 в перспективе изображено стыковочное устройство для паруса 101. Выполненный с возможностью телескопического раздвигания, например посредством гидроцилиндра (не показан) кран 180, содержит на своем конце захватное устройство 181 для стыковки, имеющее на своей внутренней стороне 182 захватный профиль, соответствующий внешнему профилю паруса 101 в зоне его передней кромки. Обращенная от паруса сторона захватного устройства 181 выполнена аэродинамически оптимально, поскольку она в случае стыковки указывает в подветренную сторону. Также она не должна мешать набегающему на парус 101 потоку.
Внутри крана 180 проходит сорлинь 183, который служит для подтягивания паруса к мачте, когда он при уборке подтянут посредством лебедки до высоты выдвинутого крана 180. Этот сорлинь 183 его свободным концом с помощью подробно описанного ниже направляющего устройства 184, которым он «ездит» по тянущему канату 1.1, а затем по ответвляющемуся от гондолы 102 уборочному линю 1.11, надевают вблизи лебедки 2 на тянущий канат, а затем выбирают, пока он не займет положение на фиг. 4. Захватное устройство 181 установлено с возможностью вращения на верхнем конце крана 180. В зоне внутренней стороны 182 захватное устройство содержит направляющую или огибной ролик 185 для сорлиня 183, установленный эксцентрично в направлении подветренной стороны от азимутальной оси вращения захватного устройства. Таким образом, за счет тяги за сорлинь 183 захватное устройство 181 автоматически поворачивается в подветренную сторону для захвата паруса 101.
При предпочтительном варианте выполнения изобретения (не показано) захватное устройство 181 снабжено на внешней стороне флюгаркой, так что оно за счет давления ветра автоматически указывает в направлении паруса. Это предпочтительно, в частности, при уборке.
При дальнейшем выбирании уборочного линя 1.11 передний профильный носик паруса 101 подходит ближе к захватному устройству. Наполнительная труба 186, предусмотренная на захватной стороне захватного устройства 181, попадает в клапанное отверстие 187, сообщенное с надувным валиком 188 (обозначен штриховой линией) в зоне передней кромки крыла.
Валик 188 служит для разрифления паруса и придания ему жесткости при развертывании, когда его при развертывании надувают, прежде чем он покинет стартовый кран. При уборке наполнительной трубе требуется лишь открыть клапан, чтобы выпустить придающую жесткость среду (предпочтительно сжатый воздух). Механизм здесь предпочтительно подобен плавучему телу обычной надувной лодки.
При еще одном варианте выполнения (не показан) кран 180 выполнен, по существу, полым. У подножия крана 180 установлен вентилятор, который может работать также в режиме всасывания. В захватном устройстве 181 выполнен воздушный канал большого сечения, выходящий на внутренней стороне 182. Парус 101 имеет отверстие, форма которого соответствует выходному отверстию воздушного канала, так что пристыкованный парус может быть за счет включения вентилятора надут и сдут (в режиме всасывания). Благодаря этому возможны ускоренные развертывание и уборка.
Во избежание инцидентов при развертывании и уборке кран и облицовки выполнены скругленными наружу и без выступающих кромок, углов и прочих выдающихся частей.
У изображенной на фиг. 4а детали стыковочного устройства по фиг. 4 в перспективе виден канатный распределитель 189, который обеспечивает, чтобы направляющее устройство 184, которое соединено с концом сорлиня 183, попадало из его положения на тянущем канате 1.1 при уборке паруса 101 на складывающий линь 1.11, когда сорлинь выбирают. Распределитель 189 имеет предпочтительно Т-образный профиль, который установлен, примыкая к тянущему канату 1.1, и по ширине своей поперечной полки продолжается в соответствии с толщиной тянущего каната или даже превышает его по ширине. Вертикальная полка Т-образного профиля выполнена более узкой и переходит в продолжение 1.12 тянущего каната, ведущее к контейнеру 102 гондолы, на которой закреплены стропы 103 паруса 101. Поскольку направляющее устройство 184 Ω-образно охватывает канат 1.1, а направляющие элементы 190, тем самым, охватывают его сзади (сравнимо с направляющей для штор на Т-образном рельсе), направляющее устройство надежно переходит с части 1.1 каната к его части 1.11, хотя путь главной тянущей силы переносится в часть 1.12 каната.
При альтернативном выполнении (не показано) уборочный линь 1.11 заканчивается в устройстве, которое, по меньшей мере, частично охватывает тянущий канат 1.1. Устройство выполнено с возможностью фиксации конца уборочного линя 1.11 в определенном положении тянущего каната 1.1. Если следует свернуть парус 101, то направляющее устройство 184 сорлиня 183 поднимается по тянущему канату 1.1 вверх и наталкивается на устройство, которое фиксирует уборочный линь 1.11 на тянущем канате 1.1. При этом начинается процесс соединения, так что направляющее устройство 184 и устройство для фиксации уборочного линя 1.11 соединяются между собой с силовым или фрикционным замыканием. Одновременно в результате процесса соединения ослабляется фиксация уборочного линя 1.11 на тянущем канате 1.1, так что теперь уборочный линь 1.11 соединен с сорлинем 183, однако с тянущим канатом 1.1 соединения больше нет.
На фиг. 4b изобретение представлено в общем виде.
У изображенной на фиг. 4с детали паруса 101 для взаимодействия со стыковочным устройством по фиг. 4 в перспективе изображено устройство для зарифления. На фиг.4 показано схематичное изображение механического принципа примера выполнения устройства для зарифления с электролебедкой, и на изображенном примере выполнения показаны текстильные перемычки 160-165, которые создают образующую профиль структуру для паруса 101. Оболочки в схематичном изображении отсутствуют. Электрический серводвигатель 166 выполнен в виде шагового двигателя и несет на концах своего приводного вала два намоточных диска 167, 168. Они наматывают во встречных направлениях два рифлиня 169, 170, которые в крепежных точках 171, 172 соединены с перемычками 160, 165. При включении двигателя 166 он укорачивает рифлини и притягивает перемычки 160, 165. У остальных перемычек 161-164 рифлини 169, 170 пропущены через отверстия 173, 173', 174, 174', так что они проходят только по складывающимся оболочкам крыла, когда его зарифляют. Частичное зарифление возможно за счет частичного выбирания линей 169-170. Разрифление происходит посредством активирования серводвигателя во встречном направлении, причем выполненный в виде параплана парус 101 за счет своей выпуклой формы и тянущего усилия линей без дополнительного исполнительного усилия снова занимает разрифенное состояние.
В изображенной на фиг. 5а блок-схеме процесса развертывания согласно изобретению после соответствующего инициирования посредством блока 229 (фиг.3) последовательно осуществляются такие функции: I - расчехление, II - раздвигание крана, III - наполнение купола, включая частичное разрифление, IV - отделение купола, освобождение управляющей гондолы и отдача тянущего каната, V - полное разрифление, что иллюстрируется соответствующей последовательностью изображений на фиг. 6а (разрифление для простоты не показано). После ввода через блок 229 соответствующей команды посредством соответствующей управляющей схемы последовательно полностью автоматически или полуавтоматически подают соответствующую последовательность управляющих команд, которые через соответствующую механику вызывают изображенную функцию.
Изображенная на фиг.5b блок-схема показывает процесс уборки согласно изобретению. Речь при этом идет последовательно об отдельных процессах: выбирание тянущего каната и частичное зарифление, I - передача салазок сорлиня, II - фиксация профиля купола, III - сдутие и зарифление, IV - сдвигание крана и последующие складывание и зачехление паруса, как это обозначено соответствующими римскими цифрами на фиг. 6b. Последовательность действий осуществляют соответственно посредством управляющей команды от блока 230 на фиг.3. При этом может произойти также процесс уборки в аварийной ситуации, причем от блока 228 поступил бы сигнал. (В отношении блоков 228-230 характеристики сигналов на фиг.5а,5b изображены упрощенно. Здесь при фактической реализации включены еще дополнительные логические сигнальные связи, которые обеспечивают надежное выполнение функций развертывания и уборки без коллизии с другими маневрами).
С помощью фиг.6а следует еще раз подробно и схематично описать процесс развертывания согласно изобретению. В качестве первой фазы подготавливают раздвигание крана и, смотря по обстоятельствам, снимают с паруса брезент и т.п. Купол уже находится профильным носиком на вершине мачты. После полного раздвигания начинаются наполнение воздушной камеры (при определенных обстоятельствах также с помощью вентилятора) и частичное зарифление. Парус может теперь посредством вращаемого захвата свободно ориентироваться по ветру. Как только парус примет свой пригодный к полету профиль, он отстыковывается и падает примерно на 15° в подветренную сторону. Самое позднее теперь автопилот берет на себя полетную фазу. Затем парус посредством отдачи тянущего каната поднимают на желаемую полетную высоту и полностью разрифляют.
На фиг.6b схематично изображен процесс уборки, согласно изобретению. Парус посредством подтягивания с помощью лебедки опускают на полетную высоту, радиально соответствующую высоте крана. Одновременно парус частично рифят. Сорлинь, который посредством направляющего ролика (не показан) был закреплен вблизи лебедки на носу во время полетной фазы, выбирают. Направляющее устройство и т.п. скользит вверх по тянущему канату с направляющего ролика к профильному носику и тянет купол, включая гондолу, в подветренную сторону к крану. Здесь на мачте удерживают также управляющую гондолу, и полетная фаза закончена. За счет этой прочной связи между гондолой и мачтой возможна проверка управляющих компонентов системы. Затем купол с обеих сторон равномерно рифят, и кран может быть опущен.
На фиг.6а фазы I и II, а на фиг.6b фаза IV показывают, что сложенный парус в ослабленном состоянии свисает с захватного устройства. Это произошло бы, конечно, во время штиля. На ветру сложенный парус будет ориентироваться более или менее горизонтально, так что он подставляет воздействию ветра лишь небольшую площадь и не оказывает на кран никакой тянущей силы.
Парус направляют к крану или кран к парусу или осуществляют комбинацию обоих действий. Парус посредством подходящих направляющих устройств или датчиков подводят к захватному или стыковочному устройству с тем, чтобы соответствующая механика могла завершить стыковочный маневр.
На фиг. 7 показано, как может быть достигнут ускоренный процесс уборки согласно изобретению. При изображенном здесь варианте предусмотрено закрытое лентами-липучками и т.п., разрываемое, сообщенное с надувным сильфоном 188 отверстие, крышка 191 которого соединена с выпускаемым парашютом 192. По соответствующей управляющей команде парашют 192 в процессе уборки перед стыковкой с элементом 181 выпускается и отрывает крышку 191, в результате чего находящийся под избыточным давлением воздух быстро выходит из сильфона 188.
Таким образом, может быть инициирован процесс аварийного зарифления посредством быстрого открывания закрывающего надувной элемент запорного участка - крышки 191. При этом рифлини 169, 170 соединены с парашютом 192. За счет давления ветра в парашюте 192 эти рифлини быстро выбираются.
Изобретение не ограничено изображенными примерами его осуществления. Другие, лежащие в рамках изобретения конфигурации следуют из комбинаций зависимых пунктов формулы, раскрывающихся для специалиста на основе настоящего описания.