CN1968848B - 具有自由飞出的筝帆式迎风部件作为风力驱动装置的船舶 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有风力驱动的船舶(4)，其中一个具有一个机翼翼型的自由飞出的筝帆式迎风部件(1)用作唯一的驱动装置、辅助的驱动装置或者紧急驱动装置，该迎风部件只通过一个必要时展开成许多固定绳索的牵引绳索(1.1)与船舶(4)连接，其中所述迎风部件(1)通过至少一个位于迎风部件上的与迎风部件处于作用连接的有效驱动部件(1.2)通过改变其空气动力作用为了导引到一个基于船舶(4)的给定位置或者说为了动态地操纵而改变。

Description

具有自由飞出的筝帆式迎风部件作为风力驱动装置的船舶
技术领域
本发明涉及一种风力驱动的船舶，其中一个具有机翼翼型的自由飞出的筝帆式迎风部件只通过一个牵引绳索与船舶连接。
背景技术
由WO/097448已知这种船舶。这种船舶的缺陷是，迎风部件的空气动力形状仅仅可以通过附加的导引到船身的控制绳索改变。在此产生困难，对于向上飞行的迎风部件附加的绳索由于其所需的较长长度产生一个明显的质量，由此降低驱动的效率，因为这个质量必需由迎风部件附加地承担并且因此使相应的作用力不能转换成向前驱动。此外可能系缚(混绕或缠绕)许多牵引绳索。
发明内容
本发明的目的是，提供上述类型的船舶，它不具有上述的缺陷并且能够无需操纵长的牵引绳索地改变机翼翼型的形状。
这个目的通过一种具有风力驱动装置的船舶得以实现，在该船舶中一个具有一个机翼翼型的自由飞出的筝帆式迎风部件用作唯一的驱动装置、辅助的驱动装置或者紧急驱动装置，所述迎风部件只通过一个能够展开成许多固定绳索的牵引绳索与船舶连接，其中为了将所述迎风部件导引到并固定在一个基于船舶的给定位置和/或为了动态地操纵，所述迎风部件借助至少一个有效驱动部件通过改变迎风部件的空气动力作用而改变，所述至少一个有效驱动部件位于迎风部件附近或迎风部件里面并且与迎风部件处于作用连接，其特征在于，许多控制绳索形成一个矩阵式结构，其中不同的控制绳索通过一个公共的被驱动操纵部件一起被驱动。
在此本发明基于这种知识，通过改变迎风部件的空气动力形状使这个迎风部件对于不同的风向和风力最佳地导引，其中控制作用源自一个单元，它充分靠近迎风部件或设置在迎风部件里面，由此使有效的连接部件、如绳索或类似部件的数量最少。在此应该不排除，主牵引绳索由许多单根绳索组成。但是重要的是公共的导向通过相应的导向部件和公共的固定在一个向着迎风部件的力导入点上，其中由这个“力结合点”可以再引出分支。
在此迎风部件可以选择在固定的位置或者但是“操纵地”导引，即，迎风部件在给定的位置执行确定的飞行图。
对于本发明特别有利的状况是，用于改变迎风部件的作用力仅需在短的路径上传递，由此能够实现精确的调整，尤其是在通过长的牵引绳索操纵时由于其伸展已经不再能够实现控制命令的精确传递。此外迎风部件不会由此置于危险，绳索相互间扭绞并且使操纵无效。即人们必需引起注意，迎风部件的正确调整和导引对于船舶总体上也具有明显的意义，因为例如一个改变行驶方向的操纵总是必需包括迎风部件的重新调整。如果例如绳索交叉或缠住，则或者可能不执行方向改变或者必需砍断迎风部件。
此外有利的是，使操纵部件或者说用于产生力的机构直接位于迎风部件上或者甚至位于迎风部件里面，相应的调节装置也至少部分地直接位于迎风部件上或者甚至位于迎风部件里面，由此可以在很大程度上省去费事的且易干扰的信号传递途径。
在改变迎风部件的空气动力作用时包括所有的空气动力控制器、如挡板、舵以及改变其取向、姿态和/或形状。
在此形状改变优选通过影响其脱流边缘
Figure G2005800202318D00021
的取向对称或非对称地改变机翼翼型通过、通过扭转机翼翼型、通过对称和/或非对称地改变机翼翼型的拱曲和/或通过改变牵引绳索的作用点实现。在其它有利的改进方案中也可以通过改变机翼翼型实现空气动力特性的改变，例如在筝帆或其拱曲的横截面中显示出来。对于双层的机翼翼型，这种形状改变以有利的方式通过相应的部件改变两个层之间的距离。
由于重量的原因有利的是，用于通过唯一的驱动部件在两侧和/或反向的操作用于同向或者说非对称地改变机翼翼型。在这种情况下例如分别反向地驱动两个横舵，其中中性位置形成两个舵的中间层。
对于由纺织材料制成的迎风部件、例如是一个按照滑翔伞形式的筝帆，最好通过驱动部件通过调整或通过延长或缩短至少一个控制绳索实现空气动力作用的改变。
为了适配于空气动力调整所投入的作用力可以有利地使至少一个控制绳索具有一个滑轮组形式的转向机构或回程机构，其中该滑轮组不仅可以用于升速而且可以用于减速。
如果控制绳索形成一个矩阵式结构，则易于实现按照滑翔伞形式的筝帆的影响。在此这个结构涉及在筝帆下部的部位，由该部位可以共同实现空气动力的操纵。在此有利的是，不同的控制绳索分别通过一个公共的被驱动操纵部件一起驱动，因为由此减少驱动部件的数量。在此公共被驱动的操纵部件例如可以由可旋转支承的部件、一个摇杆、一个杠杆、一个齿带盘或类似部件组成，它共同通过一个驱动马达运动。各个控制绳索导引到公共操纵部件上的不同选择的固定点，由此由固定点的几何形状给出相应的行程，以该行程使相关的控制绳索运动。在此各控制绳索也可以通过滑轮组或类似部件升速或减速。通过这种方式使操纵部件的运动转换成所期望的整个或部分迎风部件的几何形状改变。
在另一有利的实施例中所述驱动部件由一个电动绞盘和/或一个直线促动器组成，其中直线促动器通过一个气动部件构成，它在过压下横向伸展并由此在其长度上缩短或伸长。这种部件也称为“人造肌肉”并且优选气动地驱动。
为了使迎风部件上的控制操纵获得能量有利的是，在位于迎风部件附近且通流有利地封罩的容器中设有一个风力涡轮机，它作用于一个发电机，该发电机对电蓄能器充电。在使用气动部件作为促动器时也可以设有一个涡轮机，它驱动一个后接的压缩机，它为气动部件提供过压。在这种情况下一个压力蓄能器作为蓄能器。
在位于迎风部件附近的容器中也安置用于控制迎风部件的机构，它们提供用于控制驱动部件(促动器)的控制信号。在此尤其设有用于由船舶航线的信号、风向和/或风速的信号获得驱动部件的控制信号的机构。
有利的是，对于控制基于位于迎风部件上的视在风的方向和速度的控制器，因为由此确定迎风部件的取向。
所述迎风部件优选通过自动控制装置(自动驾驶仪)控制，其中设有一个传感器部件，对其后接至少一个优选由加速度测量仪构成的转换部件，它至少间接地给出一个控制信号到驱动部件上。另一传感器部件给出基于其在空间中的位置和取向的输出信号，该位置和取向尤其涉及船舶的位置。
所述迎风部件相对于船舶的实际位置也可以以有利的方式在迎风部件和船舶上使用高度测量仪和/或地球磁场传感器的条件下确定和/或借助于牵引绳索的取向和长度确定。通过这种方式可以使数据也在系统出现故障时继续供使用。
如果设有另一传感器部件，它显示出临近或者已产生的脱流或者构成位于迎风部件的绕流表面部位的部件，它在施加空气流时给出一个输出信号，这样设计飞行控制，在脱流(Stalls)情况下防止迎风部件的降低。
此外已经证实有利的是，设有机构，用于在外部通过与船舶连接的船载单元产生迎风部件空间取向的或者用于操纵图的控制信号。此外有利地设有信号传递机构，将第三控制信号从船载单元传递到自动控制装置，其中对于这个控制信号优选是一个差分GPS或其它导航信号，它包括关于迎风部件相对于船舶位置的信息。
如果设有附加的存储机构和比较机构，它们能够以这种方式实现附属于过去时刻的信号以在时间上以后出现的信号存储，使得可以比较在时间上先后衔接的操纵状态，在这种意义上产生迎风部件的规定控制，在导入操纵时考虑船舶运行的规定顺序。
在本发明的另一有利实施例中所述驱动部件和/或传感器部件位于一个容器里面，该容器构成牵引绳索的力作用点并且源自固定和控制绳索，迎风部件与它们连接。这个容器优选有利通流地构成并且也可以具有用于获得迎风部件空气动力控制能量的风涡轮机。在此有利通流的形状可以是水滴形或者是一个机翼翼型，它可以对准牵引绳索的方向或者与其正交。
本发明尤其适用于航海船舶或者在大海中具有行驶区域的船舶。
在一种有利的获取能量的使用中设有一个通过水通流、尤其是通过船舶螺旋桨或涡轮机驱动的发电机，它将产生的电能输送到一个蓄能器、尤其是一个氢气发生器。存储通过水的电解分解获得的氢气并且保持在蓄气罐里面。
其它有利的实施例由从属权利要求给出。
附图说明
在附图中示出有利的实施例并且在下面描述。在此按照本发明的迎风部件同义地简称“筝帆”。然而“机翼”的标识也是正确的，因为涉及一个具有机翼功能的飞行器。附图中：
图1以斜视图示出由按照本发明的筝帆系统牵引的船舶，
图1a示出一个坐标系，它对于下面的描述作为参照系，
图1b以按照本发明的滑翔伞的形式示出按照本发明的迎风部件的实施例，
图2以示意图示出按照本发明的迎风部件控制原理图
图3以详细描述的方框图示出按照本发明的迎风部件的控制方框图，
图4以透视图示出用于迎风部件的控制装置，
图4a以示意图示出按照图4的控制装置的第一实施例的机械原理，
图4b以示意图示出按照图4的控制装置的第二实施例的机械原理，
图4c以示意图示出用于按照图4的控制装置的缩帆装置的第一实施例的机械原理，
图4d以示意图示出用于按照图4的控制装置的缩帆装置的第二实施例的机械原理。
具体实施方式
在图1中以斜视图描述由按照本发明的筝帆系统牵引的船舶。在此一个迎风部件1通过牵引绳索1.1通过位于一个船4船首处的力作用装置2与该船舶连接。该牵引绳索1.1导引到一个中央吊篮1.2，从该吊篮引出许多固定绳索1.3，它们导引到按照滑翔伞形式以筝帆轮廓构成的迎风部件1并且在筝帆中给出必要的形状。其细节参照下面的描述。以W表示在迎风部件1处的示意风向。相应的风矢量通过其大小和方向表示。必要时其时间变化还通过一个表示阵风的参数B表示，它形成风速与平均值在时间上的平均差并且作为标量表示，它近似形成围绕风矢量W的尖端的球半径。
在图1a中描述一个坐标系，它对于下面的描述作为参照系。在此xS给出船的行驶方向，yS是横向于行驶方向的方向。在此该坐标系设想与船的一个点Ps固定连接。这个点优选是船首中的力作用点2。在此高度hS对应于传统坐标系的z轴。它给出参照点Ps的高度。这个参照点以优选的方式是适合于船的GPS设备的GPS天线安置点，由此使一个位于另一GPS设备的PS外部的点坐标可以通过由给出两个设备的坐标的减法产生。(如果要使适合于船的GPS设备的GPS天线离开参照点Ps，则可以通过加入一个固定坐标差考虑这一点)。
为了简化下面要以极坐标系为基础，其中角度α形成方位角而角度β形成高度角。在此矢量V的方向也指向迎风部件1中的吊篮1.2。这如同一个“地理学的坐标系”，因为吊篮1.2或者说迎风部件1基本在一个球的表面上运动。因此该方位角α和高度角β犹如在通过矢量V撑开的“地球仪”上给出吊篮位置的地理长度和宽度。矢量V的长度粗略地给出牵引绳索1.1的长度，其中首先不考虑其垂度。
所述迎风部件的吊篮1.2按照自身的坐标系以方向xk，yk和zk对齐，其中zk指向矢量V的延长线方向。通过首摇角(Yaw)表示迎风部件1的吊篮1.2围绕垂直轴zk的旋转。通过首摇角的变化影响迎风部件1的飞行方向的变化。该首摇角例如可以通过有效地控制(下面还要描述的)形成迎风部件1的滑翔伞的制动板改变。该首摇角影响方向变化，并且这个过程与一个转向筝帆的转向相似。围绕纵轴xk的旋转是一个横摇运动(横摇)并且没有有效地控制。由横摇运动或方向zk与V的相应偏差能够获得基于重力的牵引绳索1.1的垂度，而围绕横轴yk的旋转形成迎风部件围绕横轴的斜度(Pitch)并且可以通过阵风和其对于牵引绳索1.1的影响引起。这个坐标系构成用于理解下面还要描述的船筝帆系统的基础。
在图1b中简示出一个按照本发明的迎风部件的实施例。该迎风部件对于所示实施方式形成一个滑翔伞101，它具有一个用于控制器的容器102，如同下面还要描述的那样。从固定在牵引绳索1.1的容器102引出固定绳索103，它们过渡到绳索树形式的分支104，它们与一个下纺织覆层105连接。一个上纺织覆层106形成向上的封闭。两个覆层通过在附图中不可见的内部连接绳索或相应的连接部件、如纺织筋固定在一起，其中通过两个覆层形成的机翼翼型通过一个内部的空气过压稳定，该空气过压通过在筝帆前棱边上的开孔(在附图中的左侧)建立，这些开孔在附图中出于清晰的原因同样省去。飞行方向以箭头107表示。
在图2中以方框图示出按照本发明的风力驱动系统的原理图。该图也用于了解下面的各系统组成部分的描述。在该图中使用的以百表示的附图标记也形成下面还要分别详细描述的系统部件的组标记。(虚线99包围这些结构组件，它们必需至少加入到传统的船舶里面，由此使船舶附加地配有按照本发明的风力驱动)。所述迎风系统100包括迎风部件以及其所属的控制系统，如果从属的控制系统设置在迎风部件中。在此该装置不仅设置在位于牵引绳索端部的吊篮里面，由吊篮引出固定绳索，而且也直接设在迎风部件中。该控制系统主要包括一个自动自驾驶仪，它监控迎风部件的位置和飞行轨迹控制。
该迎风系统100通过牵引绳索和一个绞盘(210)(包括牵引绳索)和虚线示出的通讯途径与船载系统200连接，具有一个操作面(用户界面)205，该船载系统包括一个控制系统，它不仅监控筝帆位置而且在船舶的机器5和舵6上给出必要的控制命令。该船载系统通过不同的通讯途径与迎风部件连接，它们不仅能够在原理上给定船载系统的筝帆位置，而且能够由迎风系统给出对于船载系统重要的信息。
对船载系统200前置一个导航系统300，它将待保持的船舶航线在考虑到成本、时间、速度和充分利用风以及必要时的风向和风强度的条件下传递到船载系统。一个标识也属于风信息，它表征风的阵风性。此外通过相关的信息还得到航道或由此引起的船舶运动。(在此风和天气数据最初源自下面还要描述的天气信息系统600)。该导航系统由导航的详细资源(移动地图)310支持。
由航向、风和波浪信息产生信号，它们控制船载系统200并且起到筝帆系统100的相应调整作用。该船载系统200还产生用于机器5和舵6的控制信号。
所述导航系统300由航线系统400控制，它通过基于船舶运行的经济基础获得船舶的路径。以由外部站点500给定的数据为基础控制该航线系统400，将这些数据与天气信息系统600的数据匹配。由导航系统300实际获得的航向数据通过反馈连接301(通过无线电、人造卫星)返回到外部的站点500。这些数据也由其它的配有按照本发明的系统的船舶接收并且可以用于天气系统的局部实用化。通过这种方式对于其它的外部航线设定可以考虑实际的、局部引起的航线变化。
很显然，筝帆系统100的定位根据航向数据这样实现，不仅根据天气条件(实际掌握的风和海浪条件)而且考虑能够得到尽可能节省成本的船舶运行的经济的边界条件实现一个最佳的航线。
紧急情况系统700在以应急操纵的形式强制立刻操作的未事先规定的事件的情况下给出所需的控制命令。
在其它方框800以及900中分别包括发信号系统和通讯系统，它使航行与其它交通参与者相协调。一个航行可靠性照明以及通过无线电发出自身的航行数据属于信号系统，它们使其它在周围的船舶得到关于已安置的迎风系统和意向航线或实际的航向。而通讯系统包括所有的与其它信息交换有关的系统。
在图2中以实线示出数据流的主要路径，而其余的信息路径以虚线表示。
在图3中详细示出包括迎风系统的方框100以及具有图2船载系统的方框200。在这里描述筝帆101的定位和控制。风向及风速信息、包括阵风特征值以及海浪信息加入到中间存储器211，在其中为了缓冲存储这些数据。因为风向和所有的筝帆调整涉及视在风，因此可以在处理时省去航线信息。所述迎风部件基于船舶的调整和操纵不要求认识实际航线，因为所有操纵涉及船舶并涉及作用于筝帆的视在风的影响。当涉及到筝帆定位时，风信息在安置筝帆101时首先源自图2中的天气信息系统600。但是只要在起动后处于筝帆自身的风测量功能，则本身确定在迎风部件地点上的视在风，因为这个风确定定位。
所述风和海浪数据总体形成一个数据组，它编址一个形成查阅表的用于理论位置和迎风部件操纵类型的存储器212。这个查阅表如同一个标准的可编址存储器那样组织，其中中间存储器211的输出数据作为地址信号编址各个存储空间，对于存储空间存储属于已编址数据的迎风部件状态数据。这种“查阅表”按照“只读存储器”(ROM)的形式按照给定的功能关系使输入和输出数据相互联系，也可以理解为数学关系(函数)。但是相应的框图只形成一个示例的实施方式并且也可以通过任意其它的功能元件或结构组件替换。在此例如可以是一个微处理器，其中控制软件存储在相应的存储器中或者也可以是一个电开关，其中功能关系按照模拟计算机的形式通过相关的电子组件确定。在这里出于清晰的原因选择以查阅表描述，因为一个解决方案例如通过微处理器只能不清晰地描述，因为不同的先后展开的程序步骤持续地要求费事地思考，这些程序段先后地输送到微处理器。
对于所选择的实施例可以并行地处理控制信号，但是未示出这些开关元件，它们在特定时间和相应调节时激活所示框图。出于简化假定，一个偏离目前存在的信号状态的进入控制信号激活在后续的保留相关实现状态的框图中的处理，直到一个信号变化迫使进行一个新的处理。
所述状态数据一方面也包含迎风部件的理论位置，即其基于船舶的方向和牵引绳索的放出长度。此外状态数据必要时还包含关于是否且何时根据哪些存储的程序应该操纵筝帆101的信息。在筝帆稳定在一些位置上、即固定地导向期间，对于在确定情况下的船舶运行更有利的是，动态地导引筝帆，即，执行给定的飞行图，因为由此提高其相对于风的相对速度并由此也提高其牵引功率。在另一存储器213中存储筝帆的实际位置，如同通过筝帆101的导航系统所确定的那样。
在存储器213中存储的筝帆实际位置涉及船舶并且最好通过两个GPS信号的减法获得。在此一方面涉及在筝帆系统100的内部的筝帆101的GPS接收器124，它与飞行的筝帆101连接。在筝帆101的飞行位置获得的位置数据通过传感器112传递到位于船舶甲板上的接收器214。另一GPS接收器215同样位于船舶甲板上。其输出信号与接收器214的输出信号一起输送到一个减法器216，通过它产生GPS差值信号。在一个连接在减法器216后面的方框217中将差值位置数据换算成极坐标，它们涉及绞盘2与迎风部件位置之间的距离。它们对应于图1a的角度α和β以及绳索长度“L”。如果同时获得这些数据并且将船舶的GPS接收器安装在尽可能不涉及船舶运动或可以补偿该运动的地点上，则这样获得的GPS差值位置数据具有较高精度。
此外，必需考虑绞盘与船舶GPS接收器的位置之间由于减去一个固定值产生的坐标差。通过这样构成的差值GPS接收器获得的位置在时间间隔中获得。如果它们的精确性不够，可以通过由加速度传感器117，119和120获得的数值得到支持。在组件123中进行相应地包括一个积分的计算。因为在必需进行积分的时间间隔以内仅仅涉及下一个GPS位置信号经过的时间，积分器无需满足品质要求，它将保证在长时间间隔上的稳定性。(加速度传感器本身用于飞行操纵的稳定性，因此也获得一个时间函数，如同下面还要描述的那样)。此外还设有一个高度测量仪129、最好是空气压力测量仪，并且设有一个地球磁场传感器128，其数据同样输送到导航信号的存储器124。
另一用于获得迎风部件相对于船舶的实际位置的方案是利用传递到船舶的高度测量仪129和地球磁场传感器128的数据。这些数据在方框227中传递到船舶并存储。然后在方框227中实现在船舶上的高度测量仪233的数据与船舶上的地球磁场传感器234的数据的减法。如果对于高度测量仪129是一个空气压力测量仪，但是为了确定船舶上的空气压力也可以利用方框600的天气数据(等压线)。将这样获得的位置信息输送到方框217并且在必要时与GPS数据匹配。通过这种方式支持两个独立系统相互间的位置信息并且在一个系统出现故障时还提供必需的数据供使用。
现在将由存储器212读出的筝帆的理论位置一方面输送到一个比较器218，当在存储器213中存在的迎风系统100的实际位置与由存储器212中读出的理论位置一致的时候，比较器输出一个信号。在这种情况下通过一个使能电路219从操纵类型存储器220中读出表征所选择操纵类型的数据组。(但是在此也可以由此表征静态的飞行状态，筝帆不执行任何操纵，而是保持其飞行位置。在此涉及操纵类型“零”)。
在控制这个操纵类型存储器220时也读出串行形式的飞行程序并且传递到迎风系统100的自动自驾驶仪上。在此存储器220的输出信号到达一个传感器221，它获得数据并输送到迎风系统100的接收器113。从接收器113输出，该信号到达一个自动自驾驶仪结构组件并且到达那里的操纵控制单元114。这个单元接收表征某种串行的飞行操纵的信号并将其转换成航线值，将航线值输送到飞行控制器116，该控制器执行相关的飞行操纵。在此要被调整的数值传送到一个航线值比较器115，另一方面将首摇角测量器117的输入信号输送到航线值比较器。现在飞行控制器116在其相关输出125上通过在筝帆101上的相应驱动部件通过非对称地制动筝帆101或者相应地空气动力变形以给定的顺序和时间产生曲线飞行。通过飞行控制器116的两个其它输出控制的其它空气动力效应是机翼调整和缩帆，如同下面还要描述的那样。
由用于定位的存储器220b为了以确定的绳索理论长度放缆也控制绞盘240。
为了避免围绕垂直轴的摆动，附加地将一个通过高通滤波器滤波的信号以偏移的相位叠加控制信号地输送到飞行控制器116，由此避免振荡。在通过输出125控制首摇运动期间，通过输出126调整机翼的起动。已知通过机翼的起动程度能够优化飞行阻力与上升的比例。通过另一输出127可以导入筝帆101的缩帆。缩帆改变上升和阻力并且可以在各飞行操纵时要求。
因为筝帆固定地在牵引绳索上导引，它通过绳索的牵引作用在其基于其横摇和倾斜运动的上升重心中自动稳定。但是在这里也为了排除振动以相应的方式分别将一个位置信号从横摇传感器119和俯仰传感器120通过相应的逆变高通滤波器121和122传送到飞行控制器，由此避免并均衡迎风部件101的急动的位置变化。
当筝帆也位于其设定的位置时(在比较器218的输出上显示出一个表征这个状态的输出信号)，则读出所选择的操纵类型，它命令筝帆执行一个给定的循环飞行程序。如果传递这个操纵类型，自动地由迎风部件的自动自驾驶仪实现控制并且单元200无需再反应，只要筝帆不由于未给定的事件离开其理论位置。
如果迎风部件101的理论位置不与其给定的位置一致，则可能是已经改变了由存储器212读出的给定位置，这在安置筝帆时也是这种情况，或者可能是筝帆在操纵过程中已经离开其位置，因此在比较器218的输出上的输出信号消失，并且终止通过开关元件219激活的存储器220的操纵类型。在操纵类型存储器220的输出(左边部分)上显示信号“零”，这由迎风系统100的自动自驾驶仪持续地说明，不再执行最后存储的操纵。取而代之将由存储器213读出并通过GPS获得的筝帆实际位置与由存储器212读出的理论位置通过一个位置修正单元221进行比较并且获得一个操纵，它使筝帆导引到理论位置。该修正单元221仍然由查阅表构成，其中理论和实际位置(仍然基于船舶)汇总到一个公共的地址信号并且将迎风部件的相应修正操纵的标志从实际位置A读出到理论位置B。即，要注意，根据起动和目的点(必要时也根据风和波浪条件)必需选择不同的操纵，用于操纵筝帆。但是通过给定措施可以选择并执行任意的筝帆操纵。
如果风和海浪对于要被执行的操纵起到重要作用，则可以将这些数据由存储器211通过查阅表存储器212和221“循环”，由此使数据还存在于数据组中用于选择特殊操纵并且可以选择适合的操纵。但是在此不涉及各事件的补偿，而是涉及一般的调整原则，它例如可以包括，在高海浪时使筝帆相对地这样飞行，使得可以尽可能均衡通过波浪方向作用于船舶的作用力。因此对于强烈倾斜的船舶也优选一个具有横向分量的筝帆位置而对于强烈纵摇的船舶优选一个提前分量。由此将一个用于获得海浪的方框231的输出信号直接导引到方框211，用于添加一个信息，它在选择相应的筝帆位置和操纵时在上述意义上共同起作用。这种连接的另一功能是这样选择飞行操纵的部分，使得它们根据海浪反作用于加速度。也包括在内的是，操纵以循环的飞行轨迹这样飞行，其中不同的拉力在牵引绳索上在不同的时间上起作用，使得这些作用力产生与由于海浪引起的加速度的相位错。通过这种方法总体减少船舶运动。这种通过操纵引起的不同拉力产生的船舶运动的均衡或减小不干扰其余的用于海浪均衡的方法。其根据是，由立即减少的船舶运动在减少其对于筝帆飞行轨迹的影响时需要更少的花费。对于各船舶运动的均衡参照下面对方框231的描述。
在位置变化时使存储器220的右边部分通过开关元件222通过由修正单元221读出的数据组编址，其中开关元件222由比较器的输出信号通过一个变极器223激活，当开关元件219无效的时候，即理论位置与实际位置不同的时候。
此外迎风部件的飞行稳定性对于其位置也起到重要作用。位于筝帆上的多方向动压测定计111一方面形成一个风量计而另一方面对于在飞行方向上测得的分量通过一个相应的信号传递一个太小的筝帆迎流的状态，该信号与产生一个位置变化操纵一起控制绞盘控制器240，由此使筝帆在位置变化时加速，使得迎流再上升。(很显然，绞盘在由于风和波浪数据“想”位置变化时通过存储器220b右边部分也可以一起控制，由此例如可以引起迎风部件的高度变化)。
为了获得真实的风向和风速所述风量计具有指向不同方向的具有压力箱的皮托管，它们被分开地评价。由三个相互垂直指向的压力箱的具有最高压力值的压力值能够确定基于风量计111取向的绞盘方向和速度。如果一起考虑磁场传感器128的输出信号，该传感器包括由磁敏电阻组成的桥接电路并由此能够获得地球磁场场线的方向，则绞盘方向与北极方向相关并且由此可以作为视在风在迎风部件上的方向传递到船舶。然后在船舶上必要时可以实现从磁极北到地理北的修正。
一个指向方框211的箭头表示，在此筝帆的正常导航不起作用。通过前置于变极器223的或门224也抑制其余的正常操纵控制器。(这一点也适用于下面要描述的方框228，229，230和232，它们释放其它的特殊功能。但是在那里出于清晰的原因去掉从属的信号连接。)
通过方框228在操纵类型存储器220b右边部分上选择和起动从属的操纵类型导入紧急情况操纵“紧急投弃”，该存储器包括相应程序。当由迎风部件对于船舶由于不利的情况或事故存在大的危险时(例如与障碍物碰撞)，这个操纵是必需的。对于这个操纵使迎风部件完全与船舶分开。
通过方框“安置”229和“回收”230在操纵类型存储器220b右边部分上选择和起动导入相关的操纵类型，该存储器包括相应的程序。
通过方框231“船舶运动”通过相应取向的加速度传感器获得在牵引绳索方向上的加速度分量并且在积分后产生一个信号，它描述在牵引绳索方向上的船舶运动。这个信号输送到船载GPS接收器，该接收器提供一个用于修正绞盘控制器240位置的位置信号，此时接收器或天线不是自动地装配在这个位置。如果这个GPS位置信号直接与通过接收器214接收的筝帆系统100的GPS位置信号一起评价并且用于导引筝帆101，则筝帆在其控制过程中跟随绞盘的海浪运动。但是因为筝帆应该飞行其基于假想静止的船舶位置的操纵，因此将在方框231中的加速度传感器的积分信号附加地输送到GPS接收器215，用于从信号中减去(作为干扰)，为了处理将该信号输送到方框216，由此在那里处理一个“静止平台”的位置信号。通过这种方法使筝帆101飞行操纵，该操纵排除海浪干扰。因为很显然，主要是作用于牵引绳索方向上的海浪分量对于飞行物体可以感觉到，而与其垂直的分量仅仅直接对于长的牵引绳索消失的飞行矢量的角度α和β的变化有贡献并因此可以忽略。
为了对于所示实施例不持久地进入这种状况，在强烈的海浪时一个现有的飞行操纵由于在差分方框218上确定一个偏差而中断并且必需使一个受控制的“飞行”执行到修正位置(在这种情况下通过右边的操纵方框220b激活绞盘240)，由方框231与绞盘控制器240形成直接连接。这个控制器直接包括放缆和牵拽的命令，该命令相应于通过方框231放缆和牵拽确定在牵引绳索方向上的相应海浪运动，由此对于筝帆直接均衡船舶运动。只有当这个均衡由于某种原因不再足够的时候，才通过相应的操纵释放位置修正。
为了也能够手动释放操纵，通过一个是图2中操作界面205的一部分的操作输入232能够实现相应的输入命令。通过相应的命令可以在操纵存储器的左边部分220a中对于手动命令在抑制其余来自存储器的信号输出的条件下直接将控制命令传递到自动自驾驶仪单元和绞盘控制器240。在此涉及功能“左”、“右”、“直线”、“缩帆”、“解除缩帆”、“调整(Anstellen)(+)”、“调整(-)”、“绞盘(+)”和“绞盘(-)”。所有命令可以在其强度上调制。
对于一个包括在上述实施例中的变型方案以这种方式实现一个“预见性的操纵”，在用于计算实际的迎风部件位置的系统中输入假定的风和航线数据并且将待调整的配置显示成信息。由此船舶导向可以推测事先规定的系统特性并且相应地调整航行。这种按照可能预见形式的数据多次处理在图3中通过在不同存储器元件拐角上的多重角表示，这表示，这个存储器的内容独立于实际的过程控制地多次评价。在此也设有附加的存储机构和比较机构，它们能够以这种方式实现附属于上述时间点的具有时间上以后显示的信号的存储，时间上相互衔接的操纵状态可以在不同的也假设的输入数据的基础上比较下均衡。
在图4至4b中详细示出形成迎风部件的滑翔伞的控制。在图4中示出的迎风部件101仍然与固定在牵引绳索1.1上的流线形的用于控制器的容器102连接。源自容器102的控制绳索103以点矩阵的形式设置，其中矩阵的列配有罗马数字I至V并且在飞行方向上延伸。以大写字母表示行，它们在其顺序上与飞行方向相反。在此其意义是，过渡到绳索树形式的分支104的各绳索单独或成组地可缩短或延长，用于起到空气动力地适配滑翔伞的作用，分支与纺织的下覆层105连接。飞行方向仍然以箭头107表示。
矩阵式设置的控制绳索103终结在有利通流地构成的容器102中，它在其向前的方向上倒圆。一个风涡轮机108由透穿该涡轮机的空气流驱动并且与一个发电机连接，该发电机起到将风能转换成驱动下面还要描述的用于调整控制绳索103的驱动部件的作用。在此可以使用不同的能量形式。优选电能和气能。在使用气能时该发生器由压缩机构成并且提供辅助能量直接供使用，如同借助于下面的附图所描述的那样。
图4a以示意图示出控制机构的第一实施例。可以看到，在这里控制绳索103也形成一个矩阵形结构，它易于实现对于按照滑翔伞形式的筝帆的影响。所有控制绳索103和103a分别在作为公共操纵部件的第一摇杆140上共同驱动。该摇杆可摆动地支承在轴颈141和142上，其中出于清晰的原因在附图中未示出旋转轴承。所述绳索在其结构中仍然形成行A至C和Z以及列I至V。第一电变速马达143通过齿带144驱动摇杆140，由此使绳索行A至C和Z分别以一致的数值运动。因为绳索行A和Z位于摇杆外侧，它们共同得到(但是反向的)最大行程，而绳索行B和C(相应地反向)分别只以一半行程移动。在这里所述的操纵对应于相应筝帆所需的空气动力情况进行调整。该摇杆140的操纵起到调整通过迎风部件101形成的机翼的作用。
在摇杆140上在横向上装配另一摇杆145，它可旋转地围绕轴146支承。该摇杆通过第二电变速马达147通过齿带148驱动。在此绳索103a在摇杆145上、除了对于由摇杆140引起的驱动运动外同样共同地驱动。现在位于外侧的从属于列I和V的绳索执行(反向)最大行程，而其它位于中间的绳索II和IV的行程相应减小。而绳索III保持完全静止。通过摇杆145驱动的绳索行Z嵌接在筝帆的后棱边上并且相对于飞行器的横舵运动控制飞行方向(首摇)。在筝帆的后面处总体上产生一个扭转，它影响围绕垂直轴的运动。
显然，为了使筝帆根据所期望的轮廓变形也可以通过其它方式实现绳索的成组驱动。因此例如可以使摇杆附加地分开并且配有其它的驱动部件，由此实现驱动运动的多重分段。例如直接驱动绳索组I和V，而绳索组II和IV通过转向滚轮和双绳索导向引起的减速(滑车组，未示出)得到更小的行程，由此实现Z绳索的单侧操纵(制动)或者迎风部件的附加非对称变形。如果期望绳索行程延长，也可以使用滑车组升速。所述驱动马达143和147优选由步进电机构成。
通过风涡轮机108实现马达143和147的能量产生，该涡轮机驱动一个电直流电压发电机149，它本身给蓄能器150(蓄电池或高容量电容，尤其是“Goldcap”)充电。将能量输送到控制单元151，它对电机143和147传导必需的驱动电压(脉冲)。所述控制单元151本身获得上述自动舵单元114的控制命令。
显然，通过所示形式的公共驱动减少驱动部件的数量。在此公共驱动的操纵部件也可以由其它形式可旋转支承的部件、摇杆、杠杆或类似部件组成，它共同地通过驱动马达运动。各控制绳索通过分支到不同选择的固定点固定在滑翔伞的底部幅面上。通过这种方式使操纵部件的运动转换成整个或部分迎风部件的所期望的几何形状变化，用于产生对于所期望的驱动或操纵运动必需的空气动力形状变化。在此也可以通过相应地布置控制绳索改变双层滑翔伞筝帆轮廓的厚度。在这种情况下每个第二牵引绳索非连接地穿过下覆盖面，用于固定在上覆盖面上。当其余的绳索与下覆盖面固定连接并且保持其长度时，第二牵引绳索可以缩短。
对于在图4b中所示的按照本发明的迎风部件控制的另一实施例所述驱动部件由直线促动器构成，其中每个直线促动器通过一个气动部件152构成，它在过压下在横向伸展并由此在其长度上缩短。这种部件称为“人造肌肉”并且气动地驱动。每个气动部件152与一个绳索103连接(在图4b中示例地表示)。对于在附图中所示的实施例底面，153固定而各促动器152通过配给单元154分别通过所需量的压力空气控制，用于产生对应于按照图4a的实施例的绳索转向。
所述促动器作为“人造肌肉”通过空气充满并且在此根据其状况收缩。这一点例如能够这样实现，如果柔性的外壳通过一种网线式织物包围，它在垂直于轴向的方向上伸展时牵引到一起。所述配给单元154同样由下面描述的自动舵的输出信号控制。在所示实施例中必要的压力空气能由风涡轮机108获得，它后接一个空气压缩机155。这个空气压缩机155例如可以由轴向压缩机(飞行器涡轮机)或者由相对压缩机(涡轮增压器)构成。
在图4c和d中示出缩帆装置的两个实施例，其中图4c示出具有电绞盘的缩帆装置实施例原理的示意图，而图4d示出具有气动促动器的实施例。对于在图4c中所示的实施例示出纺织短臂160至165，它们形成构成轮廓的迎风部件101的结构。在示意图中去掉覆盖面。一个电动的伺服电机166由步进电机构成并且在其驱动轴的端部上支承两个缠绕盘167和168。它们反向地缠绕到两个牵引绳索169，170上，它们在固定点171和172上与短臂160或165连接。如果马达166有效，则电机缩短牵引绳索并且牵引短臂160和165。对于其余的短臂161至164，所述牵引绳索169和170穿过缺口173，173’和174，174’导引，因此这些缺口只在翼的折叠覆层上导引，当翼被缩帆时。通过部分地牵引绳索169和170能够实现部分缩帆。通过在反向上激活伺服电机166实现解除缩帆，其中由滑翔伞构成的迎风部件101(参见图2)通过其拱曲的形状和绳索的牵引力没有附加操纵力地再次占据解除缩帆的状态。具有两个缠绕盘167和168的驱动轴不必象图4c简示的那样设置在纺织短臂162与163之间、即机翼翼型内部。它们也可以有利地设置在容器102内部，然后向着容器导引牵引绳索169和170。但是另一方面这些牵引绳索也可以在容器102旁边导引。
对于在图4d中所示的另一简示实施例，肋骨形的短臂175至178具有气动促动器179至181，如同其相应地在图4b中所示的实施例中所使用的那样，用于通过拉力减小短臂之间的距离并由此起到缩帆作用。所述促动器的端部分别与两个相邻短臂固定连接。在这里也可以通过反向操纵促动器179至181有效地实现解除缩帆。
另一未示出的实施例涉及能量获取的使用，其中设有通过水流、尤其通过一个船舶螺旋桨或涡轮机驱动的发电机，它将所产生的电能输送到一个蓄能器、尤其是氢气发生器。在此也可以是一个单元，它仅仅为了获取能量在地球的富风地区驱动，用于由所产生的电能通过水的电解分解产生氢气，然后将氢气输送到相应的储罐并且在到达的港口卸载或者在海上给到相应的输送船。
关于本实施例的各部件的细节请参照同时递交的本申请人的并行专利申请。
本发明不局限于所示的实施例。本发明范围中的其它配置由从属权利要求的组合给出，它们由专业人员根据上述的描述开发。

Claims (30)

1.具有风力驱动装置的船舶，其中一个具有一个机翼翼型的自由飞出的筝帆式迎风部件(1)用作唯一的驱动装置、辅助的驱动装置或者紧急驱动装置，所述迎风部件只通过一个能够展开成许多固定绳索的牵引绳索(1.1)与船舶(4)连接，其中为了将所述迎风部件(1)导引到并固定在一个基于船舶(4)的给定位置和/或为了动态地操纵，所述迎风部件(1)借助改变迎风部件(1)的空气动力作用的至少一个有效驱动部件(140，145，152)而改变，所述至少一个有效驱动部件(140，145，152)位于迎风部件附近或迎风部件里面并且与迎风部件处于作用连接，其特征在于，许多控制绳索(103)形成一个矩阵式结构，其中不同的控制绳索(103)通过一个公共的被驱动操纵部件一起被驱动。
2.如权利要求1所述的船舶，其特征在于，对有效的驱动部件(140，145，152)从驱动部件地点上的蓄能器输送辅助能量。
3.如权利要求1所述的船舶，其特征在于，设有通过改变迎风部件(1)的取向、姿态和/或形状来改变迎风部件(1)的空气动力作用的机构。
4.如权利要求1所述的船舶，其特征在于，用于改变迎风部件(1)空气动力作用的机构包括通过影响迎风部件脱流边缘的取向来对称或非对称地改变机翼翼型和/或通过扭转机翼翼型和/或通过对称和/或非对称地改变机翼翼型的拱曲和/或缩帆和/或通过改变牵引绳索基于机翼翼型几何形状的作用点和/或改变机翼翼型的姿态角而改变形状的机构。
5.如权利要求3或4所述的船舶，其特征在于，所述用于改变迎风部件(1)空气动力作用的机构为用于在两侧和/或反向的操作或者说用于同向或者说非对称地改变机翼翼型的机构，该机构具有一个公共的驱动部件(140，145)。
6.如权利要求3或4所述的船舶，其特征在于，迎风部件(1)至少局部由纺织的或其它柔性的材料制成，用于改变空气动力作用的机构具有一个用于借助于驱动部件调整至少一个控制绳索(103)的装置。
7.如权利要求3或4所述的船舶，其特征在于，迎风部件(1)至少局部由纺织的或其它柔性的材料制成，用于改变空气动力作用的机构具有一个用于借助于驱动部件调整至少一个控制绳索(103)的装置，其中该控制绳索(103)具有至少一个起到升速或减速作用的滑车组形式的转向机构或回程机构。
8.如权利要求1至4中任一项所述的船舶，其特征在于，所述驱动部件由一个绞盘和/或一个直线促动器(152)构成，它通过一种压力介质驱动。
9.如权利要求1至4中任一项所述的船舶，其特征在于，设有机构，用于获得至少间接地由表征风向和/或风速的信号组成的驱动部件(140，145，152)的控制信号，其中表征风向和/或风速的信号通过相应的传感器获得，并且所述风向和/或风速是视在风的风向和/或风速。
10.如权利要求1至4中任一项所述的船舶，其特征在于，设有机构，用于获得至少间接地由表征风向和/或风速的信号和表征海浪的信号组成的驱动部件(140，145，152)的控制信号，其中表征风向和/或风速的信号和表征海浪的信号通过相应的传感器获得并且所述风向和/或风速是视在风的风向和/或风速。
11.如权利要求1至4中任一项所述的船舶，其特征在于，设有机构，用于获得至少间接地由表征风向和/或风速的信号和表征海浪的信号组成的驱动部件(140，145，152)的控制信号，其中表征风向和/或风速的信号和表征海浪的信号通过相应的传感器获得，所述风向和/或风速是视在风的风向和/或风速，并且对相应传感器后接一个控制器或逻辑单元，它由相应传感器信号以固定或变化的关系产生用于迎风部件(1)的位置、取向和/或操纵信号，它至少间接地形成用于驱动部件(140，145，152)的控制信号。
12.如权利要求1所述的船舶，其特征在于，在迎风部件(1)上直接设有至少一个位置传感器部件，它给出关于其在空间中的位置和/或取向的输出信号，其中这个输出信号输送到减法装置的第一输入，位置、取向和/或操纵信号输送到其另一输入，并且在减法装置的输出上包括一个方向和/或修正信号，它至少间接地形成用于驱动部件(140，145，152)的控制信号。
13.如权利要求1至4中任一项所述的船舶，其特征在于，在迎风部件(1)上直接设有至少一个位置传感器部件，它给出关于其在空间中的位置和/或取向的输出信号，其中这个输出信号输送到减法装置的第一输入，位置、取向和/或操纵信号输送到其另一输入，并且在减法装置的输出上包括一个方向和/或修正信号，它至少间接地形成用于驱动部件(140，145，152)的控制信号，所述位置传感器是一个差分GPS或者另一导航仪。
14.如权利要求1至4中任一项所述的船舶，其特征在于，在迎风部件(1)上直接设有至少一个位置传感器部件，它给出关于其在空间中的位置和/或取向的输出信号，其中这个输出信号输送到减法装置的第一输入，位置、取向和/或操纵信号输送到其另一输入，并且在减法装置的输出上包括一个方向和/或修正信号，它至少间接地形成用于驱动部件(140，145，152)的控制信号，所述位置传感器是一个差分GPS或者另一导航仪，它在引入附加的加速度传感器信号和/或地球磁场传感器信号的情况下产生关于迎风部件(1)的位置和/或取向的信息。
15.如权利要求1至4中任一项所述的船舶，其特征在于，为了确定迎风部件的位置，在船舶(4)上和在迎风部件(1)上设有高度测量仪。
16.如权利要求1至4中任一项所述的船舶，其特征在于，牵引绳索(1.1)的长度和取向被用于确定迎风部件(1)的位置。
17.如权利要求1至4中任一项所述的船舶，其特征在于，设有机构，用于引入一个船舶(4)的波浪运动分量用于以这种方式减小迎风部件(1)的运动，即或者借助差分GPS的位置确定补偿在牵引绳索方向上的船舶运动，由此使GPS信号涉及一个“静止平台”，和/或相应地相位错开地控制绞盘(2)。
18.如权利要求1至4中任一项所述的船舶，其特征在于，设有机构，用于引入一个通过加速度传感器、在牵引绳索方向上作用的船舶(4)的波浪运动分量用于以这种方式减小迎风部件(1)的运动，即或者借助差分GPS的位置确定补偿在牵引绳索方向上的船舶运动，由此使GPS信号涉及一个“静止平台”，和/或相应地相位错开地控制绞盘(2)。
19.如权利要求12所述的船舶，其特征在于，所述方向和/或修正信号形成一个自动控制装置的输入信号，驱动部件(140，145，152)的输入与该自动控制装置的输出连接。
20.如权利要求12所述的船舶，其特征在于，还设有加速度传感器和/或地球磁场传感器，将加速度传感器和/或地球磁场传感器的输出信号作为其它修正信号输送到自动控制装置。
21.如权利要求1至4中任一项所述的船舶，其特征在于，传感器和信号处理机构分别部分位于船舶(4)甲板上，部分位于迎风部件(1)上并且设有信号传递机构，用于影响在两组传感器与信号处理机构之间的信号交换。
22.如权利要求1至4中任一项所述的船舶，其特征在于，位置和取向信号涉及迎风部件(1)相对于船舶(4)的位置或者说涉及地球表面。
23.如权利要求1至4中任一项所述的船舶，其特征在于，一个传感器部件由用于临近或已经产生脱流的传感器构成，它由一个位于迎风部件(1)绕流表面处的部件组成，该部件对于比邻的空气流给出一个输出信号。
24.如权利要求12所述的船舶，其特征在于，所述驱动部件(140，145，152)和/或传感器部件位于一个容器(102)里面，该容器构成牵引绳索(1.1)的力作用点并且固定和控制绳索(103)源自该容器，迎风部件(101)与所述固定和控制绳索连接。
25.如权利要求12所述的船舶，其特征在于，所述驱动部件(140，145，152)和/或传感器部件位于一个流线形的容器(102)里面，该容器构成牵引绳索(1.1)的力作用点并且固定和控制绳索(103)源自该容器，迎风部件(101)与所述固定和控制绳索连接，所述容器(102)还是水滴形的。
26.如权利要求12所述的船舶，其特征在于，所述驱动部件(140，145，152)和/或传感器部件位于一个流线形的容器(102)里面，该容器构成牵引绳索(1.1)的力作用点并且固定和控制绳索(103)源自该容器，迎风部件(101)与所述固定和控制绳索连接，所述容器(102)还具有机翼翼型的形状并且对准牵引绳索(1.1)方向或者与其正交的方向。
27.如权利要求1至4中任一项所述的船舶，其特征在于，为了获得能量设有一个通过在船舶(4)外部的水流、通过船舶螺旋桨或涡轮机驱动的发电机，它将产生的电能输送到蓄能器。
28.如权利要求27所述的船舶，其特征在于，产生的电能被输送到一个具有后置的储藏容器的氢气发生器。
29.如权利要求1所述的船舶，其特征在于，各个控制绳索(103)通过不同选择的固定点和/或不同选择的减速比或升速比以不同的行程被驱动。
30.如权利要求4述的船舶，其特征在于，用于改变形状的机构包括用于改变双层的机翼翼型的两个层(105，106)之间的距离的机构。
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