该重估风阻型高空风能转换机理的价值了(三)
——谋变求生——
找到了“力矩平衡”这个对风筝来说从诞生之日起就不可或缺的力学本质,风阻型机理需要面对的命题就转化为:最大限度的削弱风载的受控变化与系绳摆动之间的相关性。
至少:高度、风载的受控变化不因系绳状态的变化产生超预期的增益及延迟;
最好:风载的受控变化在理论上以不改变系绳的力矩平衡为前提。
略去对下图耗神且晦涩的力学、几何分析过程,仅将解构的结论罗列如下:
★前后提线的长度决定了风载与系绳张力的迎风侧夹角θ;
★风载与系绳张力的迎风侧夹角θ决定了风载相对于系绳滞空端中心线的垂直分量,由其相对于系绳系留端产生的力矩基于系绳长度,可谓之“长横力矩”;
★系绳滞空端中心线与平面风载结构形心的距离(后文简称“形心距”)和风载与系绳张力的迎风侧夹角θ共同决定了决定了风载对系绳滞空端中心线产生的力矩,可谓之“形心力矩”;
★系绳产生弯曲的必然性使系绳滞空端中心线向系绳系留端的下游偏移且相对于系绳系留端中心线产生逆风偏转,由此导致风载相对于系绳滞空端中心线的垂直分量和平行分量均相对于系绳系留端产生了附加力矩,可分别谓之“偏移力矩”、“偏角力矩”;
★风载对系绳滞空端的力矩作用使系绳摆动、系绳滞空端中心线转动以同向角位移之和的形式导致迎角的变化;
★系绳张力通过对系绳弯曲的影响使风载对平面风载结构的迎角造成的影响受到衰减;
★由于系绳长度远远大于形心距,这使与系绳长度相关的力矩因对风载变化敏感而对系绳保持力矩平衡影响较大;
★与风载相对于系绳滞空端中心线的垂直分量相关的力矩因加剧系绳弯曲而使风载趋弱;
★与风载相对于系绳滞空端中心线的平行分量相关的力矩因缓解系绳弯曲而使风载趋于预期值;
★形心距通常随平面风载结构的固定而固定,且与其相关的力矩只有一项;
★“平面风载结构的重心处于系绳滞空端中心线的上游”只是理论上存在的“暂稳态”,在强扰动不可避免的实际环境中必将导致风筝“大头朝下”,避之唯恐不及;
★“平面风载结构的形心处于系绳滞空端中心线的上游”会对平面风载结构的质量力基于系绳滞空端中心线的“回摆”性能产生抑制,欲静者不宜。
综上所述得到的理论方向是:
①.只有在风载始终平行于系绳张力时,才能使风载对系绳的力矩平衡影响得到有意义的抑制,且效果与系绳的张力及长度正相关;
②.更进一步的措施是:只有将风载分解为形心距为零的变量和形心距不为零的常量,才能使风载对系绳的力矩平衡影响降低至仅取决于系绳弯曲程度的极致状态;
③.由于系绳弯曲状态的变化是系绳张力变化的函数,因而系绳在其中心线方向上的力学响应受系绳弯曲状态及变化过程的影响可忽略;而系绳张力变化范围的选择直接对抑制系绳张力受控变化的偏离程度产生影响。
至此,基于中国板式风筝的风阻型机理所需要解决的问题是:采用适宜的机构,在将风载分解为相对于系绳滞空端中心线的“无力矩”变量和“恒力矩”常量的基础上,以且只能以风载面积为参数使“无力矩”变量受控。
略去“众里寻他千百度”的过程,只说“蓦然回首”的结果:
首先,基于此前对形心和提线的认知,通过:采用等长提线使系绳滞空端中心线垂直于风载平面;将风载平面划分为形心与系绳滞空端中心线重合的风载区和形心处于系绳滞空端中心线下游的风载区两部分。
其次,基于扑翼机领域已有的科技成果,采用基于风载平面对称轴的单轴扑翼机构,实现通过等效风载面积的变化使风载受控变化,已无可预期的理论及实施风险。而由此进一步获得的有益性能是:通过采用先后在欧美已有逾200年实践的双系绳控制方式(通过系绳组的共模使“高度受控”,通过系绳组的差模使“风载(面积)受控”),借助“风载始终趋于使系绳长度增加”的特性,在地面针对任意单根系绳实施额外阻尼后,由系绳组通过“阻尼-速度-长度”的参数链将差模参数传递到单轴扑翼机构,直至地面进入系绳组的机械联动状态。
至此,基于“规避系绳摆动影响”的前提,对风阻型机理重新进行的目标设定-理论模型-机构实现终于完整的实现了“自洽”。