该重新评估风阻型高空风能转换机理的价值了(一)
——不得不先说风速型机理——
根据1980年Miles L.Loyd在《Crosswind Kite Power》中所阐述的“通过'Crosswind flight(切风飞行)’过程提升系留滑翔翼的飞行速度,可使系绳张力因系留滑翔翼产生的附加升力而得到数倍的增强”,风速型高空风能转换机理(以下简称“风速型机理”)在动力学层面上正式从传统的风阻型高空风能转换机理(以下简称“风阻型机理”)中脱颖而出。
迄今为止,在有关高空风能转换装置的研制中,风速型机理占据了绝对的主导到位。而风阻型机理则疑似因为在力学上没有“额外获益”的“先天”弱势,通常被风速型机理的拥趸们有意无意的贴上了“恋旧”的标签。
风速型机理的“先声夺人”得益于航空科技百年来的丰厚积淀,毕竟,助推人类实现飞天梦的螺旋桨就是最典型Crosswind flight,而现代风力涡轮机的关键标志之一也是以Crosswind flight产生的动力为主驱动桨叶旋转。虽然直到超大规模集成电路将算力“浓缩”到了方寸之间,才让风速型机理真正获得了一步登天的能力,但其理论与实践早已蓄势待发了。
即便如此,有几个细节需要给予重新的审视。
其一是:所谓的风速型机理其实是由风阻型机理提供了基本的飞行动力才产生了系绳张力增益。正是这种隐含的内在动力学关系,才使系留滑翔翼按球面“∞”飞行时,能在顺风侧完成Crosswind flight的换向并重新开始加速。
其二是:相较于早已风行的各种基于风筝动力的滑行运动,直到飞行姿态自控装置的质量下降到随行滞空的基本要求后,风速型机理才在滞后逾三十年后开始实施。此前,虽然采用地面直接控制的KiteGen飞行风力机先行成为基于风速型机理进行高空风能转换的新闻焦点,但不久便不得不“退居二线”了。显然,对飞行姿态的控制存在操控距离的限制,即:风速型机理必须依赖包括电源和机电执行装置在内的随行自动驾驶仪的支持。
其三是:直到20纪70年代中期,因融合了诞生于二战初的美式特技风筝[1]而兴起的“风筝冲浪”运动开始采用翼型风载结构为止,欧美在之前逾150年的“Kite Power”探索历程中[2],一直是基于平面的静压风载[3]设计滞空风载结构,哪怕是著名的box Kite和它的改进型War-Kites[4]。
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然而,在风速型机理经历了千帆竟发的十年热潮后,其滞空可靠性成了压倒“飞行发电机”一哥Makani的最后一根稻草!无独有偶,致力于“飞行风力机”的Kite Power也在稍早前发生过类同的事故。而背后的始作俑者,则是Crosswind flight所追求的“更快”在本质上与柔性约束机理的力学特性相悖。即便Makani最终采用的圆轨迹能最大限度的减少系绳张力的差模,但在本质上存在的系绳挠度变化及其随机性最终导致飞行姿态控制陷入了“算力黑洞”。这种状况还预示了通过串式结构增加效能的远景因为单元速度矢量的不一致而面临“胎死腹中”的厄运。
风速型机理在碳排放议题开始呈现沸腾之势的当下,却陷入了系绳摆动必然加剧系绳弯曲的泥淖之中,为其以滞空可靠性、滞空质量和系统成本为代价追求“更强”的选择支付着昂贵的机会成本!
无需讳言,风阻型机理的力学弱势是客观存在的,已有的实践个案也还并未提供足以为其正名的有力佐证。但风速型机理已显露出的理论及技术瓶颈以及当下已成“强弩之末”的窘境,无疑使风阻型机理获得了一个重新从系统整体效能的层面进行价值评估的黄金机遇。所谓天道轮回,此起彼伏也。当断之时若还拘泥于扮相就是矫情了。
——溯源——
从迄今为止所披露的信息看,应用风阻型机理的几乎全部是风力机。其中的原因,除了风阻型机理无法提供额外的速度增益之外,或许还因为此类方案的初始想定大都基于两个直观、简捷的认知:“只要结构完好就能始终可靠的自持滞空”;“只要系绳的长度变化与滞空机构的风载满足'收/小、放/大’的对应关系,即可通过绳轮传动用高空风能来驱动地面的机械运动”。毕竟,“除非不得已,滞空质量还是越小越好”是常识。
这无疑就是对高空风能转换技术最根本的功能性需求——滞空可靠;高度受控;风载受控;往复运动;轻质结构。更进一步的分析表明,其实这里还隐含着目前看来事关成败的关键:
其一,以“可靠的自持滞空”为前提,不仅是通过默认其具有“最高优先级”,使系统的“安全性”和其余系统功能的有效性得到保障;还界定了最大“受控”范围不涉及可“基于本能”实现的系统功能,如风向跟随、风载限制等;
其二,强调“高度受控”,显然不是单指风能转换运动中的“升降点位”、“时序相关性”或“升限”问题,而是对“设定风能转换高度”的独立性和可靠性提出了要求。其背后的意义是:做为一种风力原动机需要具备“基于需求选定高度”的输出调控能力;
其三,明确了风能转换运动的实质在于实现“系绳滞空段的长度变化”,这为基于机械动力学理论,以柔性约束的单向承载特性推定往复运动的一维属性,提供了“合理性”依据。
虽然可实现“始终能可靠的自持滞空”的方法并不唯一,但从力学的简捷性看,只涉及自重和静压风载的中国板式风筝无疑是在理解、认同上最具普遍性的基础模型;再从实现目标所需的工作看,中国板式风筝只需增加一个能使风载受控的单参数双稳态机构,并通过机械联动使其稳态风载与高度的升/降过程严格对应,因而在技术增益上更具明显优势;至于其基于常规材料构成的轻简结构,就更无出其右了。而对于新的控制项至少需要增加一根系绳的问题,在欧美系风筝界看来更是已有逾150年历史的成熟技法,无需多虑。
因而各种宣介中“(利用)风筝发电”就直截了当的“代言”了高空风能转换技术。
其实,被系绳拽着的未必就是风筝,各自的力学特征就更是独具机巧。
令人瞠目的是:中国板式风筝的优势竟未能使其在机理竞争中夺得“首发”位置。这让风阻型机理不得不在之后的逾40年里需要首先面对:除了本就是各取所需的“张冠李戴”,到底是谁、在哪儿扳动了高空风能转换技术发展之路的道岔?
忍不住要再叽歪一下:不给出支点就愣是说翼型结构的升力源于“天赋神授”真的好吗?那里边真的没藏着风筝?
注:
[1].图源:http://robroy.dyndns.info/targetkites/May45-PS/
[2].George Pocock(英)在他1826年出版的《The Aeropleustic Art or Navigation in the Air by the Use of Kites or Buoyant Sails》中,叙述了他研发的风筝动力马车(Charvolant)以及利用风筝载人升空的实践。
[3].若非特别给予前缀说明,后文单独使用的“风载”专指滞空平面风载结(机)构的风载。
[4].图源:http://www.ctie.monash.edu.au/hargrave/cody.html
20210815更正:以George Pocock(英)在1826年出版的《The Aeropleustic Art or Navigation in the Air by the Use of Kites or Buoyant Sails》为凭,至20世纪70年代中期,欧美对Kite Power的探索历程应为“已逾150年”。