里每小時航行，則顯現(xiàn)的風為來自船后面的1海里每小時。如果帆船以與風成非0角度航行，則顯現(xiàn)的風將是風速和船速之間的向量差。由風吹過翼帆的表面所產(chǎn)生的力取決于顯現(xiàn)的風；在本公開內(nèi)容中，術(shù)語相對風向或者相對于帆船航行的方位或方向的風向可以被認為是顯現(xiàn)的風向。
[0058]在圖4A的示例中，帆船200的航向450直接朝向風向460 (風向460的反向)，諸如這可以發(fā)生在帆船200由輔助推進裝置(圖2A中的235)來推進時。在這種狀態(tài)下，與風的攻角為0，風將均勻吹在翼帆222和風向標225的兩側(cè)，造成翼帆222的“中立”或“0升力”狀態(tài)，該狀態(tài)不向帆船200提供升力。
[0059]如果翼帆結(jié)構(gòu)220稍微地隨風偏移，則在翼帆222上產(chǎn)生壓力梯度，其產(chǎn)生朝向翼帆的“下風”或背風側(cè)的力，如下面進一步詳述的。如圖4A中所示，如果帆船200的航向450是向著風向460，則通過翼帆222隨風向460的偏移引發(fā)的力將會發(fā)揮影響，使得將帆船200向后推，導(dǎo)致抵抗船載期望的航向450上移動的阻力。
[0060]為了產(chǎn)生將帆船200向前推進的升力，帆船200必須在與風成一定角度的方向上轉(zhuǎn)向，并且必須對帆進行調(diào)校以從風跨越其表面的流動產(chǎn)生這種升力。典型地，當相對風向大于最小搶風航行角(tacking angle)時，帆船能夠向前航行，該最小搶風航行角基于帆船的設(shè)計而不同，并且通常約為40-50°。如上面提到的，在低于最小搶風航行角的角度時，向著風的情況下，所產(chǎn)生的壓力梯度與船的航向相反，從而在帆船的向后方向上產(chǎn)生力分量。在大于最小搶風航行角的角度的情況下，風吹到翼帆222的左側(cè)和右側(cè)中的差別產(chǎn)生了具有在帆船的前進方向上的分量的力，如下面進一步詳述的。
[0061]圖4B示出了在與風向460成角度的方向455上航行的帆船200。如由虛線462、464示出的，當風接近翼帆222的前邊緣時，風被轉(zhuǎn)向到翼帆222的左側(cè)和右側(cè)。在該示例中，翼帆222的右側(cè)(背風側(cè))上的風464繞著翼帆222的前邊緣彎曲，并且沿著翼帆222的背風側(cè)表面朝著翼帆222的尾部行進。翼帆222的左側(cè)(迎風側(cè))上的風462沿著翼帆222的迎風側(cè)表面朝著翼帆的尾部行進。在迎風側(cè)表面上產(chǎn)生的壓力大于在背風側(cè)表面上產(chǎn)生的壓力，導(dǎo)致了從迎風側(cè)表面朝著背風側(cè)表面的方向上的力。
[0062]在圖4B的示例中，從翼帆222的迎風側(cè)表面朝著背風側(cè)表面的方向上的力近似由箭頭480表示。相對于帆船200，力480具有將帆船200推向一側(cè)的分量480a，以及將帆船200向前推的分量480b。位于水中的龍骨230抵抗帆船200向一側(cè)的移動，并且其形狀被塑造成將力480a的至少一些轉(zhuǎn)換成向前的推力。風在翼帆222的通過的總體結(jié)果是:來自于風480的力的向前分量480b和由船體210對側(cè)向分量480a的轉(zhuǎn)換的帆船200在航向455中的向前推力，以及帆船在背風側(cè)方向上的側(cè)向推力的余量(“偏航”)。通常通過方向舵角度上的微小改變以使帆船200稍微略朝向于風來糾正這種偏航。
[0063]如上面提到的，翼帆222所朝向的相對于風向460的角度(攻角)決定了能夠從給定的風速和風向產(chǎn)生的升力的量。例如，在圖4B中，如果翼帆222在逆時針方向上圍繞桅桿410旋轉(zhuǎn)，減小了攻角并且使翼帆的朝向更加直接地與風向460 —致，則轉(zhuǎn)向到翼帆222的兩側(cè)的風將更加均勻，從而降低了翼帆222的背風側(cè)和迎風側(cè)表面之間的壓力梯度。相反地，如果圖4B的翼帆222在另一順時針方向上圍繞桅桿210旋轉(zhuǎn)，增加了攻角，則背風側(cè)風464可能無法順著翼帆222的前邊緣的曲率繞道背風側(cè)表面，造成失速，并且在背風側(cè)表面將不會實現(xiàn)平滑的氣流，從而降低了背風側(cè)和迎風側(cè)表面之間的壓力梯度。
[0064]理想的攻角還根據(jù)帆船220相對于風向460的航向455而變化。在“前舷側(cè)風行駛”時，航向455接近于最小搶風航行角(“迎風而行”)，較窄的攻角提供更好的升力；在“正橫風行駛”時，風向455與風向接近直角(“正橫的”)，當在背風側(cè)平面上保持平滑的氣流時能夠提供較寬的攻角；以及在“后舷風行駛”時，航向455相對于風向460約成135°，能夠支持更加寬的攻角。較寬的攻角通常具有增加由風吹過翼帆222的背風側(cè)表面產(chǎn)生的力的向前分量480a的效果；典型地，依據(jù)帆船的特定設(shè)計，當以橫風行駛或后舷風行駛時，帆船達到最大速度。
[0065]針對相對于航向的給定風向或船相對于風向(“相對風向”)的方位的理想攻角最初是由翼帆222的前邊緣的形狀和背風側(cè)表面的形狀決定的。因此，在給定的翼帆222的特定形狀的情況下，如果能夠確定相對風向，則可以將翼帆222設(shè)定到針對該相對風向的相應(yīng)的理想攻角。
[0066]示例性帆船200的風向標225有助于確定相對于帆船的航向455的風向460。風向標225以翼帆結(jié)構(gòu)220為軸以最小轉(zhuǎn)動摩擦力進行轉(zhuǎn)動。因此，風向標225將始終使其自身與風向460對準，而不管翼帆結(jié)構(gòu)220的方位如何。隨著風向標225和翼帆結(jié)構(gòu)220之間的角度430增大和減小，連接桿435將這種轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成相對于桁架440的實質(zhì)的橫向移動，并且相應(yīng)地將基于翼帆結(jié)構(gòu)220相對于方向460的角度430來提供相對于帆船200的朝向的橫向移動。
[0067]替代而言，從控制的觀點看:連接桿435相對于桁架440的橫向移動將控制風向標225相對于翼帆結(jié)構(gòu)220的旋轉(zhuǎn)。由于風向標225始終與風向460對準，因此控制風向標225相對于翼帆結(jié)構(gòu)220的旋轉(zhuǎn)有效地對翼帆結(jié)構(gòu)220相對于風向460進行控制。也即是說，連接桿435的橫向控制影響對翼帆222與風向460的攻角的控制。
[0068]在攻角的手動/遠程控制中，可以對諸如電磁活塞之類的電致動器進行調(diào)節(jié)，以通過橫向移動連接桿235來控制攻角。典型地，當監(jiān)測帆船220的速度時將會調(diào)節(jié)攻角，并且優(yōu)選的攻角被設(shè)置在提供最大速度的角度。
[0069]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，帆船200配置為針對給定的相對風向自動地控制攻角。例如，前述的電致動器可以受計算機控制以達到最大速度(如在手動/遠程控制中)，或者可以基于確定的相對風向，例如使用針對各種相對風向的致動器設(shè)定表，而被設(shè)置成前述的“理想”攻角。
[0070]然而，如上面提到的，對帆調(diào)校進行電子控制以達到期望的攻角消耗電量，而對帆調(diào)校進行機械控制則不消耗電量。此外，機械控制可以對風的瞬間變化響應(yīng)最敏感的，這是由于反饋環(huán)路本身為控制桿435。依據(jù)本發(fā)明的另外方面，連接桿435與桁架440的連接機械地使連接桿435相對于桁架440的橫向位置隨著航向455 (以及相應(yīng)地，帆船200的相對方位)相對于風向460的改變該變化。
[0071]圖4C示出了固定地附接到桁架440并從而固定地附接到帆船200的凸輪470。連接桿435包括坐落在凸輪槽471中的一個柱，并且凸輪槽471成形為產(chǎn)生連接桿435隨著桁架440橫向移動并且附接的凸輪470相對于翼帆結(jié)構(gòu)220進行旋轉(zhuǎn)的效果；或者，替代而言，產(chǎn)生連接桿435隨著翼帆結(jié)構(gòu)220相對于帆船200的朝向轉(zhuǎn)動而進行橫向移動的效果。也就是說，如果帆船200的朝向由于航線改變而變化，或者如果風向460的改變造成翼帆結(jié)構(gòu)220的朝向相對于帆船220的朝向改變，則凸輪470將產(chǎn)生對于連接桿435的相應(yīng)的橫向改變，從而基于風向460相對于帆船200的航向的變化而改變翼帆222的攻角(為了說明清楚，圖4C-4E中未示出)。
[0072]如上面提到的，可以針對給定的相對風向和給定的翼帆222的形狀來確定理想的攻角。因此，凸輪槽471可以被創(chuàng)造為產(chǎn)生橫向變化以達到針對所有相對風向的理想攻角的效果。也就是說，凸輪的形狀是控制算法的機械體現(xiàn)。
[0073]圖4C示出了當帆船200和翼帆結(jié)構(gòu)220相對于風向而位于“中立”位置時的具有凸輪槽471的示例性凸輪470，其中，翼帆222和風向標225與風向460對準?？梢钥闯觯S著凸輪470通過剛性地附接的桁架440的旋轉(zhuǎn)(S卩，帆船相對于中立位置的朝向改變到風向460)進行順時針或逆時針地旋轉(zhuǎn)，凸輪槽471將引入連接桿435的基本上線性的橫向移動。
[0074]如圖4D中所示，凸輪470的順時針旋轉(zhuǎn)將迫使連接桿435朝著凸輪470的中心行進(如由箭頭478指示的)，使得風向標225在逆時針方向上圍繞其在翼帆結(jié)構(gòu)220上的樞軸425旋轉(zhuǎn)。由于以最小旋轉(zhuǎn)阻力，風向標225將始終使其對準風向，因此風向標225相對于翼帆結(jié)構(gòu)220的這種逆時針旋轉(zhuǎn)將使翼帆222在順時針方向上相對于風向462偏移，從而引入將翼帆222的右表面放置在風462的背風側(cè)的攻角，類似于圖4B中示出的翼帆結(jié)構(gòu)220相對于帆船200的方位。這種翼帆222的右表面在風462的背風側(cè)的方位引入具有相對于帆船200的向前分量和向右的偏航分量的升力。
[0075]如圖4E中所示，凸輪470的逆時針旋轉(zhuǎn)將迫使連接桿435遠離凸輪470的中心行進(如由箭頭479指示的)，引入風向標225圍繞其在翼帆結(jié)構(gòu)220上的樞軸425的順時針旋轉(zhuǎn)。這種順時針旋轉(zhuǎn)引入翼帆222相對于風向464的逆時針旋轉(zhuǎn)，從而引入將翼帆222的左表面放置在風的背風側(cè)的翼帆222的攻角。這種翼帆222的左表面在風的背風側(cè)的方位引入具有相對于帆船200的向前分量和向左的偏航分量的升力。
[0076]由凸輪槽471提供的橫向梯度決定了隨著凸輪470 (或帆船200)相對于風向的轉(zhuǎn)動而提供的攻角。如圖4D和4E中示出的，由于圖4E中凸輪470的逆時針旋轉(zhuǎn)大于圖4D中凸輪470的順時針旋轉(zhuǎn)，因此圖4E的攻角大于圖4D的攻角。也就是說，基于凸輪470的旋轉(zhuǎn)的攻角依據(jù)旋轉(zhuǎn)的角度而變化，從而允許攻角由凸輪槽471來控制，以便達到針對所有相對風向的理想攻角。