[論文レビュー] An intrinsic way to control E-sail spin

P. Janhunen, Petri Toivanen|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2014

Experimental and Theoretical Physics Studies参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、導電性材料で作られた補助テザー（auxtether）を帯電させることで、電圧制御によるトルク制御が可能な、電気太陽風帆（E-sail）のスピンレートを内蔵的に制御する手法を提案する。この手法により、軌道上のコリオリ効果に起因する恒常的スピンレート変化をE-sail自身の推力で補償し、外部推進系を一切用いずに完全な制御を実現する。1 AUにおける1 NのE-sailでは、必要な位相間隔はわずか3.6°である。

ABSTRACT

We show that by having the auxtethers made partly or completely of conducting material and by controlling their voltages, it is possible to control the spin rate of the electric solar wind sail by using the electric sail effect itself. The proposed intrinsic spin rate control scheme has enough control authority to overcome the secular change of the spin rate due to orbital Coriolis effect.

研究の動機と目的

• 太陽軌道上を航行する際、軌道的コリオリ効果によって生じるE-sailの恒常的スピンレートドリフトを解消すること。
• 冷媒ガスジェットやFEEPジェットなどの外部スピン制御システムへの依存を排除すること。
• E-sail自身の電気的力を利用してスピンレートを変調する手法を開発すること。
• 外部推進系の質量や複雑さを追加せずに、内蔵的制御を実現すること。
• 補助テザーをスピン管理の能動的制御要素として使用する可能性を検討すること。

提案手法

• 導電性材料で作られた補助テザーの一部を帯電させ、制御可能な推力成分を生成すること。
• 主テザーに対して独立した電圧制御を施すことにより、スピン面成分と法線成分の両方の推力を調整すること。
• テザー回転サイクルの特定の期間中に、補助テザー部に位相変調された電圧を印加すること。
• 法線成分の推力 $F_n$ を一定に保ちつつ、スピン面成分の推力 $F_s$ を変化させ、ネットトルクを生成すること。
• 力のバランスとトルクの釣り合い式を用いて、必要な位相間隔 $\delta\varphi$ を導出すること。
• 最小制御位相窓を特定するための式 $\delta\varphi = N\sqrt{k}(r_0/r)\Omega_0\sqrt{m/f_0}$ を用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 導電性材料で作られた補助テザーを用いて、E-sailのスピンレート制御に適した制御トルクを生成できるか？
• RQ2 E-sail自身の推力のみで、コリオリ効果に起因するスピンドリフトを十分に補償できるか？
• RQ3 必要な補償トルクを生成するために、補助テザーの帯電に必要な位相間隔はどの程度か？
• RQ4 補助テザーの電圧変調が、帆の姿勢を変更せずに推力成分 $F_s$ と $F_n$ にどのように影響を与えるか？
• RQ5 この手法により、長期間にわたるE-sailミッションにおいて外部推進系の必要性を排除できるか？

主な発見

• 提案手法は、E-sailが内在する電気的力のみを用いて完全なスピンレート制御を実現し、外部ジェットの必要性を排除する。
• 1 AUにおける1 NのE-sailでは、補助テザーの帯電に必要な位相間隔はわずか $3.6^\circ$ であり、高い効率性と十分な運用マージンを示している。
• 制御スキームは、法線方向推力 $F_n$ を一定に保ちつつ、スピン面方向推力 $F_s$ を変化させることで、ネットトルクを生成可能である。
• この手法は、コリオリトルク $\tau_c = mR^2\Omega\omega\tan\alpha$ を十分に補償する制御能力を有する。
• ベースラインとして1 NのE-sailを1 AUで運用する状況（$N=100$, $k=5$, $m=1$ kg, $f_0=500$ nN/m, $\Omega_0=2.0\times10^{-7}$ s$^{-1}$）において、必要な $\delta\varphi$ は $3.6^\circ$ である。
• 本手法はスケーラブルでロバストであり、電圧を低減して運用する場合や、部分的な導電性を用いる場合にも性能マージンを確保できる。