[論文レビュー] TI tether rig for solving secular spinrate change problem of electric sail

P. Janhunen, Petri Toivanen|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2016

Ship Hydrodynamics and Maneuverability参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、メイン宇宙機から電圧変調のみを用いて、全回転速度制御および推力ベクトル制御を可能にするTIテザー・リグ設計と電圧ベースの制御アルゴリズムを提案する。この手法は、ギャルバニック接続によりメインテザーと補助テザーの電圧制御を分離し、軌道上のコリオリ効果に起因する定常的変化に対してリアルタイムでの回転速度安定化を可能にする。シミュレーションでは、イメージャと低ノイズ加速度計の2つのセンサーのみを用いて、実際の太陽風条件下でも高い性能を確認した。

ABSTRACT

The electric solar wind sail (E-sail) is a way to propel a spacecraft by using the natural solar wind as a thrust source. The problem of secular spinrate change was identified earlier which is due to the orbital Coriolis effect and tends to slowly increase or decrease the sail's spinrate, depending on which way the sail is inclined with respect to the solar wind. Here we present an E-sail design and its associated control algorithm which enable spinrate control during propulsive flight by the E-sail effect itself. In the design, every other maintether ("T-tether") is galvanically connected through the remote unit with the two adjacent auxtethers, while the other maintethers ("I-tethers") are insulated from the tethers. This enables one to effectively control the maintether and auxtether voltages separately, which in turn enables spinrate control. We use a detailed numerical simulation to show that the algorithm can fully control the E-sail's spin state in real solar wind. The simulation includes a simple and realistic set of controller sensors: an imager to detect remote unit angular positions and a vector accelerometer. The imager resolution requirement is modest and the accelerometer noise requirement is feasible to achieve. The TI tether rig enables building E-sails that are able to control their spin state fully and yet are actuated by pure tether voltage modulation from the main spacecraft and requiring no functionalities from the remote units during flight.

研究の動機と目的

• 軌道上のコリオリ効果に起因するE-スイープの定常的回転速度変化問題を解消すること。
• 飛行中に遠隔ユニットの機能を必要とせずに、E-スイープの角運動量ベクトルを完全に制御できること。
• 遠隔ユニットのアクチュエータが複雑になるのを避けるために、メイン宇宙機からの電圧変調のみを用いた制御システムを設計すること。
• 現実的な太陽風データとセンサーのノイズモデルを用いて制御アルゴリズムを検証すること。
• 太陽風の変動にかかわらず、所望の推力の大きさ、方向、および回転速度を維持できること。

提案手法

• TIテザー・リグは、メインテザー（T-テザー）を間隔を空けて隣接する補助テザーにギャルバニック接続することで、メインテザーと補助テザーの電圧を独立して制御可能にする。一方、I-テザーは絶縁されたままとなる。
• 制御アルゴリズムは、イメージャとベクトル加速度計からのフィードバックを用いて、リアルタイムでテザー電圧を変調し、回転速度と推力ベクトル方向を制御する。
• 太陽風データの欠落を補うために、時間領域をミラー化および補間する手法を用い、シミュレーションの継続性を維持する。
• 推力のスロットリング、回転速度補正、振動減衰のための混合制御戦略を採用し、グリーディなフィードバックゲインを用いて動的安定化を実現する。
• 制御則は、ピークテザー張力の最小化を目的として設計されており、変動する太陽風条件下でも振動を効果的に抑制し、構造的整合性を保証する。
• シミュレーションには、コリブリスSF-1500のような既存機器で実現可能なノイズレベルのリアルなノイズモデルを組み込み、イメージャと加速度計の両方に適用している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コリオリ効果に起因する定常的変化に対して、純粋に電圧ベースの制御システムがE-スイープの回転速度を安定化させることができるか？
• RQ2 TIテザー・リグ設計により、遠隔ユニットのアクチュエータ機能を必要とせずに、メインテザーと補助テザーの電圧を独立して制御できるか？
• RQ3 イメージャと加速度計の2つのセンサーのみを用いて、回転状態の完全な制御（推力ベクトルの向きと回転速度を含む）が可能か？
• RQ4 データ欠落を伴う現実的で変動する太陽風条件下でも、制御アルゴリズムの性能は良好か？
• RQ5 ピークテザー張力を最小限に抑えながら、所望の推力の大きさと回転速度を維持できるか？

主な発見

• 角運動量保存則に起因する初期回転速度10%の上昇に対しても、制御アルゴリズムは所望の回転速度を安定して維持した。
• コリオリ効果に起因する定常的回転速度変化を補正するのに必要な能力をはるかに上回る制御能力を有している。
• イメージャの解像度要件は控えめであり、加速度計のノイズ要件（<1.5 µg/√Hz）はコリブリスSF-1500のような既存技術で実現可能である。
• シミュレーションでは、スペクトルを保存するミラー化および補間手法を用いたデータ欠落補填により、実際の太陽風変動下でも、アルゴリズムが帆の姿勢と推力ベクトルの安定化を達成した。
• ピークテザー張力は平均張力の数パーセントの範囲内に保たれ、振動の効果的な抑制と制御則のロバストネスを示している。
• TIテザー・リグにより、遠隔ユニットの飛行中における機能を一切必要とせず、角運動量ベクトルの完全な制御が可能となり、ミッション設計の大幅な簡素化が実現した。