[논문 리뷰] TI tether rig for solving secular spinrate change problem of electric sail

P. Janhunen, Petri Toivanen|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 17.

Ship Hydrodynamics and Maneuverability참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전기 태양-wind 서큘러(ESail)에서 메인 우주선의 전압 조절만으로도 완전한 스피드 레이트 및 추력 벡터 제어를 가능하게 하는 TI 터널 라이트 설계와 전압 기반 제어 알고리즘을 제안한다. 이 방법은 갈바닉 연결을 통해 메인 터널과 보조 터널의 전압 제어를 분리함으로써 궤도 코리olis 효과로 인한 영구적 변화에 대비해 실시간으로 스피드 레이트 안정화를 가능하게 하며, 시뮬레이션 결과는 단 두 개의 센서인 이미저와 저노이즈 가속도계를 사용하여 실제 태양풍 조건 하에서도 뛰어난 성능을 보임을 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 궤도 코리olis 효과로 인한 전기 태양풍 서큘러(E-sail)의 영구적 스피드 레이트 변화 문제를 해결하기 위해.
• 비행 중 원격 단위의 功能이 필요 없이 E-sail의 각운동량 벡터를 완전히 제어할 수 있도록 하기 위해.
• 복잡한 원격 단위 액추에이터를 피하기 위해 메인 우주선의 전압 조절만을 사용하는 제어 시스템을 설계하기 위해.
• 실제 태양풍 데이터와 센서 노이즈 모델을 사용하여 제어 알고리즘을 검증하기 위해.
• 태양풍의 변동성에도 불구하고 목표로 하는 추력 크기, 방향, 스피드 레이트를 유지할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• TI 터널 라이트는 메인 터널(T-터널)을 매번 건너뛰어 원격 단위를 통해 인접한 보조 터널과 갈바닉 연결하며, I-터널은 절연 상태를 유지함으로써 메인 터널과 보조 터널의 전압 제어를 독립적으로 가능하게 한다.
• 실시간으로 터널 전압을 조절하는 제어 알고리즘이 이미저와 벡터 가속도계의 피드백을 이용하여 스피드 레이트와 추력 벡터 방향을 조절한다.
• 시간 시리즈의 반사 및 보간 기법을 사용하여 태양풍 데이터의 간격을 메우는 갭 메우기 기법을 적용하여 시뮬레이션의 연속성을 유지한다.
• 추력 조절, 스피드 레이트 보정, 진동 감쇠를 위한 스위치 제어 전략을 채택한 하이브리드 제어 전략을 사용하며, 탐욕적 피드백 이득을 통해 동역학적 안정성을 확보한다.
• 정점 터널 장력 최소화를 위해 제어 법칙을 설계하여 변동하는 태양풍 조건 하에서도 진동을 효과적으로 억제하고 구조적 무결성을 확보한다.
• 시뮬레이션은 이미저와 가속도계에 대해 현실적인 노이즈 모델을 포함하며, 노이즈 수준은 Colibrys SF-1500과 같은 기존 기기에서 구현 가능한 수준이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코리olis 효과로 인한 영구적 변화에 대비해 순수 전압 기반 제어 시스템이 E-sail의 스피드 레이트를 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 TI 터널 라이트 설계가 원격 단위의 액추에이터 기능 없이도 메인 터널과 보조 터널의 전압을 독립적으로 제어할 수 있는가?
• RQ3 이미저와 가속도계 두 대의 센서만으로도 스피드 상태 전체(추력 벡터 방향 및 스피드 레이트 포함)를 제어할 수 있는가?
• RQ4 데이터 간격이 존재하는 현실적인 변동 태양풍 조건 하에서 제어 알고리즘이 얼마나 잘 작동하는가?
• RQ5 정점 터널 장력 최소화를 동시에 유지하면서 목표로 하는 추력 크기와 스피드 레이트를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 스피드 레이트가 서큘러 기울일 때 각운동량 보존 법칙으로 인해 10% 증가하는 상황에서도 제어 알고리즘이 명령된 스피드 레이트를 성공적으로 유지한다.
• 시스템은 코리olis 효과로 인한 영구적 스피드 레이트 변화를 상쇄하기에 훨씬 더 큰 제어 능력을 확보하여 완전한 스피드 레이트 제어를 달성한다.
• 이미저 해상도 요구 조건은 낮으며, 가속도계 노이즈 요구 조건(<1.5 µg/√Hz)은 Colibrys SF-1500와 같은 기존 기술로 구현 가능한 수준이다.
• 시뮬레이션 결과, 알고리즘이 실제 태양풍 변동성(스펙트럼 보존 반사 및 보간을 통한 간격 메우기 포함) 조건 하에서도 서큘러의 자세와 추력 벡터를 안정화함을 보여준다.
• 정점 터널 장력은 평균 장력의 수십 퍼센트 이내로 유지되어 진동 억제 및 제어 법칙의 강건성을 확인한다.
• TI 터널 라이트는 원격 단위의 비행 중 기능이 전혀 필요 없이 전체 각운동량 벡터 제어를 가능하게 하여 미션 설계를 크게 단순화한다.