[논문 리뷰] An intrinsic way to control E-sail spin

P. Janhunen, Petri Toivanen|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 26.

Experimental and Theoretical Physics Studies참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 도전성 재료로 된 보조 테이퍼(auptether)를 전기적으로 도핑하여 전기 태양-wind 서큘레이터(E-sail)의 스핀 속도를 내재적으로 제어하는 방법을 제안한다. 전압 제어를 통해 토크 조절이 가능하며, 궤도 상의 코리olis 효과로 인한 영구적 스핀 속도 변화를 E-sail 자체의 추진력으로 보정함으로써 외부 추진 시스템 없이도 완전한 제어를 달성한다. 1 AU에서 1 N의 E-sail에 대해 필요한 위상 간격은 단지 3.6°이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 태양 궤도를 도는 동안 궤도 코리olis 효과로 인한 E-sail의 영구적 스핀 속도 드리프트를 해결하기 위해.
• 냉기 가스 추진기나 FEEP 추진기와 같은 외부 스핀 제어 시스템에 의존하지 않기 위해.
• E-sail 자체의 전기력만을 사용하여 스핀 속도 조절을 수행하는 방법을 개발하기 위해.
• 외부 추진 시스템의 질량 또는 복잡성 증가 없이 내재적 제어를 가능하게 하기 위해.
• 보조 테이퍼를 스핀 관리의 능동 제어 요소로 사용할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 도전성 재료로 된 보조 테이퍼의 일부를 전기적으로 도핑하여 제어 가능한 추진력 성분을 생성하기 위해.
• 주 테이퍼에 대해 독립적인 전압 제어를 통해 스핀 평면 및 법선 방향 추진력 성분을 조절하기 위해.
• 테이퍼 회전 주기의 특정 부분 동안 보조 테이퍼 세그먼트에 위상 조절 전압을 적용하기 위해.
• 일정한 법선 추진력 성분 $F_n$ 을 유지하면서 스핀 평면 성분 $F_s$ 를 변화시켜 순 토크를 생성하기 위해.
• 힘의 평형과 토크 평형 방정식을 사용하여 필요한 위상 간격 $\delta\varphi$ 를 유도하기 위해.
• 최소 제어 위상 창을 결정하기 위해 방정식 $\delta\varphi = N\sqrt{k}(r_0/r)\Omega_0\sqrt{m/f_0}$ 를 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도전성 재료로 된 보조 테이퍼를 사용하여 E-sail의 스핀 속도 조절을 위한 제어 가능한 토크를 생성할 수 있는가?
• RQ2 코리olis로 인한 스핀 드리프트를 보정하기 위해 E-sail 자체의 추진력만으로도 충분한 제어 능력을 확보할 수 있는가?
• RQ3 필요한 보정 토크를 생성하기 위해 보조 테이퍼 전기화에 필요한 위상 간격은 얼마인가?
• RQ4 보조 테이퍼의 전압 조절이 서큘레이터 방향을 변경하지 않고 추진력 성분 $F_s$ 와 $F_n$ 에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 방법을 통해 장기적인 E-sail 임무에서 외부 추진 시스템의 필요성을 제거할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 외부 추진기 없이도 E-sail의 본질적 전기력만을 사용하여 완전한 스핀 속도 제어를 달성한다.
• 1 AU에서 1 N의 E-sail에 대해 보조 테이퍼 전기화에 필요한 위상 간격은 단지 $3.6^\circ$ 이며, 이는 높은 효율성과 충분한 운영 여유를 의미한다.
• 제어 체계는 일정한 법선 추진력 $F_n$ 을 유지하면서 스핀 평면 추진력 $F_s$ 를 변화시켜 순 토크를 생성한다.
• 이 방법은 코리olis 토크 $\tau_c = mR^2\Omega\omega\tan\alpha$ 를 보완하기에 충분한 제어 능력을 제공한다.
• 기준 1 N E-sail이 1 AU에 위치해 있고 $N=100$, $k=5$, $m=1$ kg, $f_0=500$ nN/m, $\Omega_0=2.0\times10^{-7}$ s$^{-1}$ 일 때, 필요한 $\delta\varphi$ 는 $3.6^\circ$ 이다.
• 이 방법은 확장 가능하고 내구성이 있으며, 전압을 낮게 운영하거나 부분 도전성 상태로도 성능 여유가 확보되어 있다.