[论文解读] Coulomb drag devices: electric solar wind sail propulsion and ionospheric deorbiting

P. Janhunen|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2014

Astro and Planetary Science参考文献 17被引用 13

一句话总结

本文提出利用带电绳索实现动量转移的库仑拖曳装置——用于深空探测的电太阳风帆（E-sail）和用于近地轨道（LEO）脱轨的等离子体刹车。通过仿真与地面试验表明，E-sail可在质量低于200 kg时实现1 N的推力，而LEO任务（ESTCube-1与Aalto-1）成功验证了10 m与100 m长度绳索的展开及库仑拖曳性能。

ABSTRACT

A charged tether or wire experiences Coulomb drag when inserted into flowing plasma. In the solar wind the Coulomb drag can be utilised as efficient propellantless interplanetary propulsion as the electric solar wind sail (electric sail, E-sail). In low Earth orbit (LEO) the same plasma physical effect can be utilised for efficient low-thrust deorbiting of space debris objects (the plasma brake). The E-sail is rotationally stabilised while the deorbiting Coulomb drag devices According to numerical estimates, Coulomb drag devices have very promising performance figures, both for interplanetary propulsion and for deorbiting in LEO. Much of the technology is common to both applications. E-sail technology development was carried out in ESAIL FP7 project (2011-2013) which achieved TRL 4-5 for key hardware components that can enable 1 N class interplanetary E-sail weighing less than 200 kg. The thrust of the E-sail scales as inverse solar distance and its power consumption (nominally 700 W/N at 1 au) scales as the inverse distance squared. As part of the ESAIL project, a continuous 1 km sample of E-sail tether was produced by an automatic and scalable "tether factory". The manufacturing method uses ultrasonic wire to wire bonding which was developed from ordinary wire to plate bonding for the E-sail purpose. Also a "Remote Unit" device which takes care of deployment and spin rate control was prototyped and successfully environmentally tested. Our Remote Unit prototype is operable in the solar distance range of 0.9-4 au. The 1-U CubeSat ESTCube-1 was launched in May 2013 and it will try to measure the Coulomb drag acting on a 10 m long tether in LEO when charged to 500 V positive or negative. A more advanced version of the experiment with 100 m tether is under preparation and will be launched in 2015 with the Aalto-1 3-U CubeSat to polar LEO.

研究动机与目标

• 开发一种利用太阳风中带电绳索实现无推进剂深空推进的系统。
• 通过带电绳索产生的库仑拖曳，实现近地轨道（LEO）空间碎片的高效、低推力脱轨。
• 展示适用于空间应用的可扩展绳索制造与展开技术。
• 通过地面试验与在轨立方星任务（ESTCube-1、Aalto-1）验证库仑拖曳装置性能。
• 将关键技术的成熟度推进至TRL 4–5级，包括电子枪与绳索展开系统。

提出的方法

• 利用正偏置绳索在太阳风中通过离子动量转移产生库仑拖曳，采用轨道运动受限（OML）理论建模。
• 采用超声波线对线连接技术制造四股线的Heytether绳索，实现低质量（10 g/km）与高微流星体抗性。
• 在绳索末端集成远程控制单元，通过冷气、离子液体FEEP或光子刀片推进器实现自旋速率控制与展开。
• 通过在绳索上施加差分电压以产生转矩，实现推力方向控制，从而在无需反应控制系统的情况下实现姿态控制。
• 利用真实太阳风数据进行数值仿真，验证E-sail航天器的可导航性与轨迹控制能力。
• 对远程控制单元原型进行地面环境测试，验证其在0.9–4 au太阳距离范围内的工作能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太阳风中，带电绳索能否产生足够推力以实现无推进剂深空飞行？
• RQ2 在近地轨道中，负偏置绳索能否产生可测量的库仑拖曳以实现空间碎片脱轨？
• RQ3 在微纳卫星任务中，绳索展开与电压控制的可扩展性与可靠性如何？
• RQ4 E-sail的推力如何随太阳距离与绳索电压变化？
• RQ5 能否独立控制E-sail的推力与方向，从而实现精确的轨道修正？

主要发现

• 在1 AU处，E-sail可实现约0.5 mN/km的推力，推力随太阳距离按1/r规律衰减，100 × 20 km的绳索系统仅重20 kg即可产生1 N推力。
• 功耗随距离按1/r²规律变化（在1 AU处为700 W/N），与太阳帆阵列功率相当，且由电子枪持续维持绳索电压。
• 2013年发射的1-U立方星ESTCube-1成功实现了绳索展开，并设计用于在近地轨道测量±500 V下的库仑拖曳。
• 计划于2015年发射的3-U立方星Aalto-1将开展100 m绳索实验，进一步验证极轨LEO中等离子体刹车的性能。
• 已成功制造出1 km长的绳索，具备可扩展、自动化生产特性。
• 远程控制单元原型已完成环境测试，确认在0.9–4 au范围内可正常工作，支持未来深空部署。