[论文解读] The High Inclination Solar Mission

K. Kobayashi, Les Johnson+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 25被引用 9

一句话总结

高倾角太阳任务（HISM）提出了一项利用太阳帆推进的航天器任务，旨在实现超过75°的太阳地理倾角，采用太阳十字星任务的技术。该任务展示了在6.7年内以0.26 mm/s²的特征加速度实现60°倾角的可行性，从而实现前所未有的太阳极区和太阳系风的远程与原位观测。

ABSTRACT

The High Inclination Solar Mission (HISM) is a concept for an out-of-the-ecliptic mission for observing the Sun and the heliosphere. The mission profile is largely based on the Solar Polar Imager concept: initially spiraling in to a 0.48 AU ecliptic orbit, then increasing the orbital inclination at a rate of $\sim 10$ degrees per year, ultimately reaching a heliographic inclination of $>$75 degrees. The orbital profile is achieved using solar sails derived from the technology currently being developed for the Solar Cruiser mission, currently under development. HISM remote sensing instruments comprise an imaging spectropolarimeter (Doppler imager / magnetograph) and a visible light coronagraph. The in-situ instruments include a Faraday cup, an ion composition spectrometer, and magnetometers. Plasma wave measurements are made with electrical antennas and high speed magnetometers. The $7,000\,\mathrm{m}^2$ sail used in the mission assessment is a direct extension of the 4-quadrant $1,666\,\mathrm{m}^2$ Solar Cruiser design and employs the same type of high strength composite boom, deployment mechanism, and membrane technology. The sail system modelled is spun (~1 rpm) to assure required boom characteristics with margin. The spacecraft bus features a fine-pointing 3-axis stabilized instrument platform that allows full science observations as soon as the spacecraft reaches a solar distance of 0.48 AU.

研究动机与目标

• 开发一种可行的任务概念，实现太阳系黄道面以外的持续高倾角太阳观测。
• 利用太阳十字星任务的太阳帆技术，实现低推力、无推进剂的轨道插入与倾角改变。
• 从以往任务无法达到的有利位置，实现对太阳极区和太阳系风的远程探测与原位测量。
• 通过实际帆特性与轨道优化，评估任务性能与技术成熟度。
• 证明利用当前或近期太阳帆技术，可在合理时间内实现75°倾角。

提出的方法

• 任务采用源自1,666 m²太阳十字星设计的7,000 m²太阳帆，使用高强度复合杆与薄膜技术。
• 航天器从地球（C3 = 0）开始进行2.6年的向内螺旋轨道，采用可变锥角以在螺旋阶段实现最优推力。
• 在0.48 AU处，航天器进入“调相”阶段，保持恒定太阳距离并逐渐增加倾角，采用固定的35.3°锥角与270°钟面角，以最大化侧向推力。
• 螺旋阶段与调相阶段的轨道分别使用基于帆特征加速度（Ac）的最短时间轨迹模型进行优化。
• 航天器配备三轴稳定、高精度指向的仪器平台，实现2角分的指向精度与7角秒/秒的稳定性，适用于远程探测仪器。
• 质量估算与特征加速度基于组件级分析，基线设计的干质量为240 kg，特征加速度为0.26 mm/s²（含余量）。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用当前或近期技术，太阳帆任务能否实现超过75°的太阳地理倾角？
• RQ2 使用太阳帆推进，将航天器飞行至0.48 AU并实现高倾角所需的最短时间是多少？
• RQ3 太阳帆特征加速度如何影响高倾角太阳任务的持续时间与轨道性能？
• RQ4 7,000 m²的太阳帆能否提供足够的推力与稳定性，以支持在高太阳纬度区域的长期科学运行？
• RQ5 在高倾角区域实现高精度远程探测与原位测量，科学有效载荷的质量与功率需求是什么？

主要发现

• 基于240 kg干质量与7,000 m²帆面积，HISM任务可利用0.26 mm/s²的特征加速度在8.0年内实现75°的太阳地理倾角。
• 基线设计中，向内螺旋至0.48 AU耗时2.2年，特征加速度为0.26 mm/s²，与轨道优化结果一致。
• 当特征加速度为0.26 mm/s²时，60°倾角可在6.7年内实现；在考虑余量后（Ac = 0.22 mm/s²）为7.9年，证明任务在10年时限内具有可行性。
• 通过三轴稳定仪器平台，任务实现了2角分的指向精度与7角秒/秒的稳定性，支持高保真度远程探测。
• 由于无机上推进剂，任务寿命仅受部件寿命与资金支持限制，不受推进剂耗尽影响。
• 7,000 m²的帆是太阳十字星设计的直接扩展，采用相同的杆件、展开与薄膜技术，验证了其可扩展性。