[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种TI缆绳支架设计及基于电压的控制算法，仅通过主航天器的电压调制即可实现电太阳风帆（E-sails）的完整转速与推力矢量控制。该方法通过电气连接实现主缆绳与辅助缆绳电压控制的解耦，能够在轨道科里奥利效应引起的长期变化下实现实时转速稳定，仿真结果表明在仅使用两个传感器（成像仪与低噪声加速度计）的条件下，系统在真实太阳风条件下仍具备鲁棒性能。

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.

研究动机与目标

• 解决由轨道科里奥利效应引起的电太阳风帆中长期转速变化问题。
• 在飞行过程中无需远程单元功能的情况下，实现对E-sail角动量矢量的完全控制。
• 设计一种仅通过主航天器电压调制实现的控制系统，避免复杂的远程单元作动。
• 利用真实的太阳风数据与传感器噪声模型验证控制算法。
• 证明系统能够在太阳风变化条件下维持期望的推力大小、方向与转速。

提出的方法

• TI缆绳支架通过远程单元将每隔一根主缆绳（T-缆绳）与相邻的辅助缆绳进行电气连接，而I-缆绳保持绝缘，从而实现对主缆绳与辅助缆绳电压的独立控制。
• 控制算法实时调节缆绳电压以调节转速与推力矢量方向，反馈来自成像仪与矢量加速度计。
• 算法采用时间序列镜像与插值技术填补太阳风数据间隙，以保持仿真的连续性。
• 系统采用混合控制策略，通过节流因子调节推力、转速校正与振荡阻尼，采用贪婪反馈增益以稳定动力学行为。
• 控制律设计旨在最小化缆绳峰值张力，从而有效抑制振荡，并在变异性太阳风条件下确保结构完整性。
• 仿真中引入了成像仪与加速度计的现实噪声模型，其噪声水平在现有设备（如Colibrys SF-1500）的可行范围内。

实验结果

研究问题

• RQ1 纯电压控制系统的稳定性是否足以应对科里奥利效应引起的转速长期变化？
• RQ2 TI缆绳支架设计是否能在无需远程单元作动的情况下实现主缆绳与辅助缆绳电压的独立控制？
• RQ3 仅使用两个传感器（成像仪与加速度计）是否能够实现对转速状态（包括推力矢量方向与转速）的完全控制？
• RQ4 在存在数据间隙的真实、可变太阳风条件下，控制算法的性能表现如何？
• RQ5 控制系统的性能是否能够在维持期望推力大小与转速的同时，有效最小化缆绳峰值张力？

主要发现

• 控制算法在因帆面倾斜导致角动量守恒而引起初始转速增加10%的情况下，仍能成功维持设定的转速。
• 系统实现了完全的转速控制，其控制能力远超抵消科里奥利效应引起的长期转速变化所需的能力。
• 成像仪的分辨率要求适中，加速度计的噪声要求（<1.5 µg/√Hz）在现有技术（如Colibrys SF-1500）下完全可行。
• 仿真结果表明，即使在真实太阳风变化（包括通过频谱保持镜像与插值填补的数据间隙）条件下，该算法仍能稳定帆面姿态与推力矢量。
• 缆绳峰值张力保持在平均张力的百分之几十以内，表明振荡得到有效抑制，控制律具有强鲁棒性。
• TI缆绳支架实现了无需远程单元在轨功能的完整角动量矢量控制，显著简化了任务设计。