[论文解读] An intrinsic way to control E-sail spin

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

Experimental and Theoretical Physics Studies参考文献 2被引用 4

一句话总结

该论文提出一种内在方法，通过给导电材料制成的辅助缆绳（auxtethers）施加电压，实现对太阳风电帆（E-sail）自转速率的控制，从而通过电压调节实现扭矩调制。该方案利用E-sail自身的推力来抵消轨道科里奥利效应引起的长期自转速率变化，实现无需外部推进系统的完全控制，对于1 AU处1 N推力的E-sail，仅需3.6°的相位间隔即可实现控制。

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.

研究动机与目标

• 解决E-sail在太阳轨道飞行期间因轨道科里奥利效应导致的长期自转速率漂移问题。
• 消除对外部自转控制系统的依赖，如冷气推进器或FEEP推进器。
• 开发一种利用E-sail自身电场力实现自转速率调制的方法。
• 实现内在控制，无需增加外部推进系统带来的质量或复杂性。
• 探索使用辅助缆绳作为主动控制元件进行自转管理的可行性。

提出的方法

• 通过给导电材料制成的辅助缆绳段施加电压，产生可控的推力分量。
• 通过独立控制辅助缆绳相对于主缆绳的电压，调节自转平面分量和法向推力分量。
• 在缆绳旋转周期的特定阶段，对辅助缆绳段施加相位调制的电压。
• 保持法向推力分量 $F_n$ 恒定，同时调节自转平面分量 $F_s$，以产生净扭矩。
• 利用力平衡和扭矩平衡方程推导出所需的相位间隔 $\delta\varphi$。
• 使用公式 $\delta\varphi = N\sqrt{k}(r_0/r)\Omega_0\sqrt{m/f_0}$ 确定最小控制相位窗口。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用导电材料制成的辅助缆绳生成可控扭矩，用于E-sail自转速率调节？
• RQ2 仅利用E-sail自身推力是否足以实现对科里奥利效应引起的自转漂移的补偿？
• RQ3 为生成必要的补偿扭矩，辅助缆绳带电的相位间隔应为多大？
• RQ4 对辅助缆绳进行电压调制如何影响推力分量 $F_s$ 和 $F_n$，而不会改变帆面朝向？
• RQ5 该方法是否能消除长期E-sail任务中外加推进系统的需要？

主要发现

• 所提方法仅利用E-sail固有的电场力即可实现完全自转速率控制，无需外部推进器。
• 对于1 AU处1 N推力的E-sail，辅助缆绳带电的所需相位间隔仅为 $3.6^\circ$，表明效率高且具备充足的运行余量。
• 该控制方案保持法向推力 $F_n$ 恒定，同时调节自转平面推力 $F_s$，从而实现净扭矩生成。
• 该方法具备足够的控制能力，可抵消科里奥利力矩 $\tau_c = mR^2\Omega\omega\tan\alpha$。
• 对于基准参数：1 N E-sail在1 AU处，$N=100$，$k=5$，$m=1$ kg，$f_0=500$ nN/m，$\Omega_0=2.0\times10^{-7}$ s$^{-1}$，所需 $\delta\varphi$ 为 $3.6^\circ$。
• 该方法具有可扩展性和鲁棒性，可在电压降低或部分导电条件下保留性能余量。