[论文解读] Exploring the Outer Solar System with Solar Sailing Smallsats on Fast-Transit Trajectories and In-Flight Autonomous Assembly of Advanced Science Payloads

Slava G. Turyshev, Henry Helvajian+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2020

Astro and Planetary Science参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文提出一种新型任务架构，利用太阳帆推进的小型卫星（<20 kg）实现快速转移轨道（最高约~10 AU/年），前往太阳系外围，支持在轨自主组装先进科学有效载荷。该方法通过模块化、冗余系统，实现低成本、频繁、可重构的行星科学任务，提升仪器部署密度与任务鲁棒性。

ABSTRACT

We discuss the in-flight autonomous assembly as the means to build advanced planetary science payloads to explore the outer regions of the solar system. These payloads are robotically constructed from modular parts delivered by a group of smallsats (&lt; 20 kg) which are placed on fast solar system transfer trajectories while being accelerated by solar sail propulsion to velocities of ~10 AU/yr. This concept provides the planetary science community with inexpensive, frequent access to distant regions of the solar system with flexible, reconfigurable instruments and systems that are assembled in flight. It permits faster revisit times, rapid replenishment and technology insertions, longer mission capability with lower costs. It also increases the science capabilities of smallsats via the use of modular, redundant architectures and allows for proliferation of sensing instrumentation throughout the solar system.

研究动机与目标

• 实现频繁、低成本地访问太阳系外围，用于行星科学任务。
• 通过在轨组装克服传统小型卫星的局限，实现先进、可重构的科学有效载荷。
• 利用太阳帆实现高速度轨道（~10 AU/年），缩短外行星的转移时间。
• 通过模块化、冗余架构提升任务寿命与技术更新周期。
• 通过分布式、大规模部署的仪器，提升太阳系范围内的探测能力。

提出的方法

• 利用搭载太阳帆的小型卫星（<20 kg）实现快速转移轨道前往太阳系外围。
• 从多颗小型卫星部署模块化有效载荷组件，通过机器人系统在轨自主组装。
• 采用自主交会与对接技术，实现空间中科学仪器的在轨组装。
• 设计模块化、冗余的仪器架构，以提升系统鲁棒性与任务寿命。
• 利用太阳帆推进技术，使航天器加速至约10 AU/年的速度，实现快速转移。
• 将先进仪器集成到组装结构中，以支持高保真度的行星科学测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳帆推进的小型卫星能否实现约10 AU/年的转移速度，前往太阳系外围？
• RQ2 利用模块化小型卫星，在轨自主组装科学有效载荷是否可行？
• RQ3 模块化、冗余架构能否提升任务鲁棒性并延长运行寿命？
• RQ4 在轨组装如何实现快速技术更新与任务重构？
• RQ5 该架构在太阳系范围内大规模部署探测能力的潜力如何？

主要发现

• 该概念可利用太阳帆推进实现高达约10 AU/年的速度，实现太阳系外围的快速转移任务。
• 在轨自主组装可实现由小型卫星运送的模块化组件构建先进、可重构的科学有效载荷。
• 模块化、冗余架构显著提升任务鲁棒性，并将运行能力扩展至超越传统小型卫星的限制。
• 该方法支持快速技术更新与任务迭代周期，实现频繁、低成本的行星科学任务。
• 通过多个组装平台实现的分布式、大规模探测，显著提升整体科学回报与太阳系范围的覆盖能力。
• 该任务架构作为未来太阳系外围探索的低成本、可扩展解决方案是可行的，符合2023–2032年十年调查的建议。