[论文解读] Rendezvous Mission for Interstellar Objects Using a Solar Sail-based Statite Concept

Richard Linares, Damon Landau+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2020

Spacecraft Dynamics and Control参考文献 9被引用 4

一句话总结

本文提出利用太阳帆驱动的静止卫星——即通过太阳辐射压力维持位置的航天器——实现快速、无需推进剂的近距离飞越或交会系外小行星（ISOs），如‘Oumuamua’和Borisov。通过利用静止卫星相对于太阳保持固定位置并借助帆面控制调整轨道的能力，该方法可实现高Δv机动，仅需数月的预警时间即可拦截高速运动的系外小行星。

ABSTRACT

Using the "statite," or static-satelite, concept -- an artificial satellite capable of hovering in place using a solar sail -- this work proposes to create a dynamic orbital slingshot in anticipation of Interstellar Objects (ISOs) passing through our solar system. The existence of these ISOs offers a unique scientific opportunity to answer fundamental scientific questions about the origin of solar system volatiles, the compositions of exo-solar systems, and the transfer rates of material between solar systems. However, due to their high heliocentric velocities and relatively short lead time, it may be extremely difficult to visit ISOs with current satellite propulsion systems. This work investigates the statite concept as applied to ISO missions and demonstrates potential configurations for optimal ISO flyby and rendezvous missions.

研究动机与目标

• 解决拦截具有高日心速度和短发现至相遇时间窗口的系外小行星（ISOs）的挑战。
• 克服传统化学推进系统在实现快速、响应迅速的星际交会任务方面的局限性。
• 证明利用太阳帆驱动的静止卫星实现无需大质量推进剂的飞越与交会任务的可行性。
• 研究最优的静止卫星星座构型，以实现对潜在系外小行星接近方向的全球覆盖。
• 评估太阳能电推进与太阳帆控制相结合对提升交会能力与任务灵活性的性能表现。

提出的方法

• 采用静止卫星概念——即太阳帆产生的推力抵消太阳引力，实现在任意日心距离的Station-keeping（位置保持）。
• 应用受力平衡方程：引力等于太阳辐射压力，静止卫星所需的临界面积质量比为0.625 m²/g。
• 通过太阳帆控制设计轨迹，释放后生成自由落体或受控的日心轨道。
• 模拟针对两颗已知系外小行星的交会与飞越任务：'Oumuamua（2017年）和Borisov（2019年），评估飞行时间与Δv需求。
• 以1 AU处的静止卫星作为基准，计算通过太阳帆部署与姿态调整可实现的速度变化，以支持快速轨道转移。
• 使用基于能量的估计方法评估任务性能，如静止卫星逃逸速度，显示其最高速度可达25 AU/年。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳帆驱动的静止卫星是否能在仅4至16个月预警时间内实现足够Δv以拦截系外小行星？
• RQ2 系外小行星的双曲线轨道几何结构如何影响从静止卫星出发的交会任务可行性与飞行时间？
• RQ3 如何设计最优的静止卫星星座构型，以确保对潜在系外小行星接近方向的全球覆盖？
• RQ4 增加太阳能电推进如何提升基于静止卫星的系外小行星交会任务的性能与灵活性？
• RQ5 静止卫星无推进剂机动能力在多大程度上可实现对高速系外小行星的快速、低推力拦截？

主要发现

• 静止卫星概念可通过平衡太阳辐射压力与太阳引力，实现在任意日心距离的悬停，其面积质量比需达到0.625 m²/g。
• 对于'Oumuamua，从1 AU处的静止卫星出发的交会任务飞行时间约为1.5年；而Borisov因轨道几何结构原因所需时间更长。
• 静止卫星可实现高Δv（例如在1 AU处每年可达187 km/s）且无需推进剂，因此特别适合高速系外小行星的拦截任务。
• 轨道分析表明，由于静止状态时角动量为零，静止卫星可实现与非黄道面系外小行星的交会。
• 该方法表明，单个静止卫星比拦截Borisov更容易实现与'Oumuamua的交会，原因在于其轨道渐近线方向与静止卫星位置对齐更优。
• 基于能量的估算表明，若静止卫星自由下落向太阳，随后利用帆面维持速度，其逃逸速度最高可达25 AU/年，远超旅行者1号的3.6 AU/年。