IKAROS太阳帆的关键技术分析与启示

分析了国外太阳帆的发展现状,重点论述了世界上首次成功飞行的太阳帆——太阳辐射驱动星际风筝航天器（IKAROS）的总体设计、材料设计、空间展开和姿态控制等关键技术,以及中国开展太阳帆和空间大型展开结构的总体设计、空间展开、姿态控制、空间环境适应性等关键技术,提出了系统开展以太阳帆为代表的大型轻质展开结构研制与应用的建议。     

太阳帆航天器姿态控制技术综述

太阳帆作为一种无工质消耗的新型航天器推进技术,逐渐受到国内外航天界的广泛关注。文章首先综述了太阳帆航天器控制技术的发展现状,重点分析了太阳帆航天器姿态控制技术的特点和难点;其次,按照执行机构的不同,分别介绍了近年来国内外航天领域提出的多种太阳帆航天器姿态控制方案,针对各个方案的优缺点加以分析;最后,对该领域未来的发展前景进行了展望。     

带移动滑块太阳帆航天器姿态控制技术研究及仿真

针对以移动滑块为控制执行机构的太阳帆航天器,基于拉格朗日分析力学建立了航天器-滑块两体系统非线性耦合动力学模型。分外环和内环回路,各自设计了基于增益调度的变增益LQR控制器和带非线性补偿的PD控制器。建立ADAMS实体仿真模型,在MATLAB/Simulink软件中建立姿态控制系统仿真平台,以行星际太阳帆航天器轨道转移过程中姿态控制任务为例进行ADAMS-MATLAB动力学联合仿真实验。结果表明:设计的控制律能有效抑制光压干扰力矩对航天器姿态的影响,可实现太阳帆航天器的大角度快速姿态机动及长期姿态稳定。     

带移动滑块的太阳帆航天器动力学建模与姿态控制

针对以移动滑块为控制执行机构的太阳帆航天器,基于拉格朗日分析力学建立了航天器—滑块两体系统非线性耦合动力学模型.为简化控制律设计,将控制回路分为内外环,并分别设计控制律.外环以航天器姿态为受控变量,滑块位移为控制输入;内环以滑块位移为受控变量,滑块驱动力为控制输入.最终将控制律代入系统原非线性模型,以行星际太阳帆航天器姿态控制任务为例进行数值仿真.仿真结果表明,以移动滑块为执行机构,采用所设计控制律,可以实现太阳帆航天器快速姿态调整及长期姿态保持.     

非理想太阳帆受阴影影响的地球逃逸轨道探讨

太阳帆航天器通过反射太阳光子实现推进,是一类特殊的小推力航天器,因此其逃逸轨道不同于常规化学推进的航天器。文章考虑太阳帆帆面褶皱和鼓起等因素,建立更为真实的太阳帆光压力模型;同时,由日地关系建立三种不同的二维地影模型,并进行了初步的对比仿真研究。研究结果表明:尽管非理想太阳帆和地球遮挡这两个因素短时间的影响很小,但随着时间的推移,会对整体逃逸轨道和逃逸时间产生累积影响。文章的研究结果对于利用太阳帆实现逃逸轨道设计和姿态控制具有一定的指导意义。     

太阳帆航天器的轨道动力学和轨道控制研究

研究了太阳帆轨道动力学和利用太阳帆推进实现非开普勒轨道的太阳帆控制问题 ,推导了Gauss形式的太阳帆探测器密切轨道六要素微分方程,分析了太阳帆的轨道控制设 计方法,描述了适合太阳帆姿态控制的执行机构。在此理论基础上以SPORT计划作为设计实 例,并进行了设计与仿真,实现了任务要求的目标轨道。     

太阳帆参数对稳定性的影响

太阳帆的轨道和姿态控制是太阳帆研究的重要领域。在同时考虑太阳帆轨道和姿态的情况下,研究了太阳帆在悬浮轨道的被动稳定飞行问题。通过设计帆的面积和支撑有效载荷杆的长度,使太阳帆在轨被动稳定飞行,主要研究了两个参数对太阳帆稳定性的影响。研究结果表明,太阳帆的面积对帆的稳定性影响较大,面积较小时太阳帆总能被动稳定。杆的长度对帆的稳定性影响不大,给定杆的长度,通过设计太阳帆的面积总能使太阳帆被动稳定。     

极地悬停航天器轨道动力学特性与轨道维持

针对高纬度地区地球同步轨道卫星存在覆盖盲区的问题,提出了一种长期悬停在极轴上空的极地悬停航天器轨道方案。基于日-地三体模型推导了连续推力控制下的极地悬停航天器轨道动力学模型,并针对悬停高度固定和自由两种模式分析了其推力需求特性和燃料消耗。结合工程实际,对采用电推进和太阳帆混合的极地悬停航天器进行了质量核算和寿命分析。结果表明:考虑电推进自身质量,自由悬停模式较固定悬停模式燃料消耗少,但有效载荷质量减小;太阳帆在当前的帆膜技术下不具有提高有效载荷质量的优势,但未来随着材料的发展太阳帆技术的优势会逐渐显现。文章提出的极地悬停航天器可实现对高纬度地区的连续和实时覆盖。     

基于控制杆的太阳帆姿态控制研究

针对由控制杆、反作用飞轮、有效载荷和太阳帆所组成的太阳帆航天器多体系统,从     

NASA首次将太阳帆航天器送入太空

据英国《每日邮报》网站1月28日报道,美国航天局（NASA）已将第一个太阳帆航天器＂纳米帆-D＂卫星成功送入近地轨道。这是NASA首次在这一轨道安装太阳帆。     

太阳帆航天器移位轨道设计

研究了太阳帆日心移位轨道的稳定性、控制律设计及轨道拼接。将柱坐标形式的太阳帆动力学方程在参考移位轨道附近线性化,得到线性变分方程。分析线性变分方程的特征值在复数平面上的位置就可以得到移位轨道的稳定性条件。设计了太阳帆日心移位轨道的控制律,并证明了控制律满足稳定性条件。该控制律仅要求太阳帆在移位轨道飞行时姿态角α保持不变。此外,太阳帆移位轨道可以与开普勒轨道相互转化,也可以与移位轨道之间相互拼接。     

人工拉格朗日点附近的被动稳定飞行

利用太阳帆能在三体问题中实现人工拉格朗日点,人工拉格朗日点克服了经典拉格朗日点位置固定的缺点,研究人工拉格朗日点的被动控制对深空探测有重要的意义。理论上人工拉格朗日点都不稳定,研究表明在被动控制下存在某些人工拉格朗日点的稳定特性与稳定平衡点非常接近,在工程上可以认为稳定。被动控制可以通过设计太阳帆来实现,本文给出了被动稳定太阳帆的设计,在该设计下考虑轨道和姿态的耦合动力学方程。基于该耦合方程研究了人工拉格朗日点的稳定性。仿真结果表明被动太阳帆使得人工拉格朗日点稳定。     

Optimal control laws for heliocentric transfers with a magnetic sail

A magnetic sail is an advanced propellantless propulsion system that uses the interaction between the solar wind and an artificial magnetic field generated by the spacecraft, to produce a propulsive thrust in interplanetary space. The aim of this paper is to collect the available experimental data, and the simulation results, to develop a simplified mathematical model that describes the propulsive acceleration of a magnetic sail, in an analytical form, for mission analysis purposes. Such a mathematical model is then used for estimating the performance of a magnetic sail-based spacecraft in a two-dimensional, minimum time, deep space mission scenario. In particular, optimal and locally optimal steering laws are derived using an indirect approach. The obtained results are then applied to a mission analysis involving both an optimal Earth–Venus (circle-to-circle) interplanetary transfer, and a locally optimal Solar System escape trajectory. For example, assuming a characteristic acceleration of 1 mm/s², an optimal Earth–Venus transfer may be completed within about 380 days.     

Station keeping of a solar sail around a Halo orbit

Solar sails are a concept of spacecraft propulsion that takes advantage of solar radiation pressure to propel a spacecraft. Although the thrust provided by a solar sail is small it is constant and unlimited. This offers the chance to deal with novel mission concept. In this work we want to discuss the controllability of a spacecraft around a Halo orbit by means of a solar sail. We will describe the natural dynamics for a solar sail around a Halo orbit. By natural dynamics we mean the behaviour of the trajectory of a solar sail when no control on the sail orientation is applied. We will then discuss how a sequence of changes on the sail orientation will affects the sail's trajectory, and we will use this information to derive efficient station keeping strategies. Finally we will check the robustness of these strategies including different sources of errors in our simulations.     

太阳帆绕地球周期轨道研究

  地球同步和太阳同步卫星在各个领域有着广泛的应用。静止轨道是一种特殊的地球同步轨道,轨道资源有限。利用化学推进或电推进可以实现轨道高度不同的同步轨道,如悬挂轨道,但需要消耗较多的燃料,工程上无法承受。本文考虑利用太阳帆实现地球同步和太阳同步轨道。太阳光压力在轨道平面内沿拱线方向,选择光压力与平面的夹角使得轨道平面的旋转速率与太阳光同步。研究表明,设计合适的半长轴和偏心率可以使得轨道旋转速率与地球自转速率一致。假设太阳光与赤道平面平行,可以得到准静止轨道,太阳帆将在传统静止轨道的附近运动,星下点的经度将在一个固定值附近振动。实际上太阳光是与黄道面平行,黄道面与赤道面之间存在夹角。考虑黄赤交角的情况下,太阳帆将在一定纬度和经度范围内运动。适合于对某个区域进行长期观测任务。     

太阳帆结构分析

太阳帆是人类向太空发射的一种宇宙探测器。本文推导建立了太阳帆结构分析的理论方程组；利用数值计算方法进行了全结构分析；采用罚函数法，确定了满足各种技术条件下的转速及辐条长度之间的可用范围；同时，在引入某些假设的前提下，得出了方程组的近似理论解。它们为太阳帆强度分析、结构形状保持能力提供了论理基础，也为太阳帆的设计提供了依据。本文最后提供了某实际发射的太阳帆结构的分析结果。本文的分析手段可作为大型柔性结构分析的参考     

利用太阳帆定点探测器在地一月系共线平动点附近的探讨

共线平动点附近的运动仅仅是条件稳定的,探测器的轨道需要经过控制才能维持在其附近.以地-月系11点和12点附近大振幅晕轨道的控制为例,探讨了太阳帆在定点这类探测器中的应用.首先,考虑了月球轨道的偏心率和太阳辐射的影响,给出了太阳帆对日定向的探测器轨道的低阶分析解,并在此基础上构造了在太阳系真实引力模型下一段时间内维持在共线平动点附近的拟周期轨道.然后,给出了两种利用太阳帆的控制方案,一是固定面质比而改变太阳帆法线的方向,另一是固定太阳帆对日定向而改变面质比,并对两种方案分别作了数值模拟.最后,文章探讨了测控误差及地、月影对轨道控制的影响.     

Sensitivity studies of the deployment of a square inflatable solar sail with vanes

This paper summarizes the results of numerical experiments to determine the sensitivity of the final attitude of an inflatable solar sail with vanes after deployment to various parameters affecting the deployment process. These parameters are: in- and out-of-plane asymmetries during deployment, length inflation profile, and vane deployment failures. We show how robust the sail deployment is to geometric asymmetries before a 35° off-Sun angle is reached. Differential delays in the time to inflate the booms and a boom sweep-back angle affect the stability favorably. Adjacent vane failures to deploy affect the stability unfavorably, while the failure of opposing vanes is acceptable. Realistic boom length rate profiles obtained during ground tests are used in the simulation showing that failing adjacent vanes in conjunction with initial inflation delays in adjacent booms represent the worst case. We also demonstrate that by feeding back attitude and attitude rate measurements so that a corrective action is taken during the deployment, the final attitude can be maintained very close to the initial attitude, thus mitigating the attitude changes incurred during deployment.