Solar sail science mission applications and advancement

Solar sailing has long been envisaged as an enabling or disruptive technology. The promise of open-ended missions allows consideration of radically new trajectories and the delivery of spacecraft to previously unreachable or unsustainable observation outposts. A mission catalogue is presented of an extensive range of potential solar sail applications, allowing identification of the key features of missions which are enabled, or significantly enhance, through solar sail propulsion. Through these considerations a solar sail application-pull technology development roadmap is established, using each mission as a technology stepping-stone to the next.     

太阳帆航天器的关键技术

将太阳帆航天器所涉及的关键技术划分为4个方面：总体设计、轨道和姿态动力学与控制、太阳帆材料及其性能、太阳帆折叠与展开。针对每项关键技术,基于对国外长期研究结果进行分析并阐述主要技术特征,梳理国内相关研究进展,包括笔者与合作者的研究成果,分析存在的主要问题。根据上述分析,指出我国发展太阳帆航天器应该重视的若干问题。     

大型太阳帆薄膜折叠及展开过程数值分析

针对深空太阳帆帆面薄膜折叠方式及太阳帆空间展开过程的优化问题,在叶内折叠、叶外折叠方式的基础上,提出了一种斜叶外折叠方式,并通过建立不同的参数模型,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对5种折叠模型展开过程进行了力学分析.分析结果表明,新提出的斜叶外折叠方式是较适合空间应用的太阳帆帆面折叠方式.太阳帆在空间展开过程中帆面应力与展开速度、折叠宽度等因素相关,帆面与支撑杆连接的顶点区域是整块帆面应力最大的区域,应重点进行加固.研究结果将为大型太阳帆薄膜材料选择及结构设计提供重要依据.     

日心悬浮轨道混合推进航天器编队构型保持研究

针对混合推进航天器编队日心悬浮轨道保持控制问题进行了研究.首先推导出在日心悬浮轨道附近的航天器编队相对运动方程,考虑到航天器间距离变化值较小且航天器间距离与航天器到太阳的距离的比值为小量,将其在悬浮轨道附近线性化.基于该线性化方程,设计了一种LQR编队控制方式,该控制方式可通过调节太阳帆的姿态及航天器间库仑力的大小对编队构型进行改变或保持,具有响应速度快和控制简单的特点.最后对控制律进行数值仿真,表明该控制方法能实现编队.     

统计能量分析在太阳翼噪声分析上的应用

简要概述了太阳翼噪声试验和分析的必要性以及国内外进行声振力学环境预示的技术途径和现状 ;利用统计能量分析 (SEA)对太阳翼的声振力学环境进行了预示 ;经过与试验结果的对比 ,验证了上述方法的可行性。     

太阳帆推进技术研究现状及其关键技术分析

详细阐述太阳帆推进技术作为深空探测的技术方面的应用优势、技术特征、工作原理,总结了国外对太阳帆推进技术研究的历史发展和研究现状,并对太阳帆推进的关键技术进行分析,在此基础上,提出了我国发展太阳帆相关推进技术的必要性、发展策略和途径。     

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     

太阳帆飞行器轨道动力学分析

通过分析对轨道要素影响最大的加速度分量,使太阳帆总是位于光压力沿这个加速度方向的分量最大的方位。通过分析轨道要素调整时的相互影响关系,提出了同时修正多种轨道偏差的控制方案。对处于地球静止轨道上太阳帆飞行器的轨道调整进行了数值仿真。结果证明利用太阳光压力进行轨道调整是可行的,而且有利的太阳方位是进行快速有效的轨道调整的必要条件。     

Dynamical analysis of a spinning solar sail

This paper discusses the orbit and attitude dynamics of a solar sail, and gives the sufficient conditions of a stable orbit and attitude coupled system. The stability of the coupled system is determined by the orbit stability and attitude stability. Based on the sufficient conditions, a spin-stabilized solar sail of cone configuration is proposed to evolve in the heliocentric displaced orbit. For this kind of configuration, the attitude is always stable by spinning itself. The orbit stability depends on the orbit parameters of the heliocentric displaced orbit, the ratio of the orbit radius to displaced distance and orbit angular velocity. If the center of mass and center of pressure overlap, it can be proved that the coupled system is stable when the orbit parameters are chosen in the stable region. When the center of mass and center of pressure offset exists, the stability of the coupled system can not be judged. A numerical example is given and the result shows that both the orbit and attitude are stable for the case.     

电动帆航天器谷神星探测任务轨迹优化

针对电动帆航天器谷神星探测任务轨迹优化问题,提出一种基于高斯伪谱法和遗传算法的混合优化算法。为了验证所提出的混合优化算法有效性,并考察任务起始时间和电动帆特征加速度对探测任务的影响,进行了一定数量的数值仿真。仿真结果表明：电动帆航天器自地球至谷神星的飞行时间随着起始时间的变化呈周期性波动,波动周期基本与地球和谷神星的会合周期一致;电动帆航天器的特征加速度越小,完成过渡所需要的飞行时间越长,且一个具有中等特征加速度的电动帆航天器便能在可接受的时间内完成自地球至谷神星的过渡;所提出的混合优化算法是有效的,能够在无任何初值猜测的情况下完成电动帆航天器飞行轨迹的优化。