Optimization of body configuration and joint-driven attitude stabilization for transformable spacecrafts under solar radiation pressure

要約

ソーラーセイルは、太陽輻射圧（SRP）を利用して理論上無限の比推力を発生させることができるため、最も有望な宇宙探査システムの1つです。
最近、一部の研究者は、作動可能な関節を使って機体の形状を能動的に再構成できる「変形可能な宇宙船」を提案しました。
可変宇宙船は、ソーラーセイルのように使用すれば、制御自由度の冗長性が高いため、軌道制御能力や姿勢制御能力が大幅に向上すると期待されている。
しかし、その入力の多さは制御に困難をもたらすため、以前の研究者はその潜在的な制御能力を制限するために強い制約を課しました。
この論文では、SRP に基づく可変宇宙船の新しい姿勢制御技術について説明します。
著者らは、提案された 2 つの方法を構築しました。
それらの 1 つは、任意の SRP 力とトルクを取得するための関節角度の最適化であり、もう 1 つは関節角度の作動によって駆動される運動量減衰制御です。
私たちが提案する方法は一般的な形式で定式化されており、各本体で主に SRP を受け取ることができる前面を備えた任意の変形可能な宇宙船に適用できます。
提案手法の妥当性を数値シミュレーションにより確認した。
この論文は、消耗品の推進剤を消費せずに可変宇宙船の高度な制御冗長性を最大限に活用することに貢献し、軌道および姿勢制御能力を大幅に向上させることが期待されます。

要約(オリジナル)

A solar sail is one of the most promising space exploration system because of its theoretically infinite specific impulse using solar radiation pressure (SRP). Recently, some researchers proposed ‘transformable spacecrafts’ that can actively reconfigure their body configurations with actuatable joints. The transformable spacecrafts are expected to greatly enhance orbit and attitude control capability due to its high redundancy in control degree of freedom if they are used like solar sails. However, its large number of input poses difficulties in control, and therefore, previous researchers imposed strong constraints to limit its potential control capabilities. This paper addresses novel attitude control techniques for the transformable spacecrafts under SRP. The authors have constructed two proposed methods; one of those is a joint angle optimization to acquire arbitrary SRP force and torque, and the other is a momentum damping control driven by joint angle actuation. Our proposed methods are formulated in general forms and applicable to any transformable spacecraft that has front faces that can dominantly receive SRP on each body. Validity of the proposed methods are confirmed by numerical simulations. This paper contributes to making most of the high control redundancy of transformable spacecrafts without consuming any expendable propellants, which is expected to greatly enhance orbit and attitude control capability.

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