Solar sail is a space vehicle propulsion system which obtains thrust from solar radiation pressure. Thus so-lar sailing spacecraft does not need to load extra propellants and it makes weight limitation alleviated. There-fore, with solar sail propulsion system, challenging missions will be possible which are constrained by weight limitation, such as high energy mission and long duration mission. For this reasons, there are some researches that use solar sail and verify performance of solar sail as a propulsion system. IKAROS mission by JAXA and Nanosail-D2 mission by NASA in 2010 are well-known solar sailing spacecraft mission.
Designing time optimal transfer trajectory is one of the critical issues of solar sailing spacecraft research. There are two main reasons for this. Solar sailing spacecraft optimal trajectory design needs to care about only transfer time because fuel consumption does not need to be considered. In addition, since thrust level of solar sailing system is small, solar sailing spacecraft orbit transfer mission has long transfer time.
In this paper, indirect shooting method is used to design time optimal transfer trajectory because optimality of the solution derived by indirect methods are guaranteed. However, indirect algorithm convergence is very sensitive to initial estimation of unknowns. To compensate the drawback of the indirect method, genetic algo-rithm was applied to estimate unknowns. Since genetic algorithm is global search algorithm, computational load is heavy and algorithm convergence rate is slow though solution is not easily stuck into local optima. Therefore, to improve the drawback of GA, genetic and local search hybrid algorithm is applied to estimate unknowns of solar sailing spacecraft TPBVP which is defined for solving time optimal trajectory design problem of solar sailing spacecraft by indirect shooting method. And solution candidates by hybrid algorithm are expected to be converged rapidly at a late stage. Simple problem is introduced to verify improved conver-gence rate of hybrid algorithm. After verifying the algorithm, hybrid algorithm is applied to estimate unknowns of solar sailing spacecraft TPBVP. And finally, solar sailing spacecraft time optimal trajectory solved by indirect shooting method whose unknowns are estimated by hybrid algorithm is presented.
태양 돛 시스템은 추가적인 추진제 탑재 없이 태양 복사압을 이용하여 추력을 내는 우주 비행체 추진 시스템으로, 이를 이용하면 고 에너지 사용 장기 미션과 같이 무게적 한계로 인하여 제한되었던 다양한 우주 미션들을 시도할 수 있다. 따라서 우주 추진 시스템으로써 태양 돛 시스템의 성능을 검증하고자 하는 다양한 연구들이 이루어 지고 있다. 대표적으로 2010년에 JAXA에서 수행하였던 IKAROS 미션과 NASA에서 수행하였던 Nanosail-D2 미션 등이 있다.
실제 구현되는 프로젝트 외에 태양 돛 시스템에 관한 논문 연구가 다양하게 이루어 지고 있는데, 특히 일반적인 우주 비행체 추진 시스템과는 달리 연료 소모를 고려할 필요가 없고, 추력 레벨이 낮아 미션 시간이 긴 태양 돛 시스템의 특징으로 인하여 최소 시간 천이 궤도 설계에 관한 연구가 활발하다.
본 논문에서는 Indirect shooting method를 이용하여 태양 돛 인공위성의 지구-금성 간 최소 시간 천이 궤도를 설계하고자 한다. Indirect shooting method를 이용하여 최적화 문제를 풀면 해의 최적성이 보장된다는 장점이 있지만, 알고리즘 수렴이 초기 미지수 추정에 대하여 매우 민감하다는 단점이 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위하여 유전자 기법이 적용된 바 있다. 유전자 기법은 광역 탐색 기법으로 Local optima에 쉽게 빠지지 않고 Indirect shooting meth-od를 위해 적절한 초기 추정을 구할 수 있으나, 목적 함수 계산량이 매우 많아 수렴속도가 매우 느리다는 단점이 있다. 이를 개선하기 위하여 본 논문에서는 유전자 기법과 지역 탐색 기법 융합 알고리즘을 이용하여 Indirect shooting method를 위한 초기 추정을 구하고자 하였다. 이러한 융합 알고리즘은 알고리즘 후반부에서 유전자 기법만을 사용하는 것보다 더 빠르게 수렴할 것으로 예상된다. 본 논문에서는 간단한 문제에 융합 알고리즘을 적용하여 이와 같은 특징을 검증하였고, 태양 돛 인공위성의 최소 시간 궤적 설계를 Indirect shooting method로 풀기 위해 정의한 TPBVP의 적절한 초기 추정을 구하는 데에 적용하였으며, 마지막으로 융합 알고리즘으로 구한 초기 추정을 이용하여 설계한 태양 돛 인공위성의 지구-금성 간 최소 시간 천이 궤도를 제시하였다.
