Solar sailing has gained a huge interest in the area of spacecraft propulsion. The tradional propulsion techniques such as chemical propulsion are not suitable for long-term interplanetary mission applications. This is evident from the mankind’s success so far as it has still not reached the farthest possible edges of solar system. The primary limitation for such interplanetary missions is the capability to carry enough chemical fuel that may ensure the mission operation for a longer mission life.
Solar sailing is being considered as a potential replacement to the existing propulsion techniques especially for the cases of interplanetary mission operations. This is due to the infinite delta-v provision of this technology that may enable a solar sailcraft to travel away from the Sun at an acceleration much faster compared to the chemical propulsion based spacecrafts.
A solar sailcraft is a spacecraft that consists of a large membrane upon which the radiation of the sun acts as a propulsion force. The incident photons on the large membrane area get reflected from the membrane surface and produce a solar thrust that accelerates the sailcraft. The resultant acceleration depends upon a number of factors such as the incident solar radiation pressure, the area of the membrane, and the direction of the solar radiation incident on the membrane of the sailcraft.
Almost a hundred years of theoretical and practical efforts by theorists, researchers and developers have led to a number of successes recently in the area of solar sailing. Most of these developments occurred in the last decade with the realization of actual solar sailcraft missions such as NanoSail-D, LightSail-1 and IKAROS. The success of IKAROS has proved to be a source of great momentum in the research related to solar sailcraft technology. This success has led to the consideration of in-depth research in the area of more solar sailcraft designs such as OctaSail, the subject of this thesis research.
Based on the in-depth study of existing research literature, it is concluded that the performance of any sailcraft depends upon a number of factors that include the design configuration of the sailcraft, the material being used in the membrane, the method to deploy the sailcraft membrane, and the method to ensure the flatness of the membrane. These factors together lead to a baseline characteristic that can be used to evaluate the performance of any sailcraft and this baseline characteristic is known as Characteristic Acceleration.
Based on the detailed qualitative and quantitative analysis, a spinning octagonal configuration consisting of eight tip masses is proposed and is termed as OctaSail. OctaSail is a spinning sailcraft that offers an extended area of the membrane while keeping the length of tip-mass attachment strings same as those in the case of IKAROS. Similarly, a membrane area equal to IKAROS is possible to be achieved with smaller lengths of tip mass attachment strings compared to those used in IKAROS. The detailed research has shown that the OctaSail design is capable of out-performing other sailcraft designs due to its better characteristic acceleration.
In this research, the design of this OctaSail has been discussed and presented in detail. Moreover, the most challenging aspect of a spinning sailcraft is its attitude control. The attitude behavior of the OctaSail without using reflection control devices, and the attitude control of OctaSail by using reflection control devices is also discussed. Finally, feedback based attitude control logic is implemented to consider the uncertainties in system modeling.
태양돛 항해는 우주비행체의 추진 분야에서 매우 많은 관심을 받은 분야이다. 기존의 화학 연료를 사용한 추진 방법은 긴 임무 시간을 가지는 행성간 임무를 수행하기에 적합하지 않다. 이는 인류가 현재까지 성공적으로 달성한 임무들을 보면 아직까지는 태양계의 가장 먼 곳까지 도달하지 못한 것을 보면 알 수 있다. 이러한 이유에 가장 큰 제한사항이 되었던 것은 더 긴 시간의 임무를 수행할 만큼의 화학 연료를 실을 수 없었기 때문이다.
태양돛 항해는 특히 행성간 임무를 위해 현존하는 추진 방법을 대체할 수 있는 잠재적인 방법으로 고려되고 있다. 그 이유로는 태양돛 추진은 무한한 delta V를 제공 할 수 있기 때문이며 이는 태양돛 우주선은 화학 연료 추진 방식을 사용한 다른 우주비행체보다 더 빠른 가속도로 태양보다 더 먼 거리를 이동 할 수 있도록 해주는 것을 알 수 있다.
태양돛 우주선은 태양에서 오는 복사로 추력을 만들어 줄 수 있는 큰 막(membrane)을 가지고 있는 비행체이다. 태양에서 오는 양자들은 큰 면적을 가지는 막에 부딪혀 반사되고 그에 대한 반발력으로 우주선에 태양력에 의한 추력을 만들어줌으로써 가속도를 발생시켜준다. 발생되는 총 가속도는 incident solar radiation pressure, 막의 면적 크기, 태양에서 오는 복사가 막과 만나는 각도에 영향을 받는다.
약 백년에 걸친 이론가, 연구원과 개발자들의 이론적 및 실질적인 노력에 의해 현재에는 태양돛 항해 분야에서 많은 성공을 이루어내었다. 이러한 성장의 많은 부분은 최근 10년사이에 실제 태양돛 항해을 이용한 NanoSail-D, LightSail-1와 IKAROS에서 드러났다. 특히 IKAROS의 성공은 태양돛 항해에 연관된 모든 기술들의 기념비적인 역할을 하게 되었다. 이 성공은 본 논문 연구의 주제인 팔각형 태양돛 우주선과 같은 더 많은 태양돛 우주선 디자인의 심도 있는 연구가 고려 될 수 있도록 해주었다.
현존하는 연구문헌들의 심도 있는 연구를 통하여 모든 태양돛 우주선는 태양돛 우주선의 디자인, 막을 구성하는 재질, 태양돛 우주선의 막을 배치하게 되는 방식 그리고 막을 최대한 평평하게 보장하는 방식들이 성능에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 이러한 요인들은 모든 태양돛 우주선의 성능을 측정하는 기초적인 지표를 구성하게 되고, 이 지표는 Characteristic Acceleration으로 알려져 있다.
상세한 정성적 및 정량적인 분석을 토대로, 본 연구에서는 팔각형 태양돛 우주선으로 명명한 8각형 모향의 8개의 Tip Mass를 가지는 구성을 제안하였다. 팔각형 태양돛 우주선은 회전하는 태양돛 우주선으로 IKAROS의 tip mass attachment strings의 길이와 같게 제작된다면, 더 큰 막 면적 제공 할 수 있게 된다. 이와 같이, IKAROS에서 가졌던 막의 면적과 동일하게 구성되면, tip mass attachment strings의 길이가 IKAROS에서 구성했던 길이보다 더 짧게 구성이 가능하다. 상세한 연구를 통하여 팔각형 태양돛 디자인은 다른 태양돛 우주선보다 더 나은 Characteristic acceleration을 가지게 됨으로 성능이 더 높은 것을 보여주었다.
본 연구에서는, 이 팔각형 태양돛 우주선 디자인에 대해서 고려하고 상세하게 논하였다. 또한 회전하는 태양돛 우주선의 가장 도전적인 과제인 자세 제어에 대해도 논하였다. 자세제어에 관하여서는, Reflection control devices를 사용하지 않았을 때의 자세의 변화와 Reflection control devices를 사용하였을 때의 자세의 변화를 논하였다. 마지막으로 시스템 모델링의 불확실성을 고려하기위해 피드백을 이용한 자세제어 로직이 이용되었다.
