Optimal Planning and Guidance Strategies in Coplanar Circular Interplanetary Missions using Electric Solar Wind Sails

Abstract

Las Velas Solares Eléctricas son un nuevo tipo de propulsión espacial que no requiere de combustible ya que obtiene la energía de los protones del viento solar, y que es potencialmente útil para misiones interplanetarias. Con un modelo propulsivo apropiado, que puede ser obtenido de la literatura, es posible estudiar órbitas óptimas para vuelos interplanetarios. El primer objetivo de este proyecto es estudiar las propiedades de las órbitas de tiempo mínimo en misiones hacia Marte y Júpiter utilizando un método indirecto aplicando las ecuaciones de Euler-Lagrange y el Principio del Mínimo de Pontryagin, y luego hallar dichas órbitas usando métodos de transcripción directa para convertir el problema en un problema de Programación No Lineal. Tras esto, se añaden las perturbaciones del viento solar, y múltiples estrategias de guiado basadas en el Regulador Cuadrático Lineal y el Control Predictivo por Modelo se desarrollan, simulan y comparan, obteniendo resultados satisfactorios.

Electric Solar Wind Sails are a new type of spacecraft propellantless propulsion system that gathers its energy from solar wind protons and is potentially useful for interplanetary missions. With an appropriate thrust model, which can be obtained from the literature, one can study optimal orbits for interplanetary flights. The first goal of this project is to study the properties of time-optimal orbits for missions to Mars and Jupiter using an indirect approach by applying Euler-Lagrange equations and Pontryagin’s Minimum Principle, and then compute them with direct transcription methods, converting the problem into Non Linear Programming form. Then, solar wind perturbations are added, and several guidance strategies based on Linear Quadratic Regulator Control and Model Predictive Control are developed, simulated and compared, yielding satisfactory results.