E-sail attitude control with tether voltage modulation in non-symmetric operation

Abstract

La Vela Solar Eléctrica (E-sail) es una novedosa tecnología propulsiva sin propelente aplicable a vehículos espaciales, que genera el empuje necesario a partir de la interacción eléctrica entre cables (tethers) muy largos cargados eléctricamente y los iones del viento solar. Así pues, el presente trabajo aborda el problema de control de actitud de las E-sails, con el objectivo principal de ampliar el rango de validez de trabajos recientes ([1], [2]), que logran realizar maniobras de cabeceo manteniendo el eje de giro en una alineación próxima con el Sol, y considerando una deformación simétrica de los tethers. Para tal fin, en este proyecto se propone un modelo de deformación no simétrico, que permite a los tethers deformarse de forma independiente según la orientación relativa al Sol y el voltaje aplicado, tal y como sucedería en realidad. Esta propuesta es entonces analizada bajo control LQR para comprobar su rango de validez y estudiar la respuesta al control de la vela solar eléctrica, y, después, bajo control LQG para incluir la influencia de las perturbaciones y el ruido procedente de los sensores en el análisis.

The Electric Solar Sail (E-sail) is an innovative propellantless propulsion technology for spacecraft, which generates thrust from interaction of long electrically-charged tethers with solar wind ions. This thesis addresses the attitude control problem for E-sails, with the main objective of widening the validity range of recent work ([1], [2]), that are able to perform pitch change maneuvers near a Sun-facing configuration, assuming a symmetrical deformation of all tethers. For this purpose, a non-symmetrical deformed shape model is proposed to allow the tethers deform independently according to relative orientation from Sun and applied voltage, as it would happen in reality. This proposal is then analyzed under LQR control to check the validity range and study the behaviour of the E-sail’s control response, and, later, under LQG control to include the effects of disturbances and sensors’ noise.