García Vallejo, DanielVázquez Valenzuela, Rafael2025-03-102025-03-102024-11-25Pacheco Ramos, G. (2024). Nonlinear Multibody Modelling and Optimal Control Techniques for E-sail Dynamics. (Tesis Doctoral Inédita). Universidad de Sevilla, Sevilla.https://hdl.handle.net/11441/169842This dissertation investigates the dynamics and control of Electric Solar Wind Sails (E-sails), a promising propellantless propulsion system for deep-space exploration. The E-sail utilizes a network of long, electrically charged tethers to extract momentum from the solar wind, enabling continuous thrust without consuming any propellant. While this concept offers significant advantages for long-duration missions, it presents several challenges related to complex multibody dynamics, solar wind variability, and the development of efficient control strategies. This research addresses these challenges by developing and analyzing two dynamic models of the E-sail. First, a simplified analytical model, based on a Lagrangian approach and considering rigid tethers, provides a fundamental understanding of the E-sail’s dynamic characteristics in simple operational scenarios, such as coning motion and steady-state operation. This model serves as a benchmark for validating a more detailed multibody model. The second model, developed using the Absolute Nodal Coordinate Formulation (ANCF) and Natural Coordinates (NC), offers a high-fidelity representation of the E-sail dynamics, considering both rigid and flexible elements. This model incorporates nonlinear bending stiffness, structural damping, and damping at tether anchor points, capturing the complexity of tether motion and its interaction with the central vehicle in free-flight operation. The dissertation further investigates the application of linear and nonlinear control techniques for E-sail regulation and transition between steady-states. For the simplified model, both Linear Quadratic Regulator (LQR) and nonlinear Model Predictive Control (MPC) are implemented and validated for the fully-actuated and under-actuated scenarios, respectively. The results demonstrate the effectiveness of these control schemes in stabilizing the E-sail in steady-state operation and compensating for disturbances, such as solar wind fluctuations and initial condition errors. The study then focuses on planning and tracking stable transitions between different steady states. The transition maneuver is formulated as an optimal control problem using the direct transcription method, and the results provide both optimal planning for the states and an open-loop optimal control law. Subsequently, tracking of the optimal trajectory is investigated using a finite-horizon LQR for the fully-actuated scenario and a Shrinking Horizon MPC (SHMPC) for the under-actuated case. This approach allows for the efficient planning and precise tracking of the maneuver, mitigating the impact of disturbances and uncertainties. The insights gained from this work contribute to a deeper understanding of E-sail dynamics and control, paving the way for the development and implementation of robust control strategies for this innovative propulsion system. The dissertation also highlights the potential of employing simplified models for preliminary analysis and the need for more detailed models to capture the complex interactions between flexible tethers and the central vehicle, particularly in non-null sailing angle configurations. The findings serve as a valuable foundation for further research, particularly in the areas of robust control design, multi-physics considerations, and the exploration of new applications for E-sail technology in future space missions.Esta disertación investiga la dinámica y el control de las Velas Solares Eléctricas (E-sails), un prometedor sistema de propulsión sin propelente para la exploración del espacio profundo. La E-sail utiliza una red de largos cables cargados eléctricamente para extraer cantidad de movimiento del viento solar, lo que permite un empuje continuo sin consumir propelente. Aunque este concepto ofrece ventajas significativas para misiones de larga duración, presenta varios desafíos relacionados con la compleja dinámica del sistema multicuerpo, la variabilidad del viento solar y el desarrollo de estrategias de control eficaces. Esta investigación aborda estos desafíos desarrollando y analizando dos modelos dinámicos de la E-sail. En primer lugar, un modelo analítico simplificado, basado en un enfoque Lagrangiano y considerando cables rígidos, que proporciona una comprensión fundamental de las características dinámicas de la E-sail en escenarios operativos sencillos, como la operación en estado estacionario o bajo una evolución oscilante cuasiperiódica referida como "conning motion". Este modelo sirve como referencia para la validación de un modelo multicuerpo más detallado. El segundo modelo, desarrollado utilizando la Formulación de Coordenadas Nodales Absolutas (ANCF) y las Coordenadas Naturales (NC), ofrece una representación de alta fidelidad de la dinámica de la E-sail, considerando tanto elementos rígidos como flexibles. Este modelo incorpora rigidez no lineal a la flexión, amortiguamiento estructural y amortiguamiento en los puntos de anclaje de los cables, capturando la complejidad del movimiento de los cables y su interacción con el vehículo central en operación de vuelo libre. La disertación investiga además, para el modelo simplificado, la aplicación de técnicas de control lineal y no lineal para la regulación de la E-sail y la transición entre estados estacionarios. Para el modelo simplificado, se implementan y validan tanto un Regulador Cuadrático Lineal (LQR) como un Control Predictivo No Lineal (MPC) para los escenarios completamente actuados y subactuados, respectivamente. Los resultados demuestran la efectividad de estos esquemas de control para estabilizar la E-sail en operación en estado estacionario y compensar perturbaciones como fluctuaciones del viento solar y errores en las condiciones iniciales. El estudio se enfoca luego en la planificación y seguimiento de transiciones estables entre diferentes estados estacionarios. La maniobra de transición se formula como un problema de control óptimo utilizando el método de transcripción directa, y los resultados proporcionan tanto la planificación óptima de los estados como una ley de control óptimo en lazo abierto. Posteriormente, se investiga el seguimiento de la trayectoria óptima utilizando un LQR de horizonte finito para el escenario completamente actuado y un MPC de Horizonte Decreciente (SHMPC) para el caso subactuado. Este enfoque permite una planificación eficiente y un seguimiento preciso de la maniobra, mitigando el impacto de las perturbaciones e incertidumbres. Los conocimientos adquiridos en este trabajo contribuyen a una comprensión más profunda de la dinámica y el control de la E-sail, allanando el camino para el desarrollo e implementación de estrategias de control robustas para este innovador sistema de propulsión. La disertación también destaca el potencial de utilizar modelos simplificados para el análisis preliminar y la necesidad de modelos más detallados para capturar las complejas interacciones entre los cables flexibles y el vehículo central, especialmente en configuraciones con ángulos de navegación no nulos. Los hallazgos sirven como una base valiosa para investigaciones futuras, particularmente en las áreas de diseño de control robusto, consideraciones multifísicas y la exploración de nuevas aplicaciones de la tecnología E-sail en misiones espaciales futuras.application/pdf350 p.engAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/embargoedAccess