Spinning solar sail : the deployment and control of a spinning solar sail satellite
Date
2016-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Solar sailing has become a viable and practical option for current satellite missions. A spinning solar sail has a number advantages above a 3-axis stabilised sail. A spinning sail is more resistant to disturbance torques and the misalignment of the centre of mass and centre of pressure. The spinning sail generates a constant centrifugal force, which reduces sail billowing and makes it possible to use wire booms. The new tri-spin solar sail and tri-spin Gyro satellite configurations are proposed that combines the advantages of the spinning and 3-axis stabilised sail designs. This study focuses on the deployment control of the sail and the orientation control of the satellite.
Different deployment methods of a rotating structure are studied. The active deployment method makes
use of a separate module with an actuator on the rotating system to deploy the structure. The passive
deployment method, deploys the structure by using centrifugal force generated by continually spinning
the deployment mechanism. A pulse deployment controller and model estimation methods for the passive
deployment mechanism are proposed to improve the controllability of the passive deployment method.
The mathematical models of these methods are investigated in simulation. A deployment demonstrator
is built, which is able to perform either an active or a passive deployment. The theoretical simulation
results show promising correlations to the practical results from the deployment demonstrator. Further
experiments are conducted to investigate methods to increase the damping of a wire boom.
The orientation control includes the development of an accurate mathematical model of the satellite. This
model contains the rigid dynamics of the satellite and the non-rigid dynamics of the rotating wire booms.
The moment of inertia of the satellite is used as a cross-coupling parameter between the rigid satellite
dynamics and non-rigid wire dynamics. The dynamics of the wire booms are examined and the main
parameters to keep the wire booms stable are identified. Attitude manoeuvres for changing the orbit
altitude of a satellite in earth- and sun-centred orbits are implemented within an orbital simulation to
reveal the change in orbital elements caused by the solar thrust.
An attitude determination and control system (ADCS) is designed for the conceptual satellite. The state
determination and attitude controllers are designed to perform the needed manoeuvres for a satellite to
change its altitude by using solar pressure. The controller design includes a magnetic B-dot, a deployment
rate controller, solar tracking controller, aerodynamic controller and momentum dumping controller. The
performance of the ADCS design on a tri-spin solar sail satellite are investigated through an in depth
simulation, which includes: the dynamic models created for the rigid satellite, the non-rigid wire booms
and deployment methods. The simulations reveal that it is feasible to implement the ADCS system on the
novel tri-spin solar sail satellite.
The tri-spin solar sail satellite is able to perform faster attitude manoeuvres than a standard spinning solar
sail making it able to operate in a low earth orbit. This will enable the satellite to change its attitude to
produce the required solar thrust to change its orbit.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Sonseilvaart is ’n praktiese opsie vir huidige satellietsendings. ’n Roterende sonseil het ’n paar voordele bo ’n drie-as-gestabiliseerde seil. ’n Roterende seil bied meer weerstand teen steurdraaimomente, veral die wat deur ’n wanbelyning van die massa- en druk-middelpunte veroorsaak word. Die rotasie veroorsaak ook ’n voortdurende sentrifugale krag wat die misvorming van die seil verminder en die gebruik van draaden-massastelsels moontlik maak. Die nuwe drie-deel roterende sonseilvaartsatelliet asook die drie-deel satelliet met giroskoopbeheer in ’n lae aardwentelbaan is voorgestel wat die voordele van die roterende en drie-as-gestabiliseerde seil ontwerpe kombineer. Hierdie studie fokus op die ontplooiing van die seil en die oriëntasiebeheer van die satelliet. Verskillende ontplooiingsmetodes van roterende strukture is ondersoek. Die aktiewe ontplooiingsmetode maak gebruik van ’n afsonderlike module met ’n aktueerder op die roterende stelsel om die struktuur te ontplooi. Die passiewe ontplooiingsmetode ontplooi die struktuur deur gebruik te maak van die sentrifugale krag wat deur die rotasie van die ontplooiingsmeganisme veroorsaak word. ’n Puls-ontplooiingsbeheerder en afskattingsmetodes, vir die passiewe ntplooiingsmeganisme, word voorgestel om die beheer te verbeter. Simulasies is gebruik om die wiskundige modelle vir die metodes te ondersoek. ’n Ontplooiingsdemonstreerder is gebou wat ’n aktiewe of passiewe ontplooiing kan uitvoer. Die resultate van die teoretiese simulasies stem ooreen met die praktiese resultate van die ontplooiingsdemonstreerder. Verdere eksperimente is uitgevoer om metodes te ondersoek om die demping van die ossilasies van draad-en-massa stelsels te verhoog. Die oriëntasiebeheer sluit die ontwikkeling van ’n akkurate wiskundige model van die satelliet in. Hierdie model sluit die rigiede dinamika van die satelliet en die nie-rigiede dinamika van die draad-en-massas in. Die traagheidsmoment van die satelliet is gebruik as ’n koppelterm tussen die rigiede satellietdinamika en die nie-rigiede draad-en-massa-dinamika. Die draad-en-massa-dinamika is ondersoek om die beduidende parameters vir die stabiliteit van die draad-en-massa-stelsels te onttrek. Die oriëntasiestelle om die wentelbaanhoogte van die satelliet te verander, is binne ’n wentelbaansimulasie geïmplimenteer om die effek van die sondruk op die wentelbaanveranderlikes waar te neem. ’n Oriëntasiebepaling en beheerstelsel is ontwerp vir die konseptuele satelliet. Die oriëntasie-afskatters en oriëntasiebeheerders is ontwerp sodat die drie-deel-roterende satelliet die sondruk kan gebruik om van wentelbaanhoogte te verander. Die beheerderontwerp sluit ’n magnetiese B-dot, ’n ontplooiingsbeheerder, ’n sonvolgingsbeheerder, ’n aerodinamiesebeheerder en ’n momentumontladingsbeheerder in. Die uitvoering van die oriëntasiebeheerstelsel vir ’n roterende sonseilvaart word ondersoek vanuit ’n simulasieprogram wat die dinamiese modelle van die rigiede satelliet, die nie-rigiede draad-en-massas en ontplooiingsmetodes insluit. Die simulasie toon dat dit uitvoerbaar is om die oriëntasiebeheerstelsel te implementeer op die drie-deel-roterende sonseilvaartuig. Hierdie nuwe konfigurasie kan vinniger oriëntasie veranderinge voltooi as ’n standaard roterende satelliet en kan dus die oriëntasie betyds berreik om die regte sondruk te produseer sodat die satelliet se wentelbaan kan verander.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Sonseilvaart is ’n praktiese opsie vir huidige satellietsendings. ’n Roterende sonseil het ’n paar voordele bo ’n drie-as-gestabiliseerde seil. ’n Roterende seil bied meer weerstand teen steurdraaimomente, veral die wat deur ’n wanbelyning van die massa- en druk-middelpunte veroorsaak word. Die rotasie veroorsaak ook ’n voortdurende sentrifugale krag wat die misvorming van die seil verminder en die gebruik van draaden-massastelsels moontlik maak. Die nuwe drie-deel roterende sonseilvaartsatelliet asook die drie-deel satelliet met giroskoopbeheer in ’n lae aardwentelbaan is voorgestel wat die voordele van die roterende en drie-as-gestabiliseerde seil ontwerpe kombineer. Hierdie studie fokus op die ontplooiing van die seil en die oriëntasiebeheer van die satelliet. Verskillende ontplooiingsmetodes van roterende strukture is ondersoek. Die aktiewe ontplooiingsmetode maak gebruik van ’n afsonderlike module met ’n aktueerder op die roterende stelsel om die struktuur te ontplooi. Die passiewe ontplooiingsmetode ontplooi die struktuur deur gebruik te maak van die sentrifugale krag wat deur die rotasie van die ontplooiingsmeganisme veroorsaak word. ’n Puls-ontplooiingsbeheerder en afskattingsmetodes, vir die passiewe ntplooiingsmeganisme, word voorgestel om die beheer te verbeter. Simulasies is gebruik om die wiskundige modelle vir die metodes te ondersoek. ’n Ontplooiingsdemonstreerder is gebou wat ’n aktiewe of passiewe ontplooiing kan uitvoer. Die resultate van die teoretiese simulasies stem ooreen met die praktiese resultate van die ontplooiingsdemonstreerder. Verdere eksperimente is uitgevoer om metodes te ondersoek om die demping van die ossilasies van draad-en-massa stelsels te verhoog. Die oriëntasiebeheer sluit die ontwikkeling van ’n akkurate wiskundige model van die satelliet in. Hierdie model sluit die rigiede dinamika van die satelliet en die nie-rigiede dinamika van die draad-en-massas in. Die traagheidsmoment van die satelliet is gebruik as ’n koppelterm tussen die rigiede satellietdinamika en die nie-rigiede draad-en-massa-dinamika. Die draad-en-massa-dinamika is ondersoek om die beduidende parameters vir die stabiliteit van die draad-en-massa-stelsels te onttrek. Die oriëntasiestelle om die wentelbaanhoogte van die satelliet te verander, is binne ’n wentelbaansimulasie geïmplimenteer om die effek van die sondruk op die wentelbaanveranderlikes waar te neem. ’n Oriëntasiebepaling en beheerstelsel is ontwerp vir die konseptuele satelliet. Die oriëntasie-afskatters en oriëntasiebeheerders is ontwerp sodat die drie-deel-roterende satelliet die sondruk kan gebruik om van wentelbaanhoogte te verander. Die beheerderontwerp sluit ’n magnetiese B-dot, ’n ontplooiingsbeheerder, ’n sonvolgingsbeheerder, ’n aerodinamiesebeheerder en ’n momentumontladingsbeheerder in. Die uitvoering van die oriëntasiebeheerstelsel vir ’n roterende sonseilvaart word ondersoek vanuit ’n simulasieprogram wat die dinamiese modelle van die rigiede satelliet, die nie-rigiede draad-en-massas en ontplooiingsmetodes insluit. Die simulasie toon dat dit uitvoerbaar is om die oriëntasiebeheerstelsel te implementeer op die drie-deel-roterende sonseilvaartuig. Hierdie nuwe konfigurasie kan vinniger oriëntasie veranderinge voltooi as ’n standaard roterende satelliet en kan dus die oriëntasie betyds berreik om die regte sondruk te produseer sodat die satelliet se wentelbaan kan verander.
Description
Thesis (D.Phil)--Stellenbosch University, 2016.
Keywords
Solar sails, UCTD, Spin (Aerodynamics), Solar sail satellite