A comparison of solar sail actuation methods for parking in the circular restricted three body problem

Solar sails are spacecrafts that utilise the Solar Radiation Pressure, the force generated by impinging photons, for propulsion. In this thesis the solar sails motion is modelled as a circular restricted three-body problem (CRTBP) with the Earth and the Sun as the two primaries and the sail as the massless body. In this model the five Lagrangian points of the classical CRTBP are substituted by a continuum of new artificial points that form level surfaces as a function of attitude angles and lightness number. The dynamic stability of these stationary solutions is investigated and their instability established for both an ideal and non-ideal solar sail. Previous works in station-keeping of such points have used different actuation mechanisms such as variations in the sail’s orientation, excess of thrust vector, and RCDs applications. In this work, new combinations of actuation mechanisms are investigated and their controllability, closed-loop stability and control performances are analysed. In particular, the actuator combinations considered are: (i) thrust vectoring through attitude control of a flat sail; (ii) attitude control of a heliogyro sail; (iii) thrust vectoring and a variable surface reflectivity distribution (RCD); (iv) RCD and a heliogyro. In each case an LQR controller is developed to compare and contrast each combination. Moreover, control performance, such as steady-state error, rate of convergence and feasibility of the actuation mechanisms are compared within a trade-off analysis. Additionally, a control approach that removes the need to linearise the control component in the LQR design is presented. This approach maps an ideal feed-back acceleration, determined by linear feedback, which is then mapped to the non-linear control variables by a Newton method within the closed-loop. The new mapping control is shown to be more effective than that applied to a system which is linearised with respect to the control variables.

Le vele solari sono veicoli spaziali che utilizzano per la propulsione la Solar Radiation Pressure, ossia la forza generata dall'urto dei fotoni. In questa tesi il moto delle vele solari è modellato come un problema circolare a tre corpi ristretto (CRTBP) con la Terra e il Sole come due masse primarie e la vela come corpo di massa infinitesima. I cinque punti lagrangiani del classico CRTBP sono sostituiti da un continuum di nuovi punti artificiali che formano superfici piane in funzione degli angoli di assetto e del "lightness number". E' stata studiata la stabilità dinamica di queste soluzioni stazionarie e la loro instabilità viene determinata sia per una vela solare ideale che non-ideale. Precedenti lavori relativi allo station-keeping di tali punti hanno utilizzato diversi meccanismi di attuazione come variazioni nell'orientamento della vela, eccesso del vettore di spinta e applicazioni RCD. In questo lavoro si studiano nuove combinazioni di meccanismi di attuazione e si analizzano la loro controllabilità, la stabilità ad anello chiuso e le prestazioni di controllo. In particolare, le combinazioni di attuatori considerate sono: (i) vettorizzazione della spinta attraverso il controllo dell'assetto di una vela piatta; (ii) controllo dell'assetto di una vela heliogyro; (iii)vettorizzazione della spinta attraverso il controllo dell'assetto e distribuzione variabile della riflettenza superficiale (RCD); (iv) RCD ed heliogyro. In ciascun caso viene sviluppato un controllore LQR per confrontare e contrapporre ogni combinazione. Inoltre, le prestazioni di controllo, come l'errore di stato stazionario, il tasso di convergenza e la realizzabilità dei meccanismi sono confrontati nell'ambito di un'analisi di trade-off. Inoltre, viene presentato un sistema di controllo che elimina la necessità di linearizzare il componente di controllo nel sistema LQR. Questo approccio consente di mappare un'accelerazione di feedback ideale, determinata da un feedback lineare, la quale viene poi associata alle variabili di controllo non lineari mediante il metodo di Newton, all'interno del circuito chiuso. I dati presentati suggeriscono che il nuovo sistema di mappatura si dimostra più efficace di quello applicato ad un sistema linearizzato rispetto alle variabili di controllo.