Dinâmica orbital e controle de orientação de um veículo espacial com uma vela solar composta

• Main Author: Maria Cecilia Pereira de Faria
• Other Authors: Hans-Ulrich Pilchowski
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais 2009
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m18@80/2009/06.17.20.21

Neste trabalho foi realizado um estudo das propriedades dinâmicas de um sistema propulsor que utiliza radiação solar. Foram desenvolvidos modelos de força e torque para dois esquemas de tais velas: velas solares compostas simples (SSPT) e velas solares compostas de dupla reflexão (DR SPT). O estudo deste tipo de estrutura foi feito a partir de uma revisão dos modelos propostos e de conceitos básicos, como pressão de radiação solar, equações de movimento orbital e de atitude, e controle. A partir destes conceitos, expressões para força e torques atuantes nas velas compostas foram deduzidas, considerando reflexões não ideais. O movimento de atitude de uma vela solar composta simples foi estudado, e a partir da suas equações, as condições de estabilidade foram avaliadas, assim como métodos para estabilizar o eixo de rolamento. Também é apresentando o controle de atitude de tal vela. Para considerar efeitos de reflexões múltiplas, sombra, desalinhamento em relação à condição nominal de operação e irregularidades na superfície da vela foram desenvolvidos modelos numéricos. Por este motivo, foram desenvolvidos modelos numéricos para as velas solares compostas, tanto simples como de dupla reflexão. As circunstâncias citadas foram avaliadas, sendo que não são particularmente prejudiciais ao funcionamento da vela composta simples. As velas solares compostas de dupla reflexão, no entanto, mostraram-se menos robustas quando operando em condições diferentes das nominais, o que dificulta ou até inviabiliza seu uso em missões. Foram realizadas simulações de missões para Marte e Vênus a fim de comparar os desempenhos das velas solares compostas simples com resultados obtidos com a vela plana. Resultados mostram que para a maior parte das geometrias da SSPT, esta configuração é mais eficiente do que uma vela solar plana. Ainda, seu controle demanda menos recursos por não precisar gerar toda a estrutura da vela. === A study of dynamical properties of a propulsion system using solar radiation was carried out in the present work. Models of force and momentum were developed for two schemes of such sailcraft: simple solar photon thruster (SSPT) and dual reflection solar photon thruster (DR SPT). The study of such structure was developed by reviewing previously presented models and basic concepts, such as solar radiation pressure, orbital and attitude dynamics and control. Starting from these concepts, expressions for force and torques were derived, considering both ideal and non ideal reflections. Attitude dynamics of a simple solar photon thruster was studied, and, using its equations, stability conditions were analised, and so were methods for stabilizing roll axis. The attitude control of such sailcraft is also presented here. In order to consider effects such as multiple reflections, shadowing, misalignment from nominal position and irregularities on the shape of sail collector, numerical models were developed for both SSPT and DR SPT. Such circunstances were analised, and it was shown that they are not that harmful for SSPT performance. DR SPT, although, are not that robust when operating in conditions different from projected ones, what makes its use difficult or even impossible in future missions. Missions to Mars and Venus were simulated in order to compare SSPT performance to results obtained for flat solar sails (FSS). Results show that for most part of SSPT geometries results are more efficient than FSS. Besides, its control demands less resources, for it does not need to rotate all the sail structure.