Numerical optimization ofsolar sail trajectories to Mars

• Main Author: Martínez Cabalga, Guillermo
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Rymdteknik 2020
• Subjects: Aerospace Engineering; Rymd- och flygteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-290184

Typical propulsion systems for space transportation involve the ejectionof mass for momentum gain. Solar sails remove the requirement forpropellant mass by obtaining their momentum from solar photons, whichrequires large surface area and very low mass. In this way solar sailcraftgenerate constant accelerations, in contrast with the impulsive thrust ofchemical rockets. This enables new families of orbits and presents a newchallenge for optimization and control. This study presents a summary ofproven solar sail technology and investigates minimum-time trajectoriesto and from Mars. This optimization is carried out in two phases, usingan energy rate-maximizing algorithm for planetary escape and sparse nonlinearprogramming for the interplanetary segment. The results provideupper bounds for minimum-time transfers and are then compared to possiblesail sizes and sailcraft masses. This in turn may inform the designand selection of future missions for materials exchange during explorationor settlement efforts. === Typiska framdrivningssystem för rymdtransport involverar utkast av massa för momentum förstärkning. Solsegelr tar bort kravet på drivmassagenom att ta kraft från solfotoner, vilket kräver stor yta och mycket lågmassa. På detta sätt genererar solsegelfarkoster konstant acceleratione, i motsats till kemiska raketers impulsiva dragkraft. Detta möjliggör nya familjer av banor och utgör en ny utmaning för optimering och kontroll. Denna studie presenterar en sammanfattning av beprövad solsegel teknologi och undersöker minimitidsbanor till och från Mars. Denna optimering utförs i två faser med hjälp av en algoritm som maximerar energiökningen för planetflykt gles gles olinjär programmering (eng: sparse nonlinear programming)för det interplanetära segmentet. Resultaten ger övre gränser för minimal tid för resorna och jämförs sedan med möjliga segelstorlekar och massor för segelfarkosterna. Detta kan i sin tur ge information om utformningen och valet av framtida rymdfärder för lasttransporter vidutforskning eller bosättning.