怎样保持太阳帆稳定?

太阳航行似乎是一个简单的概念——而不是像典型的帆船那样被风推动,航天器可以使用据说只是被阳光推动的高反射率。 但与几乎所有工程挑战一样,这项技术说起来容易做起来难。 阳光可以比另一侧更多地照射到帆的一侧,导致船意外旋转。 可能会出现其他无法预料的情况,这些情况也可能对使用这种推进技术的任何任务造成灾难性后果。 幸运的是,有一种方法可以解释这些情况,尽管它涉及大量数学。 控制理论在系统设计中很常见,现在北京航空航天大学的研究人员设计了一种控制方案,他们认为可以帮助将太阳帆的风险降至最低。

控制系统在概念上相对容易理解。 一个系统有一系列的输入; 在太阳帆的情况下,这些输入可能是来自太阳的太阳力,也可能是附近任何物体的重力。 该系统还将具有系统设计人员想要控制的输出,例如与该物体的距离(如果它在轨道上)或太阳帆所面对的角度。

通常,“控制系统”是一组数学方程,它将输入输入系统,然后确定怎样操纵其他内部变量以使输出达到所需值。 为了 example,如果我们知道太阳辐射以 1000 N 的力推动太阳帆,我们可以计算出我们需要进行哪些调整(如果有的话),以使探测器保持其拥有的任何轨道。

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UT 视频描述了太阳航行的概念。

虽然在所有类型的系统中都很有用,但这些类型的控制在航天器中特别有用。 所有航天器都在某种程度上拥有它们,这肯定不是有人第一次考虑将控制系统应用于太阳帆推进系统。 然而,迄今为止开发的那些有几个缺点。

要了解这些缺点,最好先了解最近发表在《太空:科学与技术》上的新论文中使用的特定控制方法。 这些系统被称为“模糊逻辑”,与计算机(和一些控制系统)使用的标准布尔逻辑形成对比。 代替布尔数学的 1 和 0,模糊逻辑可以使用 0 和 1 之间的任何数字作为输入和输出。

使用更多不同的数字会显着增加复杂性,因此通常需要对使用模糊逻辑的控制器进行大量训练。 这种训练可以被认为类似于与神经网络相关的训练,这是一种常见的人工智能架构。 然而,关于太阳帆系统的可用数据并不多,因为其中还没有多少已经起飞。 因此,任何可以降低必要培训门槛的系统都将是一个重大进步。

另一个 UT 采访详细介绍了太阳帆的功能。

系统操作员可以尝试对系统进行完全建模并使用已知参数对其进行操作,而不是向模糊逻辑控制器提供训练数据集。 这相当于拥有太阳帆的“数字双胞胎”,允许运营商在飞行中开发新的控制方案。 然而,根据陈林博士及其合著者的说法,这种主动建模对航天器姿态控制没有帮助。 所以他们想出了一个替代方案。

他们的解决方案被称为智能模糊逻辑控制器设计器,它本质上是使用神经网络建模设计自己的模糊逻辑控制器。 系统将根据输入的参数自动生成模糊逻辑控制器。 该逻辑控制器将允许操作员控制其太阳帆系统的姿态。

为了测试这个新控制器,作者确实开发了一个计算模型 example 太阳帆有四个不同的组件,一个航天器“内核”,一个用于控制器的盒子,一个框架,以及太阳帆本身。 在这个模型上测试了他们的智能控制器设计后,他们发现控制器的精度有了显着提高,这在控制系统中非常重要,但代价是反应时间有点慢,在处理时这不是太大的问题。太阳帆的时间尺度。 这听起来像是一个针对特定问题的优雅解决方案,希望未来的太阳帆设计师能够将这些想法从论文中铭记于心。

北京理工大学出版社—— 科学家怎样开发出一种智能模糊逻辑控制来稳定太阳帆?
陈等人—— 独立可控元件稳定太阳帆的智能模糊控制
UT——一种新的太阳帆可以让我们探索太阳系中难以到达的地方
UT——什么是太阳帆?

铅图像:
论文中建模的太阳帆系统图。
信用——陈等人。