research introduction: Uncertainty Analysis of Solar Sail Attitude under High-Fidelity Solar Radiation Pressure
日本語字幕有り
- Yasuhiro Yoshimura, Toshiya Hanada, Uncertainty Analysis of Solar SailAttitude under High-FidelitySolar Radiation Pressure.
この研究は，ソーラーセイルが太陽放射圧によって姿勢や軌道を制御できる一方で，セイル表面の微小な変形や光の反射特性の不確かさが，長期的には姿勢運動に無視できない影響を与えるという問題意識から出発している．従来の太陽放射圧モデルでは，鏡面反射と拡散反射を単純に組み合わせた理想化された反射モデルが用いられてきたが，この研究では表面の微細な粗さを考慮できるCook–Torranceモデルを用いた物理ベースの高忠実度反射モデルを導入し，それがソーラーセイルの力・トルクおよび姿勢運動にどのような違いをもたらすかを数値的に評価している．計算コストが高いという高忠実度モデルの問題に対しては，数値的に求めた補正係数を用いて従来モデルを修正する方法を提案し，平らなセイルおよび変形したセイルを対象とした静的解析では，表面粗さが大きくなるにつれて太陽放射圧の大きさや向き，特にトルク分布に顕著な差が生じることを示している．さらに，回転する変形セイルの姿勢ダイナミクス解析では，従来モデルと高忠実度モデルのわずかな違いであっても，スピン軸にニューテーション運動が誘起されることが確認され，現実的な光反射モデルを考慮しない場合には長期ミッションで姿勢誤差や予期しない運動を招く可能性があることが明らかにされた．
This paper addresses the issue that, although solar sails can control spacecraft attitude and orbit using solar radiation pressure, small uncertainties arising from slight sail deformations and imperfect modeling of surface reflectance can significantly affect attitude motion over long-duration missions. Conventional solar radiation pressure models typically use simplified combinations of specular and diffuse reflection, but this study introduces a physically based, high-fidelity reflectance model using the Cook–Torrance formulation, which accounts for microscopic surface roughness, and investigates how this more realistic model alters the resulting forces, torques, and attitude dynamics of a solar sail. To mitigate the high computational cost of the high-fidelity model, the authors propose a correction approach in which numerically derived coefficients are used to modify the conventional model. Static numerical analyses of both flat and deformed sails demonstrate that increasing surface roughness leads to noticeable differences in the magnitude and direction of solar radiation pressure, particularly in the torque distribution. Furthermore, dynamic simulations of a spinning, deformed sail reveal that even small discrepancies between conventional and high-fidelity solar radiation pressure models can induce nutation of the spin axis, indicating that neglecting realistic reflectance effects may result in attitude errors or unexpected motions in long-term solar sail missions.