General conceptual design problems of a parabolic solar sail structure

• Author(s): Potes, Filipe Couceiro
• Date: 2012
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.6/2001
• Origin: uBibliorum
• Subject(s): Vela solar; Estruturas espaciais; Coletor parabólico; Pressão solar; Distância focal; Mancha de luz
• Document Type: Master thesis
• Language: English
• Advisor(s): Silva, José Miguel Almeida da; Gamboa, Pedro Vieira
• Contributor(s): uBibliorum

Description

Solar sails represent a promising and practicable solution for future long-duration space missions involving deep space travel. Since their source of propulsive thrust derives from the energy exerted by solar radiation pressure, they do not depend on any on-board propellant, which thus minimizes energy consumption during a mission and consequently its final costs. However, because in Earth´s vicinity solar pressure presents a very low intensity, and in order to provide the necessary amount of thrust this type of solar-powered spacecraft typically requires an enormous surface area whilst at the same time maintaining the lowest possible mass. Such requirements oblige the adoption of very large structures usually consisting of ultra-thin membranes supported by long slender booms, in the order of tens of meters. This causes some difficulties on the structural design process since the deployment and maneuvering capabilities have to be optimized without compromising the mechanical performance of the whole solar vehicle. Among the various types of solar sail structural configurations, there is a very ambitious concept considered to be highly efficient, which consists on the parabolic solar sail. In this type of solar-propelled spacecraft, a small mirror designated as the director reflects the sunlight collected from a larger parabolic structure which in turn remains constantly oriented towards the incoming direction of the sunbeams so as to always guarantee the maximum available thrust. Since in this case maneuverability is achieved exclusively by tilting the director component, this allows the entire structure to operate without having to change its inclination in relation to the Sun. The scope of this work is to explore different possibilities for the conceptual design of a parabolic space structure intended to act as a solar sail collector, with special emphasis on the parabolic shape maintenance issue, since this is crucial for the maximization of the sunlight concentration into its focal point, as well as on its overall structural behavior. On a first approach, a structure which consists solely of an initially flat circular membrane simply supported around its perimeter and without any type of load supporting elements along its radials is considered. In this case, the possibility for the structure to make use of the solar pressure itself as a form of obtaining the desired parabolic curvature is investigated. Assuming the membrane as a perfectly reflecting surface, a parametric study is conducted in order to determine several parameters of interest, as a function of its radius size and thickness. Although the resulting deformed shapes prove to be very similar to parabolic ones, since the obtained focal distances are considerably high, this structural concept does not become feasible for solar sail applications. Consequently, a parabolic boom-based type of structural configuration resembling an open umbrella is considered afterwards. Here, the booms are responsible for guaranteeing the membrane´s parabolic curvature therefore enabling the focal distance to be initially established during the design phase of the structure. In order to assess its behavior due to solar pressure action, a parametric study is performed to investigate the effects of several design features such as the collector radius, membrane thickness, number of booms, number of supporting points of the membrane along the booms, as well as the effect of a possible angular velocity around the structure´s symmetry axis, with regard to the impact that these have on the resulting loadings and maximum deformations of the entire structure. In the end, the structure´s natural frequencies and mode shapes are also determined. The obtained results are of upmost importance to the design of an optimized structure which provides greater efficiency in terms of control thrust of the vehicle, thus forming the basis for further more detailed structural and orbital control analysis of this solar propelled parabolic sail spacecraft.

As velas solares representam uma solução promissora e viável para as futuras missões espaciais de longa duração envolvendo viagens no espaço profundo. Uma vez que a sua fonte de impulsão propulsiva advém da energia exercida pela pressão da radiação solar, estas não dependem de nenhum propelente a bordo, o que minimiza assim o consumo energético durante uma missão e consequentemente os seus custos finais. No entanto, devido à pressão solar apresentar uma intensidade muito baixa na vizinhança da Terra, e de modo a fornecer a quantidade necessária de impulso, este tipo de veículo espacial tipicamente requer uma enorme área de superficie, mantendo ao mesmo tempo a massa no valor mais baixo possível. Tais requisitos obrigam à adoção de estruturas de enormes dimensões normalmente constituidas por membranas ultra-finas suportadas por longos booms, na ordem das dezenas de metros. Isto causa algumas dificuldades no processo do design estrutural, uma vez que a implantação e capacidades de manobra têm de ser otimizadas sem comprometer o desempenho mecânico de todo o veículo solar. Entre os vários tipos de configurações estruturais de velas solares, existe um conceito muito ambicioso considerado altamente eficiente, que consiste na vela solar parabólica. Neste tipo de veiculo espacial propulsionado pelo sol, um pequeno espelho designado como diretor reflete a luz solar coletada a partir de uma estrutura parabólica maior que por sua vez, permance constantemente orientanda na direção dos raios solares incidentes de modo a garantir sempre o máximo impulso disponível. Uma vez que neste caso a capacidade de manobra é obtida exclusivamente pela inclinação do componente do diretor, tal permite que toda a estrutura opere sem ter de alterar a sua inclinação em relação ao Sol. O âmbito deste trabalho consiste em explorar diferentes possibilidades para o projeto conceitual de uma estrutura espacial parabólica destinada a atuar como um coletor de uma vela solar, com especial ênfase na questão da manutenção de uma forma parabólica, uma vez que esta é crucial para a maximização da concentração da luz solar no seu ponto focal, bem como o seu comportamento estrutural global. Numa primeira abordagem, uma estrutura que consiste unicamente numa membrana circular inicialmente plana, simplesmente suportada em torno do seu perimetro, e sem qualquer tipo de elementos de suporte de carga ao longo das suas radiais, é considerada. Neste caso, a possibilidade da estrutura fazer uso próprio da pressão solar como forma de obter a curvatura parabólica desejada é investigada. Assumindo a membrana como uma superficie perfeitamente refletora, procede-se à realização de um estudo paramétrico de modo a determinar diversos parâmetros de interesse, em função do seu tamanho do raio e espessura. Apesar das deformações resultantes provarem ser muito similares a formas parabólicas, uma vez que as distâncias focais obtidas são consideravelmente elevadas, este conceito estrutural não se torna viável para aplicações em velas solares. Consequentemente, um tipo de configuração estrutural parabólica baseada em booms semelhante a um guarda-chuva aberto é considerada numa etapa posterior do trabalho. Aqui, os booms são responsáveis por garantir a curvatura parabólica da membrana permitindo assim que a distância focal seja inicialmente estabelecida durante a fase de concepção da estrutura. A fim de avaliar o seu comportamento devido à acção da pressão solar, um estudo paramétrico é efetuado com o intuito de investigar os efeitos de várias caracteristicas de projeto, tais como o raio do colector, espessura das membranas, número de booms, número de apoios entre as membranas e os booms, assim como o efeito de uma possivel velocidade angular em torno do eixo de simetria da estrutura, no que respeita ao impacto que estes têm sobre as cargas resultantes e deformações máximas de toda a estrutura. No final, as frequências naturais e modos de vibração da estrutura são também determinados. Os resultados obtidos são de extrema importância para a concepção de uma estrutura otimizada que proporcione grande eficiência em termos de controlo de impulso do veículo, formando assim a base para análises estruturais e de controlo orbital mais pormenorizadas deste veiculo solar parabólico propulsionado pelo Sol.