太阳帆技术是一种无需推进剂的推进技术，它利用太阳辐射压力（SRP）来加速航天器。当阳光被大型轻质帆膜反射时，入射光子的动量传递到帆面上，产生持续的推力。可实现的加速度随着帆面积的增大和结构质量的减小而增加。由于SRP是持续且免费可用的，太阳帆可以提供长时间的连续推力，使任务超越传统化学推进的限制。通过保持与太阳相对的推力，太阳帆可以维持非开普勒轨道，如静止轨道和准周期位移轨迹[1]、[2]、[3]，从而为高纬度地球观测和行星际通信中继提供了新的机会。最近的研究将这些概念扩展到了地球-月球拉格朗日点附近，表明当帆面保持近乎理想的太阳指向方向时，围绕EML2的长期准周期轨道是可行的[4]。因此，实现精确稳定的太阳指向对于充分发挥这些任务的潜力至关重要。
已经开发了两种主要的太阳帆指向控制策略：自旋稳定法和零动量法。自旋稳定法通过陀螺刚性保持太阳方向，例如IKAROS航天器[5]所示。零动量法将帆面塑造成金字塔形状，航天器位于顶点，从而使压力中心（c.p.）位于质心（c.m.）之后，从而产生朝向太阳的恢复扭矩[6]、[7]——这一原理被称为日稳定性。然而，这两种方法都容易受到SRP和帆面变形引起的扰动扭矩的影响。由于大型薄帆膜在轨道上难以保持平坦，即使是轻微的平面外变形也会产生意外的扭矩。随着帆面尺寸的增大，相关的SRP扭矩也会增加。例如，在IKAROS这样的自旋稳定帆中，由于帆面变形观察到了自转速率的变化[8]。类似的变形引起的扭矩也出现在零动量配置中，包括金字塔型帆[9]，并可能影响其长期姿态行为。
SRP引起的扰动扭矩主要源于质心（c.m.）和压力中心（c.p.）之间的偏移，传统的控制方法旨在调节这种偏移。为了补偿这一点，提出了各种机制，如万向节或滑动质量系统[10]、[11]、[12]、控制叶片[10]、[14]、[15]、波纹翼[16]、可变形状执行器[7]、[17]、[18]以及反射控制装置[19]、[20]、[21]。此外，有一项研究报道了一种结合控制叶片和反射控制装置的太阳帆概念，以增强对SRP引起的扭矩的控制能力[22]。然而，这些机制涉及移动部件，缺乏广泛的飞行经验，其长期可靠性不确定。实际上，经过飞行验证的太阳帆依赖于推进器、磁力矩器（MTQ）和反应轮（RW）来补偿SRP引起的扭矩[8]、[23]、[24]、[25]。然而，这些执行器的适用性受到地磁场的限制，而且推进器会消耗推进剂，这违背了太阳帆无推进剂的优势。
近年来，提出了单翼动量偏置太阳帆，以克服先前设计的局限性[26]。这些系统通过三轴反应轮控制实现无推进剂的姿态机动和任意姿态维持，不仅限于太阳指向。关键贡献在于巧妙利用了已建立的反应轮技术，通过单翼帆和动量偏置方案的结合。如图1所示，质心（c.m.）位于航天器根部附近，而压力中心（c.p.）位于展开帆面的几何中心附近。图1中标记为RW-Y的反应轮产生的偏置角动量与连续的平面内SRP扭矩相互作用，导致稳定的进动运动，称为旋转。然而，在非理想的光学条件下，部分吸收和漫反射会引起平面外振荡，称为摆动，这会与SRP扭矩耦合并降低指向稳定性。尽管图1中标记为RW-Z的垂直轴上的额外反应轮可以抑制这些振荡，但通常还需要RW-X来消减累积的偏置角动量，而且这些系统仍然假设帆面是理想的平坦状态，需要较大的反应轮容量，这对小型轻质太阳帆航天器造成了严重的质量和体积限制。虽然增加航天器尺寸和减小帆面积可以降低所需的反应轮容量，但同时也会降低SRP加速度，从而限制了任务的可行性。
本研究提出了一种针对实际单翼动量偏置太阳帆的非平坦帆面的太阳指向控制系统。该系统在保持无推进剂操作的同时，减少了所需反应轮（RW）的容量。该研究在两个方面做出了重大贡献：
- 1.
提出了一种无需RW-Z的双轴控制律，以实现高精度的太阳指向和渐进稳定性，这在之前的研究中尚未得到验证。
- 2.
分析了非平坦帆面几何形状、姿态运动和内部反应轮动量之间的动态耦合关系，从而制定了一个将帆面结构和姿态控制律相结合的耦合设计指南。
选择这种太阳指向配置是因为它最大化了有效的SRP加速度，并且更重要的是，简化了非平坦帆面上SRP作用的建模，从而能够分析非平坦帆面对姿态动力学的影响。
所提出控制方法的关键概念是利用而不是抑制SRP引起的姿态运动。扰动扭矩激发了两种主导模式：平面内旋转和平面外摆动。如图2所示，帆面内的连续SRP扭矩由RW-Y产生的偏置角动量平衡，产生稳定的旋转，有效地中和了平均偏置动量。这导致了一个准零动量系统，可以应用类似于金字塔型配置的设计原理。相比之下，摆动运动通过在质心反太阳侧形成伪压力中心（pseudo c.p.）来产生恢复扭矩，从而再现了零动量金字塔型配置的稳定性特性。这一概念在本研究中被称为伪日稳定性，实现了无需与帆面法线对齐的反应轮（RW-Z）的太阳指向，从而减少了所需的反应轮容量。此外，所提出的控制方法需要与帆面的结构设计紧密协调。控制概念将金字塔型配置的设计原理融入单翼太阳帆的几何结构中，建立了一个将帆面结构和姿态控制系统相结合的耦合设计指南。
本文的其余部分安排如下。第2节建立了考虑非平坦帆面的单翼太阳帆姿态动力学的分析模型。第3节基于动态分析的结果，开发了一个主动利用伪日稳定性的姿态控制系统。第4节使用包含真实帆面变形的高保真模型通过蒙特卡洛模拟验证了所提出的姿态控制系统。最后，第5节总结了主要发现，并提出了帆面结构和控制系统协调集成的设计指南。
