CanSatおよびハイブリッドロケットの開発

【プロジェクトの概要】

 　当プロジェクトは2020 年度の全学体験ゼミナールにおいて有志のメンバーによりCanSat を製作・⼤会参加したことに端を発し、「航空宇宙の観点から⼯学的知⾒を獲得し，実践的能⼒を⾝につける」という⽬標のもと活動の拡⼤を⽬指して開始された。現在はCanSat やハイブリッドロケットの開発を⾏なっており、2023年度にはそれぞれについて開発した成果物を⼤会参加によって実際に運⽤、成果を確認した。各個⼈の実践的能⼒の獲得とともに、開発を通じて得られたノウハウを継承し発展的なミッションに積極的に取り組んでいくことで、チーム全体の技術⽔準の向上・活動規模の拡⼤も⽬指している。

【今年度の活動内容】

①新人研修の実施

　今年度は、新たに新⼊⽣を迎えチーム内で新⼈研修を⾏った。新⼈研修の⽬的はロケット及び⼈⼯衛星製作における基本的なマネジメント⼿法の習得や製作技術の獲得であり、2年⽬以降の活動の基礎となる能⼒を⾝に付けることができるように新⼈研修の内容を練り、実施した。具体的には、ロケットと⼈⼯衛星のそれぞれに興味を持つ新⼊⽣で班を分け、それぞれペットボトルロケットと⼩型ローバーの製作に取り組んだ。実際の航空宇宙分野での製作プロセスに則り、Mission Definition Review（MDR，ミッション定義審査）→ Preliminary Design Review（PDR ，基本設計審査） → Critical Design Review（CDR，詳細設計審査）を設け、新⼊⽣の発表に対して上級⽣が設計内容を審査する形式で開発を進めた。完成度の⾼い機体を製作した班や最後まで完成に⾄らなかった班もあったが、製作の全体像を掴んでもらうことができ、有意義な研修であった。以下の写真は、ロケット班の製作物であり、完成度の⾼いものであった。

② CanSat の開発・⼤会参加

活動の概要

　CanSat 製作の⼤きな⽬的は、⼈⼯衛星開発に必要とされる基礎的な⼯学的知⾒、技術⼒の獲得にある。⼈⼯衛星開発には、⾼度な知⾒や技術⼒が必要とされ、製作費⽤や期間も膨⼤なものになることから、学⽣が最初から本格的な⼈⼯衛星開発に取り組むことは難しい。CanSatは、空き⽸サイズの模擬⼈⼯衛星として、学⽣が⼈⼯衛星開発を体験することの難しさを克服した。CanSatの製作を通じて、地上にいながら⼈⼯衛星開発に必要とされる基礎的な概念や知⾒、技術⼒を学ぶことができる。また、⼈⼯衛星の構造や電装、制御などに関する⼯学的な技術⼒を獲得できると同時に、限られた期限や予算の中でチームをまとめるマネジメント能⼒や、規定や重量や⼤きさなどの制限の中で開発を進める能⼒を⾝につけることができる。当チームでは2020 年度の活動初期から⼈⼯衛星開発に興味を持つメンバーを中⼼にCanSatの製作を⾏い、成果の確認のため能代宇宙イベント等の⼤会に参加している。

今年度の活動

　今年度は本プロジェクトの学部1 年⽣で構成されるチームがCanSat の製作を⾏った。チームとしての製作歴が⻑いことからより⾼度チームションへの挑戦も考えたが、今年度は新⼈研修を経ているとはいえまだ上述の能⼒が⼗分に⾝についていない新規メンバーのみで開発することを鑑み、それらの涵養をより重視しミッションについてはほぼ前年度と同じ内容で⾏った。またこのため上級⽣の介⼊は質問対応程度と新⼈研修よりも少なく留め、新⼊⽣らには⾃ら開発し学んでいくことを求めた。

　ランバック部⾨、すなわち、パラシュートの展開から地⾯に着地したのち、⾛⾏能⼒を持たせたCanSat で決められたゴール地点にどれだけ近づくことができたかを競う競技に参加するため、新⼊⽣のチームによりローバー型のCanSat が製作された。昨年度同様Raspberry pi を⽤いた画像認識による近接を試み、構造、電装、制御全て新⼊⽣が独⾃に創意⼯夫し製作を⾏った。

　製作した機体をもって2023 年度種⼦島ロケットコンテストのCanSat ランバック部⾨に参加し、ミッションには失敗したが⼤会での実地運⽤を新⼊⽣ながら経験することができた。失敗の直接的な原因はパラシュートによる落下中にパラシュート固定⽤のテグスが切れ途中から⾃由落下したことによる、着地衝撃に起因する機体損傷であった。しかしながらこれはテグスへの荷重の集中を防ぐ構造上の⼯夫や、強度試験及びEtoE 試験により防げた可能性のある失敗であり、技術⼒の不⾜による開発の遅延や新⼈研修で⼀部ができなかった実際の運⽤による経験の不⾜が遠因であったと思われる。詳細な結果は現在新⼊⽣により検証中であるが、今後上級⽣も含めたレビューを⾏いチーム全体の糧としていきたいと考える。

　今後はCanSat の製作と⼤会参加を、今年度⾏ったような新⼊⽣によるロケット・⼈⼯衛星開発の基盤となる基礎的な技術・能⼒の獲得の場として活⽤するとともに、ミッション部⾨参加など発展的かつ独⾃性の⾼いミッションへの挑戦を通じた実際の⼈⼯衛星開発により忠実に従った技術・経験の獲得の場としていくことを予定している。

　　　　　　　　　今年度のCanSat機体 とミッション後破損した機体

③ハイブリッドロケットの開発・打ち上げ

活動の概要

　ロケット部⾨は昨年度新規に発⾜した部⾨であり、「航空宇宙の観点から⼯学的知⾒を獲得し、実践的能⼒を⾝につける」という本プロジェクトの⽬標から、ハイブリッドロケットの設計、製作を通して宇宙輸送の技術やマネジメント能⼒を獲得することを⽬指している。今年度はまずチーム初の打ち上げを成功させることを通じ、ロケットに関する基礎的な技術・知⾒の獲得及び開発基盤の構築を⽬指した。新規に着⼿した分野であり、全員が未経験で何もかも計画通りにいかない中、試⾏錯誤を繰り返し諦めることなく開発を進めた。またロケットの性質上⾃チームのみでは難しい成果確認のために、2024年3⽉に開催された平尾台共同打ち上げ実験に参加し、結果打ち上げは成功し概ね想定していた通りの成果を確認することができた。打ち上げ時の動画は次のリンクで公開している：

https://www.youtube.com/watch?v=gcWSObl7iiU

　ロケット部⾨は構造班、推進班、電装・制御班、シミュレーション班に分かれており、それぞれ互いに協⼒しつつ進めている。各班の活動内容と今年度の成果は以下の通りである。

　構造班構造班は機体構造系の設計、製造を⾏うとともに、推進系・アビオニクスを含む機体全体の統合を⾏なう。シミュレーションで算出した推⼒、重⼒、空気⼒に耐えながら、空⼒的に安定している必要があるため、材料⼒学、弾性⼒学、CAD を⽤いた強度計算や、流体⼒学、制御⼯学、CFD に基づいた空⼒設計を実施する。また製造，組み⽴てを容易にすることにも重点をおいて設計を進め、実際の各部品の製造、打ち上げ前の組み⽴ても担当する。

　今年度はフライトモデルの初めての製作であり、かつ上述の担当作業のほとんどがCanSat 等の開発では未経験なものであったため、各作業の基礎的なノウハウ獲得と標準的な機体の完成を最重要視して設計・製作を⾏った。まず設計については安全性と確実な打ち上げを第⼀に基本に忠実に⾏いつつも、今後の規模拡⼤を⾒据え、⾶⾏中の空気⼒やパラシュート開傘時の衝撃に耐える強度とより⾼くまで⾶翔するための軽量化を両⽴することを⽬指した。また強度計算や空⼒設計を繰り返しながら構造を調整し、製作した各構造部について強度試験等を実施することで、ロケットの打ち上げにおいて特に重要視される安全性の担保にも努めた。実際の製作においては、特に当プロジェクトは現状加⼯技術の蓄積が⼗分ではなかったため、製作費増⼤や安全上の懸念から主に⽤いるガラス繊維強化プラスチック（以下：GFRP）チューブは外注し、機体の各モジュールを接合する⾦属プレートについてはその多くをモノづくり⼯房に製作依頼することとなった。⼀⽅で今後の複雑形状の製作やチームの技術⽔準向上のために、講習を実施しGFRP及び⾦属の⼀部加⼯については構造班員⾃ら⾏った。

　結果として、安全審査に合格し無事打ち上げにも成功し、最終的に機体をほぼ損傷なく回収することができた。同時に組み⽴てや安全審査において、構造班員で製造した部品に関して加⼯精度の低さやノウハウの不⾜に起因する⽀障があり反省点として挙げられた。今後は加⼯技術の向上と、より⾼⾼度の打ち上げや⾃作エンジンに合わせた強度と軽量性を両⽴した機体設計・製作に⽬指し開発を⾏なっていく予定である。

推進班

　推進班は、今年度エンジンの燃焼試験の際に必要となる燃焼架台の製作、エンジンの運⽤の際に必要となる地上⽀援設備の設計・製作を⾏い、また燃焼試験及び打ち上げ時のエンジン運⽤を担当した。

打ち上げ時の機体全体 と打ち上げ後回収時の機体

　今回は時間的、予算的、技術的制約によってエンジンの内製を⾒送り、HyperTEK社製のハイブリッドエンジンの購⼊しロケットに搭載することを決定したが、次回に向けて新型エンジンの仕様も並⾏して検討した。特に今年度は、昨年度他団体と協⼒して⾏った燃焼試験及び本番のエンジン運⽤について⾃団体のみで⾏う必要があったため、燃焼架台及び地上⽀援設備の完成はもちろん、燃焼試験場やボンベ、エンジン等の⼿配、運⽤練習など各班の中でも特に労⼒と出費を求められた。なお燃焼試験については東⼤⼯学部⼯学系研究科の柿岡教育研究施設において責任教官の指導のもと安全に⼗分配慮して試験を⾏った。

　結果として、２度の⾃団体のみによる燃焼試験と打ち上げ時のエンジン燃焼に成功し、無事ロケットを約185m まで打ち上げることができた。燃焼試験から本番の運⽤を通じてほとんどトラブルがなく、推進系に関して基礎的だが確実な打ち上げ環境を整えられたと⾔える。特に⾃団体の地上⽀援設備と燃焼試験環境を構築・運⽤できたことで、今後は機体やエンジンの開発に注⼒できることから、これだけでも今年度の成果は⾮常に⼤きいものであったと評価できる。なお打ち上げ時点⽕開始から燃焼開始まで時間がかかり、また燃焼時間が燃焼試験時よりも短いなど細かなトラブルは⾒られたため、今後は差し当たりこれらの検証と改善を⾏っていく。

　今後推進班は技術的にも簡素で⽐較的安全なハイブリッドエンジンを引き続き対象に、⾃作エンジンやタンク等の開発、エンジンの⾼効率化を軸に開発を⾏う予定である。まず現在利⽤しているHyperTEK 社製のエンジンは酸化剤の流量調整ができず、ノズル偏向もできないために機体制御が難しい。さらに、既製品はその仕様が決定されているため機体性能はその制約を受ける。今後の機体性能の⾼度化を考えるとエンジンの内製が必要であり、次年度はハイブリッドロケットエンジンの新規設計、製作を⾏う予定である。エンジン開発には危険が伴うため、今年度に引き続きロケットエンジンを専⾨とする教員、エンジン開発の経験豊富な他の学⽣団体と密に連携して⾏う。またエンジンの⾼効率化のために、グレインや燃焼室形状の研究、及び製作したエンジンの詳細な燃焼試験環境整備も⾏なっていく。

電装・制御班

　電装・制御班では、推進班の節で前述した地上⽀援設備や燃焼試験⽤計器の電気系統の設計・製作、及びロケットに搭載するアビオニクスの設計、製作、ソフトウェア開発を⾏った。また打ち上げ時の計器運⽤とログ回収・解析も担当した。

　まず地上⽀援設備の電気系統には、射点から距離を隔てた点⽕点で地上⽀援設備を遠隔操作するためのランチコントローラや、エンジンに点⽕するための⽕花放電を⽤いたイグナイタがある。今年度は予算上の都合もあり、これらを全て回路理論等に基づいた理論計算のもと設計し内製した。また燃焼試験時の推⼒ロギング機構やその他燃焼試験⽤の電気設備についても、安全性や測定精度を確保しつつ電装班で製作を⾏った。これらによって燃焼試験及び打ち上げ時のエンジン燃焼の成功に寄与した。またロケット内に搭載するアビオニクスの設計・開発も⾏った。今年度は初の打ち上げであったため、確実で安全なパラシュートの放出と⾶⾏ログの回収を最重要視してハードウェア・ソフトウェアを設計した。また今後の⾶⾏中の機体制御等の実現を⾒据え、必要な状態量の計測や計算リソースの確保、データバスの利⽤などの試験的な運⽤も同時に⾏えるような設計とした。

　結果として頂点到達後のパラシュートの放出に成功し、機体及び搭載計器の破損の少ない回収に成功した。またテレメトリによる機体捜索の簡単化や、⾶⾏中の状態量及び計器の動作に関するログの回収により、スムーズな打ち上げ運⽤と⾶⾏挙動・計器動作の正常性検証に寄与できた。ただ開発が遅れたことによりファームウェアに関して設計の不⼗分な点や、試験的に搭載したものの使⽤まで漕ぎ着けられなかった計器もあり、今後は差し当たりそれらに対応しより確実かつ意義のある搭載計器運⽤に取り組んでいく必要がある。

　今後は基礎となる試験設備や搭載計器に関して今回不⼗分であった点を改善し、より確実かつ安全な燃焼試験・打ち上げ運⽤を実現するとともに、推進のエンジン製作に必要な燃焼試験設備の拡充や、推⼒制御装置等の開発による⾶⾏中の機体制御といった発展的な開発にも取り組んでいく予定である。

シミュレーション班

　シミュレーション班ではロケットの軌道や姿勢などを計算するシミュレーターの作成を作成し、打ち上げ当⽇は射場の環境に基づいたシミュレーションによる打ち上げ可否判断を担当した。

　このシミュレーターは⾵や発射時のロケットの姿勢を考慮した落下地点予測によって安全の確保を⾏う他、機体設計等に必要な情報の他班への提供を⾏うために制作された。また、シミュレーターで使⽤する空⼒抵抗の値を数値流体シミュレーションによって計算することも⾏っている。結果として、書類審査及び打ち上げ前の安全審査において⾶⾏安全を担保し、打ち上げの成功に寄与した。また図69の通り、打ち上げ後の事前シミュレーションと⾶⾏データの⽐較も担当した。特に図70は、機体の実際の落下地点が斜⾯であったためこれを補正したところ、シミュレーションによる予想落下範囲内に機体が落下したことを⽰しており、今回制作されたシミュレーターの正確性をある程度裏付ける成果を得られたとも⾔える。今後はより⾼⾼度の打ち上げや⾶⾏中の機体制御に向けて、精度向上やシミュレーションに含むパラメータの拡充に取り組んでいく。また電装・制御班と協⼒して機体の電気モデル及びインターフェースの実装も⾏い、HIL(Hardware-in-the-loop)等を実施することで⾶⾏中の機体制御の実現に寄与していくことも計画されている。