能代宇宙イベント2011の思い出その1 CREATE打ち上げ編

2011年8月のことだけどまとめていなかったのでUNISECという団体に報告書を書いたついでに今更まとめてみる。

大学でCREATEというロケット作るサークルを主催しています(いました)。

はじまり

今回の記事の内容のはじまりは2010年度の能代宇宙イベントに見学に行ったところから。

単身での行き方を迷っていたら有人ロケット研究会の方たちに連れていってもらった。

見学していると「これは中々面白そうだ。」と思い次の年は参加しようと意気込んだ。

製作

時は移って、2011年度の4月。同期たちは就活やらなんやらで忙しそうな中、一人暇だったのでCREATEというサークルの新歓を一人でやって人数を集めた。

目標は大学内に継続的にロケットを作る団体を作ること。

工業大学なだけあって、優秀な新入生が集まってくれた。

自分は他に気が散ってしまうことが多くて集中できない中、能代宇宙イベント2011に向けて動いた。新入生に講習したり、一緒に作業したり、まったりしたり。

7月中旬の授業が少なくなった頃から本気で作り始めた。

自分はディレクションの仕事がメインで実働は新入生だった。作業の中で同期や4年生も参加してくれた。

そんなこんな(作業場に籠りきりや徹夜とか)で完成した。全長2m弱・重量6kg程度。高度400m(場所の制限いっぱい)を目指したものになった。ロケットの挙動解析のためのアビオニクスも新入生が作ってくれた。5月の段階でマイコンって何?って状態から8月初旬までで良く作ってくれた。

マネージメントやディレクションだけでは工学部学生として面白く無いので自分でペイロード(ロケットが運ぶもの)も作った。上空を撮影しつつ、高度や姿勢、GPS位置情報を取得しようとした。

このペイロードは結果的には全くうまくいかなくて反省点ばかり。他の部分に自分のリソースを割きすぎた。

秋田県能代についてから

能代宇宙イベントの会場は全体的に草に覆われて必要な部分はキレイに整地されている環境だった。

風力発電の風車が回っているところでロケットを打ち上げるというワクワクが刺激される良い場所。

真夏だけど秋田県なだけあって猛暑ではなかった。

能代宇宙イベントは学生ロケットの打ち上げだけではなくて、小型模擬人工衛星の缶サットの人たちもたくさんいる。写真は東京工業大学の缶サットチーム。能代宇宙イベントの後、一部がうちに入ってくれて一緒に面白いことをしようとしている。

発射台にセッティングしている様子。

一度不点火してしまってネット中継の時間には間に合わなかったが、2度目の点火で無事に打ち上がった。

まっすぐ美しく上昇していった。このときの興奮は他では味わえない、良いモノ。

光学観測で高度の情報が得られた。

最高高度の時点でパラシュートを開こうとしたが、事前試験のしすぎによって扉を締めるための糸の通り道が擦れて普段と違う場所を通ってしまって扉が開ききらなかった。このときペイロードも展開せず。

高度50mまで自然落下してきたところで突然パラシュートが開いた。

想定以上の速度でパラシュートが突然ひらいたことによってパラシュート根元近くの塩ビ管の部分で割れた。

このことは搭載した加速度センサと角加速度センサからもわかる。

結果的に

狙ったミッションの完全成功とはいかなかった。しかし何もかもが新鮮であり、得られるものはすごく多かった。

なにより、終わった後のこの集合写真を見ていたら、「達成感とやりがい」は「お金」や「他のことをしていた時間」よりも貴重なものだなと思った。

SNS社の燃焼試験の見学に行ってきた

家や研究室に引き篭って作業しがちな毎日だけど、今年の夏の最後の思い出に北海道に行ってきた。

行ってきたという言い方は非常にニュアンスが違って、お邪魔したという方が正確で、もはや北海道に足を向けては寝られず北枕で寝るしか無いと思っているほど。

一般にホリエモンロケットと呼ばれているSNS社のロケットの燃焼試験を見学に行かせて頂いた。

SNS社(なつのロケット団)というのは完全民間でロケットを宇宙まで飛ばしてビジネスにしようという会社で、ものすごく濃ゆい人たちの集まりの会社。あと数年のうちにSNSのロケットが宇宙に行く計画を立てている。無謀な計画というわけではなく、枯れた技術(すごくイイ意味。褒め言葉)を使って安価に宇宙に行くロケットを作って宇宙ビジネスの需要を創りだそうとしている。

冗談みたいに濃い人達ばかりで、本気かよ!?と思うけど、大真面目。

某機関のエンジニアからSF作家・漫画家・アメリカで航空宇宙学んできた人・ホリエモンに至るまで自分とは離れた世界の人のイメージ。

実際は明るく迎えてくれて、何でも教えて貰えてすごく居心地が良かった。

何より作業場が人力飛行機を作っていた頃と大きさ的に似ていて懐かしさを覚えた。

CAMUIロケットという北海道発のロケットを作っている植松電機の作業場所でSNS社の燃焼試験は行われている。

「ほっかいどおおおおおおおお」って叫びたくなるぐらい広い場所ではあるが、人里離れた場所というわけではなくて町工場の隣でロケット作っているっていう不思議な感じ。真ん中に立ってるのが無重力実験場。右が電磁石を作っている工場で左がロケット作ってる場所。

植松電機は社会貢献と言うと簡単に言い過ぎだが、利益以外のことを考えて研修施設があり、そこに宿泊させてもらった。

奥に見えるのがエンジンで大きな筒になっているのが消音のための設備。

今回は500kgf級のエンジンということで爆音を期待、もとい予想していたが、消音されていたので思ったより音は出ていなかった。実験時は9月なのに寒くて燃焼試験後はエンジンの排熱で熱いぐらいに温まった消音装置に入って暖をとっていた。笑

ハザードが起こったときにも安全なように点火スイッチのあるコントロール室はコンテナの中。

2回目の燃焼試験のときには点火のスイッチを押させてもらえた。暫くは忘れられそうにない強い思い出になった。

いくらでも書くことはあるが、とにかく色々と勉強になった。

細かいノウハウ的な話やこれまでの経緯。公式サイトなどでは出てこないであろうことまで聞けたのはこれ以上なく面白かった。さらに、雲の上の話じゃなくてギリギリ頑張れば自分でも手の届きそうなところに面白い世界が広がっているんだということに気付けたのは一時の嬉しさに収まらない長く続くべき大きな収穫だった。

何より楽しそうにロケット開発をしているのが強烈に印象に残った。

自分も人力飛行機作っている頃はあれぐらい楽しくやれてたけど、これから先でアレほど充実してものつくりが出来るのか考えさせられた。

サラリーマンじゃなくて自由業に憧れてしまう3日間の北海道だった。笑

SNS社にはちょっと前から色んなところで目にして耳にしてきて憧れを持っていた。そんなところに見学に行く機会を与えてくれたチーフエンジニアの牧野さんには感謝してもしきれません。

ロケット用の慣性計測ユニット作ってみた

作ってみたったら作ってみた。

2011年6月4日に自分たちで作ったロケットを伊豆大島で打ち上げてきた。

詳しいことは別のページに書くことにして、久々に面白い(exciting)作業ができたのでブログにしてみる

自分たちが作ったロケットがどのように飛行したのか、どこまで飛んだのか、機体にどのような変化があったか、これらがわかるとただ単に打ち上げて楽しかっただけではなく工学的な面白さが出てくる。

ということで慣性計測ユニットを作ってみた。

諸々の都合があって、開発にかけられる時間は非常に限られていた。

今回書く慣性計測ユニットだけではなくパラシュート分離機構用のタイマー作りや普段の研究室生活、ロケット打ち上げまでの事務一般、ロケット本体の仕上げなどの作業をしながら2週間弱しか開発期間がなかった。無給のブラック企業を素でいくぐらいの忙しさだった。

このため、開発の工数を少なくして、新しく勉強することを最小限にしながら自分が満足できるクオリティのものを作ることをコンセプトにした。

マイコン

AVRのATMEGA328PにArduinoのブートローダを書きこんでDIPのマイコン単体でArduinoとして動かした。

28ピンのAVRのICに3端子レギュレータから5VのVccとGNDと16MHzのセラロック(発振子)だけを付けてやればArduinoとして動く。

ピンの役割などはATMEGAのデータシートを見ながら動かした。

3.3Vの電源が取れないだけでそれ以外はArduinoとして動くのでロケットに積むために小型化したい要求と開発が早くて簡単だという要求を満たしていた。

ブートローダの書き込みはここを参考にして、書いてあるとおり行った。

搭載センサ

センサによっては3.3V駆動だったり入出力がRS232Cレベル(3.3V)だったりするのでセンサへの入力になる部分は分圧抵抗を入れて5V→3.3Vにした。

気圧センサSCP1000

秋月で買える気圧センサで測定範囲300hPa~1200hPaで2Hz程度で出力が取れるので高度計として使用した。

大気圧1013hPaとしてざっくりと10mで1hPaの変化があるのに分解能が1.5Paあるということで理論的には分解能15cmぐらいがわかるはずと思って採用した。

実際はノイズがあったり、風が当たると動圧で気圧が変化するなどがあり、建物1階の高さの判別ができる程度だった。つまり、3mの違いはセンサから読み取れる。

SPI通信で値が出てきてくれるのも使いやすかった。

3軸加速度+3軸ジャイロセンサ

SparkfunのIMUフュージョンボードを使用した。

IMU3000(3軸ジャイロセンサ)とADXL345(3軸加速度センサ)を合わせたもので、両方の値がI2Cで取得できる。

レジスタを最初にいじれば最大加速度などを変えられる。値段が少し高いが5G以上の加速度を取得したく、勉強する時間がない、実装をいかに早くできるかが勝負という今回の目的に非常によく合っていた。すごく小さいし。

最初はわけわからなかったが、データシートをしっかり読みこんだら使えた。

GPSモジュール

秋月のGPSモジュールGT-723Fを買ってたが、逆起電圧をかけてしまったのか、何時まで経っても衛星を補足してくれないただの金属片になってしまったので泣く泣くその場にあったGT-720Fを使用した。

RS232Cレベルの出力だったがArduinoのピンにそのまま接続して大丈夫だった。

入力部分は分圧抵抗で3.3V近くまで落としている。

ArduinoにTinyGPSというライブラリがあったので複雑になりがちなGPSの出力を比較的簡単に扱えた。

温度計LM35

ロケットエンジンの酸化剤周りは充填中と点火後にそれなりの温度変化があるのでどの程度なのかがわかると酸化剤の蒸気圧から燃焼圧だったりがわかる。

その目的のために秋月で買えるLM35をAnalogINのピンに繋げて使った。

これはA/D変換するだけで温度がわかるので一番簡単だった。

キャリブレーションはするヒマが無かったが見た感じは何もしなくてもそこそこの精度の値は出てる気がした。

SDカード

データを保存したかったのでSDカードを付けた。

SPI通信の口が1つしか無かったのでデータロガー用の2つ目のATMEGA328Pを用意し、一つ目とシリアル通信しながら貯めたデータをマイクロSDカードに保存するようにしたかった。

SDカードになんでもないデータを書きこむことは出来たが、最後までデバッグが間に合わなくて目的は達成できなかった。根本的に勉強不足すぎてよくわからないままだった。

結局AVRの内部のEEPROMに打ち上げから2分のデータを保存するようにして対処した。

デバッグ用のLCD

1つ目のセンサの読み取り用のマイコンにはセンサの値がすぐわかるように16×2のLCDキャラクタディスプレイを外付けで取り付けられるようにした。

プログラム

プログラムはArduinoのサンプルスケッチやセンサの型番でググって出てくるサンプルコードをほとんどそのまま組み合わせる形で書いた。

こういうことができるのがArduinoのいいところ。

値段

6軸の加速度・ジャイロセンサとGPSモジュールが高かったがそれ以外は秋月・千石で買えば安く作れた。

1.5万円ぐらいで全部作れた計算になる。実際は余分な部品を買ったりで3万円ぐらい使って開発したので金欠な自分にはキツい出費だった。

基板

学校にあった基板切削機という機械で基板を作った。

初めてだったのであまり上手とはいえない設計になったが非常に楽しく基板を作れた。

画像はmbeというソフトで設計した基板

精度とか校正とか試験とか

これがすごく重要なのだが開発の期間が短すぎて手がつかなかった。これが心残り。

完成したところ

今までLEDチカチカさせて喜んだり、小物を作って満足したりしてたぐらいの電子工作経験だった。その段階から一気に本格的に趣味としての電子工作が出来たので心底満足した。これでもまだプロトタイプみたいな完成度なのであんまり外に出せるようなものではない。

打ち上げ後回収を失敗し、機体が大破してしまったので夏の終わりまでに作り直してver.2の進化したものを作りたいと思った。

尊敬するfenrirさんが作っているような慣性航法装置が理解できるようになるまでは続けたいところです。

OpenRocket紹介

モデルロケットの設計をしようとするときに便利ソフトの紹介.

OpenRocket

オープンソースのモデルロケット設計支援ソフトOpenRocket

今まではRockSimSpaceCADが一般的だったが,

クレジットカードでしか買えないし,1ライセンスでそれなりのお金(60$~120$程度)がかかるなど一般に広まるとは到底思えないシロモノだった.

OpenRocketはGNU GPLライセンスのフリーソフト

Java仮想マシン上で動いているみたいでOSに寄らず起動させることができる.

他の有料ソフトでは中でどのような計算がされているかわからないのに対して,OpenRocketではドキュメントとして公開されている.

使い方はRockSimやSpaceCADとかなり似ている.

少し使ってみたところRockSimよりは機能が少ないがSpaceCADよりは便利な感じ.

SpaceCADとは永遠にさよなら出来そう.

OpenRocketで必要十分.

使い方

起動方法:.jarのファイルをダブルクリックするだけ!(JAVAのRumtimeがPCに入っていれば)

あとは英語を調べながらいじれば直感的に作れる!

プロジェクトの名前などを決めたら上のような画面になる.

sampleがあるので試しに表示させてみたところ.

フライトシミュレーションも充実している.

使うモーターもアメリカで市販されているものはほぼ全てデータがあるようだ.

推力データ

モデルロケットに使われるモーターのスラストカーブはここで見ることができる.全て英語だけど.OpenRocketでの推力データもここからのデータのようだ.

thrustcurve.org

推力データ以外にも解説など色々まとまっていてGood.

ドキュメント

このドキュメントがまとまっていてスゴイ.

OpenRocket自体が製作者の修士の研究であり,このドキュメントは修士論文からのもののようだ.

OpenRocket — Documentation

オープンソースソフトらしくロードマップが書いてあって,どのような機能が追加されるか検討されている.将来的にはRockSimを超えそうで目が離せない.

リンク

モデルロケットソフト

手作りロケット完全マニュアルアップデート

手作りロケット完全マニュアルという本で紹介されているソフトの著者自らのリンク集

リンク切れが多く,OpenRocketで多くのソフトは代用できる.

上のリンクにあるソフトのうち,以下のものはOpenRocketでは代用できないものだと思う.

固体ロケットモータ燃焼棒設計:Grain Design Program

抗力係数算定:AeroDRAG 4.5

ロケットの推力測定を安く簡単に

ここのところ更新せずでした。

ちょっとばかり忙しかったけれどMTM06に出展してた。

今回の記事は

ハイブリッドロケットを打ち上げようとして、そのエンジンの推力測定を行ったことについて。

測定したいことは推力。

本当は燃焼圧とか温度変化とかみたいことが沢山あったんだけど

一番大事なのは推力測定。

推力測定にはいろいろ方法があるけど、とにかく安く済ませたかったので

システムとしては

・ロードセル

・計装アンプ

・デジタルオシロスコープ

・RS232Cで繋いだPC

で行った。

ロードセルとは中にひずみゲージが入った力測定器で、今回は

測定上限が500N程度だったので初期加重のことを考えて1000Nまで測定可能なDigi-keyの

http://ow.ly/2M61M

のものを使用。中にアンプが入っていなくて出力が~100mV。なのでアンプをかませてあげないと測定できない。

計装アンプは秋月で買えるINA128

http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-01755/

を使用。抵抗を一つ代えてあげるだけでゲインが変わる。10000倍までは周波数特性が良く測定できるみたい。

増幅部分の部品としてはこのアンプのICと抵抗2本、セラコン1つという簡単さ。

デジタルオシロスコープは借りることが出来きた。

岩通計測株式会社のBringo DS-8812というもの

http://www.keisoku-gb.com/kigyou/iwatsu_keisoku/DS8814_8812.html

これに、波形データをPCに送ってくれる

http://www.vector.co.jp/soft/win95/hardware/se248489.html

のソフトを入れて、RS-232CとUSB変換ケーブルでUSB接続したPCに接続

あとはごちゃごちゃとオシロスコープ弄れば測定出来る。

今回は時間がなかったし、デジタルオシロスコープ借りることが出来たからこういう計測系だけど、アンプ以降はマイコンでA/D変換してPCとシリアル通信させるとかが安いだろう。

例えばarduinoでA/D変換するとUSBで簡単にPCにデータを送ることが出来るから、これが良さそうとにらんでる。

http://www.eleki-jack.com/FC/2009/01/23arduinoarduino5.html

http://d.hatena.ne.jp/sugan/20081114/1226686279

を見る限り

10bit精度で2kHz以上でサンプリングできるからそこそこの計測はできそう。

0.1kgf程度の精度じゃ物足らなくなったら他の方法を考えるけど、取りあえずは十分そう。