Transcript 発表時に使用したパワーポイントファイル

AXELSPACE CUP
st
1
Review
M-SON’s
田中優一郎
俵京佑
泉裕一朗
小沢尭也
高橋正人
濱島大輝
宮里和良
上田直樹
倉重宏康
宝来亮汰
鈴木聡太
安部拓洋
太田佳
古賀将哉
山村悟史
1
提案するミッション
DKU計画
20年後の世界
誰でも！
快適！
宇宙旅行！
（※日本宇宙旅行協会HPより転載）
• 民間人が容易に宇宙へ行ける世の中が到来
• 子どもや老人・病人でも「快適」に宇宙へ行ける輸
送手段が必要
• 「快適さ」は工学的には
「温度」「空気圧」「放射線」「振動」「衝撃」「音」
「地球人」的価値観の創出
2
DKU計画の概要
衛星軌道に乗り，
無重力空間を体験
第2段階燃焼
大気圏外へ
分離
快適！
パラシュート
により帰還
逆噴射で発射場
へとリターン
元の位置へ戻る
（再発射可能）
有人宇宙船
（少人数）
着陸
安価な
小型ロケット
ミッション・ステートメント
3
「 誰もが快適に宇宙に行ける輸送手段の実現 」
のために，ARLISS Extremeにおいて，打上げ時に生ずる人体
に不快感を与えやすい30Hz以下の振動に焦点を当て，それを
軽減する可変動吸振器を開発し，その実証実験を行うことを
ミッションとする．
軽減
イメージ図
【動吸振器】振動する機械系に，
質量，ばね，ダンパー系を付加す
ることにより，固有振動数周辺で
の共振現象を抑制する装置．
可変動吸振器は，吸振器の固有
振動数などを変化させることで，
振動特性を操作できる．
4
サクセスクライテリア
可変動吸振器
【フルサクセス】
客室内部の30Hz以下の特定の振
動のパワーを可変動吸振器によっ
て，客室外部と比べてTBD秒以内
にTBD dB軽減させること．
センサ
客室
センサ
【検証方法】
ミッション終了後に客室内部と客室外部の加速度データ
を解析しパワースペクトルを取得する． 評価関数を用い
て決定した軽減したい周波数の振動のパワーが，客室
外部に比べて，TBD秒以内にTBD dB軽減できたことを確
認する.
5
乗り心地と振動の関係
人間の感覚に特に影響を与えるのは30 Hz以下の低周波振動
幸尾治朗，「航空機の乗り心地に関する研究」
風戸昭人・眞田一志，「空気圧制御による鉄道車両の乗り心地向上」
評価関数の指標
30Hz
人体の固有振動数
乗り心地フィルター
6
ロケットの振動
変化していく低周波振動を軽減する事が求められる
• 強烈なランダム振動が発生
• 飛翔中に振動のスペクトルが動的に変化
M-Vロケットの振動スペクトル
1段モータ点火時
2段モータ点火時
小野田淳次郎・峯杉賢治，「M―V型ロケットの構造・機構」
7
既存のロケットの振動抑制例
・30 Hz以下の振動を吸収させるためには
柔らかい素材で作る必要がある → 軟性支持になってしまう
・パッシブ制振のため振動周波数の変化に対応できない
イプシロンロケット
©JAXA
©JAXA
エラストマ製の制振機構により 55 Hz以上の振動を吸収
既存の乗り物の可変振動抑制例
空気タンクやコンプレッサーが必要
サイズ大・質量大 → ロケットには不適
空気バネ
TOYO TIRES，「鉄道車両用空気バネ」，
URL:http://www.toyo-ci.co.jp/product/tetsudo/0101.html
・高周波・低周波振動の軽減が可能
・防振効果が優れている
・圧縮空気が必要
8
9
ロードマップ
DKU
計画
振動軽減技術
ARLISS Extreme
可変動吸振器
実証
サイズアップ
実用化
統合・試験
有人宇宙船開発
サブオービタル
旅行実用化
オービタル
旅行実用化
滞在施設
実用化
小型ロケット開発
技術開発
2014
有人
実用化
離着陸
実用化
2024
2034
ミッションイメージ
10
高度
30km
約15秒間
無重力
振動軽減ループ
1/1000気圧
-60℃
可変動吸振器
動作
解析・振動数決定
サンプリング
動作終了
動作開始
設計
主振動系のばね：
ばね定数，数などは未定
動吸振器：
副振動系，ステッピングモータ，コイル
センサー群：
加速度センサ，カメラ
リニアガイド：
基軸方向以外を拘束
電装基板：
詳細は未定のためブロックで表示
バッテリ：
容量は未定
CanSat外壁：
高剛性の円筒構造
11
12
可変動吸振器の動作説明
ステッピングモータ
バネ系
磁石の反発力
ダンパー系
振動する磁石とコイル
N
S
N
S
L L
S
S
N
N
N
S
N
S
コイル
• 磁石間距離を制御
→軽減周波数が変化
• 10cmサイズで人体に有害な
1～100Hzの振動抑制が可能
五十嵐悟 「永久磁石を利用した動吸振器に関する研究」
ARLISS Extreme参加の意義
打上げ・分離・慣性飛行が行われる
ARLISS Extremeでの実証が求められる
低温環境(-60℃)での動作確認：
研究室で所有する低温試験装置で可能
低圧環境(1/1000気圧)での動作確認：
研究室で所有する真空装置で可能
リアルタイムFFTによる振動解析：
研究室で所有する加振機により実験可能
可変動吸振器：
高加速度環境下でのランダム振動の再現が困難
ランダム振動中に生ずる分離衝撃の再現が困難
高加速度環境下から無重量環境への遷移の再現が困難
13
14
予算
分類名
抵抗等回路素子
マイコン
モータ類
センサ類
BBM
内容
抵抗，コンデンサ，
\5,000
SDカード
mbed
\5,000
小型ステッピング
\10,000
モータ
加速度，角加速度，
\30,000
温度，気圧
\9,000
バッテリー
ネジ，バネ，ワッシャ
等
本体構造部材
アルミ等
ボールスクリュー
機械部品
等
カメラ
その他消耗品
砂漠でのトイレ・
打上げ費用
Wi-Fi利用量も含む
合計
EM
FM
合計
\3,000
\3,000
¥11,000
\1,000
\1,000
¥7,000
\10,000
\10,000
¥30,000
\15,000
\15,000
¥60,000
\3,000
\3,000
¥15,000
\4,000
\4,000
\4,000
¥12,000
\5,000
\5,000
\7,000
¥17,000
\10,000
\5,000
\5,000
¥20,000
\10,000
\3,000
\5,000
\3,000
\5,000
\3,000
¥20,000
¥9,000
\0
\0
\95,000
¥95,000
\296,000
獲得予定予算
AXELSPACE CUP:25万円 研究室予算:5万円 計30万円
15
スケジュール
可変
動吸振器
ARLISS
AXELSPACECUP
AXELSPACECUP
CanSat
構造
能
代
宇
宙
イ
ベ
ン
ト
電装
4月
5月
6月
7月
8月
9月
16
ミッション・シーケンス
電装システム
※電源除く
制御器
センサ
アクチュエータ
Cansat内部
可変動吸振器
温度センサ
気圧センサ
モータドライバ
各種検出
用スイッチ
ポテンショメータ
Micro
controller
SDカード
電流センサ
ヒータ
加速度センサ
加速度センサ
ステッピングモータ
コイル
リアルタイムFFTの可能性
FFT速度実験結果(データ数:128 FFTライブラリ:Numerical Recipes in C)
・LPC1768 ARM cortex-M3 96MHz
: 2 ms
・LPC1114FDH28 ARM cortex-M0 50MHz : 30 ms
使用予定の加速度センサ(MPU6050の仕様-データシートより)
・最大感度 2.048 LSB/g
・範囲 ±16 g
・16bit ADC
・I2C出力
・最大サンプル速度 200 Hz
・組込みアルゴリズムとランタイムBIOSおよびコンパスキャリブレーショ
ンにより、ユーザーによる調整不要
サンプリング時間(上記センサ使用時)
・データ数64 : 0.32 s
・データ数128 : 0.64 s
・データ数256 : 1.28 s
ロケットのサイズ
Grasshopper
全長32.3m 直径3.66m
スケールアップの課題
M x  m y  C ( x  u )  K ( x  u )  0
m y  c z  k e z  0
z  yx
, u  u 0 sin  t
𝑀：主系の質量
𝑚：動吸振器質量
𝐾, 𝑘𝑒 ：主系および動吸振器のばね定数
𝐶, 𝑐：主系および吸振器の減衰定数
𝜇 = 𝑚/𝑀 :質量比
Ωn = 𝐾/𝑀, 𝜔𝑛 = 𝑘𝑒 /𝑚 ：主系および吸振器の固有振動数
𝜁1 = 𝐶/(2𝑀Ωn ), 𝜁2 = 𝑐/(2𝑚Ωn ), ：主系および動吸振器の減衰比
𝑋 = 𝑥0 /𝑢0 , 𝜂 = 𝜔/Ω, 𝜎 = 𝜔𝑛 /Ωn
(𝜎 2 − 𝜂2 )2 +(2𝜁2 𝜂)2 1 + (2𝜁1 𝜂)2
𝑋=
𝑅2 + 𝐼2
𝑅 = 1 − 𝜂2 𝜎 2 − 𝜂2 − 𝜇𝜎 2 + 4𝜁1 𝜁2 𝜂2
𝐼 = 2𝜂 𝜁2 + 𝜎 2 𝜁1 − 𝜁1 + 𝜁2 + 𝜇𝜁2 𝜂2
今後の展望
-10
Acceleration (z) [g]
-5 0 5 10 15 20 25 30
2012 AeroPac 100k Project 加速度データ
第二段
エンジン
燃焼
0
10
慣性
飛行
無重量環境
20
Time [sec]
30
40
降下
50
ARLISS Extremeにおける振動軽減技術の実証
→無重力実験環境構築の可能性
可変にする意義
• 励振周波数のスペクトルが変化
• 大気密度
• 風向き
• 燃焼状態
• 客室の固有振動数が変化
• 搭乗者質量の変化
• 搭乗者の移動
可変動吸振器によるアクティブ制振が必要
他の可変動吸振器との比較
• 可変動吸振器の多くは梁の長
さを変化させることで系の固
有振動数を変化させてる
• ⇒CanSat内の狭い空間では有
効な制御手法ではない
可変動吸振器の一例 ⓒ九州大学
• 液体や気体を用いないコイル
を利用したダンパーのため、
省スペース化が可能である
カメラの搭載理由
・カメラ
センサ基板の一つとして存在
振動軽減の結果得られる景観を記
録
スケジュール 4-7月
月 週
1
2
4 3
4
5
6
7
5
8
9
10
11
6
12
13
14
15
7
16
17
ARLISS Extreme
AXELSPACE CUP
第一回審査会
開発計画
設計
主な項目
機構検討
全体システム検討
構造試作
回路試作
BBM製作
制御ソフト試作
単機能試験
BBM統合
不足パーツ製作
EM製作
統合プログラム
構造製作
基盤設計・製作
EM試験
第二回審査会
要求に対応する試験
EM再設計
EM修正
国内審査会締め切り
未達成事項の取捨
EM試験&修正 課題点の発見と改善
スケジュール 7-10月
月 週 ARLISS Extreme
7 18
19
20
8
21 能代宇宙イベント
22
23
24 ARLISS Extreme
9 25
26
27
28
10
29
AXELSPACE CUP
開発計画
FM製作
FM試験
FM修正
データ解析
最終審査会
主な項目
FM製作
End-to-End試験
ミッション成功可能性
の評価
動作確認
ARLISS用持ち物確認
取得データ整理
報告書作成
ミッション評価
報告書作成
引き継ぎ資料作成
ミッション完了報告書
既存のロケットの制振技術
・制振ペイロードアダプタ
・振動低減用アイソレータ
・煙道による音響振動低減
・ロケット発射台の工夫
etc
煙道による音響振動低減
制振ペイロードアダプタ
振動低減用アイソレータ
構造設計が単純であるため信頼性が高い
構造物の設計変更・誤差による振動特性の変化には順応不可
メンバー
名前
学年
CanSat開発経験
田中 優一郎
M1
オープンクラス（ミッションコンペ2位）
濱島 大輝
M1
オープンクラス（ミッションコンペ2位）
鈴木 聡太
M1
無し
俵
M1
無し
宮里 和良
M1
オープンクラス（ミッションコンペ2位）
安部 拓洋
B4
オープンクラス（ミッションコンペ1位・Axelspace Cup2013優勝）
泉
B4
無し
上田 直樹
B4
オープンクラス（ミッションコンペ1位・Axelspace Cup2013優勝）
太田 佳
B4
オープンクラス（ミッションコンペ1位・Axelspace Cup2013優勝）
小沢 尭也
B4
オープンクラス（ミッションコンペ1位・Axelspace Cup2013優勝）
倉重 宏康
B4
オープンクラス（ミッションコンペ1位・Axelspace Cup2013優勝）
古賀 将哉
B4
無し
高橋 正人
B4
オープンクラス（ミッションコンペ1位・Axelspace Cup2013優勝）
宝来 亮汰
B4
無し
山村 悟史
B4
オープンクラス（ミッションコンペ1位・Axelspace Cup2013優勝）
京佑
裕一朗
システム要求
RS番号 フェーズ
1
コンポネントのモジュール化が可能であること
2
3
4
5
6
AeroPacが規定したサイズのキャリアの中(φTBDmm，高さTBDmm)に収納可能であること
出場
設計
ロケットに搭載後に可変動吸振器の動作開始が可能であること
外部環境が低温（TBD℃まで）でも動作可能であること
外部環境が低圧（TBDPaまで）でも動作可能であること
保温のための装置を備えていること
可変動吸振器側客室・インシュレータ側客室・CanSat外殻が衝突しないこと
12
13
14
15
16
17
18
19
CanSatの質量が350g程度であること
ARLISS Extremeまでに全試験を終えることが可能であること
動作試験が容易であること
運用しやすい設計であること
振動軽減の結果を直感的に確認するためにノーズコーンの穴を通して外部の様子が撮影できること
7
8
9
10
11
システム要求
microSDにデータの保存が可能
積み込みから回収まで（TBD）時間電池が持続
タイマーで時間を測れること
温度が測定可能であること（精度：TBD）
通信・記 圧力が測定可能であること（精度：TBD）
録
加速度が測定可能であること（精度：TBD）
角加速度が測定可能であること（精度：TBD）
20
振動軽減の結果を直感的に確認するために外部の映像を記録可能であること
21
センサのエラーを検知できる
22
可変動吸振器が取り付けられた客室の機軸方向振動がTBD秒以内にTBDdBまで軽減できること
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
振動軽減
上昇
放出
落下
着地
インシュレータ側客室，CanSat外殻に対して可変動吸振機側客室の除去すべき振動数のスペクトル値がTBD dB軽減されること．
可変動吸振器の吸収できる周波数がTBDHz～TBDHzであること
第一段燃焼時の静荷重(TBDG)に耐える
第二段燃焼時の静荷重(TBDG)に耐える
第一段燃焼時の振動（TBDGRMS）に耐える
第二段燃焼時の振動（TBDGRMS）に耐える
第二段分離時の衝撃に耐える
ノーズコーン放出時の衝撃(TBDG)に耐える
ドローグ展開時の衝撃(TBDG)に耐える
メインパラシュート展開時の衝撃(TBDG)に耐える
高度を計測できる（精度TBDｍ）
着地時の衝撃(TBDG)に耐える
着地が検知できる
試験予定
試験番号
試験名
試験内容概略
0
-
試験の必要なしと判断
1
キャリア収納試験
AeroPacの指定するサイズのキャリアを作成し詰め込む
2
重量計測試験
3
アセンブリ試験
4
5
対応要求
R1
R4
R5
R2
フェーズ
EM・FM
R7
EM・FM
重量を計測する
R3
EM・FM
分解・組み立てに要する時間を計測
R6
EM・FM
可変動吸振器動作開始試験
外部から操作可能なスイッチで可変動吸振器の動作開始が可能か試験する．
R8
EM・FM
低温動作試験
研究室が保有する低温実験装置を用い，ミッション時間と同程度の時間低温環境中に置き，
CanSatが動作可能か試験する
R9
EM・FM
R11
EM・FM
R10
EM・FM
R13
R14
R15
R16
BBM
EM・FM
BBM
BBM
6
耐圧試験
7
8
9
10
データ保存試験
電力耐久試験
タイマー動作試験
温度センサ動作試験
研究室が保有する真空実験装置を用い，真空環境中にCanSatを置き，真空環境下でも正常に
動作するか試験する
センサーデータの保存が可能か試験する
ミッション時間以上バッテリー電圧が保つか試験する
タイマーの動作が可能か試験する
温度センサの動作が可能か試験する
11
気圧センサ動作試験
気圧センサの動作が可能か試験する
R17
BBM
12
加速度センサ動作試験
加速度センサの動作が可能か試験する
R18
BBM
13
角加速度センサ動作試験
角加速度センサの動作が可能か試験する
R19
BBM
14
カメラ動作試験
カメラの動作が可能か試験する
R20
BBM
15
センサエラー検知試験
センサにノイズを与えてエラーを検知できるか試験する
R21
BBM
R12
EM・FM
R22
EM・FM
R23
EM・FM
R24
EM・FM
R25
EM・FM
R26
EM・FM
R27
EM・FM
R28
EM・FM
R29
EM・FM
R30
EM・FM
R31
EM・FM
R32
EM・FM
R34
R33
R35
R全て
EM・FM
BBM
BBM
EM・FM
16
17
18
19
20
21
22
客室振動軽減試験
耐荷重耐久試験
耐振動耐久試験
耐衝撃試験
高度計測試験
着地検知試験
End to End試験
研究室が保有する加振器を用い，客室の振動軽減が実現できているか試験する
CanSatをバケツに入れて振り回し荷重に耐えられるか試験する
CanSatを加振器に取り付け振動に耐えられるか試験する
CanSatを落下させるなどして衝撃を与え，衝撃に耐えられるか試験する
高度の計測が可能かどうか試験する
着地の検知が可能かどうか試験する
ミッションの最初から最後まで動作可能か試験する
開発中の宇宙船
©Scaled Composites
©SpaceX
©SpaceX
©Blue origin
©Bigelow Aerospace
ノイズキャンセル技術
©戸田建設(株)
©国土交通省
ASE 遮音壁
遮音壁頂部に取り付けられたスピーカーに
よりから回り込んでくる騒音（回折音）を
低減する
TANC
建設機械の低周波騒音をアクティブ消音技
術で低減する技術。掘削重機騒音では63Hz
帯域において-27dBの低減効果、発電機では
50Hz帯域において-17dBの低減効果。
Sono
ガラス窓に取り付けることで屋外の騒音から来
る振動や、Wi-Fiの電波を揺らす電磁ノイズの
エネルギーを認識、逆位相の信号をオーディオ
信号と混合して出力し打ち消す機能を搭載。
©Rudolf Stefanich