AXELSPACE CUP 1st Review

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1 AXELSPACE CUP 1st Review
　M-SON’s 田中優一郎　濱島大輝　鈴木聡太　　俵京佑　　　宮里和良　安部拓洋 泉裕一朗　　上田直樹　太田佳 小沢尭也　　倉重宏康　古賀将哉 高橋正人　　宝来亮汰　山村悟史

2 DKU計画 「地球人」的価値観の創出 20年後の世界 提案するミッション 民間人が容易に宇宙へ行ける世の中が到来
1 提案するミッション　 （※日本宇宙旅行協会HPより転載） DKU計画 誰でも！ 快適！ 宇宙旅行！ 20年後の世界 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

3 DKU計画の概要 快適！ 2 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 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） 衛星軌道に乗り，無重力空間を体験 パラシュートにより帰還 分離 安価な 小型ロケット 着陸 有人宇宙船 （少人数） 快適！ 小型の一人乗り宇宙船とかにすると，ARLISSでの実証がより確かなものとなる．

4 「 誰もが快適に宇宙に行ける輸送手段の実現 」
3 ミッション・ステートメント 「 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． 【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． ミッション・ステートメント，サクセスクライテリアをこのページで説明 この次に，ミッションのイメージ図を示す． 宇宙旅行用宇宙機の打上げ時には励振周波数のピークが動的に変化するため，その時々に応じた不快・危険な振動を軽減できるような可変動吸振器を開発する． 軽減 イメージ図

5 4 サクセスクライテリア 【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. 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 最初にミッション・ステートメントやサクセスクライテリアを載せる． つまり，結論を最初に述べてしまう． その後に，気の済むまで情報を追加する．

6 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
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

7 変化していく低周波振動を軽減する事が求められる
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 2段モータ点火時 1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」

8 エラストマ製の制振機構により 55 Hz以上の振動を吸収
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 エラストマ製の制振機構により 55 Hz以上の振動を吸収 ©JAXA

9 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 ・高周波・低周波振動の軽減が可能
8 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 ・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 TOYO TIRES，「鉄道車両用空気バネ」， URL: イプシロンのアイソレータを調査． アイソレータと今回製作する可変動吸振器との比較．何故可変にする必要があるのか？

10 DKU 計画 ロードマップ 2014 2034 2024 ARLISS Extreme 9 振動軽減技術 小型ロケット開発 有人宇宙船開発
可変動吸振器 実証 サイズアップ 実用化 統合・試験 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 宇宙船開発とかなんとかはあんまり触れなくても良いと思われる． どうせ20年後だから，なんとかなってるやろの理論で逃れられる． 大型ロケットの流れと，超小型ロケットの流れを示して，超小型ロケットの流れに振動計源の流れが合流し，DKUへと至ると良い． 技術開発 有人 実用化 離着陸 実用化

11 ミッションイメージ 振動軽減ループ 30km 1/1000気圧 10 高度 約15秒間 無重力 -60℃ サンプリング 解析・振動数決定
可変動吸振器 動作 ミッションイメージにする． 動作終了 動作開始 Time [sec] Acceleration (z) [g] 5 10 15 20 25 30 -5 -10 40 50

12 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
11 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 なぜカメラを積んでるのか？ カメラ＝人間 客室をぶっとばして，インシュレータをつけたモジュールをのせて，可変動吸振器と比較できるとなおよい！ バッテリ： 　　容量は未定 CanSat外壁： 　　高剛性の円筒構造　　

13 可変動吸振器の動作説明 バネ系 磁石の反発力 ダンパー系 振動する磁石とコイル 磁石間距離を制御 →軽減周波数が変化
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 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 L L S N S N N N 五十嵐悟　「永久磁石を利用した動吸振器に関する研究」 S S コイル

14 ARLISS Extremeでの実証が求められる
13 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

15 AXELSPACE CUP:25万円 研究室予算:5万円 計30万円
14 予算 分類名 内容 BBM EM FM 合計 抵抗等回路素子 抵抗，コンデンサ，SDカード \5,000 \3,000 ¥11,000 マイコン mbed \1,000 ¥7,000 モータ類 小型ステッピングモータ \10,000 ¥30,000 センサ類 加速度，角加速度，温度，気圧 \30,000 \15,000 ¥60,000 バッテリー \9,000 ¥15,000 ネジ，バネ，ワッシャ等 \4,000 ¥12,000 本体構造部材 アルミ等 \7,000 ¥17,000 機械部品 ボールスクリュー等 ¥20,000 カメラ その他消耗品 ¥9,000 打上げ費用 砂漠でのトイレ・ Wi-Fi利用量も含む \0 \95,000 ¥95,000 \296,000 ヒータを抜いて，もっと予算を削減したい． CanSatサイズにしては，高い(´∀｀∩) 獲得予定予算 AXELSPACE CUP:25万円　研究室予算:5万円　計30万円

16 15 スケジュール 設計 単機能開発 試験 FM 製作 設計 加工&試作 EM統合 試験 FM 試験 単機能開発 回路 製作 動作 試験

17 DKU計画のまとめ 宇宙から地球を見ることで 新たな価値観が創出できる 最初の1、2日は、みんなが自分の国を指していた。
16 宇宙から地球を見ることで 新たな価値観が創出できる DKU計画のまとめ 最初の1、2日は、みんなが自分の国を指していた。 　3、4日目は、それぞれ自分の大陸を指さした。 　　5日目にはみんな黙った。 　　　そこにはたった1つの地球しかなかった。 　　　　　──宇宙飛行士スルタン・ビン・サルマン・アルサウド 説明しづらい！恥ずかしい！

18 ミッション・シーケンス

19 電装システム Cansat内部 可変動吸振器 ※電源除く 制御器 センサ アクチュエータ 温度センサ 気圧センサ モータドライバ
ステッピングモータ 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 コイル ヒータ 加速度センサ 加速度センサ

20 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　　　　 : 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

21 ロケットのサイズ Grasshopper 全長32.3m　直径3.66m

22 𝑋= ( 𝜎 2 − 𝜂 2 ) 2 + (2 𝜁 2 𝜂) 2 1+ (2 𝜁 1 𝜂) 2 𝑅 2 + 𝐼 2
スケールアップの課題 𝑀：主系の質量 𝑚：動吸振器質量 𝐾, 𝑘 𝑒 ：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 Ω n = 𝐾/𝑀 , 𝜔 𝑛 = 𝑘 𝑒 /𝑚 ：主系および吸振器の固有振動数 𝜁 1 =𝐶/(2𝑀 Ω n ), 𝜁 2 =𝑐/(2𝑚 Ω n ), ：主系および動吸振器の減衰比 なぜカメラを積んでるのか？ カメラ＝人間 客室をぶっとばして，インシュレータをつけたモジュールをのせて，可変動吸振器と比較できるとなおよい！ 𝑋= 𝑥 0 / 𝑢 0 , 𝜂=𝜔/Ω, 𝜎= 𝜔 𝑛 / Ω n 𝑋= ( 𝜎 2 − 𝜂 2 ) 2 + (2 𝜁 2 𝜂) (2 𝜁 1 𝜂) 2 𝑅 2 + 𝐼 2 𝑅= 1− 𝜂 2 𝜎 2 − 𝜂 2 − 𝜇 𝜎 2 +4 𝜁 1 𝜁 2 𝜂 2 𝐼=2𝜂 𝜁 2 + 𝜎 2 𝜁 1 − 𝜁 1 + 𝜁 2 +𝜇 𝜁 2 𝜂 2

23 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
今後の展望 2012 AeroPac 100k Project　加速度データ Time [sec] Acceleration (z) [g] 5 10 15 20 25 30 -5 -10 40 50 無重量環境 第二段 エンジン 燃焼 慣性 飛行 降下 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

24 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

25 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 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 可変動吸振器の一例　ⓒ九州大学

26 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 ヒータを抜いて，もっと予算を削減したい．
CanSatサイズにしては，高い(´∀｀∩)

27 スケジュール 4-7月 月 週 ARLISS Extreme AXELSPACE CUP 開発計画 主な項目 4 1 第一回審査会 設計
スケジュール　4-7月 月 週 ARLISS Extreme AXELSPACE CUP 開発計画 主な項目 4 1 第一回審査会 設計 機構検討 2 全体システム検討 3 5 BBM製作 構造試作 6 回路試作 7 制御ソフト試作 8 単機能試験 9 EM製作 BBM統合 10 不足パーツ製作 11 統合プログラム 12 構造製作 13 EM試験 基盤設計・製作 14 第二回審査会 要求に対応する試験 15 EM修正 EM再設計 16 国内審査会締め切り 未達成事項の取捨 17 EM試験&修正 課題点の発見と改善

28 スケジュール 7-10月 月 週 ARLISS Extreme AXELSPACE CUP 開発計画 主な項目 7 18 FM製作 8 19
スケジュール　7-10月 月 週 ARLISS Extreme AXELSPACE CUP 開発計画 主な項目 7 18 FM製作 8 19 20 FM試験 End-to-End試験 21 能代宇宙イベント ミッション成功可能性の評価 22 FM修正 動作確認 9 23 ARLISS用持ち物確認 24 データ解析 取得データ整理 25 26 報告書作成 27 ミッション評価 10 28 引き継ぎ資料作成 29 最終審査会 ミッション完了報告書

29 既存のロケットの制振技術 構造設計が単純であるため信頼性が高い ・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 制振ペイロードアダプタ 煙道による音響振動低減 振動低減用アイソレータ イプシロンのアイソレータを調査． アイソレータと今回製作する可変動吸振器との比較．何故可変にする必要があるのか？ 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

30 メンバー 名前 学年 CanSat開発経験 田中 優一郎 M1 濱島 大輝 鈴木 聡太 俵 京佑 宮里 和良 安部 拓洋 B4 泉 裕一朗
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 鈴木　聡太 無し 俵　　京佑 宮里　和良 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　　　裕一朗 上田　直樹 太田　佳 小沢　尭也 倉重　宏康 古賀　将哉 高橋　正人 宝来　亮汰 山村　悟史

31 システム要求 RS番号 フェーズ システム要求 1 出場 コンポネントのモジュール化が可能であること 2
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 3 CanSatの質量が350g程度であること 4 ARLISS Extremeまでに全試験を終えることが可能であること 5 動作試験が容易であること 6 設計 運用しやすい設計であること 7 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 8 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 9 外部環境が低温（TBD℃まで）でも動作可能であること 10 外部環境が低圧（TBDPaまで）でも動作可能であること 11 保温のための装置を備えていること 12 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 13 通信・記録 microSDにデータの保存が可能 14 積み込みから回収まで（TBD）時間電池が持続 15 タイマーで時間を測れること 16 温度が測定可能であること（精度：TBD） 17 圧力が測定可能であること（精度：TBD） 18 加速度が測定可能であること（精度：TBD） 19 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 振動軽減 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 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． 24 可変動吸振器の吸収できる周波数がTBDHz～TBDHzであること 25 上昇 第一段燃焼時の静荷重(TBDG)に耐える 26 第二段燃焼時の静荷重(TBDG)に耐える 27 第一段燃焼時の振動（TBDGRMS）に耐える 28 第二段燃焼時の振動（TBDGRMS）に耐える 29 第二段分離時の衝撃に耐える 30 放出 ノーズコーン放出時の衝撃(TBDG)に耐える 31 ドローグ展開時の衝撃(TBDG)に耐える 32 メインパラシュート展開時の衝撃(TBDG)に耐える 33 落下 高度を計測できる（精度TBDｍ） 34 着地 着地時の衝撃(TBDG)に耐える 35 着地が検知できる

32 試験予定 試験番号 試験名 試験内容概略 対応要求 フェーズ - 試験の必要なしと判断 R1 R4 R5 1 キャリア収納試験
- 試験の必要なしと判断 R1 R4 R5 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 R2 EM・FM R7 2 重量計測試験 重量を計測する R3 3 アセンブリ試験 分解・組み立てに要する時間を計測 R6 4 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 5 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 R11 6 耐圧試験 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 R10 7 データ保存試験 センサーデータの保存が可能か試験する R13 BBM 8 電力耐久試験 ミッション時間以上バッテリー電圧が保つか試験する R14 9 タイマー動作試験 タイマーの動作が可能か試験する R15 10 温度センサ動作試験 温度センサの動作が可能か試験する R16 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 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 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 14 カメラ動作試験 カメラの動作が可能か試験する R20 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 16 客室振動軽減試験 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 R12 R22 R23 R24 17 耐荷重耐久試験 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 R25 R26 18 耐振動耐久試験 CanSatを加振器に取り付け振動に耐えられるか試験する R27 R28 19 耐衝撃試験 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 R29 R30 R31 R32 R34 20 高度計測試験 高度の計測が可能かどうか試験する R33 21 着地検知試験 着地の検知が可能かどうか試験する R35 22 End to End試験 ミッションの最初から最後まで動作可能か試験する R全て

33 開発中の宇宙船 ©Scaled Composites ©SpaceX ©Blue origin ©SpaceX
©Bigelow Aerospace

34 ノイズキャンセル技術 ©戸田建設(株) 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。 ©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 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