実験的応力解析:HBK製品を使用して学生のロケットが大気圏外に到達

 

Eidgene ö ssische Technische Hochule Zurich(ETHチューリッヒ公立研究大学)におけるアカデミック・スペース・イニシアチブ・スイス(ARIS)の学生たちは、2017年から研究用ロケットを建設しています。2020年/21日には、50名以上の意欲的な学生のチームがPICCARDプロジェクトの一環として第4世代の研究ロケットを製作し、ポルトガルのEuropean Rocketry Challenge(EuRoC)に参加しました。

 

彼らの目標は、「学生がPICCARDの研究用ロケットを使用して、標高3万フィートに達するエンジンを研究開発」というカテゴリーで賞を獲得することでした。この研究用ロケットには、学生たちが開発したハイブリッド推進用エンジンが、初めて搭載されました。このシステムの機能性は、2021年10月にEuRoCでの打ち上げが成功したことで実証されました。ロケットの機体に組み込まれた負荷測定をする新しい監視システムがこの成功を支えました。このシステムで使用されているHBKひずみゲージは、フライトのすべてのフェーズで発生する曲げモーメントと軸力に関する貴重な情報を提供しました。

 

その後、研究ロケットをさらに最適化し、ニューメキシコ州のスペースポート・アメリカ・カップ2022への参加を成功させるための基盤にしました。Helvetiaのフォローアップミッションの一環として、チームは4キログラムのペイロードを3万フィートの高さまで運び、ロケットのすべての部分を安全に地球に戻すことに成功したいと考えています。

課題

ロケットの航空機体は、飛行中にかなりのストレスにさらされます。このストレスの一部は、シミュレーションによって確認できます。ただし、パラシュートが開いたときの風やドラッグ力の衝撃など、影響を与える重要な要因の一部は、シミュレーションでは正確に決定できません。同時に、ミッションの目標達成に必要な最大の強度を備えた軽量のロケット航空構造を作り出すためには、すべての負荷関連要因に関する信頼性の高いデータが必要です。 

ソリューション

実際の飛行条件下でPICCARDロケットの機体構造に作用する荷重を検証し、必要に応じて補正するため、実際に発生する曲げモーメントと軸力を監視するシステムをロケットに搭載しました。HBKひずみゲージは、この実験的応力解析システムの中心に使用され、過酷な条件下でも意味のある測定結果を確実に提供します。得られた情報は、ロケット航空構造がフライトのすべてのフェーズを通じて適用される荷重をより深く理解し、各構造部品の最適化を可能にします。

まとめ

これまで、ARISチームは、単純な仮定をシミュレーションで使用して、純粋に分析的に飛行中にロケットに作用する力を確立してきましたが、PICCARDミッションでは初めて専用の監視システムを使用しました。これより、頑丈なひずみゲージをロケットに組み込み、ロケットの航空機体構造に作用する負荷に関する有用な情報を入手しました。実際のテストフライトで構造応力解析中に記録された曲げモーメントと軸力により、すべての荷重ベアリング構造部品の設計が最適な結果を得るために重量配分を最適化できました。これで、ニューメキシコ州のスペースポートアメリカカップ2022に参加するための準備が十分に整いました。

ETHチューリッヒの学生が星を目指す

非営利団体であるアカデミック・スペース・イニシアチブ・スイスは、2017年8月にETHチューリッヒの公立研究大学で設立されました。それ以来、理論的な知識を実践的なプロジェクトに導入することを学生に奨励してきました。そこで、ARISチームは若い学者や意欲的な非営利団体のために世界各地で競技に参加できるロケットを開発しています。

2020年には、PICCARDプロジェクトで第4回ARISミッションが開始されました。このミッションの目的は、ニューメキシコ州のスペースポート・アメリカ・カップ2022で優勝することです。この競争では、このチームは4キログラムのペイロードを30,000フィートの高さに運び、その後、すべてのコンポーネントを安全に地球に戻すロケットの制作を計画しています。これを達成するために、50名の意欲的な学生がまったく新しいPICCARDロケットを開発しました。

推進エンジン技術を外注した先行組とは異なり、PICCARDの学生は独自にハイブリッド推進エンジンを開発しました。この新しいロケットは、ポルトガルのEuropean Rocketry Challengeで初めての飛行を成功させ、システムが機能することを実証しました。

さらに、PICCARDチームは、新エンジンに加えて、初めてロケットに内蔵されたHBKひずみゲージをベースとしたモニタリングシステムを採用しました。PICCARDチームは、飛行中に貴重なデータを収集し、ニューメキシコ州でのロケットの打ち上げを成功させるために、最適化の数値目標を決定し軽量で頑丈なロケット構造体を製作できるようになりました。

最適なロケット機体構造を実現する積極的な手法

PICCARDロケットが大気圏外への飛行を無事に達成し、地球に帰還するためには、十分に頑丈な航空機体構造が不可欠です。フライトのすべての段階で発生するすべての負荷に対応しながら、できるだけ軽量化する必要があります。それはロケットと搭載貨物を目的の高度に自力で推進する唯一の方式です。そのため、飛行中に構造体に作用する可能性のあるすべての負荷を正確に把握し、ロケットに最小の重量で最大限の強度を与えられるようにする必要があります。

PICCARDの開発中に、受講者はシミュレーションを使用して、ロケットの機体を設計するための最も重要な基本パラメータを決定しました。ただし、モデルは、風など、予測が困難な外部の影響を大まかに把握しているだけです。一方、飛行中の実測定では、実際に発生する力に関する正確なデータが得られ、空力構造の最適な設計が可能になります。

飛行ミッションモニタリングシステムの成功

別のサブプロジェクトでは、学生たちはPICCARDミッション用の軽量で実装が容易なうえ、正確な飛行時の負荷を計測するモニタリングシステムを開発しました。完成したシステムは、ロケットのタンクの上に設置され、ロケットの飛行中に発生する曲げモーメントと軸力を記録することができます。このデータは、2022スペースポート・アメリカ・カップで最初に行われることを目指して、ロケットの構造部品の設計をさらに最適化するための基盤となります。

合計3つのホイートストンブリッジが、x方向とy方向のモーメント用に2つ、z方向の軸力用に1つずつ、それぞれ2つのHBKひずみゲージを備えた監視システムに取り付けられ、荷重を測定しました。ひずみゲージは、ロケットのカーボンファイバーシェルの内側に取り付けられていました。350Ωひずみゲージを使用し、高精度電圧3.3 Vを供給しました。すべての信号ケーブルはシールドされ、最適な信号品質を確保し、回路基板に接地されています。これまでのテストでは、モジュールから発生したノイズはほとんどないことが示されていました。センサは、3点曲げテストによって校正されました。曲げ荷重の大きさは、最大荷重の4分の3を使用しました。

曲げモーメント測定用のひずみゲージ設定により、変形は軸力と温度によって補正されました。一方で、軸力の測定の設定では、曲げ力と垂直力によって生じる力の成分を測定し、温度効果による変形に対してのみ補償するようにしました。軸力に関する情報を直接得るには、この測定データをさらに処理する必要があります。

正確なデータにより、構造部品を最適化

この新しいモニタリングシステムは、ポルトガルでの初回の使用時にその機能を実証しました。フライト中の負荷を確実に測定し、期待されるほとんどのデータを配信しました。X方向とY方向の軸力と曲げモーメントは、ロケットの打ち上げから飛行の遠地点(最高到達点)まで正確に決定できます。

残念ながら、地球に帰還している間に意味のあるデータを収集することはできませんでした。パラシュートシステムの技術的な不具合により、パラシュートは最高到達点で計画どおりに展開されませんでした。ロケットが240 m/sの速度で降下していたときに、遅れて開放されましたが、この時点での衝撃力は非常に大きく、ロケットが壊れてしまいました。

下降時の測定値が不足しているにもかかわらず、このデータ全体ではシステムの理解を深めることができました。このように、PICCARDロケット航空機体の空力構造をさらに最適化し、2022スペースポート・アメリカ・カップでの勝利の可能性が高まりました。

HBKは最高の結果をもたらします

今回開発したモニタリングシステムに採用する計測技術を選択する際には、HBKのひずみゲージが最適でした。この決定は、過去の肯定的な経験と、最も厳しい環境条件でも正確な結果を提供する測定技術のサプライヤとしての企業の国際的な評判に基づいています。もう1つの利点は、ひずみゲージを簡単に統合できることで、HBKの「プラグアンドメジャー」という約束を実現できることでした。また、HBKチームはPICCARDプロジェクトのサポートにも協力し、有益な技術情報を提供しました。これに加えて、HBKのミッションの目標を特定することで、将来のコラボレーションやプロジェクトのさらなる成功に向けて説得力のある議論が行われます。

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ARISとETH Zurichについての説明

ETH Zurich public research university (ETH チューリッヒ公立研究大学)にある、Academic Space Initiative Switzerland (スイスの学術宇宙イニシアチブでは、意欲的な学生が2017年からロケットの建設に集中的に取り組んでいます。彼らの目標は、さまざまな航空宇宙競技に参加することにより理論的な知識を応用し、深めることです。ETHチューリッヒは、技術と自然科学を専門とする大学です。1855年に設立され、現在は世界で最も有名な大学の1つとなっています。約23,000人の学部生と卒業生が16の学部に入学しています。