2019シーズンのモデルロケット総括

私にとってのモデルロケット2019シーズンが終わったので総括しておく。

まずは、植松電機とHASTICの主催によるスペースプローブコンテストのロケット部門。

まずは、主催者による動画が公開されたので、ここに紹介しておく。

成績としては優勝であり、B型エンジンで2回、C型エンジンで1回の打ち上げに耐えたことがますは一つの成果。
そして後日、北海道モデルロケット開会でもデモンストレーション打ち上げを行い、無事に回収できた。

ただし、おそらくは3回目のC型エンジンでの打ち上げで、逆噴射時にインナーチューブに火が付いた模様。

それでもその後、B型による打ち上げに影響が出なかったことは大きな成果であると考える。

ロケット開発はいかに最低限の強度を攻めるかがだいご味だから。

 

一番心配していたのがノーズコーンのはめ合わせ部の損傷であり、その部分については発泡スチレンと薄いコピー紙の複合材料を使うことで4回以上の繰り返し使用に耐えることが分かった。

来年度に向けては特にピストンランチャーの完成度の向上を目指したい。

 

 

で、北海道モデルロケット大会。

高度競技で1位、定点着地競技で2位。

何よりの反省点は、高度200mに全く届かない残念な結果であったことだ。理由としては運搬中にフィンを折ってしまってマスキングテープで応急手当しての打ち上げになってしまったことなど、本来の性能を十分に発揮できなかったことだ。
いくら工夫して作った機体でも本番で正しく打ち上げられなければ意味がないことを思い知らされた大会であった。

来年度はとにかく完璧な打ち上げを目指して努力したい。

なお、北海道モデルロケット大会も動画が公表されている。

 

CNCルータの導入② コントローラの修正他

コントローラソフトは当初,Core i5 8265Uのノートマシンにインストールした。このノートにコントローラをUSB接続したが機器を認識しない。

CNCマシンのスピンドルはPCからの制御に関係なく電源を入れればVRによって回転数を制御できる。

しかし,XYZ軸のモータはウンともスンともいわない。それどころか,コントローラボックスについているFANも動かない。

これは・・・と思い,ボックスのカバーを開けてみると,制御ボードについている緑色のLEDが点灯していない。

スピンドルと制御ボードは別の電源装置が内蔵されていてて,スピンドル側は正常だが,ボード用の電源が異常かも?ということで電圧を測ってみるとなんと3V。

ボードにもFANにも電源装置にも24Vと書かれているのに。

電源装置には220Vと110Vに切り替えられるようなシールが貼られている。しかし,そのスイッチはカバーの中にあるようだ。

果たして,電源装置のカバーを開けてみると,スライドスイッチが220V側になっていた。これを110V側に設定してカバーを組付け,電源ON。

FANも回りだし,ボード上のLEDも点灯。どうやらコントローラボックスは正常に動き出したらしい。

 

 

しかーし,やっぱりPCはこの機器を認識しない。ソフトウエアの再インストールとかもやってみたがダメ。

仕方がないので,古いノート(Win10 32bit版)にインストールしてみると,無事,認識してくれた。

かくして,わがCNCは無事,使えるようになりましたとさ。めでたしめでたし。

その後,もう一度新しいノートにインストールを試みるが,失敗。

 

CNCルータの導入①

以前から欲しいと思っていたCNCを晴れて購入した。

CNCを選ぶときには加工可能範囲の大きさをはじめ、本体の剛性やスピンドルモーターのパワー、耐久性、インターフェイスや付属ソフトなど考慮すべき条件は多い。

購入にあたり、FaceBookの「格安中華性CNCを立派に育てよう会」に相談し、多くのアドバイスをいただいた。この場を借りてお礼申し上げます。

今回は通称3040サイズで比較的剛性の高そうな機種を選んだ。4軸で10万円強と言うことで、まずずリーズナブルな値段。

CNC 3040 4-Axis 500W Engraving Machine Cutting Router Engraver & USB CNC Cable

このChinaCNCzoneというショップが工場の様子や品質管理などをebay上に公開していて信頼できそうな雰囲気が感じられたのが大きな要因である。

11月28日に発注して29日には発送、12月6日には到着したので、中国からの輸入としては早かったのではないかと思う。

届いた箱がこれ。

開梱途中。

コントローラ以外の内容

チェックリストが入っていて、傷はないかとか動きはスムーズか・・・等、チェックしたぞアピールがされている。

同梱のDVDの内容。

組み立ては基本的には3軸分のステッピングモーターを組み付けてコネクタで配線するだけ。30分ほどで完了。

マニュアルは英文。ただし、説明中のファイル名やソフト中のメニュー項目には中国語もみられる。
コントロールソフトはUSBCNCというソフトが添付されている。ソフトは英語だが、フランス語やイタリア語なども選べる。日本語は選べない。

 

インストールするとこんな画面。

サンプルファイルを読み込んだところ。

当面はこのサンプルを削り出すことを目指す。

・・・が,動かない。動くようになるまでについては次の投稿で。

 

バロウマン方程式によるCP(圧力中心)の求め方

日本語のサイトでよく紹介されている厚紙切り抜き法は安定度が過多になる問題を先の投稿で指摘した。そこでもっとモデルロケット向きの圧力中心の求め方ということで主流となるのがバロウマン方程式によるものだ。

先のシンプルロケットを例にするなら,ノーズとフィン,そして全長のサイズが決まれば電卓で計算できるというものだ。

では早速やってみよう。

まず,ノーズコーン要素についてパーツの圧力(C)と圧力中心位置(X)を求める。

 

ノーズコーンのCは2と決まっているらしく,圧力中心はノーズコーンの形によってきまる。円錐型なら0.666,オジーブ型なら0.466ということだ。これらを掛け合わせると圧力重心位置が求められる。

先のシンプルロケットなら長さ50㎜の円錐形なので

パーツの圧力C=2パーツの圧力中心位置は33.3㎜,圧力容積は66.6となる。

フィンはもうちょっとややこしい。とりあえず,台形のフィン4枚ということで計算。

図中の式に数値を当てはめてそれぞれの値を求める。

横に書くとこんな感じ。Excelなどに入れるのに便利かも。

Cnフィン=(1+Lfs/(Lfs+r))(4n(Lfs/d))^2)/(1+sqrt(1+(2Lfmc/(2Lfmc/(Lfc+Lfr)^2)))

Xcフィン=Xf+Lfsl/3(Lfr+2Lfc)/(Lfr+Lfc)+1/6(Lfr+Lfc)-(Lfr・Lfc)/(Lfr+Lfc))

フィン付け根までの距離17.7㎝フィンの根元・先端・高さそれぞれ2.3㎝や後退幅1㎝、中点長さ2.51㎝などを当てはめるとCnフィン=10.55

Xcフィン=204.7が得られる。
これらを図中の表に当てはめると16.31㎝が得られる。

ロケットのてっぺんから16.31㎝がバロウマン法による圧力中心となる。

 

なお、バロウマン方程式はもっと複雑な形のロケットにも対応できるようにできていて、ボディの途中で膨らんでいたり、ボートテイルになっていたりしても圧力中心が求められる。細かなところは書籍「手作りロケット入門 モデルロケットの基礎から制s飼うソフト「RockSim」の解説まで」を読んでほしい。

 

圧力中心(CP)の問題点(特に厚紙切り抜き法による場合)

先の二つの記事で「簡易な」方法を紹介した。

日本語で読めるモデルロケットの情報でCP(圧力中心)について述べられたもののほとんどが,この簡易な方法である。

しかし,この方法は大きな問題点を含んでいると考える。

厚紙切り抜き法(カードボードカットアウト法)で求められるCPは静止状態の機体が真横から風を受けた時に,上下均等に力がかかる中心点である。
飛行状態のロケットが外乱を受けた時に定常状態に戻そうとする力の中心とはずれがあるということである。

よりロケットが飛ぶ状態でのCPを求めることができるのがロケットシミュレータである。

先の厚紙切り抜き法で求めたCPが爪楊枝の位置。

 

これをフリーのモデルロケット設計ソフトOpenRocketでシミュレートしてみると、下の図のようになる。

赤い点がCPなので,上の写真と比べると3センチ以上違っているのが分かる。

安定度(重心がどれだけ圧力中心の前にあるか、直径の何倍かで表した数)を1とするなら、オモリは本当に少量で足りるか、組み立て時の接着剤の使い方などによっては必要なくなってしまうくらいである。

こうしてみると、カードボードカットアウト法で設計すると極端に安定度が高い機体が出来上がることになる。

「安定度が高いのはいいことじゃん。」と思われがちだが、極端に高いと風見効果も強く出る。つまり上昇せずにどんどん風上に向かい、下手をすると水平飛行をしてしまいかねない。

よくモデルロケットの安定度を確認するために、重心位置にひもをつけて頭の上でぐるぐる振り回して確認することが奨励されているが、安定度が過大な機体はこのテストでは風見効果の過大を見つけることができない。

というわけで、厚紙切り抜き法で求めたCPを元にロケットを設計した時には、風上方向に突き進んでしまう可能性を念頭に飛ばさなくてはならない。

ちなみに私はOpenRocketで計算された圧力中心を元に様々なロケットを作ってきたが、今のところどれもそこそこ安定して飛ばすことができている。

ネットをを見るとその他の設計ソフト、例えばRockSimなどでもまた微妙に違うシミュレーション結果が出るらしいが、いずれそれらも試してみたいと思っている。

 

簡易ロケット設計法(製作編)重心の設定について

簡易設計法では設計段階で重心位置を予測することができない。

実際に作ってから、重心位置を合わせるためにオモリを積むことにする。

というわけで、手元にあったスケッチブックでとりあえず作ってみることにする。

まずは画用紙に作図。

こんなスケッチブックから画用紙を一枚ちぎってきて作図。

ボディチューブは高さ㎜×幅18㎜×3.14+10㎜(のりしろ)

細い棒に巻き付けて癖をつけてから両面テープを張る。

18㎜の丸棒(今回は使用済みのロケットエンジンで代用)に巻き付け輪ゴムで仮止め。

両面テープの剥離紙をわきからちょっとずつ剥がしながら丸棒にきっちり巻き付くように張り合わせていく。

ノーズコーンは√(9^2+50.7^2)=50.8を半径とした円弧を描き、中心角 9/50*360=64.8度で切り取る。

のりしろを忘れずに。

これを丸めてのりしろで貼ればノーズコーンの形になる。

はめ合わせのために短いパイプをつけてやれば出来上がり。

ウイングは2枚重ねのものにのりしろをつけた形で一続きに切り抜く。両端と途中のフィンを張り合わせればあとはボディチューブにはめるだけの形に出来上がる。

モーターフックはエレキギターの弦を曲げて作ると軽いものができる。

適当な長さに切った弦を二つ折りに曲げてからモーターの長さに曲げる。

モーターが脱落すると危険飛行ということで失格になるので十分に注意してつくること。

ボディーチューブとノーズコーンが生き別れにならないようにゴムひもで繋ぐ。

今回は紙飛行機用品を販売している「あおぞら」で販売しているゴムカタパルト用を使った。

モデルロケットは回収用にパラシュートかストリーマをつけることになる。

今回は簡単にストリーマを採用。

材質はアルミ蒸着ポリエステル。サバイバルシートとして市販されているものを使った。

 

これを帯状に切ってアラミド糸に縛り付けたつまようじに張り付ける。

ポリエステルもアラミド糸も比較的熱に強いので、リカバリワディングはなくても大丈夫。

これを蛇腹に折って、糸の端を輪になるように縛れば出来上がり。

この輪を使って糸ゴムに縛り付ける。

いよいよ重心の設定。

まずは、切り抜き法で調べた圧力中心の位置を機体にマーキング。

新しいモーターを取り付けて、ノーズコーンにはラップに包んだ油粘土を押し込む。

見ずらいが、輪ゴムのところから糸でぶら下げて釣り合いが取れている様子。

黒のフェルトペンでつけた圧力中心よりもノーズ側で釣り合いが取れていればひとまずO.K.

これで、ひとまず「圧力中心よりも重心が前にある」という条件を満たしたロケットの出来上がり。

もう一度言うが、これはあくまでも「簡易的な方法」である。
バロウマン法などで計算すると、もっとずっと後ろに圧力中心が見つかることから、切り抜き法は随分安定度が過大になる傾向があると思われる。

 

 

ロケット設計法(経験則による簡易な方法)圧力中心について

ネットを検索するとモデルロケットの作り方は結構出てくる。しかし、設計についてはなかなかまとまったものが見当たらない。ということで、自分なりの設計法をまとめておこうと思う。

ここでは北海道モデルロケット大会高度競技用機体を例にとる。

最も原始的な設計法。大まかな寸法の比率の経験則を元にする方法。

あくまでも簡易化された方法で、性能を追求するものではないことに注意!

まず、直径を18㎜とする。競技の規定上も18㎜以上とされているが、モーターの直径が17.5㎜であり、それにボディチューブの厚みを見込んでのサイズである。

一般に全長はその10倍以上が無難とされているが、規定上は200㎜を下回ることができない。そこで200㎜が決まる。

ノーズコーン長は直径の3倍程度と言われているのでざっくりと50㎜。ボディチューブは150㎜が決まる。

フィンは縦横が直径19㎜の1.2倍を目安にするということなので、縦横2.3㎜を基準に好みの形にデザインする。

というわけで描いたのがこんな感じ。ちなみに、さらに長い方が安定しやすいらしい。

これで設計は終わりではない。

モデルロケットがきちんと飛ぶためには圧力中心と重心の関係が重要である。

圧力中心とは空気の流れの中でかかる圧力がどのような点で釣り合いがとれるかを求めるものである。

最も原始的な方法はカードボードカットアウト法(厚紙切り抜き法)と呼ばれる。平面図を厚紙に貼り、シルエットを切り抜いたものを定規などに乗せて釣り合いのとれる点を探すというものだ。

この点につまようじなどを貼り付けて扇風機の風を当ててみると、機首側にもテール側にも均等に力がかかることが実感できる。

ただし、これは迎え角90度という、最もきつい条件の中での圧力中心であり、実際のモデルロケットはもっと迎え角の小さい状態を想定してもよいのではないかと言われている。もっと性能を追求した圧力中心の求め方は別途触れたいと思う。

重心を決めるためには実際に作ってみるのが一番。

というわけで、製作編へ続く。

 

スチレンフォームのノーズコーンの製作

スチレンフォーム(日本ではスタイロフォームという商品名が有名)によるノーズコーンを作ってみた。

まずは材料を丸く切り抜く。

適当な大きさのものをいろいろな大きさで作って、自分の作りたい形に積み重ねる。

張り合わせには100均のスチロール用ボンドを使った。

重ねたものに芯を差し込んでボール盤に取り付け、粗い紙やすりで大まかに成型。

あまり粗い紙やすりを使うとぽろぽろと材料がかけてしまった。

今回はそんな穴を軽量粘土で埋めた。

乾いたところで240番くらいの紙やすりでやさしく削って仕上げた。

このノーズコーンは定点着地用ロケットようち作ったもの。

安定を犠牲にせずに横からの風を受けにくいようにと細長い胴体に大きなノーズコーンで全面投影面積の増大を狙った。

結果は普通に安定して飛ぶ機体を作った方がよかったかも。

 

 

紙飛行機のキャリングケースの製作

11月2日・3日の二宮康明杯全日本紙飛行機選手権大会に向けてキャリングケースを更新することにした。

これまでは2つのケースで遠征していたが、空気を運んでいるような軽いケースであっても大きなケースを二つ抱えて電車などに乗るのは結構しんどかった。

ちょっと大きくなっても一つで済むように新しいものを用意する。

右の黒いのがこれまでのもので、左の青い工具箱が新しいもの。

まず、底板となる2.5㎜ベニヤ板を切る。

ダイソーの「切って使える仕切り板」を立てて、主翼を支えられるようにする。

この仕切り板をベニヤに立てられるようにヒノキの角材に木ネジで固定。

これを木工ボンドで底板に張り付ける。

スパン20㎝までの機体を2列収められるようにした。

残ったスペースにはカタパルトやサングラスなどを収められるようにベニヤの仕切りを立てた。

今回はスチレン機(ジェット)も収めることができた。

というわけで、出陣の準備は整った。

(機体の調整以外は・・・)

小型ロケット用タワーランチャー #Tower Launcher

北海道モデルロケット大会に向けて作ったタワーランチャー。

タワーランチャーは基本的に機体の直径ごとに用意しなくてはならない。

今回は18㎜規格の機体向けということで、ランチャーの内径は20㎜と想定した。

きつければ抵抗になって飛翔高度を下げることになるし、だからと言ってガバガバで余裕をとりすぎるとどこに飛んでいくかわからないということになる。

これが全体写真。

スタンドと、タワーランチャ本体ははめ込み式。

ランチャ本体上部から。

ランチャー本体底部から。

スタンドはハードオフでみつけた、スネアドラム練習パッドのスタンドを流用した。500円なり。

タワーランチャー本体は18㎜のアルミパイプに太さ調節用の養生テープを貼り、角度や間隔を調整する木製パーツを付加したもの。

ただ、固定のためには粘着テープや太めの輪ゴムなどを使い、今後の機体の微妙な変化に対応する余地を残してある。