小型ハイブリッドロケット用 フライトシミュレータの開発 Arch B1 sksat 親: macchan-san 1

モチベーション ・COREという学生ロケットサークルに所属 ・開発中や安全審査で飛行のシミュレーションを行う ・今使っているシミュレータは色々ダメ ・作り直そう！ 2

学生ロケットとは？ ・大学の研究室やサークルによる小型ハイブリッドロケットの開発・打上 ・機体・電装・エンジンなど全て自作 ・能代や伊豆大島で打上実験 3

シミュレーション ・ロケットがどのように飛行するか？ ・設計時・安全審査に用いる 4

既存のシミュレータ(FROGS)の問題点 ・扱える人が少ない ・Matlab製 → ライセンスを持っていないメンバーがいる ・メンテナンス性がとても悪い（関数に分けたりしてない） ・使用時の手間が多い ・計算が遅い 5 落下分散図 by 神Excel

目的 ・誰でも使えるようにしたい： not matlab ・簡単に使えるようにしたい ・「今の設計だとどれくらい飛ぶのか？」をもっと簡単に ・シミュレーション担当以外でも使えるように ・簡単・正確に可視化したい ・高速化（できれば） 6

先行事例 ・FROGS（COREで使用） ← ・OpenRocket ←プロトタイプ検討には良いが ... ・ForRocket（他団体OBが開発） ・OpenTsiolokvsky（IST） OSS文化があまり無い：そもそも少ない 正解は物理　→　reference implementationは無い 7

今回開発したシミュレータ(trochia) ・GitHubで公開: https://github.com/sk2sat/trochia/ ・C++17，LoC: 1300，マルチプラットフォーム対応 ・GitHub ActionsでWindows, Mac, Linux向けバイナリを自動ビルド ・改良点 ・TOMLファイルによるパラメータ入力 ・落下分散図の出力スクリプト付属（ FROGSからも使用可能） ・数値積分の改良 8

TOMLファイルによるパラメータ入力 ・複数条件で計算したい（ランチャ仰角，風向，風速， etc） ・FROGS:　毎回条件を指定 ・trochia:　config.tomlで範囲を指定，一括実行 ・ランチャ仰角70°〜85°，風向16方位，風速1〜7m/s，など ・output/ランチャ仰角/風速/風向　に計算結果を出力 9 ランチャ仰角

落下分散図の出力 ・GHP(相対座標)をファイルに出力 ・簡単なスクリプトで緯度・経度に変換 ・国土地理院のAPIを使って可視化←正確 ・相対座標のGHPファイルさえあればいい ・FROGSからも使用可能 ・移行期間中も使える 10

数値積分 ・FROGS：回転運動は4次精度(RK4)，並進運動は1次精度(オイラー法)，時間刻み固定 ・trochia ・デフォルトで全て4次精度 ・後からソルバを簡単に追加可能（ C++のtemplateを使って抽象化） ・時間刻みはconfig.tomlで指定（任意） 11

評価 12 trochia FROGS OpenRocket 配布形式 ソース・バイナリ ソース OpenRocket.jar 実行に必要なもの 無し Matlab JRE コマンドライン実行 ◯ △ ☓ パラメータの入力 config.toml 配列に代入 GUIで入力 計算・可視化に必要な操作数 3 2N ☓ 計算精度 デフォルト4次 1次＋4次 4次 N: 検討する仰角の数

評価（２） ・計算時間の短縮 　・検証環境：Arch Linux, AMD Ryzen 5 3600 　・弾道落下時，地上風速 1~7m/s，風向9,17方位を連続実行 　・FROGS：1ケースあたり平均1.2s 　・trochia ：1ケースあたり平均0.2s 　・5.6〜5.8倍の高速化 13

今後 ・風向風速制限表の自動生成 ←できました ・空力周りのバグ修正 ・FROGSの結果と比較して妥当性検証 ・3月の伊豆大島共同打上実験を通しての妥当性検証 ・プラットフォーム毎の計算精度の検証，精度保証付き数値計算ライブラリの使用検討 ・燃焼試験データのオープンデータ化 ・高度11km以上の大気モデルの実装，ペイロード・多段ロケットの実装，パラメータ最適化， etc... 14

参考文献 ・田辺英二．ロケットシステム（ 1999） ・George P. Sutton. ; ロケット推進工学．望月晶訳．（ 1992） ・import Avio．小型ハイブリッドロケットノウハウ vol.1．（2019） ・伊里正男，藤野和建．数値計算の常識．（ 1985） 15

以降予備スライド 16

ハイブリッドロケットとは？ ・固体の燃料と液体の酸化剤を用いるロケット ・固体燃料ロケットと液体燃料ロケットのいいとこ取り ・大型化は難しく，実用例はまだスペースシップワンのみ ・本質的に”爆発”しないため，比較的安全 ・学生でも開発・打上を行うことができる 17

安全審査 ・比較的安全　！＝　安全 こっちに飛んできたら死ぬ ) ・学生運営(経験者)が事前・直前に安全審査を行う ・構造系・推進系・燃焼実験計画・搭載計器・シミュレーションについて審査 ・容赦無く落とされる(大抵第2,3次で合格) ・1つでも落とされたらもちろん打てない 18

シミュレーション審査 ・安定して飛行するか？ ・C D , C Nα はCFDで計算 ・どこに落ちるか？ ・風の影響が大きい ・落下可能域が設定されている ・「打ったら落下可能域外に落ちる」風向・風速条件を出す 19 伊豆大島共同打上実験の落下可能域 左：陸打ち　右：海打ち 風向風速制限表の例

現行のシミュレータ(FROGS) ・Matlab製 → インカレなので困ることがある ・迫真のインデント無し・関数定義無し ・入力はパラメータ一覧を配列に代入 ・落下分散図は神Excelにコピペしてプロット ・回転はRK4だが並進は1次のオイラー法(！！) ・色々とひどい 20

GitHub Actionsによる自動ビルド・リリース 21 ・ほとんどの人はWindows or Mac ・Linuxで開発したい ・cmakeでビルド ・CIでWin,Mac,Linux向けにビルド