小型ハイブリッド用フライトシミュレータの開発

村井研2期目(Arch)のWIP発表です．
実装: https://github.com/sk2sat/trochia

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1. 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
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2. 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！
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3. 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
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4. 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
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5. 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
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   落下分散図 by 神Excel
   

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6. 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）
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7. 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
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8. 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
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9. 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
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   ランチャ仰角
   

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10. 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
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11. 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）
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12. 評価
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    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
    

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13. 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
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14. 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...
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15. 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）
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16. 以降予備スライド
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17. 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
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18. 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
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19. 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
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    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
    

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20. 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
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21. GitHub Actionsによる自動ビルド・リリース
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    ・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
    

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