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宇宙

アレス1の振幅問題はショックアブソーバーで解決 61

ストーリー by hylom
正しい解決方法と言われればそういう気もする 部門より

あるAnonymous Coward 曰く、

NASAの開発している次世代有人ロケットアレスは、打ち上げ後激しい振幅が生じることがシミュレーションで分かっており、乗組員の安全や機器の正常動作に関わる恐れがあるとして解決策が練られてきた。先日NASAから発表された解決策は、アレス1にコンピュータ制御のショックアブソーバーを設けるというものであった。

バネに45Kg程の重りをつけたショックアブソーバーをロケット底部に16個、中間部には胴体を囲む輪状のショックアブソーバーが1つ設置され、振動を吸収するとのこと。基本的にトラックなどに使われるショックアブソーバーと原理は同じだそうで、これにより重量は増えてしまうが、問題となる程ではないそうだ。(Yahoo.comTechnobahn本家記事)。

もはや清清しい程の完全対症療法だが、根本的な原因解決はそれだけ難しいということだろうか。

この議論は賞味期限が切れたので、アーカイブ化されています。 新たにコメントを付けることはできません。
  • by chocopa (14067) on 2008年08月25日 17時00分 (#1409520)
    培風館「衛星設計入門」によると、H2Aの場合には衛星に要求する剛性要求に軸方向に30Hz以上、その直行方向に10Hz以上の最低固有振動数を求められています。
    そして、幾つかの周波数帯の振動の加速度、音響においても各帯域の音圧があってそれを元に、衛星設計において振動が共振してややこしいことにならないように、構造解析で共振せず耐えるように衛星は開発されるようです。

    そして、試作段階でランダム振動試験で振動を与えて確認をしていきます。

    大学が作っている超小型のキューブサットでは、サイズが小さい故に共振周波数が高くなってランダム振動に通るかどうかが見られるみたいですね。

    衛星を作る視点がそうであると言うことは、ロケット開発においても衛星に無駄な剛性を持たせないように乗り心地の良いロケットが必要で、衛星関連の書籍でも、ロケットにより乗り心地の善し悪しがあると書かれています。

    今回は、設計時のシミュレーションで洗いきれなかったのかなと思いました。
    それか、色々と平行でやっていて確認のしようが無かったのかな?
    • タレコミ本文にもあるTechnobahnの記事 [technobahn.com]によると,振動の原因は,アレス1が固体燃料エンジンを採用していることのようです.

      固体燃料エンジンでは,ガスが噴出される過程において超音速の渦が発生し,それがロケットを激しくゆさぶるそうです.そして,アレス1は固体燃料ロケットとしてはあまりに巨大であるため,NASAも渦による振動をシミュレートしきれなかったようです.

      とりあえずでかいものを作っちゃおう,なんかやばそうだけど小さくせずにおもりをつけちゃおう,というのはとてもアメリカらしい発想だと思います.

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      • 以前に読んだ川端裕人氏の「夏のロケット」は固体燃料の有人ロケットを扱ったSFだったのですが、
        ここに激しい振動で、確か「ポッピング現象」とか言ったかな、そのせいで打ち上げたロケットが
        空中分解するといった記述がありました。
        これを抑えるためにショックアブソーバを入れるという話なのかな。

        振動を軽減するにはどこかに力を逃がすクッションが必要なわけで、構造的に潰れない程度に振動に耐え、
        なおかつ共振を防ぎながら振動を減衰させていく必要があるのでしょうね。
        次世代ロケットは案外、某戦車のように「やわらかロケット」を目指したものになるのかも。

        --
        とにかく力でねじ伏せていくのはアメリカ人が好みそうなやり方だと思います。
        だいたい、下手な技巧を凝らさずともパワー勝負で勝てばいいのなら、それが一番「分かりやすい」ってもんです。
        # 加速勝負のゼロヨンレースが大人気なのもそういう理由だと思います。
        イギリス人は非力なエンジンを徹底的に軽量化したボディで補ってセブンを作りましたが、 [yahoo.co.jp]
        アメリカ人はさっさと大排気量のV8に積み換えてコブラを作りましたから。 [carview.co.jp]
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      • by Anonymous Coward
        >アレス1は固体燃料ロケットとしてはあまりに巨大であるため,NASAも渦による振動をシミュレートしきれなかったようです.
        シャトルはそれを2発使っているんだけども、そっちもシミュレーションしてなかったんだろうか?
        • by Stokes (36790) on 2008年08月25日 18時48分 (#1409573) 日記

          JANの記事 [aviationnews.jp]によると,アレス1の全長はシャトルの2倍くらいある [cocolog-nifty.com]ようです.固体燃料エンジンの部分 [cocolog-nifty.com]は一回り大きい程度のようですが,シャトルに比べて大きいことは確かです.

          シャトルでは本体の脇に並べていた燃料タンクを,アレス1では縦に積み上げたようで,それによって無理が生じているような予感もします.

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        • by Anonymous Coward on 2008年08月26日 0時54分 (#1409790)
          >シャトルはそれを2発使っているんだけども、そっちもシミュレーションしてなかったんだろうか?

          シャトルの場合、巨大な燃料タンクと、これまた巨大なオービター本体に付随するブースターだったから、問題にならなかったんでしょう。
          シャトル本体の液体ロケットの方をスロットリングして、加速度の調節をすることもできたはずです。

          一方のアレスの場合、固体燃料ロケットの上にのっかるのは、シャトルに比べたら相対的に微小なペイロードです。
          シャトルのブースターに更に1セグメント追加して、燃焼時間も延ばしているはずです。
          固体燃料ロケットの素の性質が強く出てしまうのでしょうね。

          世界のロケットでは、H2Aはかなり揺れがおとなしいロケットだそうです。液体ロケットであることに加え、最初から有人飛行も可能なレベルの振動設計になっているそうです。
          一方、終了しましたが同じく日本のMVの場合、極めて振動の大きいロケットでした。固体ロケットで極限まで性能を追求した結果でしょうが、搭載機器も頑丈に作らねばならず、どこか本末転倒気味だったのが面白い所ですね。

          あり得ない話ですが、H2Bにカプセル詰んで有人飛行できたらいいですねぇ。
          アリアン5は、ソユーズ改造の宇宙船乗せてやるって話がありますけどね。
          アメリカも、アレスの開発に失敗したら、アトラスやデルタにカプセルくくりつけたりするかもね。
          親コメント
          • アトラスはマーキュリー計画後期で使われたそうです。
            親コメント
          • あれっ? (スコア:1, 興味深い)

            by Anonymous Coward on 2008年08月26日 21時39分 (#1410314)
            >H2Aはかなり揺れがおとなしいロケットだそうです。

            あれっ?!三年前に筑波宇宙センターの一般公開の時にH2Aロケット関連展示の
            説明員から聞いた話では、有人打ち上げに使うとしたら、二段目LE-5Bエンジンに
            起因する振動がきついので自分は乗りたくないですねと語っていましたが・・・・。
            もし有人打ち上げに使うのなら、信頼性向上と同時にLE-5Bエンジンの振動対策を
            しないといけないとの事。

            そういえば、次回打ち上げでは振動対策を施した改良型エンジンを搭載した二段目を
            使って打ち上げるようですね。
            http://www.jaxa.jp/press/2007/11/20071128_sac_le-5b2_j.html [www.jaxa.jp]
            親コメント
  • 中の様子 (スコア:5, おもしろおかしい)

    by Anonymous Coward on 2008年08月25日 17時52分 (#1409540)
    ((;゚Д゚)ガクガクブルブル
    (((;゚Д゚)))ガクガクブルブル
    ((((((( ;゚Д゚)))))))ガクガクブルブルガタガタブルガタガクガクガクガクガク
  • by Anonymous Coward on 2008年08月25日 18時23分 (#1409556)
    固体燃料だと燃焼室の大きさが燃えるにしたがって大きくなっていくという
    原理的な問題があるため、衝撃波や音波への根本的な対処は不可能です。
    今回の場合は耐加重150キロの自転車に100キロの人間が乗ってるようなものなので
    このような小手先の対処で何とかなるのですが、普通のロケットは耐加重が例えば105キロしかない自転車に100キロの人間を乗せてるようなものなので
    できるのはせいぜいフェアリングの内側に吸音材を貼るくらいですね。

    この音波や衝撃波問題はもちろん液体燃料にもありまして、燃焼室を大きく、比推力を稼ぐために高温にしてしまうと、ノズルや配管中の低温な液体燃料の中に泡が発生しては潰れ、その衝撃(キャビテーション)が増幅してポンプを破壊するという深刻な問題があります。いわゆる「ポゴ効果」という奴です。

    サターンV1段目のF-1エンジンはこれを克服できましたが、N-1はそれができなかったので30数個のクラスタエンジンにせざるを得ませんでした。
    後のRD-180は何とかできたようですが、R-2直系のソユーズロケットは
    今でも信頼性を優先してひとつのエンジンに4つの燃焼室を設けて
    これを回避するようになっています。

    ちなみにわが国の誇るLE-7Aは自動車ブレーキのヴェイパーロック現象を
    逆手にとって配管の途中に一種のショックアブソーバを形成し、
    回避しています。

    その他の振動はフェアリングの空力設計や構造設計シミュレーションでで何とかなりますが、
    エンジンの振動はジンバルがあったり出力調整があったりと複雑なので
    今のところ液体燃料じゃないと困難です。
    • ではなぜ初段に液体燃料が採用されなかったのでしょうか?

      重量の増える動吸振器は場当たり的・対処療法だという意見が散見されますが、
      厳しい制約のもとでは見ようによってはとてもエンジニアリングな解決策のように思えます。
      ちなみに、多数の質点(自由度)を持つ動吸振器は幅広いモードに対処可能で、
      その設計はそれほど簡単な話ではないです。
      親コメント
      • by Anonymous Coward on 2008年08月26日 3時44分 (#1409830)
        元コメントのものです。
        まず訂正。R-2>R-7です。あと、ロシアでヒドラジン系のロケットが発展したのは
        広い国土とエンジン設計者のグルシュコの趣味です。
        グルシュコはフッ素単体の採用を検討した位なので異常

        OKB-1のコロリョフが液体水素大好きなツィオルコフスキーの
        信者だったので意趣返し、というのもありますが
        低温がからむロケットエンジンは設計が難しいので嫌った、というのもあります。ICBMのエンジンで手一杯なのにそんな無理難題をやってる暇があるか、ということで。

        当時はICBMで大量のMIRVをばら撒いて飽和攻撃、というのがソ連の核戦略でしたが、
        ICBMはサイロ固定のためバンカーバスターのような新兵器に弱くなってしまい、現在では衛星に探知されにくいSLBMが中心です。
        当初はSLBMにもヒドラジンを使ってましたが、その有毒性のため
        早々に固体に移行してしまいました。

        #なんせガス漏れで原潜沈めちゃったしな

        今は核攻撃に対するTEL(移動装置)や潜水艦の残存能力の方が評価されているので
        さしものロシアもIRBMやSLBMには固体を使っています。
        アンガラがプロトン以上の信頼性を得ない限り、ヒドラジンロケットは
        なくならないでしょう。

        閑話休題
        LR-87やRS-56は製造が中止されており、設計した人も初期に製造した人も
        既にこの世にはいません。もちろんノウハウの塊のF-1もです。
        ミサイルの即応性のため早々に固体やヒドラジンに移行し、
        宇宙機打ち上げもLOX/LH2+固体ブースターに移行して(それもスペースシャトルで一度途切れたわけですが)
        アメリカ純国産のケロシンエンジンが発展することはありませんでした。

        現在アメリカが使ってるケロシンエンジンはエネルギアのブースターだった
        RD-170を半分にしたRD-180を
        ロシアから輸入して使っています。

        ソ連崩壊のどさくさで当時のロケットダインが設計文書へのアクセスまで許可されているし、
        ロケットダインを買収したP&Wは製造もしてますが、やはり外国技術なので
        足かせが付く可能性があります。

        RS-56だと8-10基のクラスターにする必要がありますが、これは有人打ち上げとしては駄目筋です。かといって新規にケロシンエンジンを開発する理由はありません。時間も金も。

        そして何よりもコスト削減が至上命題でして、何らかの形でアレスVとの共通化を
        やらないといけない、ということになっています。
        このため、単純なサターンの復活ではなく、わざわざ軌道ランデブー方式で
        行くことになったのです。しかもアポロ以上の成果を挙げるために
        月に持っていくペイロードを増やさねばなりません。
        5セグメントSRBはアレスVにも使われますし、シャトルで充分枯れた技術になったので
        これを使うのがほぼ自動的に決まったようなものでした。

        #今でもアトラス使えよ、という意見が議会から出てますが、前述のように
        #エンジンは露助の設計なので横槍が入る可能性があります

        そして最大の問題は、巨大固体ロケット製造能力の維持です。(人間も含め)
        ATKチオコールに対する救済という面もあります。公共事業ですねぇ
        もっともATKチオコールは自動車エアバッグのシェア70%という別の顔もあるので
        倒産はしないでしょうが、営利企業である以上は無駄な人員を置く訳にもいかず。

        能力を持った国産ケロシンエンジンがないとはいえ、やはり固体で人間を
        打ち上げる、というのは、インドのミサイル無理矢理流用PLDSロケット以上に無理筋だよな、とおもいますですよ。
        どうしても固体流用は外せない、ということになってますから、この場合の
        動吸振器の採用はやり方としては正しいと思います。

        #そこでわが国のH2Bにお鉢が回ってくるかもね
        親コメント
      • ではなぜ初段に液体燃料が採用されなかったのでしょうか?

        固体燃料ロケットってのは、推力(≒単位時間あたりに出せる力)が大きいので、初速を与えたり、ロケットを一気に地上から、ある程度の高度まで持ち上げるのには向いてます。
        ただし、ロケットの速度が、ある程度以上になったら、効率が落ちてくる。

        それと、ほぼ逆の特性を持ってるのが、アレス1の2段目に使われてる液酸液水ロケットで、推力が小さくて、低速度の時は効率が悪いけど、すでに、ある程度の速度を持ってるロケットを、さらに加速するのには向いてる訳です。

        なので、1段目が個体ロケット(で、2段目が液酸液水ロケット)と言うのは、振動の問題は出てきたけど、そう言う構成にする理由も、それなりに有る訳で。

        参考
        その1 [air-nifty.com]
        その2 [air-nifty.com]
        その3 [air-nifty.com]

        親コメント
  • by Anonymous Coward on 2008年08月25日 16時56分 (#1409517)
    サターンⅤも振動には悩まされたと聞きますし、一方ロシアのロケットではそのような問題があるのか無いのか・・・

    振動とは違いますが、現在のスペースシャトルもメインエンジン点火でグラつくのを、
    グラっときた後、傾きが戻る瞬間にリフトオフするなんて対症療法でやってますね。
  • by Anonymous Coward on 2008年08月25日 16時57分 (#1409519)
    トラックのショックアブソーバ(サスペンションの、だよね?)よりも、ビルなんかにある、おもりを反対方向に動かして地震の揺れを吸収する制震装置をイメージした方がいいと思う。

    Battery-powered motors will move the weights up and down to stop vibrations.
    (バッテリー駆動のモーターでおもりを動かして振動を吸収する)
    とか書いてあるので。
    • by jmz-yam (5393) on 2008年08月25日 17時03分 (#1409521) 日記
      アクティブサスペンションというか、動吸震器(漢字合ってる?)の様なものですよね。

      デッドウエイトが増えるだけで、良いこと無し。
      ロケットでこんな場当たり的な対処していいのかな…。アメリカらしいマッチョな解決策ではあるけど。
      --
      jmz
      親コメント
      • 「良いこと無し」の根拠はなんでしょうか?

        重量の関係で構造部材の補強が限られていたり、足がかりとなるものが無い状況下で
        とにかく振動のピークを抑えたい場合動吸振器はとても有効で、構造部材の補強よりも
        小さい質量で済ませられる可能性があります。

        高層ビルの制振装置が場当たり的対処と思える人には場当たり的対処かもしれませんが、
        そういった人はどういった対処を根本解決と言うのか興味があります。
        # もちろん、そもそも振動を発生させないというのは絵に描いた餅ですので論外
        親コメント
        • by jmz-yam (5393) on 2008年08月25日 18時34分 (#1409560) 日記
          ロケットのように機体重量がシビアな機械の場合には、動吸振器の様なデッドウエイトが必要な機構は、まったく考えられません。
          もちろん、ウエイトを他の機器の質量を利用して見かけ上減らすことは出来ますが、アクチュエータやコントローラーは無くすわけにはいかず、機体重量が増えます。

          根本的に、そんな振動をするエンジンや機体がイカンのです。
          振動させないための設計はちゃんとやればできます。ただ、それにはお金と期間がかかるとNASAは見積もり、やっつけ的な動吸振器でペイロード質量を減らしてでも納期に間に合わせるんでしょう。

          これはこれでありだとおもいますが、場当たり的対応といわれても仕方がないのは確かです。
          --
          jmz
          親コメント
          • >まったく考えられません。
            プロフェッショナルであるNASAが動吸振器を使う、って決めたんだから
            まったく考えられないなんてことはないんじゃないかなぁ
            親コメント
          • by Anonymous Coward on 2008年08月25日 19時20分 (#1409591)
            技術を論じているところに
            製造管理の話をぶら下げるのも
            無粋かもしれませんが・・

            設計上の問題を納期と費用と照らしてどう解決するか
            なのでもし場当たりだったとしても納得の上なら良いのでは?
            # 知らない世界なので本質的な所はさっぱりです

            そこを納得してもらう折衝(説明責任とかも含めて)と
            許容する度量がデスマか否かを分けるのかも
            と感じました

            当事者たちの関心は既に
            「アレス2(仮)で解決できるかどうか」
            に向かっているのではないでしょうか?
            親コメント
          • ロケットは所詮運搬手段に過ぎなくて、目的は人なり貨物なりを宇宙に打ち上げることなんだから
            予算とペイロードが許すなら十分検討できる案と思うんですが。理想的構造はともかくとして。
            #「搭載量が減るなら打ち上げ回数増やせばいいじゃない」ということができる国しか許されない案でしょうけど
            親コメント
          • 補強等の対策と、吸振機とどちらが、重量対効果がいいかの比較くらいはやってると思いますよ。
            補強より吸振機設置のほうが軽い可能性もあります。
            親コメント
          • Re: (スコア:0, オフトピック)

            > 根本的に、そんな振動をするエンジンや機体がイカンのです。
            > 振動させないための設計はちゃんとやればできます

            どうすればできるか、詳細をお聞きすることはできますか?
        • by Anonymous Coward on 2008年08月25日 21時49分 (#1409679)
          美しくない
          これだけでは理由として不十分かね?
          親コメント
          • by Anonymous Coward
            たいていのプログラムの大部分を占めているのは美しいアルゴリズムを実装したコア部分ではなく、泥臭い例外処理のコードだ。つまりはそういうこと。
          • by Anonymous Coward
            /.J でたむろってるような技術オンチの吐く「美しくない」というセリフだけでは説得力が足りません
        • by Anonymous Coward
          >そもそも振動を発生させないというのは絵に描いた餅

          地震はそうですけど、どのロケットであってもそうなの?
          • by 306m5 (11617) on 2008年08月25日 21時44分 (#1409675)
            http://www.space.com/news/080819-nasa-ares1-vibration-update.html [space.com]
            によれば、

            common phenomenon in solid propellant rockets, which burn from the inside out allowing gases to swirl in the interior until they resonate the entire structure like an organ pipe.

            パイプオルガンのようにガスが構造物全体が共鳴するまで渦巻きながら噴出する固体燃料ロケットでは共通の問題

            ということで、振動は発生するんです。

            問題はそれがどの程度まで抑えられるかですが、例えば燃焼ガスの流れが
            変わるように固体燃料の形状を工夫したり、円筒に補強材を配置したりして
            共振を変化させるのでしょうが、ペイロードやサイズ、材料の制約条件から、
            機体構造の工夫だけで減らせる部分には限界があります。
            親コメント
      • by Anonymous Coward
        漢字は「動吸振器 [google.co.jp]」が正解でした。
        Google先生に聞いてから書けば良かったorz

        #AC
  • by Anonymous Coward on 2008年08月25日 17時07分 (#1409524)
    これ [slashdot.jp]は関係ありませんか、そうですか。
    より一層難しくなるのか、あるいはより魅力的になるのか、
    はたまた人力ショックアブソーバーとなり得るのか…。
  • by Anonymous Coward on 2008年08月25日 17時25分 (#1409531)
    タイトルの「振幅問題」とか、本文の「激しい振幅が生じる」とか、ちょっと変かと。普通に「振動」ですよね。
  • by Anonymous Coward on 2008年08月25日 18時02分 (#1409546)
    アブソーバー?アブゾーバー?
    どっちでもいいけど、表記は統一しようよ。

typodupeerror

物事のやり方は一つではない -- Perlな人

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