CanSat

CanSatの内部機構

CanSatは、宇宙技術の教育に使用される観測ロケットのペイロードの一種です。小型衛星に使用される技術に似ています。CanSatは宇宙に行くのではなく、ロケットまたは気球を使用して高度約1キロメートルで放出されます。[ 1 ]

CanSat競技では、ペイロードは一般的なソーダ缶（直径66mm、高さ115mm）の容積内に収まり、質量は350g未満であることが求められます。[ 2 ]アンテナは外部に取り付けることができますが、CanSatが打ち上げロケットから離れるまで直径を大きくすることはできません。CanSatは、競技によって異なる高度で小型ロケットから展開されます。[ 3 ] CanSatには、回収時の損傷を最小限に抑え、CanSatを再利用できるようにするために、通常はパラシュートなどの回収システムが搭載されています。CanSatは価格が安く容積が小さいため、 宇宙技術の教育に使用されています。

歴史

1998年、アメリカと日本の12大学から約50名の学生と教職員がハワイで開催されたシンポジウムに集まりました。これが第1回「大学宇宙システムシンポジウム」でした。このシンポジウムで、スタンフォード大学名誉教授のボブ・トゥイッグス氏が、後に超小型衛星プロジェクトとなる最初のアイデアを提案しました。[ 4 ]そのアイデアは、ソーダ缶ほどの大きさの構造物を宇宙に打ち上げるというものでした。その体積は約350ミリリットル、質量は約500グラムです。これがきっかけとなり、1999年にARLISSと呼ばれるプロジェクトが開始されました。このプロジェクトは主にアメリカと日本の大学が参加し、同年9月11日に最初の打ち上げが行われ、その後毎年中断することなく継続されました。当初のアイデアは、現在でも広く受け入れられているもので、350ミリリットルの衛星3機、あるいはそれ以上の体積の衛星1機を打ち上げるというものでした。その手段は、1.8キロを移動させ、高度4000メートルまで上昇できるロケットであり、約400ドルという低コストの宇宙飛行への扉を開くものである。[ 5 ] 2000年のミッションは非常に異なっていた。例えば、気圧計によって提供されるデータを使用して着陸システムの開始を計算したり、差動GPSシステムを利用したりしていた。プロジェクトは、衛星を特定のターゲットに向ける必要があるというComeBackカテゴリが追加された2001年に、より複雑な状況になった。このミッションは非常に成功し、2002年には東北大学宇宙ロボティクス研究室の学生がターゲットから45メートルまで上昇し、2006年にはこの数字は6メートルにまで下がった。このタイプの衛星への関心は高まり広がっている。2003年には、東京大学がCanSatよりわずかに大きいサイズで立方体の形をした2つの衛星CubeSatを軌道に乗せた。近年、ボブ・トゥイッグス教授が提案した同じコンセプトに従って、国内外でいくつかのコンテストが開発され、ARLISS に反映されています。

作戦

主な構成要素

一部の構成要素はすべてのCanSatで共通です。

電源

バッテリーおよび／またはソーラーパネルは、すべてのシステムの動作に必要な電力を供給します。システムは4時間連続して電力を供給でき、バッテリーは容易にアクセスできる必要があります。[ 6 ]性能と電流重量比の点から最も一般的に使用されているのは、リチウムポリマーバッテリー（LiPo）です。

マイクロプロセッサ

マイクロプロセッサは衛星の心臓部であり、外部センサー（高度計、加速度計、送信機など）からの信号を受信し、プログラムどおりに動作するように処理する役割を担っています

CanSatは通常、マイクロコントローラ（MCU）とMCUボードを使用します。これらのMCUボードには、マイクロプロセッサに加え、飛行中に様々なセンサーからの情報を保存するためのデータ保存用の内部メモリが搭載されています。最も一般的なMCUの選択肢には、以下のものがあります。

二次要素

上記の要素以外にも、委託された使命に応じて他の要素が追加される場合もあります。

気圧計

気圧計は、マイクロプロセッサに接続された圧力測定セルで構成されており、感知した圧力に応じて電圧値の信号を送信します。マイクロプロセッサは標準大気条件を使用して高度を取得します。このタイプのデバイスで使用される気圧計の例：

  • SCP1000

温度計

温度計は気圧計と同様の動作をしますが、マイクロプロセッサに送られる電圧信号は測定された温度によって異なります。マイクロプロセッサはこの信号を解釈し、温度値を割り当てます。使用される温度計の例を以下に示します

  • MAX6675
  • TMP102
CanSatロケット（左）と打ち上げられるCanSat（右）

GPSモジュール

GPSは、地球を周回する衛星ネットワークから位置情報と送信時刻を継続的に送信する地上測位システムです。これらのデータから、受信機は利用可能なすべての衛星を使用して三角測量を行い、より高い精度を実現します。この位置は、シリアルポートを介してデータラインとしてマイクロプロセッサに送信されます

設計段階では、GPS受信機は、飛行中に衛星の視界から外れないように、衛星の視線が可能な限り直接通る場所に設置する必要があります。金属構造のCanSatでは、受信機は常に構造物がこの視線に影響を与えない場所に設置する必要があります。

カメラ

CanSatには小型カメラを搭載でき、CanSatが空中に降下している間、あらゆるものを撮影できます。ロボットが空中にいる間は、CanSatはカメラを操作する命令を受信できないため、マイクロプロセッサがカメラに写真撮影を指示する必要があります。以下はCanSat用カメラの例です

  • カメラC328

Cansatは3Dマッピングにも使用できます。その例は、こちらのリンクをご覧ください：https://cansat.unisec.info/

加速度計

このシステムは、異なる軸に配置された1つまたは複数の加速度計で構成されています。すべての加速度計は、座標軸における加速度の測定を可能にします。加速度計は、データの収集や位置の特定（積分による）に使用できます。位置特定に最適な加速度計は、慣性航法システム（INS）と呼ばれ、一部のCanSatモデルで使用されています。このシステムの不確実性は、センサーの校正時の誤差に依存します。このシステムの利点は、GPSが不要であることから、磁気干渉の影響を受けないことまであります。これにより、CanSat内部に複数の位置を設定できます。最もよく使用される加速度計には、以下のものがあります

  • ADXL345
  • LIS302

電子コンパス

CanSatが進んでいる方向を知る必要がある場合があります（例えば、制御された降下を行うため）。その場合、コンパスセンサーは従来のコンパスと同様に、CanSatの方向と北の間の角度を測定する非常に小さなセンサーです。この角度は電位差を介してマイクロプロセッサに送信されます。マイクロプロセッサは受信した信号を解釈し、それに応じて動作します。したがって、CanSatがGPS受信機を使用せずに目標地点に到達しようとする場合、このセンサーは重要な役割を果たします。使用されるコンパスのモデルには、以下のものがあります

  • CMPS03
  • HMC6352
  • HMC5843

種類

CanSat には主に 2 つのタイプがありますが、通常、最初の 2 つに当てはまらないマシン用に 3 番目のカテゴリが追加されます。

テレメトリ

これは、飛行と気象状況のデータをリアルタイムで収集・送信し、地上局で処理することを主な目的とするものです。このカテゴリーのCanSatは、特定の地点に落下することではなく、降下中（通常は制御されません）にデータを収集することを目的としているため、操舵システムを使用しません。前のセクションで述べたシステムの中で最もよく使用されるのは、気圧計、温度計、GPS、カメラです

戻ってくる

これらの主な任務は、GPS座標でマークされたターゲットのできるだけ近くに、制御された方法で着陸することです。これらの装置は、GPSまたは慣性航法システム（INS）によって誘導されます。この位置はマイクロプロセッサに送信され、マイクロプロセッサはこれらのデータの分析からターゲットの位置と比較して、ターゲットに対処するために回転する角度を計算し、ステアリングシステムに適切な指示を与えます。このプロセスは継続的に繰り返され、修正が行われます。このような装置は飛行中にデータも保存しますが、付属のセンサーの数が少ないため、以前のタイプよりも情報は少なくなっています。ComeBack CanSatは常にステアリングシステムを搭載しており、これにより操縦、方向決定、ターゲットへの移動が可能になります。通常、このようなメカニズムは、マイクロプロセッサによって制御される1つ以上のアクチュエータによって作動し、サーボモーターが一方または他方の側に回転してCanSatを回転させます。CanSatにパラシュートやグライダーが組み込まれているか、またはローターと翼が 組み込まれているかによって、2つの主要なタイプがあります。

パラシュートやパラグライダーを備えたCanSat

これらの装置は通常、非対称に動く糸で構成された操舵システムを備えており、これにより長手方向の揚力差が生じ、CanSatは何らかの方向に回転します。これは比較的単純な機構です。これらの装置は、降下率が一般的に低く、かつ大きな表面積によって揚力が発生するため、制御が困難です。

翼またはローターを備えたCanSat

パラシュートやグライダーを備えたCanSatに比べて、機械的に複雑で、気象条件の影響を受けにくい。しかし、この種の機器は制御がはるかに難しく、降下率が高いため、1秒あたりより多くの修正を実行できる電子システムが必要となる。

オープンクラス

このカテゴリーでは、前の2つのカテゴリーに含まれないロボットであれば、どんなロボットでも応募できます。このカテゴリーで発表されるCanSatのほとんどは、新しいシステムやまだテストされていない新しい設計をテストするロボット（技術デモンストレーター）です

教育への関心

他の宇宙プロジェクトと比較して、実装コストが低く、準備期間が短く、設計がシンプルなため、このコンセプトは、学生が宇宙に第一歩を踏み出すための優れた実践的な機会となります。学生は、ミッションの遂行方法、CanSatの設計、コンポーネントの統合、正しい動作の検証、打ち上げ準備、データ分析、作業負荷の分散によるチーム編成を決定する責任を負います。[ 7 ] これは基本的に、実際の衛星の設計、製作、打ち上げのスケールレプリカです。CanSatの開発プロセスには、問題解決型学習と呼ばれる学習プロセスが伴います。[ 8 ]これは、学生が主人公となり、問題を解決する新しい教育方法です。この種のプロジェクトの主な特徴は、チームが次々と課題に取り組むことで、未解決の問題に取り組むことです。教師からのサポートは、システムエンジニアリングもまた、自身の能力の開発と研究の複雑さに対処しなければならないという認識に至りつつある経験に応じて減少しています。[ 9 ] 宇宙工学分野は、魅力的なテーマを幅広く提供しているため、教育において最も一般的に用いられる方法の一つです。

競技

CanSat競技は、ヨーロッパ、アメリカ、アジアなどで開催されています

アメリカ合衆国

CanSatコンペティション

アメリカ合衆国では、CanSatの設計・建造・打ち上げコンペティションの一つが、アメリカ宇宙学会とアメリカ航空宇宙学会によって主催されています。このコンペティションの他のスポンサーには、海軍研究所、NASA、AGI、オービタル・サイエンシズ・コーポレーション、プラクシス・インコーポレーテッド、ソリッドワークスなどがあります。[ 10 ]

ARLISS

ARLISSプロジェクトは、スタンフォード大学宇宙システム開発プログラムの学生と教員、および他の教育機関が共同で、地球周回軌道または火星圏への打ち上げに備えて、小型衛星のプロトタイプを製作、打ち上げ、試験、回収する取り組みです。[ 11 ] ARLISSは、宇宙プロジェクトのライフサイクル（約1年）における実践的な経験を積むための課題を提示しています。各チームは1機以上の衛星を設計・製作し、ネバダ州ブラックロックの射場へ移動して、実験の準備、打ち上げ、運用、安全な回収を監督します。ARLISSは、高度3,500メートルで3機のCanSatをパラシュートで搭載できるロケットを提供します。これにより、各CanSatは実験のために約15分間飛行することができ、これは地平線から地平線までの低軌道通過をシミュレートします

ヨーロッパ

欧州CanSatコンペティションは、欧州宇宙機関（ESA）が主催し、高校生を対象としています。このコンペティションでは、各CanSatは、体積と質量350グラム以内という従来の要件に加え、飛行時間と予算に関するその他の要件を満たす必要があります。さらに、圧力と温度を測定し、そのデータをリアルタイムで送信する必要があります。さらに、CanSatは自由選択の副次ミッションも遂行する必要があります。このミッションの提案に基づいてチームが選抜され、各チームはCanSatをロケットに搭載して打ち上げ、高度1000メートルまで上昇させます。ロケットはロケットの開口部から2つのCanSatを落下させます。[ 12 ]

インド

アンタリクシャ・ラボ（ARDL） [ 13 ]による大学CanSatチャレンジ- CanSat [ 14 ]がインドにやってくる - は、設計・製作・飛行を競うコンテストで、チームに航空宇宙システムの設計ライフサイクルを体験する機会を提供します。大学CanSatチャレンジは、典型的な航空宇宙プログラムを小規模に反映するように設計されています。ミッションとその要件は、テレメトリ要件、通信、自律運用など、現実世界のミッションのさまざまな側面を反映するように設計されています。各チームは、スケジュール、設計レビュー、デモ飛行などの現実世界の成果物に基づいて、チャレンジを通して採点されます。このイベントは2015年8月中旬から2016年1月17日の打ち上げまでホスコテ[ 15 ]で開催され、アンタリクシャ・ラボ[ 16 ]が主催し、インド科学研究所[ 17 ]（バンガロール）が主催しました。審査員はISROの著名な科学者でした[ 18 ]飛行後のブリーフィングの後、NITスーラトチームが勝利を収めた。

チェコ共和国

ESEROチェコ共和国が主催するこのコンテストは、ヨーロッパCanSatコンペティションの予選を兼ねた小規模なコンテストです。参加者は、衛星自体の製作に加え、審査員と一般の人々への効果的なプロジェクトプレゼンテーションに重点を置きます。ソーシャルネットワークでの存在感や、プロジェクトの全体的な一般へのアピールが最終評価の大きな部分を占めるためです。[ 19 ]

スペイン

宇宙微小重力研究所（LEEM）は、マドリード工科大学（UPM）の協力を得て、2008年に開催された第1回国際CanSatコンペティション以来、国際CanSatコンペティションを開催しています。このページ上部に記載されているCanSatの種類に応じて、3つのカテゴリーがあります。もう1つのオープンカテゴリーでは、サイズ制限がそれほど厳しくなく、ガジェットの重量が最大約1キログラムまで許容されます。[ 20 ]ヨーロッパのコンペティションと同様に、一部のデータはテレメトリでリアルタイムに送信する必要があり、参加チームには予算制限があります。

フランス

CNES（フランス宇宙機関）とPlanète Sciences協会が主催するフランスのコンテストは、若者向けの宇宙関連技術アウトリーチプログラムであるC'Spaceキャンペーンの一環として開催されます。このコンテストでは、静止した飛行船から高度約200メートルでCanSatを投下します。「国際」と「オープン」の2つのカテゴリーがあり、後者では容積要件が拡張され、従来のCanSatの330ミリリットルと比較して最大1リットルの容積が許可されます。[ 21 ]

大韓民国

2012年から、韓国未来創造科学部は、韓国におけるCanSat文化の普及と学生の衛星管理に関する知識の向上を目的として、韓国CanSatコンテスト／キャンプを後援しています。このコンテストは、韓国CubeSatコンテストと共に、韓国政府が提供する2つの主要な衛星コンテストを構成しています。このコンテストは、韓国の複数の成功した衛星を開発した国立衛星研究センターであるSaTReC（衛星技術研究センター）によって運営されており、最も権威のある科学志向の学校の一つであるKAISTの一部です。CanSatの開発にかかるすべての費用は、政府の宇宙技術開発マスタープランの一環として、必要に応じて韓国政府から補助金を受けています。高校生と大学生は3人1組のチームを組んでこのコンテストに参加できます。[ 22 ]

高校生（10～12年生）はスルギセクター（슬기부）に参加し、基本的なCanSatプラットフォームを使用して追加の創造的なタスクを実行する必要があります。これらのタスクの例には、「Pythonベースのベースシステム」、「CanSatのモジュラー構造」などがあります。[ 23 ]毎年5月、すべての参加チームはCanSatの開発とチーム固有のタスクの実行に関する計画を提出する必要があります。その後、タスクの実現可能性とCanSatの基礎知識に応じて20チームが選ばれます。これらのチームはオンラインベースの教育を受け、構築したベースシステムに従ってタスクを実行する時間を与えられます。タスクとベースシステムの完成度が再び評価され、最終的にCanSatを打ち上げることができる10チームが選ばれます。韓国の宇宙研究者による教育セッションの後、これらのCanSatは羅老宇宙センターがある高興で打ち上げられます。[ 24 ]

学部生はチャンジョセクター（창조부）に参加し、高校生と同様のプロセスを経ます。主な違いは、高校生はプログラミングに慣れていない生徒のために基地局プログラムが配布されるのに対し、学部生は自分で基地局プログラムをプログラミングする必要があることです。基本的なスケジュールは高校生と同じです。

中学生と一部の小学生（5年生から9年生）は、同じ当局が運営・後援する「韓国CanSatキャンプ」に参加します。CanSatへの関心と知識に基づき、2名からなる30チームが選抜され、CanSatキャンプに参加します。2日間にわたり、生徒たちは韓国の宇宙研究者から指導を受けます。キャンプ期間中、生徒たちは基本的なCanSat（GPS、輝度センサー、慣性質量ユニットなどを搭載）を開発します。[ 25 ]

日本

秋田県能代市で開催された能代宇宙イベント2007の日本大会で、気球を使った打ち上げが行われました

日本では、このコンテストはUNISEC（大学宇宙工学コンソーシアム）が主催しています。他のコンテストではCanSatがロケットで打ち上げられますが、ここでは気球が一定の高度まで上昇し、そこからCanSatを投下します。このコンテストの目的は、飛行経路を変更するか、車輪を追加してCanSatを所定の位置に到達させることです。[ 26 ]

アルゼンチン

アルゼンチンにはCanSatミーティングがありますが、競争的なものではありません。その代わりに、CanSatプログラムという、自作の再使用型ロケットを用いた実験を通して実施される学習方法論が存在します。このプログラムは無料で公開されており、概念設計、統合、試験、実際のシステム運用、そしてミッション後の総括ミーティングに至るまで、複雑なエンジニアリングプロジェクトのライフサイクル全体に学生を参加させることで、学生の満足度を高めています。CanSatプログラムは、ACEMA（アルゼンチン実験ロケットおよび宇宙モデリング協会）によって毎年開催されています。このプログラムは2003年9月の教育会議で発表され、2004年11月にはサン・フェリペ・ネリ大学の学生によって準備されたアルゼンチン初のCanSatが打ち上げられました。

イラン

イラン・カンサット・コンペティション（ICC）は、イラン宇宙研究所（ARI）が後援する、カンサットの設計と製造のためのもう一つのコンペティションです。このコンペティションは2011年から毎年開催されており、クラシックとプロフェッショナルの2つのカテゴリーがあります。クラシックカテゴリーには大気観測と写真/動画撮影ミッションが含まれ、プロフェッショナルカテゴリーにはバイオペイロード回収と帰還ミッションが含まれます。チームは、運用前にPDRとCDRを準備し、カンサットがフィールドでテストされた後にPFRを準備する必要があります。学生は、技術的な問題に関する知識を向上させるだけでなく、学際的なプロジェクトに必要な体系的な視点を身につけ、ゼロから製品までのライフサイクル全体にわたるプロジェクトに関与する経験を得ることが期待されています第4回イラン国際CANSATコンペティション（ICC2014）は、2014年10月に開催予定でした。これまで8回の大会が開催されました（2019年～2020年）。第8回大会（2019年～2020年）では、アフマドレザ・カラミ氏の指導とカムラン・ライシ博士の助言の下、アミルカビール工科大学のAUTSPACEとAUTSPACE-Pluseの2チームが1位と3位を獲得しました。イラン・ヤズド大学のチームも準優勝を狙っています。

南アフリカ

南アフリカ初のCanSat [ 27 ]は、1999年11月6日に高出力ロケット[ 28 ]に搭載され、高度1650mまで運ばれた。ZACan-1と名付けられたCanSatは、ステファン・ストルツによって設計・構築され、ノース大学（現在のリンポポ大学）の技術展示会の一環として、リンポポ州ローデワルFAR76空域に打ち上げられた。2011/12年には、ケープタウン大学（UCT）[ 29 ]）が南アフリカ天文台と共同で初のCanSat競技会を開催した。2013年現在、多くの南アフリカの大学がCanSatプロジェクトの評価とカリキュラムへの組み込みを開始している。南アフリカ国立宇宙庁[ 30 ]が、南アフリカ国内でのCanSat競技会の将来的な推進において主導的な役割を果たすことが期待されている。

イラク・クルディスタン

クルディスタンにおけるカンサット計画は、イラク・クルディスタン・コンピュータロケット協会（現在は解散）として知られ、1992年にファラー・ムスタファ・バキルによって設立されました。当時、短距離ミサイル計画を進めていたクルディスタン政府は、若い学生に軍事技術分野への参入を奨励するために協会を設立しました。このプログラムは成功し、2000年初頭には資金がほぼ3倍に増加しました。2000年から2003年までのフセイン政権末期には、フセイン秘書によると「ロケット協会内で資金を敵に流用する破壊活動」があったため、協会への資金提供ははるかに限られていました。この活動の正当化は根拠がなく、協会は2003年のイラク侵攻までかろうじて存続しました

2003年、米連合軍によるイラク侵攻の際、政府への深刻な戦時負担により、協会への資金提供は完全に削減されました。2003年末の侵攻終結後、協会は解散しましたが、アメリカ軍関係者は米国におけるロケットプログラムの潜在能力を見出しました。その後まもなく、学生中心のロケット協会への資金提供により、26の米国立学校でプログラムが実施されるようになりました。それ以来、複数の国が学生向けロケットプログラムを採用し、イラク・クルディスタン地域における初期のコンピュータロケット協会の成功をモデルに、テクノロジーを基盤としたSTEM協会への資金提供を拡大しています。

2024年7月下旬、クルディスタン宇宙研究機関（KSRA）がジロ・ムスタファ氏によって設立されました。同機関は最近、クルディスタン地域における宇宙科学技術の発展に重点を置き、活動を開始しました。現在、KSRAはCanSat衛星の開発に取り組んでおり、これは同機関にとって初の大規模プロジェクトとなります。同機関は、この衛星の開発と打ち上げの成功に注力しているため、まだいかなる競争も開始していません。

参照

参考文献

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  2. ^ 「CanSat Europeの要件」 。 2012年4月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年10月14日閲覧。
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  4. ^ Robert J. Twiggs, / cansatws / programandabstract.pdf 「将来の宇宙ミッションへの新たな課題の導入」、国際CanSatワークショップ、2007年2月23日
  5. ^ R. Walker他「ESAの大学生向け実践的宇宙教育プロジェクトの活動：次世代の宇宙エンジニアの誘致と育成」 2016年3月3日にWayback Machineにアーカイブ、2010年4月14～16日。
  6. ^ 「CanSatとは？」www.esa.int . 2025年10月6日閲覧。
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  8. ^ Hmelo-Silver CE、「問題解決型学習：生徒は何をどのように学ぶのか？」教育心理学レビュー、2004年
  9. ^米本浩一他、九州工業大学宇宙工学教育プロジェクト、2008年10月1日
  10. ^ Berman, Joshua; Duda, Michael; Garnand-Royo, Jeff; Jones, Alexa; Pickering, Todd; Tutko, Samuel; (The Hokie Space Team) (2009年3月2日). CANSAT – 小型自律型探査ロケットペイロードの設計Archived 15 October 2011 at the Wayback Machine . Virginia Polytechnic Institute & State University. Apps.ksc.nasa.gov Archived 27 March 2004 at the Wayback Machine . 2011年10月にアクセス.
  11. ^データベースエラー
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さらに詳しい参考文献

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