2017 Fiscal Year Research-status Report
ペットボトル・ハイブリッド・ロケットの教材的利用の研究
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16K00974
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| Research Institution | Saitama Institute of Technology |
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Principal Investigator |
石原 敦 埼玉工業大学, 工学部, 教授 (50245247)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中原 真也 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 教授 (20315112)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 科学教育 / ロケット / ハイブリッドロケット / 教材 / ペットボトル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
２年目は、初年度に引き続き、ロケットの諸要素や３Dプリンターによる燃料内形状がロケット性能へ与える影響を検討するとともに、教材としての有用性についても検討した。その結果、３Dプリンターを用いて、機械加工では不可能なような複雑な燃料形状の試作を試み、従来からあるいわゆるマルチポート型、さらにガスの燃料内部での滞留時間を大きくすることにより燃焼効率の増大を目指した螺旋型や衝突型と称する独自の燃料形状を開発することができた。そして、これら３Dプリンターにより作成した燃料が教材としても安全に燃焼させることは可能であることを確認した。また、教材として推力を変化させる諸要素としては、２年目は酸素ノズルやスロート面積について総推力や作動時間に与える影響を明らかにした。
また、ロケット性能を評価する上で重要な推力の計測精度の向上を目指し、ロードセルを用いた燃焼実験システムの開発に着手した。その結果、系の振動などを押さえ精度良く推力を計測できる装置を構築できた。
一方、ロケットの飛翔中のデータを計測するための小型低価格な加速度・ジャイロセンサーとメモリーとArduinoマイコン電子回路をハイブリッド・ロケット内のブレッドボード上に搭載したロケットを試作し、ハイブリッド・ロケットの小・中学校のプログラミング教育の実践的教材への利用も目指し開発を続けている。
さらに、ハイブリッド・ロケットの空力設計および開発中の落下傘の開花確度の向上を目指し、飛翔実験を実施した。ここでは、高速度カメラなども用いて発射直後の飛翔体の運動特性を計測し、これまでに地上実験で得られた推力データと比較検討を試みた。また、引き続き試作したロケットを、中学校通常授業および小中学生を対象とした理科教室を開催し、教材として実践的に評価をした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「研究実績の概要」で述べたように、当初の計画のとおり、３Dプリンターを用いた教材システムの開発や最適な燃焼室形状を設計するために必要な、燃料内形状について検討した。さらに、圧力波形から推定した推力の妥当性を検証するために、ロードセルを用いた推力計測装置を構築でき、ロケットの性能予測の精度向上法についても検討できた。また、３Dプリンターを用いた燃料棒の製作法についても問題点を明らかにできた。
一方、ロケットの飛翔中のデータを計測するために、ハイブリッド・ロケット内に小型低価格な加速度・ジャイロセンサーとメモリーそしてArduinoマイコンを搭載した電子回路をブレッドボード上に試作した。加え安全かつ確実にハイブリッド・ロケットおよび搭載装置を回収するための落下傘降下システムについての検討を引き続き実施している。しかし、数回飛翔実験を試みたが、現在飛翔データの取得までは至っていない。ただし、室内では問題なく作動している。小・中学校のプログラミング教育の実践的教材も目指しているが、現在は、Arduino開発環境を用いてプログラム開発を行っている。
他方、小学生、中学生さらに高校生をも対象とした理科教室（松山市おもしろ理科教室、ジュニアドクター育成塾、高大連携を利用した小学校プログラミング教育、ひらめき・ときめきサイエンス、加須北中学校理科体験教室、三郷工業技術高校ロケット体験教室 等）を開催し、教材としての有用性および教育効果についても検証をはじめた。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度も、まず引き続き３Dプリンターによる燃料内形状や他要素のロケット性能へ与える影響を検討するとともに、提案するペットボトル・ハイブリッド・ロケット利用による教材システムとしての有用性等についてさらに検討する。
また、ロケットの飛翔中のデータを計測するために、ハイブリッド・ロケット内に低価格加速度・ジャイロセンサーを搭載したマイコンボードをブレッドボード上に開発し打ち上げ実験を試みる、最終的には基板上に電子部品をはんだ付けし、飛翔データの取得を低価格で容易に行えるようにする。同時に小型カメラ搭載し映像データも取得する。飛翔データ取得プログラムは、小学校・中学校での利用も想定し、GUI（グラフィカル・ユーザーインタフェース）プログラムを志向する。
また、ハイブリッド・ロケットの教材としての安全性を保障するため、異なる条件での地上燃焼実験および飛翔実験を繰り返し、教材としての問題点を抽出し、ロケットの安全性の確立を目指す。
さらに、継続的に最終年度も、ロケット理科体験授業を埼玉県・愛媛県で地元の教育委員会とも連携し実施し、小学生、中学生または高校生を対象にペットボトル・ハイブリッド・ロケット授業および授業評価アンケートの比較および総括を行う。
最後には、ペットボトル・ハイブリッド・ロケット本体はさることながら、理科や力学教育、電気回路教育、プログラミング教育、安全教育用の教材として利用を想定した開発を試みる。なお、得られた成果も積極的に、国内外の学術学会で発表を行う。
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| Causes of Carryover |
搭載するマイコンボードの試作が遅れたため、電子部品等の購入費を保留したためである。
経費は、本研究を推進するために有意義に使用させて頂きます。電子部品の消耗品などの購入を予定している。
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Research Products
(4 results)
