ZigBeeモジュールを使用したモデル・ロケット軌道計測システムの製作

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モデル・ロケットの安定性

　宇宙空間まで飛行する大型ロケットには，飛行中の姿勢を制御するための装置が搭載されています．一方，モデル・ロケットは飛行中の姿勢制御ができないので，ロケットの構造として飛行安定性を得る必要があります．

　それでは，ロケットはどのようにすれば安定して飛行するのでしょうか．重要な要素として，重心と圧力中心があります．この二つの点の位置関係で，ロケットの安定性が決まります．

●重心

　ロケットの質量の中心のことです．質量，運動エネルギーが集中している点になります．

　重心位置は，ロケットを三角柱の上に置いて割り出すことが可能です（図A．前後のバランスが取れた位置が重心になる）．ロケットはこの点を中心として，回転などの運動をします．

図A　重心

●圧力中心

　ロケットは空気中を飛行するため，飛行中の機体の周りには空気の流れによる圧力が発生します．この圧力の中心が圧力中心です．

　圧力中心は迎え角（ロケットの向きと空気の流れの角度）によって前後に移動します．迎え角が90°のとき最も前寄りになり，迎え角が少なくなるにつれて，後方に移動します．圧力中心はロケットの形状から計算で求めることが可能ですが，計算するのは大変なので厚紙をロケットのシルエットの形に切り，その重心位置を測ることで求めることができます（図B．この位置が迎え角90°のときの圧力中心）．

図B　圧力中心

　ロケットが安定して飛行するためには，重心が圧力中心よりも前にある必要があります．ロケットは重心位置を中心として運動するため，圧力中心が重心より後ろにあることで，機体の向きが進行方向からずれた（迎え角が発生した）場合，圧力は圧力中心に働きますが，重心が圧力中心より前にある場合，迎え角を少なくする方向に働きます（図C）．しかし，重心が圧力中心より後ろにある場合，迎え角を増やす方向に圧力が発生してしまい，進行方向から外れていくことになります．

図C　重心と圧力中心の位置関係

　重心が圧力中心より前にある必要があると説明しましたが，極端に前にあると，風の影響で風上に向く力が強くなりすぎてしまい，危険です（風上に向かって水平飛行してしまう）．このため，重心と圧力中心の距離は機体の直径の1～2倍の間に設定すると良いようです．

　ちなみに，筆者ら（チームT・D）の機体の重心は機体のほぼ中央にあり，圧力中心は重心位置から機体の直径分ほど後ろに位置しています（写真A）．

写真A　チームT・Dの機体における重心と圧力中心

　また，機体を実際に飛行させる前に，機体の安定性を確認するため「スイング・テスト」を行いました．これは，機体の重心位置に糸を付けて振り回すもので，ロケットが実際に安定して風上を向くかどうかを確認し，安定して飛行することを確認します．これは，モデル・ロケットを安全に飛行させるために必要なテストです．モデル・ロケットを打ち上げる際には，必ず実施することをお勧めします．