カンサット

CanSatは宇宙技術の教育に使用される観測ロケット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約1キロメートルの高度で放出されます。^[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装備されています。CanSatは安価で容積が小さいため、 宇宙技術の教育に使用されます。

1998年、米国と日本の12の大学から約50人の学生と教員がハワイで開催されたシンポジウムに集まった。これが第1回「大学宇宙システムシンポジウム」だった。ここで、スタンフォード大学名誉教授のボブ・トゥイッグスが、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だった。その体積は約350ミリリットル、質量は約500グラムである。これが1999年に始まったARLISSと呼ばれるプロジェクトにつながり、主に米国と日本の大学が参加し、その年の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続けられた。今日でも広く受け入れられている最初のアイデアは、350ミリリットルの衛星3機、またはそれ以上の体積の衛星1機を打ち上げるというものだった。その手段は、1.8キログラムを移動させ、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ことになる。^[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。2001年にComeBackカテゴリが追加され、衛星を特定のターゲットに向ける必要があるとされたことで、プロジェクトはより複雑な状況に陥った。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。

いくつかの要素はすべての CanSat に共通です。

バッテリーはロボットのすべてのシステムの動作に電力を供給し、あらゆるロボットや電子システムにとって不可欠です。その性能と電流重量比の理由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 では通常、マイクロコントローラ(MCU) とMCU ボードが使用されます。これには、飛行中にさまざまなセンサーからの情報を保存するのに役立つ、マイクロプロセッサとともにデータ保存用の内部メモリが含まれています。最も一般的な MCU の選択肢は次のとおりです。

• STM32
• NXP LPC
• ESP32
• AVR

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こともあります。

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、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信さ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て温度値を割り当てます。使用される温度計の例は次のとおりです。

• MAX6675
• TMP102

GPSは、地球を周回する衛星ネットワークから構成される地上測位システムで、位置と送信時間を継続的に送信します。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位置を三角測量し、より高い精度を実現します。この位置は、シリアル ポートからデータ ラインとしてマイクロプロセッサに送信されます。

設計レベルでは、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的にな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。

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に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を撮るよう命令する必要があります。これは CanSat のカメラの例です。

• カメラC328

Cansat は 3D マッピングにも使用できます。その例は次のリンクにあります: https://cansat.unisec.info/

このシステムは、異なる軸の 1 つ以上の加速度計で構成されています。すべての加速度計は、座標軸の加速度を測定できます。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。位置の特定に最も適した加速度計は、慣性航法システムINSと呼ばれます。これらは、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、センサーの較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 内で複数の場所を設定できます。最もよく使用される加速度計は次のとおりです。

• ADXL345
• LIS302

場合によっては、CanSat が進んでいる方向を知る必要があります (たとえば、制御された降下を実行する場合)。その場合、コンパスセンサーは従来のコンパスのように、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ターゲットに到達することを意図している場合、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次のものがあります。

• CMPS03
• HMC6352
• 型番

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。

これは、飛行と気象条件のデータをリアルタイムで収集して送信し、地上局で処理することを主な目的とするものです。このカテゴリの CanSat は、特定の地点に落下するのではなく、降下中にデータを収集することを目的としているため (通常は制御されません)、操縦システムを使用しません。前のセクションで説明したシステムのうち、最もよく使用されるのは、気圧計、温度計、GPS、カメラです。

これらの主なタスクは、GPS 座標でマークされたターゲットに可能な限り近い場所に制御された状態で着陸することです。これらのデバイスは、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を比較して、ターゲットに対応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、修正を行うために継続的に繰り返されます。このようなデバイスは飛行中の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が不足しています。 ComeBack CanSat には常にステアリングシステムが搭載されており、これにより、操縦、方向付け、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に回転して CanSat が回転します。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。

これらの装置には通常、非対称に動く糸で構成されたステアリング システムがあり、縦軸の揚力に差を生じさせて CanSat を何らかの方向に回転させます。これはかなり単純な機構を使用しています。これらの装置は、降下率が一般的に低く、大きな表面積で揚力が発生するため、制御が困難です。

パラシュートやグライダーを備えた CanSat に比べると、機械的に複雑で、気象条件の影響を受けにくい。この種の装置は制御がはるかに厳しく、降下率が高いため、1 秒あたりにより多くの修正を実行できる電子システムが必要です。

このカテゴリーでは、前の 2 つのカテゴリーのいずれにも含まれないロボットであれば、どれでも応募できます。このカテゴリーで発表される CanSat のほとんどは、まだテストされていない新しいシステムや新しいデザインをテストするロボット (技術デモンストレーター) です。

他の宇宙プロジェクトと比較して、実装コストが低く、準備時間が短く、設計が簡単なため、このコンセプトは、学生が宇宙で最初の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、ミッションの達成方法、CanSatの設計、コンポーネントの統合、正しい操作の検証、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選択する責任があります。^[6] これは基本的に、実際の衛星の設計、作成、打ち上げのスケールレプリカです。 CanSatの開発に必要なプロセスには、問題解決型学習と呼ばれる学習プロセスが含まれます。^[7]これは、学生が主人公であり、問​​題を解決しなければならない新しい教育方法です。 このタイプのプロジェクトの主な特徴は、次々に課題が突きつけられる未解決の問題に直面するチームによって実行されることです。システムエンジニアリングも、自分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ことをグループが認識するようになった経験に応じて、教師からのサポートは減少しています。 ^[8] 宇宙工学の分野は、魅力的なテーマを幅広く提供するため、教育で使用される最も一般的な方法の1つです。

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。

アメリカ合衆国では、CanSatの設計・製作・打ち上げコンペティションの1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る。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・インコーポレイテッド、ソリッドワークスなどがある。^[9]

ARLISSプロジェクトは、スタンフォード大学の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との共同作業であり、地球軌道または火星空間への打ち上げに備えて、小型衛星のプロトタイプを構築、打ち上げ、テスト、回収します。^[10] ARLISSは、宇宙プロジェクトのライフサイクル（約1年）で実践的な経験を得るための課題を提案しています。各チームは1つ以上の衛星を設計および構築し、ネバダ州ブラックロックの発射場に移動して、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つのCanSatパラシュートを搭載できるロケットを提供します。これにより、各CanSatは実験まで約15分間飛行し、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。

ヨーロッパのカンサットコンペティションは、欧州宇宙機関が主催し、高校生を対象としています。このコンペティションでは、各カンサットは、体積と質量が350グラムを超えないこと、飛行時間や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、このデータをリアルタイムで送信する必要があります。これとは別に、カンサットは自由選択の二次ミッションを行う必要があります。このミッションの提案は、1000メートルまで上昇し、ロケットを開いて内部の2つのカンサットを落とすロケットにカンサットを搭載するチームを選択するために使用されます。^[11]

アンタリクシャ研究所-ARDL ^[12]による大学カンサットチャレンジ– インドで開催されるカンサット^[13]は、設計・製作・飛行のコンペティションで、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。大学カンサットチャレンジは、小規模な典型的な航空宇宙プログラムを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、自律操作など、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全体を通して採点されます。このイベントは、2015年8月中旬からホスコテでの打ち上げまで2016年1月17日に開催され、^[14]アンタリクシャ研究所^[15]が主催し、バンガロールのインド科学研究所^[16]が主催しました。イベントを審査したパネリストは、ISRO の著名な科学者でした 。 ^[17]

ESEROチェコ共和国が主催するこのコンテストは、ヨーロッパカンサットコンテストの予選を兼ねた小規模なコンテストです。参加者の焦点は、衛星自体の製作とともに、審査員や一般の人々へのプロジェクトの効果的なプレゼンテーションにあります。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の人々の表現が最終評価の大きな部分を占めます。^[18]

宇宙・微小重力研究研究所（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コンテスト以来、国際CanSatコンテストを開催しています。このページの冒頭で詳述した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、ガジェットの質量が最大約1キログラムまで可能です。^[19]ヨーロッパのコンテストと同様に、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。

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のアウトリーチプログラムであるC'Spaceキャンペーン中に開催される。このコンテストでは、CanSatは静止飛行船から約200メートルの高度で投下される。2つのカテゴリーが用意されており、「国際」と「オープン」の2つがある。「オープン」では、従来のCanSatの330ミリリットルと比較して、容積要件が最大1リットルまで拡張される。^[20]

2012年から、韓国科学技術情報通信部は、韓国でCanSat文化を普及させ、学生の衛星管理に関する知識を高めるために、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コンテストとともに、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担当し、最も権威のある科学志向の学校の1つであるKAISTの一部である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います。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によって補助されています。高校生と学部生は3人の学生でチームを組んでこのコンテストに参加できます。^[21]

高校生（10～12年生）はSeulgi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。^[22]毎年5月、参加チームはすべて、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、タスクの実行可能性とCanSatに関する基礎知識に応じて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があります。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。^[23]

学部生はチャンジョ部門（창조부）に参加し、高校生と同様の過程を経ます。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を助けるために基地局プログラムを受け取るのに対し、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、同じ当局が維持・後援する「韓国カンサットキャンプ」と呼ばれるものに参加します。カンサットへの関心と知識に基づいて、2人の学生で構成される30チームがカンサットキャンプへの参加に選ばれます。2日間、これらの学生は韓国の宇宙研究者から教育を受けます。彼らはキャンプ中に基本的なカンサット（GPS、輝度センサー、慣性質量ユニットなどを含む）を開発します。^[24]

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）が主催しており、他の大会ではCanSatがロケットで打ち上げられるのに対し、ここでは気球が一定の高さまで上昇し、その後CanSatを投下する。このコンテストでは、飛行経路を変更するか、車輪を追加してCanSatを所定の場所に到達させることが目的である。^[25]

アルゼンチンでは、CanSat ミーティングが開催されていますが、競争はありません。その代わりに、CanSat プログラムという、自作の再利用可能な打ち上げ機を使用した実験を通じて実施される研究方法論があります。このプログラムは無料で公開されており、概念設計、統合、テスト、実際のシステム運用から、ミッション後のまとめのミーティングまで、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、学生に満足感を与えます。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 月に教育会議で発表され、2004 年 11 月にサン 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Cansatコンテスト（ICC）は、イラン宇宙研究所（ARI）が後援するCansatの設計と製造のための別のコンテストです。このコンテストは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という2つのカテゴリがあります。クラシックカテゴリには大気探査と写真/ビデオ撮影ミッションが含まれ、プロフェッショナルカテゴリ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、Cansatが現場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、多分野にわたるプロジェクトに必要な体系的な視点を獲得し、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回イラン国際カンサット大会（ICC2014）は、2014年10月に開催される予定でした。これまで8回の大会が開催されました（2019年～2020年）。大会の第8ラウンド（2019年～2020年）では、アフマドレザ・カラミ氏の指導とカムラン・ライシ博士のアドバイスの下、アミルカビール工科大学の2つのチーム、AUTSPACEとAUTSPACE-Pluseが1位と3位を獲得しました。イランのヤズド大学のチームも2位を獲得する可能性があります。

南アフリカ初のCanSat ^[26]は、1999年11月6日、高出力ロケット^[27]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）^[28]）が南アフリカ天文台と共同で初のCanSatコンテストを開催した。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^[29]は、南アフリカ国内でのCanSatコンテスト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。

クルディスタンのカンサット計画は、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、もともとは1992年にファラー・ムスタファ・バキルによって設立された。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加を奨励するためにこの協会を設立した。この計画は成功し、2000年初頭には資金が3倍近くになった。フセイン政権の最後の年である2000年から2003年にかけて、協会ははるかに限られた資金しか受け取れなかった。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」が行われたためである。こ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た。

2003 年、米国連合軍によるイラク侵攻の際、政府に対する戦時中の厳しい緊張のため、協会への資金援助は完全に打ち切られました。2003 年後半に侵攻が終わった後、協会は解散しましたが、米国軍関係者は米国でのロケット プログラムの潜在性に気付きました。その後すぐに、学生中心のロケット協会への資金援助により、26 の米国学校がプログラムを実施でき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 クルディスタンの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 ベースの STEM 協会への資金援助を拡大してきました。^{[引用が必要]}

2024年7月下旬、クルディスタン宇宙研究機関（KSRA）がジロ・ムスタファによって設立されました。この機関は最近、クルディスタン地域の宇宙科学技術の発展に重点を置いた活動を開始しました。現在、KSRAは最初の主要プロジェクトとなるCanSat衛星の開発に取り組んでいます。この機関はまだ競争を開始しておらず、この衛星の成功と打ち上げに力を注いでいます。

• 宇宙科学
• 宇宙飛行ポータル

• ライクロフト、マイケル J.、クロスギー、ノーマ、国際宇宙大学 (2002)。小型衛星：より大きなビジネス？：概念、アプリケーション、市場。クルーワー アカデミック パブリッシャー。ISBN 1-4020-0199-1 
• 「日本の超小型衛星の活動。Titech CanSat プロジェクト 2000: 亜軌道飛行と気球実験」(記事) 東京工業大学。ISSN 0911-551X

• ARDLによるインドのCanSat公式ウェブサイト 2019年6月19日アーカイブWayback Machine
• ヨーロッパのCanSat公式ウェブサイト
• テキサスカンサットコンテスト
• ARLISSアメリカンコンペティション
• スペインCanSatコンテスト公式ウェブサイト
• 2012年ヨーロッパ大会でスペイン代表となったチームのブログ
• ESA公式ウェブサイトのヨーロッパ大会に関する情報
• 第4回イラン国際カンサットコンテスト（ICC2014）。
• アルゼンチンのCanSatプログラムのスポンサーであるACEMAのWebページ。
• アルゼンチンのCanSatプログラムの公式ウェブページ。
• イランのカンサットコンテスト。
• 南アフリカのCanSatプログラムの公式ウェブページ。2014年5月16日にWayback Machineにアーカイブされました。
• 韓国カンサット大会公式ウェブページ
• CANduino – CANsat Arduino プロジェクト
• チェコのカンサット大会の公式ウェブページ 2017年3月12日アーカイブ、Wayback Machine
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