ペンシルロケットとペットボトルロケットの推力比較

質問

概ね、本体の質量等々を同じ条件とした場合、ペンシルロケット（超小型の火薬式ロケット）とペットボトルロケット（圧縮空気と水が最も適度に混入した水ロケット）では、どちらの方が（何倍？）推力が大きいでしょうか？

又、ペンシルロケットの推力が勝る場合、同ロケットと同等程度の最高到達高度を誇る水ロケットを作成することなど相可能でしょうか？

回答No.7

igarasik0

化学ロケットも水ロケットも、内部の高圧ガスで推進剤を加速させるのは同じ。
化学ロケットでは燃焼反応で継続的に高温高圧が維持される。
水ロケットでは最初に注入した空気による圧力だけが推力の源で、その圧力は噴射と共に失われていく。
その差は大きい。

また、水の粘度は気体よりも高く、短時間で大量の推進剤を噴射させるようにするのは難しい。
タンク内に残っている推進剤はロケットの加速を妨げるおもりのように働くことになる。

…と考えていくと、ペンシルロケット（化学ロケット）と同程度の重量の水ロケットで同程度の推力は出せないのは確実。
（回答するにあたってツィオルコフスキーの公式を眺めてみたけど、面倒なので計算はしてない）

さて、ペンシルロケットの最高到達高度は約600ｍらしい。
で、世の中には到達高度を限界まで上げようと試行錯誤している「愛すべきバカ（最高の褒め言葉）」が結構いて、打ち上げ実験の動画がいっぱい公開されている。

Big Water Rocket with Boosters - Polaron G2 - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=Cnripxx0TeU

↑ペットボトルロケットをこれだけ巨大化＆２段噴射式にしても高度200ｍに到達していない。
ペットボトルでペンシルロケットと同程度の到達高度は無理かな。

Water Rocket flies to 1752 feet (534m) - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=4r9gmLfpFTg

↑これはペットボトルではなく細長く頑丈な専用ロケットを使って内圧をアホほど高めた水ロケットだけど、これでも高度600ｍには到達していない。
でもこういうやり方で効率良くしていけば、（巨大化するけど）水ロケットでペンシルロケットと同程度の到達高度は可能かもね。

ツィオルコフスキーの公式 - Wikipedia
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%84%E3%82%A3%E3%82%AA%E3%83%AB%E3%82%B3%E3%83%95%E3%82%B9%E3%82%AD%E3%83%BC%E3%81%AE%E5%85%AC%E5%BC%8F

回答No.6

kagakusuki

>当方が意図したのは、対象物体の大きさ（サイズ）でなく、主に重さの為、できれば、そのあたりを踏まえ、再答して戴けないでしょうか？

　ですから最初に

>例え推進剤の種類と質量、ノズルの形状等が同じであっても、(中略)一概に大きさだけで推力の大小を計算する事は出来ません。

と書いた筈です。
　推進剤の質量が同じであっても、それだけでは推力が同じになるとは限らないという事は、ロケットの重さだけ決めても、それだけでは推力がどの位になるのかを知る事は出来ないという事を意味します。

お礼

重ねてのご回答、誠にありがとうございます。

回答No.5

kagakusuki

例え推進剤の種類と質量、ノズルの形状等が同じであっても、短時間で燃焼する様にすれば単位時間あたりに発生する燃焼ガスの量が多くなり、燃焼圧力も高くなりますので推力は大きくなりますし、ゆっくりと時間を掛けて燃焼する様にすれば推力は小さくなりますので、一概に大きさだけで推力の大小を計算する事は出来ません。
　又、あまりにも短時間に燃焼させた場合、燃焼圧力も高くなってロケットが破裂してしまう恐れがありますから、単純に「ロケットの大きさを拡大(即ち、中に詰める推進剤の量を増やす)した上で燃焼時間は元のペンシルロケットと同じにする」という訳には参りません。

　ですから、ペットボトルと同じ大きさにまでペンシルロケットを大型化した」という条件だけでは、燃焼式のロケットの推力がどの程度になるのかを計算で求める事は出来ません。
　従って、

>（何倍？）推力が大きいでしょうか？

という問いには答えが存在しません。
　精々、「固体燃料ロケットの方が(燃焼時間の設定によっては)格段に高い推力を得る様にする事も可能である」という程度の事までしか言えないと思います。

補足

「ペットボトルと同じ大きさにまでペンシルロケットを大型化した」という旨、予め、当方が意図したのは、対象物体の大きさ（サイズ）でなく、主に重さの為、できれば、そのあたりを踏まえ、再答して戴けないでしょうか？

回答No.4

mpascal

空気銃　360m/s

http://www.piyoyonet.com/douraku/shoot/har.html

ライフル　800m/s

http://www.f5.dion.ne.jp/~mirage/hypams00/firearms00a.html

お礼

重ねてのお答え、ありがとうございます。

回答No.3

tance

身内から聞いた話なので、真偽のほどは不明ですが、ペンシルロケットに関係していた人は以下のように言っていたそうです。

世間からは「ペンシルロケットだか何か知らないが、巨額のお金を使ってねずみ花火より飛ばないものを作って何になるんだ」と言われたそうです。その関係者の答えは「どこへ飛んでいくか解らないねずみ花火と、計算通りの距離と位置まで飛んだペンシルロケットは学術的意味が全く違うんだ」というものだったそうです。

推力の話じゃなくて済みません。でも推力が全てでは無いという示唆があったということです。

ご参考まで。

お礼

何かと為になる（余分な？？）お話。

又、機会があれば、遠慮なく、お答えを。

回答No.2

trytobe

基本的に大気圏内では、いかに小さい体積に押し込めてあるものを、いかに大きな体積で放出して推進するか、というのが重要です。

その際、ペンシルロケット（超小型の火薬式ロケット）は「固体」であるものを燃焼させることで何百倍もの体積をもつ「燃焼ガス」という「気体」にできることが圧倒的な推進力を生むのに対し、ペットボトルロケット（圧縮空気と水が最も適度に混入した水ロケット）では、圧縮空気は気体のままで液化すらできていないものを用いるので、放出される「気体」はせいぜい十何倍にしかならないのです。

ペットボトルの耐圧をあげようと高圧タンクをつかってしまったら、持ち上げるべき自重が重くなって圧力を上げたのに持ち上がらない、ということになるので、空気の圧縮で推進力を蓄えるより、化学反応による固体から気体の発生をさせるほうが簡単に実現できるのです。

補足

確かに、ペンシルロケットの推力の方が勝りますが、あくまでも、ペットボトルロケットは、主に圧縮空気（気体）でなく、水（液体）の噴出量による処が大きく、高が、それなど、ペンシルロケットの固体燃料から生じる燃焼ガス（気体）よりも反動質量が大きいとも思われ、以て、そのあたりを踏まえ、改めて、ご直答して戴きたいのですが・・・・。

回答No.1

mpascal

そりゃペンシルロケットの方が大きいです。火薬（固形燃料）のエネルギー密度が高いですね。

拳銃と空気銃の違いのようなものです。

補足

一言二言で、拳銃と空気銃の違い・・・などと言われますが、
前々より、それ相当、威力のあるエアガン等も存在していることもあり、
至って、どの程度の違いなのか、できれば、改めて、再答して下さい。