４　２段式水ロケットの開発

wr_i_4_1　１段式水ロケットが安定して飛ぶようになると、何とか空中２段目が発進する２段式水ロケットが出来ないかと考えるようになりました。
　最初に思いついた分離機構は、水ロケットの発射システムを１段目ロケットの上にとりつけ、発射の時は手動でロックを外していた動作を上昇中に自動的にロックを外されるというメカニズムでした。それは4〜5mの長さの釣り糸をワンタッチジョイントのロックリングに固定した物です。１段目ロケットが発射して糸が伸び切るとき重りを引き上げます。そのとき慣性力がロックリングを引っ張り、ロックが外れて２段目が発射していくという仕掛けです。うまく分離して飛んでいくかどきどきしてテストにのぞみました。
　実験の結果は、分離後はそのまま安定飛行を続けて急速に速度を増し、１段式ロケットの1.5倍以上の高さに達しました。（分離システム１号の完成）
　この慣性利用の原始式分離システムは軽量に作れる点はいいのですが、どう見ても地上から糸を引っ張って切り放しているように見えて、純粋な２段式ロケットとはいえません。このシステムを見て「絶対、空中で自動的に分離する２段式水ロケットを作ってやるぞ」と心に決めたい飯田氏は、１段目の噴射の終了を検知できる情報として何があるだろうと考えているうちに《加速度》と《圧力》の２種類の変化があることに気づきました。この圧力の変化（１段目が噴射を終了して、水が無くなるとボトル内の空気圧は一気に大気圧になる）を検知して分離することができれば真の２段式水ロケットが出来ると思い、試行錯誤の末、革命的な《ホース収縮式２段式水ロケット》を作り上げました。

wr_i_4_2　飯田氏から「画期的な２段式水ロケットが完成した」という情報を聞いて、私もまねして作ろうと取り組みました。そのころ私は加速度を検出して分離機構のロックを外すシステムを考えていました。彼の情報を元に私なりにやってみると最初は２段目の暴発の連続です。空気を注入している最中に２段目がいきなり飛び出してしまうのです。「飯田氏ができたはずだから絶対にできるはずだ」と思ってやっているうちに、ホースの直径とＰＥＴボトルの内径とがある関係とがある関係になっている必要がわかってきました。ホース収縮式分離機構の簡単な原理は右図のように１段目の頭部にラバーホースを固定し、この頭部に自転車のバルブを固定し、この頭部に自転車のバルブを固定して、１段目に圧入された圧縮空気はこのバルブを通って２段目ロケットに入っていきます。この時、バルブ通過に２気圧の圧力差が必要なのでラバーホースは２段目ボトルないで膨張してしっかりとボトルの口を内側から押さえて１段目に固定します。そしてロケットが発進して１段目の圧力が無くなるとホースは収縮して２段目が２段目が発進するというメカニズムでした。コカコーラのようなＰＥＴボトルの口の内径は21.5mmφあります。普通の散水用の水道のホースは20mmφです。そのため膨張しても摩擦力が不足するため空気中注入中に暴発するのだということがわかったのは20回以上暴発を繰り返した後でした。飯田氏は21mmφの特殊なホースを見つけて使用していたのです。この1mmの違いが決定的なのです。
wr_i_4_3　21mmφのホースを用いることによって圧縮空気を注入しているときに発生する暴発はおさまりました。しかし、２段ロケットを汲み上げて空気を入れ、発射すると、１段目の噴射が始まると間髪入れず２段目も発進してしまうのです。何度やっても同じ効果になるので本質的な欠陥があるはずです。最初は全くわかりませんでした。原理では１段目の水が無くなって圧力が下がり、ホースが収縮して２段目が発進するというということですが、実は１段目の水が無くなってしまうまで大きな圧力変化がないと無意識に考えていたことが間違いだったのです。
　１段目が噴射を開始して、１段目ボトル内の水が減少し始めるとボトル無い圧力の減少も同時に始まります。すると１段目に固定されているラバーホース内の圧力も減少してしまいます。その結果、膨張力が減って２段目の分離が始まってしまうのです。そのようにならないためには１段目の噴射が完了してしまうまではホース内の圧力が下がらないようにしてホースの膨張状態を保っておく必要があります。そして、１段目の噴射が終了してボトル内の圧力が一気に下がったときに始めてホース内の圧力が下がるというメカニズムが必要になってきます。
wr_i_4_41　試行錯誤の結果思いついた方法が自転車のチューブに付いているバルブを利用する方法でした。ホースの上部にセットしたバルブと同じバルブをホースの下部にも取り付けます。上部はバルブ内の虫の付いている金具（これをこれからバルブ金具と呼びます）を袋ナットで堅く固定しますが、下部バルブは袋ナットをもう１個のナットで押さえつけ、バルブ金具が1mmほど上下に自由に動けるようにしてあります。動作は左図のようになります。

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  1. １段目に接続されたポンプから送られた圧縮空気はホース下部バルブ内で稼働するバルブ金具を押し上げてホースに入ります。

    　

  2. ホース内の圧力が２段目ボトル内に圧力より２気圧以上増すと、丈夫バルブ金具の虫ゴム弁を押し上げて圧縮空気は２段目ボトル内へ入っていきます。

    　

  3. ホース内の圧力は２段目ボトル内より常に２気圧高い圧力で満たされるためホースは２気圧の圧力差で膨張して２段目ボトルをしっかりと内側から保持します。

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  4. 今、ロケットが発進して１段目ボトル内の圧力が減り始めるとホース下部のバルブ金具は圧力差で下に落ちて下部バルブを閉鎖してしまいます。そのため１段目ボトル内の圧力の減少に関係なくホース内の圧力一定に保たれます。そしてホースは膨張した状態を保ち、２段目はしっかりと１段目に固定された状態で上昇していきます。

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  5. 水がどんどん噴出されて、１段目ボトル内の圧力がホース内の圧力より２気圧以上下がると、下部バルブ金具の虫ゴム弁を押し広げてホース内の空気が１段目ボトル内へ逃げ出します。

    　

  6. ホースは一気に収縮して２段目が分離して飛び出します。この時点は、１段目ボトル内の水がなくなったときです。このメカニズムの完成で私のほうもやっと安定した分離をする２段式水ロケットができました。


wr_i_4_6　飯田氏はすでにこのホース内の空気圧の減少が１段目ボトル内の圧力の減少と連動しないで遅れて起こるようにするメカニズムを完成させていました。その方法は右図のようにホース下部のバルブをオートバイのチューブ金具にし、そのなかに稼働式のボール弁を入れてボールと金具内に切られているねじのすき間の微妙な空気漏れを利用してタイムラグを起こさせる超名人芸的メカニズムでした。
　このホース収縮式分離装置のすごいところは、下部ボトルの圧力減少を検知して作動するため、２段目ボトルの上部に分離装置をつけてやれば、簡単に３段式ロケットが出来上がってしまうことです。


　現在はさらに次のように改良しています。

  1. ホース下部バルブの改良
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    1. 下部バルブの金具の耳を半分にカットして、Ｏリングと袋ナットだけで1mm程の可動スペースを作った。

      　

    2. ホース下部のバルブ金具の中央の空気の通り道に細い針金をいっぱい詰めて液体が流れにくいようにしました。
      　
      　
      空気は粘性が小さい流体なので針金の間を大きな抵抗を受けることなく通過できます。しかし、水は空気よりも数桁粘性が大きいため、大きな抵抗を受けます。ホース内に少量の水を入れておくと水の噴射が終了して１段目ボトル内の圧力が下がって下部バルブから空気が逃げ出す時、空気よりも先に水が空気圧に押されて針金のつまった通路を通って１段目ボトルへ逃げ出すことになります。しかし通路の抵抗が大きいため通過に時間がかかります。そのためホースの収縮は１段目ボトル内の水がなくなってからさらに遅れておこることになります。このようにして通路（穴）に詰めた針金の直径とホース内に入れた水の２つのパラメーターの変化によって分離するまでの時間を自由に変えることができました。

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  2. ノズルの改良
    　
    　
    　飯田氏はワンタッチカプラーのノズルを３本のねじでボトルの口に固定する方法から、ペットボトルの口にダイスでネジを切り、そのネジに合う3/4インチネジのワンタッチカプラのノズル部分をねじ込んで固定する方法を開発しました。

    この方法だと、

    1. ノズルの脱着が自由にできるので推進剤の水を入れるのが非常に楽になりました。

      　

    2. ３本のネジで締め付ける方法は強度的に不安定なところがありました。しかしこのねじ込み式ノズルの強度は非常に強く、安定したロケットを作ることができるようになりました。

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  3. ２連空気室ロケットエンジンと安定落下方法の開発
    　
    　
    　ＰＥＴボトルを２本連結して、１個のボトルとして使用する２連式水ロケットは推進剤の水を一気に２倍に増やせてたいへんダイナミックな飛行をします。この方式は４年前に初めて導入しましたが、飯田氏は２年前にねじ込み方式のノズルを利用して２本のボトルを連結する方法を考えつきました。素晴しいことにその方法を学びとった富田高校の大谷哲男君はノズルの変わりにＰＥＴボトルの蓋を利用しいて２本のボトルを連結してしまう方法を編み出しました。（もちろん７気圧の圧力に耐えます）

wr_i_4_10　このように簡単に連結ボトルのロケットが出来るようになった時、飯田氏はこの方法を利用してボトルを３個連結した３連式ボトルのロケットエンジンを持った大変細長いロケットを打ち上げました。すると不思議なことが起こりました。水を噴射しながら高度を上げたロケットはやがて最高点に達します。今までのロケットはそこで頭部を下に向けてそのまま一直線に落下してきます。しかし、この超細長３連式ロケット（弾頭のボトルを合わせて全部で４個のボトルで出来ている）は最高点で水平になると、そのまま横になったままゆっくり落下してきます。空気抵抗が大変大きくなるためあたかもパラシュートを開いているようにゆっくり落下するので地上に落下したロケットはまったく破損しません。また地上の人達も安全です。どうして水平に向いた状態を安定に保って落下してくるのかよくわかりません。たぶん飛行機のような空力的安定状態が出来ているのでしょう。
wr_i_4_11　飯田氏がパラシュートなしでゆっくり落下してくる超細長ロケットに挑戦しているとき、私のほうはパラシュートつきのロケットに熱中していました。ロケットの外側にパラシュートが出ているとロケットの飛行が不安定になるのでロケットの内部にパラシュートを入れなければなりません。そのパラシュートをどのように安定して引き出すかが課題でした。私の考えたパラシュート引き出し法は、パラシュートが多段式ロケットの下段部分に取り付けられていて、上の段が発進するときパラシュートが引き出される仕組みになっています。最初は引き出しの糸が上部ロケットの加速度に耐え切れず、切れてパラシュートが引き出せない事故が多かったのですが、糸の強度の選択とパラシュートの畳み方を改良することによって確実に引き出せるようになりました。

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