ハイブリッドエンジンを用いたモデルロケットの実験
兵庫県立洲本高等学校
谷川 智康
１．研究の背景と目的エンジンを用いて打ち上げる予定であった。

1- 1 洲 本 高 校 科 学 技 術 部

しかし、欧米でしか生産されていないG型

洲本高校は 1897年（明治30年）に旧制洲エンジンの輸入環境が東京オリンピックを本中学として設置され、創立123年目を迎え控えたテロ対策で厳しくなっていた上に新る兵庫県下屈指の伝統校である。「至誠、勤型コロナウイルス禍により輸入は不可能と勉、自治、親和」が校訓である。制服が自なったので、自分たちでエンジンを作成す由化されていたり、校則を必要最小限のもることを考えた。火薬を用いたエンジンをのにとどめ制定していたりと自由な校風と私たちが作成することは法令上できないの

昭和28年センバツ高校野球で優勝した野球で、大学のサークル等で研究されているハ部を中心に部活動が大変盛んで文武両道がイブリッドエンジンロケット（図１）に目特徴である。進学においても毎年60 名前後をつけた。市販のハイブリッドエンジンはの生徒が国公立大学に合格しており、卒業プラスチック樹脂など高分子化合物が燃料生の大多数が大学に進学する。に用いられるが、私たちは小説「ロケット洲本高校科学技術部は現在、男子13名でボーイズ」（写真１）に記載があるキャンデ活動を行なっている。2018年度よりロケッィロケットに興味を持ち、砂糖をはじめとトをテーマにした研究に取り組んできた。

する身近な食品を燃料にすることを考えた１）。

特に2018年度後半から2019年度前半にかけて、風洞実験装置を作成し、抗力係数が少ないロケットの機体開発に取り組んできた。
ノーズコーン（機体先端部）や羽根の形状・枚数について100種類以上の組み合わせについて実験を繰り返し、抗力係数が低い機体開発に成功した。この研究成果を各種コ

図１

ハイブリッドロケットの構造ンテストで発表し、第11回坊ちゃん科学賞

参考サイト４） より引用

科学論文コンテスト「入賞」、第68回日本学生科学賞兵庫県コンクール「神戸商工会議1-2

ハ イブ リ ッ ド ロ ケ ッ ト と は所会頭賞」および第43回 兵庫県高等学校総従来のロケットは燃料の種類から、液体合文化祭 自然科学部門発表会「パネル発表燃料ロケットと固体燃料ロケットの２種類優秀賞」を受賞するなど高い評価をいただいた。に大別される。

ロケットに取り組んで以来、黒色火薬を液体燃料ロケットは燃料の液体水素に、用いた固体燃料ロケットで打ち上げてきた。

酸化剤の液体酸素を加え燃焼させて、莫大これまでの風洞実験により開発した機体もな推進力を得る。欠点としては構造が複雑

黒色火薬を用い総推力160N・s であるG型であること、故障が起こると爆発する危険

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38 −
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-

所にある砂糖と硝酸カリウムを材料に燃料を調合し上空2000mに到達するロケットを作成する場面がある。普段、私たちが口にする砂糖がロケットエンジンの材料になり得ることに大きな興味を覚えた1） 。
（2）キャンディロケット
UHA味覚糖、秋田大学、和歌山大学、及び国立天文台チリ観測所が合同でCandy RocketProjectを立ち上げた2）3）。研究の末、開発されたCandy Rocketは全長1800mm、直径150mm、
写真１ 小説「ロケットボーイズ」単行本

重量は10kgであった。2015年３月ソフトキャ
ンディ「ぷっちょ」20個を燃料として使った性があること、打ち上げに多額のコストがハイブリッドロケット「Candy Rocket」を高かかることなどが挙げられる。一方、固体度248mまで打ち上げることに成功した。図２

燃料ロケットは構造的にはシンプルだが、はその打ち上げの様子である。
（1）のシュガ

火薬の塊なので、危険性が高いこと、保管ーロケット同様に普段、お菓子として口にしするためのコストがかかることなどが欠点ているものがロケットの燃料となる事を知り、として挙げられる。

研究の大きな動機となった。

これら２つのロケットの欠点を補う形で考案されたのがハイブリッドエンジンロケ
ットである。ハイブリッドエンジンロケッ
トは、燃料として合成樹脂を用い、酸化剤に液体酸素などを用いている。液体燃料ロケットに比べて構造が簡単で自作に向いている。また、合成樹脂や液体の酸化剤はそ
れぞれ単体では爆発する危険性がないため、安全性も高く、保管も容易である。さらに、有害物質を排出しないという利点もある。
1-3 参考にした先行研究
本研究の動機となったのは次の３点である。
（1）小説「ロケットボーイズ」
1999年に出版されたこの小説はNASAのエンジニア、ホーマー・ヒッカム・ジュニアの自伝的小説である。高校生の時にスプートニク１号の打ち上げ成功に刺激され、幾多の困難に見舞われながらも自分たちの手図２でロケットを打ち上げようとする青春小説である。主人公たちがロケットを作る中で、シュガーロケットを作成する場面があり台
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キャンディロケットエンジンの原理と打ち上げの様子
参考サイト２） より引用

２．実（3）ペットボトル・ハイブリッド・ロケット
液体ロケットよりは簡単なシステムで打2-1

験

実験装置

ち上げることができるハイブリッドロケッ

最終的にはPHRの形で飛行させるが、ロトであるが、一般に地上の打ち上げシステケットとしての飛行時の形ではなく、燃料ム一式を購入すると100万円程度の出費を要の燃焼圧力測定用に図２に示す装置を中心し、経済的には高校生の部活動としては過としてガス配管パーツや木材を用いて自作大な負担である。埼玉工業大学工学部・石した。実験装置の全体図を図４、中心部分

原敦教授及び愛媛大学工学部・中原真也教

拡大図を図５に示す。図４で、点線は酸素

授らは2005年気体酸素を酸化剤とし、PLA（ポリ乳酸）樹脂を燃料として飛行するハ
イブリッドロケット“ペットボトル・ハイブリッド・ロケット（以下PHR）” を児童生徒向けの教育用に開発した４）５） 。
PHRは、ペットボトルやナイロンチューブなど身の回り品を材料として作ることが出来る。またPLA樹脂は、３Ｄプリンターを使って自分たちの手で燃料棒に成型することができるので、技術的にも予算的にも高校生の研究として非常に適当である（図３）。
PLA樹脂の燃料を私たちのオリジナル燃料（ショ糖やデンプン）に置き換えることによってPHRを飛ばすことができないか模索することにした。これら３点の先行研究を元にハイブリッドエンジンの開発に着手した。

図４

実験装置全体図の流路、実線は回路の配線を表している。
酸素ボンベより酸化剤である純酸素をペットボトルに所定の圧力で充填する。ペット
ボトルと燃料をつなぐ酸素ノズルの部分は燃焼実験専用にホームセンターで購入できる流体管用のパーツを用い作成した。
酸化剤として圧縮された純酸素を用いるため、大型の酸素ボンベを用意した。酸素タンクはPHRと同じく炭酸飲料用の500ml
図３

ペットボトル・ハイブリッド・ロケット
参考サイト５）より引用

及び１Ｌペットボトルを用いた。燃料は３D
プリンターによって竹輪状にPLA樹脂やABS

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40 −
- 20-

図６

燃料棒の形状
パーツ名

圧力センサ１型

番

キーエンスAP13V（酸素タンク用）
圧力センサ２
図５

中心部分拡大東京測器研究所（燃焼圧力用）PWFD－ PB

データロガー

キーエンス

実験装置の中心部分。現在は燃料棒の上に酸素注入口をもう一つ追加しNR500+NRHA08

点火用酸素を供給している。

電磁弁

甲南電機
YS301AF88O9BD7

樹脂を成型した上、ねじ切りタップ、ダイ

表１

実験装置の詳細スを用いてネジ溝を作り配管パーツに固定できる様にした（図６）。また酸化剤としての圧縮純酸素とは別に、燃料点火用に微量の酸素を本番の燃焼前に送れるように配管してある。
燃料の点火は、まずイグナイタのニクロム線にバイク用のバッテリーで12V の電圧をかけると直ちに発火する。ある程度燃え広がった数秒後に電磁弁を開け数気圧の圧縮純酸素を一気に送り込み燃料を激しく燃焼させる。イグナイタはワセリンを染みこませた綿球を紙ウエスで包み、それにニクつ用意した（表１）。
燃焼実験のシーケンスは以下の通りである。
①酸素ボンベから数気圧の酸素を酸素タンク（ペットボトル）へ送る。
②一旦、充填した酸素を全て排出する。
③タンク内の酸素濃度を上げるため①②の操作を３回繰り返す。
④３回目の充填が終わった後で引火用の酸素を低圧で燃料に送り込む。
⑤二クロム線に通電し、３秒後に電磁弁を開放し圧縮純酸素を燃料に送り本燃焼さロム線を巻き付けて作った。センサの値は１ミリ秒間隔でデータロガーに記録している。センサは酸素タンクの圧力を記録するせる（図７）。
⑥燃焼室の圧力変化をデータロガー経由でものと、燃焼室の圧力を測定するものと２−
41 −- 21-パソコンに記録する。

ここでPcは燃焼室内圧力(pa)、Atはノズ

燃料は燃焼前と燃焼後に質量を計測し、2ルスロート断面積(m )、Cfは推力係数である。

消費された燃料質量を記録する。

図７

燃焼実験の様子
燃料が赤熱し、燃焼ガスが勢いよく噴射されている。

2-2

予備実験

装置の妥当性を検討するために３Dプリン
ターでPLA及びABS燃料を作成し、燃焼実験を行った。作成した燃料は直径２cm、長さ10cmである。図６のように中央の直径８mmの穴に、

図８

PLA及びABS燃料の燃焼圧力イグナイタを挿入し点火させる。この穴の中横軸は時間(s)、縦軸は酸素タンク内が燃焼室となる。

圧力と焼室圧力を示す（単位kPa）、赤線が燃焼室圧力、青線が酸素タン
ク内圧力である。

予備実験の結果
・予
図８は燃焼試験の結果を示すグラフであるが、私たちが圧力センサーによって求めAtはノズルの直径が６mmなので2.8×10-5m2,た結果は圧力である。まず燃料の燃焼によ

またCf については中原先生らの検証よりCf =１って得られた推力を求める。一般にロケッとして計算した６）。ABS燃料では8.94N・s, PLA

ト燃料の総推力F(N・s)は次で求められる。

燃料では5.04N・sとなった。また燃焼後の質量変・・・①化は、表２の通りである。
先行研究と同様の結果を得る事ができた
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42 −
- 22-

ので、私たちの実験装置と計測方法につい燃料の実験結果を示す。①式を用いて総推力ては妥当であると判断した。

を求めると、スクロースは8.29N・s、アミロースは2.07N・sだった。
燃焼後の質量変化は、表３の通りである。

燃 焼 前（g） 燃 焼 後（g） 差（g）
PLA

43.80

42.23

1.57

ABS

41.30

38.99

2.31

表２

各燃料の質量の変化

2-3

本実験

私たちのオリジナル燃料の素材は糖を想定しているので、単糖類、二糖類、多糖類の３つについて燃焼実験を行うことにした。
それぞれ単糖類としてグルコース（ブドウ糖）、二糖類としてスクロース（ショ糖）及びアミロース（デンプン）を用いることにした。燃料となる糖は粉末なので、燃料として使える形に成型しないといけない。糖を一旦、水に溶かし練り固めたものを内径20mmの塩ビパイプに詰め、ABSでキャップを作成し燃料の形とした（写真２）。

図９ 砂糖（二糖類）及びデンプン（多糖類）の燃焼圧力( 横軸、縦軸については図８と同様のグラフである）

写真２

オリジナル燃料の外観

燃 焼 前 （g） 燃 焼 後 （g）

・本実験の結果

差 （g）

二糖65.65

62.65

3.00

多糖56.92

48.08

8.84

３種類の糖の燃焼試験を行ったが、残念ながら単糖類については点火に失敗するなどして燃焼圧力データを得る事ができなかった。
そこで、図９は二糖類、多糖類のオリジナル

表３−43 −
- 23-

各燃料の質量の変化

３．考察で得られたエネルギーが熱エネルギーや音エネ

燃料の性能を評価する指標に燃料後退速度

ルギーなど、圧力と関係のないエネルギーにがある。これは単位時間あたりの燃料変換され、結果として単位質量当たりのアミの質量流量であり次式で求める事ができる。

ロースが生み出す推力が小さくなった、すな
わちアミロースのエネルギー変換効率が悪いのではないかという可能性である。今回の実

・・・②
ただし: 燃焼前の燃料の質量(g),験では原因の特定まではいかなかった。
:ロケットをより高く飛ばすためにより重燃焼後の燃料の質量(g), :燃焼時間(s)であ要となるのは総推力なので、現段階では、オリジナル燃料のうちより優秀なのは二糖る。
②式より計算すると、今回の実験で用いた燃料の燃料後退速度

類のスクロースであるといえる。

は表４のようになる。

燃

表４

料

燃 料 後 退 速 度 （ g /s）

PLA

1 .0 5ABS

1 .1 6

スクロール

1. 71

アミロース

11. 79

各燃料の燃料後退速度

この結果から総推力は小さかったがアミロースの燃料後退速度が極端に大きく燃えやすい燃料である事がわかる。
今回求めることができたデータをまとめる
図10 総推力と燃焼質量流量の相関図と、総推力と燃焼質量流量の相関図は図10のようになった。このグラフで右上にあるデー横軸は総推力（Ns）、縦軸は燃焼質量タほど、燃焼しやすく、総推力も大きい高性流量を示す。

能な燃料であるといえる。
アミロースについては燃焼した質量が大き４. 今後の課題いにも関わらず、総推力があまり出なかった。

今回の実験では、オリジナル燃料の材料とこの原因には２つの可能性が考えられる。1

して二糖類のスクロースと多糖類のアミロー

つ目は、単純にアミロースの単位質量当たりスを用いたが、単糖類などのその他の糖類をに得られるエネルギーが小さいのではないか用いることで、結果が変わると考えられる。という可能性、２つ目は、アミロースの燃焼

今後の実験では、これらを用いた燃料を作成

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44 −
- 24-

・実験し、比較していきたい。もちろん、現儀なくされたのと同様、部活動も停滞する

時点で原因を特定できていないアミロースの状況であったが、オリジナル燃料の開発に総推力の低さについても実験を重ね、原因を大きな期待を寄せていた部員たちはLINEで特定したいと考えている。

連絡を取り合い、新入部員勧誘のための部

また、燃料棒の形成方法についても、今回

活紹介ビデオを完成させた。

は１パターンしかできていないので、実験中

また、学校再開後は愛媛大学工学部・中に思いついた以下の方法で作成した燃料棒で

原真也先生、福岡大学工学部・川端洋先生も実験を行い、データを比べていきたい。

からリモート講義を受けて基礎勉強を行っ（1）寒天による製法た。その他、各種情報や知見をネットを使

寒天は海藻を材料として作られる糖類のって積極的に収集する事ができた。

一種であり、寒天自身が燃料となり得る。

また、先生方から指導を受けた事柄をそ燃料としたい糖を寒天とまぜ温水に溶かしのまま模倣するのではなく、自分の実態にた後、トレーに薄く広げて冷ます。ゲル状合うようしっかり咀嚼し、実験台の作成やになった燃料を約２日間自然乾燥しシートオリジナル燃料の製法を編み出して行った。

状にする。シート状になった燃料を円筒状

このように生徒たちのモチベーションが上に丸め内径２cmの塩ビパイプに詰める。３Dがることによって、自主性が身に付いた。

プリンターで作ったPLAのキャップをし、非常に高校生にとっては高度な研究内容

ねじ穴を切り図１のような形状の燃料にする。

であるので、自分たちの能力ではカバーし（2）圧縮機による製法きれない部分を研究者の先生方に自分たち粉末の糖を内径２cm塩ビパイプに詰めたで相談し、学習できる研究上のコミュニケ

上で油圧式の圧縮機により約１トンの力をーション能力を身につけさせたいと考えてかけ個体状に固める。（1）同様にPLAのキいる。

ャップをつけ燃料の形にする。
謝辞（3）煮込み製法
水飴を作る要領で、フライパンで糖を煮

本研究は公益財団法人下中記念財団の助成込む。ある程度粘り気が出て半固体状になを得て遂行する事ができました。また実験のったところで塩ビパイプに流し込み、燃料実施にあたっては愛媛大学工学部・中原真也の形にする。

先生、埼玉工業大学工学部・石原敦先生、福岡大学・川端洋先生、株式会社うちゅう代表・八島京平先生より有益な助言をいただきま５．本研究の教育的効果
背景にも述べたが洲本高校科学技術部は２年前に研究テーマにモデルロケットを取した。この場をお借りし、心より御礼申し上げます。

り入れて以来、入部者も増え、非常に活動が活発化してきた。さらに生徒の成長につながる活動にするため、本研究を取り入れた。
研究のスタート時期である2020年４月にコロナの感染拡大防止のための長期休校という事態になってしまった。自宅学習を余−
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- 25-

【参考文献・サイト】
１）ホーマー・ヒッカム・ジュニア「ロケットボーイズ」草思社 1999年
２）ＵＨＡ味覚糖「Candy Rocket Project」
https://www.uha-mikakuto.co.jp/candyrocket３）和田豊et al, 「Candy Rocket用ハイブリッ
ドロケット推進器の開発」（第59回宇宙科学技術連合講演会講演集）日本航空宇宙学会 2015年

谷川 智康先生
谷川（たにがわ ともやす）

４）国立大学56工学系学部ホームページ「ペットボトル・ハイブリッド・ロケット（PHR）を作ってみよう！」＜略歴＞

https://www.mirai-kougaku.jp/laboratory

1962年

兵庫県生まれ/pages/170203.php

1986年

北海道大学理学部数学科 卒業
兵庫県立小野工業高等学校 勤務

５） A.Ishihara et al., “A Hybrid Rocket for
Usual Science Classes in Public JuniorstHigh School” 2017. The 31 International

1992年

西宮市立西宮西高等学校 勤務

1995年

神戸大学大学院 理学研究科（惑星科学専攻）修了

Symposium on Space Technology and1998年

兵庫県立尼崎高等学校 勤務

2001年

兵庫県立有馬高等学校 勤務

ロケットの教材的利用の研究」

2009年

兵庫県立三田祥雲館高等学校 勤務（科研費研究成果報告書）

2018年

兵庫県立洲本高等学校 勤務Science６）石原敦「ペットボトル・ハイブリッド・2019年

現在に至る＜受賞歴＞
2017年

兵庫県優秀部活動指導者表彰

2018年

兵庫県優秀教員表彰

2019年

第68回読売教育賞
理科教育部門最優秀賞受賞＜研究歴＞
2004年 アマチュア無線電波帯３周波数による流星観測
2007年

流星電波エコーを利用した流星速度の計測

2015年

日本学術振興会

インターネット望遠鏡を用いた小惑星の観測

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日本学術振興会

武田科学振興財団

2015年

インターネット望遠鏡を用いた小惑星の観測

科学研究費助成事業

日本学術振興会
2016年

自作望遠鏡による小惑星測光観測
中谷医工計測技術振興財団

2019年

モデルロケットを用いたクラブ活動の活性化及び地域貢献活動
中谷医工計測技術振興財団＜勤務校＞
兵庫県立洲本高等学校〒656-0053

兵庫県洲本市上物部2-8-5
電話

0799-22-1550−
47 −- 27-