사체 우주발 ❻ 교재 모듈형 육 교 SW 는 가 로 주 우 문 관 첫 체 사 발 주 우 software education module software 06 education module 우주발사체의 기본 원리 우주발사체 디자인 우주발사체, 현재 위치는?
컴퓨팅사고력맵 2. 우주발사체디자인 1. 우주발사체의기본원리 활동 2 활동 1 문제분해하기 이산화탄소로켓의각부분과우주발사체와연관된부분연결해보기 패턴인식하기 이산화탄소로켓을더높게날리기위해필요한방법생각하기 알고리즘만들기 알맞은순서에따라이산화탄소로켓만들기 3. 우주발사체, 현재위치는? 활동 3 문제분해하기 우주발사체프로젝트를만들기위해스프라이트와배경화면수집하기 패턴인식하기 우주발사체가이동하며분리되는과정을글로써보기 추상화하기 우주발사체의분리단계를스크래치블록으로구현하기 알고리즘만들기우주발사체가하늘로날아가면서배경화면이바뀌며자연스럽게 2단계로분리되는순서구상하기 문제분해하기 GPS 를이용하여우주발사체의위치파악방법에대해알아보기 자동화하기 스크래치를활용해우주발사체가 2 단으로분리되는프로그램만들기 패턴인식하기 위치를좌표정보로알려주는방법에대해알아보기 알고리즘만들기 좌표정보를활용하여위치를찾는방법구상하기 자동화하기 좌표정보만을이용하여메시지를찾고미션수행하기
우주로 가는 첫 관문 우주발사체 2016년 10월 19일, 유럽우주국(ESA)과 러시아연방우주청의 공동 화성 탐사 계획인 엑소마스 가 발사한 화성 탐사 착륙선 스키아파렐리 가 착륙 과정에서 연락이 두절됐습니다. 천문학적 비용을 들인 우주 탐사 계획이 좌절되는 순간이었지요. 하지만 지금 이 순간에도, 인류는 우주로 나가고자 하는 꿈을 포기하지 않고 계속 노력하고 있습니다. 그 뒤에는 지구 대기권을 뚫고 우주에 발을 들일 수 있게 하는 우주발사체 개발 경쟁이 있지요. 우주로 가는 첫 관문이라 해도 과언이 아닌 우주발사체의 세계를 함께 살펴볼까요?
미사일부터 우주왕복선까지 우주발사체는 쉽게 말해서 로켓 입니다. 유인우주 그런데 수평도 아닌 수직 방향으로 1초에 10km 선이나 인공위성, 또는 여러 부품을 지구에서 우 이상의 속도를 한꺼번에 내려면 발사체를 위로 떠 주로 옮기는 데 사용되는 이동 수단이지요. 2011년 받치는 힘이 어마어마하게 강해야 합니다. 그렇다 20세기 중후반에 걸쳐 가장 크고 무거운 우주발 요? 미사일과 우주발사체는 비슷한 구조와 원리로 7월 모든 임무를 마치고 물러난 미국의 우주왕복 고 큰 힘을 내기 위해 연료를 무작정 늘리면 우주발 사체(새턴), 재사용이 가능한 우주발사체(우주왕복 움직이기 때문입니다. 다시 말해, 우주발사체의 대 선 아틀랜티스호 도 우주발사체입니다. 사체가 너무 무거워져 다른 필요한 물건들을 제대 선), 태양계를 벗어난 우주선(보이저 1, 2호)을 발 부분은 대륙 간 탄도미사일로 개조하여 사용할 수 지구에서 벗어나 대기권 밖이나 다른 행성까지 로 실을 수 없게 되지요. 이 때문에 우주발사체를 사한 우주발사체(타이탄) 등 다양한 우주발사체가 있답니다. 북한이 쏘아 올린 우주발사체인 은하 3호 이동하기 위해서는 초속 11.2km 이상의 속도가 필 만들기 위해서는 많은 양이 한꺼번에 타오르고, 안 개발되었습니다. 이제 태양계 행성 중 인류가 쏘아 가 처음에 탄도미사일로 의심받은 것도 이런 이유 요합니다. 보통 우주발사체는 연료를 태워 만든 가 정적이면서도 장시간 사용할 수 있는 연료와 그에 올린 우주발사체로 위성(우주선)이 닿지 않은 곳이 때문이지요. 하지만 최근에는 두 물체의 개발 기술 스와 불꽃을 뒤꽁무니로 내뿜으며 솟구칩니다. 맞는 엔진을 개발해야 합니다. 없을 정도지요. 우주발사체의 개발 역사는 인류의 이 각각 다른 방향으로 이루어지고 있습니다. 우주발사체의 역사는 제2차 세계대전으로 거슬 성공했습니다. 인류가 처음으로 우주에서 지구를 로켓 = 미사일 = 우주발사체? 내려다본 순간이었지요. 탄도미사일 V-2가 왜 우주발사체의 시초가 됐을까 지식이 무한대로 넓혀지는 과정과 같습니다. 우주발사체는 싣고 있는 위성을 지구 바깥 궤도 러 올라갑니다. 독일에서 대륙을 넘나들며 공격할 에 정확하게 올리는 것을 목표로 합니다. 반면 탄 수 있는 탄도미사일 V-2를 개발한 것이 그 시작이 도미사일은 지구 상의 공격하려는 지점을 빠르게 었습니다. V-2는 인류가 만든 물체 중에 최초로 대 맞추는 것이 목표이지요. 이를 위해 우주발사체는 기권을 넘어가 우주의 빛을 본 존재였지요. 여러 단 연료를 오랜 시간 동안 효율적으로 사용하기 위한 의 연료를 사용해 필요한 시점마다 단을 분리하여 기술 개발이 필요하지만, 탄도미사일은 연료 사용 떨어뜨리고 추진력을 더 얻는 방식도 처음으로 시 시간이 큰 문제가 되지 않습니다. 도되었습니다. 우주로 물건을 보내기 위한 목적으 발사 후 움직이는 궤도도 서로 차이가 있습니다. 로 만든 것이 아니었기 때문에 정식 우주발사체로 우주발사체는 말 그대로 우주를 향해 수직으로 날 는 인정되지 않지만, V-2의 개발 기술은 이후 미국 아갑니다. 반면 탄도미사일은 수직으로 발사되어 의 우주 로켓 개발에 큰 영향을 미쳤습니다. 2012년 우주로 간 후, 각도를 약 23 정도 기울이면 비행 북한이 쏘아 올린 은하 3호 로켓에는 V-2에 사용 을 하다가 중력*에 이끌려 다시 지상으로 내려오는 했던 장치(가스발생기)가 있을 정도로 아직 세계 각 포물선 궤도를 그리게 됩니다. 그래서 발사 후 궤 국의 로켓에 흔적이 남아 있지요. 도를 추적하면 상대가 쏜 것이 우주발사체인지 미 1957년 구소련에서 쏘아 올린 R-7 세묘르카 로 사일인지 밝혀낼 수 있지요. 켓에는 세계 최초의 인공위성인 스푸트니크 1호가 실려 있었습니다. 이후 1961년 역시 구소련의 보스 독일 페네문데 박물관 야외에 전시하고 있는 V-2 미사일의 복제품 AElfwine 4 토크 로켓이 유인 우주선을 싣고 우주로 나가는 데 * 중력: 지구와 물체가 서로 당기는 힘 인공위성을 우주로 운반하는 우주발사체 타이탄 로켓 NASA 5
우주발사체는 지금도 발전 중 60년 이상의 긴 역사에도 불구하고, 자국의 힘만으 적으로 사용할 수 있는 우주발사체가 필요합니다. 로 우주발사체를 쏘아 올린 나라는 얼마 되지 않습 먼저 경쟁에 나선 곳은 NASA와 민간 우주업체 니다. 스푸트니크를 발사한 구소련부터 2013년 나 스페이스X 입니다. NASA는 액체 수소를 연료로 로호(KSLV-Ⅰ)를 성공적으로 발사한 우리나라까 사용하는 우주발사체 SLS 로켓 으로 화성에 진출 지 총 11개국만이 성공했습니다. 우주발사체가 궤 할 준비를 서두르고 있습니다. SLS 로켓은 지구에 도에 안정적으로 도착할 때까지 연료를 제어하고 서 벗어나 우주로 날아가는 힘을 내는 1단과 임무 대기권과의 마찰이나 다른 방해요인 등을 섬세하 에 따라 교체할 수 있는 2단으로 이루어져 있습니 게 조절하는 기술이 필요하기 때문입니다. 이 과정 다. 화성뿐만 아니라 다른 행성에도 사용할 수 있도 에서 많은 인력뿐만이 아니라 천문학적인 액수가 록 만든 거지요. 나라는 독자적으로 우주발사체를 ④ 화성으로 출발 ③ 연료 등을 재보급 개발할 기술과 인력이 부족했습니 다. 따라서 1단의 대형 액체 추진 제 로켓 개발은 러시아에 맡기고, 우주선은 다시 지구로 복귀 ① 발사 ② 추진체는 돌아와서 다시 발사 대신 우리는 2단 고체 추진제 로 ⑤ 화성에 도착 켓과 탑재할 인공위성을 개발했습 니다. 완벽한 독자개발이라고 이야 ⑦ 지구로 귀환 ⑥ 지구로 돌아갈 때 필요한 연료는 화성에서 생산 기하기에는 아쉬움이 남았지요. 현재 개 발 중 인 한 국형발사 들어갑니다. 그런데도 세계 각국은 지금도 새로운 SLS 로켓에 액체 수소를 사용한 이유는 무엇일 체 KSLV-Ⅱ 가 이런 독자개발 우주발사체 개발을 서두르고 있습니다. 지구 궤도 까요? 수소는 지구에서 가장 가벼운 물질이지만 폭 의 꿈을 이루어줄지도 모릅니다. 를 넘어 화성까지 인류를 보내기 위한 첫 단계가 바 발력은 매우 높습니다. 그래서 로켓 안에 꽉꽉 채 로 우주발사체 개발이기 때문입니다. 워 넣어도 무게가 적게 나가지만 우주에서는 많은 KSLV-Ⅱ는 1.5t 무게의 실용위성 스페이스 X의 지구 화성 간 운송 시스템 을 고도 700km 높이까지 올릴 수 힘을 낼 수 있지요. 가벼우므로 연료를 효율적으로 지며 불에 타버리게 됩니다. 하지만 ITS의 1단 로 있는 발사체로 길이 45m, 무게 200t의 3단형 액체 화성으로 날아가는 비법 이용하기도 쉽습니다. 여기에 발사 중단 시스템 까 켓은 분리된 뒤 지상으로 내려와 연료를 채우고 다 로켓 형태를 하고 있습니다. 나로호보다 길이와 무 지금까지 인류가 발을 디딘 곳은 지구 바깥의 위성 지 갖춰 발사 시 위험할 경우 승무원들을 안전하게 시 발사할 수 있게 만들어졌습니다. 이 로켓이 지구 게 모두 35% 이상 더 나가기 때문에 그만큼 우주 궤도와 달까지입니다. 그 바깥 영역은 아직 무인 우 탈출시킬 수도 있습니다. 궤도에 진입한 2단 로켓(발사시 무게를 줄이기 위 에서 더 큰 힘을 발휘할 수 있습니다. 여기에 1단 로 스페이스 X는 행성 간 이동 시스템(ITS) 을 개발 해 연료를 채우지 않고 발사함)과 만나 연료를 충전 켓에 달린 75t급 엔진 4개와 2, 3단에 각각 달린 엔 중입니다. ITS 로켓은 지금까지 우주발사체 연료로 해 주고, 다시 지구로 돌아간다는 계획이지요. 스페 진 2개가 우주에서 이동할 추진력을 더해줄 예정입 지구에서 화성까지의 거리는 가까울 때 약 5500 한 번도 이용된 적 없는 액체 메탄을 이용할 계획 이스 X는 2015년 12월, 시험용 발사체인 팔콘 9 의 니다. 만km, 멀어질 때는 대략 4억km까지 벌어집니다. 입니다. 화성에 메탄을 만들 수 있는 원료인 이산화 1단 로켓을 지상에 무사히 착륙시키며 이 기술이 두 행성의 공전 궤도가 각각 비스듬한 타원형을 그 탄소가 엄청나게 많이 있다는 점을 이용한 거지요. 가능하다는 사실을 증명했습니다. 주선만이 도달한 곳이지요. 이제 인류는 다음 정착 지로 화성 을 노리고 있습니다. ❶ 한국항공우주연구원을 포함한 KSLV-Ⅱ 개발팀 은 2020년까지 한국형발사체 개발을 완료한다는 리고 있고, 주기 역시 다르기 때문입니다. 가장 가 돌아올 때 필요한 연료는 화성에서 제작할 수 있기 까운 거리를 노려서 이동하더라도 현재 사용할❷수 때문에, 우주발사체가 훨씬 가벼운 상태로 지구에 한국형발사체는 언제? 화성에 각각 발을 딛으며 유인 우주탐사에서 활약 있는 가장 빠른 속도의 유인 우주선을 타면 화성 서 출발할 수 있습니다. 우리나라는 두 번의 실패를 딛고 2013년 1월, 전남 하는 날이 올지도 모릅니다. 그 두 번째 관문을 열 계획입니다. 어쩌면 더 먼 훗날에는 한국인이 달과 에 도착하는 데 약 9개월이나 걸립니다. 이를 극복 재사용이 가능하다는 점도 특징입니다. 일반적 고흥군의 나로우주센터에서 첫 우주발사체 나로호 KSLV-Ⅱ가 나로우주센터에서 아름다운 선을 그리 하기 위해서는 거대하고 힘이 세면서도 연료를 효율 으로 우주에서 분리된 1~4단 로켓은 땅으로 떨어 (KSLV-Ⅰ) 를 성공적으로 발사했습니다. 당시 우리 며 우주로 향할 수 있길 바라봅니다. 6 7
part 1 추천대상초중등교과과정관련교과초등학교 5학년과학 ( 물체의빠르기 ) * 마찰 마찰이란물체의운동을방해하는힘을말합니다. 장난감자동차를밀면앞으로나아가다가곧멈추지요. 장난감자동차와바닥사이에서운동을방해하는마찰이작용하기때문입니다. 우리가사는세상은항상마찰이일어나고있습니다. 반면에공기가없는우주공간은마찰이없습니다. 그래서정지한물체는계속멈추어있고, 한번움직이면멈추지않고그대로죽나아가게되지요. 우주발사체의기본원리 지구궤도위에인공위성을띄우거나, 행성으로우주탐사선을보내거나, 또는국제우주정거장에우주인을보내려면반드시우주발사체가필요합니다. 우주발사체는 로켓 이라고부르기도합니다. 우리나라도 2013 년 1월 30일나로호를쏘아올려과학기술위성 2호를궤도에올리는데성공했습니다. 엄청난위력과극도의정밀함을동시에갖춰야하는우주발사체는어떤원리로만들까요? 작용 반작용의법칙영화 그래비티 에서주인공은우주에홀로떠있는상황을만납니다. 오른쪽으로조금만이동하면우주정거장이있고, 도움을요청할수있습니다. 하지만아무리두발을허우적대도몸은한치앞으로나아가질않습니다. 우주공간에는마찰 * 이없기때문이지요. 그럼어떻게해야할까요? 마침손에는질량이제법나가는연장을하나들고있습니다. 이상황을해결하기위해서는 작용 반작용의법칙 을알아야합니 다. 모든물체에힘을주면힘을받은물체는항상같은크기의힘을되돌려줍니다. 이때되돌려준힘의방향은반대이지요. 이러한원리를작용 반작용의법칙이라고합니다. 로켓이발사되는것도같은원리입니다. 모든로켓은연료를내뿜는힘으로하늘로솟아오릅니다. 이때연료가뿜어져나오는힘이작용, 로켓을위로밀어올리는반대의힘이반작용이지요. 따라서우주공간에서들고있던연장을왼쪽으로던지면내몸은오른쪽으로이동합니다. 다만연장보다내몸이무거우므로연장이날아가는속도보다느리게이동하겠지요. 그렇다면실생활에서작용 반작용의법칙을찾아생각나는대로적어봅시다. 예시작용반작용 바퀴달린의자에앉아벽을밀면뒤로밀려난다. 내가벽을미는힘 + 다음 QR코드의영상을통해우주발사체가나는원리를확인해보세요. 벽이나를미는힘 압축공기 발사전 발사후 8 9
우주발사체방향은어떻게바꿀까? 그럼날아가는우주발사체는방향을어떻게바꿀까요? 하늘을나는 비행기를예로들어봅시다. 비행기는보조날개의모양을변화시켜날아가는방향을바꿉니다. 수직꼬리날개에달린보조날개를 러더 라고하는데, 이것으로비행기의좌우방향을바꿀수있습니다. 수평꼬리날개에붙은장치는 엘리베이터 라고하는데, 이것으로비행기의 로켓방향변화 공기흐름 공기흐름 로켓방향변화 로켓방향변화 로켓방향변화 상하방향을바꿉니다. 살짝방향을바꾸는것이아니라회전을해야 할때는수평날개양쪽의 에일러론 이라는보조날개를사용합니다. 아래 QR코드로비행기가방향을바꾸는데사용하는보조날개의움직임을확인해보세요. 우주발사체는연료가뿜어져나오는노즐의각도를바꾸어날아가는방향을조절한다. 이동식수직안정판 양쪽날개에부착된에일러론은비행기를오른쪽이나왼쪽으로기울일때사용한다. 수평꼬리날개뒷부분에달린엘리베이터는비행기가위아래로움직일때사용한다. 비행기보조날개의명칭과움직임에따른변화 수직꼬리날개뒷부분의러더는비행기가좌우로움직일때사용한다. 우주발사체의방향전환원리그럼우주발사체는어떨까요? 나로호를예로들어보면우주발사체아래쪽에작은날개가있긴하지만, 사실이날개는방향을바꾸는용도가아니라우주발사체가똑바로날아가도록도움을주는장치입니다. 우주발사체가날아가는우주공간에는마찰이없어서날개로방향을바꿀수도없지요. + 우주발사체를다시지구로불러온다고? 우주발사체는날개대신연료가뿜어져나오는노우주로발사된우주발사체는인공위성같은탑재물을싣고즐의방향을바꿔서날아가는방향을바꿉니다. 우주공간에서정해진장소에배달하는역할을합니다. 앞서예로든연장을던지는방식과같은원리인것만약이발사체를다시지구로돌아오게할수있다면이죠. 발사체는엄청난힘으로날아가기때문에노어떨까요? 우주발사체를만드는일은시간뿐만아니라어마어마한즐의각도를조금만틀어도발사체가날아가는방비용이듭니다. 미국의민간우주개발업체들은우주선을향이급격하게달라집니다. 따라서매우정교하게실은로켓을발사한뒤, 다시착륙시키는실험을하고있으며, 이미성공한곳도있습니다. 재활용우주발사체는조종해야만원하는목표까지정확하고안전하게우주발사비용을크게절감시켜우주개발을획기적으로도착할수있습니다. 발전시킬것입니다. 에일러론엘리베이터러더 10 11
활동 ❶ 이산화탄소로켓발사하기 우주발사체는작용 반작용의법칙에따라폭발시킨연료가노즐에서뿜어져나오며우주로날아갑니다. 로켓에대해열번듣는것보다한번이라도직접로켓을만들어날려보면우주발사체의원리에관해더정확히이해할수있습니다. 이산화탄소로켓은연료를폭발시키는것대신이산화탄소가팽창하는힘을이용하지만, 원리는똑같습니다. 2 이산화탄소로켓과우주발사체의각부분중서로연관이있는부분을연결해봅시다. 이산화탄소로켓 우주발사체 로켓몸통 연료분사노즐 준비물스펀지, 캡시험관, 스펀지링, 빨대, 로켓도안, 발포정 ( 재료를일일이구하기어려우면과학실험키트를판매하는쇼핑몰에서비슷한제품을구입해도됩니다.) 빨대노즐 발사체몸체 이산화탄소발생 로켓엔진 활동하기 1 이산화탄소로켓만들기 3 로켓을더높게더멀리날게하려면어떻게해야할까요? 여러가지방법을찾아봅시다. 고려해야하는부분 이유 1 캡시험관을나사처럼돌려받침대 ( 스펀지 ) 가운데에구멍을뚫어발사대를만드세요. 2 캡시험관을발사대에끼우고색소를탄물을약 1/2 정도담으세요. 3 빨대를중심으로로켓도면 2 장을마주보게양면테이프로붙이세요. 4 이산화탄소로켓키트를대체할수있는물건들을주변에서찾아적어봅시다. 4 캡시험관뚜껑에스펀지링을붙이세요. 5 스펀지링가운데구멍에도면을붙인빨대를끼우세요 6 발포정 1/4 조각을캡시험관에넣은후재빨리뚜껑을닫고변화를관찰하세요. 12 13
part 2 추천대상초등창의적체험활동관련교과초등학교실과 우주발사체디자인 연료외에도우주발사체를몇단으로만드느냐에따라모양이달라 집니다. 또우주로보내야할물건의크기나모양에따라발사체의모양도달라지지요. 구소련이세계최초로인공위성스푸트니크 1 호를실어발사한 R-7 로켓 c Heriberto Arribas Abato 우주발사체를개발해처음으로위성을발사한나라는러시아 ( 구소련 ) 이며, 그뒤로미국, 프랑스의순서입니다. 우리나라최초의우주발사체는 2013 년발사에성공한나로호이지요. 나라마다우주발사체의세세한디자인은조금씩다르지만, 전체적인모양새는비슷합니다. 끝이뾰족하고길쭉한탑모양우주발사체는어느나라에서만들었건대부분윗부분이뾰족하고, 길쭉한탑과같은모양입니다. 우주발사체는지상에서발사되기때문에공기저항을고려해야합니다. 공기저항이란, 공기속을움직이는물체가공기와부딪히며움직이는데방해를받는정도를말합니다. 만약우주발사체가윗부분이넓고납작하다면공기저항을많이받아우주로발사하는데힘이엄청많이들겠지요. 발사체가앞으로잘나아가려면나아가는방향의모양은좁을수록좋습니다. 여기다우주로가기까지필요한연료를실어야하므로좁고길쭉한탑모양이되는겁니다. 만약공기가없거나, 있더라도지구보다공기가적은곳이라면우주발사체의모양이길쭉하지않아도됩니다. 영화 < 마션 > 에서주인공이화성을탈출할때, 우주발사체의무게를줄이기위해상단의캡을떼고주인공은우주복만입은맨몸으로우주로올라갑니다. 화성의공기가지구보다적기때문에가능한일이죠. 모양에영향을미치는가장큰요소는사용하는연료의종류입니다. 로켓의연료에는액체연료와고체연료가있는데, 액체연료가훨씬큰공간을차지하기때문에훨씬큰연료탱크가필요합니다. 또액체연료의종류에따라서도연료탱크크기가달라집니다. 때때로주로켓 ( 액체연료 ) 과보조로켓 ( 고체연료 ) 모두를싣고있는경우도있습니다. 1단 - 2단 - 3단으로나누는이유우주발사체는우주로보내야할탑재물을싣고지구에서우주로출발합니다. 마치물건을배달하는 택배서비스 와같지요. 탑재물에는인공위성, 국제우주정거장에보낼화물, 우주인등이있습니다. 때로는꽤덩치가큰국제우주정거장의모듈 * 이나궤도망원경등을우주로배달하기도합니다. 발사체의전체질량에서연료질량을뺀나머지질량을 구조질량 이라고합니다. 구조질량을줄일수록발사체전체질량이줄어들기 * 우주정거장모듈 우주공간에서우주정거장을건설하는것은시간뿐만아니라비용도많이들어요. 따라서먼저지구에서조립하기좋은형태 ( 모듈 ) 로만든다음, 여러조각의모듈을각각우주로운반하여조립하는방법을사용하고있지요. 발사전점검을받고있는나로호의모습. 나로호는길이 33m, 지름 2.9m, 중량 140 톤의 2 단형로켓이다. c 한국항공우주연구원 14 15
나로호의 2 단로켓을 1 단로켓에조립하는모습. 2 단로켓도 1 단로켓과같이연료와분사노즐을갖고있다. c 한국항공우주연구원 때문에더많은탑재물을실을수있습니다. 따라서구조질량을줄이기위한연구가계속되고있습니다. 우주발사체를구성하는구조물은높은압력을견뎌야하고, 대기권을나는동안공기저항과공기와부딪히며생기는마찰열을견딜수있어야하므로, 무작정얇고가볍게만만들수없습니다. 이문제를해결하기위해서발사체를여러단으로만듭니다. 예를들어 1단로켓의연료를다써서더이상쓸모가없어지면 1단로켓을버리는것이죠. 그럼구조질량이줄어들어발사체의부담이줄어듭니다. 현재까지성공적으로임무를수행한발사체는모두 2개이상의단으로구성됐습니다. 그렇다면발사체의단수가많아질수록좋을까요? 꼭그렇지않습니다. 오히려로켓과학자들은단의개수가많아지면발사체구성이복잡해져고장확률이높아진다고합니다. 단분리는발사체실패의주요원인중하나입니다. 힘좋은로켓엔진과튼튼한구조물을만들수있다면, 2단형로켓이말썽을일으킬확률이가장적다고합니다. 단분리로켓프로그래밍 우주발사체는대부분여러개의단으로만듭니다. 어떻게해서든무게를줄이는것이중요하기때문에연료를다쓴 빈연료통 을계속달고있을필요가없습니다. 그래서연료를다써버린후, 해당단을분리해버리는방법을사용합니다. 엔트리로 2 단분리되는우주발사체를만들어봅시다. 준비물엔트리가설치돼있는컴퓨터또는노트북 1 활동 ❷ 활동하기 활동미션 다음조건을충족시키는프로젝트만들기 오브젝트 우주발사체 발사대 본부 우주발사체오브젝트그림판을이용하여나만의발사대만들기 조건 소리를내며 2 단으로분리되는우주발사체만들기 우주발사체에게발사명령내리기 2 프로젝트구상하기 1 프로젝트에필요한오브젝트를디자인해봅시다. 우주발사체발사대본부 16 17
2 우주발사체가하늘로날아가며 2 단으로분리되는과정이어떻게진행되면좋을까요? 자유롭게그림또는글로작성해봅시다. 3 프로그래밍하기 1 발사장면 ( 장면 1) 을만들기위해엔트리프로그램을실행합니다. 엔트리로봇을삭제하고발사장배경화면을선택합니다. 2 발사대를추가하기위해그림판에서펜과여러가지도형등의도구를사용하여자신만의발사대를만듭니다. 3 글상자를이용하여발사오브젝트를만들고배경화면에서위치와크기를조절합니다. 클릭했을때본부에게발사준비신호를보낼수있게블록을조립합니다. 4 본부오브젝트를추가하고발사준비신호를받았을때카운트다운을하고우주발사체에게발사신호를보낼수있게블록을조립합니다. 18 19
5 우주발사체오브젝트를추가하고발사신호를받았을때폭발음을내며날아가고장면 2 를시작할수있도록블록을조립합니다. 9 장면 2 가시작될때우주발사체가폭발음을내고이동하며 2 단으로분리될수있도록합니다. 10 프로그램을실행하여오류가없는지확인하고만약오류가발생할경우에는수정합니다. 6 우주발사체가 2 단으로분리되는장면 ( 장면 2) 을만들기위해장면 1 옆에있는 + 를눌러장면을추가합니다. 7 배경화면을선택하여변경합니다. 8 우주발사체오브젝트를추가하고로켓 _4 를선택한후복제하여그림판을이용해단이분리된모양을추가합니다. 배경화면에서우주발사체의위치와크기를조정하고진행방향을비스듬하게조정합니다. 4 다음중하나를골라프로그램을바꾸어보기 1 다양한오브젝트들을추가해보세요. 2 장면 3 을추가하여프로그램을만들어보세요. 5 활동정리하기 이번활동을하며느낀점을간단히적어보세요. 20 21
part 3 추천대상중학교자유학기관련교과중학교 3학년과학 ( 과학과인류문명 ) 우주발사체, 현재위치는? 우주발사체는목표를향해정확히날아가야합니다. 발사각도가단 1도만어긋나도, 우주에다다를수록그차이는어마어마하게벌어집니다. 따라서매순간자신의위치를알아야하며, 엇나간위치는바로바로수정해줘야목표지점까지이를수있습니다. 그렇다면우주발사체는어떻게자신의위치를파악할까요? 우주발사체의발사각도가변하면원하는궤도까지다다르는데실패하고만다. 지표위치는위도와경도로지구표면에서위치를표시하기위해가장많이쓰는것은위도와경도입니다. 경도는지구를세로로가로지르는선이며영국의그리니치천문대를기준으로하여동서방향으로얼마나떨어져있는지를나타냅니다. 그리니치를중심으로동쪽은 E, 서쪽은 W로표시하며, 동쪽으로최대 180 도, 서쪽으로최대 180 도로정해집니다. 반면에위도는지구를가로로가로지르는선입니다. 적도를기준으로남북방향으로얼마나떨어져있는지를나타냅니다. 적도를중심으로북쪽은 N, 남쪽은 S로표기하고, 북쪽으로최대 90도, 남쪽으로최대 90도까지있습니다. 그렇지만우주발사체의경우지구표면에서움직이는것이아니라우주공간을향해날아가므로 높이 라는값이필요합니다. 특히우주로나가는우주발사체의경우위도, 경도가아닌별도의좌표계를사용해야하지요. 내부의센서를활용해위치파악하늘로솟아오르는우주발사체가자신의위치를파악하는방법에는크게두가지가있습니다. 바로 관성항법 과 GPS 입니다. 먼저관성항법은우주발사체내부에있는정밀한센서를사용하는방법입니다. 우주발사체안에는가속도 ( 운동하는물체의속도변화 ) 를측정할수있는가속도센서와, 회전을측정할수있는자이로센서가들어있습니다. 이방법은센서가정밀하지않으면오차가누적되어뒤로갈수록값이부정확하다는단점이있습니다. 즉, 비교적짧은시간의위치를파악하는데는유용하지만긴시간동안의위치를파악하기는어렵지요. 그렇지만다른통신수단이끊겼을때쓸수있는유일한방법이므로우주발사체에는반드시탑재되는기능입니다. GPS의원리는삼각측량내모습을스스로파악하기어려울때다른사람에게부탁하는것처럼, 우주발사체도스스로위치를파악하는데한계가있으므로 3자입장에서위치를알려줘야합니다. 여기에서 GPS 위성이중요한역할을합니다. GPS 기술은이미일반인에게도공개되어많이쓰이는기술입니다. 우리가매일들고다니는스마트폰에도 GPS 센서가들어있어자신의위치를정확히파악할수있습니다. GPS 원리에대한흔한오해는나 ( 스마트폰또는내비게이션 ) 와위성이 1:1로연결되어내위치를실시간으로알려준다는것입니다. 만약그렇다면 GPS 사용자가늘수록위성의숫자도계속늘어야합니다. 하지만 GPS는 1:1 연결이아니라삼각측량이라는방법을사용합니다. 스마트폰의길찾기기능은 GPS 센서를이용한것이다. 22 23
이미알려진 3 개의위치와내가있는곳까지의거리 매우정밀한지도를제작하거나토 A 를정확히안다면, 내위치를알아낼수있습니다. 왼쪽그림처럼 3개지점에서거리를반지름으로 목공사를할때도 GPS를사용합니다. 정밀 GPS 를쓰면mm단위로위치 하는원을각각그립니다. 그러면 3 개의원이겹 를알수있기때문에구조물사이의 B 치는곳이있는데, 그곳이바로내위치죠. 만약 3개지점이아니라 4개지점을안다면지면이 거리, 평형감지, 경사도측정등에유용합니다. 이를응용하면구조물 아니라공중에서의위치까지알수있습니다. 의안전상태를점검할수도있습니 지구위에는약 30 개의 GPS 위성이돌고있습 다. 댐이나다리등에서변형이예측 C 니다. 지표면에있는 GPS 수신기가 GPS 위성 3 대로부터전파를수신하면, 위성 3개와의거리를 되는지점에 GPS 수신기를설치하면구조물이변형된정도를측정할수 삼각측량법의원리위치를아는 3개의지점과내가있는곳까지의거리를안다면나의위치를알수있다. 통해현재위치를계산할수있습니다. GPS 위성은오차가거의나지않는원자시계를사용해거리를측정하기때문에, 거리가매우정확하게계산됩니다. 있습니다. 스마트폰으로 119 구조전화를하면, 전화를건사람의위치정보가자동으로 119 센터로전송됩니다. GPS 가장착된이어폰은시각장애인에게현재위치, 방향, 가야할방 GPS 기술은범죄수사에커다란도움이되고있다. GPS 는어떻게이용될까요? 향과장애물을안내하는용도로도쓰입니다. 그밖에철새들의이동 GPS 가가장많이쓰이는분야는내비게이션 ( 차량항법시스템 ) 입니 상황, 돌고래의위치파악등의자연생태조사나농업, 산림관리등 다. 현재내위치를정확히알려주므로지도와결합하면길안내를 의분야에도 GPS 가사용되고있습니다. 할수있습니다. 요즘내비게이션은교통상황정보까지취합해서가 이처럼최근에는 GPS 를쓰지않는분야를찾기어려울정도가됐 장빠른길을안내하기까지합니다. 빈화물차의위치를파악해화물 습니다. 언급한예시외에 GPS 를어떤용도로활용하면좋을지생각 수송비용을절감하는물류시스템에도사용됩니다. 해봅시다. 경찰도 GPS 를많이사용합니다. 범죄가발생했을때, 범죄현장과 가장가까운경찰차량의위치를파악하여신속히임무를수행할수 있지요. 자동차에미리 GPS 를장착해놓는다면자동차를도둑맞았 을때위치를추적해다시되찾을수도있습니다. 해양에서는선박의위치를파악해항로를제공하는수단으로사용 합니다. 위치파악이된선박은전자지도에표시돼더욱효율적으로 화물수송을할수있습니다. 또한선박이항만에가까이왔을때다 른선박과부딪히지않도록관리하고통제합니다. 공항에서는항공기의위치를정확히파악해항로를수정하고, 안전 한비행을하도록합니다. 항공기가안전하게이착륙할수있도록도 와주는기능도담당하고있습니다. 24 25
활동 ➌ GPS 로미션수행하기 우리가자주쓰는지도앱은 GPS 를통해정보를제공합니다. GPS 를사용하면자신의위치를정확히알수있습니다. 일반인에게공개되는 GPS 는 10m 이내의오차가있지만, 이정도라도위치를추정하기에는충분합니다. GPS 의좌표를사용해서미션을수행하는모둠활동을통해 GPS 의유용함을체험해봅시다. 준비물 GPS TEST 앱이설치된스마트폰 4 모둠별로좌표를불러줍니다. 불러주는좌표를아래에기록하세요. 모둠번호좌표 1 2 3 활동하기 4 1 모둠별로쪽지에미션메시지를적습니다. 미션은비교적쉽게실행할수있는것이어야합니다. ( 예 ) 학교정문에서단체사진찍기, 수수께끼열문제적기, 학교에서가장큰나무사진찍기, 선생님과사진찍기등 5 모둠별로 GPS TEST 앱이설치된휴대전화를가지고미션메시지를찾으러출발합니다. 미션메시지를찾은다음에는미션을수행하고증거사진을찍어옵니다. 어느모둠이가장먼저미션을수행하는지순위를매깁니다. 2 모둠휴대전화에 GPS TEST 앱을설치합니다. 순위 1 위치 2 3 4 6 만약좌표를몰랐다면, 또는좌표를표시해주는 GPS 앱의도움이없었다면미션을수행할수있었을까요? 정확한위치를찾아가야하는우주발사체에서 GPS 가어떤역할을하는지생각해봅시다. 3 모둠별로미션메시지를운동장곳곳에숨기고, GPS TEST 앱을이용해서그위치의좌표를정확하게적어오세요. ( 미션메시지는위험하지않은곳에숨깁니다.) 26 27
진로탐색 항공우주공학기술자 항공우주공학과 기계공학과물리학과천문학과 기계항공공학부에입학하면, 1학년때는수학이나물리등기본적인과학을익힌다음, 2학년이되면항공과우주탐사에이용되는기계에대해배우죠. 비행기와로켓등의기본적인작동원리를배우고, 직접설계도합니다. 우주항공공학을전공한학생들이진출할수있는분야는크게세가지입니다. 정부출연연구기관 ( 이하출연연 ) 이나기업, 학교등이지요. 출연연중에서는한국항공우주연구원이나한국기계연구원, 국방과학연구소가대표적이고, 기업중에서는중공업분야나한국항공우주산업 (KAI) 에진출할수있습니다. 우주에서수행하는연구의종류가다양해지면서, 우주발사체뿐만아니라다양한학문이관련되기도합니다. 생물학, 행동과학등다양한분야를연구하는과학자가우주정거장에서과학실험을하는유인탐사에참여하기도합니다. 직접우주에나가연구를수행하려한다면, 연구자로서의자질만큼이나신체적 정신적조건이중요합니다. 어떤적성이필요할까요? 어떤일을할까요? 공기중을비행하는물체, 즉여객기, 전투기, 우주선등의각종비행물체를설계하고개발하는일을담당합니다. 항공기의본체나시스템및전자설비 ( 레이더등 ) 를설계하고, 실험연구를통해새로운항공공학기술을개발합니다. 다목적인공위성, 로켓개발등과같은프로젝트에참여하여, 기체나시스템및각종장비를연구하고설계합니다. 항공기제조공정을감독하고관련기술을지도하기도합니다. 항공공학에대한지식이요구되며, 우주산업을포함한항공기에사용되는기술이계속발전하므로새로운기술습득과자기계발을위해노력하는자세가필요합니다. 새로운것에대한탐구정신과호기심, 창의성과문제해결을위한논리적사고, 분석력, 그리고정확한판단력이요구됩니다. 다른기술자나전문가와협력하여일을하는경우가많으므로원만한대인관계능력과명확한의사소통능력이필요하며, 영어등의외국어소통능력은기본적으로갖추어야합니다. 우주발사체관련직업 항공산업 물리학연구원, 전자부품개발자, 기체부품개발자 전문가인터뷰 우주산업자연과학시험원, 인공위성개발원, 천문학연구원항공기기계설비관리자, 엔진개발자, 엔진시험정비사, 전자부품개발자, 기체부품개발자관련학과는? 우주발사체연구는항공우주공학과기계공학과의내용과연관성이많지만, 물리학, 천문학등의지식도필요합니다. 우주발사체는미사일같은무기와도깊은관련이있습니다. 항공기, 미사일등은군수업체와깊은관련을갖게됩니다. 저는한국항공우주산업의헬기로터설계팀에서연구하고있습니다. 헬기로터는비행체가수직으로올라가는데필요한힘을만드는회전날개로, 이날개에작용하는하중 ( 물체에가해지는외부힘 ) 을계산하는일을하고있지요. 석사나박사과정을밟는경우대부분자신의연구내용과관련된직업을갖습니다. 저역시마찬가지고요. 석박사과정까지생각하는학생들은자신의연구주제를신중하게선택해야합니다. 석사과정에서엔지니어로서의자세도많이익혔습니다. 특히저희연구실은시간을철저히지켰는데요, 실제엔지니어의생활을하다보니시간관리도업무에반드시필요한능력이라는것을느 꼈습니다. 이준배 / 한국항공우주산업 (KAI) 선임연구원 28 29
메이커활동 큐리오시티찾아떠나는화성여행 제작개요 제작시간 : 약 25분필요한재료와도구 글 / 사진임상현 ( 인천석남중학교교사 ) 제품개요제품기능에어로켓을발사하여태양계과녁판속화성에도착하고, GPS 앱을사용하여큐리오시티를찾는다. 발사대 공이 고무캡 흡착판 로켓 날개 주사기 실리콘압축탱크 공이 과녁놀이용흡착판실리콘압축탱크보조날개고무캡 (2개) 고정고무 작동원리 발사대몸체 주사기 에어글라이더몸체 실내활동에안전한공기압방식으로우주발사체를제작하고, 스마트폰에다운로드받은 GPS 앱을활용하여위치를추적한다. 발사대고정링 과녁놀이용봉 제품사진 로켓에어글라이더봉발사대고정봉 양면테이프로켓투명스티커 에어로켓 GPS TEST 앱 핵심제작원리에어로켓의작동원리인작용 반작용법칙과태양계를이해하고, GPS 앱을설치하여조작하는방법을익힘. 제품구조 발사구간압축구간 에어로켓을발사하여태양계과녁판속화성을맞춘다. 제작주의사항 ➊ 사람을향해쏘지않음. ➋ 부품들을조심스럽게다룸. 필요한지식과기능 ➊ 에어로켓발사원리 ➋ 작용 반작용의법칙 ➌ 태양계 ➍ 스마트폰앱사용법 30 31