▷ 실험제목: 로켓 발사 or 로켓 엔진 연소 실험
▷ 관련분야: 물리, 화학, 지구과학, 법학, 전자공학, 프로그래밍
▷ 실험출처: (EP.03)PVC 파이프로 로켓엔진을 만들다|PVC Rocket Engine - YouTube
KNSB연료로켓 제작과정 및 추력테스트 (메이킹 필름) - YouTube
로켓 노즐 설계 방법(How to Design Rocket Nozzle) - YouTube
▷ 재료구입: 1단: KNSB(질산칼륨+솔비톨) 를 연료로 사용했을 때
질산칼륨: 덕산종합과학 : 세계 최고의 과학쇼핑몰 - Potassium Nitrate / 99% / EP / 질산칼륨 (dslab.co.kr)
솔비톨: 가루전문쇼핑몰 가루나라입니다. (garunara.co.kr)
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연소 실험만 할 경우: 42000원 (PVC 커터 제외)
발사까지 할 경우:87000원
▷ 실험시 주의 사항
KNSB 제작이 상당히 위험하다. 산화제인 질산칼륨이 흑색화약의 주 제료이다 보니 화상과 화재 폭팔 등의 사고에 대비해 안전한 환경을 구축하고, 질산칼륨이 개인이 소지하지 못하는 재료이며 학교를 통해서 구매해야 하기 때문에 법적인 문제가 발생하기 쉬워 규정 등을 자세히 확인해야 한다. 만약 발사까지 진행하게 된다면 낙하물이 떨어져도 피해가 적은 공터로 이동해 발사해야 한다.
▷ 실험 과정
로켓 엔진 연소실험:
1.KNSB가 들어갈 연료통인 그레인(PVC파이프) 의 부피를 정하고 여기에 KNSB의 밀도인 1.84g/cm^3을 곱해 그래인 하나의 전체 질량을 구한다.
2.KNSB의 솔비톨:질산칼륨의 비율인 7:13을 솔비톨과 질산칼륨의 몰수 비와 각각의 분자량을 이용해 질량비를 유도해 본다.
3.솔비톨:질산칼륨 = 7:13 비율로 총질량을 분배해 배합한 후 천천히 열을 가해 솔비톨을 녹인 뒤, 만들어두었던 그래인에 넣어 KNSB를 완성한다.
4.시뮬레이션과 출처 영상에 있는 공식들을 활용해 우리가 만든 연료의 질량과 추력에 최적화된 De laval 형상의 노즐을 설계해서 시맨트를 이용해 만든다.
5. 로드셀과 열전대 소자, 아누이노를 이용해 추력 그래프와 온도 상승 그래프를 기록하고 이를 같은 그래프에 한번에 나타내본다.
6. 수축부만 있거나 확산부만 있는 노즐도 만들어 최적화된 노즐과 비교해 밑의 사진의 De laval 형상의 노즐과 추력이 얼마나 차이 나는가 비교해본다.
7. 수축부만 있거나 확산부만 있는 노즐이 왜 De laval 형상의 노즐보다 추력이 낮은가 탐구해본다.
De laval 형상의 노즐
로켓 발사
1.KNSB를 만들어 연소실험을 하는 것까지는 똑같다.
2.KNSB 연소실험으로 얻읃 추력의 양을 기반으로 하여 로켓의 모양과 무게를 정하고 open rocket 시뮬레이터 등을 이용해 여러 기상 조건에서 시뮬레이션을 돌린다.
3.출처 영상 체널을 참고해 로켓 동체와 날개, 낙하산 사출부, 소형 카메라 마운트 등을 만든다
4.기압 고도 센서, 중력가속도 센서, 아두이노 등을 코딩해 센서의 측정 값을 나타내도록 하고, 자동으로 연료의 연소가 끝나면 낙하산을 사출시키는 프로그램을 만든다.
5.발사
6.회수 후 초소형 카메라에 녹화된 영상을 확보함과 동시에 기압 고도 센서를 이용해 측정한 상승속도와 중력가속도 센서로 로텟이 얼마나 많은 G를 받았는가 측정한다.
7.KNSB 연소 실험을 하며 얻은 그래프와 상승속도, G 증가 그래프를 만들어 같이 비교한다.
:KNSB를 만들어 연소실험을 하는 것까지는 똑같지만 전체적인 KNSB 연소실험으로 얻읃 추력의 양을 기반으로 하여 로켓의 모양과 무게를 정하고 open rocket 시뮬레이터 등을 이용해 여러 기상 조건에서 시뮬레이션을 돌리고, 기압 고도 센서를 이용해 상승속도를 측정함과 동시에 중력가속도 센서로 로켓이 급가속을 하며 얼마나 많은 G를 받는지 측정할 것이다. 또 아두이노 등을 사용하여 자동으로 연료의 연소가 끝나면 낙하산을 사출시키는 프로그램을 만들 것이며, 초소형 카메라도 달아 날라가는 장면을 녹화할 것이다
▷ 관련된 과학이론
베르누이 정리
공기의 압축성 효과
작용과 반작용의 법칙
압축성 유체
음속
등엔트로피
압력비와 면적비와의 관계
몰수 비
분자량
반응 질량비