실험으로 함께하는  로 켓 놀 이

                                                         강성기 지음 / 도서출판 바른사

제 3 장   수소 로켓

( 1 ) 수소 로켓

     
 

 

1. 수소로켓

수소 로켓은 물로켓과 에어 로켓의 원리를 조금 더 응용한 모델입니다. 물로켓과 에어 로켓은 공기의 압축을 이용하여 로켓을 비행하게 하였지만 수소 로켓은 수소 기체를 연료로 사용한 것입니다. 때에 따라서는 헬륨 기체나 메탄올을 이용하기도 합니다.

더군다나 불꽃을 일으키는 점화 방식도 다양하게 사용할 수 있어 상황에 맞게 선택할 수 있습니다. 그렇다면 이 수소 로켓의 비행 거리는 얼마나 될까요?

물론 로켓의 무게와 연소 폭발의 변화에 의해 차이가 있겠지만 물로켓이나 에어 로켓만큼 먼 거리를 비행할 수가 있습니다.

(1). 점화 장치 만들기

수소와 공기가 혼합된 밀폐된 공간(페트병)에서 불꽃을 일으켜 수소를 연소(폭발)시키는 장치를 점화 장치라고 합니다. 이 점화 장치는 니크롬선과 화약을 이용하여 만들어 건전지에 연결하여 점화시키는 방법과 전자칩이라는 압전 세라믹을 이용한 스파크 발생기를 이용하기도 합니다.

전자칩은 주방의 가스레인지 불꽃을 점화하는 장치를 생각하면 쉽게 이해가 갈 것입니다. 전자칩 대신 못쓰는 가스레인지에서 점화 장치를 뜯어내 사용해도 됩니다.

① 니크롬선과 불꽃 놀이 화약을 이용한 전기 점화 장치

니크롬선을 건전지에 연결하면 전기 저항때문에 열이 발생하면서 빨갛게 달아오르는 것을 볼 수 있다. 니크롬선이 약하거나 건전지의 전압이 높으면 빨갛게 달아 오른 니크롬선이 끊어지기도 한다. 이와 같은 전기 저항의 열을 이용하여 화약 가루에 불을 붙일 수가 있다.

공기와 수소가 적당히 혼합되어 있는 밀폐된 공간에서 이 화약 가루의 번쩍이는 불꽃이 수소를 폭발시켜 로켓을 발사할 수 있는 것이다.


가. 점화제 만들기

필요한 것은?

불꽃 놀이 화약(일명 번쩍이 불꽃 화약, 기존의 화약 제품을 이용함. 문구점에서 판매함), 액체 풀, 니크롬선, 집게 전선, 건전지, 스위치, 작은 못, 기타 등등

어떻게 할까요?

① 니크롬선을 짧게 잘라 작은 못에 대고 4∼5번 정도 감아 빼내어 스프링 형태로 만든다.

② 번쩍이 불꽃의 종단면을 잘라내어 가루를 모은다(이때 화약 가루에 충격을 주거나 비비거나 열을 가해서는 안된다).

③ 액체 풀을 스프링 형태로 만들어진 니크롬선에 바르고 화약을 묻힌다(화약이 니크롬선에 붙게 하기 위함이므로 너무 많은 풀을 묻혀서는 곤란하다.)

④ 니크롬선에 풀이 말라 화약이 적절히 잘묻었는지를 확인하여 점화제를 완성한다.

나. 전기 점화제에 건전지를 연결해 불꽃 일으키기

① 완성된 점화제에 건전지와 스위치를 연결한다.

② 건전지의 스위치를 닫아 전류를 흘려 점화제에 불꽃을 일으켜 보자.

다. 발사관 및 점화 장치 연결하기

① 병뚜껑의 윗부분에 P.V.C관이 들어갈 정도의 구멍을 뚫는다(이때 칼로 뚜껑을 뚫으면 손을 다칠 위험이 있기 때문에 전기 납땜기를 이용하면 쉽게 구멍을 뚫을 수 있다).

② 구멍을 뚫은 병 뚜껑과 P.V.C관에 사이에 2m 정도의 전선을 끼워넣고 글루건을 이용하여 공기가 새지 않게 잘 막는다(이때 2m의 전선 중 10cm 정도는 페트병 속으로 들어가고, 나머지 전선은 바깥으로 나올 수 있게 연결한다).

③ 병 속에 들어갈 전선의 두 끝부분의 피복을 벗겨내고 집게 전선클립을 연결한다.

④ 집게 전선에 점화제를 연결한다.

⑤ P.V.C관과 병뚜껑의 연결이 완성되면 페트병을 돌려 끼운다.

라. 발사대 고정 장치 만들기

① 페트병의 밑부분을 잘라내어 합판이나 두꺼운 아크릴판에 접착시킨다(글루건을 이용하면 간편하게 접착시킬 수 있다).

② 완성된 발사장치를 판 위의 페트병에 움직이지 않게 끼워넣는다. 물로켓 발사대에 수소 로켓을 장착하면 더욱 안정된 발사를 할 수 있다.

(2). 로켓 만들기(에어 로켓 제작 방법 참고)

① 바깥 지름 22mm P.V.C관에 아스테이지를 감아 둥근 원통형으로 만든다(이때 사용하는 P.V.C관은 바깥 지름이 22mm, 26mm, 32mm등의 관을 모두 사용할 수 있는데 고무 호스의 바깥 지름을 생각하여 22mm PVC관을 사용하는 것이 적당하다).

② 원통의 옆면에 테이프를 단단히 감아 공기가 새지 않도록 한다.

③ O.H.P로 만 둥근 원통을 P.V.C관에서 빼낸다(로켓의 몸체 완성).

④ 그림과 같이 로켓의 앞부분에 전기 절연 테이프를 넣어 붙인다(고무 찰흙이 밑으로 로켓의 밑으로 빠지는 것을 방지하기 위함임).

⑤ 5g 정도의 고무 찰흙을 둥글게 말아 넣고 전기 절연 테이프로 공기가 새지 않도록 단단히 감는다.

⑥ 로켓의 밑부분에 책받침으로 삼각형 날개를 3개를 만들어 붙인다.

(3). 수소 발생 장치

수소를 사용하면 메탄올보다 폭발력이 강하고 겨울철에도 쉽게 점화가 되기 때문에 가장 효과적입니다. 또는 헬륨, LPG, LNG, 휘발유 등을 이용하기도 합니다.

수소통을 이용한다면 많은 어린이들이 오랫동안 사용할 수 있지만 간단하게 묽은 염산과 알루미늄을 가지고 수소 기체를 만드는 방법을 소개하고자 합니다.

가. 수소 발생 장치

수소를 모으기 위해서는 수소를 발생시키는 장치를 마련해야 하는데 원하는 양만큼만 수소를 모으려면 어떻게 해야할까?

묽은 염산에 알루미늄을 넣었다 뺐다 할 수 있는 장치를 연구하여 보자.

필요한 것은?

페트병, 송곳, 알루미늄 조각, 빨대, 고무 마개, 비커, 묽은 염산

어떻게 할까요?

① 작은 페트병의 밑바닥에 송곳을 이용하여 여러 개의 구멍을 뚫는다.

② ①의 페트병에 알루미늄 조각을 넣는다.

③ 구멍 뚫린 고무마개에 빨대나 유리관을 끼워 병 주둥이에 끼워 넣는다(이때 구멍 뚫린 고무 마개나 유리관이 없을 경우에는 병 주둥이에 빨대를 꽂고 고무 찰흙으로 병 주둥이 입구를 막아 감싼다).

④ 비커에 1:4 정도의 묽은 염산을 넣는다(이때 넓은 비커나 수조가 없으면 큰 페트병의 몸체를 잘라 사용해도 된다).

나. 수소 발생시켜 모으기

지금 소개하는 수소 발생 장치는 한꺼번에 여러 개의 페트병에 수소 기체를 모아 뚜껑을 닫아 보관하였다가 필요한 때에 사용할 수 있다.

간단한 방법이기는 하지만, 수소의 양을 대충 짐작만으로만 모을 수밖에 없다는 단점이 있다.

필요한 것은?

페트병, 유리관, 알루미늄 조각, 고무 마개, 비커, 묽은 염산

어떻게 할까요?

① 알루미늄 조각을 넣은 작은 페트병을 묽은 염산이 든 페트병에 담그면 고무 마개에 끼워진 유리관을 통해 수소가 발생되는데, 수소를 모을 빈 페트병의 주둥이를 유리관에 갖다 대고 수소를 모은다(이때 수소와 공기의 비율은 1:1 정도가 되게 한다).

② 수소가 모아진 페트병에 병뚜껑을 꽉 막아 보관한다.

다. 수상 치환으로 모으기

수소와 공기의 혼합 비율이 1:1정도일 때 강력한 폭발을 한다. 때문에 페트병에 반 정도의 물을 넣고 수소를 수상치환으로 모으면 공기와 수소의 혼합 비율을 정확히 측정할 수 있는 것이다.

필요한 것은?

페트병, 빨대, 알루미늄 조각, 고무 마개, 유리관, 묽은 염산, 양파 주머니

어떻게 할까요?

① 페트병에 묽은 염산을 1/4정도 넣는다.

② 빨대나 유리관을 구멍 뚫린 고무 마개에 끼워넣는다(이때 구멍 뚫린 고무 마개나 유리관이 없을 경우에는, 병 주둥이에 빨대를 꽂고 고무 찰흙으로 병 주둥이 입구를 막아 감싼다).

③ 양파를 담는 그물 주머니에 잘게 자른 알루미늄 조각을 넣는다(양파 그물 주머니를 병 속에 먼저 넣고 알루미늄 조각을 넣기도 한다).

④ 양파 그물 주머니에 실을 연결하여, 양파 그물 주머니를 묽은 염산이 든 페트병 속에 넣는다(알루미늄 조각이 묽은 염산에 닿지 않게 실을 잡아 당겨 ②번의 고무마개를 끼워 고정시킨다).

⑤ ②번의 빨때 끝에 고무관을 끼우고, 다시 고무관 끝에 '?'자 모양으로 구부러진 빨대를 끼운다.

⑥ 수소를 모을 페트병에 반 정도의 물을 넣고, 물이 든 수조에 페트병의 주둥이가 잠기도록 거꾸로 넣는다.

⑦ 알루미늄이 담긴 양파 그물 주머니의 끈을 길게 하여 페트병의 묽은 염산에 담그고, 고무 마개를 닫아 끈을 고정시킨다.

⑧ 묽은 염산이 든 페트병에서 수소 기체가 발생하면 수조 속에 담긴 고무관을 페트병에 넣어 수소를 모은다(수소 기체가 페트병에 담긴 물을 밀어내고 기체로 가득 차면 양파 그물 주머니의 실을 끌어올려 수소 발생을 멈추게 한다. 혹시 묽은 염산과 알루미늄이 심하게 발생하면 즉시 실을 끌어올려 반응을 멈추게 해야 한다.

라. 수소 발생시 주의사항

① 수소는 무색 무취의 기체로 공기보다 가벼우며 불꽃을 만나면 스스로 연소하는 성질이 있기 때문에 폭발한다. 그러므로 발생하는 수소 기체에 불꽃을 가까이 가져가서는 절대 안된다.

② 알루미늄 조각을 묽은 염산이 든 비커에 넣는다 해도 처음에는 그 즉시 기체가 발생하는 것은 아니므로 인내심을 가지고 천천히 모아야 한다.

만약 급하게 수소를 모으려면 염산의 농도를 진하게 하면 되겠지만 반응 속도가 빨라 염산이 부글부글 넘쳐흐르기도 하기 때문에 조심해야 한다. 이때는 알루미늄 조각이 묶인 실을 끌어올려 반응을 멈추게 한다.

마. 발사대 장착 및 발사

필요한 것은 ?

로켓, 점화제, 발사관, 알루미늄 조각, 빨대, 고무마개, 유리관, 묽은 염산

어떻게 할까요?

① 로켓을 발사관에 끼우고 발사관 끝에 집게 전선에 점화제를 연결한다.

② 수소를 모은 페트병의 뚜껑을 열고 발사관을 돌려 끼워 발사대에 고정시킨다(넓은 합판에 접착된 페트병의 밑동에 끼워 안정되게 고정시킨다. 이때 물로켓 발사대에 끼워서 사용하면 더욱 안정된 발사가 될 수 있을 것이다).

③ 스위치가 열렸는지 확인하고 전선을 건전지와 스위치에 연결한다.

④ 카운트다운에 이어 스위치를 닫아 발사하여 보자.

★ 점화 화약과 니크롬선의 굵기와 전류의 세기에 따라 점화제의 점화 시간이 다르지만 약3∼8초 정도가 지나면 점화가 된다. 전자칩을 이용한다면 발사 시각에 맞춰 정확히 발사할 수 있을 것이다. 이 부분에 대해서는 아래 부분에서 자세히 설명하고자 한다.

로켓을 발사할 때는 넓은 운동장에서 발사 장치를 완전히 고정시키고 발사자 외의 다른 사람은 멀리 자리를 피하게 하여 발사하여야 한다. 수소 로켓이 발사되면 '펑'하는 굉음과 함께 빠른 속력으로 아주 멀리 올라가므로 주위를 잘 살펴서 발사하도록 한다.

(4). 전자칩을 이용한 발사 장치

전자칩을 이용한 발사 장치는, 전자칩 자체의 스파크에 의해 로켓을 발사하는 간단하며 더욱 세련된 방법이라 할 수 있습니다.

전자칩을 누르는 순간에 시간의 지체 없이 발사되기 때문에 더욱 극적인 효과를 볼 수 있습니다.

발사관에 전자칩을 연결하는 방법만 조금 다를 뿐 다른 모든 방법은 동일하며 연결하는 방법은 다음과 같습니다.

가. 전자칩에 전선 연결하기

필요한 것은?

전선, 테이프, 전자칩, 집게 전선

어떻게 할까요?

① 전선을 2m 정도의 길이로 잘라낸다.

② 두 전선 끝부분의 피복을 벗겨내어 아래의 부분에 연결하고 테이프로 감아서 단단하게 고정시킨다.

                

③ 전자칩에 연결된 두 전선의 끝을 2∼3mm 정도의 간격으로 놓은 다음 전자칩을 눌러서 불꽃이 일어나는지를 확인하여 보자.

④ 두 전선의 끝에서 불꽃이 일어남을 확인하였으면 두 개의 전선 끝에 집게 전선을 각각 연결한다.

나. 발사관에 연결하기

필요한 것은?

P.V.C관, 나사못, 전자칩, 병 뚜껑

어떻게 할까요?

① 길이 30cm의 P.V.C관 밑부분에 2개의 구멍을 뚫어 나사못을 각각 끼워넣는다(구멍을 뚫을 때는 못을 불에 달구어 펜치로 집어 구멍을 뚫으면 쉽게 할 수 있다).

② 나사못에 전자칩을 연결하고, 이 전자칩을 눌러 두 못 사이에서 스파크가 일어남을 확인한다(스파크가 일어나지 않는 것은 두 못 사이가 너무 떨어져 있거나 너무 붙어 있기 때문인데 일반적으로 너무 붙으면 스파크가 작게 일어나고 너무 떨어지면 스파크가 일어나지 않는다. 약 3∼5mm 정도가 적당하다).

③ 병뚜껑의 윗부분에 P.V.C관이 들어갈 정도의 구멍을 뚫는다(칼로 뚜껑을 뚫으면 손을 다칠 위험이 있기 때문에 전기 납땜기를 이용하면 쉽게 구멍을 뚫을 수 있다).

④ 구멍을 뚫은 병 뚜껑과 P.V.C관 사이를 글루건을 이용하여 공기가 새지 않게 잘 막아 발사관 연결을 완성한다(전자칩을 연결한 두 전선이 서로 꼬이지 않게 가지런히 되어야만 불꽃이 넓게 잘 튄다).

⑤ 전자칩을 눌러 발사한다.

(5). 메탄올 연료를 이용한 방법

수소는 다른 기체에 비해 폭발력이 크다는 장점을 지니고 있다. 그러나 일반적으로 메탄올을 이용하여도 그에 못지 않는 파워를 자랑하지만 겨울철에는 기화가 잘되지 않아 폭발력이 약하기도 하다. 겨울을 제외한 봄, 여름, 가을에는 메탄올을 이용하는 것이 더욱 간단한 방법이 될 것이다.

물론 메탄올 연료를 사용하여도 니크롬선과 화약을 이용한 점화제 및 전자칩을 이용한 발사 장치를 동시에 사용할 수 있어 상황에 맞게 꾸며도 될 것이다.

필요한 것은?

빈 스프레이통, 메탄올, 페트병, P.V.C관, 전자칩

어떻게 할까요?

① 쓰고 남은 빈 스프레이통에 메탄올을 조금 넣는다.

② 페트병에 수소를 모으는 대신에 스프레이통에 든 메탄올을 페트병의 주둥이에 대고 2번 내지 2번 반 정도 뿌린다(메탄올을 약간 넣고 페트병을 기화시켜 발사하는 방법도 있지만 스프레이통에 넣어 분무하면 거의 기체화된 메탄올을 쉽게 얻을 수 있다).

③ 페트병을 5∼6번 가볍게 흔들고 뚜껑이 연결된 P.V.C 발사관을 꽂아 발사 준비를 한다.

④ 기타 방법은 동일하다(전기 점화제를 이용한 발사 장치 또는 전자칩을 이용한 발사 장치 등을 함께 사용할 수 있어 상황에 맞게 발사 방법을 선택하여 발사할 수 있다).

(6). 낙하산을 펼치는 로켓 발사 방법

낙하산을 펼치는 로켓은 낙하산 및 탑재부를 장착하기 때문에 무거워지며 단시간에 많은 추력을 얻어야하기 때문에 로켓의 구경을 크게 하여야 합니다. 또, 로켓의 길이가 60cm이기 때문에 발사관의 길이 또한 길어져야 합니다.

때문에 발사관의 외경은 32mm, 길이는 60cm인 P.V.C관을 사용합니다.

로켓을 만드는 방법은 낙하산을 펼치는 에어 로켓을 참고로 하여 똑같이 만들어도 되며 경우에 따라서는 26mm관을 이용하기도 합니다. 또, 로켓의 무게를 감안하여 수소 기체를 사용하는 것이 유리하나 겨울철이 아닐 때에는 메탄올을 사용하여도 큰 차이는 없을 것입니다.

점화 방식에 있어서도 전자칩이나 전기 점화 방식 중 어느 것을 선택하여도 무방합니다.