실험으로 함께하는  로 켓 놀 이

                                                         강성기 지음 / 도서출판 바른사

제1장   물 로켓

(4) 물로켓 제작에 따른 재료의 선택

     
 

(1) 로켓 몸체로 사용하는 페트병

물로켓은 왜 페트병만으로만 만들어야 할까요?

그보다 더 좋은 재료는 없을까요? 금속이나 또 다른 재질의 용기를 사용하는 방법은 없을까요?

로켓에 공기를 100Psi(자동차 타이어 공기압의 약3배 정도)로 압축시켜, 압축된 공기가 순간적으로 뿜어져 나오게 하기 위해서는 로켓의 몸체가 이 압력을 견딜 수 있게 굉장히 튼튼해야만 합니다. 튼튼한 것만으로만 말한다면 금속제가 더 좋을 것이나 무겁고 신축성이 없습니다. 그렇다면 가볍고 신축성이 좋으며 우리 생활 주변에서 쉽게 구할 수 있는 재료는 무엇일까요?

탄산 음료를 저장하는 페트병은 여름에 간혹 폭발하는 사례가 있기 때문에 이를 방지하기 위해 가볍고 신축성이 있으며 강한 압력에도 견딜 수 있는 재질로 9기압까지의 압력을 견딜 수 있는 첨단 과학 제품입니다.

우리가 사용하는 로켓의 공기압은 100Psi이상이며, 이는 자동차 타이어 공기압의 약 3배에 해당하는 압력입니다. 이를 감안할 때 물로켓의 몸체로 사용하는 페트병이야 말로 현재로서는 최선의 재료가 아닐까 생각합니다.

(2) 로켓의 연결관에 대하여(페트병의 연결관)

물과 공기를 1개의 페트병에 압축시키는 1연식 로켓이 아니라 여러 개의 병을 연결하여 더 많은 양의 물과 공기를 압축시켜 발사하는 다연식 로켓의 연결관(페트병 연결관)을 말합니다.

100psi의 압력을 견딜 수 있게 2∼3개의 페트병을 연결하는 것은 여러 가지 물로켓 제작의 가장 기본 요소이며 초보적인 물로켓의 단계를 벗어나 새로운 모델의 로켓을 이해하는 기본이 될 것입니다.

두 개의 페트병을 본드나 셀로판 테이프 등을 이용하여 페트병을 연결하면 엄청난 압력을 견디게 하기에는 충분치 않으며, 볼트와 너트 등을 이용한 연결법도 무게가 많이 나가고 직경 크기 때문에 페트병의 접속 부분으로는 적당하지가 않습니다.

자전거 공기 주입구의 핀을 빼낸 관을 사용하여 2개의 페트병을 공기가 새지 않게 연결할 수 있습니다.

다양한 크기의 연결관으로 활용하기 위해 5mm짜리의 연결관 2개를 함께 연결하여 10mm관의 효과를 내게 할 수도 있습니다.

현재는 가볍고 튼튼한 로켓의 연결 부분으로 적당한 직경의 볼트와 너트를 개발하여 아주 쉽게 사용할 수 있게 개발되어 있습니다.

(3) 분리 부분에 대하여(압력조절장치)

물로켓의 분리 원리는 1단과 2단, 2단과 3단의 압력차를 이용한 것이라고 했는데 로켓의 각단에 공기압을 다르게 할 수 있는 방법은 어떤 것일까요?

1단 로켓에 일정압(30psi)이 저장되기 전까지는 2단로켓으로의 공기 유입이 없어야 하며, 일정압에 도달되어 2단 로켓에 공기가 유입되어도 그 압력에 의해 2단 로켓이 자동으로 이탈되지 않게 하는 잠금 장치 역할을 할 수 있는 부품이 필요한 것입니다.

① 자전거 타이어의 공기 주입구를 이용하여 압력 조절 장치로 사용함.

자전거 타이어의 공기 주입구를 생각해 보자. 자전거 타이어의 공기 주입구는, 공기를 넣었을 때 밖으로 새지않게 하는 공기의 역류 현상을 막아 주는 장치이기도 하지만 이 부품 자체가 압력 조절 역할을 할 수 있는 것이다.

3연식 로켓에 한 개의 병을 꽂아 지상 80m 상공에서 분리 되게 하기 위해서는 1단과 2단의 분리 부분이 공기 주입구로 단단히 연결되어서는 절대 분리가 될 수 없다. 3연식 로켓의 끝부분에 공기 주입구를 연결하여 잘 늘어나고 잘 줄어드는 실리콘 호스에 자연스럽게 꽂혀 자동적으로 잠금 장치가 될 수 있게 해야 한다.

② 실리콘 호스를 이용하여 2단 로켓의 잠금 장치 역할을 함.

실리콘 호스(외경 21mm, 내경 10mm)를 1단과 2단, 2단과 3단의 분리 부분의 공기 유입통로 및 잠금 장치로 사용하였는데 1단에서 유입된 공기가 30psi의 압력이 찰 때까지는 공기가 저장되는 상태이므로 실리콘 호스는 신축성에 의해 바람찬 풍선처럼 늘어나게 된다.

2단 로켓(페트병의 주둥이)속에서 늘어난 실리콘 풍선에 의해 자동적으로 잠금 장치의 역할을 하게 되며 계속해서 2단 로켓에 공기압을 유입시킬 수 있는 것이다.

또, 로켓이 발사되어 1단로켓의 물과 공기가 분사되고 나면 2단 로켓 안의 풍선처럼 늘어난 실리콘이 다시 수축되고, 2단 로켓에 저장되어 있던 공기압에 의해 로켓이 재발사될 수 있는 것이다. 3단 로켓 역시 이와 같은 원리에 의한 것이다.

③ 실리콘 호스(외경 21mm, 내경 10mm)를 사용하는 까닭

실리콘 호스의 외경은 페트병의 직경과 같은 21mm가 되어야 하지만 내경이 너무 크면 호스의 두께가 얇아져 실리콘 풍선이 너무 쉽게 부풀어올라 문제가 되며, 반대로 내경이 너무 작아 호스의 두께가 두꺼워지면 풍선이 부풀어오르지 않아 2단 로켓의 잠금 장치 역할을 하기가 어렵게 된다.

실험 결과 실리콘 호스의 외경은 21mm로 하되 내경은 8∼10mm정도를 사용해야만 30psi의 압력에서 쉽게 부풀어올라 잠금 장치의 역할을 훌륭히 할 수 있다.

(4) 물로켓의 노즐에 대하여(분사구)

압축된 공기와 물이 뿜어져나오는 분사구를 말하는데 이 분사구의 크기에 따라 로켓의 비행 거리가 달라질 수 있습니다.

세탁기 호스의 연결 장치와 비슷하게 생긴 6mm 노즐을 끼워 사용하는 기존의 일본식 방법과 페트병 자체의 직경인 21mm 노즐을 그대로 사용하는 한국식 방법이 있습니다.

① 6mm노즐을 끼워 사용하는 일본식 방법

● 직경이 작기 때문에 오랫동안 물과 공기를 분사하지만 추진력이 약하며 작은 변수에도 로켓의 비행 방향이 바뀌기 쉬우며 대체적으로 비행 거리도 짧다.

● 2, 3연식 2단 분리와 3연식 3단 분리 로켓과 같은 대형 로켓을 추진시키기에는 역부족이고 효과적이지 못하다.

● 로켓마다 별도의 노즐을 끼워야 하므로 번거로우며 경제적이지 못하다.

② 페트병 주둥이 자체인 21mm 노즐을 쓰는 한국식 방법

● 페트병 자체의 직경인 21mm 노즐을 사용하기 때문에 별도의 노즐이 전혀 필요하지 않다.

● 페트병 자체의 직경인 21mm 노즐은 6mm의 노즐보다 훨씬 크기 때문에 추진력이 강해 비행 거리가 더욱 길며 안정적이다.

● 특히 다연식 로켓은 분사노즐은 21mm이지만 페트병과 페트병의 연결 부위를 5mm관을 사용하기 때문에 순간적인 추진력과 압축된 물과 공기의 지속적인 분사로 2가지의 장점을 고루 갖춰 더욱 멀리 비행할 수 있는 조건을 갖추고 있다.

(5). 날개 제작에 대하여

날개는 로켓의 비행 방향을 결정하는 매우 중요한 부분중의 하나입니다. 아래에 제시하는 여러 가지 방법들의 장단점을 충분히 고려하여 정확한 날개를 구상해 보기 바랍니다.

① 가장 구하기 쉬운 하드 보드지로 삼각형 평면 날개를 만들어 사용하여도 가능하나 물에 젖으면 쉽게 훼손되고 견고하지 않다는 단점이 있다.

② 고리 비행기의 원리를 이용하여 페트병 조각을 둥글게 말아 날개로 사용하면 오히려 안정된 비행을 할 수 있다. 물·불로켓처럼 고도의 정밀성을 필요로 하는 로켓은 안정된 비행이 첫째 조건이기 때문에 둥근 날개를 사용하기도 한다.

③ 예쁜 모양을 내기 위해 색지를 코팅하여 삼각형 평면 날개를 만들어 사용하는 방법이 적당하다. 이때 날개가 좌우로 움직이지 않게 글루건이나 실리콘으로 보강을 해 주면 더욱 안정된 비행을 보장한다.

④ 얇은 아크릴판이나 합판을 잘라 사용하는 방법도 효과적일 것이다.

⑤ 페트병의 둥근면을 이용하여 회전하는 날개를 제작할 수 있다.