에어 로켓 발사대로 가기

1. 물로켓 발사대

 

[대한민국 물로켓 에어로켓 발사대회 공식 발사대]

공을 다루는 솜씨가 아무리 뛰어나다고 하여도 그것이 골과 연결되지 않는 잔기술이라면 별 쓸모가 없을 것입니다. 오랜시간 동안 많은 공을 들여 제작한 로켓이라하여도 발사 장치가 정확하지 않다면 목적하는 비행을 이룰 수 없을 것입니다.

물로켓의 발사는 공기압을 가득 채운 페트병을 임의적인 잠금 장치를 하고 있다가 이 잠금 장치를 해제함으로써 발사하게 되는 것입니다. 크게 두 가지로 본다면 앞서 설명한 바와 같이 페트병에 별도의 6mm 노즐(세탁기 호스 연결 부분)을 끼워 사용하는 외국식 발사 장치와 우리나라에서 개발되어 사용하는 21mm 페트병 자체의 노즐을 이용한 방법이 있습니다. 여기서는 우리 나라에서 개발된 페트병 주둥이 자체를 노즐로 사용한 21mm 방식에 대해서 이야기하고자 합니다.

모형 로켓의 진수는 뭐니뭐니해도, 발사하여 정확한 비행을 하며 안전하게 회수되어 재사용이 가능한 과학적인 모든 요건을 갖추어야 함은 두말 할 나위가 없습니다.

이러한 결정적인 조건을 갖춘 발사 장치는 어떠한 것인지 다음의 과정을 통해 연구해 보기로 합시다.

(1). 잠금 장치 없이 하는 발사 장치

별도의 발사 잠금 장치를 하지 않고 로켓에 일정한 압력이 차면 자동적으로 페트병을 날아가게 하는 가장 기초적인 방법으로, 낙하산을 장착하는 등 기술적인 발전은 이룰 수 없고 단지 페트병을 날리는 정도의 방법입니다.

그러나 무더운 여름날 위와 같은 방법으로 페트병을 날리면서 뒤로 쏟아지는 물과 공기의 반작용의 힘을 직접 느끼면서 짜릿한 한때를 즐길 수 있습니다. 저자도 최난이도의 기술을 좋아하지만 그 짜릿한 맛에 매료되어 아직도 즐기는 놀이 프로그램 중의 하나입니다.

① 가장 기본적인 방법으로 검은 고무마개에 구멍을 뚫어 금속관을 끼워넣고 병을 꽂아 공기를 주입하여 압력이 세어져 더이상 견디지 못해 페트병이 발사되게 하는 방법이다. 이때 손으로 잡고 압력을 견딜 수 있는 한도는 어른의 경우 40∼60psi, 어린이의 경우 30psi의 압력이다.

8mm의 금속관을 구하기가 어려우면 이와 직경이 비슷한 플러스펜 껍질을 사용해도 가능하다.

② 로켓이 발사되는 순간에 뿜어져 나오는 물을 뒤집어 쓰게되는 단점이 있으나 여름날 어린이들과 물을 뒤집어쓰면서 시원함을 느끼며 간단히 즐기기에 아주 좋은 놀이 방법이다.

③ 콤푸레셔를 사용할 때는 1시간에 400∼500여명의 어린이들이 환호성을 지르며 신나는 한때를 즐길 수 있다.

(2). 한국식 발사대의 종류

가. 페트병 자체를 노즐로 사용하는 발사 장치(노즐의 크기 21mm)

공기압을 가득 채운 페트병을 임의적인 고정 장치로 잠궜다가 원하는 시각에 고정 장치를 해제하는 방식을 사용하고 있는데 다음에서 보는 바와 같이 여러 가지 방법으로 연구가 되었다. 상황에 따라 대규모 행사 등에서는 50mm이상의 거리에서도 로켓을 발사할 수 있는 전기나 공압을 이용한 방법을 사용하기도 한다.

그러나 이러한 특수한 경우를 제외하고는 자전거 브레이크의 레버를 이용하여 잠금장치를 해제하는 간단한 방법을 사용한다. 별다른 장비도 필요없는 경제적이며 가장 널리 보편적으로 사용하는 방식이다.

a. 전기를 이용한 보턴식 발사장치

① 220V 전기 장치에 연결하여 강력한 전자석을 이용해 발사핀을 당겨 주어 발사되게 하는 장치이다.

② 보턴식으로 원하는 순간에 원거리에서 발사가 가능하므로 내빈 발사용으로 사용하기에 편리하지만 전기를 사용해야 하는 불편한 점이 있다.

b. 공압을 이용한 발사장치

① 전기를 사용하지 않고 콤푸레셔에 연결하여 공기의 압력을 이용한 발사 장치이나 콤푸레셔에 연결해야만 사용이 가능하다는 단점이 있다.

② 자동식 발사이기 때문에 간편하게 원하는 순간에 원거리에서 발사할 수 있다.

 

c. 자전거 브레이크의 레버를 연결한 발사 장치(대한민국 물로켓 에어로켓 발사대회 공식 발사대)

① 자전거 브레이크의 레버장치를 눌러 발사하기 때문에 전기 장치가 없어도 사용이 가능하다.

② 야외에서 손쉽고 간단하게 사용할 수 있지만 가까운 거리에서 발사하기 때문에 물을 뒤집어쓰기가 쉬우므로 식전 행사의 내빈 발사용으로는 적당하지 않다.

③ 가장 간단하고 경제적이기 때문에 본 연구회가 주최하는 대회용 공식 발사대이다.

d. 동시다발 발사 장치

① 6기의 로켓을 장착하여 100Psi의 공기를 주입하여 6개의 발사핀을 동시에 당길 수 있게 설계된 것이다.

② 6기의 로켓이 동시에 발사되어 각각 낙하산으로 회수되는 장면은 보는 이로 하여금 감탄을 자아내게 한다.

e. 물·불 로켓 발사 장치

보통의 발사 장치에 작은 자석을 장착하여 자석 센서를 작동하게 하였으며 작은 봉을 꽂아 화약 로켓을 장착한 것이다.

f. 전동차 브레이크 장치를 이용한 시간차 발사 장치

수동식 발사 장치 및 자동 시간차 발사, 동시 발사 등의 기능을 가지고 있어 대규모 국제 행사나 대형 시범장에서 특수 목적을 위해 개발한 것이다. 그런만큼 일반인들이 갖추기에는 상당한 무리가 따르는 장치이다. 자세한 기능은 다음과 같다.

① 4기의 로켓을 동시에 발사할 수 있다.

② 4기의 로켓을 시간차로 발사할 수 있다(1초∼24초 간격). 예를 들면 4초 간격으로 설정했을때 4기의 로켓이 4초만에 1기씩 자동 발사된다.

③ 수동으로 전환하여 원하는 로켓을 원하는 시각에 발사할 수 있다.

(3). 한국식 물로켓 발사대의 특징

① 한 대의 발사 장치로 많은 인원이 활용할 수 있고 반영구적이다.

누구나 쉽게 사용할 수 있으며 설치와 이동이 간단하며, 로켓의 착탈이 3초 안에 가능하다. 페트병 자체의 노즐을 사용하기 때문에 별도의 노즐을 구입하여 사용할 필요가 없다. 로켓의 착탈이 3초 정도에 이뤄지기 때문에 공업용 콤푸레셔를 이용하면 1분에 1기 이상의 로켓을 발사할 수 있어 많은 인원이 사용하기에 편리하도록 장치되었으며 고장이 거의 없는 반영구적이다(1대의 발사 장치로 대회를 개최할 경우 1시간에 60기 이상의 로켓을 발사할 수 있다).

② 물로켓의 공기압을 최대한 높일 수 있기 때문에 비행 거리가 엄청나다.

물로켓을 별도의 잠금 장치 없이 손으로 잡고 공기를 주입하면 충분한 공기압을 주입할 수 없으나, 본 발사 장치를 이용하면 100 psi이상 주입이 가능하여 로켓 발사시 수직 상승 최대 150m, 45도 각도 발사시 최대 200∼250m이상으로 비행 거리가 길어진다.

③ 낙하산 장착시 작동률이 99% 이상이며 비행 최고정점에서 낙하산이 펼쳐지므로 안전한 회수를 보장한다.

기존의 물로켓은 불안정한 비행을 하며 비행을 하는 도중에 낙하산이 펼쳐지기 때문에 로켓의 발사 거리가 최단 거리에 불과하였다. 그러나 본 발사 장치는 안정된 비행을 할 수 있게 고안되었기에 로켓의 수직 상승 최고 정점에서 낙하산이 펼쳐지게 할 수 있다.

④ 원하는 시각에 발사할 수 있다.

원하는 시각에 맞춰 다함께 카운트다운을 하며 발사 할 수 있다.

⑤ 수직 발사 및 수평 발사를 할 수 있으며, 발사각을 마음대로 조정하여 다양한 방법으로 발사할 수 있다.

⑥ 자전거용 소형 발펌프나 자동차용 소형 콤푸레셔 또는 공업용 콤푸레셔 등을 겸용으로 공기 주입을 할 수 있도록 장치되었다.

⑦ 다단 로켓 및 여러 가지 형태의 로켓을 발사할 수 있다.

 

아직까지 우리 나라에서 활용되고 있는 물 로켓은 1연식정도에 불과하나 다단 로켓 및 물·불 로켓, 물·수소 로켓 등의 여러 가지 로켓을 발사할 수 있다.

(4). 물로켓 발사 장치를 이용한 과학 놀이

본 물 로켓 발사 장치는 물 로켓만 발사하는 장치뿐 아니라 여러 가지 과학 실험용 장치로 쉽게 활용할 수 있게 고안되었으므로 여러 가지 과학적인 원리를 재미있게 관찰하여 보자.

① 이벤트 행사용으로 연출.

낙하산 안에 색종이 조각이나 반짝이는 비닐 종이, 현수막 등을 넣어 장착할 경우, 고공에서 낙하산이 펼쳐지면서 꽃가루를 뿌릴 수 있기 때문에 이벤트 행사용으로 최고의 연출이 가능하다.

② 기체의 단열 압축에 의한 온도 변화의 실험 장치로 활용

1개의 페트병에 작은 온도계를 넣어 발사대에 장착하여 공기를 압축시키면서 한눈에 온도의 상승을 관찰할 수 있다. 또, 손으로 만져보게 하여 뜨거워진 페트병의 변화를 관찰하게 함으로써 공기를 압축시켰을 때의 온도 변화를 알 수 있는 실험 장치로 활용할 수 있다.

반대로 압축된 공기압을 줄이면서 페트병 안의 온도계의 눈금이 내려가고 손으로 만져보아 차가워짐을 확인할 수 있다.

③ 안개 현상의 실험 연출.

1개의 페트병을 발사대에 장착하여 공기를 주입하였다가 빼면, 페트병 안의 저기압 형성으로 인한 온도 강하로 안개 현상을 관찰할 수 있다.

④ 물질의 상태 변화를 관찰할 수 있는 실험 장치로 활용할 수 있다.

페트병에 드라이아이스를 넣어 발사 장치에 장착하여 공기를 주입하면 드라이아이스가 점점 액체로 변화되는 현상을 빠른 시간 내에 관찰할 수 있다.

다시 발사 장치의 공기압을 풀면 액화된 드라이 아이스가 고체 드라이 아이스로 되는 현상을 관찰하게 함으로써 압력의 변화로 물질의 상태를 바꿀 수 있음을 알게 할 수 있다.

드라이 아이스는 고체에서 액체 상태를 거치지 않고 기체로 변하는 승화하는 물질이다. 발사 장치에 장착된 드라이아이스는 승화하여 기체로 변하면서 점점 압력이 커지게 된다.

기체는 압력이 높아지면 액체로 변하는 성질이 있기 때문에 승화된 기체의 드라이아이스가 액체로 액화되는 것이다.

발사 장치에 장착된 페트병 안의 공기압을 줄이면 압력이 갑자기 작아져 단열 팽창이 일어나 온도가 급격히 감소하여 액화 드라이아이스가 다시 고체로 되는 것이다.

페트병을 발사대에 장착하지 않아도 위와 같은 현상을 관찰할 수가 있다.

빈 페트병에 드라이아이스를 넣고 뚜껑을 꽉 닫기만 해도 같은 효과를 얻을 수 있다. 10여분 정도의 시간이 소요되기는 하지만.

꼭 주의해야 할 것은 드라이아이스가 액체로 변화된 즉시 페트병의 뚜껑을 열어 주어야 한다는 것이다.

또는 발사대에 장착된 페트병에 공기를 즉시 빼주어야 한다.

더 오랫동안 지체하면 드라이 아이스의 승화 현상 때문에 공기압이 높아져 페트병이 폭발하는 위험을 초래하기도 한다.

물론 드라이아이스가 액체로 변했다고 즉시 폭발하는 상황은 일어나지 않지만 빠른 시간 내에 높아진 공기압을 낮추어 주어야 함을 명심해야 한다.

⑤ 파스칼의 원리를 알아보는 실험 장치로 활용

페트병 안에 스티로폼으로 만든 인형이나 작은 풍선을 넣고 발사대에 장착하여 공기를 주입하면 모형 인형의 크기가 점점 작아지고 다시 공기를 빼면 크기가 점점 커진다(원래의 모습으로 되돌아감).

압력이란 단위 면적당 작용하는 힘으로 공기나 물과 같은 폐쇄된 유체에 압력을 가하면 전 표면에 수직으로 작용한다는 것을 알 수 있게 하는 것으로 파스칼의 원리 설명으로 활용할 수 있다.

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