The words you are searching are inside this book. To get more targeted content, please make full-text search by clicking here.
Discover the best professional documents and content resources in AnyFlip Document Base.
Search
Published by Joe Maness, 2016-12-25 14:33:35

Downloadable PDF STEM Textbook

Downloadable PDF STEM Textbook

presents
a High School S.T.E.M. Laboratory Textbook

Joe Maness
and

Richard Kerry Holtzin, Ph.D.



 
 
 
 
 

S.T.E.M. F  or t he  Classroom 

 

presents 

 

ADVENTURES I N O  UTER  SPACE 

A  High  School S  .T.E.M. L  aboratory  Textbook 

 

_____________ 
 

 
Joe  Maness 

 

and 

 

Richard  Kerry H  oltzin, P  h.D. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

On t he  Front  Cover: 
An  image  that  encapsulates  all  the concepts in this textbook. A Bigelow space station is depicted in Low Earth 
Orbit with several Boeing crew capsules docked. Behind the space station is a Reaction Engines, Ltd. Skylon that 
had  departed  Spaceport  America  and  is  now arriving to drop off cargo. Below the Skylon is the Virgin Galactic 
SpaceShipTwo  conducting  a  suborbital spaceflight. In the background is the immediate goal of any space­faring 
civilization:  the  Moon. 

Image:  Re–NewSpace  Media 

 
Copyright  © 2  017 b  y J  OE M  ANESS  and R  ICHARD  KERRY H  OLTZIN, P  H.D. 
 
Text c  opyright b  y J  OE M  ANESS  and  RICHARD  KERRY  HOLTZIN, P  H.D. 
 
 
All  illustrations  (where  used)  are  the  property  of  their  respective  artists  and  are  protected  by 
copyright  law. 
 
 
First e  dition p  ublished  January,  2017. 
 
All R  ights  Reserved. 
 
No portion of this book may be reproduced in whole or in part, by any means (with the exception 
of short quotes for the purpose of review), without permission of the publisher. The author would 
also a  ppreciate  citing  this t ext i f s  ome  of  the  material i s u  sed f or s  uch  a p  urpose. 
 
Cover:  Adventures i n  Outer S  pace 
Re–NewSpace  Media (  labeled  for  reuse) 
 
Printed  in  the  United  States o  f A  merica 
 
 
Library  of  Congress C  ataloging–in–Publication  Data 
 
JOE  MANESS A  ND R  ICHARD  KERRY  HOLTZIN, P  H.D. 
S.T.E.M. F  or t he  Classroom p  resents 
Adventures i n O  uter S  pace 
A  High  School  S.T.E.M. L  aboratory T  extbook 
 
First  edition 
Includes  Table o  f  Contents 
 
ISBN 9  –99–999999–9 
 
 
  

TABLE O  F C  ONTENTS 

 

PREFACE    1 

 

S.T.E.M. E  DUCATION    99 

 

FALL S  EMESTER –   A  EROSPACE    99 

 

Unit  1: V  ehicles 

Chapter 1  : S  uborbital  Spaceflight –   V  irgin G  alactic    99 
Chapter 2  :  Orbital  Spaceflight –   R  eaction  Engines, L  td.   9  9 

 

Unit  2:  Destinations 

Chapter 3  :  Space S  tation  – B  igelow A  erospace    99 
Chapter 4  : S  paceport  – S  paceport  America    99 

 

SPRING  SEMESTER  –  ASTRONAUTICS    99 

 

Unit  3:  Basic  Astronautics 

Chapter 5  : D  elta  V a  nd T  ransfer T  ime  – T  he B  oeing C  ompany    99 
Chapter 6  : S  pacecraft  Mass  – T  he B  oeing  Company  9  9 

 

Unit  4:  Advanced A  stronautics 

Chapter 7  :  The  Rocket E  quation  – T  he B  oeing  Company    99 
Chapter 8  : L  unar  Landing  – T  he B  oeing  Company   9  9 

 

APPENDIX 

 

Admin: G  oogle  Blogger  Website D  esign    99 

Posts  and  Comments    99 
Layout a  nd  Gadgets    99 
Customizing   9  9 

 

Captain’s  Log: G  oogle D  ocs  Engineering J  ournal 

Creating  and u  pdating  the E  ngineering J  ournal   9  9 
Embedding a   P  DF  Engineering  Journal   9  9 

 

The A  pp: G  oogle S  heets  Spreadsheet  Design   9  9 

Open  Source C  ode   9  9 

Layout   9  9 
Embedding  a G  oogle S  heets A  pp   9  9 

 

The  App: A  ppSheet M  obile A  pp  Design 

Open  Source  Code   9  9 
Layout   9  9 
Embedding a   G  oogle S  heets A  pp    99 

 

Express Y  ourself: G  oogle Y  ouTube V  ideos 

Creating a    Video    99 
Uploading a   V  ideo   9  9 
Embedding a   G  oogle  YouTube  Video   9  9 

 

Data C  ollection: G  oogle F  orms F  orm  Design   99 

Creating  a  Google F  orm   9  9 
Embedding  a  Google F  orm   9  9 

 

Stage F  right: G  oogle S  lides P  resentation o  f S  tudent W  ork   9  9 

The S  cience  Fair  Setting    99 
Videotaping a  nd  Uploading  the P  resentation   9  9 
Embedding a    Google  Slides  Presentation    99 

 

FOR  THE  EDUCATOR 

Lesson P  lans   9  9 

Teacher  Presentations   9  9 

Student  Handouts   9  9 

 

ANSWERS  TO P  ROBLEM S  ETS   9  9 

 

GLOSSARY   9  9 

 

EQUATIONS A  ND C  ONSTANTS    99 

 

IMAGE  ATTRIBUTIONS   9  9 

 

INDEX    99 

  

The c  hapters  in t his  textbook  feature  the  innovative p  roducts o  f  these 
aerospace/astronautics/technology  companies 

 

 
S.T.E.M. F  or  the C  lassroom 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
“Do not repeat the tactics which have gained you one victory, but let your methods be regulated 
by  the i nfinite  variety o  f  circumstances.” 

– S  un  Tzu 
 

 
 
 

 

S.T.E.M. F  or  the  Classroom 
Adventures i n O  uter S  pace 

PREFACE 

 

Mathematics can be rather dull, especially in a classroom where students cannot tie together the 
mathematics  that they are learning to problems that involve the real world. Even if the students 
do  get  to  be  exposed  to  real  world  problems,  it  is  often  something  that  students  cannot  really 
relate  to. 
 
A  train  leaves  NY  traveling  west  at  100  mph.  At  the  same  time  another  train  is traveling east 
from  LA g  oing a  t 8  0  mph. W  hat  is  the c  olor  of  the  second t rain? 
 
Students will often read word problems, and not really get the what the underlying mathematics 
is  all  about.  Students  need  to  have  something  that  they  can  get  excited  about  so  that they can 
learn  mathematics a  t a    deeper  level. 
 
Shortly  after  the  creation  of  this  S.T.E.M.  ideal,  a  radical  new  thought  began  to  emerge.  The 
story g  oes  something  like t his: 
 
...you take a biology class, you get a biology lab. You take chemistry? Here’s your chemistry lab. 
Got S.T.E.M.? Then here you go with your S.T.E.M. lab. Got physics? Then you got a physics lab 
too.  Got a  stronomy? w  ell, t hen, h  ere’s  your  astro... 
 
Wait. You mean to tell me that there is no such thing as a S.T.E.M. lab? What? Really? Wouldn’t 
modeling  real­world  data  on  real­world  spacecraft  get  students  to  be a l ittle m  ore interested in 
learning S.T.E.M.? Why not? It’s not like there’s existing spacecraft designs that students can use 
to  model  the  real­world, right? Go tell that to Virgin Galactic, Reaction Engines, Ltd., Bigelow 
Aerospace,  Spaceport  America,  Boeing, S  paceX, e  t a  l. 
 
Of  course,  the  choice  of  aerospace  and  astronautics  for  this  lab  textbook  was  purely arbitrary. 
Other  textbooks  will  focus  on,  say,  an  underwater  adventure,  complete  with  the  science  and 
technology  and  engineering  and  mathematics  used  for  submarines  and  undersea  habitats.  The 
idea  is t hat t he s  tudent  learns  the  same  S.T.E.M. s  kill  set  no  matter w  hich  class i s  taken. 
 
That being said, this class is the lab that accompanies all senior­level classes. It allows students 
to use S.T.E.M. in a fun and real­world fashion. The idea is that students l earn the theory in their 
science and math classes and they a  pply the theory in a S.T.E.M. lab. It really is that simple and 
interesting! 
 
Given  the  above,  students  will  learn  basic aerospace and astronautics as a way to delve deeper 

 

Page  1  of   176 

 

S.T.E.M.  For t  he  Classroom 
Adventures  in  Outer S  pace 

into  mathematics,  as  well  as  science  and  technology  and  engineering.  They  will  demonstrate 
what  they  have  learned  by  displaying  their  embedded  slideshow  presentations,  embedded 
spreadsheet  space  mission  apps,  embedded  PDF  Engineering Reports, and embedded YouTube 
videos o  f t heir p  resentations o  n a   w  ebsite t hat t hey c  reate. 
 
All of this sounds rather expensive. For instance, embedding frames in a website requires higher 
level  HTML  and  PHP  programming.  So  what  is  the  price  of  admission  for  all  of  this?  The 
answer  is  twofold:  A)  computers  hooked  to  the  Internet, and B) a free Google GMail account. 
That’s  it!  Since  most  high  schools  already  have  a  computer  lab,  Part  A is really no problemo. 
Since  Google i s f ree, w  ell... 
 
All  the  software  tools  necessary  to  embed  these  slideshows,  spreadsheets,  PDF  files,  and 
streaming  video  come  free  from  Google  Technology.  Even  the  mobile  app  software  is  free, 
provided that a Google GMail account exists. Therefore, our product  is accessible to any student 
at a  ny  S.E.S. l evel,  which m  eans  the  affluent a  nd t he  non–affluent h  ave e  qual a  ccess.  Nice! 
 
Once  the  two  parts  have  been  met,  students  can  then  take  virtual  trips  to  any  place  their 
imaginations  will  allow.  The  best part is that their journey (of the imagination) will be realistic 
and  doable,  which  makes  things  way  more  fun  and  interesting.  With this textbook, and a little 
determination,  it  allows  students  to  fly  realistic  space  missions,  from  suborbital  flights, all the 
way  to  a  landing  on  the M  oon! 
 
Another plus for this class is that the student has created a  Portfolio o  f what they have learned in 
their final year of high school in the form of a website. Moreover, they can put the link to their 
website  on t heir  resume. 
 
There are probably more advantages that I have failed to list within these pages. Still, I think you 
get  the  point.  Mathematics,  especially  higher  math,  like  Algebra  2  and  Pre­Calculus,  can  be 
daunting to a high school student. But tell them that they’re going to outer space, and here’s the 
science,  technology,  engineering,  and  the  mathematics  to  get  there,  then  watch  what  happens. 
You’ll  see  it  in  their e  yes. 
 
So,  there  is  no  such t hing a  s a    S.T.E.M. l ab,  huh? 
 
Well,  there  is  one n  ow... 
 
 
 
 

 

Page 2   o  f   176 

 

S.T.E.M.  For t  he  Classroom 
Adventures  in  Outer  Space 

ACKNOWLEDGEMENTS 

 

We  both  met  on  a  fine  morning  back  in  August  2012  when  Dr.  Rich  (as  his  students 
affectionately  call  him)  was  a  substitute  teacher  for  my  high  school.  Dr.  Rich  had  noticed my 
flight jacket, and mentioned that he too was an enlisted Anti­Submarine Warfare (ASW) swabbie 
(Navy enlisted personnel) like me, and that he once flew commercial airplanes for a living. I told 
him about my background flying backseat ASW jets off of carriers, and the ultralight aircraft that 
I once owned and piloted. But the most intriguing of all our common interests was our love for 
human exploration of space and the society that it could spawn, and our belief in education as the 
absolute  backbone  of  our s  ociety. 
 
Another mutual advantage we shared was the fact that we weren’t in this for the money. Thus,  it 
became a labor of love for both of us. The idea of students receiving this type of education at the 
high  school  level  is  what  motivated  us  through  the  tough  times.  Indeed,  here  is  proof  that we 
could live in a  Star Trek society where people work for growth and learning and not for personal 
wealth a  nd  gain. 
 
So  it  was  the  case  that  we  would meet for breakfast on a Saturday or a Sunday, discussing the 
countless  different  aspects  of  the  journey  that  we  were  on.  Dr.  Rich  always  kept  the  process 
moving forward; always steering a true heading. It was certainly a long and winding road to get 
to this point, but I think that it was well worth the slings and arrows that we both had to  endure 
to get here. Education can be a tough business, especially when the goal is exciting young people 
enough t o d  isplay  even a   m  ild  interest i n S  .T.E.M.  
 
I  believe  that w  e  have  produced a   f ine  piece o  f  educational m  aterial. 
 

Thanks,  Dr.  Rich! 
 
:: 
 
Of  course,  this  entire  textbook  could  not  have  truly  been  called  “real–world”  unless  it  was 
flight–tested  first.  So  my  eternal  gratitude  to  the  classes  at  The  Learning  Community  Charter 
School  (TLCCS) A  lgebra 2    and P  recalculus  classes. 
 
The  students  used  their  knowledge  of  high  school  math  to  try  and  understand  complicated 
aerospace  and  astronautics  concepts.  
 
So  three  cheers  for  the  students  of  TLCCS.  Without  all  of  your  courage  and dedication in the 

 

Page  3  of  1  76 

 

S.T.E.M. F  or t he C  lassroom 
Adventures i n O  uter S  pace 

face  of  ever­changing  space  projects  from  your  (slightly)  deranged  teacher,  you  endured  and 
persevered.  We  salute y  ou  in t his,  your  finest  hour. 

 
Thanks, y  ou w  onderful t est p  ilots ­  e  r­ s  tudents!  
:: 
 
Finally,  thanks  to  all  my  friends  and  family  who  had  to  endure  my  ups  and  downs during the 
course  of  developing this book (4 years! Yikes!). I humbly apologize, and I hope that we’re all 
still c  ool. 
 
Thanks! 
 

Joe M  aness 

  

 

Page 4    of   176 

 

S.T.E.M.  For  the  Classroom 
Adventures i n O  uter  Space 

SCIENCE T  ECHNOLOGY 
ENGINEERING  MATHEMATICS 

 

...but m  y  friends c  all  me  S.T.E.M. 
 
Prerequisites 
There are only two minimum conditions that must be met before a student is able to handle this 
lab. T  he  student m  ust: 
 

1. be  a  High S  chool  Junior  (HSJ) 
2. have p  assed  high  school  Algebra  1  and G  eometry. 
 
Of  course,  it  is  always  left  up  to  the  professionalism  of  the  teacher  to  grant  any  waivers on a 
one–to–one  basis. 

 

 

Image  01:  S  tudents a  nd t heir t eacher  taking  the S  .T.E.M.  Lab  waaaaaay t oo s  eriously... 

 
 

 

Page 5   o  f  1  76 

 

S.T.E.M. F  or t he  Classroom 
Adventures  in  Outer  Space 

Narrative 

This  textbook  deals  with  various  aspects of space mission design. It is used as cover to expose 

HSS  to  applied  mathematics  disguised  as  fun  projects  they  complete  over  the  course  of  two 

semesters.  Unwittingly,  these  students  then  become  stronger  in  other  fields  of  study  as  their 

self­confidence g  rows.  Students w  ill b  e r equired t o u  se  the f ollowing f ree s  oftware  in t his  class: 

 

● Research Google S  earch 

● Email a  nd  Contacts:  Google G  Mail 

● Time  Management:  Google C  alendar 

● Website  Admin:  Google B  logger 

● Word P  rocessor:  Google D  ocs  converted t o P  DF f ormat 

● Spreadsheet:  Google S  heets 

● Mobile A  pp D  evelopment: AppSheet A  pp 

● Slideshow P  resentation: Google S  lides 

● Images:  Google D  rawing 

● Information  Collection: Google F  orms 

● Streaming V  ideo:  Google Y  ouTube 

● Laptop  Computer  (optional): Google C  hromebook 

 

Since  most,  if  not  all,  HSS already know most of the  other version of these software tools, the 

learning curve should be fairly flat. Students will also use Social Media in their effort to show off 

what  they  have u  ploaded  to  the I nternet. 

 

:: 

 

Organization a  nd  Pacing 

It  is  recommended  that t eachers  follow  the s  chedule  below f or  each  chapter: 

  

CHAPTER   

New  Material     5  days 

Website  Development     4  days 

Spreadsheet A  pp D  evelopment     3 d  ays 

Mobile A  pp  Development     5 d  ays 

Presentation  Development    3    days 

Chapter  Exam     1  day 

                          P  resentations     1 d  ay                     .  

Total  duration  for  each c  hapter  22 d  ays  (4.5 w  eeks) 

 

Page  6  of  1  76 

 

S.T.E.M.  For  the  Classroom 
Adventures i n O  uter S  pace 

Lesson  Overview 
Students  first  learn  the  basics  of  aerospace  and  astronautics  using  pencil,  paper,  and  scientific 
calculator.  They  then  use  what  they  have  learned  to  create  a  space  mission  app  designed 
according  to t he E  ngineering D  esign P  rocess  that  will b  e  used  for r eal­world s  pacecraft. 

 
They  will  use  spreadsheet  software  to  create  their  apps.  Eight apps will be developed over the 
course  of  eight  S.T.E.M.  projects,  with  each  project  dealing  with  different  aspects  of  space 
mission  design. 
 
Students  then  advance  to  developing  mobile  apps  that  they  can  install  on  their  smart  phones. 
Eight m  obile  apps w  ill b  e d  esigned  corresponding t o t he  eight  chapters  of  this t extbook. 
 
The assigned space mission will include eight (8) space vehicles or satellites that are named after 
famous  astronauts.  Students  will  research  and  write  a  short  biography  (one  slide)  about  these 
heroic i ndividuals,  one  for e  ach o  f t he  eight  projects. 
 
:: 
 
Learning O  bjectives 
 
Evaluation 

● Interpret  data r elated  to a  erospace a  nd  astronautics. 
● Select  an o  ptimum d  esign  from  many d  esign  options t o  solve t echnological p  roblems. 
 
Synthesis 
● Explain  the  principles  of  spaceflight i n  mathematical a  nd p  hysical  terms. 
● Integrate m  athematics  and  astronautics  in t he  engineering  design  process. 
 
Analysis 
● Analyze  the  physical  principles  of  various  aspects  for  human  spaceflight  such  as 

parabolic  space  flights,  shuttle  orbital payload capabilities, space station configurations, 
unpowered glide landing configurations, change in orbital velocity (delta v), weight of a 
crew  capsule,  and  amount  of  propellant  used,  then  relate t hese  to  a  space  mission d  esign. 
● Use mathematics to calculate parabolic space flights, shuttle orbital payload capabilities, 
space  station  configurations,  unpowered  glide  landing  configurations,  change  in  orbital 
velocity  (delta  v),  weight  of  a  crew  capsule,  and amount of propellant used for a space 
mission. 
● Use  financial a  nalysis  to d  etermine i f i t  is  possible t o  make a    profit  from  a  space  venture. 
 

 

Page 7    of   176 

 

S.T.E.M.  For t he C  lassroom 
Adventures  in  Outer S  pace 

Application 
● Use  the  Engineering  Design  Process  to  construct a real­world space mission app that is 
constrained  by c  ertain a  stronautics f actors. 

 
Comprehension 

● Define  constraints t o t he  real­world  model. 
● Explain  how s  olutions  to  the p  roblem  address  the  specific  requirement. 
 
Knowledge 
● Explain the relationships of the principles of aerospace and astronautics to the concept of 

parabolic spaceflight, orbital payload, space station configuration, landing configuration, 
delta v  ,  weight,  and p  ropellant. 
● Demonstrate  how  their  space  mission  design  app  addresses  the  requirements  of  the 
parabolic spaceflight, orbital payload, space station configuration, landing configuration, 
delta v  , w  eight, a  nd p  ropellant. 
 
Science A  s I  nquiry 
● Identify  questions  and  concepts t hat  guide s  cientific i nvestigations. 
● Design  and c  onduct  scientific i nvestigations. 
● Use t echnology  and m  athematics  to i mprove i nvestigations  and c  ommunications. 
● Formulate  and  revise s  cientific e  xplanations  and  models  using l ogic  and e  vidence. 
● Communicate a  nd  defend  a  scientific  argument. 
 
Physical  Science 
● Use  mathematics a  nd l ogic t o e  xplain s  cientific p  rinciples. 
● Look  up  and u  se a  stronomical a  nd a  stronautical c  onstants. 
 
Science  and T  echnology 
● Identify a   p  roblem  or  design  an o  pportunity. 
● Propose d  esigns  and c  hoose b  etween  alternative s  olutions. 
● Implement a   p  roposed s  olution. 
● Evaluate a    solution  and i ts c  onsequences. 
● Communicate t he  problem, p  rocess, a  nd s  olution. 
 
:: 
 
Time F  rame 
Two  chapters are to be completed every quarter, or half­semester. This means that there will be 
four  c  hapters  covered  per  semester, o  r  eight c  hapters  in o  ne  school y  ear. 

 

Page 8    of   176 

 

S.T.E.M.  For t he C  lassroom 
Adventures i n O  uter S  pace 

The e  ntire  course, t herefore, s  hould h  ave  the  following  pacing: 

 

Chapter 1  :     4.5  weeks 
Chapter 2  :     4.5 w  eeks 

Unit 1  :    9  .0  weeks 

  

Chapter  3:    4  .5  weeks 
Chapter  4:     4.5  weeks 

Unit 2  :     9.0 w  eeks 
  

FALL  SEMESTER:  18.0 w  eeks 
  

Chapter 5  :    4  .5  weeks 
Chapter 6  :     4.5  weeks 

Unit 3  :    9  .0  weeks 

  

Chapter 7  :    4  .5 w  eeks 
Chapter  8:    4  .5 w  eeks 

Unit  4:     9.0 w  eeks 
  

SPRING  SEMESTER:  18.0  weeks 
 
This  curriculum  gives  the  students  a  little  over  four  weeks  to  research,  complete,  and  present 
each  mission  design.  During  this  time,  students  complete  the  calculations,  update  the 
spreadsheet,  finish  the  website,  finish  the  slide­show  presentation,  and  practice  their 
presentations. 
 
S.T.E.M. S  cenario 
Each  HSS  is  assigned  different  aerospace  and  astronautics  missions  that will be designed over 
the  course  of  the  school  year.  To  make  learning  an  adventure,  even  creative  for  a  change,  the 
student  could  create  a  callsign  for  themselves.  Students  pretend  to  be  Space  Mission  Design 
Cloud  Engineers  that  focuses  on  the  "software  as a service" aspect of cloud computing (others 
include  "platform  as  a service", "infrastructure as a service", and "network as a service"). They 
are  employed t o  build  space  apps  by  an  aerospace/astronautics  company. 
 

Q: H  ow  many C  loud E  ngineers  does i t  take t o c  hange  a l ightbulb? 
A: Z  ero.  It's a   h  ardware p  roblem. 

 

Page 9   o  f  1  76 

 

S.T.E.M.  For t he C  lassroom 
Adventures i n  Outer  Space 

 
For  example,  Virgin  Galactic  has  announced  a  contract  for  an  app  that  will  calculate  certain 
spaceflight  milestones.  Various  companies  compete  for  the  contract  by  having  their  engineers 
(students)  build  a  prototype  Space  Mission  Design  App  (SMDA).  The  winning SMDA design 
will  be “  bought” b  y V  irgin  Galactic. 
 
The  students  will  create and maintain a website to house the SMDA. A working prototype that 
anyone  can  use  will  also  be  included  in  the  website.  They  will  write  a  report  of  the  design 
process for the Engineering Post­Development Analysis. They will present a progress slideshow 
report  of  their  software  prototype  to  the  rest  of  the  company  during  four  quarterly  company 
meetings. 
 
:: 
 
The  Presentation 
As the due date of the presentations draws near, the entire class will have the opportunity to learn 
the  final  lesson  of  these  projects:  dealing  with  a  deadline,  and  its  corollary time management. 
Students  will  certainly  get  to  experience  the  pressure  of  the  presentation,  in  the  same  way  an 
actor g  ets t he  jitters  before g  oing  on s  tage. 
 
The  presentation  takes on the form of a “Science Fair,” where each student stands at a separate 
table next to a computer that is displaying their website. As each guest walks up to student, they 
make  their  presentation.  The  HSS  should be encouraged to dress professionally and to practice 
their  presentations  beforehand.  The  presentation  should  take  between  two  and  three  minutes, 
unless  there  are  a  lot  of  questions  from  the guests. Students will navigate through the website, 
discussing the project development, displaying the SMDA, and demonstrating his or her working 
model. 
 
It is suggested that other classes be allowed to walk through the class, so that the young’uns can 
see what they get to do some day. Posters about this event can be made by the students and hung 
at various locations around the school. Make sure the students invite their parents too! Of course, 
the event is incomplete without the Principal being there as well. A call to the local press about a 
feel­good high school education story couldn't hurt either. All of this creates an atmosphere of a 
special event, which, by the way, it really is. Namely, students get to experience another way of 
correlating learning with doing something fun, the parents get to beam at their child's brilliance, 
and t he  class  gets  to l ook  good  on t he 6    o'clock  news.  It's a   w  inning  situation  for e  veryone. 
 
Now t hat's t he w  ay t o  learn  science  and  technology a  nd  engineering  and  mathematics! 
 

 

Page 1  0  of   176 

 

S.T.E.M. F  or  the C  lassroom 
Adventures  in  Outer S  pace 

 
 
FALL  SEMESTER 

 
AEROSPACE 
 
 
Unit  1:  Vehicles 

 
Chapter  1:  Suborbital S  paceflight    13 
 
Chapter 2  : O  rbital  Spaceflight   2  5 

 

 
 

Unit  2: D  estinations 

 
Chapter  3: S  pace  Station   3  9 
 
Chapter  4:  Spaceport    51 

 
 
 
 
  

 

Page  11 o  f   176 

 

S.T.E.M.  For  the  Classroom 
Adventures i n  Outer  Space 

Chapter  1:  Suborbital S  paceflight 

 
1.01  Narrative    13 

 
1.02 V  ocabulary   1  6 

 
1.03 A  nalysis   1  6 
 
1.04  Guided  Practice   9  9 
 
1.05  Cross  Curricula  Activities    99 
 
1.06 S  uborbital M  ission  Design W  ebsite D  evelopment    99 
 
1.07 S  uborbital  Mission D  esign  Spreadsheet  App D  evelopment   9  9 

 
1.08  Suborbital M  ission  Design M  obile A  pp  Development    30 
 
1.09  Suborbital M  ission  Design  Presentation  Development   9  9 

 
1.10  Chapter  Test   3  2 

 
 
 
::   

 

Page  12 o  f   176 

 

S.T.E.M. F  or t he C  lassroom 
Adventures i n  Outer S  pace 

1. S  paceliner  Suborbital S  paceflight 

 

1.01 N  arrative 

 

In  this,  the  first  of  four aerospace­based 
S.T.E.M.  lessons,  students  will  calculate 
various  Virgin  Galactic  S  paceShipTwo 
(SS2)  spaceflight  parameters  and 
milestones,  create  an  app,  and  write  a 
report a  bout  it. 
 
Time  Frame 
4.5 w  eeks 
 
Aerospace  Problems 
Maximum A  ltitude 
Time  Weightless 
Time i n S  pace 
Spaceflight  Duration 
 
Mathematics U  sed 
Quadratic  Equations 
 
Science T  opics 
Physics, A  erospace 
 
Activating  Previous L  earning 
Basic  Algebra 
Scientific C  alculator 

Image 0  2:  V  irgin G  alactic S  paceliner  Cover 

 
Essential  Questions 

● Who a  re  the  pioneers o  f s  uborbital s  paceflight? 
● What i s  the  altitude a  t  rocket  burnout  of  a  suborbital  spacecraft? 
● What i s  the  maximum h  eight o  f a    suborbital s  pacecraft? 
● Where d  oes s  pace a  ctually b  egin? 
● When  was t he  first  COMMERCIAL  parabolic s  paceflight? 
● How c  an I  b  e  weightless i f I  a  m s  till  increasing  my  altitude? 
● Wait.  I  have  to  do  science, t echnology, e  ngineering, a  nd  math?  All  at  the  same  time? 

 

Page 1  3  of   176 

 

S.T.E.M.  For  the C  lassroom 
Adventures i n O  uter S  pace 

This l esson i s  powered  by  E8 :   
 

1. Engage 
○ Lesson O  bjectives 
○ Lesson G  oals 
○ Lesson O  rganization 

2. Explore 
○ The  Quadratic  Equation 
○ The Q  uadratic  Formula 
○ The  Parabola  and  its  Components a  nd  Definitions 
○ Additional  Terms a  nd D  efinitions 

3. Explain 
○ The  Vertex 
○ The  Vertex a  s a   M  aximum 
○ Mission  Duration  Equation 

4. Elaborate 
○ Other S  uborbital  Spacecraft E  xamples 

5. Exercise 
○ Suborbital S  pace M  ission  Parameters 
○ Suborbital  Space M  ission  Design  Scenario 

6. Engineer 
○ The  Engineering D  esign P  rocess 
○ SMDA S  paceflight P  lan 
○ Designing  a P  rototype 
○ SMDA S  oftware 

7. Express 
○ Displaying  the S  MDC 
○ Progress R  eport 

8. Evaluate 
○ Post  Engineering  Assessment 

 
Lesson O  verview 
Students  first  learn  the  basics  of  suborbital  spaceflight  using  pencil,  paper,  and  scientific 
calculator.  Students  then  use  what  they  have  learned  to  create  a  Space  Mission  Design  App 
(SMDA), designed according to the Engineering Design Process, that will be used for real­world 
spacecraft. 
 
They  will  also  create  a  document  of  their  experiences  engineering  the  SMDA  and  presenting 
their f indings t o  the  rest o  f t he  class. 

 

Page  14 o  f   176 

 

S.T.E.M. F  or  the C  lassroom 
Adventures  in  Outer  Space 

Constants 

● Standard G  ravity ( m/s2  ) 

 

Input 

● Rocket B  urnout  Time  (min M  ET) 

● Rocket  Burnout  Altitude  (ft  MSL) 

● Rocket  Burnout  Velocity  (mph) 

 

Output 

● Maximum A  ltitude ( m  MSL) 

● Time S  pent  Weightless ( min) 

● Time  Spent I n  Space  (min) 

● Spaceflight  Duration  (min) 

 

Weightless P  hase 

1. Begin  Weightlessness 

2. Begin S  paceflight 

3. Maximum A  ltitude 

4. End S  paceflight 

5. End  Weightlessness 

 

Spaceflight D  uration 

1. Carrier P  hase 

2. Boost  Phase 

3. Weightless  Phase 

4. Reentry P  hase 

5. Glide P  hase    

 

1.02 V  ocabulary 

  Begin  Spaceflight Begin W  eightlessness 
Drop 
Boost P  hase Glide P  hase 
Mission E  lapsed T  ime ( MET) 
Carrier  Phase Duration Rocket B  urnout 
Suborbital S  paceflight 
End  Spaceflight End  Weightlessness

Maximum  Altitude Mean S  ea L  evel  (MSL)

Reentry  Interface Reentry  Phase

Space I  nterface SpaceShipTwo  (SS2)

White  Knight  2 Weightless  Phase 

 

 

Page 1  5 o  f   176 

 

S.T.E.M. F  or t he C  lassroom 
Adventures  in  Outer S  pace 

 

Image 0  3:  S  paceShipTwo  (middle)  mated  to  the  mothership. 

 

1.03 A  nalysis 

 

A  suborbital  spacecraft,  such  as  SS2,  after  a  Drop  from  the  White  Knight  2  carrier  aircraft, 
follows  a  flight  profile  that  takes  the  shape  of  a parabola.. A parabola can be described with a 
quadratic e  quation, s  o t hat  is  what  we  will  use. 
 
The SS2 follows a similar trajectory that a baseball thrown to another baseball player follows. As 
all  baseball  players  are  aware,  a  baseball  is  never  thrown  in  a  straight  line; rather it is thrown 
slightly u  pward. A  s  a r esult, t he p  ath  the b  aseball  follows i s  curved  (parabolic). 
 
If the same baseball is thrown straight into the air, it will continue moving upward after it leaves 
the ball player's hand. The baseball at that point has an initial thrust to it, and the moment the ball 
is  released  it  immediately  begins  to  s  low  down.   The  ball  will  eventually  reach  a  maximum 
height,  where  the speed becomes zero, and then drop back down to Earth (in this case, into the 
player's glove). The ball increased speed on the way down and arrived at the glove with the same 
energy  that  it l eft  with. 
 
Note: the moment the player releases the ball, the ball is weightless. Weight returns when the ball 
is c  atched. 

 

Page 1  6 o  f   176 

 

S.T.E.M. F  or  the C  lassroom 
Adventures  in  Outer  Space 

 
That  baseball  (spacecraft)  follows  a  nice  parabolic  curve  and  can  be  described  by  a  quadratic 
equation. 
 
Virgin Galactic’s  SpaceShipTwo is poised to go into space in the near future. Many people have 
already paid for their ticket, and will be flying into space as soon as the spaceship is ready. You 
are  asked  to b  uild  the p  rototype  space  mission a  pp  for  your c  ompany. 
 
Given t he  initial  conditions a  s  input,  the a  pp  should  display t he  following: 
 

● Rocket B  urnout T  ime (  TimeR  BO ) 
● Initial  Velocity (  InitVel ) 
● Initial  Height  (I nitHt) 
 
1. How  high  into  space  you  will  go  [Maximum A  ltitude ( m)] 
2. How  long  you  will  be w  eightless  [Time S  pent  Weightless ( min)] 
3. How l ong y  ou w  ill  be i n s  pace  [Time  Spent  In  Space ( min)] 
4. How l ong y  our  space  flight w  ill  be [ Spaceflight D  uration ( hr:min)] 
5. A  graph o  f t he  weightless p  eriod [ Time  (min)  vs. A  ltitude  (m)] 
 

 
Image  04 :  SpaceShipTwo S  paceflight  Profile  Graph 
 
The  graph  represents  a  typical  weightless  period  spaceflight  profile  for  S  paceShipTwo .  The 
horizontal  axis of the graph represents time (in seconds), and the vertical axis represents height 

 

Page 1  7  of   176 

 

S.T.E.M.  For  the C  lassroom 
Adventures i n  Outer S  pace 

(in m  eters).  Space i s d  efined  as b  eginning  at 1  00,000  m. 

 

As  you  can  see  from  the  graph,  the  spaceflight  takes  the  shape  of  an  inverted  parabola.  This 

means t hat w  e  can  use  a  Quadratic  Equation. 

 

To  find the maximum height and the time spent weightless, first determine the time component 

of t he  vertex,  a.k.a,  the a  xis o  f  symmetry  . 

 

To  find t he t ime  spent  in  space, f ind t he t ime t hat t he s  pacecraft e  ntered  space. 

 

But f irst, t he  Quadratic E  quation i s: 

 

  h(t)  =   − 1 g0 t2 +  v0 t  +  h0      
2

 

where, 

● g 0  =   S  tandard  Gravity  (9.80665 m  /s 2)   
● t  = t ime  (s) 

● v0     = i nitial v  elocity  of  the  spacecraft  (m/s) 
● h 0  =    initial h  eight  of  the  spacecraft ( m M  SL) 
● h(t)  = h  eight  of t he  spacecraft a  t t ime t  ( m M  SL) 

 

Therefore t he t ime c  omponent o  f  the  vertex i s: 

 

vertext =  −v01 =   −v0   = v0    
2(− 2 g 0) −g 0 g0

 

The  time  spent  weightless i s t wice v  ertext ,   t aking  advantage o  f  the s  ymmetry o  f  a  parabola. 
 

T imeweightless  =  2(vertext)  
 
To f ind t he  maximum h  eight ( vertexh  ), j ust  plug  vertext    into t he  Quadratic  Equation.  
 

vertexh   =  h(vertext)  =   − 1 g0 (vertext)2 +  v0 (vertext )  +  h0  
2

 

To find the time the spacecraft enters space, let h = 100,000, make the Quadratic Equation equal 

to z  ero,  then u  se t he  Quadratic F  ormula: 

 

100, 000  =   − 1 g0 t2 +  v0 t  +  h0      
2

 

Page 1  8  of   176 

 

S.T.E.M. F  or t he  Classroom 
Adventures  in O  uter  Space 

             0  =   − 1 g0 t2   +  v0 t  +  h0   −  100, 000   
2

             0  =   − 1 g0 t2   +  v0 t  +  h1      
2

where, 

● h 1    = h  eight a  t s  pace =   h   0   ­   100,000 
 

Now  we  use t he  Quadratic  Formula t o s  olve  for t he t ime  you  enter s  pace: 

 

√spacet = −v0 +     vo2 − 4(− 1 g 0 )(h1)
2

2(− 1 g 0)
2

 

√            = vo2 + 2 g 0 h 1
−v0 +  −g 0    

 

√            = v0 −  vo2 + 2 g 0 h 1    
g0

 

Once you have the time you enter space, subtract it from the vertext  , double it (again, because of 
symmetry),  and  we  have  the T  ime S  pent i n S  pace. 

 

T imespace  =  2(vertext  −  spacet)   
 

To  find  the  Mission  Elapsed  Time  for  the  five  milestones  of  the  Weightless  Phase  use  the 

following e  quations: 

 

W eightlessBegin  =  T imeRBO  

 

         SpaceBegin  =  T imeRBO  +  spacet  

 

        Altitudemax  =  T imeRBO  +  vertext  
 

           SpaceEnd  =  T imeRBO  +  2(spacet)  
 

   W eightlessEnd  =  T imeRBO  +  2(vertext)  
 

We c  an  now  tackle  the s  paceflight  duration c  alculations. 

 

:: 

 

 

Page 1  9 o  f   176 

 

S.T.E.M.  For t  he  Classroom 
Adventures  in  Outer S  pace 

Given: 

● Boost  Phase  =  70 s   =    1.17 m  in 

● Reentry P  hase  = 3  .50 m  in 

● Glide P  hase  = 2  5.00  min 

 

Then 

Carrier P hase  =  T imeRBO  −  Boost P hase  
and 

DurationSpaceflight  =  Carrier  +  Boost  +  T imeWeightless  +  Reentry  +  Glide  

 

We c  an n  ow d  etermine t he  entire  flight p  rofile o  f S  paceShipTwo. 

 

Example 

Suppose  we h  ave a  n  input  of 

 

● TimeR  BO   =    110 m  in 
● InitHt =    135,000 f t  MSL 

● InitVel  = 2  ,600 m  ph 

 

What i s  the  Time S  pent W  eightless, t he M  aximum  Height a  chieved, t he  Time S  pent I n  Space, 

and t he  Time S  pent  on S  paceflight  aboard S  paceShipTwo?   

 

First, l et’s c  onvert  the  input  into  S.I.  Units: 

 

v0 =   2,600 mi   1,609 m   hr   =  1, 162 mps  
hr mi 3,600 s

 

h0 =   135,000 f t   m   =  41, 148 m M SL  
1 3.28 f
t

So,  v0
g0
vertext =     =   1162   =  118.49 s   
9.80665

 

The  Time  Spent  Weightless  is: 

 

T imeweightless  =  2(vertext)  

                          =  2(118.49)  

            =  236.98 s  

            =  3.95 min  

 

 

Page 2  0  of   176 

 

S.T.E.M.  For  the C  lassroom 
Adventures  in O  uter S  pace 

and  the m  aximum a  ltitude  is: 

 

vertexh   =  f (vertext)  =   − 1 g0 (vertext)2 +  v0 (vertext )  +  h0  
2

            =   − 1 (9.80665)(118.49)2 +  1162(118.49)  +  41148  
2

            =  110, 027 m M SL  

Finding h  1  , 
 

h1 =  h0  −  100000  =   − 58, 852 m  
 

we  can  use  it  to  find t he t ime y  ou e  nter s  pace: 

 

√  spacet  = v0 − vo2 + 2 g 0 h1    
g0

√              = 1162 −  (1162)2 + 2(9.80665)(−58852)    
9.80665

              =  73 s  

 

Once  we  know  when w  e  enter s  pace w  e  can  calculate  the  Time  Spent  in  Space: 

 

T imespace  =  2(vertext  −  spacet)   
      =  2(118.49  −  73) s   

      =  90.98 s    

      =  1.52 min    

 

We  now c  alculate  the o  ther  mission m  ilestones a  nd t he t otal  mission  duration: 

 

Carrier P hase  =  T imeRBO  −  Boost P hase  
               =  110 min  −  1.17 min   

               =  108.83 min  

and 

DurationSpaceflight  =  Carrier  +  Boost  +  T imeWeightless  +  Reentry  +  Glide  

        =  (108.83  +  1.17  +  3.95  +  3.50  +  25.00) min   

        =  142.45 min  

        =  2 hrs 22.45 min  

 

:: 

 

So, given an initial velocity at Rocket Burnout Time of  110 min going  2,600 mph , with an initial 

height o  f 1  35,000  ft M  SL ,  we c  an m  ake t he f ollowing c  onclusions: 

 

Page  21 o  f   176 

 

S.T.E.M.  For t  he  Classroom 
Adventures i n O  uter S  pace 

1. Time  Spent  Weightless i s 3  .95  min 

2. Maximum  Height  achieved  is  110,027 m   M  SL 

3. Time S  pent  In S  pace  is 1  .51 m  in 

4. Time S  pent o  n S  paceflight  aboard  SpaceShipTwo i s 2    hr 2  2.45  min 

 

Therefore,  out  of  an  almost  two  and  a  half  hour  flight,  the  passengers  spend  less  than  four 

minutes weightless, and less than two minutes in space. If each ticket costs $250,000, that comes 

out to about $2,747 for each second spent in space! The time spent in space is irrelevant anyway; 

that  the  passengers w  ent  into s  pace  is t he r eal s  tory. 

 

:: 

 

1.04  Guided  Practice 

 

You  are  an  spaceliner  pilot  responsible  for  the  passengers  flying  into  space.  Use  the 

SpaceShipTwo  Equation  to  calculate e  ach  suborbital  altitude. 

 

Spaceflight 1   

● Rocket B  urnout: 1  10s  MET 

● Burnout A  ltitude: 1  35,000  ft  MSL 

● Burnout  Speed: 2  ,600  mph 

 

Maximum  Altitude =   _  _________ m   M  SL Astronaut?  Y N 

 

Spaceflight 2   

● Rocket B  urnout: 1  25s M  ET 

● Burnout  Altitude: 1  30,000  ft M  SL 

● Burnout  Speed: 2  ,400  mph 

 

Maximum  Altitude =    __________ m    MSL Astronaut?  Y N 

 

Spaceflight 3   

● Rocket  Burnout:  100s M  ET 

● Burnout A  ltitude: 1  40,000 f t M  SL 

● Burnout S  peed:  2,700 m  ph 

 

Maximum  Altitude =    __________ m   M  SL Astronaut?  Y N 

 

 

Page  22  of   176 

 

S.T.E.M.  For  the  Classroom 
Adventures i n  Outer  Space 

1.05 C  ross  Curricula  Activities 

 

The  arts  must  be  included  with  any c  urriculum. 
 
ARTWORK 

● Find  images o  f t he V  irgin  Galactic S  paceShipTwo s  paceplane o  n t he  Internet. 
● Use t he  images  that  you h  ave r esearched  to  draw  a p  icture o  f  the s  paceplane r ocketing 

into s  pace. 
 
R.A.F.T. W  RITING 

● Ro  le: T  eacher 
● Au  dience: M  iddle S  chool s  tudents 
● Fo  rmat:  Five  paragraph  essay 
● T opic:  The  X–15.  Who  were some of the astronauts that flew the missions? Did any of 

the  pilots  fly  into  space?  What  was unique about their missions? What was in common 
with all the missions? How does an X–15 suborbital space mission differ from the space 
mission  presented  in  this  textbook?  How  are  they  the  same?  Why  even  bother  to  fly a 
suborbital s  paceflight a  nyway? 
 
DISCUSSION T  OPICS 
● Was  the  mathematics i n  this c  hapter d  ifficult  to  understand? 
 
● The  authors c  onclude t hat f lying i nto s  pace  is  worth i t, e  ven  if  it’s o  nly  for a   s  hort w  hile. 
Do  you a  gree  with t he  authors?  Why o  r W  hy n  ot? 
 
● What w  ould  it  be l ike  to  fly a  board a   s  paceship  that  takes  off  like  an o  rdinary  airliner? 
Would y  ou  like t o  fly o  n t he S  paceShipTwo s  paceplane? W  hy o  r  why n  ot? 
 

1.06 S  uborbital  Space  Mission D  esign W  ebsite 

 
We  now p  roceed  to  create  the  suborbital w  ebsite t hat  includes  the e  ngineering  logs a  nd  the  app 
embedded  in a   w  ebpage. 
 
Insert  Text H  ere 
 
 
 
 
 

 

Page  23  of  1  76 

 

S.T.E.M. F  or t he C  lassroom 
Adventures i n  Outer S  pace 

 
Insert T  ext H  ere 
 
 
 
 
 
 

1.07  Suborbital  Space  Mission  Design S  preadsheet A  pp 

 
Given  the  above  information,  we  can  use  a  spreadsheet  to  enter equations and data to create a 
Space M  ission  Design A  pp  (SMDA). 
 
The  S.T.E.M.  for t he  Classroom/Google A  pp i s  broken  down  into f our  (4)  parts: 
 

1. Input/Output  Interface 
2. Graph 
3. Constants 
4. Calculations 
 
The  App c  an  now  be  developed. 
 
Sample G  oogle S  heets A  pp D  esign O  pen S  ource  Code 
Once t he c  ells h  ave  been  named  referencing c  ells  is e  asy. 
 
● CALCULATIONS 

○ VertexTime=v0/g0 
○ TimeWeightless=2*VertexTime 
○ MaxAlt=­0.5*g0*VertexTime^2+v0*VertexTime+h0 
○ h1=h0­Space 
○ SpaceTime=(v0­SQRT(v0^2+2*g0*h1))/g0 
○ TimeInSpace=2*(VertexTime  ­  SpaceTime) 
● GRAPHING 
○ BeginWt=RBO 
○ BeginSpace=RBO+TimeSpace 
○ MaxAlt=RBO+VertexTime 
○ EndSpace=RBO+2*TimeSpace 
○ EndWt=RBO+2*VertexTime 
 

 

Page 2  4 o  f  1  76 

 

S.T.E.M.  For t he C  lassroom 
Adventures  in  Outer S  pace 

 
­ I  NSERT  CODE  HERE  ­ 
 
 
 
 
 
 
­ I NSERT C  ODE  HERE  ­ 
 
 
 
 
 
 
 
­ I NSERT  CODE H  ERE  ­ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
­  INSERT  CODE H  ERE ­  
 
  

 

Page  25 o  f   176 

 

S.T.E.M. F  or  the C  lassroom 
Adventures i n  Outer S  pace 

Sample  Google S  heets A  pp D  esign 
 

 

Image  05: S  uborbital S  pace  Mission  Design  Spreadsheet A  pp 

 
:: 
 

1.08  Suborbital S  pace  Mission  Design  Mobile A  pp 

 
Sample A  ppSheet  Mobile  App D  esign O  pen S  ource C  ode 
Once  the  Google S  preadsheet  has b  een c  ompleted, i t c  an b  e u  sed t o  help c  reate t he m  obile a  pp. 

 

­ I NSERT C  ODE  HERE  ­ 

 
 

Page  26  of  1  76 

 

S.T.E.M. F  or  the  Classroom 
Adventures  in  Outer S  pace 

 

 
­ I  NSERT  CODE  HERE ­   
 
 

 
 

Sample A  ppSheet  Mobile A  pp D  esign 

 

 
Image 0  6: S  uborbital S  pace M  ission D  esign  Mobile A  pp 

 
 
 
INSERT I MAGES H  ERE 
 
 
 
 

 

Page  27  of   176 

 

S.T.E.M.  For t he C  lassroom 
Adventures  in O  uter  Space 

1.09  Suborbital M  ission  Design  Presentation D  evelopment 

 
INSERT T  EXT H  ERE 
 
 
 
 
 
 
INSERT  TEXT H  ERE 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Page  28  of   176 

 

S.T.E.M.  For t he C  lassroom 
Adventures i n  Outer S  pace 

 
INSERT  TEXT H  ERE 
 
 
 
 
 
 
INSERT T  EXT H  ERE 

  

 

Page  29 o  f   176 

 

S.T.E.M. F  or  the C  lassroom 
Adventures  in  Outer  Space 

1.10  Chapter  Test 

 

I.  VOCABULARY 
Match  the  aerospace  term  with  its d  efinition. 

 

  1.  End S  paceflight  A.   The  moment  a  rocket  engine  shuts  itself  off,  where  the 
spacecraft  continues  upward o  n i ts o  wn m  omentum. 

 2  . M  ission E  lapsed  Time  B.  T  he  spacecraft  that is dropped from W  hite Knight 2.  After 
rocket  burnout, t he s  pacecraft c  oasts  up t o s  pace a  nd  back. 

 3  . R  ocket B  urnout  C. The third of six phases in a parabolic spaceflight, where the 
spacecraft a  nd  its o  ccupants  experience w  eightlessness. 

 4  . S  paceShipTwo  D.   The  moment a spacecraft exits from space. The spacecraft 
returns  to  the  atmospheric  environment. 

  5. W  eightless  Phase  E.  Time  since  the b  eginning o  f t he  spaceflight. 
 

II. M  ULTIPLE C  HOICE 

Circle t he  correct a  nswer. 

 

   6.  The Q  uadratic  Equation  describing  the  parabolic  flight p  rofile  of  a  Virgin G  alactic  suborbital 

spaceflight h  as a   l eading c  oefficient t hat  is l ess  than  zero. 

 

A.  True B.  False 

 

   7.  After r eaching m  aximum  altitude,  weight  returns a  nd  the V  irgin  Galactic  passengers  are  no 

longer  weightless. 

 

A. T  rue B. F  alse 

 

  8  .  If V  ertext    =  1.75 m  in,  then  the T  ime  Spent  Weightless  is 

 

A.  1.75 m  in B. 3  .50  min C.  5.25  min D. N  one 

 

  9  . Y  ou  reach  the m  aximum a  ltitude  30 s  econds  after  crossing i nto  space.  How l ong w  ill y  ou  be 

in s  pace? 

 

A.  30  sec B. 6  0 s  ec C. 9  0 s  ec D. N  one.  

 

10.  A V  irgin  Galactic s  uborbital  spacecraft  is  going 1  ,100  mps  at t he  moment o  f R  ocket B  urnout. 

How  long  will  it  take t o c  oast  up  to t he m  aximum  altitude? 

 

A.  56.12  sec B. 1  12.24  sec C.  224.48 s  ec D.  336.72  sec 

 

Page  30 o  f   176 

 

S.T.E.M.  For t he C  lassroom 
Adventures  in O  uter S  pace 

III. C  ALCULATIONS 
A V  irgin  Galactic s  uborbital  spacecraft h  as a  n  initial v  elocity a  t R  ocket  Burnout  Time  of 1  08 
minutes,  going 2  ,550  mph, w  ith a  n i nitial h  eight o  f 1  40,000 f eet M  SL. 

 

11.  How l ong  does  it t ake  to r each  maximum a  ltitude  after  rocket  burnout? 

 

12. W  hat  is  the m  aximum a  ltitude o  f  this  spaceflight? 

 

13. H  ow  long d  oes i t t ake t o r each  space  after r ocket b  urnout? 

 

14.  How l ong w  ere t he V  irgin G  alactic p  assengers w  eightless? 

 

15.  How l ong w  ere  the  Virgin  Galactic  passengers i n  space? 

 

16. H  ow l ong w  as t he C  arrier P  hase o  f t he s  uborbital s  paceflight? 

 

17.  How  long w  as t he  spaceflight? 

 

18. W  hat p  ercent o  f t he  suborbital  spaceflight w  as  spent d  uring  the  Weightless  Phase? 

 

19.  What  percent o  f  the s  uborbital s  paceflight  was  spent i n s  pace? 

 

20.  What  percent  of t he s  uborbital s  paceflight  was  not  spent i n  space o  r  during t he W  eightless 
Phase? 
 
IV.  WRITING 
Write  a  one  paragraph  essay o  n  the t opics  below. 

 

21.  Explain  why  the  leading  coefficient  of t he q  uadratic e  quation  describing t he  parabolic 
spaceflight  profile  of a   V  irgin  Galactic  suborbital s  pacecraft  is n  egative.  

 

22. E  xplain  why  the  total t ime  weightless  can  be c  alculated  by  doubling t he  time i t  takes  to r each 
the v  ertex o  f t he  parabola o  f a   V  irgin  Galactic s  uborbital s  paceflight. 

 

23.  Explain  why p  assengers f eel  weightless  even t hough t he s  pacecraft  is  coasting  to a    maximum 
altitude i n t he U  P  direction. 

 

24.  Describe t he s  tep­by­step  procedure t o  calculating t he m  aximum a  ltitude  reached b  y  a  Virgin 
Galactic  suborbital  spacecraft  given  the  time  that  the m  aximum  altitude  occurred. 

 

25. W  rite  a s  hort  story  about w  hat  it  would  feel l ike t o f loat  weightlessly  inside  of S  paceShipTwo 
while g  azing a  t t he c  urvature o  f t he E  arth  as i t  flies a    parabolic  spaceflight  profile. 
 

END O  F C  HAPTER  1 E  XAM 

 

Page 3  1  of  1  76 

 

S.T.E.M.  For t he C  lassroom 
Adventures i n  Outer S  pace 

Chapter  2:  Orbital  Spaceflight 

 
2.01  Narrative    99 

 
2.02  Vocabulary    99 

 
2.03 A  nalysis    99 
 
2.04 G  uided P  ractice   9  9 
 
2.05 C  ross C  urricula  Activities    99 
 
2.06 L  aunch P  ayload  Design  Website  Development    99 
 
2.07 L  aunch P  ayload D  esign S  preadsheet  App  Development    99 

 
2.08  Launch P  ayload D  esign  Mobile A  pp D  evelopment   9  9 
 
2.09 L  aunch P  ayload  Design  Presentation  Development   9  9 

 
2.10  Chapter T  est    99 

 
 
 
  

 

Page 3  2 o  f   176 

 

S.T.E.M.  For t he C  lassroom 
Adventures  in  Outer  Space 

2. O  rbital  Spaceflight 

 

2.01  Narrative 

 

In  this,  the  second  of  four  aerospace–based 
S.T.E.M. projects, students will calculate the 
payload  capacity  of  the  R.E.L.  Skylon 
spaceliner.  Students  will  use  the  launch  site 
latitude to determine the mass of an orbiting 
payload. 
 
Time  Frame 
4.5 w  eeks 
 
Aerospace P  roblems 
Orbital  Inclination 
Orbital A  ltitude 
Payload M  ass 
 
Mathematics U  sed 
Polynomial E  quations 
 
Science T  opics 
Physics,  Aerospace 
 
Activating  Previous  Learning 
Basic  Algebra 

Image  07: R  .E.L. S  kylon  Spaceliner C  over 

 
Essential  Questions 

● Who a  re  the  pioneers o  f  spaceliner  technology? 
● What  is  the O  rbital  Inclination  of  a s  pacecraft? 
● Where i s t he  payload b  ay o  f t he  R.E.L.  Skylon  located? 
● When  will  be t he  first f light o  f  the  Skylon  spaceplane? 
● Why  do  people  want t o f ly p  ayload i nto o  rbit o  n  a  spaceliner? 
● How  does t he l atitude o  f  the L  aunch S  ite e  ffect  an  orbital  payload? 
● How  does t he d  esired o  rbital  altitude e  ffect a  n o  rbital p  ayload? 
● Wait.  I h  ave  to d  o  science,  technology, e  ngineering, a  nd m  ath, a  ll a  t  the  same  time? 
 

 

Page  33 o  f  1  76 

 

S.T.E.M. F  or  the C  lassroom 
Adventures  in O  uter S  pace 

This l esson  is  powered b  y  E8 :   
 

1. Engage 
○ Lesson  Objectives 
○ Lesson  Goals 
○ Lesson  Organization 

2. Explore 
○ The  Quadratic E  quation 
○ The L  inear  Equation 
○ The A  ltitude­Payload L  ine a  nd  its C  omponents  and D  efinitions 
○ Additional  Terms  and D  efinitions 

3. Explain 
○ Orbital  Inclination 
○ Orbital  Altitude v  s.  Payload  Mass 
○ Payload  Mass v  s. O  rbital  Altitude 

4. Elaborate 
○ Other  Orbital S  pacecraft  Examples 

5. Exercise 
○ Orbital S  pace M  ission P  arameters 
○ Orbital  Space  Mission D  esign  Scenario 

6. Engineer 
○ The  Engineering D  esign  Process 
○ SMDA  Spaceflight P  lan 
○ Designing  a P  rototype 
○ SMDA S  oftware 

7. Express 
○ Displaying  the S  MDC 
○ Progress R  eport 

8. Evaluate 
○ Post E  ngineering  Assessment 

 
:: 
 
Lesson O  verview 
Students  first  learn  the  basics  of  spaceflight  launch  payload  using  pencil,  paper,  and scientific 
calculator.  They  then  use  what  they  have  learned  to  create  a  Space  Mission  Design  App 
(SMDA), designed according to the Engineering Design Process that will be used for real­world 
spacecraft. 
 

 

Page  34  of   176 

 

S.T.E.M.  For  the  Classroom 
Adventures i n  Outer S  pace 

Students  will  use  spreadsheet  software  to  create  the  app  and  will  use  slide­show  software  for 

their presentations. They will also create a document of their experiences engineering the SMDA 

and p  resenting  their  findings t o  the r est  of  the  class. 

 

Constants 

● (none) 

 

Input 

● Launch S  ite  Latitude ( deg) 

● Payload M  ass  (lbs) 

● Orbital A  ltitude ( mi) 

 

Output 

● Payload  Mass  (kg) 

○ At  Latitude  (km) 

○ To  I.S.S. ( km) 

○ To  Polar O  rbit  (km) 

● Orbital A  ltitude  (km) 

○ At  Latitude  (kg) 

○ To I .S.S.  (kg) 

○ To  Polar O  rbit  (kg) 

 

:: 

 

2.02  Vocabulary 

 

International S  pace S  tation Latitude Launch  Site 

Launch  Site  Latitude Orbital  Altitude Orbital I  nclination 

Payload Payload M  ass Polar O  rbit 

SABRE Skylon Spaceliner 

Spaceplane 

 

:: 

 

Page  35  of   176 

 

S.T.E.M.  For  the  Classroom 
Adventures i n O  uter S  pace 

 
Image  08:  Cross s  ection d  iagram  of  the  Synergetic A  ir  Breathing R  ocket E  ngine  (SABRE) 
 

2.03 A  nalysis 

 
To  determine  the  mass  and  orbital  altitude  of  a  spacecraft  climbing  into  earth  orbit,  we  need 
information  on  the  space  plane's  capabilities  at  various  launch  latitudes.  Fortunately,  R.E.L. 
provides u  s w  ith  exactly  what  we  need. 
 
 

 

Image  09: P  ayload–Altitude  graph f or a  n  equatorial l aunch  site 

 
 
 

 

Page 3  6  of   176 

 

S.T.E.M.  For t  he  Classroom 
Adventures  in  Outer S  pace 

 

Image 1  0:  Payload–Altitude  graph f or a    15o   l aunch  site  latitude 

 
 
 

Image  11: P  ayload–Altitude  Graph  for  a  30 o  l aunch  site  latitude   

 

Page  37 o  f   176 

 

S.T.E.M.  For t he C  lassroom 
Adventures  in O  uter S  pace 

 

Image 1  2:  Payload–Altitude  Graph f or  a  45 o  L  aunch  Site  latitude 

 
 

 

Image 1  3:  Payload–Altitude  Graph  for a   6  0o    Launch  Site  latitude 

 
:: 

 

Page  38 o  f   176 

 

S.T.E.M.  For t  he  Classroom 
Adventures i n  Outer  Space 

Using these graphs, we can determine the general formula for each of these lines. So, let's make a 
couple  of  tables, s  hall w  e? 
 
We will concentrate on the Launch Site Latitude equal to the Orbital Inclination. For the Launch 
Site Latitude of 0 o , we will look for the graph at 250 km for the Orbital Inclination of 0 o . For the 
15o   graph,  we  will  look  at  the  250  km  point  on  the  15 o  Orbital  Inclination  line.  This  process 
continues  for e  ach  graph: 
 

250  KM    800  KM 

0o   15,500  kg    0 o  11,000 k  g 

15o   15,250 k  g    15o   10,750 k  g 

30o   14,500  kg    30 o  10,000  kg 

45 o  13,250  kg    45o      8,750  kg 

60 o  11,750  kg    60o     7  ,000 k  g 

 
Now  we  can  analyse  the  tables  to  see  what  kind  of equation that we have. We can use the old 
trick  of  subtracting  the  dependent  variables  (absolute  value)  to  determine  the  degree  of  the 
polynomial  equation. If all the subtractions keep coming up with the same number it is a linear 
(degree 1) polynomial. If after 2 subtractions we get a constant, then it is a quadratic (degree 2) 
polynomial.  If 3  ,  then a    cubic  (degree 3  ),  etc. L  et's s  ee w  hat w  e  get  for  the f irst  table: 
 
15,500 
15,250  =>  |15,500 ­  1  5,250| =      2  50 
14,500 =  >  |15,250  ­ 1  4,500| =       750  =>       | 250 ­   750| =    500 
13,250 =  >  |14,500 ­   13,250|  = 1  ,250 =  >    | 750 ­  1  ,250| =    500 
11,750 =  > | 13,250 ­   11,750| =    1,750  =>  |1,250 ­   1,750| =   5  00 
 
So  we  get  a  constant  after  two  iterations.  Therefore,  we  are  dealing  with  a  second  degree 
polynomial, o  r a   q  uadratic  equation. 
 

y  =  ax2  +  bx  +  c  
 
Writing t he  quadratic i n  aerospace  form,  the g  eneral  equation b  ecomes: 
 

AtLatitudeP ayloadALT   =  aDEG 2  +  bDEG  +  P ayload0  
 

 

Page  39  of   176 

 

S.T.E.M. F  or t he  Classroom 
Adventures i n  Outer S  pace 

where 
● AtLatitudePayload ALT   =    Mass  of t he  orbital c  argo h  eaded  to a   c  ertain  altitude i n  space 
● a =   C  onstant 
● DEG =    Orbital  Inclination  of  Payload 
● b =   C  onstant 
● Payload 0    =  Initial P  ayload 

 
Since  the i nitial m  ass  of t he p  ayload i s i rrelevant, w  e  can  zero o  ut b  : 
 

AtLatitudeP ayloadALT   =  aDEG 2  +  P ayload0  
 
Using  the  table  of  data  for  a 250 km orbital altitude, we can calculate Payload 0 by plugging in 
DEG =   0   o    and  Payload2 50  =   1  5,500: 
 

AtLatitudeP ayload250  =  aDEG 2  +  15, 500  
 
We  can  then  easily  calculate  a    by  using  the  table  (again)  and  plugging  DEG  =  15 o  and 
AtLatitudePayload 250  =    15,250: 
 

15, 250  =  a(15)2  +  15, 500  

  − 1.11  =  a  
 
And  so: 
 

AtLatitudeP ayload250  =   − 1.11DEG 2  +  15, 500  
 
We  now  have  the  equation  that  we  need  to  determine  the  payload  capability 
(AtLatitudePayload ALT)   depending on the latitude of the launch site which is equal to the orbital 
inclination ( DEG)  for a   2  50 k  m O  rbital  Altitude. 
 
The  other p  olynomial e  quation c  an  be d  etermined  using  the s  ame  technique  on  the  800 k  m  table: 
 

AtLatitudeP ayload800  =   − 1.11DEG 2  +  11, 000  
 
We  now  have  the  equation  that  we  need  to  determine  the  payload  capability 
(AtLatitudePayload ALT)    depending  on  the  latitude  of  the  launch  site  which  equals  the  orbital 
inclination  (DEG), t his t ime  for  an 8  00  km O  rbital A  ltitude. 
 

 

Page 4  0 o  f   176 

 

S.T.E.M. F  or t he  Classroom 
Adventures  in O  uter S  pace 

We c  an  now  determine t he t wo p  oints n  eeded t o d  raw  the  graph  of  the l inear e  quation  for t he 

payload. 

 

Example 

An R.E.L. Skylon is conducting spaceflight operations from Spaceport America. A customer has 

a  satellite  that  needs  to  be  placed  in  an  orbital altitude of 490 miles. The Orbital Inclination is 

irrelevant. W  hat i s  the m  aximum m  ass o  f  the s  atellite? 

 

Spaceport  America  has a location in New Mexico of 32.998o  North Latitude, which means that 

the  orbital  inclination  will a  lso b  e  32.998o  , s  o  we w  ill  set  our  independent  variable  DEG  to 3  3. 

 

AtLatitudeP ayload250  =   − 1.11(33) 2  +  15, 500  =  14, 290 kg  
 

and 

 

AtLatitudeP ayload800  =   − 1.11(33) 2  +  11, 000  =  9, 790 kg  
 

So,  the  endpoints  to  to  our  linear  equation  are  (250,  14,290)  and  (800,  9,790).  We can finally 

write  the  linear  equation  in  slope­intercept  (y=mx+b)  form  by  finding  the  slope  (m)  and  the 

y­intercept  (b).  The  slope  is  the  change  in  y    divided  by  the  change  in  x  .   Plugging  one  of  the 

points  back  into t he e  quation  yields  the  y­intercept. 

 

Slope  =  m  =   9,790 − 14,290   =   − 8.18  
800 − 250

 

and 

 

y − int  =  b  =  y1  −  mx1  =  14, 250  −  (− 8.18)(250)  =  16, 335 km  
 

Therefore, the linear equation for the Skylon operating out of Spaceport America given a desired 

orbital  altitude o  f b  etween  250  km a  nd 8  00 k  m  is: 

 

Spaceport − to − AtLatitude ALT   =   − 8.18ALT   +  16, 335  
 

Converting  490 m  iles t o  789 k  ilometers,  and p  lugging t hat i nto o  ur  formula, w  e  get: 

 

Spaceport − to − AtLatitude 789  =   − 8.18(789)  +  16, 335  
     =  9, 883 kg  

 

 

Page 4  1  of   176 

 

S.T.E.M. F  or t he  Classroom 
Adventures i n O  uter S  pace 

Therefore,  the  satellite  can h  ave a   m  aximum w  eight  of a  lmost t en t housand  kilograms. 
 
The same technique described above can be used to determine the equations to reach the NASA’s 
International Space Station (I.S.S.) and for a polar orbit from Spaceport America. These will be 
exercises  left  up  to  the s  tudent.  
 
 

Spaceport − to − ISS ALT   =   − 7.73ALT   +  13, 982  
 

Spaceport − to − P olar ALT   =   − 7.27ALT   +  8, 118  
 

2.04  Guided P  ractice 

 
You  are a  n s  paceliner  Captain  responsible f or  the  payload s  ent  into L  EO.  Use t he S  kylon  Payload 
Equation  found  in  the  article t o c  alculate  each  orbital a  ltitude. 
 
Payload  1:  Launch L  ocation: S  paceport  America Orbital A  ltitude: 5  70  mi 
 
Maximum  Payload M  ass =   _  _________  kg t o L  EO. 
 
 
Payload  2: L  aunch L  ocation:  Guiana S  pace  Center Orbital A  ltitude: 6  35  mi 
 
Maximum  Payload  Mass =    __________  kg  to  LEO. 
 
 
Payload 3  :  Launch  Location: S  paceport  America Orbital  Altitude:  850 m  i 
 
Maximum P  ayload M  ass  =  __________ k  g t o  LEO. 
 
:: 
 

2.05 C  ross  Curricular E  xercises 

 
ARTWORK 
Find i mages o  f  the R  .E.L.  Skylon s  paceplane o  n t he I nternet. U  se t he i mages t hat  you  have 
researched  to  draw a    picture  of  the s  paceplane r ocketing i nto  orbit. 
 

 

Page  42 o  f  1  76 


Click to View FlipBook Version