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

 

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

AltitudeLOWER  =  200 km  
 

AltitudeHIGHER  =  8, 500 km  
 

First,  we  need t o c  alculate R  1    a  nd R  2 .   
 

R1  =  AltitudeLOWER  +  RadiusEARTH  
       =  200  +  6378  =  6, 578 m  

 

R2  =  AltitudeHIGHER  +  RadiusEARTH  
       =  8500  +  6378  =  14, 878 m  

 

Therefore, 

 

√ √ΔvP ERIAP SIS =   2(14878)
398600   ( 21456   −  1)  
6578

          =  1, 383 mps  

 

√ √ΔvAP OAP SIS =   2(6578)
398600   (1  −   21456  )  
14878

                     =  1, 123 mps  

 

ΔvBUDGET   =  1383  +  1123  
        =  2, 506 mps  

 

ΔvROUND−TRIP   =  2(2506)  
              =  5, 011 mps  

 

√T ransf er T imeSECONDS   =  π (6578 + 14878)3  
8(398600)

                 =  5, 529 s   

 

T ransf er T imeDAY S   =   T ransf er T imeSECONDS  

86400

           =   5529   =  0.064 days  
86400

 

Round − T ripDAY S   =  2(T ransf er T imeDAY S )  
           =  2(0.064)  =  0.128 days  

 

 

Page  93  of   176 

 

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

M ission Duration  =  On − StationDAY S   +  Round − T ripDAY S  
        =  5  +  0.128  

          =  5.13 days  
 

5.04 G  uided  Practice 

 
You a  re  an  spacecraft C  aptain  responsible t o  transport p  assengers t o a  nother  space s  tation. U  se 
the H  ohmann  Transfer O  rbit E  quations  to d  etermine  the  orbital  parameters  of y  our s  paceflight. 
 
Orbital S  cenario #  1 
 
Lower  Orbital A  ltitude: 2  85 k  m 
Higher  Orbital A  ltitude:  1,000 k  m 
On–Station  Time: 4    days 
 
Periapsis  Δv  Burn  =  __________  mps 
 
Apoapsis Δ  v B  urn  =  __________  mps 
 
Δv B  udget =    __________  mps 
 
Transfer  Time  = _  _________  days 
 
Round–Trip T  ime  =  __________  days 
 
Mission D  uration =    __________ d  ays 
 
Orbital  Scenario #  2 
 
Lower O  rbital A  ltitude: 4  00  km 
Higher  Orbital  Altitude:  800  km 
On–Station T  ime: 1  0 d  ays 
 
Periapsis Δ  v  Burn  = _  _________ m  ps 
 
Apoapsis  Δv  Burn  = _  _________  mps 
 
Δv B  udget  = _  _________  mps 
 

 

Page  94 o  f   176 

 

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

Transfer  Time =   _  _________ d  ays 
 
Round–Trip T  ime =   _  _________ d  ays 
 
Mission  Duration  = _  _________ d  ays 
 

5.05  Cross  Curricular E  xercises 

 
ARTWORK 
Find  images o  f  the R  .E.L. S  kylon s  paceplane  on  the  Internet. U  se t he i mages t hat  you h  ave 
researched  to d  raw a    picture o  f  the s  paceplane  rocketing  into  orbit. 
 
R.A.F.T. W  RITING 

● Ro  le: T  eacher 
● Au  dience:  Middle  School  students 
● Fo  rmat: F  ive p  aragraph  essay 
● T opic:  The  Gemini  spacecraft.  Who  were  the  astronauts  that  flew  the  mission?  What 

spacecraft  was  used  to  boost  the  Gemini  to  a  higher  orbit?  What was unique about the 
missions?  What  was  in  common  with  all  the  missions?  How  does  a  Gemini  change  in 
orbital  altitude  differ  from  the  one  presented  in  this  textbook? How are they the same? 
Why e  ven b  other  to  change a  n  orbit a  nyway? 
 
DISCUSSION  TOPICS 
● Was  the  mathematics i n  this c  hapter  difficult  to u  nderstand? 
 
● The  authors c  onclude t hat  concept  of c  hanging t he s  hape  of  an  orbit  is  very c  omplicated. 
Do y  ou  agree  with t he  authors?  Why o  r  Why n  ot? 
 
● What  would  it b  e l ike  to  fly a  board  a s  pacecraft  that i s  orbiting  the  Earth?  Would y  ou f ly 
on  such  a  spacecraft? W  hy  or w  hy  not? 
 

5.06  Delta V   S  pace  Mission D  esign  Website 

 
We n  ow p  roceed  to c  reate  the s  uborbital  website t hat  includes t he  engineering  logs a  nd t he a  pp 
embedded  in  a  webpage. 
 
 
 

 

Page  95 o  f   176 

 

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

INSERT  TEXT  HERE 
 
 
:: 
 

5.07  Delta  V  Space  Mission D  esign S  preadsheet A  pp 

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

1. Input/Output  Interface 
2. Graph 
3. Constants 
4. Calculations 
 
The  App  can  now  be d  eveloped. 
 
Sample  Google S  heets A  pp  Design O  pen S  ource C  ode 
Once t he c  ells  have b  een n  amed  referencing c  ells i s e  asy. 
 
● CALCULATIONS 

○ TotBA 
 
 
 
 
 
 
INSERT O  PEN S  OURCE  CODE 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Page  96  of  1  76 

 

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

Sample A  pp  Interface 
 

 

Image 3  2:  Delta  V S  pace M  ission  Design S  preadsheet  App 

 
:: 
 
5.08 D  elta V   S  pace M  ission D  esign  Mobile  App 

 
Sample A  ppSheet M  obile  App  Design O  pen  Source C  ode 
Once t he G  oogle  Spreadsheet h  as b  een c  ompleted, i t  can  be  used t o  help c  reate  the  mobile a  pp. 

 

Page 9  7 o  f  1  76 

 

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

 
 
 
 

­  INSERT C  ODE H  ERE ­  

 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
­  INSERT C  ODE  HERE  ­ 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

­ I NSERT C  ODE  HERE  ­ 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Page  98 o  f   176 

 

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

Sample A  ppSheet  Mobile  App D  esign 

 

Image  33:  Delta  V  Space M  ission  Design M  obile A  pp   

   

5.09  Delta  V  Space  Mission D  esign P  resentation D  evelopment  Page 9  9 o  f   176 

 
INSERT T  EXT  HERE 
 
 
 
 
 
 
INSERT T  EXT H  ERE 
 
 
 

 

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

5.10 C  hapter  Test 

 

I. V  OCABULARY 
Match  the  astronautics t erm  with  its d  efinition. 

 

  1.  Apoapsis  A. T  he l ower c  ircular o  rbital a  ltitude o  f  a s  pacecraft  as 
measured  from  the c  enter o  f a  n  orbiting b  ody. 

 2  . Δ  v B  udget  B. T  he r ocket  firing a  t  the  lowest  point o  f  a  Transfer 
Orbit. 

  3.  Mission  Duration  C.  The h  ighest  point i n a  n e  lliptical o  rbit. 

  4. P  eriapsis Δ  v  Burn  D. T  he  total t ime  necessary  to  accomplish  a  mission. 

 5  .  Radius o  f  Lower O  rbit  E. T  he t otal D  elta  V  needed t o a  ccomplish  a m  ission. 

 

II. M  ULTIPLE C  HOICE 

Circle  the  correct a  nswer. 

 

  6  .  The  Apoapsis  Δv  rocket  burn o  ccurs a  t  the h  ighest p  oint  of  the  Hohmann  transfer o  rbit. 

  B.  FALSE 

A. T  RUE

 

  7  .  The Δ  v  Budget  is t he  total c  hange i n v  elocity  needed  to c  onduct a    round­trip  space  mission. 

  B.  FALSE 

A.  TRUE

 

 8. A spacecraft is orbiting the Earth at an orbital altitude of 1,000 km. What is the orbital radius 

of  the s  pacecraft? 

 

A.  5,371 k  m B.  6,371 k  m C. 7  ,371  km D. C  annot b  e  determined 

 

 9. What is the Hohmann transfer time of a spacecraft headed for the apoapsis ΔV rocket burn if 

the  Round­Trip T  ransfer T  ime  is  7  hrs? 

 

A. 3  .5 h  rs B.  7.0 h  rs C. 1  0.5 h  rs D.  Cannot b  e d  etermined 

 

10.  There  are  always  two  Δv  rocket  burns  whenever  a  spacecraft  needs  to  raise  or  lower  its 

orbital altitude. The second Δv rocket burn is used to change the shape of an orbiting spacecraft 

into  a  ____________. 

 

A.  Ellipse B.  Circle C. P  arabola D.  Cannot  be  determined 

 

 

Page  100  of   176 

 

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

III. C  ALCULATIONS 
A wayward satellite is need of repairs and to have some electronic parts replaced. The satellite is 
in a stable orbit 1,250 km above the Earth. A crew inside a repair vehicle is also in a stable orbit, 
but  at  an  orbital  altitude  of  400 k  m. T  he  crew  will  need  3 d  ays t o c  onduct a  ll n  ecessary r epairs. 

 

11. W  hat  is t he L  ower O  rbital R  adius? 

 

12.  What  is  the H  igher O  rbital R  adius? 

 

13. W  hat  is t he  On­Station  Time? 

 

14. W  hat i s  the P  eriapsis Δ  v  Rocket  Burn? 

 

15. W  hat i s t he  Apoapsis Δ  v R  ocket B  urn? 

 

16.   What  is t he Δ  v B  udget? 

 

17. W  hat i s t he R  ound  Trip Δ  v  Budget? 

 

18.  What  is  The T  ransfer  Time? 

 

19. W  hat i s R  ound T  rip  Transfer T  ime? 

 

20. W  hat i s t he M  ission D  uration? 
 
IV. W  RITING 
Write a   o  ne p  aragraph e  ssay  on  the t opics  below. 

 

21. E  xplain w  hy a   s  pacecraft m  ust  first p  ush  off a  nd t hen  stop w  hen  it  wants t o g  o f rom  one 
point i n s  pace t o  another,  such a  s a   h  igher  (or l ower) o  rbital  altitude. 

 

22. E  xplain  how  the O  n­Station T  ime e  ffects  the  Mission D  uration. 

 

23. E  xplain  how a    spacecraft w  ould r eturn b  ack  to  its  original  orbital  altitude i f t he A  poapsis Δ  V 
rocket b  urn w  as n  ot p  erformed. 

 

24.  Explain w  hy  a s  pacecraft m  ust  have  a  larger  Round T  rip  Δv  Budget  if i t n  eeds  to g  o t o  a 
higher  orbital a  ltitude. 

 

25. Write a short story about what it would feel like to float weightlessly in space, while gazing 
at t he c  urvature o  f  the  Earth a  s i t t ransfers f rom  a  lower  to  a h  igher o  rbital a  ltitude. 
 
 

END O  F C  HAPTER 5   E  XAM 

 

Page  101 o  f   176 

 

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

Chapter 6  : S  pacecraft M  ass 

 
6.01 N  arrative   9  9 

 
6.02 V  ocabulary   9  9 

 
6.03 A  nalysis    99 
 
6.04  Guided  Practice    99 
 
6.05  Cross C  urricula  Activities   9  9 
 
6.06 C  rew  Module  Mission D  esign W  ebsite D  evelopment    99 
 
6.07  Crew  Module  Mission  Design  Spreadsheet  App D  evelopment   9  9 

 
6.08 C  rew M  odule M  ission D  esign M  obile A  pp D  evelopment   9  9 
 
6.09  Crew M  odule M  ission D  esign  Presentation D  evelopment   9  9 

 
6.10 C  hapter  Test    99 

 
  

 

Page  102 o  f   176 

 

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

6. S  pacecraft  Mass 

 

6.01  Narrative 

 

In  this,  the  second  of  a  four­part 
interconnected astronautics­based S.T.E.M. 
project,  students  will  calculate  the  total 
mass  of  the  Crew  Module,  a  place  where 
astronauts live and work while operating in 
the v  acuum  of  space. 
 
Time  Frame 
4.5 w  eeks 
 
Astronautics  Problems 
Crew  Module  Static M  ass  (kg) 
Crew M  odule  Dynamic M  ass ( kg) 
Crew S  ize  (astronauts) 
 
Mathematics U  sed 
Linear  Equations 
Basic  Algebra 
 
Science T  opics 
Physics,  Astronautics 
 
Activating  Previous  Learning 
Basic M  athematics 

      Image 3  4: B  oeing  Crew  Module  Cover 

 
Essential Q  uestions 

● What is the relationship between the time it takes to complete a mission and the number 
of a  stronauts? 

● Why i s i t i mportant t o  determine t he m  ass o  f  a  spacecraft? 
● How m  any  astronauts  can  fit i nto a   s  pacecraft? 
● How d  oes t he  duration  of a   m  ission e  ffect t he  number  of c  rew a   s  pacecraft  can c  arry? 
● Who a  re a  re  some  of  the p  ioneers  in s  pacecraft d  esign? 
● Wait.  I h  ave  to  do  science, t echnology, e  ngineering,  and m  ath, a  ll  at t he  same  time? 
 

 

Page  103 o  f   176 

 

S.T.E.M.  For  the  Classroom 
Adventures  in  Outer S  pace 

This l esson  is p  owered b  y  E8  : 
 

1. Engage 
○ Lesson  Objectives 
○ Lesson G  oals 
○ Lesson  Organization 

2. Explore 
○ The B  oeing  Space  Tug S  tudy 
○ The  Crew  Module ( CM) 
○ The  CM M  ass 
○ The C  rew  Size 
○ Additional  Terms  and  Definitions 

3. Explain 
○ Basic S  pacecraft  Systems 
○ The  CM S  tatic  Mass 
○ The C  M D  ynamic M  ass 

4. Elaborate 
○ Other  Crew M  odule E  xamples 

5. Exercise 
○ CM  Mass  and  Crew  Size  Parameters 
○ CM  Mass  and  Crew  Size  Scenario 

6. Engineer 
○ The E  ngineering D  esign  Process 
○ SMDA S  pacecraft  CM  Mass a  nd  Crew S  ize P  lan 
○ Designing  a  Prototype 
○ SMDA  Software 

7. Express 
○ Displaying  the  SMDA 
○ Progress  Report 

8. Evaluate 
○ Post  Engineering A  ssessment 

 
:: 
 
Lesson  Overview 
Students  first  learn  the  basics  of  crew  module  design  using  pencil,  paper,  and  scientific 
calculator. 
 

 

Page  104  of  1  76 

 

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

Students  then  use  what  they  have learned to create a space mission app  designed according to 

the  Engineering  Design  Process,  that  will  be  used  for  real­world  spacecraft.  They  will  use 

spreadsheet  software  to c  reate  the  app. 

 

The  spreadsheet  will  be  developed over the course of four S.T.E.M. projects, with each project 

dealing w  ith  different a  spects o  f s  pace m  ission d  esign. 

 

The assigned space mission will include four space vehicles or satellites that that are named after 

famous  astronauts.  Students  will  research  and  write  a  very  short  biography  (one  slide)  about 

these h  eroic  individuals,  one  for  each  of t he  4 p  rojects. 

 

Constants 

● none 

 

Input 

● Mission  Duration  (Days) 

● Spacecraft  Systems M  ass ( lbs) 

 

Output 

● Spacecraft C  rew  Systems M  ass  (kg) 

● Spacecraft  EC/LSS  Mass ( kg) 

● Spacecraft  Expendables M  ass ( kg) 

● Spacecraft C  ontingency  Mass ( kg) 

● Spacecraft  Static M  ass  (kg) 

● Spacecraft D  ynamic  Mass ( kg) 

● Spacecraft  Total M  ass ( kg) 

● Crew S  ize  (astronauts) 

 

:: 

 

6.02  Vocabulary 

 

CM C  ommunications CM C  ontingency CM C  ontrols 

CM  Crew S  ystems CM  Dynamic  Mass CM E  C/LSS 

CM E  lectrical  Power CM E  xpendables CM  Instrumentation 

CM  Misc.  Equipment CM  Static  Mass CM  Structure 

CM  Mass Crew  Capsule Crew M  odule  (CM) 

Crew  Size 

 

 

Page 1  05 o  f   176 

 

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

 

Image  35:  Boeing’s C  ST–100 S  tarliner C  rew C  apsule  Docking t o  the I SS 

 

6.03 A  nalysis 

 
The b  est t hing f or  the s  tudents  to  construct f or  the E  ngineering  part  of  S.T.E.M. i s a  n  actual 
spaceship. O  bviously, s  tudents c  annot  build  a  real s  paceship  ­  not b  ecause t hey d  on't  have  the 
smarts t o  do  it, b  ut b  ecause  they  don't h  ave t he  funding  to d  o  it! H  owever, w  e c  an  do t he n  ext 
best  thing: s  imulate  a  space  mission u  sing  a r eal  spacecraft  design  using r eal s  pacecraft  numbers. 
 
And  the B  oeing S  pace  Tug  Study w  ritten i n 1  971  is  that v  ery s  pacecraft! T  he  diameter o  f t he 
vehicle w  as j ust u  nder 1  5 f t. a  nd  would  have f it p  erfectly  in t he S  pace S  huttle, w  hich  is  what  it 
was  designed t o d  o. T  he s  tudy  was f unded, b  ut, a  las, t he s  pacecraft i tself w  as n  ot. H  ence, i t w  as 
never  built.  But  we c  an t ake t heir  misfortune  (and  ours, a  s  a s  ociety) a  nd m  ake s  omething  good 
out o  f i t:  we  get t o  design  real s  pace  missions  using a    real s  paceship! 
 
This  Space  Tug  was  envisioned  to  have  a  Crew  Module  and an Engine Module, similar to the 
Apollo  Command/Service  Module (  CSM). 
 
We  will  extract  information  from  the Boeing Study, and use it to create an equation that yields 
the  CM m  ass,  then t he  number o  f  astronauts t hat c  an b  e  safely c  arried  on a    space  mission. 
 

 

Page  106  of  1  76 

 

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

This  chapter  will  use  the  piloted  section,  or  Crew  Module  (CM)  of  the  system,  which  is 
displayed  below (note the similarity with Boeing's current CST–100 design). Spacecraft system 
weight  information  is  given  in  the  upper  right  corner  of  the  image  below and described at the 
bottom p  art o  f t he i mage. 
 

Image 3  6:  Boeing  Space T  ug  Study C  rew M  odule  (CM)  circa  1971 

 

We c  an s  ee f rom t he d  ata i n  the  image  above t hat 

 

● 15 C  rew  =    2  Day M  ission 

●   3    Crew =   5  0  Day  Mission 

 

Note  that  we m  ake t he  Mission  Duration  (MD) t he i ndependent  variable  in t he  linear e  quation. 

 

If  we  make the first number x   and the second number y  ,  we get two points, namely (2, 15) and 

(50,  3).  We  can  use  the  formula  for  slope  and  the  y­intercept  to  write  the  linear  equation  in 

slope­intercept  (y=mx+b) f  orm. 

 

m  =   y2 − y1   =   3 − 15   =   − 12   =   − 0.25  
x2 − x1 50 − 2 48

and 

 

Page  107 o  f   176 

 

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

b  =  y1  −  mx1  =  15  −  (− 0.25)(2)  =  15  +  0.5  =  15.5  
 

Therefore,  y =    mx  + b   b  ecomes 

 

CM CREW   =  mM D  +  b  
and 

CM CREW   =   − 0.25M D  +  15.5  
 

(Note: This calculation must be rounded down to the nearest crew. It is impolite to have a partial 

crew  member o  n a    spaceflight) 

 

The  CM  habitable  Volume­to­Crew  ratio  is  simply  the  total  volume  of  the  CM divided by the 

Crew  Size. 

 

CMV OLUME   =   1260  

CM CRE W

 

The  other  spacecraft  component's  linear  equations  can  be  found  in  the  same  manner.  For 

example, 

  

●    2 D  ay M  ission =    2,497  lbs  Structure 

● 50 D  ay  Mission  = 2  ,497  lbs  Structure 

 

The  points  (2,  2497)  and  (50,  2497)  yields  a  horizontal  line,  which  means  that  this spacecraft 

component  remains  the  same  (i.e.,  constant)  weight  regardless  of t he  MD. 

 

Therefore, 

 

CM STRUCTURE   =  2497  
 

Crew  Systems  yields  (2,  3689)  and  (50,  1705),  and  so  forth,  until  the  entire  list  has  been 

converted. 

 

The Static Weight is the sum of all the spacecraft components that are constant, and the Dynamic 

Weight is the sum of all the spacecraft components that change when the MD changes. The total 

Weight  of  the C  M i s  the s  um  of t he  two  weights. 

 

M assSTATIC  = CM STRU CTU RE   +  CM ELECTRIC  +  CM COM M   +  CM INSTR  +  CM CONTROL  +  CM M ISC  

 

 

Page 1  08 o  f  1  76 

 

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

M assDY NAMIC  =  CM SY STEMS   +  CM EC/LSS   +  CM EXP   +  CM CONTROL  
 

M assCM   =  M assSTATIC  +  M assDY NAMIC  
 

The weight needs to be converted to S.I. units; however, it is probably easier to keep the weight 

in p  ounds u  ntil  the  end,  and t hen c  onvert  the u  nits. 

 

M assCrewModule  = M ass CM  
2.2

 

Example 

A  wayward satellite requires repairs and to have some electronic parts replaced. The satellite is 

in  a  stable  orbit and a repair vehicle is ready to go to the satellite. The same orbital parameters 

used in the previous chapter will be used here and it is estimated that the crew will need a total of 

10  days to conduct all the necessary repairs and complete their mission. What is the size of the 

crew n  eeded f or t his  space  mission a  nd  what  is  the m  ass o  f  the  Crew  Module? 

 

The n  umber  of a  stronauts  needed i s 

 

CM CREW   =   − 0.25M D  +  15.5  
      =   − 0.25(10)  +  15.5  

      =   − 2.5  +  15.5  

      =  13 Astronauts  

 

Therefore,  the  Crew V  olume R  atio i s  

 

CMV OLUME   =   1260  

CM CRE W

                       = 1260  
13
           =  96.92 f t3/Astronaut  

 

That  is, t here  is  almost  100 c  ubic f eet  of s  pace f or e  ach  astronaut i nside  the C  rew M  odule. 

 

The  Static  Mass  of  the  CM i s  constant,  and  so 

 

CM STATIC  = CM STRU CTU RE   +  CM ELECTRIC  +  CM COM M   +  CM INSTR  +  CM CONTROL  +  CM M ISC  

     = 2497  +  130  +  327  +  188  +  60  +  80  

     = 3, 282 lbs  

     =  1, 489 kg  

 

 

Page 1  09 o  f  1  76 

 

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

The D  ynamic  Mass o  f t he  CM  is f ound  by p  lugging i n 1  0 f or M  D i n t he  following  equations 
 

CM SY STEMS   =   − 41.33M D  +  3772  
           =   − 41.33(10)  +  3772  
           =  3, 358 lbs  

 
CM EC/LSS   =  27.81M D  +  1211  
        =  27.81(10)  +  1211  
                    =  1, 490 lbs  

 
CM EXP   =  20.50M D  +  254  
                =  20.50(10)  +  254  
                =  459 lbs  

 
CM CONTINGENCY   =  0.71M D  +  852  
                   =  0.71(10)  +  852  
                   =  859 lbs  

 
and 
 

M assDY NAMIC  =  CM SY STEMS   +  CM EC/LSS   +  CM EXP   +  CM CONTINGENCY  
                          =  3358  +  1490  +  459  +  859  

              =  6, 166 lbs  
              =  2, 797 kg  
 
The  total  mass  of  the C  rew M  odule  thus  becomes 
 
M assCM   =  M assSTATIC  +  M assDY NAMIC  
     =  3282  +  6166  
     =  9, 448 lbs  
     =  4, 285 kg  
 
:: 
 

6.04 G  uided  Practice 

 
You a  re  an s  pacecraft  Captain  responsible  to t ransport  passengers t o a  nother s  pace  station.  Use 
the B  oeing C  rew M  odule  Equation t o d  etermine t he  parameters o  f y  our s  paceflight. 

 

Page 1  10  of   176 

 

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

Mission  Scenario  #1 
Mission  Duration:  10 d  ays 
Spacecraft S  ystems  Mass: 3  ,500 l bs 
 
Spacecraft  Crew  Systems  Mass =    __________  kg 
 
Spacecraft E  C/LSS M  ass =   _  _________  kg 
 
Spacecraft E  xpendables M  ass  = _  _________  kg 
 
Spacecraft  Contingency M  ass =    __________ k  g 
 
Spacecraft  Static  Mass =    __________ k  g 
 
Spacecraft D  ynamic M  ass  =  __________ k  g 
 
Spacecraft T  otal  Mass  = _  _________ k  g 
 
Crew  Size =   _  _________  astronauts 
 
Mission S  cenario #  2 
Mission D  uration: 8    days 
Spacecraft S  ystems M  ass:  1,000  lbs 
 
Spacecraft  Crew  Systems  Mass =   _  _________  kg 
 
Spacecraft E  C/LSS  Mass =    __________ k  g 
 
Spacecraft  Expendables  Mass =   _  _________ k  g 
 
Spacecraft C  ontingency M  ass  =  __________  kg 
 
Spacecraft  Static  Mass  = _  _________ k  g 
 
Spacecraft  Dynamic M  ass =    __________ k  g 
 
Spacecraft  Total  Mass  =  __________  kg 
 
Crew S  ize  = _  _________  astronauts 

 

Page  111  of   176 

 

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

6.05 C  ross C  urricular E  xercises 

 
ARTWORK 
Find  images  of  a  crew  capsule  such  as  the  Boeing  CST–100  or  the  SpaceX  Dragon  on  the 
Internet. Use the images that you have researched to draw a picture of the spaceplane rocketing 
into  orbit. 
 
R.A.F.T.  WRITING 

● Ro  le: T  eacher 
● Au  dience:  Middle S  chool s  tudents 
● Fo  rmat:  Five  paragraph  essay 
● T opic:  The  Apollo  Crew  Module  (CM).  Did  any  astronaut  ever  fly  in  the  CM  alone? 

Which CMs never traveled to the Moon? What was unique about the missions? What was 
in common with all the missions? How does an Apollo CM differ from the CM presented 
in  this  textbook?  How  are  they  the  same?  Why  even  bother  to  build  a  Crew  Module 
anyway? 
 
DISCUSSION  TOPICS 
● Was  the m  athematics  in  this c  hapter  difficult t o  understand? 
 
● The a  uthors  conclude  that t he  Space  Tug  could b  e b  uilt t oday.  Do  you a  gree  with  the 
authors?  Why  or W  hy  not? 
 
● What w  ould i t  be l ike t o  fly  aboard a    Crew M  odule  headed  to a  nother l ocation i n  space? 
Would  you f ly o  n  the  Boeing C  rew  Module?  Why  or  why n  ot? 
 

6.06  Crew M  odule  Space  Mission  Design  Website 

 
We  now  proceed  to  create  the  suborbital w  ebsite  that  includes t he e  ngineering l ogs a  nd t he  app 
embedded i n a   w  ebpage. 
 
 
 
INSERT  TEXT  HERE 
 
 
:: 
 

 

Page 1  12  of   176 

 

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

6.07 C  rew  Module  Space  Mission  Design  Spreadsheet  App 

 
Given  the  above  information,  we  can  use  a  spreadsheet  to  enter equations and data to create a 
Space  Mission  Design A  pp  (SMDA). 
 
The S  .T.E.M.  for  the  Classroom/Google  App  is  broken d  own i nto f our ( 4) p  arts: 
 

1. Input/Output  Interface 
2. Graph 
3. Constants 
4. Calculations 
 
The A  pp c  an n  ow b  e  developed. 
 
Sample  Open S  ource C  ode 
Once  the c  ells  have b  een n  amed r eferencing  cells  is e  asy. 
 
● CALCULATIONS 

○ TotBA 
 
 
­  INSERT  CODE  HERE  ­ 
 
 
 
 
­  INSERT C  ODE  HERE  ­ 
 
 
 
 
 
 
 
 
­  INSERT  CODE  HERE ­   
 
 
 

 

Page  113  of  1  76 

 

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

 
 
 
 
­  INSERT  CODE H  ERE  ­ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
­ I NSERT  CODE H  ERE  ­ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
­  INSERT  CODE H  ERE ­  
 
 
 
:: 
 
  

 

Page  114  of   176 

Sample A  pp I  nterface   

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

 

 

Image  37:  Crew M  odule S  pace M  ission  Design S  preadsheet A  pp 

 
:: 
 

6.08  Crew  Module S  pace  Mission D  esign  Mobile  App 

 
Sample  AppSheet  Mobile A  pp  Design O  pen  Source  Code 
Once t he G  oogle  Spreadsheet h  as  been  completed,  it c  an  be  used  to h  elp c  reate  the  mobile  app. 

 

Page 1  15  of   176 

 

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

 
 

­  INSERT  CODE  HERE ­   

 
 

 
 
 
 
 
­ I NSERT C  ODE H  ERE ­  
 
 

 
 

Sample A  ppSheet  Mobile A  pp  Design 

 

Image  38:  Crew  Module  Space  Mission  Design  Mobile  App   

 

Page  116  of   176 

 

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

 

6.09 C  rew M  odule  Space M  ission  Design P  resentation  Development 

 
INSERT  TEXT  HERE 
 
 
 
 
 
 
INSERT T  EXT  HERE 
 
 
 
 
:: 
  

 

Page  117 o  f   176 

 

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

6.10 C  hapter  Test 

 

I.  VOCABULARY 
Match  the a  stronautics t erm w  ith  its  definition. 

 

 1  .  CM  EC/LSS  A.   The  number  of  astronauts  aboard  a  spacecraft  or 
space  station. 

 2  .  CM  Static W  eight  B.  A  spacecraft,  such  as  the  Boeing  CST­100,  that  is 
used t o  ferry  crew  to a  nd f rom a    space  station. 

  3. C  M  Structure  C.  The C  M s  hell,  insulation, r adiators,  etc. 

  4. C  rew  Capsule  D.   The  mass  of the CM components that does not vary 
with t he  Mission D  uration. 

  5.  Crew S  ize  E.  The  CM  Environmental  Control/Life  Support 
Systems.  Cabin  pressure, a  tmosphere,  water,  etc. 

 

II. M  ULTIPLE  CHOICE 

Circle  the  correct  answer. 

 

  6.  The  Dynamic  Mass  of  a  spacecraft  Crew  Module  changes  depending  upon the number of 

days  needed f or  astronauts t o p  erform  a s  pace  mission.  

  B. F  ALSE 

A.  TRUE

 

  7  . T  he  size o  f t hat c  rew  that a   m  ission  can c  arry  is d  etermined  by  the S  tatic  Mass  of t he  CM. 

  B. F  ALSE 

A.  TRUE

 

   8.  What  is  the m  aximum  number  of a  stronauts  that  can  fit i nto t he B  oeing S  pace T  ug C  M? 

 

A. 3  B.  10 C. 1  5 D.  Cannot b  e  determined 

 

  9.  The  mass  of  the  Electrical  Power  component  of  the  CM  will  __________  as  the  mission 

duration  increases. 

 

A. I ncrease B. D  ecrease C.  Stay  the S  ame D.  Cannot  be d  etermined 

 

10.  The  mass  of  the  EC/LSS  component  of  the  Crew  Module will __________ as the mission 

duration  increases. 

 

A.  Increase B. D  ecrease C. S  tay t he  Same D. C  annot  be  determined 

 

Page  118  of   176 

 

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

III. C  ALCULATIONS 

A wayward satellite is need of repairs and to have some electronic parts replaced. The satellite is 

in  a  stable orbit, and a repair vehicle is ready to go to the satellite. It is estimated that the crew 

will  need  a t otal  of n  ine d  ays  to  conduct a  ll t he n  ecessary  repairs  and  complete  their m  ission. 

 

11.  What i s  number o  f  Astronauts  needed? 

 

12. W  hat i s  the h  abitable v  olume f or  one  astronaut? 

 

13. W  hat  is  the m  ass o  f t he C  rew  Systems  component? 

 

14 . W  hat i s  the m  ass o  f t he E  C/LSS c  omponent? 

 

15.  What i s t he m  ass o  f  the E  xpendables c  omponent?  

 

16. W  hat i s  the m  ass o  f t he C  ontingency c  omponent? 

 

17.  What i s  Dynamic M  ass o  f t he  CM? 

 

18.  What i s  Static  Mass  of  the  CM? 

 

19.  What  is t he T  otal M  ass  of  the  CM? 

 

20.  What  is  the  Total M  ass  of t he  CM i n  kilograms? 

 

IV. W  RITING 

Write a   o  ne  paragraph  essay  on t he  topics  below. 

 

21.  Explain w  hy  the w  eight o  f  some  Crew M  odule  components, s  uch a  s  Instrumentation  and 

Control, d  o n  ot d  epend  on t he  duration  of  the  space m  ission. 

 

22.  Explain w  hy  the  weight  of  some C  rew  Module  components,  such  as  Environmental  Control 

and L  ife S  upport,  depend  on t he d  uration  of t he  space  mission.  

 

23.  Explain  why  taking m  ore a  stronauts  than  what  was c  alculated f or  the  Crew S  ize d  ecreases 

the  Mission D  uration  for t he  space m  ission. 

 

24. E  xplain  why  taking l ess  astronauts  than w  hat  was  calculated f or  the  Crew S  ize i ncreases  the 

Mission  Duration  for  the  space m  ission.  

 

25. Write a short story about what it would feel like to float weightlessly inside a Crew Capsule 

as i t  orbits  the E  arth. 

 

END  OF  CHAPTER 6   E  XAM   

 

Page 1  19  of  1  76 

 

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

 

Chapter  7: T  he R  ocket E  quation 

 
7.01  Narrative   9  9 

 
7.02 V  ocabulary    99 

 
7.03  Analysis    99 
 
7.04  Guided  Practice   9  9 
 
7.05 C  ross  Curricula A  ctivities    99 
 
7.06 O  rbital  Mission  Design  Website D  evelopment    99 
 
7.07 O  rbital M  ission D  esign  Spreadsheet  App  Development   9  9 

 
7.08  Orbital M  ission  Design  Mobile  App D  evelopment   9  9 
 
7.09 O  rbital M  ission  Design  Presentation  Development   9  9 

 
7.10 C  hapter T  est    99 

 
 

 

  

 

Page  120 o  f   176 

 

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

The  Rocket E  quation 

 

7.01  Narrative 

 

In  this,  the  third  of  a  four­part 
interconnected astronautics­based S.T.E.M. 
project,  students  will calculate the mass of 
the rocket propellant (both the fuel and the 
oxidizer)  needed  to  conduct  an  orbital 
space m  ission. 
 
Time F  rame 
4.5  weeks 
 
Astronautics P  roblems 
Rocket  Exhaust  Velocity 
Rocket  Empty M  ass 
Rocket P  ropellant  Mass 
 
Mathematics  Used 
Exponential  Equations 
Basic A  lgebra 
 
Science  Topics 
Physics, A  stronautics 
 
Activating P  revious L  earning 
Basic  Algebra 

   I  mage  39:  Boeing  Engine M  odule P  ulp 

 
Essential  Questions 

● What  is  the S  pecific  Impulse  of  rocket e  ngine? 
● Why i s i t i mportant t o d  etermine t he e  xhaust v  elocity  of  a  rocket e  ngine? 
● How  does  the m  ass r atio o  f a    rocket  effect  its f inal v  elocity? 
● Who  are  some o  f t he p  ioneers i n r ocket  engine  design? 
● Wait.  I  have  to  do s  cience, t echnology,  engineering,  and m  ath, a  ll  at t he  same t ime? 
 
:: 
 

 

Page 1  21 o  f  1  76 

 

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

This  lesson  is  powered b  y E  8 :   
 

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

2. Explore 
○ The  Boeing  Space T  ug S  tudy 
○ The E  ngine  Module ( EM) 
○ The E  M  Propellant 
■ EM  Fuel  (LH2 )   
■ EM  Oxidizer ( LO2 )   
○ Additional  Terms a  nd D  efinitions 

3. Explain 
○ Basic  Spacecraft  Systems 
○ The E  M  Specific  Impulse 

4. Elaborate 
○ Other  Engine  Module  Examples 

5. Exercise 
○ EM L  H2    and L  O2    Parameters 
○ EM  LH2     and  LO2    S  cenario 

6. Engineer 
○ The E  ngineering D  esign  Process 
○ SMDA S  pacecraft  EM P  ropellant P  lan 
○ Designing  a P  rototype 
○ SMDA S  oftware 

7. Express 
○ Displaying t he S  MDA 
○ Progress  Report 

8. Evaluate 
○ Post E  ngineering  Assessment 

 
:: 
 
Lesson O  verview 
Students  first  learn  the  basics  of  engine  module  design  using  pencil,  paper,  and  scientific 
calculator. 

 

Page  122  of   176 

 

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

Students then use what they have learned to create a space mission app designed according to the 

Engineering  Design  Process,  that  will  be  used  for  real­world  spacecraft.  They  will  use 

spreadsheet  software t o c  reate  the a  pp. 

 

The  spreadsheet  will  be  developed over the course of four S.T.E.M. projects, with each project 

dealing  with d  ifferent  aspects o  f s  pace m  ission d  esign. 

 

The  assigned  space  mission  will  include  four  space  vehicles  or  satellites  that  are  named  after 

famous  astronauts.  Students  will  research  and  write  a  very  short  biography  (one  slide)  about 

these  heroic  individuals, o  ne f or e  ach  of t he 4    projects. 

 

Constants 

● Standard  Gravity ( m/s2 )   

● RL10 R  ocket  Engine I sp ( sec) 

 

Input 

● Rocket I nert  Mass ( lbs) 

● Propellant  Mixture R  atio 

 

Output 

● Rocket E  xhaust  Velocity ( kps) 

● Rocket  Empty  Mass ( kg) 

● Rocket G  ross M  ass  (kg) 

● Total A  mount o  f P  ropellant  (kg) 

● Total  Amount o  f L  H2  (kg) 

● Total A  mount o  f  LO2  (kg) 

 

:: 

 

7.02  Vocabulary 

 

EM E  mpty M  ass  (m1 )  EM  Gross M  ass  (m 0)  EM  Inert M  ass 
Engine M  odule ( EM) Exhaust V  elocity ( V EXH) 
Nozzle–Extended Liquid H  ydrogen  (LH2  ) 
Liquid  Oxygen  (LO2  ) Nozzle–Retracted 
Propellant Propellant R  atio
Propellant M  ass 

Propellant R  eserve RL10  Rocket  Engine Specific  Impulse (  IS  P ) 
 

 

Page 1  23 o  f   176 

 

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

 

Image 4  0:  The  Boeing C  ST­100 s  howing o  ff  its  Engine M  odule 

 
7.3 A  nalysis 
We  will  be  using  data  from  a s  pacecraft  design t hat w  as  completed b  ut  never  constructed.  The 
Boeing S  pace  Tug  study  was f inished i n 1  971.  It c  alled  for  a p  iloted r ocket s  ystem t hat w  ould 
operate i n L  ow E  arth O  rbit ( LEO). A  n  un­piloted  version  of t he r ocket  system w  ould h  ave 
carried  satellites a  nd  other  sensors  to h  igher  earth  orbits. 
 
:: 
 
This  project  will  use t he  un­piloted s  ection, o  r  Engine  Module  (EM)  of t he s  ystem,  which i s 
displayed  below. 
 

 

Page 1  24 o  f   176 

 

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

 

Image 4  1:  Boeing S  pace  Tug  Study E  ngine M  odule  (EM)  circa  1971 

 

Electrical  power w  as  to b  e d  erived f rom b  atteries,  and t he R  eaction  Control  Systems ( RCS) u  sed 

gaseous  hydrogen a  nd o  xygen,  instead o  f  an  hypergolic  propellant. 

 

Combining t he E  ngine M  odule w  ith t he C  rew  Module f rom C  hapter  Six,  this i s  what t he 

spacecraft  looks l ike: 

 

This  is a  lso  the  spacecraft  that w  ould h  ave  flown  as d  esigned i n  1971.  Notice t he s  imilarity w  ith 

the A  pollo C  SM  spacecraft.  Just l ike  the f ormer,  this  spaceship h  as a   c  rew s  ection  and  a  rocket 

engine  section. 

 

This  chapter w  ill a  llow  this  great d  esign t o f inally  fly  in s  pace! 

 

:: 

 

We w  ill b  e  using  the R  ocket E  quation  to c  alculate t he  propellant n  eeded t o  go  from o  ne o  rbit  to 

another. 

  ( )Δv  =  vEXH ln

m0  
m1

 

 

Page 1  25  of  1  76 

 

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

where 

● Δv  =  Change  in o  rbital v  elocity 

● v EXH  =   E  xhaust V  elocity o  f t he r ocket  engine 
● m0    =  Gross M  ass  of t he r ocket 
● m1     =  Empty M  ass o  f t he r ocket,  including  propellant r eserve 
 

The r ocket E  xhaust  Velocity  (VE  XH )  is  found  by  multiplying t he  Rocket  Engine S  pecific  Impulse 
(Isp)  by  the S  tandard G  ravity ( g0 )  . 
 

vEXH   =  ISP   ·  g0  
 

The P  ayload  Mass i s  the m  ass  of t he c  argo p  lus t he m  ass o  f  the  Crew  Module  (see  Chapter S  ix). 

 

EM P AY LOAD  =  W eightCARGO  +  W eightCrewModule  
 

The  Empty  Mass ( m1 )    of t he r ocket i ncludes  the  Inert M  ass a  nd t he  Payload  Mass. 
 

m1  =  EM INERT   +  EM RESERV E   +  EM P AY LOAD  
 

The S  pace  Tug  diagram  shows t hat  the  Inert M  ass i s 5  ,610  lbs, w  hich  equals  to  2,545  kg. 

 

So, 

 

m1  =  2, 545  +  EM P AY LOAD  
 

The  Gross  Mass ( m 0 )  of  the  rocket i s t he  weight o  f t he p  ropellant p  lus m  1  .  Referencing t he 
diagram,  the m  ass  of  the t he  propellant  is 3  9,800  lbs  which  equals 1  8,053  kg.  However,  some 

missions w  ill n  ot r equire  less  than t he c  apacity o  f t he s  pacecraft, s  o t he  mass o  f  the  propellant 

will v  ary f rom  mission t o  mission. 

 

m0  =  m1  +  EM P ROP ELLANT  
 

Solving t he r ocket e  quation  for p  ropellant, t he a  mount  of  fuel a  nd  oxidizer n  eeded  for  any s  pace 

mission  can b  e c  alculated. 

  ( )Δv  =  vEXH ln

m0  
m1

 

 

Page 1  26  of  1  76 

 

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

( )Δv  =  ln m0  
m1
vEXH

  ( )  =  ln  Δv

vEXH
m1 + EMP ROP ELLANT
m1

  ( )Δv

vEXH
  =  ln 1  +   EMP ROP ELLANT  

m1

 

1  +    EMP ROP ELLANT =  e ΔV  
V EXH
m1

 

  EMP ROP ELLANT   =  e ΔV   −  1  
V EXH
m1

  ( )EM P ROP ELLANT   =  m1

eV ΔV   −  1  
EXH

 

ExcessP ROP ELLANT   =  P ropellant  −  EM P ROP ELLANT  
 

Finally,  the E  M p  ropellant   breakdown i s t he  weight o  f  the  Liquid H  ydrogen ( LH2  )  fuel  and  the 
Liquid O  xygen ( LO2  ) o  xidizer. 
 

LH 2   =   EMP ROP ELLANT  

M ixureRatio + 1

 

LO2  =  LH2  ·  M ixureRatio  
 

The e  xcess p  ropellant i s t he  capacity o  f t he  rocket m  inus w  hat w  e a  ctually  carry. 

 

:: 

 

Example 

You are the Mission Commander of a spacecraft that is tasked to repair a satellite in Low Earth 

Orbit. Your vehicle is a Boeing Space Tug outfitted with a Crew Module (CM) that weighs in at 

4,345  kg, a  nd a   r epair  kit  that w  eighs  4,761 k  g. T  he Δ  v B  udget +    Reserve i s 4  ,133 m  ps. 

 

Calculate the amount of propellant needed, the propellant, the propellant breakdown, the excess 

propellant,  and  the G  ross  Weight  of y  our  spacecraft. 

 

vEXH   =  ISP   ·  g0  
           =  (460)(9.80665) =  4, 511 mps  

 

Page 1  27 o  f   176 

 

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

EM P AY LOAD  =  M assCARGO  +  CM  
             =  4761  +  4345  

             =  9, 106 kg  

 

m1  =  2545  +  EM P AY LOAD  
                    = 2545  +  9106  

                    = 11, 650 kg  

  ( )EM P ROP ELLANT   =  m1

eV ΔV   −  1  
EXH

                             = (11650)(e 4133   −  1)  
4511

                             =  17, 475 kg  

 

The  excess p  ropellant b  ecomes: 

 

ExcessP ROP ELLANT   =  P ropellant  −  EM P ROP ELLANT  
          =  18053  −  17475  

          =  578 kg  

 

The  propellant  breakdown i s: 

 

LH 2   =   EMP ROP ELLANT  

M ixureRatio + 1

          =   17457  
6.85

          =  2, 551 kg  

 

LO2  =  LH2  ·  M ixureRatio  
          =  2485  ·  5.85  

          =  14, 924 kg  

 

Finally, t he  Gross W  eight  of t he  spacecraft i s, 

 

m0  =  m1  +  EM P ROP ELLANT  
        =  11, 650  +  17, 475  

        = 29, 126  kg  

 

 

 

 

 

Page  128 o  f   176 

 

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

7.04 G  uided  Practice 

 
You  are  an s  pacecraft  Captain r esponsible  to  transport p  assengers t o  another  space  station. U  se 
the  Boeing  Engine M  odule  Equation t o d  etermine  the p  arameters  of  your  spaceflight. 
 
Mission S  cenario #  1 
 
Rocket  Inert  Mass:  8,000  lbs 
Propellant  Mixture  Ratio:  5.85:1 
 
Rocket  Exhaust  Velocity =   _  _________ k  ps 
 
Rocket E  mpty M  ass  = _  _________ k  g 
 
Rocket G  ross M  ass =   _  _________  kg 
 
Total A  mount o  f  Propellant =    __________ k  g 
 
Total  Amount  of L  H 2   = _  _________ k  g 
 
Total  Amount o  f  LO 2  =   _  _________  kg 
 
 
Mission S  cenario  #2 
 
Rocket  Inert  Mass: 7  ,500 l bs 
Propellant M  ixture  Ratio: 5  .50:1 
 
Rocket  Exhaust  Velocity  =  __________ k  ps 
 
Rocket E  mpty M  ass =   _  _________  kg 
 
Rocket G  ross M  ass =   _  _________  kg 
 
Total  Amount  of P  ropellant =    __________ k  g 
 
Total  Amount o  f L  H 2   =    __________ k  g 
 
Total  Amount  of  LO2   =    __________  kg 

 

Page 1  29 o  f  1  76 

 

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

7.05  Cross  Curricular E  xercises 

 
ARTWORK 
Find images of a crew capsule with an Engine Module attached such as the Boeing CST–100 or 
the SpaceX Dragon on the Internet. Use the images that you have researched to draw a picture of 
the s  paceplane  rocketing i nto  orbit. 
 
R.A.F.T.  WRITING 

● Ro  le: T  eacher 
● Au  dience: M  iddle S  chool  students 
● Fo  rmat: F  ive  paragraph e  ssay 
● T opic: The Apollo Service Module (SM). What Launch Vehicles were used? Which SM 

traveled to the Moon? What was unique about the missions? What was in common with 
all the missions? How does an Apollo SM differ from the EM presented in this textbook? 
How a  re  they t he  same? W  hy e  ven b  other  to b  uild  a  Service M  odule  anyway? 
 
DISCUSSION  TOPICS 
● Was  the m  athematics  in  this  chapter d  ifficult  to u  nderstand? 
 
● The  authors c  onclude  that  the S  pace  Tug c  ould  be  built t oday. D  o y  ou a  gree  with t he 
authors?  Why o  r W  hy n  ot? 
 
● What  would  it b  e l ike t o  fly a  board a   r ocket h  eaded  to a  nother l ocation  in s  pace? W  ould 
you  fly  on  the  Boeing  Engine M  odule? W  hy o  r w  hy  not? 
 

7.06 E  ngine  Module S  pace  Mission D  esign W  ebsite 

 
We  now  proceed  to  create t he s  uborbital  website  that i ncludes t he e  ngineering l ogs a  nd  the  app 
embedded i n a   w  ebpage. 
 
 
 
INSERT T  EXT  HERE 
 
 
 
:: 
 

 

Page  130 o  f   176 

 

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

7.07 E  ngine M  odule  Space  Mission D  esign  Spreadsheet A  pp 

 
Given  the  above  information,  we  can  use  a  spreadsheet  to  enter equations and data to create a 
Space  Mission D  esign  App ( SMDA). 
 
The  S.T.E.M. f or  the  Classroom/Google  App  is b  roken d  own i nto  four  (4)  parts: 
 

1. Input/Output I nterface 
2. Graph 
3. Constants 
4. Calculations 
 
The  App c  an  now b  e  developed. 
 
Sample O  pen  Source  Code 
Once t he  cells  have  been  named  referencing  cells  is  easy. 
 
● CALCULATIONS 

○ TotBA 
 
 
 
­ I  NSERT  CODE  HERE ­   
 
 
 
 
 
 
 
­ I NSERT C  ODE H  ERE ­  
 
 
 
 
 
 
::   

 

Page 1  31 o  f   176 

 

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

Sample  App  Interface 
 

 

Image  42:  Space M  ission  Design S  preadsheet  App 

 

7.08 E  ngine M  odule S  pace M  ission  Design M  obile A  pp 

 
Sample A  ppSheet  Mobile A  pp  Design O  pen S  ource  Code 
Once t he G  oogle S  preadsheet  has  been  completed,  it c  an  be  used  to h  elp c  reate t he  mobile  app. 

 
 

­  INSERT C  ODE H  ERE ­  

 

Page  132  of   176 

 

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

­ I NSERT C  ODE  HERE  ­ 
 
 

 
 

Sample  AppSheet M  obile A  pp D  esign 

 

 
Image 4  3: E  ngine  Module  Space M  ission  Design  Mobile A  pp 

 

7.09  Engine M  odule S  pace  Mission  Design  Presentation D  evelopment 

 
 
 
INSERT T  EXT  HERE 
 
 
  

 

Page 1  33  of   176 

 

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

7.10 C  hapter T  est 

 

I. V  OCABULARY 
Match t he a  stronautics  term w  ith  its d  efinition. 

 

 1  . E  M I nert W  eight  A.   The  force  with  respect  to  the  amount  of  propellant 
used  per u  nit o  f t ime. 

 2  . L  iquid O  xygen  (LO2  )  B. The weight of the Engine Module without propellant 
and  payload. 

  3.  Nozzle­Retracted  C. The rocket engine nozzle which is pulled back to its 
original s  hape. 

  4. P  ropellant  Ratio  D. W  hat  a  rocket e  ngine u  ses a  s a  n o  xidizer. 
 

 5  .  Specific  Impulse ( IS P )  E.  The rocket engine nozzle which is pulled back to its 
original  shape. 

 

II. M  ULTIPLE C  HOICE 

Circle t he  correct  answer. 

 

   6.  The p  ropellant  of  a  rocket  is t he  rocket  fuel  needed  to m  ake t he  rocket  fly. 

  B.  FALSE 

A. T  RUE

 

  7  .  The m  ore a    rocket  carries,  the m  ore  ΔV t he  rocket  can  generate. 

  B.  FALSE 

A. T  RUE

 

   8.  A  propellant  ratio o  f  5:1  means  that  there i s  five t imes a  s  much  ________ a  s  there i s  fuel. 

 

A. L  H2  B. L  O2  C. P  ropellant D. C  annot b  e d  etermined 

 

  9.  As  the  Specific  Impulse  (IS P )  of  a  rocket  engine _____________, the ΔV capability of the 
rocket  engine i ncreases. 

 

A.  Increases B. D  ecreases C.  Stay t he  the  Same D.  Cannot b  e d  etermined 

 

10. By extending the nozzle of the RL10 rocket engine, the Specific Impulse (IS P)   of the engine 
increase b  y a  pproximately  _________ s  econds. 

 

A.  Two ( 2) B.  Three  (3) C.  Stay  the S  ame D.  Cannot b  e  determined 

 

Page  134  of  1  76 

 

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

III.  CALCULATIONS 

A  Boeing  Space Tug is on a satellite repair mission. The Round­Trip ΔV Budget is 5,216 mps. 

The Specific Impulse is 460s, and the Inert Mass is 5,610 lbs. The payload is a standard 10­Crew 

CM,  which w  eighs 9  ,540  lbs,  and a    standard  satellite  repair k  it,  which w  eighs  12,000  lbs. 

 

11. W  hat i s  the  Exhaust V  elocity ( VE  XH)    of  the  rocket e  ngine? 

 

12. W  hat i s  the C  rew M  odule  (CM) w  eight i n  S.I. u  nits? 

 

13.  What  is t he w  eight o  f t he P  ropellant  Reserve i n  S.I. u  nits? 

 

14.  W  hat  is t he  mission p  ayload  in  S.I.  units? 

 

15.  What i s t he  Empty W  eight ( m1 )   o  f t he r ocket?  

 

16. W  hat  is t he  Gross  Weight ( m0 )    of  the r ocket? 

 

17. W  hat i s t he  amount o  f  propellant n  eeded  for t his  space  mission? 

 

18. W  hat i s t he  amount o  f  LH 2    fuel  needed f or  the s  pace m  ission? 

 

19.  What i s  the  amount o  f L  O 2   o  xidizer  needed f or  the s  pace m  ission? 

 

20. W  hat  is  the a  mount  of p  ropellant  that w  ill  be l eft  over a  t t he  end o  f  the s  pace  mission? 

 

IV. W  RITING 

Write  a  one p  aragraph e  ssay o  n t he t opics b  elow. 

 

21. Explain why one of the most common misconceptions in rocketry is that the propellant of a 

rocket  is n  ot  just t he r ocket f uel o  nly. 

 

22. Explain why the payload weight of space mission is critical to the performance (i.e., the ΔV 

requirements)  of  a  rocket  engine. 

 

23.  Explain  why  the  greater  the  rocket  engine  Specific  Impulse  (IS P)  ,  the  greater  the  rocket 
Exhaust V  elocity. 

 

24.  Explain  why  the greater the rocket Exhaust Velocity, the greater the change in velocity that 

the r ocket e  ngine  can p  erform.  

 

25.  Write  a  short  story  about  what  it  would  be  like  to  feel  the  power  of  a  rocket  engine  as  it 

accelerates  you u  p  to  a  destination  in  space. 

 

END O  F  CHAPTER  7 E  XAM   

 

Page  135  of  1  76 

 

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

Chapter 8  : L  unar L  anding 

 
8.01 N  arrative   9  9 

 
8.02  Vocabulary    99 

 
8.03  Analysis    99 
 
8.04 G  uided P  ractice    99 
 
8.05  Cross  Curricula  Activities    99 
 
8.06 L  unar  Lander  Mission D  esign W  ebsite D  evelopment    99 
 
8.07  Lunar L  ander M  ission  Design  Spreadsheet  App  Development   9  9 

 
8.08  Lunar  Lander  Mission  Design  Mobile A  pp  Development   9  9 
 
8.09 L  unar  Lander  Mission  Design P  resentation D  evelopment   9  9 

 
8.10 C  hapter  Test   9  9 

 
 

 

:: 
  

 

Page  136 o  f   176 

 

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

Lunar  Landing 

 

8.01  Narrative 

 

In  this,  the  fourth  and  final  part  of  a 
four­part  interconnected astronautics­based 
S.T.E.M.  project,  students  will  design  a 
mission  that  will l and  on t he  moon!  
 
Time F  rame 
4.5 w  eeks 
 
Astronautics P  roblems 
Lunar L  ander E  xhaust V  elocity 
Lunar L  ander  Empty M  ass 
Lunar  Lander G  ross  Mass 
Lunar L  ander  Propellant  Mass 
Return  On I  nvestment (  R.O.I.) 
 
Mathematics  Used 
Finance, B  asic A  lgebra 
 
Science  Topics 
Physics, A  stronautics 
 
Activating P  revious L  earning 
Linear E  quations 
Exponential  Equations 

      Image 4  4: B  oeing  Lunar  Lander  Pulp 

 
Essential Q  uestions 

● What i s  the  ΔV r equirement f or a   l anding  on  the l unar s  urface  from  lunar  orbit? 
● What i s t he Δ  V  requirement  for  a  taking o  ff f rom  the l unar s  urface  back  to l unar  orbit? 
● Why  is  it  important  to  have  a R  eturn  On  Investment  (R.O.I.)? 
● How d  oes t he  the  amount  of  lunar  material  available  for s  ale  on t he o  pen  market  effect 

the s  elling p  rice  of  the l unar  material? 
● Who  are  are s  ome  of t he  pioneers  in l unar l anding  design? 
● Wait. I  h  ave t o d  o  science,  technology,  engineering,  and  math,  all a  t  the  same  time? 
 

 

Page 1  37  of  1  76 

 

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

This l esson i s p  owered  by E  8  : 
 

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

2. Explore 
○ The B  oeing  Space  Tug S  tudy 
○ The L  unar L  ander K  it 
■ Landing L  egs 
■ Payload T  ray 
○ Additional T  erms  and  Definitions 

3. Explain 
○ Basic  Spacecraft  Systems 
○ The  Rocket  Nozzle 
■ Extended 
■ Retracted 

4. Elaborate 
○ Other  Lunar L  ander  Examples 

5. Exercise 
○ Lander  Lander P  ayload  and  Payback  Example 
○ Lander  Lander  Payload a  nd P  ayback  Scenario 

6. Engineer 
○ The  Engineering  Design P  rocess 
○ SMDA  Spacecraft  EM P  ropellant  Plan 
○ Designing a   P  rototype 
○ SMDA  Software 

7. Express 
○ Displaying  the  SMDA 
○ Progress  Report 

8. Evaluate 
○ Post  Engineering  Assessment 

 
:: 
 
 
Lesson  Overview 
Students first learn the basics of lunar landing mission design using pencil, paper, and scientific 
calculator.  Students  then  use  what  they  have  learned  to  create  a  space  mission  app  designed 

 

Page  138  of  1  76 

 

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

according  to  the  Engineering  Design  Process,  that  will be used for real­world spacecraft. They 

will u  se s  preadsheet s  oftware t o c  reate  the a  pp. 

 

The  spreadsheet  will  be  developed  over  the  course  of  four  (4)  S.T.E.M.  projects,  with  each 

project d  ealing  with  different a  spects o  f  space m  ission  design. 

 

The assigned space mission will include four (4) space vehicles or satellites that are named after 

famous  astronauts.  Students  will  research  and  write  a  very  short  biography  (one  slide)  about 

these h  eroic i ndividuals,  one f or e  ach o  f t he 4    projects. 

 

Constants 

● Unit  Conversion  (carats/lbs) 

● Lunar  Investment  (USD) 

● PDI  delta V    (kps) 

● PAI d  elta V   ( kps) 

● Lander  Kit M  ass ( lbs) 

● Lunar  Tray  Mass ( lbs) 

 

Input 

● TEI  Orbital A  ltitude ( km) 

● EOI O  rbital A  ltitude ( km) 

● Average  Selling  Price ( USD) 

 

Output 

● Lander  Gross  Mass ( lbs) 

● Propellant  Mass ( lbs) 

● Excess  Propellant  (lbs) 

● LH 2    Mass  (lbs) 
● LO2    Mass ( lbs) 
● Lunar M  aterial  Mass  (lbs) 

● Gross  Income  (USD) 

● Net I ncome  (USD) 

● Return  On I nvestment  (%) 

 

8.2 V  ocabulary 

 

Lunar  Lander K  it Lunar  Investment Lunar  Material 

Lunar  Payload T  ray Powered A  scent  Initiation  (PAI) Powered D  escent I nitiation  (PDI) 

 

Page 1  39 o  f  1  76 

 

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

 

Image 4  5:  The A  pollo 1  6  Lunar M  odule o  n  the  lunar  surface,  1972 

 
8.03 A  nalysis 
We  will  be  using  data  from  a  spacecraft design that was completed but never constructed. The 
Boeing  Space  Tug  study  was  finished  in  1971.  It called for a piloted rocket system that would 
operate  in  Low  Earth  Orbit  (LEO).  An  un­piloted  version  of  the  rocket  system  would  have 
carried s  atellites a  nd  other  sensors  to h  igher  earth  orbits. 
 
A C  M/EM i s  brought u  p t o t he  space s  tation a  nd a    Lunar L  ander K  it i s a  ttached  to i t. 
 
The L  unar  Lander  Kit c  ontains t he  following  items: 

● Landing L  egs K  it 
● Landing R  ADAR  Kit 
● Auxiliary  Power  Supply  Kit 
● RCS B  ooster  Kit 
● Extra I nsulation 
● Extra  Micrometeoroid S  hielding 
 
Total M  ass ( estimated): 8  96 l bs. 
 

 

Page 1  40  of   176 

 

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

In addition, a tray resembling a doughnut is attached around the bottom part of the vehicle below 

the l anding  legs. T  otal W  eight:  1,500 l bs. 

 

:: 

 

We  will  again  be  using the Rocket Equation (Chapter 6), solved for propellant, to calculate the 

rocket f uel a  nd o  xidizer n  eeded t o  go f rom o  ne  orbit t o  another. 

  ( )EM P ROP ELLANT   =  m1

eV ΔV   −  1  
EXH

 

Instead of going from one orbit to another, we will be going from lunar orbit down to the lunar 

surface. 

 

:: 

 

We  will  be  using the Reaction Engines, Ltd., Skylon spacecraft (Chapter 2) to shuttle back and 

forth between Earth and Space Station Alpha (Chapter 3)  in Low Earth Orbit LEO. The Skylons 

are o  perated  out  of  Spaceport A  merica ( Chapter  4)  in N  ew M  exico, U  SA. 

 

The  lander  is  transported  to  the  Moon,  where  it  proceeds  down to the lunar surface. The crew 

fills the Tray with lunar material. After the containers have been filled, the crew lifts off from the 

lunar surface and connects to another transport. The Lander with its lunar material combination 

heads h  ome. 

 

Once the crew returns to Space Station Alpha, a Skylon transports the containers back to Earth. 

A  passenger S  kylon  returns  the t riumphant  lunar c  rew  home. 

 

:: 

 

Example 

A  consortium of astronautics companies have raised $27.14B USD to invest in a space mission 

comprising of a Lunar Lander that is tasked to bring back Lunar Material from the surface of the 

Moon. 

 

You a  re  the  Mission C  ommander. 

 

Your vehicle is a Boeing Space Tug, outfitted with a Lunar Lander Kit and a Payload Tray. The 

Command  Module  (CM)  weighs  in  at  4,345  kg,  and  the  science  mission  payload  is  4,761 kg, 

 

Page 1  41  of   176 

 

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

including  the  Payload  Tray.  The  science  payload  will  be  left  on  the  lunar  surface,  and  the 
equivalent weight in lunar material will be brought back. This material has an estimated value at 
$1,500  USD  per  carat. 
 
Calculate the propellant needed to land on the Moon and lift­off back into lunar orbit, the excess 
propellant,  the  amount  of  Lunar  Material  brought  back,  the  Gross  Weight  of  the  Lander,  the 
Gross  Income  after  all the Lunar Material has been sold, the taxable income from the sale, and 
finally, t he  Return  on I  nvestment. 
 
Using  the  the  equations  from  Chapter  7,  we  see  that  we  need  to  use  the  Rocket  Equation  to 
calculate  the  needed  propellant.  Also,  since  the  rocket  nozzle  needs  to  be retracted in order to 
make  room f or t he l anding, t he  Specific I mpulse o  f t he r ocket d  rops  by  3  seconds. 
 
:: 
 
Assigning l abels  to  the i nputs,  and c  onverting e  verything t o S  .I. u  nits, w  e g  et: 
 

Lunar Investment  =  $24, 000, 000, 000 U SD  
 

P ropellant  =  39, 800 lbs  =  18, 053 kg  
 

CM   =  4, 327 kg  
 

P DI  =  2, 181 mps  
 

P AI  =  1, 890 mps  
 

g0  =  9.80665 m/s2  

 
Science P ayload  =  4, 761 kg  

 
P ayload T ray  =  1, 500 lbs  =  680 kg  

 
Lander Kit  =  896 lbs  =  406 kg  

 

Selling P rice  =  $1, 500/carat  =  $7, 500, 000/kg  

 
 
The o  utput b  ecomes: 

 

Page 1  42 o  f  1  76 


Click to View FlipBook Version