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  the C  lassroom 
Adventures i n  Outer S  pace 

Rocket E  ngine: 

 

Lander ISP   =  (ISP   −  3) s  
         =  460  −  3  

         =  457 s  

 

Landing vEXH   =  Landing ISP   ·  g0  
              =  (457)(9.806650  

              =  4, 482 mps  

 

Landing Δv Budget  =  P DI  +  P AI  

          =  2181  +  1890  

          =  4, 071 mps  

 

Landing Reserve Δv =  0.75%  ·  Landing Δv Budget  

           =  0.0075(4071)  

           =  31 mps  

 

Landing Δv  =  Landing Δv Budget  +  Landing Reserve Δv  

          =  4071  +  31  

          =  4, 102 mps  

 

Lunar M  aterial: 

 

Lunar M aterial  =  Science P ayload  −  P ayload T ray  

                =  4761  −  680  

                =  4, 081 kg  

 

Propellant: 

 

m1  =  2, 545  +  CM   +  Lunar M aterial  +  P ayload T ray  +  Lander Kit  
        =  2545  +  4327  +  4081  +  680  +  406  

        =  12, 057 kg   

 

Landing Δv

LanderP ROP ELLANT   =  m ( e1 Landing vEXH   −  1)  

         = (12057)(e 4102   −  1)  
4482

         =  18, 052 kg  

 

 

Page  143  of   176 

 

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

Excess Landing P ropellant  =  P ropellant  −  LanderP ROP ELLANT  
           =  18053  −  18052  

           =  1 kg  

 

Gross  Mass: 

 

m0  =  m1  +  Landing P ropellant  
        =  12057  +  18052  

        =  30, 108 kg  

 

Financial: 

 

Gross Income  =  Lunar M aterial  ·  Selling P rice  

              =  4081  ·  7500000  

              =  $30, 604, 579, 769 U SD  

 

T axable Income  =  Gross Income  −  Lunar Investment  

                  =  30604579796  −  27140000000  

                  =  $3, 464, 579, 796 U SD  

 

R.O.I .  =  ( T axable I ncome  x 100)%  
Lunar I nvestment

             =   3464579796  x 100  
27140000000

             =  12.77%  

 

:: 

 

So,  in c  onclusion, 

 

● Propellant  Needed:  18,052 k  g 

● Lunar M  aterial:  4,081  kg 

● Lunar  Lander G  ross W  eight: 3  0,108 k  g 

 

● Gross  Income:  $30,604,579,976  USD 

● Taxable I ncome: $  3,464,579,976 U  SD 

● R.O.I:  12.77% 

 

:: 

 

 

Page  144  of   176 

 

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

8.04  Guided P  ractice 

 
You  are a  n  spacecraft C  aptain r esponsible  to t ransport p  assengers t o a  nother  space s  tation.  Use 
the  Boeing L  unar L  ander E  quation t o d  etermine t he  parameters  of y  our s  paceflight. 
 
Mission  Scenario  #1 
 
TEI O  rbital A  ltitude:  284  km 
EOI O  rbital A  ltitude:  284 k  m 
Average  Selling P  rice: 3  00/carat  USD 
 
Output 
 
Lander  Gross  Mass =   _  _________  lbs 
 
Propellant  Mass  =  __________ l bs 
 
Excess  Propellant =   _  _________ l bs 
 
LH 2    Mass =    __________ l bs 
 
LO2    M  ass  = _  _________  lbs 
 
Lunar  Material  Mass  = _  _________ l bs 
 
Gross  Income =    __________  lbs 
 
Net  Income =   _  _________  lbs 
 
Return  On I nvestment  = _  _________ %   
 
:: 
 
Mission S  cenario  #2 
 
TEI  Orbital  Altitude: 5  00 k  m 
EOI  Orbital A  ltitude:  500  km 
Average  Selling P  rice: 1  50/carat  USD 
 

 

Page  145  of   176 

 

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

Output 
Lander G  ross M  ass  =  __________ l bs 
 
Propellant  Mass =    __________ l bs 
 
Excess P  ropellant =    __________  lbs 
 
LH2     Mass  =  __________  lbs 
 
LO 2    Mass  = _  _________ l bs 
 
Lunar M  aterial  Mass =   _  _________  lbs 
 
Gross I ncome  = _  _________  lbs 
 
Net I ncome =    __________  lbs 
 
Return  On I  nvestment  =  __________  % 
 
:: 
 

8.05 C  ross  Curricular  Exercises 

 
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: M  iddle  School s  tudents 
● Fo  rmat: F  ive p  aragraph e  ssay 
● T opic: The Apollo Lunar Module (LM). Who were the astronauts that flew the missions? 

Where on the Moon did they land? What was unique about their missions? What was in 
common with all the missions? How does an Apollo space mission differ from the space 
mission presented in this textbook? How are they the same? Why even bother to explore 
the M  oon a  nyway? 
 
 

 

Page 1  46  of   176 

 

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

DISCUSSION  TOPICS 
● Was  the  mathematics  in  this c  hapter  difficult t o  understand? 

 
● The a  uthors  conclude  that  the S  pace T  ug w  ould  make a  n  excellent  Lunar L  ander. D  o y  ou 
agree  with  the a  uthors? W  hy  or W  hy n  ot? 

 
● What w  ould i t b  e l ike t o  fly  aboard a   r ocket t hat h  as  landed  on  the M  oon? W  ould  you  fly 
on  the  Boeing  Lunar  Lander?  Why o  r w  hy n  ot? 

 

8.06  Engine  Module  Space  Mission D  esign  Website 

 
We n  ow p  roceed  to c  reate  the s  uborbital w  ebsite t hat i ncludes t he e  ngineering  logs  and  the  app 
embedded i n  a  webpage. 
 
 
 
INSERT T  EXT  HERE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INSERT  TEXT  HERE 
 
:: 
 

8.07  Engine  Module  Space M  ission  Design S  preadsheet  App 

 
Given  the  above  information,  we  can  use  a  spreadsheet  to  enter equations and data to create a 
Space  Mission  Design A  pp  (SMDA). 

 

Page 1  47  of   176 

 

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

 
The S  .T.E.M.  for  the  Classroom/Google A  pp  is b  roken  down i nto  four ( 4) p  arts: 
 

1. Input/Output I nterface 
2. Graph 
3. Constants 
4. Calculations 
 
The  App  can n  ow  be d  eveloped. 
 
Sample  Open S  ource  Code 
Once t he  cells h  ave b  een  named  referencing  cells i s e  asy. 
 
● CALCULATIONS 

○ TotBA 
 
 
 
­ I NSERT C  ODE  HERE  ­ 
 
 
 
 
 
 
 
­ I NSERT C  ODE  HERE ­  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
:: 

 

Page  148  of   176 

 

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

 
 
Sample A  pp  Interface 
 

Image  46: L  unar L  ander D  esign  Spreadsheet A  pp   

   

8.08 L  unar  Lander  Design M  obile  App  Page 1  49 o  f   176 

 
Sample A  ppSheet  Mobile A  pp D  esign O  pen  Source  Code 

 

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

Once t he G  oogle S  preadsheet  has b  een  completed, i t c  an b  e  used  to h  elp  create t he  mobile a  pp. 

 
 

­ I  NSERT  CODE  HERE  ­ 

 
 

 
 
 
 
 
­ I NSERT C  ODE  HERE  ­ 
 
 

 

Sample  AppSheet M  obile A  pp D  esign 

 

Image  47:  Lunar  Lander  D  esign M  obile A  pp   

 

Page  150  of  1  76 

 

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

 
 

8.09 L  unar L  ander  Design  Presentation D  evelopment 

 
INSERT T  EXT H  ERE 
 
 
 
 
 
 
INSERT  TEXT  HERE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INSERT  TEXT  HERE 
  

 

Page  151  of   176 

 

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

8.10 C  hapter T  est 

 

I.  VOCABULARY 
Match  the a  stronautics  term w  ith i ts d  efinition. 

 

  1.  Lunar I  nvestment  A.  The amount of money needed to fully fund a mission 
to  the M  oon. 

 2  .  Lunar  Lander K  it  B.  Includes  the  lunar  landing  legs,  infrastructure, 
landing r  adar,  etc. 

 3  . L  unar P  ayload T  ray  C. The tray that transports payload to and from the lunar 
surface. 

  4. P  owered A  scent I nitiation  D. T  he l ift o  ff  burn  from  the  lunar s  urface t o l unar  orbit. 

 5  .  Powered  Descent I nitiation  E.  The  landing  burn  from  lunar  orbit  to  the  lunar 
surface. 

II. M  ULTIPLE  CHOICE 

Circle  the  correct  answer. 

 

  6  . T  he p  ropellant n  eeded  to l and o  n t he M  oon  is  equal  to  the p  ropellant n  eeded  to  take o  ff 

 

A. T  RUE B. F  ALSE 

 

  7.  The  ΔV  Budget  for  a  landing  on  the  moon  is  just as much as going from the Earth to the 

Moon. 

 

A. T  RUE B.  FALSE 

 

  8. Collectors can purchase Lunar Material in the form of ________________ that has fallen to 

Earth. 

 

A. M  eteors B. M  eteorites C.  Regolith D. C  annot  be d  etermined 

 

  9.  Lunar  Material  that  has  been  brought  back  to  Earth  and  sold  for  $1,000/carat  has  the 

equivalent  price  of  ___________  /gram. 

 

A.  $1,000 B.  $5,000 C.  10,000 D. C  annot b  e d  etermined 

 

10.  By retracting the nozzle of the RL10 rocket engine, the Specific Impulse (IS P)   of the engine 
decreases b  y  approximately _  ________ s  econds. 

 

A. T  wo  (2) B. T  hree ( 3) C. Z  ero ( 0) D. C  annot  be  determined 

 

Page  152 o  f  1  76 

 

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

III.  CALCULATIONS 
You have invested $22.35B (USD) in a trip to the Moon. A Boeing Lunar Lander is to be used to 
deposit geologic sensors on its surface, and to load the equivalent mass in Lunar Material to be 
sold to pay for the trip. The payload for this mission is a standard 10­Crew CM, and a standard 
Lunar S  ensor P  ackage,  which h  as a    mass o  f  9,500  lbs. A  ssume a   s  elling  price o  f  $1,500/carat. 

 

11. W  hat i s t he n  ew  Specific  Impulse  of t he r ocket e  ngine  with t he r ocket  nozzle r etracted? 

 

12. W  hat i s t he E  xhaust V  elocity  (VE  XH)    of t he  rocket  engine? 

 

13. W  hat i s  the w  eight  of t he P  ropellant R  eserve i n  S.I.  units? 

 

14 . W  hat i s t he  mission  payload  in S  .I. u  nits? 

 

15.  What  is t he E  mpty  Weight ( m1  ) o  f t he l unar l ander?  

 

16. W  hat i s  the  Gross W  eight ( m0 )   o  f  the  lunar l ander? 

 

17.  What i s t he  amount o  f  propellant n  eeded f or t his  Moon  landing m  ission? 

 

18. W  hat i s  the a  mount  of  Lunar M  aterial  in c  arats? 

 

19.  What i s t he  Gross  Income  from t he  Lunar I  nvestment? 

 

20. W  hat  is  the T  axable  Income f rom  the L  unar  Investment? 

 

IV.  WRITING 
Write  a  one p  aragraph  essay  on  the t opics b  elow. 

 

21.  Explain  why i t i s  as d  ifficult t o g  et  into  and  out o  f t he  Moon’s g  ravity  well  as i t  is t o  fly t o  the 
Moon  from L  ow  Earth O  rbit. 

 

22.  Explain w  hy  creating a   L  unar l ander  Kit  to  be a  ttached  to a   B  oeing  Space T  ug i s e  asier a  nd 
more c  ost  effective t han d  esigning  and  building a   s  eparate l anding  vehicle. 

 

23. E  xplain w  hy L  unar  Material  would  be  a r are  commodity  if  mined  and t ransported  back t o 
Earth  and  sold o  n t he o  pen m  arket. 

 

24. E  xplain  how t o c  alculate  how m  uch a  n o  bject  would w  eigh o  n  the  lunar  surface. 

 

25. Write a short story about what it would feel like to land on the Moon and walk on its surface, 
experiencing t he  one­sixth  gravity  of t he l unar  environment. 
 

END O  F C  HAPTER 8   E  XAM 

 

Page 1  53  of  1  76 

 

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

 

 
 

END  SPRING S  EMESTER 

 
 
 
 
 
 
 
  

 

Page  154  of   176 

 

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

APPENDIX 

 
 
 
COMING  SOON . .. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Page 1  55  of   176 

 

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

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
COMING S  OON... 
 
 
 
 
 
 
 
:: 
 
  

 

Page  156  of   176 

 

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

ANSWERS  TO P  ROBLEM S  ETS 

 
 
COMING S  OON... 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Page 1  57  of   176 

 

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

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
COMING  SOON... 
 
 
 
 
 
 
 
 
:: 

  

 

Page  158  of   176 

 

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

GLOSSARY 

 
Above G  round L  evel  (AGL):   The d  istance  a s  pacecraft  is a  bove t he g  round. 
 
Adjacent  Side o  f a    Right T  riangle:   The  side  next t o  the g  iven  angle  (not t he  Hypotenuse). 
 
Altitude:   The  distance a   s  pacecraft  is a  bove a   g  iven p  oint. 
 
Apoapsis:  T  he  highest  point i n  an  elliptical o  rbit. 
 
Apoapsis  ΔV  Burn : T  he r ocket  firing a  t  the h  ighest p  oint  of  a  Transfer  Orbit. 
 
BA­330  Module:   A B  igelow h  abitat  module t hat  has a   p  ressurized v  olume  of  330 c  ubic  meters, 
weighs  25  tonnes,  and  can h  old 6   c  rew. 
 
BA­330 S  tack:   Two  BA­300s a  ttached t o  a F  alcon H  eavy t hat i s o  n  the L  aunch  Pad. 
 
BA­2100 M  odule  :  A B  igelow h  abitat m  odule t hat  has a   p  ressurized  volume  of  2,100 c  ubic 
meters,  weighs 1  00 t onnes, a  nd  can h  old 1  6 c  rew. 
 
BA­2100  Stack:  A   B  A­2100  attached  to a    SLS­I  that  is  on  the  Launch  Pad. 
 
Begin  Spaceflight :  The m  oment  a  spacecraft c  rosses  into  space. U  ntil  this  moment  the  spacecraft 
has  been t ravelling  in t he  atmosphere. 
 
Begin  Weightlessness :  The  moment  after R  ocket  Burnout,  when f orces  due  to a  cceleration  cease. 
 
Boost P  hase:   The  second o  f s  ix p  hases i n a   p  arabolic s  paceflight,  where  the r ocket e  ngine  is 
turned o  n f or  maximum  velocity. 
 
Carrier  Phase:   The f irst  of  six  phases  in a   p  arabolic  spaceflight, w  here t he  parabolic  spacecraft 
is  carried  to l aunch  altitude. 
 
Circular  Orbit:  A  n o  rbit t hat  takes  the s  hape  of a   c  ircle. 
 
CM C  ommunications:  T  he  CM T  V, a  udio, a  ntenna, e  tc. 
 
CM  Contingency:  T  he C  M  emergency  supplies. 

 

Page 1  59 o  f  1  76 

 

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

 
CM  Controls:   The C  M R  CS, E  xpendables, c  ontrols,  lines, e  tc. 
 
CM C  rew S  ystems : T  he C  M B  unks,  seats, f ood,  medical,  etc. 
 
CM D  ynamic  Mass :  The  weight o  f  the  CM c  omponents  that v  aries  with  the  Mission D  uration. 
 
CM  EC/LSS:  T  he C  M  Environmental C  ontrol/Life S  upport  Systems.  Cabin p  ressure, 
atmosphere, w  ater, e  tc. 
 
CM E  lectrical P  ower:  T  he C  M  batteries, r egulators, j unction  boxes, w  ires, c  ables, e  tc. 
 
CM  Expendables:   The  CM  Reaction  Control S  ystems p  ropellant. 
 
CM  Instrumentation:  T  he C  M d  isplays, c  ontrols,  wiring, l ighting,  etc. 
 
CM M  iscellaneous E  quipment : T  he  CM m  anipulator  arms,  displays  and  controls, m  aintenance 
equipment,  etc. 
 
CM S  tatic  Mass:   The w  eight  of  the  CM  components t hat d  oes  not  vary  with t he  Mission 
Duration. 
 
CM S  tructure :  The  CM s  hell, m  icrometeoroid  shielding,  insulation, r adiators,  etc. 
 
CM  Crew/Volume R  atio: T  he  volume t hat  one  astronaut  occupies d  uring a   s  pace m  ission. 
 
CM W  eight :  The  sum o  f t he C  M  Static  and C  M D  ynamic W  eights. 
 
Crew  Capsule : A   s  pacecraft, s  uch a  s  the  Boeing  CST­100, t hat i s u  sed t o  ferry c  rew  to a  nd  from 
a  space  station. 
 
Crew M  odule  (CM):   The p  art o  f  the  spacecraft  where  the  astronauts  live  and  work. 
 
Crew S  ize:  T  he n  umber o  f  astronauts a  board  a  spacecraft  or s  pace  station. 
 
Crew V  olume:   The  total p  ressurized  volume f or e  ach c  rew m  ember. 
 
Delta V   ( Δv):  T  he  change  in v  elocity  required t o g  o  from  one  orbital a  ltitude t o  another. 
 

 

Page 1  60  of  1  76 

 

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

Δv B  udget:  T  he t otal a  mount  of D  elta V    (ΔV) n  eeded t o a  ccomplish a    space  mission. 
 
Descent  Rate:  T  he d  istance a   s  pacecraft  descends o  ver a   c  ertain  period o  f t ime. 
 
Distance F  rom S  paceport :  The  ground  distance  from  the  edge o  f t he r unway t o t he s  pacecraft. 
 
Docking N  ode  (DN) :  A  module t hat a  llows C  rew C  apsules  and  Bigelow m  odules t o b  e a  ttached 
together. 
 
Drop : R  eleasing S  paceShipTwo  from t he m  other  ship.  SpaceShipTwo t hen f alls a  way  to  a  safe 
distance b  efore  igniting  its r ocket e  ngine. 
 
Elliptical  Orbit:  A  n  orbit t hat  takes t he s  hape o  f a  n e  llipse. 
 
EM  Empty W  eight  (M 1)  :   The w  eight  of t he s  pacecraft f ully l oad e  xcluding p  ropellant. 
 
EM  Gross W  eight ( M0 )  :  T  he  weight  of  the  spacecraft  fully  loaded i ncluding  propellant. 
 
EM I  nert  Weight:  T  he  weight  of  the  Engine  Module  without p  ropellant a  nd  payload. 
 
End S  paceflight : T  he  moment  a s  pacecraft e  xits  from  space.  The s  pacecraft  returns  to t he 
atmospheric  environment. 
 
End  Weightlessness :  The  moment a  t R  eentry  Interface, w  here t he s  pacecraft b  egins  to  slow 
down a  nd g  ravity r eturns. 
 
Engine  Module ( EM):  T  he p  art o  f a   s  pacecraft t hat  holds t he  propellant t anks a  nd t he  rocket 
engine. 
 
Exhaust V  elocity  (v exh ):  T  he v  elocity o  f t he e  scaping  gas e  xiting  a  rocket. 
 
Expendable  Launch  Vehicle ( ELV):  A    vehicle  that c  arries i ts p  ayload  into  space  and  is  then 
thrown a  way,  never t o  be  used a  gain. 
 
Falcon  Heavy:   An  ELV f rom S  paceX  that c  an l ift  53  mT i nto L  ow E  arth  Orbit. 
 
Glide  Angle:  T  he  angle f rom t he  vertical  that  a L  anding  Laser  points. 
 
Glide D  istance:   The d  istance t he L  anding  Laser m  easures. 

 

Page 1  61  of  1  76 

 

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

 
Glide P  hase : T  he f ifth o  f  six p  hases  in a    parabolic  spaceflight, w  here  the s  pacecraft r eturns t o 
the  launch  site i n  an u  npowered l anding. 
 
Glide  Slope:  T  he  angle  a  spacecraft m  akes  to t he  horizontal. 
 
Glide  Speed:   The s  peed  of  the  spacecraft  during t he  unpowered g  lide  landing. 
 
Ground S  peed:   The s  peed  of t he s  pacecraft  as r elated  to t he g  round. 
 
Higher  Orbital  Altitude :  The h  ighest a  ltitude  above M  ean  Sea L  evel  of  an o  rbiting b  ody. 
 
Hohmann T  ransfer O  rbit:  T  he  path  taken  to  either r aise o  r l ower a  n  orbital a  ltitude. 
 
Hypotenuse  of a    Right T  riangle:  T  he  longest s  ide  of  a  right t riangle. 
 
International S  pace  Station  (I.S.S):   The  space s  tation  currently  orbiting  the  earth;  it  is  at a  n 
average  orbital a  ltitude o  f  3  82  km  (237 m  i)  with a  n  Orbital I nclination o  f  52 d  egrees. 
 
Landing  Laser:   The l aser  used t o  determine  the G  lide D  istance  to  a  spacecraft. 
 
Landing  Profile:  T  he g  raph  of a    landing  spacecraft. 
 
Latitude:   The n  umber o  f d  egrees  above  (or b  elow) t he e  quator. 
 
Launch  Pad:  W  here a    rocket t akes  off. 
 
Launch S  ite:   The  spaceport  where  the S  kylon  spaceplane  launches a  nd r ecovers. 
 
Launch S  ite  Latitude:   The l atitude ( measured i n  degrees)  of t he  launch  site. 
 
Line­Of­Sight D  istance:   The G  lide  Distance c  onverted t o  S.I.  units. 
 
Liquid H  ydrogen ( LH2  ) : W  hat a    rocket  engine u  ses  as  fuel. 
 
Liquid O  xygen ( LO2  ) :  What  a r ocket e  ngine u  ses  as  an  oxidizer. 
 
Low E  arth O  rbit  (LEO) :  A b  ody c  ircling  the  Earth a  t  a  minimum  orbital  altitude o  f 1  85 k  m  (115 
mi). 

 

Page  162 o  f  1  76 

 

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

 
Lower O  rbital A  ltitude:   The  lowest  altitude  above M  ean S  ea  Level  of  an o  rbiting b  ody. 
 
Lunar  Investment :  The a  mount  of m  oney n  eeded t o f ully  fund  a  mission  to  the M  oon. 
 
Lunar  Lander K  it :  Includes  the l unar  landing  legs,  infrastructure,  landing  radar, e  tc. 
 
Lunar  Material:   The  rocks  and d  irt t hat  is b  rought b  ack  from  the M  oon  and  sold. 
 
Lunar  Payload T  ray:  T  he t ray t hat  transports  payload t o a  nd  from  the l unar s  urface. 
 
Maximum  Altitude:   The  highest  point  that a    spacecraft  reaches  during a    parabolic  spaceflight. 
 
Mean S  ea  Level ( MSL):   The  distance a  bove  the  average  of E  arth's  oceans. 
 
Mission  Duration:  T  he t otal t ime n  ecessary  to a  ccomplish  a s  pace  mission. 
 
Mission  Elapsed  Time ( MET):   Time s  ince  the b  eginning o  f t he  spaceflight. 
 
Nozzle:   The  bell­shaped p  rotrusion  at  the  tail e  nd  of a    rocket w  here t he  exhaust  of  a r ocket 
comes o  ut. 
 
Nozzle­Extended:  T  he  rocket  engine n  ozzle  which i s  elongated  to p  rovide a  pproximately 3   
seconds m  ore o  f S  pecific I mpulse. 
 
Nozzle­Retracted:  T  he  rocket e  ngine n  ozzle  which i s p  ulled  back t o  its o  riginal  shape. 
 
On­Station  Time:  T  he  duration  of  time s  pent a  t t he m  ission d  estination. 
 
Opposite S  ide o  f a    Right T  riangle:  T  he  side  opposite  the  given a  ngle. 
 
Orbital A  ltitude:   The h  eight  above  Mean S  ea L  evel ( MSL) o  f  a s  pacecraft. 
 
Orbital I  nclination :  The n  umber  of  degrees  that  an o  rbit  subtends  relative t o t he e  quator. 
 
Payload: T  he u  seful l oad  carried i nto  space  or t o t he  surface  of a  n  astronomical  body. 
 
Payload S  hroud:  T  he c  overing t hat p  rotects  the c  argo f rom t he  atmosphere o  n i ts  way  into  space. 
 

 

Page 1  63 o  f  1  76 

 

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

Payload M  ass:  The  weight  of a    payload  that i s  effected  by  Earth’s g  ravity. 
 
PB/DN:   Combination o  f a    Propulsion B  us  attached  to  a D  ocking N  ode a  nd  weighs  17 t onnes. 
 
PB/DN  Stack:  T  hree  PB/DNs a  ttached t o a   F  alcon  Heavy  that  is  on  the L  aunch P  ad. 
 
Periapsis:   The  lowest p  oint  in a  n  elliptical  orbit. 
 
Periapsis Δ  V B  urn:   The  rocket  firing a  t  the l owest  point o  f  a T  ransfer O  rbit. 
 
Polar  Orbit:  A  n  orbit  that  flies a  bove  the N  orth a  nd S  outh  poles;  it  has  an  Orbital  Inclination  of 
98  degrees. 
 
Powered  Ascent I  nitiation ( PAI):   The l ift o  ff r ocket  burn f rom  the l unar  surface t o  lunar o  rbit. 
 
Powered  Descent I  nitiation  (PDI) :  The  landing r ocket b  urn  from l unar o  rbit t o  the l unar  surface. 
 
Pressurized V  olume:   The v  olume o  f  sea­level p  ressure a  ir t hat i s i n  a  Bigelow  module. 
 
Propellant:   Total  weight  of  LO2   a  nd  LH2  
 
Propellant  Ratio:   The  ratio o  f L  O2    to  LH2    i n  a  rocket e  ngine. 
 
Propellant  Weight : T  he  weight  of  both t he f uel  (LH2 )   a  nd  the  oxidizer  (LO2  ). 
 
Propellant  Reserve:   The p  ercent o  f  the t otal  propellant t hat i s s  et a  side i n c  ase  of e  mergency. 
 
Propulsion B  us  (PB) : T  he u  nit u  sed t o r eboost t he s  pace s  tation  due  to  orbital  decay. 
 
Radius o  f H  igher O  rbit : T  he h  igher  circular  orbital  altitude o  f  a s  pacecraft  as m  easured f rom t he 
center  of  an o  rbiting b  ody. 
 
Radius  of L  ower O  rbit : T  he  lower  circular o  rbital a  ltitude  of a    spacecraft  as  measured  from  the 
center  of  an  orbiting b  ody. 
 
Reentry  Interface:   The m  oment  a s  pacecraft  encounters E  arth's a  tmosphere, w  hich  is  used t o 
slow t he s  pacecraft d  own  for a    safe l anding. 
 

 

Page  164 o  f   176 

 

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

Reentry P  hase :  The  fourth o  f  six  phases  in a   p  arabolic s  paceflight,  where t he  spacecraft c  omes 
back  down  into  the a  tmosphere. 
 
Reserve P  ropellant:   The w  eight o  f  the  propellant u  sed  in c  ase  of  an e  mergency. 
 
Right T  riangle:  A   t riangle w  ith  one  of t he  angles  equal t o  exactly 9  0  degrees. 
 
RL10  Engine:  T  he r ocket e  ngine  used  in t he  EM. 
 
Rocket B  urnout :  The m  oment  a  rocket  engine s  huts i tself o  ff,  where t he  spacecraft  continues 
upward o  n  its o  wn m  omentum. 
 
Round T  rip  Δv B  udget: T  he  total  Δv  a  space m  ission  needs  to  go  to  a  destination  and c  ome b  ack 
home. I t  is  found b  y d  oubling  the  Δv  Budget. 
 
Round­Trip  Time:  The t ime i t  takes  for a    spacecraft  to  reach  its d  estination  and t o r eturn.  It i s 
found  by d  oubling  the T  ransfer T  ime. 
 
Space I  nterface: T  he h  eight  where  space  "officially"  begins,  which i s s  et a  t  the  internationally 
agreed  upon a  ltitude o  f  100,000 m    (62  mi)  MSL. 
 
Space  Launch S  ystem  Block  IA ( SLS­IA):   An  expendable  vertical l aunch v  ehicle t hat c  an l ift 
105 m  T  into o  rbit. 
 
SpaceShipTwo:   The s  pacecraft t hat  is  dropped  from W  hite K  night 2  .  A  fter  rocket b  urnout,  the 
spacecraft c  oasts  up  to s  pace  and b  ack. 
 
Space S  tation :  A  place  where s  cientists, e  ngineers, a  nd  tourists c  an  gather  to  explore t he  many 
wonders o  f s  pace. 
 
Specific I  mpulse  (Is p ) :  The  force w  ith r espect t o t he  amount o  f  propellant  used  per  unit  of  time. 
 
Standard G  ravitational P  arameter ( mu) :  The  product  of t he G  ravitational  Constant ( G) a  nd  the 
mass o  f a   b  ody ( M). 
 
Standard  Gravity ( g 0 ):  T  he a  cceleration  due  to  free f all. 
 
Suborbital S  paceflight:   A s  pacecraft t hat c  oasts  into s  pace a  fter  rocket  burnout  that h  as a   f light 
profile  in t he  shape o  f a    parabola. 

 

Page  165  of  1  76 

 

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

 
Time T  o  Touchdown:  T  he  time t he  spacecraft w  ill t ake t o g  lide t o a   l anding. 
 
Touchdown:  T  he m  oment t he s  pacecraft  makes c  ontact  with t he  runway  during  a  landing. 
 
Transfer O  rbit #  1 : T  he  elliptical  orbit  a  spacecraft f lies f rom  periapsis  to a  poapsis. 
 
Transfer O  rbit #  2 :  The  elliptical  orbit a   s  pacecraft f lies f rom  apoapsis t o p  eriapsis. 
 
Transfer T  ime : T  he  time b  etween  apoapsis  and p  eriapsis D  elta  V  rocket  firings. 
 
Weightless P  hase:   The  third  of  six  phases  in  a p  arabolic s  paceflight, w  here t he  spacecraft  and  its 
occupants  experience w  eightlessness. 
 
White K  night 2  :  T  he m  other  ship t hat c  arries S  paceShipTwo  to l aunch a  ltitude. 
 
 
:: 

 
  

 

Page 1  66  of   176 

 

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

EQUATIONS  AND  CONSTANTS 

 

Altitude (  AGL) 

Altitude (AGL)  =  Line − Of − Sight Distance  ·  sin(Glide Slope)  
 

CM  Communications 

CM COMM   =  327  
 

CM C  ontingency 

CM CONTINGENCY   =  0.71M D  +  852  

 
CM  Control 
CM CONTROL  =  60  
 
CM  Crew S  ize 
CM CREW   =   − 0.25M D  +  15.5  
 
CM C  rew S  ystems 

CM SY STEMS   =   − 41.33M D  +  3772  
 

CM  Crew V  olume  Ratio 

CMV OLUME   =   1260  

CM CRE W

 

CM  Dynamic W  eight 

W eightDynamic  =  CM SY STEMS   +  CM EC/LSS   +  CM EXP   +  CM CONTROL  

 
CM  EC/LSS 

CM EC/LSS   =  27.81M D  +  1211  
 
CM E  lectrical 
CM ELECTRIC  =  130  
 
CM  Expendables 

CM EXP   =  20.50M D  +  254  

 
CM  Instrumentation 
CM INSTR  =  188  
 
CM M  iscellaneous 
CM MISC  =  80  

 

Page  167  of   176 

 

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

 

CM S  tatic W  eight 

CM STATIC  = CM ELECTRIC  +  CM COMM   +  CM INSTR  +  CM CONTROL  +  CM MISC  
 

CM S  tructure 

CM STRUCTURE   =  2497  
 

CM  Weight (  lbs) 

W eightCM   =  W eightStatic  +  W eightDynamic  

 

CM  Weight (  kg) 
W eightCM
W eightCM   = 2.2  

 

Cosine o  f a  n A  ngle 
Adj acent S ide
cos(θ)  =   H y potenuse  

 

Δv ­    Apoapsis 

√ √ΔvAP OAP SIS =   μ   (1  −   2R1  )  
R2 R1 + R2

 

Δv  Budget 
ΔvBUDGET   =  ΔV P ERIAP SIS   +  ΔV AP OAP SIS  
 
 

Δv  ­ P  eriapsis 

√ √ΔvP ERIAP SIS =  μ   ( 2R2   −  1)  
R1 R1 + R2

 

Descent R  ate 
Descent Rate  =  Glide Speed  ·  sin(Glide Slope)  

 
Distance t  o  Spaceport 

Distance T o Spaceport  =  Line − Of − Sight Distance  ·  cos(Glide Slope)  
 

Glide S  lope 
Glide Slope  =  Complement(Glide Angle)  =  90o −  Glide Angle  
 
Glide S  peed 

Glide Speed  =  Line − Of − Sight Distance 2  −  Line − Of − Sight Distance 1  
 

Ground  Speed 
Ground Speed  =  Glide Speed  ·  cos(Glide Slope)  

 

Page  168 o  f   176 

 

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

 

Height  S.I. C  onversio n 

h0 = Initial Height/3.28  

 

Maximum  Height 

vertexh   =   − 1 go (vertext)2 +  v0 (vertext )  +  h0  
2

 

Mission D  uration 

M D  =  On − StationDAY S   +  Round − T ripDAY S  
 

On­Station T  ime 

On − StationDAY S   =  M ission Duration  −  Round − T ripDAY S  

 

Radius o  f L  ower O  rbit 

R1  =  AltitudeLOWER  +  RadiusEARTH  
 

 

Radius o  f  Higher O  rbit 

R2  =  AltitudeHIGHER  +  RadiusEARTH  
 

Round­Trip  Transfer T  ime 

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

Sine  of a  n A  ngle 
Adj acent S ide
cos(θ)  =   H y potenuse  

 

Space H  eight 

h1  = h0  −  100, 000   

 

Space  Interface 

100, 000 km  

 

Spaceport  America  At  Latitude P  ayload 

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

Spaceport A  merica  I.S.S.  Payload 

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

Spaceport A  merica P  olar P  ayload 

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

 

Page  169  of   176 

 

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

 
Standard G  ravity 

g0 = 9.8 m/s2  

 

Standard  Gravitational  Parameter 

μ  =  398, 600.4419 km3/s2  

 

 

Time a  t M  aximum H  eight 
v0
vertext =   g0    

 

Time a  t S  pace I  nterface 

√spacet = v0 −  vo2 + 2 g 0 h1    
g0

 

Time  Spent  in S  pace 

T imespace  =  2(vertext  −  spacet)   
 

Time S  pent  Weightless 
T imeweightless  =  2(vertext)  
 

Time  To T  ouchdown 

T ime T o T ouchdown  =   Line−Of −S ig ht Distance  
Glide S peed

 

Transfer  Time 

√T ransf er T imeDAY S   =  π (R1 + R2)3  


 

Velocity  S.I. C  onversion 

v0 = Initial V elocity(1609)/3600  

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

Page  170  of   176 

 

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

IMAGE  ATTRIBUTIONS 

 
Cover.  Adventures  in  Outer  Space 

Space S  tation  Bravo: 
https://en.wikipedia.org/wiki/File:Complex_Bravo_Model.jpg  

R.E.L. S  kylon: 
https://www.reactionengines.co.uk  

Virgin  Galactic  SpaceShipTwo: 
https://www.flickr.com/photos/rodeime/11904534745  

Planet E  arth: 
http://maxpixel.freegreatpicture.com/World­Earth­Rise­Sunrise­Space­Out
er­Sun­Globe­1765027  

Composite I mage: h  ttp://www.re­newspace.media  
 

01. Space I nvaders 
http://www.re­newspace.media  
 

02. VG  Pulp 
http://www.re­newspace.media  
 

03. SS2  and V  MS  Eve 
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SS2_and_VMS_Eve.jpg  
 

04. VG G  raph 
http://www.re­newspace.media  
 

05. VG S  preadsheet A  pp 
http://www.re­newspace.media  
 

06. VG M  obile A  pp 
http://www.re­newspace.media  
 

07. Skylon P  ulp 
http://www.re­newspace.media  

 
08. SABRE D  esigned F  or S  kylon S  paceplane, 1  990s 
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SABRE_engine_designed_for_Skylon_spacepl
ane,_1990s._(9660572897).jpg  

 

Page 1  71 o  f   176 

 

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

 
09. Skylon  Graph 0   
http://www.re­newspace.media  

 
10. Skylon G  raph 1  5 
http://www.re­newspace.media  

 
11. Skylon  Graph 3  0 
http://www.re­newspace.media  

 
12. Skylon G  raph  45 
http://www.re­newspace.media   

 
13. Skylon G  raph 6  0 
http://www.re­newspace.media  

 
14. Skylon  Spreadsheet  App 
http://www.re­newspace.media  

 
15. Skylon  Mobile A  pp,  Part I  
http://www.re­newspace.media  

 
16. Skylon  Mobile A  pp,  Part I I 
http://www.re­newspace.media  

 
17. Bigelow  Pulp 
http://www.re­newspace.media  

 
18. Inside  Space S  tation  Alpha 
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Inside_Space_Station_Alpha.jpg   

 
19. Bigelow  Space S  tation 
http://www.re­newspace.media  

 
20. Bigelow  Spreadsheet  App 
http://www.re­newspace.media  

 
21. Bigelow M  obile  App 
http://www.re­newspace.media  

 

Page  172 o  f   176 

 

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

22. Spaceport A  merica P  ulp 
http://www.re­newspace.media  

 
23. Spaceport A  merica  terminal ­   The G  ateway 
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spaceport_America_terminal_­_The_Gateway
_(15094090585).jpg  

 
24. Spaceport  America  Graph 
http://www.re­newspace.media  

 
25. Spaceport A  merica L  anding D  iagram 
http://www.re­newspace.media  

 
26. Spaceport  America T  riangle 
http://www.re­newspace.media  

 
27. Spaceport  America S  preadsheet  App 
http://www.re­newspace.media  

 
28. Spaceport A  merica  Mobile A  pp 
http://www.re­newspace.media  

 
29. Boeing D  elta  V  Pulp 
http://www.re­newspace.media  

 
30. Orbital  Diagram ( Orbit1) 
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Orbit1.svg  

 
31. Hohmann  Transfer  Orbit 
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hohmann_transfer_orbit.svg  

 
32. Boeing  Delta V    Spreadsheet  App 
http://www.re­newspace.media  

 
33. Boeing D  elta V    Mobile  App 
http://www.re­newspace.media  

 
34. Boeing  Crew M  odule P  ulp 
http://www.re­newspace.media  

 

Page  173  of  1  76 

 

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

35. Boeing’s C  ST­100  Starliner S  pacecraft D  ocking t o t he I SS 

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Boeing's_CST­100_Starliner_spacecraft_docki

ng_to_the_ISS.jpg  

 

36. Boeing S  pace  Tug S  tudy C  rew  Module  circa  1971 ( image  credit: N  ASA) 

http://www.astronautix.com/s/spacetug.html  

 

37. Boeing C  rew M  odule  Spreadsheet  App 

http://www.re­newspace.media  

 

38. Boeing  Crew  Module M  obile A  pp 

http://www.re­newspace.media  

 

39. Boeing E  ngine M  odule P  ulp 

http://www.re­newspace.media  

 

40. CST–100 

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CST­100.jpg  

 

41. Boeing  Space  Tug  Study  Engine  Module  circa  1971  (image  credit: N  ASA) 

http://www.astronautix.com/s/spacetug.html  

 

42. Boeing  Engine M  odule S  preadsheet A  pp 

http://www.re­newspace.media  

 

43. Boeing E  ngine M  odule M  obile  App 

http://www.re­newspace.media  

 

44. Boeing L  unar L  ander P  ulp 

http://www.re­newspace.media  

 

45. Apollo 1  6 L  M 

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Apollo16LM.jpg  

 

46. Boeing L  unar  Lander  Spreadsheet A  pp 

http://www.re­newspace.media  

 

47. Boeing  Lunar L  ander M  obile  App 

http://www.re­newspace.media    

 

Page  174  of   176 

 

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

INDEX 

 
 
This  book  is  provided  in t he  form  of a    PDF  download. P  lease  use  your  PDF r eader  to f ind  any 
words  or p  hrases t hat  you w  ish  to  look  up. 
 
 
 
 
 
:: 
 
  

 

Page 1  75 o  f   176 

 

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

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
S.T.E.M.  For  the C  lassroom 
presents 
 
ADVENTURES  IN O  UTER S  PACE 
A H  igh S  chool S  .T.E.M.  Laboratory  Textbook 
 
 
Copyright  ©  2017 b  y  Joe M  aness  and  Richard K  erry H  oltzin, P  h.D.  Albuquerque,  NM. 
 
All  rights  reserved.  No  part  of  this t extbook  may b  e r eproduced, i n  any  form  or b  y  any  means, 
without p  ermission  in w  riting  from  the a  uthor. 
 
ISBN  9­99­999999­9 

 

Page 1  76 o  f   176 

 
  

 
  

 
  

 
  

 
  

 



S.T.E.M. For the Classroom

Presents

ADVENTURES IN OUTER SPACE

A High School S.T.E.M. Laboratory Textbook

by

Joe Maness and Richard Kerry Holtzin, Ph.D.

This textbook is the lab for high school Junior mathematics. Students that have passed
Algebra 1 and Geometry should take this class. The textbook is based on a technical paper
that Joe and RK had written earlier about a commercial space program.

ABOUT THE AUTHORS

JOE MANESS Shortly after High School graduation, Joe enlisted in the U.S. Navy. He flew
backseat in S-3A Viking jet aircraft, accumulating over one hundred carrier landing or “traps.”
Joe rose to the rank of Petty Officer, 2nd Class. Joe then went to college after being Honorably
Discharged from the Navy, earning his Bachelor of Science degree in Applied Mathematics from
the University of New Mexico. Joe was a member of Kappa Mu Epsilon National Mathematics
Honor Society. Joe eventually became a Microsoft Certified Trainer, which in turn lead to a job
as a High School Math Teacher. During this time, Joe put together the website version of this
textbook. Joe is currently a Level 2 Secondary Education Teacher endorsed in Mathematics
with over 14 years of experience in the classroom. He resides in Albuquerque, NM, USA.

RICHARD KERRY HOLTZIN, PH.D. With three academic degrees in Eastern and Western
Philosophy, RK studied photography, anthropology, foreign languages, and sciences. Since the
mid-1980s, he has earned a living as an outdoors educator teaching geosciences, human
history, flora and fauna, ecology, archaeology, map and compass orienteering, and wilderness
survival. Previously, RK served two enlistments for a total of six years in the Navy, most of
which was with the Anti-Submarine Warfare Force (ASW). During this time, RK (his signature
'chop') was a radio operator, cryptologist, and courier for classified documents. After his
Honorable Discharge, including receiving a Letter of Meritorious Accommodation, he spent
more than forty years in the West and Southwest. To mention some of his many bailiwicks of
varying employment opportunities, he was a professional studio and stage musician, including
teaching guitar and music theory for some 25 years. He resides in Albuquerque, NM, USA.


Click to View FlipBook Version