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. F  or  the  Classroom 
Adventures i n  Outer S  pace 

R.A.F.T. W  RITING #  1 
● Ro  le:  Teacher 
● Au  dience: M  iddle S  chool S  tudents 
● Fo  rmat:  Step–by–Step I nstructions 
● T opic: D  escribe t he R  .E.L. S  kylon P  ayload E  quation a  nd h  ow t he O  rbital A  ltitude i s  the 
independent v  ariable a  nd t he P  ayload M  ass  is  the  dependent v  ariable. 

 
R.A.F.T.  WRITING  #2 

● Ro  le: T  eacher 
● Au  dience: M  iddle S  chool  students 
● Fo  rmat: F  ive  paragraph e  ssay 
● T opic:  The  Space  Transportation  System  (Space  Shuttle).  Who  were  some  of  the 

astronauts  that  flew  the  missions?  What  payload  did  they  deposit  in  orbit?  What  was 
unique about their missions? What was in common with all the missions? How does the 
Space  Shuttle  differ  from  the  spaceliner  presented  in  this  textbook?  How  are  they  the 
same?  Why e  ven b  other t o b  uild  a  spaceliner a  nyway? 
 
DISCUSSION  TOPICS 
● Was t he m  athematics  in  this c  hapter  difficult t o  understand? 
 
● The  authors c  onclude  that  expendable  rockets  should n  o l onger b  e  used t o f ly i nto  space. 
Do y  ou a  gree  with  the  authors? W  hy  or W  hy  not? 
 
● What w  ould  it  be l ike  to f ly  aboard  a s  paceship t hat  takes  off l ike a  n  ordinary  airliner? 
Would  you  fly o  n  the S  kylon s  paceliner?  Why  or  why  not? 
 

2.06 L  aunch  Payload D  esign  Website 

 
We n  ow  proceed  to c  reate t he  suborbital  website t hat  includes  the  engineering l ogs a  nd  the a  pp 
embedded  in a    webpage. 
 
 
 
INSERT T  EXT  HERE 
 
 
:: 
 

 

Page 4  3 o  f   176 

 

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

2.07 L  aunch P  ayload  Design S  preadsheet  App 

 
Given  the  above  information,  we  can  use  a  spreadsheet  to  enter equations and data to create a 
Space M  ission D  esign  App ( SMDA). 
 
The S  .T.E.M.  for  the C  lassroom/Google A  pp i s b  roken  down i nto  four ( 4) p  arts: 
 

1. Input/Output  Interface 
2. Graph 
3. Constants 
4. Calculations 
 
The A  pp  can  now  be d  eveloped. 
 
Sample G  oogle  Sheets  App  Design  Open  Source  Code 
Once  the c  ells  have  been n  amed r eferencing c  ells  is  easy. 
 
● CALCULATIONS 

○ AtLatitudePayload250=­0.0011*  DEG^2+15500 
○ AtLatitudePayload800=­0.0011*  DEG^2+11000 
● GRAPHING 
○ m=(AtLatitudePayload800­AtLatitudePayload250)/550 
○ b=AtLatitudePayload250 ­ m*250 
○ AtLatitudePayload=m*ALT+b 
 
 
 
 
INSERT  OPEN S  OURCE C  ODE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Page 4  4  of   176 

 

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

Sample  App I  nterface 
 

 

Image 1  4:  Launch P  ayload  Design  Spreadsheet  App 

 

2.08  Launch P  ayload D  esign  Mobile A  pp 

 
Sample  AppSheet  Mobile  App  Design O  pen  Source  Code 
Once  the G  oogle S  preadsheet  has b  een  completed,  it c  an b  e  used t o  help c  reate t he  mobile  app. 

 
 
 
 

­  INSERT  CODE  HERE ­   

 
 

 

 

Page  45 o  f  1  76 

 

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

 
 
 
 
­ I NSERT C  ODE H  ERE  ­ 
 
 
 
 
 
 
­  INSERT C  ODE H  ERE  ­ 

 
 

Sample A  ppSheet M  obile  App  Design 

 

Image 1  5:  Launch P  ayload D  esign  Mobile  App, P  art  I   

 

Page 4  6 o  f   176 

 

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

Image 1  6:  Launch  Payload  Design  Mobile  App,  Part I I   

   

2.09  Launch  Payload D  esign P  resentation D  evelopment  Page 4  7 o  f   176 

 
INSERT  TEXT H  ERE 
 
 
 
 
 
 
INSERT  TEXT  HERE 
 
 
 
 

::   

 

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

2.10  Chapter T  est 

 

I. V  OCABULARY 
Match t he  aerospace  term w  ith  its  definition. 

 

 1  .  Launch S  ite  Latitude  A.   The  height  above  Mean  Sea  Level  (MSL)  of  a 
spacecraft. 

  2. O  rbital A  ltitude  B.  The  mass o  f a   p  ayload  effected b  y E  arth’s g  ravity. 

  3. O  rbital I nclination  C.  An  orbit that flies above the North and South poles; 
it  has  an  Orbital  Inclination  of 9  8 d  egrees. 

 4  . P  ayload M  ass  D. T  he l atitude ( measured  in d  egrees) o  f t he  launch s  ite. 

  5.  Polar  Orbit  E. The number of degrees that an orbit subtends relative 
to t he e  quator. 

 

II. M  ULTIPLE C  HOICE 

Circle t he c  orrect  answer. 

 

  6. The R.E.L. Skylon Payload Equation when graphed forms a parabola which can be describe 

using  a  quadratic  equation. 

 

A. T  rue B.  False 

 

  7.  The  R.E.L.  Skylon  Payload  Equation  when  graphed  forms  a  straight  line  which  can  be 

describe  using a   l inear e  quation. 

 

A. T  rue B.  False 

 

 8. The further north or south the R.E.L. Skylon launches from, the ____________ payload mass 

it  can  carry  into L  ow E  arth  Orbit. 

 

A.  More B.  Less C.  Neither D.  Cannot  be d  etermined 

 

  9.  The  higher the orbital altitude of the R.E.L. Skylon, the ____________ payload mass it can 

carry i nto  Low E  arth  Orbit. 

 

A. M  ore B. L  ess C. N  either D. C  annot  be d  etermined 

 

10. The more the R.E.L. Skylon carries into Low Earth Orbit, the ____________ the final orbital 

altitude  of  the  spaceliner. 

 

A. H  igher B.  Lower C.  Neither D. C  annot b  e  determined 

 

Page 4  8 o  f   176 

 

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

III. C  ALCULATIONS 
An  orbital s  pacecraft l aunches f rom B  aikonur C  osmodrome t o t he  I.S.S. 

 

11.  What i s t he L  aunch S  ite L  atitude  of t he  cosmodrome? 

 

12.  What i s t he  orbital i nclination  that  the  spacecraft  needs t o a  ttain? 

 

13.  What i s t he  Orbital  Altitude o  f  the  International S  pace S  tation? 

 

14. W  hat i s t he  Baikonur  Cosmodrome­I.S.S. g  eneral  Quadratic E  quation? 

 

15. W  hat  is  the B  aikonur C  osmodrome­I.S.S. 2  50  km g  eneral  Quadratic  Equation? 

 

16.  What i s  the B  aikonur  Cosmodrome­I.S.S.  800 k  m  general Q  uadratic E  quation? 

 

17. W  hat i s  the s  lope  of t he B  aikonur  Cosmodrome­I.S.S. g  eneral L  inear  Equation? 

 

18. W  hat i s  the  y­intercept o  f t he  Baikonur C  osmodrome–I.S.S. g  eneral  Linear E  quation? 

 

19. W  hat i s t he  Baikonur C  osmodrome–I.S.S.  general L  inear  Equation? 

 

20.  What  is  the  maximum  weight  that  the  R.E.L.  Skylon  can  lift  to  the  International  Space 
Station  from t he  Baikonur  Cosmodrome? 
 
IV.  WRITING 
Write a    one  paragraph e  ssay  on t he  topics  below. 

 

21.  Explain  how t o f ind  the  leading  coefficient  of  the R  .E.L. S  kylon p  ayload Q  uadratic E  quation. 

 

22. E  xplain w  hy t he f urther n  orth a    launch  site  is  located,  the  less p  ayload t hat  can  be  carried i nto 
space. 

 

23. E  xplain  why  the h  igher t he  orbital  altitude n  eeded, t he l ess t he  amount  of p  ayload t hat  can b  e 
carried. 

 

24. E  xplain  why  the  more  the a  mount o  f  payload i s  needed  to b  e  carried  into  space,  the l ess  the 
orbital  altitude t hat t he R  .E.L.  Skylon c  an a  ttain. 

 

25.  Write  a  short  story  about  what  it  would  feel  like  to  float  weightlessly  inside  of  an  R.E.L. 
Skylon  spaceplane  while  gazing  at  the  curvature  of  the  Earth  as  it  flies  an  orbital  spaceflight 
profile. 
 
 

END O  F C  HAPTER  2 E  XAM 

 

Page  49 o  f   176 

 

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

Chapter  3: S  pace S  tation 

 
3.01 N  arrative   9  9 
 
3.02  Vocabulary    99 
 
3.03  Analysis    99 
 
3.04  Guided  Practice   9  9 
 
3.05 C  ross C  urricula  Activities   9  9 
 
3.06  Space  Station D  esign  Website D  evelopment   9  9 
 
3.07 S  pace  Station D  esign S  preadsheet A  pp  Development   9  9 
 
3.08  Space S  tation  Design M  obile  App D  evelopment   9  9 
 
3.09 S  pace  Station  Design  Presentation  Development    99 
 
3.10 C  hapter  Test    99 

 
 
 
 
:: 
  

 

Page  50  of   176 

 

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

3.  Space  Station 

 

3.01  Narrative 

 

In  this,  the  third  of  four  aerospace–based 
S.T.E.M.  project,  students  will  use  the 
Bigelow  Aerospace  B330  and  BA–2100 
pressurized  modules  to launch and assemble 
a  space  station  of  their  own  design  in  Low 
Earth  Orbit (  LEO). 
 
Time F  rame 
4.5 w  eeks 
 
Aerospace  Problems 
Space S  tation C  ost 
Space  Station  Mass 
Space S  tation C  rew S  ize 
 
Mathematics  Used 
Matrices 
 
Science  Topics 
Physics,  Aerospace 
 
Activating P  revious L  earning 
Basic M  athematics 

        Image 1  7:  Bigelow  Aerospace  Space S  tation C  over 

 
Essential  Questions 

● Who a  re  the m  any  space  station  pioneers? 
● What  is  a  space  station? 
● Where  can  a B  igelow s  pace  station b  e  spotted  in  the  night s  ky? 
● When  will t he f irst c  ommercial  Bigelow  space s  tation  be  flown? 
● Why d  o  people  want t o  live o  n  a  space s  tations i n o  rbit 
● How m  any  people  can l ive o  n a    space  station? 
● Wait. I   have  to  do s  cience,  technology,  engineering,  and  math,  all a  t t he  same t ime? 
 
 

 

Page  51 o  f  1  76 

 

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

This l esson  is  powered b  y E  8 :   
 

1. Engage 
○ Lesson O  bjectives 
○ Lesson  Goals 
○ Lesson  Organization 

2. Explore 
○ The  BA­330  Habitat S  pecifications 
○ The  BA­2100 H  abitat S  pecifications 
○ The  Bigelow S  pace  Station a  nd  its C  omponents a  nd D  efinitions 
○ Additional T  erms a  nd D  efinitions 

3. Explain 
○ Launch C  onstraints 

4. Elaborate 
○ Other S  pace  Station  Examples 

5. Exercise 
○ Space  Station P  arameters 
○ Space  Station D  esign S  cenario 

6. Engineer 
○ The  Engineering D  esign  Process 
○ SMDA S  pace S  tation  Plan 
○ Designing a   P  rototype 
○ SMDA  Software 

7. Express 
○ Displaying  the  SMDA 
○ Progress R  eport 

8. Evaluate 
○ Post E  ngineering  Assessment 

 
:: 
 
Lesson  Overview 
Students  first  learn  the  basics  of  space  station  design  using  pencil,  paper,  and  scientific 
calculator.  Students  then  use  what  they  have  learned  to  create  a  Space  Mission  Design  App 
(SMDA), designed according to the Engineering Design Process, that will be used for real­world 
spacecraft. 
 
We will be using the products from Bigelow Aerospace, which makes  inflatable habitat modules 
that once placed into orbit, well, i nflate.  This allows for a greater volume of space inside for the 

 

Page 5  2 o  f  1  76 

 

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

crew.  It  has  solar panels for electrical power and radiators to dispose of waste heat. It even has 

windows! 

 

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

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

and  presenting t heir  findings  to t he  rest o  f t he  class. 

 

:: 

 

Constants 

● None 

 

Input 

● Total  BA 2  100  Modules 

● Total B  330  Modules 

● Total P  B/DN M  odules 

 

Output 

● Total B  A–2100 S  tacks 

● Total  B330  Stacks 

● Total P  B/DN S  tacks 

● Total S  paceX F  alcon H  eavy 

● Total N  ASA S  LS B  lock  I 

● Total M  ass  of  the s  pace s  tation 

● Total C  rew S  ize 

● Total C  ost o  f t he  space s  tation 

 

:: 

 

3.02  Vocabulary 

 

B330 M  odule B300 S  tack BA­2100  Module BA­2100  Stack 

Crew  Size Crew  Volume Docking N  ode  (DN) Expendable  Launch  Vehicle 

Falcon  Heavy PB/DN PB/DN  Stack Pressurized V  olume 

Propulsion  Bus ( PB) SLS  Block I  Space  Station 

 

 

Page 5  3 o  f   176 

 

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

 

Image  18:  Inside  a  mockup o  f  Space S  tation  Alpha 

 

3.03  Analysis 

To  launch  these  excellent  habitat  modules  into  space,  we  obviously  need  a  launch  vehicle. 
Shopping around for what’s available to use to launch our city, we find two Expendable Launch 
Vehicles (ELV). These rockets haven’t been built yet, but so long as funding continues they will 
be...  one d  ay. T  he t wo  ELVs  are t he S  LS I ­A a  nd t he  Falcon  Heavy. 
 
Since  the  SLS  I­A  ELV  can  carry  105,000  kg  into  Low  Earth  Orbit (LEO), and one BA­2100 
weighs 1  00,000 k  g,  it c  an c  arry o  nly  one u  nit a  t  a  time.  We  will  call  this  the  “BA­2100  Stack.” 
 
The Falcon Heavy ELV can lift 53,000 kg to LEO. Each B330 weighs 25,000 kg, so it can carry 
2 units at a time (assuming, of course, that it could fit in a payload shroud). We will call this the 
“B330  Stack.” 
 
Each PB/DN has a mass of 17,000 kg, so 3 units will fly on the Falcon Heavy ELV to LEO. This 
will b  e c  alled t he “  PB/DN S  tack.” 
 
:: 
 

 

Page 5  4 o  f  1  76 

 

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

BA–2100 S  tack: 
● Cost: ( 1)  SLS I A  +  (1) B  A–2100  = $  750M +   $  500M =   $  1,250M 
● Mass: ( 1) B  A­2100  = ( 1)  100,000  kg =   1  00,000  kg 
● Volume: ( 1)  2,100  m 3   =  2,100 m  3  
● Crew:  (1) 1  6  = 1  6  Astronauts 

 
B330  Stack: 

● Cost: ( 1)  Falcon H  eavy +   ( 2) B  330 =   $  150M +    (2)  $125M  =  $400M 
● Mass:  (2)  B330 =    (2) 2  5,000 k  g  =  50,000 k  g 
● Volume:  (2) 3  30  m 3   =   6  60 m  3  
● Crew:  (2)  6  =  12  Astronauts 
 
PB/DN  Stack: 
● Cost:  (1)  Falcon  Heavy +    (3) P  B/DN  = $  150M  +  (3) $  75M =    $375M 
● Mass:  (3) 1  7,000 k  g =    51,000  kg 
 
It now becomes an easy matter to compute the specifications of any space station design that we 
choose.  If a design calls for using four B330 modules, then two B300 Stacks are needed. Note, 
however,  that  the  space  station design does have constraints. For instance, the number of B300 
habitat m  odules m  ust b  e e  ven, a  nd  the  number  of P  B/DNs  must  be a   m  ultiple o  f 3  . 
 
To  summarize, 
 
BA–2100  Stack 
● COST:  $1,250M 
● MASS:100,000  kg 
● VOLUME:  2,100  m3  
● CREW:  16  Astronauts 
 
B330 S  tack 
● COST  :  $400M 
● MASS: 5  0,000  kg 
● VOLUME:  660  m 3 
● CREW:  12 A  stronauts 
 
PB/DN  Stack 
● COST: $  375M 
● MASS:  51,000  kg 
 

 

Page 5  5  of  1  76 

 

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

All t his  information  can  be p  ut i nto  a  matrix: 

 

           ┌     ┐   

           ⎸   $1,250M 100mt 2,100m3  16 C  rew  ⎸ 

Stack  Information =     ⎸      $400M    50mt    6  60m3  12  Crew  ⎸ 

           ⎸      $375M    51mt         –         –      ⎸   

          └    ┘   

 

The n  umber o  f  each  stack  that  is  needed c  an a  lso  be w  ritten  as a   m  atrix: 

 

N umber of  Stacks  =   [BA − 2100 Stacks     B330 Stacks     P B/DN  Stacks]  

 

However, t he  Number o  f S  tacks w  ill h  ave t o  first b  e  calculated,  since  the  number  of  B330s  and 

PB/DNs m  ust  be m  ultiples o  f 2   a  nd 3    respectively. 

 

Therefore, g  iven: 

 

● Number  of B  A–2100s 

● Number  of B  330s 

● Number  of P  B/DNs 

  [ ]N umber of Stacks  =  

N umber of  BA − 2100           N umber of  B 330            N umber of  P B/DN  
2 3

 

Since  the N  umber o  f  Stacks  is  a [ 1 x   3  ]  matrix, a  nd t he  Stack  Information  is a   [ 3 x   4  ]  matrix,  we 

can  perform t he  dot  product  of  the 2   m  atrices, w  hich  is r epresented a  s: 

 

[1 x   3  ] X    [3  x  4]  =  [1 x    4] 

 

[Number  of  Stacks]  X  [Stack  Information] =   T  otal 

 

where  Total  is  represented a  s: 

 

T otal  =   [Cost     M ass    V olume     Crew]  

 

So  let’s b  uild  us a   c  ity  in  space,  shall w  e? 

 

:: 

 

 

Page  56  of  1  76 

 

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

 
Example 
The folks at Bigelow Aerospace have made it easy for us: they’ve already designed a very nice 
space station! It’s called the “Hercules Resupply Depot,” but we’ll just call it “Home.” Thanks, 
Bigelow! 

 
Image  19:  The  Hercules  Resupply D  epot B  igelow S  pace  Station 

 
As  you  can  see  from  the  poster,  we’ll  need  three  BA–2100s,  six  B330s,  and  three PB/DNs to 
complete  the d  esign. W  e c  an t herefore c  alculate  how  many “  stacks” w  e’ll  need: 
 
(3) B  A–2100 =    (3)  BA–2100  Stacks 

● (3) $  1,250M  =  $3,750M 
● (3) 1  00,000  kg  =  300,000 k  g 
● (3) 2  ,100 m  3    =    6,300 m  3  
● (3)  16  Crew  = 4  8  Crew 
 
(6)  B330 =   ( 3) B  330  Stacks 
● (3) $  400M =    $1,200M 
● (6)  25,000 k  g  =  150,000  kg 
● (6)  330  m3    = 1  ,980 m  3  
● (6)  6 C  rew =   3  6 C  rew 
 
(3)  PB/DN =    (1)  PB/DN  Stack 
● (1)  $375M 
● (3) 1  7,000 k  g  = 5  1,000 k  g 
 
:: 
 

 

Page  57 o  f  1  76 

 

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

 

Adding e  verything u  p w  e g  et: 

● Total C  ost: $  5,325M 

● Total  Mass:  501,000 k  g 

● Total  Volume: 8  ,280 m  3  

● Total  Crew:  84 A  stronauts 

 

The  calculations,  however, a  re  waaaaaay  easier t o  handle  using M  atrix  Notation: 

 

N umber of  Stacks  =   [ 3           6            3 ]   =   [3     3     1]  
2 3

 

and 

  ┌      ┐ 

  ⎸  $  1,250M 100mt 2,100m3  16  Crew  ⎸ 

[3      3      1]   X   ⎸   $  400M   5  0mt    6  60m3  12  Crew  ⎸ 

  ⎸      $375M    51mt        –          –      ⎸   

 └     ┘ 

 

┌      ┐ 

 ⎸  $  1,250M 100mt 2,100m3  16 C  rew  ⎸ 

[3     3        1]  =    ⎸      $400M   5  0mt     660m3  12 C  rew  ⎸ 

 ⎸      $375M   5  1mt         –         –      ⎸   

└    ┘ 

 

Summing t he c  olumns  of t he m  atrix t hat  we  just  cross  multiplied,  we g  et o  ur f inal m  atrix: 

 

Space  Station H  ercules =   [ $5,325M   501mt    8  ,280m3       84  Crew]  

 

The a  mount  of s  pace t hat  each a  stronaut  gets c  an n  ow  be  calculated. 

 

Crew V olume  = T otal V olume  
T otal Crew

              =   8280  
84

              =    98.59m3   p  er  astronaut. 

 

:: 

 

 

Page 5  8  of   176 

 

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

So  this  is  a  space  station  that  has  a  mass  of  half  a  million  kilograms, has over eight thousand 
cubic meters of habitable space, can house 84 people, with almost one hundred cubic meters of 
elbow  room f or e  ach  person,  can  re­boost i ts  orbit,  and  costs  a l ittle o  ver f ive  billion d  ollars. 
 
A c  omparison  of t he H  ercules s  pecifications  with t he  International S  pace  Station  is  below: 

 

  Hercules  I.S.S. 

Total C  ost  (USD)  $5,325,000,000  $150,000,000,000 

Total  Mass  (kg)  501,000  450,000 

Total V  olume ( m3 )    8,280  837 

Total  Crew  (Astronauts)  84  3 

Total C  rew  Volume ( m3 /  Astronaut)  99  279 

 
The I.S.S. price tag eventually became $150B (USD), which makes the Hercules about one–third 
the cost for roughly the same mass, and containing around 10 times the pressurized volume while 
sustaining  28  times  the  crew size of the I.S.S. While the I.S.S. crew does enjoy almost 3 times 
the i ndividual v  olume, t he H  ercules  is c  learly  superior  in v  irtually e  very c  ategory. 
 
:: 
 

3.04  Guided  Practice 

 
You a  re  an  space s  tation d  esigner.  Use t he B  igelow  Space  Station  Equation  to c  alculate t he 
specifications  for e  ach s  pace  station. 
 
Space  Station  Delta: 

● Number o  f B  A­2100: 1   
● Number o  f  B300: 4   
● Number  of  PB/DN:  3 
 
● Total C  ost:  $_______________ 
● Total  Mass:  _______________  kg 
● Total  Volume: _  ______________  m3  
● Total C  rew:  _____  Astronauts 
● Total  Crew V  olume: _  ____ m  3  

 

Page 5  9 o  f   176 

 

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

Space S  tation  2:  
● Number  of  BA­2100:  2 
● Number  of  B300:  8 
● Number  of  PB/DN: 6   

 
● Total C  ost: $  _______________ 
● Total M  ass: _  ______________ k  g 
● Total V  olume: _  ______________  m3  
● Total C  rew: _  ____  Astronauts 
● Total  Crew V  olume:  _____  m3  

 
:: 
 

3.05  Cross  Curricular E  xercises 

 
ARTWORK 
Find i mages o  f t he B  igelow A  erospace B  330 i nflatable s  pace  station  module  on t he I nternet.  Use 
the i mages  that y  ou  have  researched t o d  raw a   p  icture o  f t he s  pace s  tation  in E  arth  orbit. 
 
R.A.F.T. W  RITING #  1 

● Ro  le:  Teacher 
● Au  dience:  Middle  School s  tudents 
● Fo  rmat: F  ive p  aragraph e  ssay 
● T opic:  The  Apollo Skylab. Who were the astronauts that flew the missions? How many 

days  did  each  crew  stay? What was unique about their missions? What was in common 
with all the missions? How does the Skylab differ from the space station presented in this 
textbook? H  ow a  re  they  the  same? W  hy  even  bother t o b  uild a   s  pace s  tation  anyway? 
 
DISCUSSION  TOPICS 
● Was t he m  athematics  in  this  chapter  difficult t o u  nderstand? 
 
● The  authors  conclude t hat t he  Hercules  space  station i s s  uperior t o  the I .S.S.  Do  you 
agree w  ith t he a  uthors?  Why o  r W  hy n  ot? 
 
● What  would i t  be  like t o  stay  aboard  a B  igelow  space  station? W  ould y  ou l ike t o b  e a   
guest a  t a   s  pace h  otel?  Why o  r  why  not? 
 
:: 
 

 

Page  60 o  f   176 

 

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

3.06 S  pace S  tation  Design W  ebsite 

 
We n  ow  proceed t o  create  the s  uborbital w  ebsite  that  includes  the  engineering l ogs a  nd  the a  pp 
embedded i n  a w  ebpage. 
 
 
 
INSERT  TEXT  HERE 
 
 
 

3.07 S  pace S  tation D  esign  Spreadsheet  App 

 
Given  the  above  information,  we  can  use  a  spreadsheet  to  enter equations and data to create a 
Space M  ission  Design  App  (SMDA). 
 
The S  .T.E.M.  for  the  Classroom/Google  App i s  broken  down  into  four  (4) p  arts: 
 
Input/Output  Interface 
Graph 
Constants 
Calculations 
 
The A  pp c  an  now b  e  developed. 
 
Sample G  oogle  Sheets A  pp  Design O  pen S  ource  Code 
Once t he c  ells  have b  een  named r eferencing  cells  is e  asy. 
 

● CALCULATIONS 
○ TotBA2100Wt=InputNumBA2100*BA2100Wt 
○ TotBA2100Vol=InputNumBA2100*BA2100Vol 
○ TotBA2100Crew=InputNumBA2100*BA2100Crew 
○ TotBA2100Cost=InputNumBA2100*BA2100Cost 

 
○ TotBA330Wt=InputNumBA330*BA330Wt 
○ TotBA330Vol=InputNumBA330*BA330Vol 
○ TotBA330Crew=InputNumBA330*BA330Crew 
○ TotBA330Cost=InputNumBA330*BA330Cost 

 

Page  61 o  f  1  76 

 

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

 
○ SpaceStationVol=TotBA2100Vol+TotBA330Vol 
○ SpaceStationCrew=TotBA2100Crew+TotBA330Crew 
○ SpaceStationCrewVol=SpaceStationVol/SpaceStationCrew 

 
 
INSERT  OPEN S  OURCE C  ODE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INSERT O  PEN S  OURCE  CODE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INSERT  OPEN  SOURCE  CODE 
 
 
 

 

Page  62  of   176 

 

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

Sample A  pp  Interface 
 

 

Image 2  0:   Space S  tation  Design  Spreadsheet  App 

 

3.08  Space  Station  Design  Mobile A  pp 

 
Sample A  ppSheet  Mobile A  pp D  esign O  pen S  ource C  ode 
Once t he  Google  Spreadsheet h  as  been  completed, i t c  an  be  used  to  help c  reate  the  mobile a  pp. 

 
 
 
 

­  INSERT C  ODE H  ERE  ­ 

 

Page 6  3  of  1  76 

 

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

 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
­  INSERT C  ODE  HERE ­  

 
 

Sample  AppSheet  Mobile  App D  esign 

 

Image  21: S  pace  Station  Design  Mobile A  pp   

   

Page  64  of   176 

 

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

3.09 O  rbital M  ission  Design P  resentation D  evelopment 

 
INSERT T  EXT  HERE 
 
 
 
 
 
 
INSERT T  EXT  HERE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INSERT  TEXT  HERE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Page  65  of   176 

 

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

3.10 C  hapter  Test 

 

I.  VOCABULARY 
Match  the a  erospace t erm w  ith  its d  efinition. 

 

  1.  B330 M  odule  A. T  he n  umber  of a  stronauts a  board  a s  pace s  tation. 

 2  .  Crew  Size  B.  A    Bigelow  habitat  module  that  has  a  pressurized 
volume o  f  330 c  ubic  meters 

  3.  Crew  Volume  C.  The  unit  used  to  reboost  the  space  station  due  to 
orbital d  ecay 

  4.  Falcon  Heavy  D. T  he  total p  ressurized v  olume  for  each  crew m  ember 

 

  5. P  ropulsion B  us  (PB)  E. A  n  ELV  from S  paceX  that c  an l ift  53,000  kg 

 

II. M  ULTIPLE C  HOICE 

Circle  the  correct  answer. 

 

  6. The name of the Bigelow habitat module is also the volume (in cubic feet) of the habitable 

interior o  f t he  module. 

 

A.  TRUE B. F  ALSE 

 

  7.  Bigelow  habitat  modules  come  complete  with  docking ports, solar panels, radiators, and a 

breathable a  tmosphere. 

 

A. T  RUE B. F  ALSE 

 

 8. What is the habitable volume of a space station design that consists of one BA–2100 module 

and  two  B330  modules? 

 

A.  2,760 i n3  B.  2,760  ft3  C. 2  ,760  m3  D. C  annot  be  determined 

 

 9. A space station design calls for eight BA­330 habitat modules. How many B330 Stacks will 

be n  eeded? 

 

A.  Two B. F  our C. S  ix D. C  annot  be d  etermined 

 

10. The Crew Volume can be found by dividing the space station ______________ into the total 

number  of s  pace  station c  rew 

 

A.  Volume B. M  ass C. C  rew  Size D.  Cannot b  e d  etermined 

 

Page 6  6 o  f   176 

 

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

III.  CALCULATIONS 
A  space s  tation  design  calls  for  6  B330 m  odules a  nd  3 P  B/DNs. 

 

11.  How m  any  SLS  IA E  LVs w  ill b  e r equired? 

 

12. H  ow m  any F  alcon H  eavy  ELVs  will  be  required? 

 

13.  How  many  BA–2100 S  tacks  will b  e  required? 

 

14. H  ow  many B  330  Stacks w  ill  be r equired? 

 

15. H  ow  many P  B/DN  Stacks w  ill  be r equired? 

 

16. W  hat  is  the  weight  of  this s  pace  station? 

 

17. W  hat i s  the  habitable v  olume  of  this s  pace s  tation? 

 

18.  What  is t he n  umber  of  crew  of t his  space  station? 

 

19.  What  is  the C  rew  Volume o  f  this  space  station? 

 

20. W  hat i s  the  total  cost  of  this s  pace  station? 
 
IV.  WRITING 
Write a    one  paragraph e  ssay  on t he t opics  below. 

 

21.  Explain  how  to f ind t he  total h  abitable  volume o  f a    Bigelow  space s  tation s  imply b  y k  nowing 
how m  any  of  each  module  it h  as. 

 

22. E  xplain w  hy  (or  why  not)  three P  B/DNs  can  be  launched  using a   F  alcon  Heavy  ELV. 

 

23.  Explain  why  (or  why n  ot)  two  BA–2100  habitat  modules c  an  be  launched  using t he S  LS I A 
ELV. 

 

24.  Explain  how  to  calculate  the t otal  pressurized  volume  for  each  crew m  ember  (Crew V  olume). 

 

25.  Write  a  short  story  about  what  it  would  feel  like  to  float  weightlessly  inside of a Bigelow 
space s  tation, w  hile g  azing  at t he  curvature o  f  the E  arth  as i t  flies  around  the  world. 
 
 
 
 

END  OF  CHAPTER 3   E  XAM 

 

Page 6  7  of   176 

 

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

Chapter 4  :  Spaceport 

 
4.01 N  arrative   9  9 

 
4.02  Vocabulary   9  9 

 
4.03  Analysis    99 
 
4.04 G  uided P  ractice    99 
 
4.05  Cross C  urricula A  ctivities    99 
 
4.06  Unpowered  Glide  Landing W  ebsite  Development    99 
 
4.07  Unpowered  Glide L  anding S  preadsheet  App  Development   9  9 

 
4.08  Unpowered G  lide  Landing  Mobile A  pp D  evelopment   9  9 
 
4.09  Unpowered G  lide L  anding  Presentation  Development   9  9 

 
4.10 C  hapter T  est    99 
 

 
  

 

Page  68 o  f   176 

 

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

4. S  paceport 

 

4.01 N  arrative 

 

In this, the fourth and final aerospace­based 
S.T.E.M.  project,  students  will  track  the 
position  and  speed  of  a  spacecraft  that  is 
landing  at S  paceport  America. 
 
Time F  rame 
4.5  weeks 
 
Aerospace P  roblems 
Glide S  lope 
Altitude 
Distance F  rom  Runway 
Descent R  ate 
Ground  Speed 
 
Mathematics U  sed 
Trigonometry 
Vector A  nalysis 
 
Science  Topics 
Physics,  Aerospace 
 
Activating P  revious  Learning 
Geometry 

     I  mage  22:  Spaceport A  merica C  over 

 
Essential  Questions 

● Who a  re  the p  ioneers o  f  spaceports? 
● What i s t he C  omplement o  f  an  angle? 
● Where  can  a s  paceport b  e  located? 
● When  was  Spaceport  America  open  for  business? 
● Why  would  people  prefer  to l and  at a   s  paceport a  s  opposed t o  an  airport? 
● How  do I  u  se T  rigonometry  to  calculate t he  distance  and a  ltitude  of  a s  pacecraft? 
● How  do  I c  alculate  how  far  away  a s  paceliner  is  from  the  spaceport? 
● Wait. I   have  to d  o  science, t echnology, e  ngineering,  and m  ath, a  ll  at  the s  ame t ime? 

 

Page  69 o  f   176 

 

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

This  lesson i s p  owered b  y E  8  : 
 

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

2. Explore 
○ The R  ight  Triangle 
○ The T  rigonometric  Identities 
○ Basic  Vector A  nalysis 
○ Additional T  erms  and  Definitions 

3. Explain 
○ Glide S  lope 

4. Elaborate 
○ Other  Spaceport  Examples 

5. Exercise 
○ Spacecraft  landing P  arameters 
○ Spacecraft  landing  Scenario 

6. Engineer 
○ The  Engineering D  esign  Process 
○ SMDA  Spacecraft L  anding  Plan 
○ Designing  a P  rototype 
○ SMDA  Software 

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

8. Evaluate 
○ Post E  ngineering A  ssessment 

 
:: 
 
Lesson  Overview 
Students  first  learn  the  basics  of  spaceflight  unpowered  glide  landing  using  pencil,  paper,  and 
scientific calculator. Students then use what they have learned to create a Space Mission Design 
App  (SMDA),  designed  according  to  the  Engineering  Design  Process,  that  will  be  used  for 
real­world s  pacecraft. 
 

 

Page 7  0 o  f   176 

 

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

We  will  be  using  Spaceport  America  (33 o  N,  107 o  W),  located  just  north  of  Las  Cruces,  NM. 

Typical  spacecraft  that  could land at this facility are the Virgin Galactic SpaceShipTwo and the 

R.E.L. S  kylon. 

 

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

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

and p  resenting t heir  findings  to t he  rest o  f  the  class. 

 

Constants 

● None 

 

Input 

● Glide A  ngle ( deg) 

● Glide D  istance 1   ( ft) 

● Glide D  istance 2   ( ft) 

 

Output 

● Altitude ( m  AGL) 

● Distance f rom  Spaceport  (m) 

● Glide S  lope ( deg) 

● Glide S  peed ( mps) 

● Descent R  ate ( mps) 

● Ground  Speed  (mps) 

● Time  to T  ouchdown  (min) 

 

:: 

 

4.02  Vocabulary 

 

Adjacent S  ide Altitude Above G  round  Level  (AGL) 

Descent  Rate Distance  From  Spaceport Glide A  ngle 

Glide D  istance Glide S  lope Glide  Speed 

Ground  Speed Hypotenuse Landing L  aser 

Landing P  rofile Line­Of­Sight Opposite S  ide 

Right T  riangle Time T  o T  ouchdown Touchdown 

 

 

Page  71 o  f  1  76 

 

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

 
Image 2  3:  The  unique b  uilding  that  houses s  pacecraft  at t he s  paceport 

 
4.03 A  nalysis 
 
Any  spacecraft  returning  from  space  is  always  out  of  propellant.  This  is  because  all  the 
propellant is used during the trip into space. Consequently, there is none available for the return 
trip.  All  machines that have wings can glide, that is, fly with the engine turned off. Some glide 
better  than  others, b  ut s  till, t hey a  ll  glide. 
 
This is why spacecraft come in with their nose down; they are maintaining required airspeed. As 
they  cross  over  the  edge  of the runway, the nose is pulled up and the spacecraft flattens out its 
glide as air is packed underneath the wings. It’s then just a simple matter of letting the spacecraft 
sink t o a    gentle  touchdown. 
 
Once  on  the  ground  the  nose is kept in the air “wheelie” fashion, so that speed can be bled off 
without  using  brakes,  because  they  can  get  very  hot  extremely  quickly.  After  the  nose  comes 
down on its own the brakes can then be (sparingly) applied. Eventually, the spacecraft rolls to a 
full  stop. 
 
Back h  ome o  nce  again! 

 

Page 7  2  of  1  76 

 

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

 

Image 2  4: G  lide  path  of a   v  ehicle  returning f rom  space 

 
We  will  be  tracking a hypothetical spacecraft returning from space (such as the Virgin Galactic 
SpaceShipTwo)  as  the  pilots  on  board  perform  an  unpowered  glide  landing  back  to  the 
Spaceport.  
 
A  Landing  Laser  located  at  the edge of the Spaceport runway will be used to track the landing 
spacecraft. T  he  laser w  ill  determine  the  Glide A  ngle a  nd  the G  lide D  istance: 
 

 

Image 2  5: D  iagram  of L  anding  Configuration 

 
 

 

Page 7  3 o  f  1  76 

 

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

This  laser  will  measure the Glide Angle from the vertical, since the ground may or may not be 
level.  The  laser  itself  when  triggered  will  perform  two  bursts  over  a  one  second  period.  This 
gives  us  Glide D  istance  1  and G  lide D  istance  2. 
 
Note:  Ideally,  the  laser  would  be  firing  every  second  so  that  a  more  accurate  plot  of  the 
spacecraft can be made as it comes in for the landing. This constraint to the project means that 
we  are  basically  taking  a  snapshot  of  the  position  and  speed of the spacecraft with each laser 
firing. 
 
The  resulting  Landing  Profile  can  be  represented  as  a  Right  Triangle,  and  can then be labeled 
appropriately.  The G  lide  Slope  is  simply t he C  omplement o  f  the G  lide  Angle. 
 

Glide Slope  =  Complement(Glide Angle)  =  90o −  Glide Angle  
 

 

Image 2  6:  Pythagorean T  riangle  used  to  calculate s  pacecraft  landing  data 

 

 

The Right Triangle can be solved by using the Trigonometric functions of Sine and Cosine. For 

the  purposes  of t his  exercise, t he a  ngles  will  not h  ave t o  first b  e  converted  to  radians. 

 

cos(θ)  =   Adj acent S ide  
H y potenuse

 

sin(θ)  =   Opposite S ide  
H y potenuse

 

Writing t he t rigonometry  in  aerospace f orm,  the g  eneral e  quation b  ecomes: 

 

cos(Glide Slope)  =   Distance T o Spaceport  
Line−Of −S ig ht Distance

 

sin(Glide Slope)  =   Line−Of Altitude  
−S ig ht− Distance

 

Page  74 o  f  1  76 

 

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

Rearranging  the e  quation, w  e  get, 

 

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

 

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

 

To  graph  the  Landing  Profile,  simply  graph  the t wo p  oints: 

 

(0,  0) &   ( Distance  to  Spaceport,  Altitude) 

 

The  linear  equation  can e  asily b  e d  erived  from t hese t wo  points. 

 

The two laser bursts one second apart gives us two distances with t=1. Thus we get two different 

distances,  Line­Of­Sight  Distance  1  and Line­Of­Sight Distance 2. Using d=rt and rearranging, 

we g  et, 

 

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

 

Using  the s  ame  trigonometric  functions a  s b  efore,  the o  ther  rates c  an  be c  alculated. 

 

Ground Speed  =  Glide Speed  ·  cos(Glide Slope)  

 

Descent Rate  =  Glide Speed  ·  sin(Glide Slope)  

 

and 

 

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

 

:: 

 

Example 

An  R.E.L.  Skylon  is  returning  to  Spaceport  America  from  space  after  dropping  off  some 

passengers  and  picking  up  more  that  are homeward bound. The Landing Laser bounces a laser 

off  of t he s  paceplane t o  determining t he  following i nformation: 

 

● Glide  Angle =    55  degrees 

● Glide  Distance  1 =    19.80  mi 

● Glide D  istance 2    = 1  9.75 m  i 

 

Page  75  of   176 

 

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

Find  the  following  information a  bout t he  landing s  pacecraft a  t  this m  oment i n t ime. 

 

● Altitude  AGL 

● Distance  to S  paceport 

● Glide  Slope 

● Glide  Speed 

● Descent R  ate 

● Ground  Speed 

● Time  To  Touchdown 

 

First, w  e m  ust  change  our i nputs t o  S.I. u  nits: 

 

Line − Of − Sight Distance 1  =   Glide Distance 1   =  31, 865 m  
1609

 

Line − Of − Sight Distance 2  =   Glide Distance 2   =  31, 785 m  
1609

 

So, 

 

Glide Slope  =  90o − 55o  =  35o  

 

Altitude (AGL)  =  Line − Of − Sight Distance 2  ·  sin(Glide Slope)  

               =  31785(0.57)  =  18, 277 m  

 

Distance T o Spaceport  =  Line − Of − Sight Distance 2  ·  cos(Glide Slope)  

                   =  31785(0.82)  =  26, 102 m  

 

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

             =  31865  −  31785  = 81 mps  

 

Descent Rate  =  Glide Speed  ·  sin(Glide Slope)  

              =  81(0.57)  =  46 mps  

 

Ground Speed  =  Glide Speed  ·  cos(Glide Slope)  

                =  81(0.82)  =  46 mps  

 

T ime T o T ouchdown  =   Line−Of −S ig ht Distance 2   =  690 s  =  11.5 min  
Glide S peed

 

S.T.E.M. E  ducation. D  on’t  come  home  without  it... 

 

Page  76  of   176 

 

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

4.04 G  uided  Practice 

 
You a  re a  n s  paceliner C  aptain r eturning f rom a   m  ission i n s  pace. U  se  the S  paceport A  merica 
Equation  to  keep t rack  of y  our  landing  parameters. 
 
Landing S  cenario 

● Glide A  ngle =   4  5 d  egrees 
● Glide D  istance 1    =  15.05 m  i 
● Glide D  istance 2   =   1  5.00  mi 
 
Altitude  AGL  = _  _________ m   
 
Distance  to S  paceport  =  __________  m 
 
Glide  Slope  = _  _________  o 
 
Glide  Speed =   _  _________ m  ps 
 
Descent R  ate =    __________ m  ps 
 
Ground  Speed =   _  _________ m  ps  
 
Time  To  Touchdown =   _  _________ s   
 
:: 
 

4.05  Cross  Curricular  Exercises 

 
ARTWORK 
Find  images  of S  paceport  America  on  the I nternet. U  se t he i mages t hat  you  have r esearched  to 
draw a    picture  of  spaceliners  flying  in a  nd o  ut  of  the  spaceport. 
 
R.A.F.T.  WRITING  

● Ro  le:  Teacher 
● Au  dience:  Middle  School  students 
● Fo  rmat:  Five p  aragraph e  ssay 
● T opic:  The  Kennedy  Space  Center  (KSC).  What  spacecraft  were  launched  from there? 

Did  any  of  the  space  launches go to the Moon? What was unique about their missions? 

 

Page  77 o  f  1  76 

 

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

What  was  in  common  with  all  the  missions?  How  does  KSC  differ  from the spaceport 
presented in this textbook? How are they the same? Why even bother to build a spaceport 
anyway? 
 
DISCUSSION T  OPICS 
● Was t he  mathematics  in t his  chapter  difficult t o u  nderstand? 
 
● The  authors  conclude  that  is a  n e  xcellent l ocation t o  use  as a   s  paceport. D  o y  ou  agree 
with  the  authors?  Why  or  Why n  ot? 
 
● What  would  it  be  like t o f ly i nto  space  from  Spaceport A  merica? W  ould y  ou  fly  on  either 
SpaceShipTwo  or t he S  kylon  spaceliner?  Why o  r w  hy  not? 
 

4.06  Spaceport  Unpowered  Glide L  anding  Website 

 
We  now  proceed t o c  reate  the  suborbital w  ebsite t hat i ncludes t he e  ngineering  logs  and  the a  pp 
embedded  in  a w  ebpage. 
 
 
 
INSERT T  EXT  HERE 
 
 
:: 
 

4.07  Spaceport  Unpowered  Glide L  anding  Spreadsheet  App 

 
Given  the  above  information,  we  can  use  a  spreadsheet  to  enter equations and data to create a 
Space M  ission  Design  App ( SMDA). 
 
The S  .T.E.M. f or t he C  lassroom/Google  App  is  broken d  own i nto  four  (4)  parts: 
 

1. Input/Output  Interface 
2. Graph 
3. Constants 
4. Calculations 
 
The A  pp c  an n  ow b  e d  eveloped. 

 

Page  78  of  1  76 

 

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

Sample O  pen S  ource  Code 
Once  the c  ells  have  been  named  referencing  cells  is e  asy. 
 

● CALCULATIONS 
○ LOSDist1=GlideDist1/1609 
○ LOSDist2=GlideDist2/1609 
○ GlideSlope=90­GlideAngle 
○ Alt=LOSDist2*sin(GlideSlope) 
○ DistToSpaceport=LOSDist2*cos(GlideSlope) 

 
 
 
 
INSERT O  PEN S  OURCE C  ODE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INSERT O  PEN S  OURCE C  ODE 
 
 
 
 
 

 

Page  79  of   176 

 

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

Sample  App  Interface 
 

 

Image  27: S  paceport U  npowered  Glide L  anding  Spreadsheet A  pp 
 
:: 
 

4.08 S  uborbital S  pace M  ission D  esign M  obile A  pp 

 
Sample  AppSheet M  obile  App  Design O  pen  Source C  ode 
Once t he G  oogle S  preadsheet h  as  been c  ompleted, i t  can b  e u  sed  to  help  create t he  mobile  app. 

 
 
 
 

­ I NSERT  CODE H  ERE  ­ 

 

Page 8  0 o  f  1  76 

 

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

Sample A  ppSheet  Mobile  App D  esign 
 

 

Image 2  8:  Unpowered G  lide  Landing  Mobile A  pp 
 

4.09  Orbital  Mission D  esign  Presentation D  evelopment 

 

INSERT  TEXT  HERE 

 

 

 

 

 

 

INSERT T  EXT  HERE   

 

Page  81  of   176 

 

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

4.10 C  hapter T  est 

 

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

 

 1  . A  djacent S  ide o  f a    Right  A.  A triangle with one of the angles equal to exactly 90 
Triangle  degrees. 

 2  . D  escent R  ate  B.  The  side  next t o t he  given  angle (  not t he 
Hypotenuse). 

 3  . G  lide S  lope  C.  The  distance  a  spacecraft  descends  over  a  certain 
 4  .  Hypotenuse  period o  f  time. 

D. T  he  angle a   s  pacecraft m  akes  to  the h  orizontal. 

 5  . R  ight T  riangle  E.  The l ongest  side  of a    right t riangle. 
 

II.  MULTIPLE  CHOICE 

Circle t he c  orrect a  nswer. 

 

  6. A spacecraft is returning from space for a landing back at Spaceport America. It is required 

for t he s  pacecraft t o  have t he  engines  turned  on  in  order  to  land s  afely. 

 

A. T  RUE B. F  ALSE 

 

  7.  Given  a  Right  Triangle,  the sine of an angle (that is not the Right Angle) is defined as the 

Hypotenuse d  ivided b  y t he  Adjacent s  ide. 

 

A. T  RUE B. F  ALSE 

 

  8. W  hat i s  the G  lide  Slope o  f  a l anding s  pacecraft i f t he  Glide A  ngle  is 6  0o ?   

 

A.  60o  B.  30 o C. 1  5 o     D. C  annot  be d  etermined 

 

  9.  The  Landing Laser is malfunctioning and is giving the Glide Angle of a landing spacecraft. 

What  is t he d  istance  to t he  Spaceport  of  the  spacecraft? 

 

A. 8  .3 k  m B. 1  6.6 k  m C. 3  3.2  km    D  . C  annot  be  determined 

 

10.  If  the  measurement  of  the Adjacent Side of an angle is increased, then the measurement of 

that  angle  ____________. 

 

A.  Increases B. D  ecreases C.  Unchanged    D  . C  annot b  e  determined 

 

Page  82 o  f   176 

 

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

III. C  ALCULATIONS 
An  R.E.L. S  kylon  is  in a  n u  npowered  glide l anding  returning t o S  paceport  America.  The 
Landing  Laser p  aints  the  spacecraft  with  a  61o     Glide A  ngle  and  a  19.70 m  iles  Glide  Distance. 
Exactly  one  second  later,  the s  pacecraft i s  holding s  teady  at  61 o,   b  ut i s n  ow a  t  19.65  miles. 

 

11.  What  is  Glide  Distance 1  ? G  lide  Distance 2  ? 

 

12. W  hat  is L  ine­of­Sight D  istance 1  ? 

 

13. W  hat i s  Line­of­Sight D  istance  2? 

 

14. W  hat  is t he  Glide S  lope? 

 

15.  What  is t he D  istance t o t he  Spaceport? 

 

16 .  What i s t he A  ltitude  (AGL)? 

 

17. W  hat  is  the  Glide S  peed? 

 

18.  What i s  the G  round  Speed? 

 

19. W  hat i s  the D  escent R  ate? 

 

20.  What  is t he T  ime T  o T  ouchdown? 
 
 
IV. W  RITING 
Write  a o  ne  paragraph e  ssay  on  the  topics b  elow. 

 

21.  Explain  why a   t riangle c  an  never  have t wo  right a  ngles. 

 

22.  Explain w  hy  if  in  a R  ight  Triangle,  increasing  the  Opposite S  ide o  f  an  angle i ncreases t he 
measurement o  f t hat a  ngle. 

 

23.  Explain  how  to  convert G  lide D  istance i nto  Line­Of­Sight  Distance, t hat i s, c  onvert  Glide 
Distance t o S  .I. u  nits. 

 

24.  Explain h  ow t o  find  the D  escent  Rate  of a   s  pacecraft r eturning  from  space. 

 

25. Write a short story about what it would be like to feel the adrenaline after an unpowered glide 
back  to S  paceport  America  from  Low  Earth  Orbit  aboard  any s  pacecraft  that y  ou  desire. 
 
 

END  OF C  HAPTER  4 E  XAM 

 

Page  83  of   176 

 

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

 
 
 
 

END  FALL  SEMESTER 

 
 
 
 
  

 

Page  84  of   176 

 

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

 
 
SPRING  SEMESTER 

 
ASTRONAUTICS 
 
 
Unit  3: B  asic A  stronautics 

 
Chapter 5  :  Delta  V  and  Transfer  Time    99 
 
Chapter 6  :  Spacecraft M  ass   99 

 
 
 

Unit 4  : A  dvanced  Astronautics 

 
Chapter 7  : T  he R  ocket  Equation    99 
 
Chapter 8  :  Lunar  Landing    99 
 

  

 

Page  85  of   176 

 

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

Chapter 5  : D  elta  V a  nd T  ransfer  Time 

 
5.01 N  arrative    99 

 
5.02  Vocabulary   9  9 

 
5.03  Analysis    99 
 
5.04  Guided  Practice    99 
 
5.05 C  ross  Curricula  Activities   9  9 
 
5.06 D  elta  V   Mission D  esign W  ebsite D  evelopment    99 
 
5.07 D  elta  V  Mission D  esign  Spreadsheet A  pp  Development    99 

 
5.08  Delta  V  Mission  Design M  obile  App D  evelopment   9  9 
 
5.09  Delta V   M  ission  Design  Presentation  Development   9  9 

 
5.10  Chapter T  est   9  9 

 
 
  

 

Page 8  6 o  f   176 

 

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

5. D  elta  V a  nd T  ransfer T  ime 

 

5.01 N  arrative 

 

In  this,  the  first  of  four  interconnected 
astronautics–based  S.T.E.M.  projects, 
students will calculate the change in orbital 
velocity D  elta V (Δv) needed to change the 
orbital  altitude  of  a  spacecraft. 
 
Time F  rame 
4.5  weeks 
 
Astronautics P  roblems 
Periapsis  Δv 
Apoapsis Δ  v 
Δv  Budget 
Transfer T  ime 
Mission D  uration 
 
Mathematics U  sed 
Square  Root F  unctions 
 
Science T  opics 
Physics, A  stronautics 
 
Activating P  revious  Learning 
Basic  Mathematics 

       I  mage 2  9:  Boeing  Delta V    Cover 

 
Essential Q  uestions 

● What i s  the  relationship b  etween t he  change i n v  elocity a  nd  the  orbital a  ltitude? 
● Why  do  I n  eed  to  raise o  r l ower m  y  orbital  altitude? 
● How  long d  oes i t  take  to r each m  y d  estination? 
● How  long c  an  I s  tay a  t m  y d  estination? 
● How d  oes t he r adius o  f  the  earth d  etermine Δ  v? 
● Who  are  are s  ome  of  the  pioneers i n s  pace  exploration? 
● Wait.  I h  ave t o  do  science,  technology, e  ngineering, a  nd m  ath,  all  at t he s  ame  time? 
 

 

Page 8  7  of  1  76 

 

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

This  lesson i s  powered b  y E  8  : 
 

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

2. Explore 
○ The  Circular O  rbit 
○ The  Elliptical  Orbit 
○ Delta  V  (Δv) 
○ Additional  Terms  and D  efinitions 

3. Explain 
○ Change  in  Velocity 

4. Elaborate 
○ Other  Orbital E  xamples 

5. Exercise 
○ Δv a  nd T  ransfer  Time P  arameters 
○ Δv  and  Transfer T  ime S  cenario 

6. Engineer 
○ The  Engineering D  esign P  rocess 
○ SMDA S  pacecraft  ΔV  Plan 
○ Designing a   P  rototype 
○ SMDA S  oftware 

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

8. Evaluate 
○ Post  Engineering  Assessment 

 
Lesson O  verview 
Students  first  learn  the  basics  of  astronautics  involving the Hohmann Transfer Orbit Equations 
using pencil, paper, and scientific calculator. Students then use what they have learned to create a 
Space Mission Design App (SMDA), designed according to the Engineering Design Process, that 
will b  e  used  for  real–world s  pacecraft. 
 
Students  will  learn  about  circular  and  elliptical  orbits  and  how  orbital  altitude can be changed 
using  rocket  burns.  Students  will  be  using  the Periapsis and Apoapsis Δv equations, as well as 
the T  ransfer  Time  equation.  
 

 

Page  88  of  1  76 

 

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

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

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

and  presenting t heir  findings  to t he  rest o  f  the  class. 

 

Constants 

● Standard  Gravitational P  arameter  μ ( m3 /  s 2 ) 

● Earth  Radius ( equatorial)  (m) 

 

Input 

● Lower O  rbital A  ltitude ( m) 

● Higher O  rbital  Altitude ( m) 

● On–Station T  ime  (days) 

 

Output 

● Periapsis  Δv  Burn ( mps) 

● Apoapsis Δ  v  Burn ( mps) 

● Δv  Budget  (mps) 

● Transfer T  ime ( days) 

● Round–Trip T  ime  (days) 

● Mission D  uration  (days) 

 

:: 

 

5.02  Vocabulary 

 

Apoapsis Apoapsis  Δv B  urn Circular O  rbit 

Delta V   ( Δv) Δv  Budget Elliptical  Orbit 

Gravity  Parameter (  μ) Hohmann  Transfer O  rbit Higher O  rbital  Altitude 

Lower O  rbital A  ltitude Mission  Duration On–Station  Time 

Orbital A  ltitude Periapsis Periapsis  Δv B  urn 

Radius  of H  igher O  rbit Radius  of  Lower  Orbit Round–Trip T  ime

Round–Trip Δ  v Standard G  ravity ( g 0 ) Transfer O  rbit #  1
Transfer O  rbit  #2 Transfer  Time 

 

:: 

 

Page  89  of   176 

 

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

 

  Image  30: O  rbital  mechanics c  an  be  very  complicated 

 

:: 

 

5.03  Analysis 

 

In  order  to  raise  or  lower  a  spacecraft  that  is  in  orbit  around  a  body,  such  as  the  Earth,  the 

Hohmann  equations  are  used.  These  equations  determine  the  change  in  orbital  velocity  (Δv) 

needed  to  go t o  different  orbital  altitudes. 

 

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

 

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

 

 

Page 9  0  of  1  76 

 

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

where 

● μ  = S  tandard  Gravitational  Parameter,  equal t o  398,600.44189  km3  /s 2 

● R 1   =   R  adius  of  the i nner  (smaller) o  rbit 
● R 2    = R  adius o  f t he o  uter  (larger)  orbit 
 

The Δ  v B  udget  is s  imply t he t wo Δ  v r ocket  burns a  dded  together. 

 

ΔvBUDGET   =  ΔvP ERIAP SIS   +  ΔvAP OAP SIS  
 

Using  the p  rinciple  of R  eversibility o  f  Orbits,  the t otal  Δv n  eeded t o g  et t o  the  destination  and 

back  is 

 

ΔvROUND−T RIP   =  2(ΔvBUDGET )  
 

The t ransfer t ime i s  calculated  in s  econds. 

 

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


 

There a  re 8  6,400  seconds p  er  day,  so t he n  umber  of  days  it t akes t o c  hange t he o  rbital  altitude  of 

a s  pacecraft b  ecomes: 

 

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

86400

 

And  the R  ound–Trip  Time  is  double t he T  ransfer  Time: 

 

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

The  Mission  Duration  is  the R  ound–Trip T  ime  added t o t he  On­Station T  ime. 

 

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

:: 

 

 

 

 

 

 

Page  91  of   176 

 

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

Orbits  are  circular a  nd  the  transfer o  rbit  is  an  ellipse: 
 

 

Image 3  1:  Hohmann T  ransfer  Orbit D  iagram 

 
In  the  diagram  above, green represents the lower circular orbital altitude and red represents the 
higher circular orbital altitude. Yellow represents the elliptical transfer orbit from green to red (or 
dashed  yellow  representing  from  red  to  green). 
 
The  first  Δv  rocket  engine  firing  is  done  at  the  lowest  point  in  the  elliptical  transfer  orbit 
(periapsis).  This  puts  the  spacecraft  on  the  path  in yellow. At the highest point in the elliptical 
orbit (apoapsis), another rocket engine firing occurs, this time circularizing the orbit (in red). To 
go h  ome,  simply r everse  the p  rocedure, u  sing  the p  rinciple  of  reversibility  of o  rbits. 
 
We  will  use  as  inputs  the  lower  and  higher  orbital  altitudes,  as  well  as  the  On­Station  Time, 
which  is  the  number  of  days the astronauts spend at the mission destination. To review, the Δv 
Budget  is  found  by  adding  the  two  Δv  numbers  together.  The  Round–Trip  Time  is  twice  the 
Transfer t ime,  and  the M  ission  Duration  is  the O  n­Station T  ime  plus  the R  ound–Trip T  ime. 
 
Example 
You  are  the  Captain  of  a  spacecraft  that  is  currently  in  a  Low  Earth  Orbit (LEO) at an orbital 
altitude of 200 km. You need to increase your orbital altitude to 8,500 km so that you can deposit 
a new satellite and bring back the old one. Your On–Station Time is 5 days. Find the change in 
velocity, t ransfer  time, R  ound–Trip T  ime,  and  the M  ission  Duration f or t his  space m  ission. 

 

Page  92 o  f   176 


Click to View FlipBook Version