서론
이번에 하게된 프로젝트는 캔 위성 프로젝트로써, 위성과 같이 실시간 소통 가능한 간이 컴퓨터(라즈베리)를 상공에 띄우고, 통신이 가능하게 하며, 위성의 낙하까지 안전하게 가능한지 실험한 프로젝트이다. 먼저 캔 위성은 카이스트에서 캔위성 대회가 있을 정도로 인지도가 있는 실험이다. 그런데 캔 위성 대회는 대체로 대회에서 주어지는 캔 모양의 외형과, 내부에 캔에 층 형식으로 쌓을 수 있는 라즈베리나 카메라가 달려있는 보드들을 사용해서 대회에서 준비한 화학로켓을 통해 발사한다. 그렇기에 코딩이 제일 중요한 대회이다.
하지만 참고할 점이 있다. 캔 위성 대회는 참가가 5월 20일까지가 참가 신청기간이며, 8월 7일부터 8일까지 진행하는 행사이다. 따라서 참가할 수 없게 된 까닭에, 자의적으로 프로젝트를 만들어, 캔위성 키트를 이용하지 않고, 직접 만들어보기로 했다.
1. 구상
캔위성 만들기에 앞서, 우린 어떤 형태로 캔 위성을 만들고, 어떻게 띄울지를 생각 해내야 했다. 키트가 없기에 구조적 안정성을 갖추지 못했다. 그렇기에 부품을 먼저 찾고, 그 후 배열을 생각했다. 부품은 아두이노, 라즈베리 파이와, LTE 모듈, 정확한 위치를 알기 위한 고도와 자이로 센서, 온습도 센서, 라즈베리 파이 전용 카메라를 구입했다.
그 후엔 어떻게 캔위성을 띄울지를 고민했다. 캔위성 대회에서는 여러 캔위성들을 화학로켓을 통해 날려보내지만, 학생들끼리 자의적으로 화학로켓을 만들 수 없기에 드론이나 헬륨을 고려했다. 하지만 400g 이상의 하중을 견디며, 무게중심도 잡을 큰 드론이 학교에 없어 헬륨으로 캔 위성을 띄우기로 결정했다.
(화학2 연계) 1세제곱미터 부피의 헬륨은 해수면 높이에서 1.114 kg을 띄울 수 있다. 우리의 예상 캔 위성의 질량은 400g이며, 회수를 위해서 스티로폼 상자 안에 넣은 상태에서 하늘로 날리기로 했다. 그렇게 추가된 질량이 100g이다. 그럼 캔위성 몸통 자체의 질량은 500g이 되며, 헬륨이 들어야할 질량은 헬륨 자체의 무게 또한 포함된다. 헬륨 1mol은 기체 약 22.4L에 가깝게 되고, 4g이다. 1세제곱미터 부피의 헬륨은 1000L이다. 그럼 1000을 22.4로 나누면 약 45가 되므로 45몰의 헬륨이 1.114kg을 들 수 있다는 것을 알수 있다. 그중 헬륨 기체의 무게는 180g으로 총 질량은 약 700g이 된다. 또한 여기에 풍선의 질량을 추가해야 하는데, 풍선은 72인치의 거대한 풍선을 사용한다고 하자. 풍선의 반지름은 36인치이고 이를 센치로 치환하면 약 90cm가 되고, 풍선의 부피는 0.9세제곱미터 곱하기 2.355에 가까운 숫자가 된다. 그럼 약 1400리터가 들어가는 풍선이며, 대기압이 0.5기압이 될 때, 기체의 부피가 2배가 될 것을 고려할 때, 한 풍선당 1000L 씩 넣는다고 가정을 했다. 풍선 하나의 질량은 100g이고, 그럼 총 질량은 약 800g으로 충분히 상승 가능하다는 것을 알게 되었다. 따라서 헬륨 풍선으로 이를 날려보낸 뒤, 풍선이 터지거나, 헬륨이 빠지면서 낙하할 때를 위해 낙하산 또한 추가로 달았고, 이는 30g 정도로, 충분할 것이라 예상되었다.
2. 코딩
먼저 코딩을 시작할 때, 리눅스 기반으로, 우분투라는 Os를 사용해서, 아두이노에 연결된 고도, 자이로 센서에서 측정되는 값을 출력 후, 그 출력값을 5초당 1번씩 올라가면서 찍는 사진과 함께 컴퓨터에게 전송하고, 데이터 통신이 가능하게 끔 하려고 했다. 하지만 우분투라는 Os는 업데이트를 하면 이전 버전에서 되던 코딩들이 충돌을 일으켜서, 라즈비안 이라는 Os로 바꾸게 되었다. 라즈비안에서는 ssh라는 우리가 구매한 LTE모듈을 이용하게 끔 하는 통신 코드를 충돌 없이 이용할 수 있게 간단한 시스템으로 되어있어 더 접근성이 용이했다. 하지만, ssh는 라우터를 통한 통신망의 특정 포트를 열거나, 서버 자체의 포트를 열어야 가능한 위성 통신이었다. 하지만 우리는 통신사의 유심을 사용해, 연결을 하려고 했기 때문에 통신망의 포트를 여는 것은 불법적이며, 통신망 자체의 안정성에도 문제를 일으키기에, 위성과 같이 쌍방향 통신이 되지는 않지만 단방향 송신이라도 가능하도록, 우리의 구글 드라이브에 앞서 말한 자이로와 고도 출력값과 사진을 전송하게 하는 것으로 해결했다.
3. 발사
앞서 말한 계획처럼 됐으면 좋았겠지만, 보강제와 완충제를 보충하고, 구조 개선을 하다보니, 600g을 초과하게 되었고, 총 질량은 898g이 되었었다. 또한 풍선 구매의 실수로, 72인치 풍선이 아닌 36인치 풍선 4개를 구매하게 되었고, 헬륨을 넣는것에 어려움을 겪어 600L도 채우지 못한채 풍선을 띄워 실패하게 되었다.
캔위성의 상승 속도 분석 및 착륙 지점 예측
서론
캔위성을 헬륨 풍선을 이용해 띄운 후, 캔위성이 비행 중에 수집한 데이터를 확보하기 위해서는 캔위성의 착륙 위치를 정확히 알아내는 것이 중요하다. 이를 위해 GPS 모듈을 캔위성에 탑재하여 실시간으로 위치 정보를 수집하고, 착륙 지점을 파악할 수 있다. GPS를 통해 정확한 착륙 위치를 확인한 후, 해당 지점으로 이동하여 캔위성을 회수하고, 캔위성이 저장한 데이터를 수집하게 된다.
GPS를 통해 착륙 위치를 확인할 수 있지만, 캔위성의 위치를 예측하려는 이유는 여러 가지가 있다. 우선, 효율적인 회수 작업을 위해서다. 캔위성의 추락 위치를 사전에 예측하면 회수 팀이 신속하게 현장에 도착할 수 있어 시간과 자원을 절약할 수 있다. 또한, 예측된 위치를 바탕으로 인구 밀집 지역이나 위험 지역을 피하도록 조정하여 주변 사람들과 환경의 안전을 보장할 수 있다. 또 다른 이유로는, 데이터의 신뢰성을 증가시키는 것도 중요한 이유 중 하나다. 예측을 통해 캔위성이 안정적으로 작동하고 있는지 확인할 수 있으며, 만약 캔위성이 예상 위치에 도달하지 않을 경우 문제의 원인을 분석하고 해결하는 데 도움이 된다.
본론
1. 캔위성 고도에 따른 헬륨 풍선의 상승 속도 및 부피 변화 분석
먼저, 헬륨 풍선이 뜨는 힘을 구하기 위해 부력을 구하였다.
1.1 헬륨 풍선을 이용한 순부력 계산
부력은 물체가 유체에서 밀려 올라가는 힘으로, 다음 공식으로 구할 수 있다.
F_b=ρ_air⋅V⋅g
여기서 F_b는 부력 (N), ρ_air는 공기의 밀도(kg/m^3), V는 헬륨 풍선의 부피 (m^3), g는 중력 가속도 (약 9.81 m/s^2)이다. 해수면에서의 공기 밀도는 1.225kg/m^3이다. 이번 실험에서는 22.5L를 10기압으로 압축한 헬륨 가스를 3개를 사용
했다. 1세트의 질량은 약 1.8kg이므로 총 3세트의 질량은 5.4kg이다. 그러나, 1몰의 헬륨은 약 22.4L이다. 1세제곱미터는 1000L이므로, 대기압에서 1세제곱미터의 헬륨 질량은 약 4kg이다.
헬륨 풍선의 부력과 질량의 차이를 이용해 순부력을 계산하면 다음과 같다.
F_b=ρ_air⋅V⋅g
부피가 1세제곱미터일 때, 부력은 12.1N, 풍선의 질량을 고려한 순부력은 12.1N - 7N ≈ 5N이다. 이를 통해 헬륨 풍선의 부력이 실제로 물체를 들어올릴 수 있는지를 확인할 수 있다.
1.2 헬륨 풍선의 부피 변화 분석
헬륨 풍선은 고도에 따라 부피가 변화하며, 이는 헬륨의 기체 특성에 따라 설명될 수 있다. 이상 기체 법칙에 따르면,
PV=nRT
여기서 P는 압력 (Pa), V는 부피 (m^3), n은 몰수 (mol), R은 기체 상수 (약 8.314 J/(mol·K)), T는 절대 온도 (K)이다. 이 식을 이용해 고도에 따른 헬륨 풍선의 부피 변화를 예측할 수 있다. 예를 들어, 해수면에서 1세제곱미터의 헬륨이 1000m 고도로 올라가면 대기압이 낮아져 부피가 증가하게 된다.
결론
캔위성을 헬륨 풍선을 이용해 띄운 후, GPS 모듈을 활용하여 실시간으로 위치 정보를 수집하고 착륙 지점을 예측할 수 있었다. 이를 통해 효율적인 회수 작업이 가능해졌으며, 데이터의 신뢰성도 높일 수 있었다. 또한, 헬륨 풍선의 부력과 부피 변화를 고려한 분석을 통해 캔위성의 비행 경로를 보다 정확하게 예측할 수 있었다. 이번 프로젝트를 통해 얻은 경험과 지식을 바탕으로 향후 더 나은 캔위성 프로젝트를 수행할 수 있을 것이다. ```