d17689ffb4ae1eed9433397df397fac4c6b1bb24
[debian/openrocket] / doc / techdoc / techdoc.tex
1 \documentclass[a4paper,12pt,oneside]{book}
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5
6
7 % invisible hyperlinks:
8 \usepackage{hyperref}  
9
10 \hypersetup{
11   pdftitle={OpenRocket technical documentation},
12   pdfauthor={Sampo Niskanen},
13   pdfsubject={Technical documentation of the OpenRocket simulation software},
14   pdfkeywords={OpenRocket, model rocket, rocketry, simulation, technical documentation},
15   pdfpagemode=UseNone,
16   colorlinks,
17   linkcolor=black,
18   filecolor=black,
19   urlcolor=black,
20   citecolor=black,
21   breaklinks=true
22 }
23
24 \usepackage{breakurl}
25
26 \usepackage{epsfig}
27 \usepackage{commath}
28 \usepackage{ar}
29 \usepackage{amsmath}
30 \usepackage{amssymb}
31 \usepackage{textcomp}
32 \usepackage{rotating}
33 \usepackage{setspace}
34
35 \usepackage{array}
36
37
38
39
40
41 \setlength{\parindent}{0mm}
42 \setlength{\parskip}{\baselineskip}
43
44 \newcommand{\ie}{{\it i.e.}\ }
45 \newcommand{\eg}{{\it e.g.}\ }
46
47 \newcommand{\half}{\ensuremath{^1\!/\!_2}}
48 \newcommand{\quarter}{\ensuremath{^1\!/\!_4}}
49
50 \newcommand{\CNa}{\ensuremath{{C_{N_\alpha}}}}
51 \newcommand{\CNap}{\ensuremath{{C_{N_{\alpha'}}}}}
52 \newcommand{\Cma}{\ensuremath{C_{m_\alpha}}}
53 \newcommand{\Aref}{\ensuremath{A_{\rm ref}}}
54 \newcommand{\Afin}{\ensuremath{A_{\rm fin}}}
55 \newcommand{\Abase}{\ensuremath{A_{\rm base}}}
56 \newcommand{\um}{\textmu m}
57
58 \newcommand{\vect}[1]{\boldsymbol{#1}}
59 \newcommand{\vi}{\mathbf{i}}
60 \newcommand{\vj}{\mathbf{j}}
61 \newcommand{\vk}{\mathbf{k}}
62
63 % A space suitable delimiting numbers as  100\s000 for '100 000'
64 \newcommand{\s}{\nolinebreak\hspace{0.5mm}\nolinebreak}  
65
66 \newlength{\numwidth}
67 \settowidth{\numwidth}{0}
68 \newcommand{\num}{\hspace{\numwidth}}
69
70 \newcommand{\code}[1]{{\tt #1}}
71
72
73
74
75
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81
82 \begin{document}
83
84 \pagenumbering{roman}
85
86
87 %%%%%%%%  Title page
88
89 \thispagestyle{empty}
90
91 \mbox{}
92 \vfill
93 \begin{center}
94 {\LARGE\bf OpenRocket technical documentation}
95
96 {\large For OpenRocket version 1.0.0}
97
98 \vspace{-3mm}
99 2010-04-06
100
101 \vspace{10mm}
102 {\Large Sampo Niskanen}
103
104
105 \vspace{80mm}
106 Based on the Master's thesis \cite{thesis}
107
108 \vspace{-1mm}
109 \mbox{\hspace{-6pt}
110 \large\it Development of an Open Source model rocket simulation software}
111
112 \end{center}
113
114 \vfill
115
116
117 \clearpage
118 \thispagestyle{empty}
119
120 \mbox{}
121 \vfill
122
123 \begin{center}
124 {\Large\bf Thesis or technical documentation?}
125 \end{center}
126
127 The OpenRocket simulation software was originally developed as the
128 Master's thesis project of Sampo Niskanen, including its written
129 part
130 {\it ``Development of an Open Source model rocket simulation software''}
131 \cite{thesis}.  The thesis is used as the basis of this technical
132 documentation, which is updated to account for later development in the
133 software.  This document often still refers to itself as a thesis, as
134 no systematic updating of this fact has yet been performed.
135
136 While the original thesis is available online under a Creative Commons
137 no-derivatives license, this document is available under a freer
138 share-alike license.
139
140 \vspace{10mm}
141
142 \begin{center}
143 {\Large\bf Version history}
144 \end{center}
145
146 \begin{center}
147 \begin{tabular}{lp{120mm}}
148 2010-04-06 & Initial revision.  Updates the roll angle effect on three- and
149 four-fin configurations in Section~\ref{update-roll-angle}.
150 (OpenRocket software 1.0.0)
151 \end{tabular}
152 \end{center}
153
154 \vfill
155
156
157
158 %%%%%  Quotation
159
160
161 \clearpage
162 \thispagestyle{empty}
163
164 \mbox{}
165 \vfill
166 {\it ``No. Coal mining may be your life, but it's not mine. I'm never
167   going down there again. I wanna go into space.''}
168 \vspace{5mm}
169
170 \hspace{10mm}\parbox{130mm}{
171 Amateur rocketeer Homer Hickam, Jr. in the movie October Sky (1999), based
172 on a true story.\\
173
174 Hickam later became an engineer at NASA, working in spacecraft design
175 and crew training.}
176 \vfill
177
178
179
180 %%%%%%%%
181
182
183 \tableofcontents
184
185 %\listoffigures
186 %
187 %\listoftables
188
189 \newpage
190 \section*{List of symbols and abbreviations}
191
192 {\bf Symbols}
193 \nopagebreak
194
195 \begin{tabular}{p{20mm}p{105mm}}
196
197 $A$           & Area \\
198 \Afin         & Area of one fin \\
199 $A_{\rm plan}$& Planform area \\
200 \Aref         & Reference area \\
201 $A_{\rm wet}$ & Wetted area \\
202 $\AR$         & Aspect ratio of a fin, $2s^2/\Afin$ \\
203 $c$           & Speed of sound \\
204 $\bar c$      & Mean aerodynamic chord length of a fin \\
205 $c(y)$        & Chord length of a fin at spanwise position $y$ \\
206
207 $C_A$         & Axial drag force coefficient \\
208 $C_D$         & Drag force coefficient \\
209 $C_f$         & Skin friction drag coefficient \\
210 $C_l$         & Roll moment coefficient \\
211 $C_{ld}$      & Roll damping moment coefficient \\
212 $C_{lf}$      & Roll forcing moment coefficient \\
213
214 $C_m$         & Pitch moment coefficient \\
215 \Cma          & Pitch moment coefficient derivative, 
216                 $\frac{\partial C_m}{\partial \alpha}$ \\
217
218 $C_N$         & Normal force coefficient \\
219 \CNa          & Normal force coefficient derivative,
220                 $\frac{\partial C_N}{\partial \alpha}$ \\
221
222 $d$           & Reference length, the rocket diameter \\
223 $D$           & Drag force \\
224 $f_B$         & Rocket fineness ratio, $L/d$ \\
225 $L$           & The rocket length \\
226 $m$           & Pitch moment \\
227 $M$           & Mach number \\
228 $N$           & Normal force; Number of fins \\
229 $p$           & Air pressure \\
230 $r(x)$        & Body or component radius at position $x$ \\
231 $R$           & Reynolds number \\
232 $s$           & Spanwise length of one fin \\
233 $T$           & Air temperature \\
234 $V$           & Volume \\
235 $v_0$         & Free-stream velocity \\
236 $x$, $X$      & Position along the rocket centerline \\
237 $y$           & Spanwise position \\
238 \end{tabular}
239
240 \begin{tabular}{p{20mm}p{105mm}}
241 $\alpha$      & Angle of attack \\
242 $\beta$       & $\sqrt{|M^2-1|}$ \\
243 $\gamma$      & Specific heat ratio, for air $\gamma=1.4$ \\
244 $\Gamma_c$    & Fin midchord sweep angle \\
245 $\delta$      & Fin cant angle \\
246 $\eta$        & Airflow inclination angle over a fin \\
247 $\theta$      & Roll angle \\
248 $\Lambda$     & Dihedral angle between a fin and the direction of airflow \\
249 $\nu$         & Kinematic viscosity of air \\
250 $\xi$         & Distance from rotation axis \\
251 $\rho$        & Density of air \\
252 $\omega$      & Angular velocity \\
253
254 \end{tabular}
255
256 \vspace{10mm}
257 {\bf Abbreviations}
258 \nopagebreak
259
260 \begin{tabular}{p{20mm}p{105mm}}
261 CFD & Computational fluid dynamics \\
262 CG  & Center of gravity \\
263 CP  & Center of pressure \\
264 LE  & Leading edge \\
265 MAC & Mean aerodynamic chord \\
266 RK4 & Runge-Kutta 4 integration method \\
267 UI  & User interface \\
268 \end{tabular}
269
270
271
272
273 \pagebreak
274 \pagenumbering{arabic}
275 \setcounter{page}{1}
276
277 \include{chapter-introduction}
278 \include{chapter-basics-of-model-rockets}
279 \include{chapter-aerodynamic-properties}
280 \include{chapter-flight-simulation}
281 \include{chapter-software}
282 \include{chapter-experimental}
283 \include{chapter-conclusion}
284
285
286 \clearpage
287 \vspace*{1cm}
288 \section*{Acknowledgments}
289
290 I would like to express my deepest gratitude to M.Sc.~Timo Sailaranta
291 for his invaluable advice and consultation on the aerodynamic
292 simulation of rockets.  Without his input the creation of this thesis
293 would have been exceedingly laborious.  I would also like to thank
294 Prof.~Rolf Stenberg for supervising the writing of this thesis, and
295 Juhani Talvela for proofreading and commenting early versions of this
296 text.
297
298 I am also deeply grateful for my parents Jouni and Riitta, my entire
299 family, friends and teachers, who have always encouraged me onwards in
300 my life and studies.  Above all I would like to thank my brother,
301 Antti~J. Niskanen, for being an inspiration throughout my life and
302 also for
303 building the magnetometer logger used in the experimental flights; and
304 my fiancée Merli Lahtinen, for her patience and loving understanding
305 for my passion towards rocketry.
306
307
308
309
310 \begin{thebibliography}{99}
311
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368 % FLUID-DYNAMIC DRAG
369 % Practical Information on AERODYNAMICDRAG and HYDRODYNAMIC RESISTANCE
370 % Sighard F. Hoerner (Dr.-Ing.)
371 % Published by the Author 1958
372 %
373 % Chap II - Skin-friction drag
374 %   laminaarinen, turbulentti, ym.
375 % Chap III - Pressure drag
376 %   forebudy pressure drag for different shapes
377 %   Base drag C_DB = 0.029/sqrt(C_fB)  forebody-drag coefficient C_fB
378 % Chap V - Drag of surface imperfections
379 %   Drag due to surface roughtness
380 %   Critical roughness
381 %   Page 5-8, Drag of Individual Protuberances
382 %     neliskanttinen pala, pituus < korkeus -> CD=1.20
383 %                          pituus > 2*kork  -> CD=0.74
384 %                     suhteutettu etupinta-alaan
385 %     From ref. Tillmann, Rpt KW Inst. Göttingen, Dec 1944
386 % Chap VII - Drag due to lift
387 % Chap VIII - Interference drag
388 %   Pairs of bodies
389 % Chap X - Hydrodynamic drag
390 %   sivu 10-3, siivekkeiden profiilimuotoja!!!
391 % Chap XIII - Drag of airplane components and accessories
392 %   Drag of external loads
393 %   Parachutes
394 % Chap XV-XVII - subsonic, transsonic, supersonic
395
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