Moving doc/ to core/ directory.
[debian/openrocket] / core / doc / techdoc / chapter-aerodynamic-properties.tex
diff --git a/core/doc/techdoc/chapter-aerodynamic-properties.tex b/core/doc/techdoc/chapter-aerodynamic-properties.tex
new file mode 100644 (file)
index 0000000..a875bb9
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,2235 @@
+
+
+\chapter{Aerodynamic properties of model rockets~~}
+\label{chap-aerodynamics}
+
+A model rocket encounters three basic forces during its flight:
+thrust from the motors, gravity, and aerodynamical forces.  Thrust is
+generated by the motors by exhausting high-velocity gases in the
+opposite direction.  The thrust of a motor is directly proportional to
+the velocity of the escaping gas and the mass per time unit that is
+exhausted.  The thrust of commercial model rocket motors as a function
+of time have been measured in static motor tests and are readily
+available online~\cite{thrust-curve-database}.  Normally the thrust of
+a rocket motor is aligned on the center axis of the rocket, so that it
+produces no angular moment to the rocket.
+
+Every component of the rocket is also affected by gravitational
+force.  When the forces and moments generated are summed up, the
+gravitational force can be seen as a single force originating from the
+{\it center of gravity} (CG).  A homogeneous gravitational field does
+not generate any angular moment on a body relative to the CG.
+Calculating the gravitational force is therefore a simple matter of
+determining the total mass and CG of the rocket.
+
+Aerodynamic forces, on the other hand, produce both net forces and
+angular moments.  To determine the effect of the aerodynamic
+forces on the rocket, the total force and moment must be calculated
+relative to some reference point.  In this chapter, a method for
+determining these forces and moments will be presented.
+
+
+
+\section{General aerodynamical properties}
+\label{sec-general-aerodynamics}
+
+The aerodynamic forces acting on a rocket are usually split into
+components for further examination.  The two most important
+aerodynamic force components of interest in a typical model rocket are
+the {\it normal force} and {\it drag}.  The aerodynamical normal
+force is the force component that generates the corrective moment
+around the CG and provides stabilization of the rocket.  The 
+drag of a rocket is defined as the force component parallel to the
+velocity of the rocket.  This is the aerodynamical force that opposes
+the movement of the rocket through air.
+
+Figure~\ref{fig-aerodynamic-forces}(a) shows the thrust, gravity,
+normal force and drag of a rocket in free flight.  It should be noted
+that if the rocket is flying at an angle of attack $\alpha>0$, then
+the normal force and drag are not perpendicular.  In order to have
+independent force components, it is necessary to define component
+pairs that are always perpendicular to one another.  Two such pairs
+are the normal force and axial drag, or side force and drag, shown in
+Figure~\ref{fig-aerodynamic-forces}(b).  The two pairs coincide if the
+angle of attack is zero.  The component pair that will be used as a
+basis for the flight simulations is the normal force and axial drag.
+
+
+\begin{figure}
+\centering
+\parbox{35mm}{\centering
+\epsfig{file=figures/aerodynamics/free-flight-forces,width=35mm} \\ (a)}
+\hfill
+\parbox{35mm}{\centering
+\epsfig{file=figures/aerodynamics/aero-force-components,width=35mm} \\ (b)}
+\hfill
+\parbox{35mm}{\centering
+\epsfig{file=figures/aerodynamics/pitch-yaw-roll,width=35mm} \\ (c)}
+\caption{(a) Forces acting on a rocket in free flight: gravity $G$,
+  motor thrust $T$, drag $D$ and normal force $N$.  (b) Perpendicular
+  component pairs of the total aerodynamical force: normal force $N$
+  and axial drag $D_A$; side force $S$ and drag $D$.  (c) The pitch,
+  yaw and roll directions of a model rocket.}
+\label{fig-aerodynamic-forces}
+\end{figure}
+
+
+The three moments around the different axis are called the 
+{\it pitch}, {\it yaw} and {\it roll moments}, as depicted in
+Figure~\ref{fig-aerodynamic-forces}(c).  Since a typical rocket has no
+``natural'' roll angle of flight as an aircraft does, we may choose
+the pitch angle to be in the same plane as the angle of attack, \ie
+the plane defined by the velocity vector and the centerline of the
+rocket.  Thus, the normal force generates the pitching moment and no
+other moments.
+
+
+
+
+
+\subsection{Aerodynamic force coefficients}
+
+When studying rocket configurations, the absolute force values are
+often difficult to interpret, since many factors affect them.  In
+order to get a value better suited for comparison, the forces are
+normalized by the current dynamic pressure $q=\frac{1}{2}\rho v_0^2$
+and some characteristic area \Aref\ to get a non-dimensional force
+coefficient. Similarly, the moments are normalized by the dynamic
+pressure, characteristic area and characteristic length $d$.  Thus,
+the normal force coefficient corresponding to the normal force $N$ is
+defined as
+%
+\begin{equation}
+C_N  =  \frac{N}{\frac{1}{2}\rho v_0^2 \, \Aref} 
+\label{eq-CN-def}
+\end{equation}
+%
+and the pitch moment coefficient for a pitch moment $m$ as
+%
+\begin{equation}
+C_m  =  \frac{m}{\frac{1}{2}\rho v_0^2 \, \Aref\, d}.
+\label{eq-Cm-def}
+\end{equation}
+%
+A typical choice of reference area is the base of the rocket's nose
+cone and the reference length is its diameter.
+
+The pitch moment is always calculated around some reference point,
+while the normal force stays constant regardless of the point of
+origin.  If the moment coefficient $C_m$ is known for some reference
+point, the moment coefficient at another point $C_m'$ can be
+calculated from
+%
+\begin{equation}
+C_m'd = C_md - C_N\Delta x
+\label{eq-moment-reference}
+\end{equation}
+%
+where $\Delta x$ is the distance along the rocket centerline.
+Therefore it is sufficient to calculate the moment coefficient only at
+some constant point along the rocket body.  In this thesis the
+reference point is chosen to be the tip of the nose cone.
+
+The {\it center of pressure} (CP) is defined as the position from
+which the total normal force alone produces the current pitching
+moment.  Therefore the total normal force produces no moment around
+the CP itself, and an equation for the location of the CP
+can be obtained from (\ref{eq-moment-reference}) by selecting setting
+$C_m'=0$:
+%
+\begin{equation}
+X = \frac{C_m}{C_N}\,d
+\end{equation}
+%
+Here $X$ is the position of the CP along the rocket centerline from
+the nose cone tip.  This equation is valid when $\alpha>0$.  As
+$\alpha$ approaches zero, both $C_m$ and $C_N$ approach zero.  The CP
+is then obtained as a continuous extension using l'Hôpital's rule
+%
+\begin{equation}
+X = \left.\frac{\;\frac{\partial C_m}{\partial\alpha}\;}
+          {\;\frac{\partial C_N}{\partial\alpha}\;}\,d\right|_{\alpha=0}
+  = \frac{\Cma}{\CNa}\,d
+\label{eq-CP-position}
+\end{equation}
+%
+where the normal force coefficient and pitch moment coefficient
+derivatives have been defined as
+%
+\begin{equation}
+\CNa = \left.\frac{\partial C_N}{\partial\alpha}\right|_{\alpha=0}
+\hspace{5mm}\mbox{and}\hspace{5mm}
+\Cma = \left.\frac{\partial C_m}{\partial\alpha}\right|_{\alpha=0}.
+\label{eq-CNa-derivative}
+\end{equation}
+
+At very small angles of attack we may approximate $C_N$ and $C_m$ to
+be linear with $\alpha$, so to a first approximation
+%
+\begin{equation}
+C_N \approx \CNa\,\alpha
+\hspace{5mm}\mbox{and}\hspace{5mm}
+C_m \approx \Cma\,\alpha.
+\label{eq-CNa-approx}
+\end{equation}
+%
+The Barrowman method uses the coefficient derivatives to determine the
+CP position using equation~(\ref{eq-CP-position}).  However, there are
+some significant nonlinearities in the variation of $C_N$ as a
+function of $\alpha$.  These will be accounted for by holding the
+approximation of equation~(\ref{eq-CNa-approx}) exact and letting
+\CNa\ and \Cma\ be a function of $\alpha$.  Therefore, for the
+purposes of this thesis we define
+%
+\begin{equation}
+\CNa = \frac{C_N}{\alpha}
+\hspace{5mm}\mbox{and}\hspace{5mm}
+\Cma = \frac{C_m}{\alpha}
+\label{eq-CNa-definition}
+\end{equation}
+%
+for $\alpha>0$ and by equation~(\ref{eq-CNa-derivative}) for
+$\alpha=0$.  These definitions are compatible, since
+equation~(\ref{eq-CNa-definition}) simplifies to the partial
+derivative~(\ref{eq-CNa-derivative}) at the limit
+$\alpha\rightarrow0$.  This definition also allows us to stay true to
+Barrowman's original method which is familiar to many rocketeers.
+
+
+Similar to the normal force coefficient, the drag coefficient is
+defined as
+%
+\begin{equation}
+C_D = \frac{D}{\frac{1}{2}\rho v_0^2 \, \Aref}.
+\label{eq-CD-def}
+\end{equation}
+%
+Since the size of the rocket has been factored out, the drag
+coefficient at zero angle of attack $C_{D0}$ allows a straightforward
+method of comparing the effect of different rocket shapes on drag.
+However, this coefficient is not constant and will vary with \eg the
+speed of the rocket and its angle of attack.
+
+
+If each of the fins of a rocket are canted at some angle $\delta>0$
+with respect to the rocket centerline, the fins will produce a roll
+moment on the rocket.  Contrary to the normal force and pitching
+moment, canting the fins will produce a non-zero rolling moment but no
+corresponding net force.  Therefore the only quantity computed is the
+roll moment coefficient, defined by
+%
+\begin{equation}
+C_l  =  \frac{l}{\frac{1}{2}\rho v_0^2 \, \Aref\, d}
+\label{eq-Cl-def}
+\end{equation}
+%
+where $l$ is the roll moment.
+
+It shall be shown later that rockets with axially-symmetrical fin
+configurations experience no forces that would produce net yawing
+moments. However, a single fin may produce all six types of forces and
+moments. The equations for the forces and moments of a single fin will
+not be explicitly written out, and they can be computed from the
+geometry in question.
+
+
+
+\subsection{Velocity regions}
+
+Most of the aerodynamic properties of rockets vary with the velocity
+of the rocket.  The important parameter is the {\it Mach number},
+which is the free-stream velocity of the rocket divided by the local
+speed of sound
+%
+\begin{equation}
+M = \frac{v_0}{c}.
+\end{equation}
+%
+The velocity range encountered by rockets is divided into regions with
+different impacts on the aerodynamical properties, listed in
+Table~\ref{tab-sonics}.  
+
+In {\it subsonic flight} all of the airflow around the rocket occurs
+below the speed of sound.  This is the case for approximately $M<0.8$.
+At very low Mach numbers air can be effectively treated as an
+incompressible fluid, but already above $M\approx 0.3$ some
+compressibility issues may have to be considered.
+
+In {\it transonic flight} some of the air flowing around the rocket
+accelerates above the speed of sound, while at other places it remains
+subsonic.  Some local shock waves are generated and hard-to-predict
+interference effects may occur.  The drag of a rocket has a sharp
+increase in the transonic region, making it hard to pass into the
+supersonic region.  Transonic flight occurs at Mach numbers of
+approximately 0.8--1.2.
+
+In {\it supersonic flight} all of the airflow is faster than the
+speed of sound (with the exception of \eg the nose cone tip).  A shock
+wave is generated by the nose cone and fins.  In supersonic flight
+the drag reduces from that of transonic flight, but is generally
+greater than that of subsonic flight.  Above approximately Mach 5 new
+phenomena begin to emerge that are not encountered at lower supersonic
+speeds. This region is called {\it hypersonic flight}.
+
+\begin{table}
+\caption{Velocity regions of rocket flight}
+\label{tab-sonics}
+\begin{center}
+\begin{tabular}{cr@{ -- }l}
+Region & \multicolumn{2}{c}{Mach number ($M$)} \\
+\hline
+Subsonic   & \hspace{10mm} 0   & 0.8 \\
+Transonic & 0.8 & 1.2 \\
+Supersonic & 1.2 & $\sim5$ \\
+Hypersonic & $\sim5$ & \\
+\hline
+\end{tabular}
+\end{center}
+\end{table}
+
+
+Methods for predicting the aerodynamic properties of subsonic flight
+and some extensions to supersonic flight will be presented.  Since the
+analytical prediction of aerodynamic properties in the transonic
+region is quite difficult, this region will be accounted for by using
+some suitable interpolation function that corresponds reasonably to
+actual measurements. Hypersonic flight will not be considered, since
+practically no model or high power rockets ever achieve such speeds.
+
+
+\subsection{Flow and geometry parameters}
+
+There exist many different parameters that characterize aspects of
+flow or a rocket's geometry.  One of the most important flow
+parameters is the {\it Reynolds number} $R$.  It is a dimensionless
+quantity that characterizes the ratio of inertial forces and viscous
+forces of flow.  Many aerodynamic properties depend on the Reynolds
+number, defined as
+%
+\begin{equation}
+R = \frac{v_0\; L}{\nu}.
+\end{equation}
+%
+Here $v_0$ is the free-stream velocity of the rocket, $L$ is a
+characteristic length and $\nu$ is the kinematic viscosity of air.  It
+is notable that the Reynolds number is dependent on a characteristic
+length of the object in question. In most cases, the length used is
+the length of the rocket.  A typical 30~cm sport model flying at
+50~m/s has a corresponding Reynolds number of approximately
+1\s000\s000.
+
+Another term that is frequently encountered in aerodynamical equations
+has been defined its own parameter $\beta$, which characterizes the
+flow speed both in subsonic and supersonic flow:
+%
+\begin{equation}
+\beta = \sqrt{\envert{M^2-1}} =
+\left\{
+\begin{array}{ll}
+\sqrt{1-M^2}, & {\rm if\ } M<1 \\
+\sqrt{M^2-1}, & {\rm if\ } M>1
+\end{array}
+\right.
+\end{equation}
+%
+As the flow speed approaches the transonic region $\beta$ approaches
+zero.  This term appears for example in the {\it Prandtl factor} $P$
+which corrects subsonic force coefficients for compressible flow:
+%
+\begin{equation}
+P = \frac{1}{\beta} = \frac{1}{\sqrt{1-M^2}}
+\label{eq-prandtl-factor}
+\end{equation}
+
+It is also often useful to define parameters characterizing general
+properties of a rocket.  One such parameter is the {\it caliber},
+defined as the maximum body diameter.  The caliber is often used to
+indicate relative distances on the body of a rocket, such as the
+stability margin.  Another common parameter characterizes the
+``slenderness'' of a rocket.  It is the {\it fineness ratio} of a
+rocket $f_B$, defined as the length of the rocket body divided by the
+maximum body diameter.  Typical model rockets have a fineness ratio in
+the range of 10--20, but extreme models may have a fineness ratio as
+low as 5 or as large as 50.
+
+
+
+
+\subsection{Coordinate systems}
+
+During calculation of the aerodynamic properties a coordinate system
+fixed to the rocket will be used.  The origin of the coordinates is at
+the nose cone tip with the positive $x$-axis directed along the rocket
+centerline.  This convention is also followed internally in the
+produced software.  In the following sections the position of the $y$-
+and $z$-axes are arbitrary; the parameter $y$ is used as a general
+spanwise coordinate when discussing the fins.  During simulation,
+however, the $y$- and $z$-axes are fixed in relation to the rocket,
+and do not necessarily align with the plane of the pitching moments.
+
+
+
+\clearpage
+\section{Normal forces and pitching moments}
+
+Barrowman's method~\cite{barrowman-thesis} for determining the total
+normal force coefficient derivative \CNa, the pitch moment
+coefficient derivative \Cma\ and the CP location at subsonic speeds
+first splits the rocket into simple separate components, then
+calculates the CP location and \CNa\ for each component separately and
+then combines these to get the desired coefficients and CP
+location.  The general assumptions made by the derivation are:
+%
+\begin{enumerate}
+\item The angle of attack is very close to zero.
+\item The flow around the body is steady and non-rotational.
+\item The rocket is a rigid body.
+\item The nose tip is a sharp point.
+\item The fins are flat plates.
+\item The rocket body is axially symmetric.
+\end{enumerate}
+
+The components that will be discussed are nose cones, cylindrical body
+tube sections, shoulders, boattails and fins, in an arbitrary
+order.  The interference effect between the body and fins will be
+taken into account by a separate correction term.  Extensions to
+account for body lift and arbitrary fin shapes will also be derived.
+
+
+\subsection{Axially symmetric body components}
+
+The body of the rocket is assumed to be an axially symmetric body of
+rotation.  The entire body could be considered to be a single
+component, but in practice it is divided into nose cones, shoulders,
+boattails and cylindrical body tube sections.  The geometry of typical
+nose cones, shoulders and boattails are described in
+Appendix~\ref{app-nosecone-geometry}.
+
+The method presented by Barrowman for calculating the normal force and
+pitch moment coefficients at supersonic speeds is based on a
+second-order shock expansion method.  However, this assumes that the
+body of the rocket is very streamlined, and it cannot handle areas
+with a slope larger than than $\sim30^\circ$.  Since the software
+allows basically any body shape, applying this method would be
+difficult.
+
+Since the emphasis is on subsonic flow, for the purposes of this
+thesis the normal force and pitching moments produced by the body are
+assumed to be equal at subsonic and supersonic speeds.  The assumption
+is that the CP location is primarily affected by the fins.  The effect
+of supersonic flight on the drag of the body will be accounted for in
+Section~\ref{sec-drag}.
+
+
+
+\subsubsection{\CNa\ of body components at subsonic speeds}
+
+The normal force for an axially symmetric body at position $x$ in
+subsonic flow is given by
+%
+\begin{equation}
+N(x) = \rho v_0 \; \frac{\partial}{\partial x}[A(x)w(x)]
+\label{eq-normal-force}
+\end{equation}
+%
+where $A(x)$ is the cross-sectional area of the body, and the $w(x)$
+is the local downwash, given as a function of the angle of attack as
+%
+\begin{equation}
+w(x) = v_0 \sin\alpha.
+\end{equation}
+%
+For angles of attack very close to zero $\sin\alpha\approx\alpha$, but
+contrary to the original derivation, we shall not make this
+simplification.  From the definition of the normal force
+coefficient~(\ref{eq-CN-def}) and equation~(\ref{eq-normal-force}) we
+obtain
+%
+\begin{equation}
+C_N(x) = \frac{N(x)}{\frac{1}{2}\rho v_0^2\;\Aref}
+       = \frac{2\; \sin\alpha}{\Aref}\; \frac{\dif A(x)}{\dif x}.
+\label{eq-CNx}
+\end{equation}
+%
+Assuming that the derivative $\frac{\dif A(x)}{\dif x}$ is
+well-defined, we can integrate over the component length $l$ to obtain
+%
+\begin{equation}
+C_N = \frac{2\; \sin\alpha}{\Aref}\;
+      \int_0^l \frac{\dif A(x)}{\dif x}\dif x
+    = \frac{2\; \sin\alpha}{\Aref}\; [A(l)-A(0)].
+\end{equation}
+%
+We then have
+%
+\begin{equation}
+\CNa = \frac{C_N}{\alpha}
+     = \frac{2}{\Aref}\; [A(l)-A(0)]\;
+       \underbrace{\frac{\sin\alpha}{\alpha}}_
+  {\parbox{10mm}{\scriptsize\centering
+  $\rightarrow 1$ as \\ $\alpha\rightarrow0$}}.
+\label{eq-body-CNa}
+\end{equation}
+%
+This is the same equation as derived by Barrowman with the exception
+of the correction term $\sin\alpha/\alpha$.
+
+Equation~(\ref{eq-body-CNa}) shows that as long as the cross-sectional
+area of the component changes smoothly, the normal force coefficient
+derivative does not depend on the component shape, only the difference
+of the cross-sectional area at the beginning and end.  As a
+consequence, according to Barrowman's theory, a cylindrical body tube
+has no effect on the normal force coefficient or CP location.
+However, the lift due to cylindrical body tube sections has been noted
+to be significant for long, slender rockets even at angles of attack
+of only a few degrees~\cite{galejs}.  An extension
+for the effect of body lift will be given shortly.
+
+
+
+
+\subsubsection{\Cma\ of body components at subsonic speeds}
+
+A normal force $N(x)$ at position $x$ produces a pitching moment
+%
+\begin{equation}
+m(x) = xN(x).
+\end{equation}
+%
+at the nose cone tip.  Therefore the pitching moment coefficient is
+%
+\begin{equation}
+C_m(x) = \frac{m(x)}{\frac{1}{2}\rho v_0^2\;\Aref\, d}
+       = \frac{xN(x)}{\frac{1}{2}\rho v_0^2\;\Aref\, d}.
+\end{equation}
+%
+Substituting equation~(\ref{eq-CNx}) we obtain
+%
+\begin{equation}
+C_m(x) = \frac{x\;C_N(x)}{d}
+       = \frac{2\; \sin\alpha\; x}{\Aref\, d}\; \frac{\dif A(x)}{\dif x}.
+\end{equation}
+%
+This can be integrated over the length of the body to obtain
+%
+\begin{equation}
+C_m = \frac{2\;\sin\alpha}{\Aref\,d}
+        \int_0^l x \left(\od{A(x)}{x}\right) \dif x
+    = \frac{2\;\sin\alpha}{\Aref\,d}
+        \sbr{ lA(l)-\int_0^l A(x) \dif x }.
+\end{equation}
+%
+The resulting integral is simply the volume of the body $V$.
+Therefore we have
+%
+\begin{equation}
+C_m = \frac{2\;\sin\alpha}{\Aref\,d} \sbr{ lA(l)-V }
+\end{equation}
+%
+and
+%
+\begin{equation}
+\Cma = \frac{2}{\Aref\,d}\sbr{ lA(l)-V }\; \frac{\sin\alpha}{\alpha}.
+\label{eq-body-Cma}
+\end{equation}
+%
+This is, again, the result derived by Barrowman with the additional
+correction term $\sin\alpha/\alpha$.
+
+
+\subsubsection{Effect of body lift}
+\label{sec-body-lift}
+
+The analysis thus far has neglected the effect of body lift as
+negligible at small angles of attack.  However, in the flight of long,
+slender rockets the lift may be quite significant at angles of attack
+of only a few degrees, which may occur at moderate wind
+speeds~\cite{galejs}.
+
+Robert Galejs suggested adding a correction term to the body
+component \CNa\ to account for body lift~\cite{galejs}.  The normal
+force exerted on a cylindrical body at an angle of attack $\alpha$
+is~\cite[p.~3-11]{hoerner}
+%
+\begin{equation}
+C_N = K\; \frac{A_{\rm plan}}{\Aref}\; \sin^2\alpha
+\end{equation}
+%
+where $A_{\rm plan} = d\cdot l$ is the planform area of the cylinder
+and K is a constant $K\approx 1.1$.  Galejs had simplified the
+equation with $\sin^2\alpha\approx\alpha^2$, but this shall not be
+performed here.  At small angles of attack, when the approximation is
+valid, this yields a linear correction to the value of \CNa.
+
+It is assumed that the lift on non-cylindrical components can be
+approximated reasonably well with the same equation.  The CP location
+is assumed to be the center of the planform area, that is
+%
+\begin{equation}
+X_{\rm lift} = \frac{\int_0^l x\; 2r(x)\dif x}{A_{\rm plan}}.
+\end{equation}
+%
+This is reminiscent of the CP of a rocket flying at an angle of attack
+of $90^\circ$.  For a cylinder the CP location is at the center of the
+body, which is also the CP location obtained at the limit with
+equation~(\ref{eq-body-CP-position}).  However, for nose cones,
+shoulders and boattails it yields a slightly different position than
+equation~(\ref{eq-body-CP-position}).
+
+%The value of $K$ has been experimentally fitted to experimental data
+%from wind tunnels.
+
+
+
+
+
+
+\subsubsection{Center of pressure of body components}
+
+The CP location of the body components can be calculated by
+inserting equations~(\ref{eq-body-CNa}) and (\ref{eq-body-Cma}) into
+equation~(\ref{eq-CP-position}):
+%
+\begin{equation}
+X_B = \frac{(\Cma)_B}{(\CNa)_B}\;d
+    = \frac{lA(l)-V}{A(l)-A(0)}
+\label{eq-body-CP-position}
+\end{equation}
+%
+It is worth noting that the correction term $\sin\alpha/\alpha$
+cancels out in the division, however, it is still present in the
+value of \CNa\ and is therefore significant at large angles of attack.
+
+The whole rocket body could be numerically integrated and the
+properties of the whole body computed.  However, it is often more
+descriptive to split the body into components and calculate the
+parameters separately.  The total CP location can be calculated from
+the separate CP locations $X_i$ and normal force coefficient
+derivatives $(\CNa)_i$ by the moment sum
+%
+\begin{equation}
+X = \frac{\sum_{i=1}^n X_i(\CNa)_i}{\sum_{i=1}^n (\CNa)_i}.
+\label{eq-moment-sum}
+\end{equation}
+%
+In this manner the effect of the separate components can be more
+easily analyzed.
+
+
+
+\subsection{Planar fins}
+\label{sec-planar-fins}
+
+The fins of the rocket are considered separately from the body.  Their
+CP location and normal force coefficient are determined and added to
+the total moment sum~(\ref{eq-moment-sum}).  The interference between
+the fins and the body is taken into account by a separate correction
+term.
+
+In addition to the corrective normal force, the fins can induce a roll
+rate if each of the fins are canted at an angle $\delta$.  The roll
+moment coefficient will be derived separately in
+Section~\ref{sec-roll-dynamics}.
+
+Barrowman's original report and thesis derived the equations for
+trapezoidal fins, where the tip chord is parallel to the body
+(Figure~\ref{fig-fin-geometry}(a)).  The equations can be extended to
+\eg elliptical fins~\cite{barrowman-elliptical-fins}
+(Figure~\ref{fig-fin-geometry}(b)), but many model rocket fin
+designs depart from these basic shapes.  Therefore an
+extension is presented that approximates the aerodynamical
+properties for a free-form fin defined by a list of $(x,y)$
+coordinates (Figure~\ref{fig-fin-geometry}(c)). 
+
+
+\begin{figure}
+\centering
+\parbox{35mm}{\centering
+\epsfig{file=figures/fin-geometry/fin-trapezoidal,scale=0.5} \\ (a)}
+\hfill
+\parbox{35mm}{\centering
+\epsfig{file=figures/fin-geometry/fin-elliptical,scale=0.5} \\ (b)}
+\hfill
+\parbox{35mm}{\centering
+\epsfig{file=figures/fin-geometry/fin-free,scale=0.5} \\ (c)}
+\caption{Fin geometry of (a) a trapezoidal fin, (b) an elliptical fin
+  and (c) a free-form fin.}
+\label{fig-fin-geometry}
+\end{figure}
+
+
+
+Additionally, Barrowman considered only cases with three or four
+fins.  This shall be extended to allow for any reasonable number of
+fins, even single fins.
+
+
+\subsubsection{Center of pressure of fins at subsonic and supersonic
+  speeds}
+
+Barrowman argued that since the CP of a fin is located along its mean
+aerodynamic chord (MAC) and on the other hand at low subsonic speeds
+on its quarter chord, then the CP must be located at the intersection
+of these two (depicted in Figure~\ref{fig-fin-geometry}(a)).  He
+proceeded to calculate this intersection point analytically from the
+fin geometry of a trapezoidal fin.
+
+Instead of following the derivation Barrowman used, an alternative
+method will be presented that allows simpler extension to free-form
+fins.  The two methods yield identical results for trapezoidal fins.
+The length of the MAC $\bar c$, its spanwise position $y_{\rm MAC}$,
+and the effective leading edge location $x_{\rm MAC,LE}$ are given
+by~\cite{appl-comp-aero-fins}
+%
+\begin{align}
+\bar c &=  \frac{1}{\Afin} \int_0^s c^2(y) \dif y
+   \label{eq-MAC-length} \\
+y_{\rm MAC} &= \frac{1}{\Afin} \int_0^s yc(y) \dif y 
+   \label{eq-MAC-ypos} \\
+x_{\rm MAC,LE} &= \frac{1}{\Afin} \int_0^s x_{\rm LE}(y)c(y) \dif y
+   \label{eq-MAC-xpos}
+\end{align}
+%
+where $\Afin$ is the one-sided area of a single fin, $s$ is the span of
+one fin, and $c(y)$ is the length of the fin chord and $x_{\rm LE}(y)$
+the leading edge position at spanwise position $y$.
+
+When these equations are applied to trapezoidal fins and the
+lengthwise position of the CP is selected at the quarter chord,
+$X_f=x_{\rm MAC,LE}+0.25\,\bar c$,
+one recovers exactly the results derived by Barrowman:
+%
+\begin{align}
+y_{\rm MAC} &= \frac{s}{3}\,\frac{C_r+2C_t}{C_r+C_t} \\
+X_f &= \frac{X_t}{3}\,\frac{C_r+2C_t}{C_r+C_t} +
+          \frac{1}{6}\,\frac{C_r^2+C_t^2+C_rC_t}{C_r+C_t}
+\end{align}
+%
+However, equations~(\ref{eq-MAC-length})--(\ref{eq-MAC-xpos}) may also
+be directly applied to elliptical or free-form fins.
+
+Barrowman's method assumes that the lengthwise position of the CP
+stays at a constant 25\% of the MAC at subsonic speeds.  However, the
+position starts moving rearward above approximately Mach 0.5.  For
+$M>2$ the relative lengthwise position of the CP is given by an empirical
+formula~\cite[p.~33]{fleeman}
+%
+\begin{equation}
+\frac{X_f}{\bar c} = \frac{\AR\beta - 0.67}{2\AR\beta-1}
+\label{eq-fin-CP-mach2}
+\end{equation}
+%
+where $\beta=\sqrt{M^2-1}$ for $M>1$ and \AR\ is the aspect ratio of
+the fin defined using the span $s$ as $\AR=2s^2/\Afin$. 
+%
+Between Mach 0.5 and 2 the lengthwise position of the CP is
+interpolated.  A suitable function that gives a curve similar to that
+of Figure~2.18 of reference~\cite[p.~33]{fleeman} was found to be a
+fifth order polynomial $p(M)$ with the constraints
+%
+\begin{equation}
+  \begin{split}
+p(0.5)   & =  0.25 \\
+p'(0.5)  & =  0 \\
+p(2)     & =  f(2)  \\
+p'(2)    & =  f'(2) \\
+p''(2)   & =  0 \\
+p'''(2)  & =  0
+  \end{split}
+\end{equation}
+%
+where $f(M)$ is the function of equation~(\ref{eq-fin-CP-mach2}).
+
+
+
+The method presented here can be used to estimate the CP location of
+an arbitrary thin fin.  However, problems arise with the method if the
+fin shape has a jagged edge as shown in
+Figure~\ref{fig-fin-jagged}(a).  If $c(y)$ would include only the sum
+of the two separate chords in the area containing the gap, then the
+equations would yield the same result as for a fin shown in
+Figure~\ref{fig-fin-jagged}(b).  This clearly would be incorrect,
+since the position of the latter fin portion would be neglected.  To
+overcome this problem, $c(y)$ is chosen as the length from the leading
+edge to the trailing edge of the fin, effectively adding the portion
+marked by the dotted line to the fin.  This corrects the CP position
+slightly rearwards.  The fin area used in
+equations~(\ref{eq-MAC-length})--(\ref{eq-MAC-xpos}) must in this case
+also be calculated including this extra fin area, but the extra area
+must not be included when calculating the normal force coefficient.
+
+This correction is also approximate, since in reality such a jagged
+edge would cause some unknown interference factor between the two fin
+portions.  Simulating such jagged edges using these methods should
+therefore be avoided.
+
+
+\begin{figure}
+\centering
+\parbox{35mm}{\centering
+\epsfig{file=figures/fin-geometry/fin-jagged,scale=0.5} \\ (a)}
+\hspace{5mm}
+\parbox{35mm}{\centering
+\epsfig{file=figures/fin-geometry/fin-jagged-equivalent,scale=0.5} \\ (b)}
+\caption{(a) A jagged fin edge, and (b) an equivalent fin if $c(y)$ is
+  chosen to include only the actual fin area.}
+\label{fig-fin-jagged}
+\end{figure}
+
+
+
+
+
+
+
+\subsubsection{Single fin \CNa\ at subsonic speeds}
+\label{sec-average-angle}
+
+Barrowman derived the normal force coefficient derivative value based
+on Diederich's semi-empirical method~\cite{diederich}, which states that
+for one fin
+%
+\begin{equation}
+\del{\CNa}_1 = \frac{\CNa_0\; F_D \left(\frac{\Afin}{\Aref}\right)
+                     \cos\Gamma_c}
+             {2+F_D\sqrt{1+\frac{4}{F_D^2}}},
+\label{eq-fin-CNa-base}
+\end{equation}
+%
+where
+%
+\begin{itemize}
+\item[$\CNa_0$] = normal force coefficient derivative of a 2D airfoil
+\item[$F_D$] = Diederich's planform correlation parameter
+\item[$\Afin$] = area of one fin
+\item[$\Gamma_c$] = midchord sweep angle (depicted in
+  Figure~\ref{fig-fin-geometry}(a)).
+\end{itemize}
+%
+Based on thin airfoil theory of potential flow corrected for
+compressible flow
+%
+\begin{equation}
+\CNa_0 = \frac{2\pi}{\beta}
+\label{eq-fin-CNa0}
+\end{equation}
+%
+where $\beta=\sqrt{1-M^2}$ for $M<1$.  $F_D$ is a parameter that
+corrects the normal force coefficient for the sweep of the fin.
+According to Diederich, $F_D$ is given by
+%
+\begin{equation}
+F_D=\frac{\AR}{\frac{1}{2\pi}\CNa_0\cos\Gamma_c}.
+\label{eq-fin-FD}
+\end{equation}
+%
+Substituting equations~(\ref{eq-fin-CNa0}), (\ref{eq-fin-FD}) and 
+$\AR=2s^2/\Afin$ into (\ref{eq-fin-CNa-base}) and simplifying one
+obtains
+%
+\begin{equation}
+%\del{\CNa}_1 = \frac{2\pi\; \AR \del{\frac{\Afin}{\Aref}}}
+%             {2+\sqrt{4 + \del{\frac{\beta \AR}{\cos\Gamma_c}}^2}}.
+\del{\CNa}_1 = \frac{2\pi\; \frac{s^2}{\Aref}}
+             {1+\sqrt{1 + \del{\frac{\beta s^2}{\Afin\cos\Gamma_c}}^2}}.
+\label{eq-CNa1}
+\end{equation}
+%
+This is the normal force coefficient derivative for one fin, where the
+angle of attack is between the airflow and fin surface.
+
+The value of equation~(\ref{eq-CNa1}) can be calculated directly for
+trapezoidal and elliptical fins.  However, in the case of free-form
+fins, the question arises of how to define the mid-chord angle
+$\Gamma_c$.  If the angle $\Gamma_c$ is taken as the angle from the
+middle of the root chord to the tip of the fin, the result may not be
+representative of the actual shape, as shown by angle $\Gamma_{c1}$ in
+Figure~\ref{fig-midchord-angle}.
+
+\begin{figure}
+\centering
+\epsfig{file=figures/fin-geometry/fin-midchord-angle,scale=0.7}
+\caption{A free-form fin shape and two possibilities for the midchord
+  angle $\Gamma_c$.}
+\label{fig-midchord-angle}
+\end{figure}
+
+Instead the fin planform is divided into a large number of chords, and
+the angle between the midpoints of each two consecutive chords is
+calculated.  The midchord angle used in equation~(\ref{eq-CNa1}) is
+then the average of all these angles.  This produces an angle better
+representing the actual shape of the fin, as angle $\Gamma_{c2}$ in
+Figure~\ref{fig-midchord-angle}.  The angle calculated by this method
+is also equal to the natural midchord angles for trapezoidal and
+elliptical fins.
+
+
+
+
+\subsubsection{Single fin \CNa\ at supersonic speeds}
+\label{sec-single-fin-CNa-supersonic}
+
+The method for calculating the normal force coefficient of fins at
+supersonic speed presented by Barrowman is based on a third-order
+expansion according to Busemann theory~\cite{barrowman-fin}.  The
+method divides the fin into narrow streamwise strips, the normal force
+of which are calculated separately.  In this presentation the method
+is further simplified by assuming the fins to be flat plates and by
+ignoring a third-order term that corrects for fin-tip Mach cone
+effects.
+
+%
+% Angle of Inclination = between ray and surface
+% Angle of Incidence   = between ray and normal of surface
+%
+
+
+The local pressure coefficient of strip $i$ is calculated by
+%
+\begin{equation}
+C_{P_i} = K_1 \,\eta_i + K_2 \,\eta_i^2 + K_3 \,\eta_i^3
+\label{eq-local-pressure-coefficient}
+\end{equation}
+%
+where $\eta_i$ is the inclination of the flow at the surface and the
+coefficients are
+%
+\begin{align}
+K_1 &= \frac{2}{\beta} \\
+K_2 &= \frac{(\gamma+1)M^4 - 4\,\beta^2}{4\,\beta^4} \\
+K_3 &= \frac{(\gamma+1)M^8 + (2\gamma^2-7\gamma-5)M^6 +
+  10(\gamma+1)M^4 + 8}{6\,\beta^7}
+\end{align}
+%
+It is noteworthy that the coefficients $K_1$, $K_2$ and $K_3$ can be
+pre-calculated for various Mach numbers, which makes the pressure
+coefficient of a single strip very fast to compute.  At small
+angles of inclination the pressure coefficient is nearly linear, as
+presented in Figure~\ref{fig-fin-strip-pressure-coefficient}.
+
+
+\begin{figure}
+\centering
+\epsfig{file=figures/fin-geometry/Cp-supersonic,scale=0.6}
+\caption{The local pressure coefficient as a function of the
+  strip inclination angle at various Mach numbers.  The dotted line
+  depicts the linear component of
+  equation~(\ref{eq-local-pressure-coefficient}).}
+\label{fig-fin-strip-pressure-coefficient}
+\end{figure}
+
+
+%If the rocket is not rolling, the inclinations $\eta_i$ are the
+%same for all strips of a fin and only one pressure coefficient needs
+%to be computed.  However, presence of a roll velocity generates
+%varying inclinations for all strips.  Therefore the current
+%examination is performed with separate inclinations and later
+%simplified for non-rolling conditions.  The effects of roll are
+%further discussed in Section~\ref{sec-roll-dynamics}.
+
+The lift force of strip $i$ is equal to
+%
+\begin{equation}
+F_i = C_{P_i} \cdot \frac{1}{2} \rho v_0^2 \cdot 
+  \underbrace{c_i \Delta y}_{\rm area}.
+\label{eq-supersonic-strip-lift-force}
+\end{equation}
+%
+The total lift force of the fin is obtained by summing up the
+contributions of all fin strips.  The normal force coefficient is then
+calculated in the usual manner as
+%
+\begin{align}
+C_N &= \frac{\sum_i F_i}{\frac{1}{2}\rho v_0^2\; \Aref} \\
+    &= \frac{1}{\Aref}\sum_i C_{P_i} \cdot c_i\Delta y.
+\end{align}
+
+When computing the corrective normal force coefficient of the fins the
+effect of roll is not taken into account.  In this case, and
+assuming that the fins are flat plates, the inclination angles
+$\eta_i$ of all strips are the same, and the pressure coefficient is
+constant over the entire fin.  Therefore the normal force coefficient
+is simply
+%
+\begin{equation}
+(C_N)_1 = \frac{\Afin}{\Aref} \;C_P.
+\end{equation}
+%
+Since the pressure coefficient is not linear with the angle of attack,
+the normal force coefficient slope is defined using
+equation~(\ref{eq-CNa-definition}) as
+%
+\begin{equation}
+(\CNa)_1 = \frac{(C_N)_1}{\alpha} = 
+ \frac{\Afin}{\Aref} \; \del{K_1 + K_2\,\alpha + K_3\,\alpha^2}.
+\end{equation}
+
+
+
+
+\subsubsection{Multiple fin \CNa}
+\label{update-roll-angle}
+
+In his thesis, Barrowman considered only configurations with three and
+four fins, one of which was parallel to the lateral airflow.  For
+simulation purposes, it is necessary to lift these restrictions to
+allow for any direction of lateral airflow and for any number of
+fins.
+
+The lift force of a fin is perpendicular to the fin and originates
+from its CP.  Therefore a single fin may cause a rolling and yawing
+moment in addition to a pitching moment.  In this case all of the
+forces and moments must be computed from the geometry.  If there are
+two or more fins placed symmetrically around the body then the yawing
+moments cancel, and if additionally there is no fin cant then the
+total rolling moment is also zero, and these moments need not be
+computed.
+
+The geometry of an uncanted fin configuration is depicted in
+Figure~\ref{fig-dihedral-angle}.  The dihedral angle between each of
+the fins and the airflow direction is denoted $\Lambda_i$.  The fin
+$i$ encounters a local angle of attack of
+%
+\begin{equation}
+\alpha_i = \alpha \sin\Lambda_i
+\end{equation}
+%
+for which the normal force component (the component parallel to the
+lateral airflow) is then
+%
+\begin{equation}
+\del{\CNa}_{\Lambda_i} = \del{\CNa}_1 \sin^2 \Lambda_i.
+\end{equation}
+
+
+\begin{figure}
+\centering
+\epsfig{file=figures/fin-geometry/dihedral-angle,scale=1}
+\caption{The geometry of an uncanted three-fin configuration (viewed
+  from rear).}
+\label{fig-dihedral-angle}
+\end{figure}
+
+
+The sum of the coefficients for $N$ fins then yields
+%
+\begin{equation}
+\sum_{k=1}^N \del{\CNa}_{\Lambda_k} =
+    \del{\CNa}_1 \sum_{k=1}^N \sin^2\Lambda_k.
+\label{N-fin-equation}
+\end{equation}
+%
+However, when $N\geq 3$ and the fins are spaced equally around the
+body of the rocket, the sum simplifies to a constant
+%
+\begin{equation}
+\sum_{k=1}^N \sin^2 (2\pi k/N + \theta) = \frac{N}{2}.
+\label{N-fin-simplification}
+\end{equation}
+%
+This equation predicts that the normal force produced by three or more
+fins is independent of the roll angle $\theta$ of the vehicle.
+Investigation by Pettis~\cite{pettis} showed that the normal force
+coefficient derivative of a four-finned rocket at Mach~1.48 decreased
+by approximately 6\% at a roll angle of $45^\circ$, and the roll angle
+had negligible effect on an eight-finned rocket.  Experimental data of
+a four-finned sounding rocket at Mach speeds from 0.60 to 1.20
+supports the 6\% estimate~\cite{experimental-transonic}.  
+
+The only experimental data available to the author of three-fin
+configurations was of a rocket with a rounded triangular body cross
+section~\cite{triform-fin-data}.  This data suggests an effect of
+approximately 15\% on the normal force coefficient derivative
+depending on the roll angle.  However, it is unknown how much of this
+effect is due to the triangular body shape and how much from the fin
+positioning.
+
+It is also hard to predict such an effect when examining singular
+fins.  If three identical or very similar singular fins are placed on
+a rocket body, the effect should be the same as when the fins belong
+to the same three-fin configuration.  Due to these facts the effect of
+the roll angle on the normal force coefficient derivative is ignored
+when a fin configuration has three or more fins.
+%
+\footnote{In OpenRocket versions prior to 0.9.6 a sinusoidal reduction
+of 15\% and 6\% was applied to three- and four-fin configurations,
+respectively.  However, this sometimes caused a significantly
+different predicted CP location compared to the pure Barrowman method,
+and also caused a discrepancy when such a fin configuration was
+decomposed into singular fins.  It was deemed better to follow the
+tested and tried Barrowman method instead of introducing additional
+terms to the equation.}
+
+However, in configurations with many fins the fin--fin
+interference may cause the normal force to be less than that estimated
+directly by equation~(\ref{N-fin-equation}).  According to
+reference~\cite[p.~5-24]{MIL-HDBK}, the normal force coefficients
+for six and eight-fin configurations are 1.37 and 1.62 times that of
+the corresponding four-fin configuration, respectively.  The values
+for five and seven-fin configurations are interpolated between these
+values.
+
+\pagebreak[4]
+Altogether, the normal force coefficient derivative $(\CNa)_N$ is
+calculated by:
+%
+\begin{equation}
+(\CNa)_N = \del{\sum_{k=1}^N \sin^2\Lambda_k} \del{\CNa}_1 \cdot
+  \left\{ 
+\begin{array}{ll}
+  1.000\; & N_{\rm tot}=1,2,3,4  \vspace{1mm}\\
+  0.948\; & N_{\rm tot}=5  \vspace{1mm}\\
+  0.913\; & N_{\rm tot}=6  \vspace{1mm}\\
+  0.854\; & N_{\rm tot}=7  \vspace{1mm}\\
+  0.810\; & N_{\rm tot}=8  \vspace{1mm}\\
+  0.750\; & N_{\rm tot}>8
+\end{array}
+  \right.
+\end{equation}
+%
+%\begin{equation}
+%(\CNa)_N =
+%  \left\{ 
+%\begin{array}{ll}
+%  \del{\sum_{k=1}^N \sin^2\Lambda_k} \del{\CNa}_1 & N=1,2 \vspace{1mm}\\
+%  1.50\; \del{\CNa}_1 & N=3  \vspace{1mm}\\
+%  2.00\; \del{\CNa}_1 & N=4  \vspace{1mm}\\
+%  2.37\; \del{\CNa}_1 & N=5  \vspace{1mm}\\
+%  2.74\; \del{\CNa}_1 & N=6  \vspace{1mm}\\
+%  2.99\; \del{\CNa}_1 & N=7  \vspace{1mm}\\
+%  3.24\; \del{\CNa}_1 & N=8
+%\end{array}
+%  \right.
+%\end{equation}
+%
+Here $N$ is the number of fins in this fin set, while $N_{\rm tot}$ is
+the total number of parallel fins that have an interference effect.
+The sum term simplifies to $N/2$ for $N\geq3$ according to
+equation~(\ref{N-fin-simplification}).  The interference effect for
+$N_{\rm tot}>8$ is assumed at 25\%, as data for such configurations is
+not available and such configurations are rare and eccentric in any
+case.
+
+\subsubsection{Fin--body interference}
+
+The normal force coefficient must still be corrected for fin--body
+interference, which increases the overall produced normal force.  Here
+two distinct effects can be identified: the normal force on the fins
+due to the presence of the body and the normal force on the body due
+to the presence of fins.  Of these the former is significantly larger;
+the latter is therefore ignored.  The effect of the extra fin lift is
+taken into account using a correction term
+%
+\begin{equation}
+\del{\CNa}_{T(B)} = K_{T(B)}\;\del{\CNa}_N
+\end{equation}
+%
+where $\del{\CNa}_{T(B)}$ is the normal force coefficient derivative
+of the tail in the presence of the body.  The term $K_{T(B)}$ can be
+approximated by~\cite{barrowman-rd}
+%
+\begin{equation}
+K_{T(B)} = 1 + \frac{r_t}{s + r_t},
+\end{equation}
+%
+where $s$ is the fin span from root to tip and $r_t$ is the body
+radius at the fin position.  The value $\del{\CNa}_{T(B)}$ is then
+used as the final normal force coefficient derivative of the fins.
+
+
+%The normal force coefficient must still be corrected for fin--body
+%interference, which increases the produced normal force.  The effect
+%of the interference can be split into two components, the normal force
+%of the fins in the presence of the body $\del{\CNa}_{T(B)}$ and of the
+%body in the presence of the fins $\del{\CNa}_{B(T)}$.  (The subscript
+%$T$ refers to {\it tail}.)  The interference is taken into account
+%using the correction factors
+%%
+%\begin{align}
+%\del{\CNa}_{T(B)} &= K_{T(B)}\;\del{\CNa}_N \\
+%\del{\CNa}_{B(T)} &= K_{B(T)}\;\del{\CNa}_N.
+%\end{align}
+%%
+%In his original report, Barrowman simplified the factor $K_{T(B)}$ to
+%%
+%\begin{equation}
+%K_{T(B)} = 1 + \frac{r_t}{s + r_t},
+%\end{equation}
+%%
+%where $s$ is the fin span from root to tip and $r_t$ is the body
+%radius at the fin position, and ignored the effect of $K_{B(T)}$ as
+%small compared to $K_{T(B)}$ for typical fin dimensions.  However,
+%$K_{T(B)}$ may be significant for fins with a span short compared to
+%the body radius.  In his thesis, a more accurate equation for
+%$K_{T(B)}$ is provided, and $K_{B(T)}$ is given
+%as~\cite[p.~31]{barrowman-thesis}
+%%
+%\begin{equation}
+%K_{B(T)} = \del{1 + \frac{r_t}{s + r_t}}^2 - K_{T(B)}.
+%\end{equation}
+%%
+%Therefore the total interference effect can be accounted for by a
+%factor
+%%
+%\begin{equation}
+%K_T = K_{T(B)} + K_{B(T)} = \del{1 + \frac{r_t}{s + r_t}}^2
+%\end{equation}
+%%
+%and
+%%
+%\begin{equation}
+%\del{\CNa}_{\rm fins} = K_T\; (\CNa)_N.
+%\end{equation}
+
+%This equation takes the increase on body lift and adds it as an
+%additional force on the fins.  The equation holds at subsonic speeds
+%and also at supersonic speeds until the fin tip Mach cone intersects
+%the body.  In the latter case more complex interference factors would
+%be required, which have been ignored in the current software.
+
+% TODO: FUTURE: supersonic interference effects, MIL-HDBK page 5-25 or B'man
+
+
+
+\pagebreak[4]
+\subsection{Pitch damping moment}
+
+So far the effect of the current pitch angular velocity has been
+ignored as marginal.  This is the case during the upward flight of a
+stable rocket.  However, if a rocket is launched nearly vertically in
+still air, the rocket flips over rather rapidly at apogee.  In
+some cases it was observed that the rocket was left wildly oscillating
+during descent.  The pitch damping moment opposes the fast rotation of
+the rocket thus damping the oscillation.
+
+Since the pitch damping moment is notable only at apogee, and
+therefore does not contribute to the overall flight characteristics,
+only a rough estimate of its magnitude is required.  A cylinder in
+perpendicular flow has a drag coefficient of approximately $C_D=1.1$,
+with the reference area being the planform area of the
+cylinder~\cite[p.~3-11]{hoerner}.  Therefore a short piece of cylinder
+$\dif\xi$ at a distance $\xi$ from a rotation axis, as shown in
+Figure~\ref{fig-pitch-velocity}, produces a force
+%
+\begin{equation}
+\dif F = 1.1 \cdot \frac{1}{2}\rho(\omega\xi)^2 \cdot 
+\underbrace{2r_t\,\dif\xi}_{\rm ref.area}
+\end{equation}
+%
+when the cylinder is rotating at an angular velocity $\omega$.  The
+produced moment is correspondingly $\dif m = \xi\dif F$.  Integrating
+this over $0\ldots l$ yields the total pitch moment
+%
+\begin{equation}
+m = 0.275 \cdot \rho\, r_t\, l^4 \omega^2
+\end{equation}
+%
+and thus the moment damping coefficient is
+%
+\begin{equation}
+C_{\rm damp} = 
+    0.55 \cdot \frac{l^4\; r_t}{\Aref\, d}\cdot\frac{\omega^2}{v_0^2}.
+\end{equation}
+%
+This value is computed separately for the portions of the rocket body
+fore and aft of the CG using an average body radius as $r_t$.
+
+\begin{figure}
+\centering
+\epsfig{file=figures/components/body-pitch-rate,scale=0.8}
+\caption{Pitch damping moment due to a pitching body component.}
+\label{fig-pitch-velocity}
+\end{figure}
+
+
+
+Similarly, a fin with area $\Afin$ at a distance $\xi$ from the CG
+produces a moment of approximately
+%
+\begin{equation}
+C_{\rm damp} = 
+    0.6\cdot \frac{N\,\Afin\;\xi^3}{\Aref\,d}\cdot\frac{\omega^2}{v_0^2}
+\end{equation}
+%
+where the effective area of the fins is assumed to be 
+$\Afin\cdot N/2$.  For $N>4$ the value $N=4$ is used, since the other
+fins are not exposed to any direct airflow.
+
+The damping moments are applied to the total pitch moment in the
+opposite direction of the current pitch rate.  It is noteworthy
+that the damping moment coefficients are proportional to $\omega^2/v_0^2$,
+confirming that the damping moments are insignificant during most of
+the rocket flight, where the angles of deflection are small and the
+velocity of the rocket large.  Through roll coupling the yaw rate may also
+momentarily become significant, and therefore the same correction is
+also applied to the yaw moment.
+
+
+
+
+
+\clearpage
+\section{Roll dynamics}
+\label{sec-roll-dynamics}
+
+When the fins of a rocket are canted at some angle $\delta>0$, the
+fins induce a rolling moment on the rocket.  On the other hand, when a
+rocket has a specific roll velocity, the portions of the fin far from
+the rocket centerline encounter notable tangential velocities
+which oppose the roll.  Therefore a steady-state roll velocity,
+dependent on the current velocity of the rocket, will result.
+
+The effect of roll on a fin can be examined by dividing the fin into
+narrow streamwise strips and later integrating over the strips.  A
+strip $i$ at distance $\xi_i$ from the rocket centerline encounters a
+radial velocity
+%
+\begin{equation}
+u_i = \omega \xi_i
+\end{equation}
+%
+where $\omega$ is the angular roll velocity, as shown in
+Figure~\ref{fig-roll-velocity}.  The radial velocity induces an angle
+of attack
+%
+\begin{equation}
+\eta_i = \tan^{-1} \del{\frac{u_i}{v_0}} =
+\tan^{-1}\del{\frac{\omega\xi_i}{v_0}}
+\approx \frac{\omega\xi_i}{v_0}
+\label{eq-tan-approx}
+\end{equation}
+%
+to the strip.  The approximation $\tan^{-1} \eta \approx \eta$ is
+valid for $u_i\ll v_0$, that is, when the velocity of the rocket is
+large compared to the radial velocity.  The approximation is
+reasonable up to angles of $\eta \approx 20^\circ$, above which angle
+most fins stall, which limits the validity of the equation in any
+case.  
+
+When a fin is canted at an angle $\delta$, the total
+inclination of the strip to the airflow is
+%
+\begin{equation}
+\alpha_i = \delta - \eta_i.
+\label{eq-roll-aoa-variation}
+\end{equation}
+
+Assuming that the force produced by a strip is directly proportional
+to the local angle of attack, the force on strip $i$ is
+%
+\begin{equation}
+F_i = k_i \alpha_i = k_i (\delta - \eta_i)
+\end{equation}
+%
+for some $k_i$.  The total moment produced by the fin is then
+%
+\begin{equation}
+%l = \int_0^s (r+y) k (\delta-\eta(y))\dif y
+%  = \int_0^s (r+y) k \delta \dif y - \int_0^s (r+y) k \eta(y) \dif y
+l = \sum_i \xi_i F_i = \sum_i \xi_i k_i (\delta - \eta_i)
+  = \sum_i \xi_i k_i \delta - \sum_i \xi_i k_i \eta_i.
+\end{equation}
+%
+This shows that the effect of roll can be split into two components:
+the first term $\sum_i \xi_i k_i \delta$ is the roll moment induced by
+a fin canted at the angle $\delta$ when flying at zero roll rate
+($\omega=0$), while the second term $\sum_i \xi_i k_i \eta_i$ is the
+opposing moment generated by an uncanted fin ($\delta=0$) when flying
+at a roll rate $\omega$.  These two moments are called the roll
+forcing moment and roll damping moment, respectively.  These
+components will be analyzed separately.
+
+
+\begin{figure}
+\centering
+\epsfig{file=figures/fin-geometry/roll-velocity,scale=0.8}
+\caption{Radial velocity at different positions of a fin.  Viewed from
+  the rear of the rocket.}
+\label{fig-roll-velocity}
+\end{figure}
+
+
+
+\subsection{Roll forcing coefficient}
+
+As shown previously, the roll forcing coefficient can be computed by
+examining a rocket with fins canted at an angle $\delta$ flying at
+zero roll rate ($\omega=0$).  In this case, the cant angle $\delta$ acts
+simply as an angle of attack for each of the fins.  Therefore, the
+methods computed in the previous section can be directly applied.
+Because the lift force of a fin originates from the mean aerodynamic
+chord, the roll forcing coefficient of $N$ fins is equal to
+%
+\begin{equation}
+C_{lf} = \frac{N (y_{\rm MAC}+r_t) \del{\CNa}_1 \delta}{d}
+\label{eq-roll-forcing-moment}
+\end{equation}
+%
+where $y_{\rm MAC}$ and $\del{\CNa}_1$ are computed using the methods
+described in Section~\ref{sec-planar-fins} and $r_t$ is the radius of
+the body tube at the fin position.  This result is applicable
+for both subsonic and supersonic speeds.
+
+
+
+\subsection{Roll damping coefficient}
+
+The roll damping coefficient is computed by examining a rocket with
+uncanted fins ($\delta=0$) flying at a roll rate $\omega$.  Since
+different portions of the fin encounter different local angles of
+attack, the damping moment must be computed from the separate
+streamwise airfoil strips.
+
+At subsonic speeds the force generated by strip $i$ is equal to
+%
+\begin{equation}
+F_i = \CNa_0 \; \frac{1}{2}\rho v_0^2 \; 
+\underbrace{c_i \Delta\xi_i}_{\rm area} \; \eta_i.
+\end{equation}
+%
+Here $\CNa_0$ is calculated by equation~(\ref{eq-fin-CNa0}) and 
+$c_i \Delta\xi_i$ is the area of the strip.  The roll damping moment
+generated by the strip is then
+%
+\begin{equation}
+\del{C_{ld}}_i
+  = \frac{F_i\,\xi_i}{\frac{1}{2}\rho v_0^2\,\Aref\, d}
+  = \frac{\CNa_0}{\Aref\,d} \; \xi_i c_i\Delta\xi_i \; \eta_i.
+\end{equation}
+%
+By applying the approximation~(\ref{eq-tan-approx}) and summing
+(integrating) the airfoil strips the total roll damping moment for $N$
+fins is obtained as:
+%
+\begin{align}
+C_{ld} & = N \sum_i (C_{ld})_i \nonumber \\
+& = \frac{N \;\CNa_0\;\omega}{\Aref\,d\,v_0} \sum_i c_i\xi_i^2\Delta\xi_i.
+\label{eq-roll-damping-moment}
+\end{align}
+%
+The sum term is a constant for a specific fin shape.  It can be
+computed numerically from the strips or analytically for specific
+shapes.  For trapezoidal fins the term can be integrated as
+%
+\begin{equation}
+\sum_i c_i\xi_i^2\Delta\xi_i = 
+\frac{C_r+C_t}{2}\;r_t^2s + \frac{C_r+2C_t}{3}\;r_ts^2 + 
+\frac{C_r+3C_t}{12}\;s^3
+\end{equation}
+%
+and for elliptical fins
+%
+\begin{equation}
+\sum_i c_i\xi_i^2\Delta\xi_i = 
+C_r \del{ \frac{\pi}{4}\;r_t^2s + \frac{2}{3}\;r_ts^2 +
+  \frac{\pi}{16}\;s^3 }.
+\end{equation}
+
+
+The roll damping moment at supersonic speeds is calculated
+analogously, starting from the supersonic strip lift force,
+equation~(\ref{eq-supersonic-strip-lift-force}), where the angle of
+inclination of each strip is calculated using
+equation~(\ref{eq-tan-approx}).  The roll moment at supersonic speeds
+is thus
+%
+\begin{equation}
+C_{ld} = \frac{N}{\Aref\,d} \sum_i C_{P_i}\, c_i \xi_i \Delta \xi_i.
+\end{equation}
+%
+The dependence on the incidence angle $\eta_i$ is embedded within the
+local pressure coefficient $C_{P_i}$,
+equation~(\ref{eq-local-pressure-coefficient}).  Since the dependence
+is non-linear, the sum term is a function of the Mach number as well
+as the fin shape.
+
+
+
+
+\subsection{Equilibrium roll frequency}
+
+One quantity of interest when examining rockets with canted fins
+is the steady-state roll frequency that the fins induce on a rocket
+flying at a specific velocity.  This is obtained by equating the roll
+forcing moment~(\ref{eq-roll-forcing-moment}) and roll damping
+moment~(\ref{eq-roll-damping-moment}) and solving for the roll rate
+$\omega$.  The equilibrium roll frequency at subsonic speeds is
+therefore
+%
+\begin{equation}
+f_{\rm eq} = \frac{\omega_{\rm eq}}{2\pi} =
+\frac{\Aref\; \beta v_0 \; y_{\rm MAC} \; (\CNa)_1 \; \delta}
+{4\pi^2\; \sum_i c_i\xi_i^2\Delta\xi_i}
+\label{eq-subsonic-roll-rate}
+\end{equation}
+%
+It is worth noting that the arbitrary reference area \Aref\ is
+cancelled out by the reference area appearing within $(\CNa)_1$,
+as is to be expected.
+
+At supersonic speeds the dependence on the incidence angle is
+non-linear and therefore the equilibrium roll frequency must be solved
+numerically.  Alternatively, the second and third-order terms of the
+local pressure coefficient of
+equation~(\ref{eq-local-pressure-coefficient}) may be ignored, in
+which case an approximation for the equilibrium roll frequency nearly
+identical to the subsonic case is obtained:
+%
+\begin{equation}
+f_{\rm eq} = \frac{\omega_{\rm eq}}{2\pi} =
+\frac{\Aref\; \beta v_0 \; y_{\rm MAC} \; (\CNa)_1 \; \delta}
+{4\pi\; \sum_i c_i\xi_i^2\Delta\xi_i}
+\label{eq-supersonic-roll-rate}
+\end{equation}
+%
+The value of $(\CNa)_1$ must, of course, be computed using different
+methods in the subsonic and supersonic cases.
+
+
+
+
+%\subsection{Roll sensitivity}
+%
+%The vast majority of model rockets have uncanted fins and in
+%principle no roll is induced to these rockets.  However, in practice
+%imprecision in the attachment of the fins and other protrusions always
+%cause some roll to the rocket during flight.  In some applications,
+%such as launching rockets with onboard video cameras, it is desirable
+%to design the rockets so as to minimize the roll rate.  To assist this
+%design, a quantity called the {\it roll sensitivity} of the rocket is
+%defined as
+%%
+%\begin{equation}
+%f_{\rm sens} = \frac{1}{N}\eval{\pd{f_{\rm eq}}{\delta}}_{\delta=0}.
+%\end{equation}
+%%
+%This is the slope of the equilibrium roll frequency at $\delta=0$,
+%divided by the number of fins.  If measured in units of 
+%$\rm Hz/^\circ$, the quantity indicates the number of rotations per
+%second induced by one fin being attached at an angle of $1^\circ$.  By
+%minimizing the roll sensitivity of a rocket, the effect of
+%construction imperfections on the roll rate can be minimized.  From
+%equation~(\ref{eq-roll-rate}) the subsonic roll sensitivity is
+%obtained as
+%%
+%\begin{equation}
+%f_{\rm sens} =
+%\frac{\Aref\; \beta v_0 \; y_{\rm MAC} \; (\CNa)_1}
+%{N\; 4\pi^2\; \sum_i c_i\xi_i^2\Delta\xi_i}
+%\end{equation}
+%%
+%or conversely,
+%%
+%\begin{equation}
+%f_{\rm eq} = N\; f_{\rm sens}\,\delta.
+%\end{equation}
+%%
+%Similarly, in supersonic flight the roll sensitivity may either be
+%solved numerically, or computed using the linear approximation for
+%$C_{P_i}$ yielding 
+%%
+%\begin{equation}
+%f_{\rm sens} = 
+%\frac{\Aref\; \beta v_0 \; y_{\rm MAC} \; (\CNa)_1}
+%{N\; 4\pi\; \sum_i c_i\xi_i^2\Delta\xi_i}.
+%\end{equation}
+%
+%
+%When the fins are canted by design, the roll sensitivity loses its
+%significance.  Therefore if all the fins on a rocket are uncanted, the
+%quantity of intrest is the roll sensitivity, while for a rocket with
+%canted fins it is the equilibrium roll frequency.
+
+
+
+
+
+
+\clearpage
+\section{Drag forces}
+\label{sec-drag}
+
+Air flowing around a solid body causes drag, which resists the
+movement of the object relative to the air.  Drag forces arise from
+two basic mechanisms, the air pressure distribution around the rocket
+and skin friction.  The pressure distribution is further divided into
+body pressure drag (including shock waves generated as supersonic
+speeds), parasitic pressure drag due to protrusions such as launch
+lugs and base drag.  Additional sources of drag include interference
+between the fins and body and vortices generated at fin tips when
+flying at an angle of attack.  The different drag sources are depicted
+in Figure~\ref{fig-drag-components}.  Each drag source will be analyzed
+separately; the interference drag and fin-tip vortices will be
+ignored as small compared to the other sources.
+
+As described in Section~\ref{sec-general-aerodynamics}, two different
+drag coefficients can be defined: the (total) drag coefficient $C_D$
+and the axial drag coefficient $C_A$.  At zero angle of attack these
+two coincide, $C_{D_0} = C_{A_0}$, but at other angles a distinction
+between the two must be made.  The value of significance in the
+simulation is the axial drag coefficient $C_A$ based on the choice of
+force components.  However, the drag coefficient $C_D$ describes the
+deceleration force on the rocket, and is a more commonly known value
+in the rocketry community, so it is informational to calculate its
+value as well.
+
+In this section the zero angle-of-attack drag coefficient
+$C_{D_0} = C_{A_0}$ will be computed first.  Then, in
+Section~\ref{sec-axial-drag} this will be extended for angles of
+attack and $C_A$ and $C_D$ will be computed.  Since the drag force of
+each component is proportional to its particular size, the subscript
+$\bullet$ will be used for coefficients that are computed using the
+reference area of the specific component.  This reference area is the
+frontal area of the component unless otherwise noted.  Conversion to
+the global reference area is performed by
+%
+\begin{equation}
+C_{D_0} = \frac{A_{\rm component}}{\Aref} \cdot C_{D\bullet}.
+\end{equation}
+
+
+\begin{figure}
+\centering
+\epsfig{file=figures/aerodynamics/drag-components,width=13.5cm}
+\caption{Types of model rocket drag at subsonic speeds.}
+\label{fig-drag-components}
+\end{figure}
+
+
+\subsection{Laminar and turbulent boundary layers}
+
+At the front of a streamlined body, air flows smoothly around the
+body in layers, each of which has a different velocity.  The layer
+closest to the surface ``sticks'' to the object having zero velocity.
+Each layer gradually increases the speed until the free-stream
+velocity is reached.  This type of flow is said to be {\it laminar}
+and to have a {\it laminar boundary layer}.  The thickness of the
+boundary layer increases with the distance the air has flowed along
+the surface.  At some point a transition occurs and the layers of air
+begin to mix.  The boundary layer becomes {\it turbulent} and thickens
+rapidly.  This transition is depicted in
+Figure~\ref{fig-drag-components}.
+
+A turbulent boundary layer induces a notably larger skin friction drag
+than a laminar boundary layer.  It is therefore necessary to consider
+how large a portion of a rocket is in laminar flow and at what point
+the flow becomes turbulent.  The point at which the flow becomes
+turbulent is the point that has a {\it local critical Reynolds number}
+%
+\begin{equation}
+R_{\rm crit} = \frac{v_0 \; x}{\nu},
+\label{eq-transition-Re}
+\end{equation}
+%
+where $v_0$ is the free-stream air velocity, $x$ is the distance along
+the body from the nose cone tip and 
+$\nu\approx 1.5\cdot10^{-5}\;\rm m^2/s$ is the kinematic viscosity of
+air.  The critical Reynolds number is approximately 
+$R_{\rm crit} = 5\cdot10^5$~\cite[p.~43]{barrowman-thesis}. Therefore,
+at a velocity of 100~m/s the transition therefore occurs approximately
+7~cm from the nose cone tip.
+
+% Air viscosity:
+% http://www.engineeringtoolbox.com/air-absolute-kinematic-viscosity-d_601.html
+
+
+%Since the drag force is approximately proportional to the square of
+%the free-stream velocity, the value of $C_D$ is most critical at high
+%velocities.  Equation~(\ref{eq-transition-Re}) shows that at a velocity
+%of 100~m/s the transition to turbulent flow occurs about 7~cm
+%from the nose cone tip.  Therefore at these speeds most of the wetted
+%area of a typical model rocket is in turbulent flow.
+
+Surface roughness or even slight protrusions may also trigger the
+transition to occur prematurely.  At a velocity of 60~m/s the critical
+height for a cylindrical protrusion all around the body is of the
+order of 0.05~mm~\cite[p.~348]{advanced-model-rocketry}.  The
+body-to-nosecone joint, a severed paintbrush hair or some other
+imperfection on the surface may easily exceed this limit and cause
+premature transition to occur.
+
+Barrowman presents methods for computing the drag of both fully
+turbulent boundary layers as well as partially-laminar layers.  Both
+methods were implemented and tested, but the difference in apogee
+altitude was less than 5\% in with all tested designs.  Therefore,
+the boundary layer is assumed to be fully turbulent in all cases.
+
+%A typical model rocket may therefore be assumed to have a fully
+%turbulent boundary layer.  Only sport models which have been
+%finished to fine precision may benefit from a partial laminar
+%flow around the rocket.  These different types of rockets will be
+%taken into account by having two modes of calculation, one for typical
+%model rockets that assumes a fully turbulent boundary layer, and
+%another one which assumes very fine precision finish.
+
+
+
+
+
+
+\subsection{Skin friction drag}
+
+Skin friction is one of the most notable sources of model rocket
+drag.  It is caused by the friction of the viscous flow of air
+around the rocket.  In his thesis Barrowman presented formulae for
+estimating the skin friction coefficient for both laminar and
+turbulent boundary layers as well as the transition between the
+two~\cite[pp.~43--47]{barrowman-thesis}.  As discussed above, a fully
+turbulent boundary layer will be assumed in this thesis.
+
+The skin friction coefficient $C_f$ is defined as the drag coefficient
+due to friction with the reference area being the total wetted area
+of the rocket, that is, the body and fin area in contact with the
+airflow:
+%
+\begin{equation}
+C_f = \frac{D_{\rm friction}}{\frac{1}{2} \rho v_0^2\;A_{\rm wet}}
+\end{equation}
+%
+The coefficient is a function of the rocket's Reynolds number $R$ and
+the surface roughness.  The aim is to first calculate the skin
+friction coefficient, then apply corrections due to compressibility
+and geometry effects, and finally to convert the coefficient to the
+proper reference area.
+
+
+\subsubsection{Skin friction coefficients}
+\label{sec-skin-friction-coefficient}
+
+The values for $C_f$ are given by different formulae depending on the
+Reynolds number.  For fully turbulent flow the coefficient is given by
+%
+\begin{equation}
+C_f = \frac{1}{(1.50\; \ln R - 5.6)^2}.
+\label{eq-turbulent-friction}
+\end{equation}
+
+The above formula assumes that the surface is ``smooth'' and the
+surface roughness is completely submerged in a thin, laminar sublayer.
+At sufficient speeds even slight roughness may have an effect on the
+skin friction.  The critical Reynolds number corresponding to the
+roughness is given by
+%
+\begin{equation}
+R_{\rm crit} = 51\left(\frac{R_s}{L}\right)^{-1.039},
+\end{equation}
+%
+where $R_s$ is an approximate roughness height of the surface.  A few
+typical roughness heights are presented in Table~\ref{tab-roughnesses}.
+For Reynolds numbers above the critical value, the skin friction
+coefficient can be considered independent of Reynolds number, and has
+a value of
+%
+\begin{equation}
+C_f = 0.032\left(\frac{R_s}{L}\right)^{0.2}.
+\label{eq-critical-friction}
+\end{equation}
+%
+
+
+\begin{table}
+\caption{Approximate roughness heights of different
+  surfaces~\cite[p.~5-3]{hoerner}}
+\label{tab-roughnesses}
+\begin{center}
+\begin{tabular}{lc}
+Type of surface & Height / \um \\
+\hline
+Average glass                  & 0.1 \\
+Finished and polished surface  & 0.5 \\
+Optimum paint-sprayed surface  & 5 \\
+Planed wooden boards           & 15 \\
+% planed = höylätty ???
+Paint in aircraft mass production & 20 \\
+Smooth cement surface          & 50 \\
+Dip-galvanized metal surface   & 150 \\
+Incorrectly sprayed aircraft paint & 200 \\
+Raw wooden boards              & 500 \\
+Average concrete surface       & 1000 \\
+\hline
+\end{tabular}
+\end{center}
+\end{table}
+
+
+Finally, a correction must be made for very low Reynolds numbers.  The
+experimental formulae are applicable above approximately
+$R\approx10^4$.  This corresponds to velocities typically below 1~m/s,
+which therefore have negligible effect on simulations.  Below this
+Reynolds number, the skin friction coefficient is assumed to be equal
+as for $R=10^4$.
+
+Altogether, the skin friction coefficient for turbulent flow is
+calculated by
+%
+\begin{equation}
+C_f = \left\{
+\begin{array}{ll}
+1.48\cdot10^{-2}, & \mbox{if $R<10^4$} \\
+\mbox{Eq.~(\ref{eq-turbulent-friction})}, & \mbox{if $10^4<R<R_{\rm crit}$} \\
+\mbox{Eq.~(\ref{eq-critical-friction})}, & \mbox{if $R>R_{\rm crit}$}
+\end{array}
+\right. .
+\end{equation}
+%
+These formulae are plotted with a few different surface roughnesses in
+Figure~\ref{fig-skinfriction-plot}.  Included also is the laminar and
+transitional skin friction values for comparison.
+
+\begin{figure}
+\centering
+\epsfig{file=figures/drag/skin-friction-coefficient,width=11cm}
+\caption{Skin friction coefficient of turbulent, laminar and
+  roughness-limited boundary layers.}
+\label{fig-skinfriction-plot}
+\end{figure}
+
+
+\subsubsection{Compressibility corrections}
+
+A subsonic speeds the skin friction coefficient turbulent and
+roughness-limited boundary layers need to be corrected for
+compressibility with the factor
+%
+\begin{equation}
+{C_f}_c = C_f\; (1-0.1\, M^2).
+\end{equation}
+%
+In supersonic flow, the turbulent skin friction coefficient must be
+corrected with
+%
+\begin{equation}
+{C_f}_c = \frac{C_f}{(1+0.15\, M^2)^{0.58}}
+\end{equation}
+%
+and the roughness-limited value with
+%
+\begin{equation}
+{C_f}_c = \frac{C_f}{1 + 0.18\, M^2}.
+\end{equation}
+%
+However, the corrected roughness-limited value should not be used if
+it would yield a value smaller than the corresponding turbulent
+value.
+
+
+\subsubsection{Skin friction drag coefficient}
+\label{sec-skin-friction-drag}
+
+After correcting the skin friction coefficient for compressibility
+effects, the coefficient can be converted into the actual drag
+coefficient.  This is performed by scaling it to the correct reference
+area.  The body wetted area is corrected for its cylindrical geometry,
+and the fins for their finite thickness.
+%effect of finite fin thickness which Barrowman handled
+%separately is also included~\cite[p.~55]{barrowman-thesis}.  
+The total friction drag coefficient is then
+%
+\begin{equation}
+(C_D)_{\rm friction} = {C_f}_c \; \frac{
+  \del{1 + \frac{1}{2f_B}} \cdot A_{\rm wet,body} + 
+  \del{1 + \frac{2t}{\bar c}} \cdot A_{\rm wet,fins}}
+   {\Aref}
+\label{eq-friction-drag-scale}
+\end{equation}
+%
+where $f_B$ is the fineness ratio of the rocket, and $t$ the thickness
+and $\bar c$ the mean aerodynamic chord length of the fins.  The
+wetted area of the fins $A_{\rm wet,fins}$ includes both sides of the
+fins.
+
+
+
+
+
+\subsection{Body pressure drag}
+
+Pressure drag is caused by the air being forced around the rocket.  A
+special case of pressure drag are shock waves generated at supersonic
+speeds.  In this section methods for estimating the pressure drag of
+nose cones will be presented and reasonable estimates also for
+shoulders and boattails.
+
+
+\subsubsection{Nose cone pressure drag}
+
+At subsonic speeds the pressure drag of streamlined nose cones is
+significantly smaller than the skin friction drag.  In fact, suitable
+shapes may even yield negative pressure drag coefficients, producing a
+slight reduction in drag.  Figure~\ref{fig-nosecone-cd} presents
+various nose cone shapes and their respective measured pressure drag
+coefficients.~\cite[p.~3-12]{hoerner}
+
+It is notable that even a slight rounding at the joint between the nose
+cone and body reduces the drag coefficient dramatically.  Rounding the
+edges of an otherwise flat head reduces the drag coefficient from 0.8
+to 0.2, while a spherical nose cone has a coefficient of only 0.01.
+The only cases where an appreciable pressure drag is present is when
+the joint between the nose cone and body is not smooth, which may
+cause slight flow separation.
+
+The nose pressure drag is approximately
+proportional to the square of the sine of the joint angle $\phi$
+(shown in
+Figure~\ref{fig-nosecone-cd})~\cite[p.~237]{handbook-supersonic-aerodynamics}:
+%
+\begin{equation}
+(C_{D\bullet,M=0})_p = 0.8 \cdot \sin^2\phi.
+\label{eq-nosecone-pressure-drag}
+\end{equation}
+%
+This yields a zero pressure drag for all nose cone shapes that have a
+smooth transition to the body.  The equation does not take into
+account the effect of extremely blunt nose cones (length less than
+half of the diameter).  Since the main drag cause is slight flow
+separation, the coefficient cannot be corrected for compressibility
+effects using the Prandtl coefficient, and the value is applicable
+only at low subsonic velocities.
+
+\begin{figure}
+\centering
+\epsfig{file=figures/nose-geometry/nosecone-cd-top,width=11cm}
+\caption{Pressure drag of various nose cone
+  shapes~\cite[p.~3-12]{hoerner}.}
+\label{fig-nosecone-cd}
+\end{figure}
+
+
+At supersonic velocities shock waves increase the pressure drag
+dramatically. In his report Barrowman uses a second-order
+shock-expansion method that allows determining the pressure
+distribution along an arbitrary slender rotationally symmetrical
+body~\cite{second-order-shock-expansion-method}.  However,
+the method has some problematic limitations.  The method cannot handle
+body areas that have a slope larger than approximately $30^\circ$,
+present in several typical nose cone shapes.  The local airflow in
+such areas may decrease below the speed of sound, and the method
+cannot handle transonic effects.  Drag in the transonic
+region is of special interest for rocketeers wishing to build rockets
+capable of penetrating the sound barrier.
+
+Instead of a general piecewise computation of the air pressure around
+the nose cone, a simpler semi-empirical method for estimating the
+transonic and supersonic pressure drag of nose cones is used.  The
+method, described in detail in
+Appendix~\ref{app-nosecone-drag-method}, combines theoretical and
+empirical data of different nose cone shapes to allow estimating the
+pressure drag of all the nose cone shapes described in
+Appendix~\ref{app-nosecone-geometry}.
+
+The semi-empirical method is used at Mach numbers above 0.8.  
+At high subsonic velocities the pressure drag is interpolated between
+that predicted by equation~(\ref{eq-nosecone-pressure-drag}) and the
+transonic method.  The pressure drag is assumed to be non-decreasing
+in the subsonic region and to have zero derivative at $M=0$.  A
+suitable interpolation function that resembles the shape of the
+Prandtl factor is
+%
+\begin{equation}
+(C_{D\bullet})_{\rm pressure} = a\cdot M^b + (C_{D\bullet,M=0})_p
+\label{eq-nosecone-pressure-interpolator}
+\end{equation}
+%
+where $a$ and $b$ are computed to fit the drag coefficient and its
+derivative at the lower bound of the transonic method.
+
+
+
+\subsubsection{Shoulder pressure drag}
+
+Neither Barrowman nor Hoerner present theoretical or experimental
+data on the pressure drag of transitions at subsonic velocities.  In
+the case of shoulders, the pressure drag coefficient is assumed to be
+the same as that of a nose cone, except that the reference area is the
+difference between the aft and fore ends of the transition.  The
+effect of a non-smooth transition at the beginning of the shoulder is
+ignored, since this causes an increase in pressure and thus cannot
+cause flow separation.
+
+While this assumption is reasonable at subsonic velocities, it is
+somewhat dubious at supersonic velocities.  However, no comprehensive
+data set of shoulder pressure drag at supersonic velocities was
+found.  Therefore the same assumption is made for supersonic
+velocities and a warning is generated during such simulations (see
+Section~\ref{sec-warnings}).  The refinement of the supersonic
+shoulder pressure drag estimation is left as a future enhancement.
+
+
+
+\subsubsection{Boattail pressure drag}
+
+The estimate for boattail pressure drag is based on the body base
+drag estimate, which will be presented in Section~\ref{sec-base-drag}.
+At one extreme, the transition length is zero, in which case the
+boattail pressure drag will be equal to the total base drag.  On the
+other hand, a gentle slope will allow a gradual pressure change
+causing approximately zero pressure drag.  Hoerner has presented
+pressure drag data for wedges, which suggests that at a
+length-to-height ratio below 1 has a constant pressure drag
+corresponding to the base drag and above a ratio of 3 the pressure
+drag is negligible.  Based on this and the base drag
+equation~(\ref{eq-base-drag}), an approximation for the pressure drag
+of a boattail is given as
+%
+\begin{equation}
+(C_{D\bullet})_{\rm pressure} =
+\frac{A_{\rm base}}{A_{\rm boattail}} \cdot (C_{D\bullet})_{\rm base}
+\cdot 
+\left\{
+\begin{array}{cl}
+1 & \mbox{if\ } \gamma < 1 \\
+\frac{3-\gamma}{2} & \mbox{if\ } 1 < \gamma < 3 \\
+0 & \mbox{if\ } \gamma > 3
+\end{array}
+\right.
+\end{equation}
+%
+where the length-to-height ratio $\gamma = l/(d_1-d_2)$ is calculated
+from the length and fore and aft diameters of the boattail.  The
+ratios 1 and 3 correspond to reduction angles of $27^\circ$ and
+$9^\circ$, respectively, for a conical boattail.  The base drag
+$(C_{D\bullet})_{\rm base}$ is calculated using
+equation~(\ref{eq-base-drag}).
+
+Again, this approximation is made primarily based on subsonic data.
+At supersonic velocities expansion fans exist, the counterpart of
+shock waves in expanding flow.  However, the same equation is used for
+subsonic and supersonic flow and a warning is generated during
+transonic simulation of boattails.
+
+
+
+\subsection{Fin pressure drag}
+
+The fin pressure drag is highly dependent on the fin profile shape.
+Three typical shapes are considered, a rectangular profile, rounded
+leading and trailing edges, and an airfoil shape with rounded leading
+edge and tapering trailing edge.  Barrowman estimates the fin pressure
+drag by dividing the drag further into components of a finite
+thickness leading edge, thick trailing edge and overall fin
+thickness~\cite[p.~48--57]{barrowman-thesis}.  In this report the fin
+thickness was already taken into account as a correction to the skin
+friction drag in Section~\ref{sec-skin-friction-drag}.  The division
+to leading and trailing edges also allows simple extension to the
+different profile shapes.
+
+The drag of a rounded leading edge can be considered as a circular
+cylinder in cross flow with no base drag.  Barrowman derived 
+an empirical formula for the leading edge pressure drag as
+%
+\begin{equation}
+(C_{D\bullet})_{LE\perp} = 
+\left\{ 
+\begin{array}{ll}
+  (1-M^2)^{-0.417} - 1 & \mbox{for $M<0.9$} \\
+  1-1.785(M-0.9)         & \mbox{for $0.9 < M < 1$} \\
+  1.214 - \frac{0.502}{M^2} + \frac{0.1095}{M^4} & \mbox{for $M>1$}
+\end{array}
+  \right. .
+\end{equation}
+%
+The subscript $\perp$ signifies the the flow is perpendicular to the
+leading edge.
+
+In the case of a rectangular fin profile the leading edge pressure
+drag is equal to the stagnation pressure drag as derived in 
+equation~\ref{eq-blunt-cylinder-drag} of
+Appendix~\ref{app-blunt-cylinder-drag}:
+\begin{equation}
+(C_{D\bullet})_{LE\perp} = (C_{D\bullet})_{\rm stag}
+\end{equation}
+
+The leading edge pressure drag of a slanted fin is obtained from the
+cross-flow principle~\cite[p.~3-11]{hoerner} as
+%
+\begin{equation}
+(C_{D\bullet})_{LE} = (C_{D\bullet})_{LE\perp} \cdot \cos^2\Gamma_L
+\end{equation}
+%
+where $\Gamma_L$ is the leading edge angle.  Note that in the equation
+both coefficients are relative to the frontal area of the cylinder, so
+the ratio of their reference areas is also $\cos\Gamma_L$.  In the
+case of a free-form fin the angle $\Gamma_L$ is the average leading
+edge angle, as described in Section~\ref{sec-average-angle}.
+
+The fin base drag coefficient of a square profile fin is the same as
+the body base drag coefficient in equation~\ref{eq-base-drag}:
+%
+\begin{equation}
+(C_{D\bullet})_{TE} = (C_{D\bullet})_{\rm base}
+\end{equation}
+%
+For fins with rounded edges the value is taken as half of the total
+base drag, and for fins with tapering trailing edges the base
+drag is assumed to be zero.
+
+The total fin pressure drag is the sum of the leading and trailing
+edge drags
+%
+\begin{equation}
+(C_{D\bullet})_{\rm pressure} = 
+(C_{D\bullet})_{LE} + (C_{D\bullet})_{TE}.
+\end{equation}
+%
+The reference area is the fin frontal area $N\cdot ts$.
+
+% TODO: FUTURE: supersonic shock wave drag???
+
+
+
+
+
+\subsection{Base drag}
+\label{sec-base-drag}
+
+Base drag is caused by a low-pressure area created at the base of the
+rocket or in any place where the body radius diminishes rapidly
+enough.  The magnitude of the base drag can be estimated using the
+empirical formula~\cite[p.~23]{fleeman}
+%
+\begin{equation}
+(C_{D\bullet})_{\rm base} = 
+  \left\{ 
+\begin{array}{ll}
+  0.12+0.13M^2, & \mbox{if $M<1$} \\
+  0.25/M,         & \mbox{if $M>1$}
+\end{array}
+  \right. .
+\label{eq-base-drag}
+\end{equation}
+%
+The base drag is disrupted when a motor exhausts into the area.  A
+full examination of the process would need much more detailed
+information about the motor and would be unnecessarily complicated.  A
+reasonable approximation is achieved by subtracting the area of the
+thrusting motors from the base reference area~\cite[p.~23]{fleeman}.
+Thus, if the base is the same size as the motor itself, no base drag
+is generated.  On the other hand, if the base is large with only a
+small motor in the center, the base drag is approximately the same as
+when coasting.
+
+The equation presented above ignores the effect that the rear body
+slope angle has on the base pressure.  A boattail at the end of the
+rocket both diminishes the reference area of base drag, thus reducing
+drag, but the slope also directs air better into the low pressure
+area. This effect has been neglected as small compared to the effect
+of reduced base area.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+\subsection{Parasitic drag}
+
+Parasitic drag refers to drag caused by imperfections and protrusions
+on the rocket body.  The most significant source of parasitic drag in
+model rockets are the launch guides that protrude from the rocket
+body.  The most common type of launch guide is one or two launch lugs,
+which are pieces of tube that hold the rocket on the launch rod during
+takeoff.  Alternatives to launch lugs include replacing the tube with
+metal wire loops or attaching rail pins that hold the rocket on a
+launch rail.  These three guide types are depicted in
+Figure~\ref{fig-launch-guides}.  The effect of launch lugs on the
+total drag of a model rocket is small, typically in the range of
+0--10\%, due to their comparatively small size.  However, studying
+this effect may be of notable interest for model rocket designers.
+
+
+\begin{figure}
+\centering
+\epsfig{file=figures/components/launch-guides,width=12cm}
+\caption{Three types of common launch guides.}
+\label{fig-launch-guides}
+\end{figure}
+
+
+A launch lug that is long enough that no appreciable airflow occurs
+through the lug may be considered a solid cylinder next to the main
+rocket body.  A rectangular protrusion that has a length at least
+twice its height has a drag coefficient of 0.74, with reference area
+being its frontal area~\cite[p.~5-8]{hoerner}.  The drag coefficient
+varies proportional to the stagnation pressure as in the case of a
+blunt cylinder in free airflow, presented in
+Appendix~\ref{app-blunt-cylinder-drag}.
+
+A wire held perpendicular to airflow has instead a drag coefficient of
+1.1, where the reference area is the planform area of the
+wire~\cite[p.~3-11]{hoerner}.  A wire loop may be thought of as a
+launch lug with length and wall thickness equal to the thickness of
+the wire.  However, in this view of a launch lug the reference area
+must not include the inside of the tube, since air is free to flow
+within the loop.
+
+These two cases may be unified by changing the used reference area as
+a function of the length of the tube $l$.  At the limit $l=0$ the
+reference area is the simple planform area of the loop, and when the
+length is greater than the diameter $l>d$ the reference area includes
+the inside of the tube as well.  The slightly larger drag coefficient
+of the wire may be taken into account as a multiplier to the blunt
+cylinder drag coefficient.
+
+Therefore the drag coefficient of a launch guide can be approximately
+calculated by
+%
+\begin{equation}
+(C_{D\bullet})_{\rm parasitic} = 
+\max\{1.3-0.3\;l/d, 1\} \cdot (C_{D\bullet})_{\rm stag}
+\end{equation}
+%
+where $(C_{D\bullet})_{\rm stag}$ is the stagnation pressure
+coefficient calculated in equation~(\ref{eq-blunt-cylinder-drag}), and
+the reference area is
+%
+\begin{equation}
+A_{\rm parasitic} = \pi r_{ext}^2 - \pi r_{int}^2 \cdot
+\max\{1-l/d,0\}.
+\end{equation}
+
+This approximation may also be used to estimate the drag of rail
+pins.  A circular pin protruding from a wall has a drag coefficient of
+0.80~\cite[p.~5-8]{hoerner}.  Therefore the drag of the pin is
+approximately equal to that of a lug with the same frontal area.  The
+rail pins can be approximated in a natural manner as launch lugs with
+the same frontal area as the pin and a length equal to their
+diameter.
+
+
+
+
+\subsection{Axial drag coefficient}
+\label{sec-axial-drag}
+
+The total drag coefficient may be calculated by simply scaling the
+coefficients to a common reference area and adding them together:
+%
+\begin{equation}
+C_{D_0} = \sum_T \frac{A_T}{\Aref}(C_{D\bullet})_T
+ + (C_D)_{\rm friction}
+\end{equation}
+%
+where the sum includes the pressure, base and parasitic drags.  The
+friction drag was scaled to the reference area \Aref\ already in
+equation~(\ref{eq-friction-drag-scale}).
+
+This yields the total drag coefficient at zero angle of attack.  At an
+angle of attack the several phenomena begin to affect the drag.
+More frontal area is visible to the airflow, the pressure gradients
+along the body change and fin-tip vortices emerge.  On the other hand,
+the drag force is no longer axial, so the axial drag force is less
+than the total drag force.
+
+Based on experimental data an empirical formula was produced for
+calculating the axial drag coefficient at an angle of attach $\alpha$
+from the zero-angle drag coefficient.  The scaling function is a
+two-part polynomial function that starts from 1 at $\alpha=0^\circ$,
+increases to 1.3 at $\alpha=17^\circ$ and then decreases to zero at
+$\alpha=90^\circ$; the derivative is also zero at these points.  Since
+the majority of the simulated flight is at very small angles of
+attack, this approximation provides a sufficiently accurate estimate
+for the purposes of this thesis.
+
+