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index 0000000..f452103
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,781 @@
+
+
+\chapter{Flight simulation}
+\label{chap-simulation}
+
+In this chapter the actual flight simulation is analyzed.  First in
+Section~\ref{sec-atmospheric-properties} methods for simulating
+atmospheric conditions and wind are presented.  Then in
+Section~\ref{sec-flight-modeling} the actual simulation procedure is
+developed.
+
+
+
+\section{Atmospheric properties}
+\label{sec-atmospheric-properties}
+
+In order to calculate the aerodynamic forces acting on the rocket it
+is necessary to know the prevailing atmospheric conditions.  Since the
+atmosphere is not constant with altitude, a model must be developed to
+account for the changes.  Wind also plays an important role in the
+flight of a rocket, and therefore it is important to have a realistic
+wind model in use during the simulation.
+
+
+\subsection{Atmospheric model}
+
+The atmospheric model is responsible to estimating the atmospheric
+conditions at varying altitudes.  The properties that are of most
+interest are the density of air $\rho$ (which is a scaling parameter
+to the aerodynamic coefficients via the dynamic pressure
+$\frac{1}{2}\rho v^2$) and the speed of sound $c$ (which affects the
+Mach number of the rocket, which in turn affects its aerodynamic
+properties).  These may in turn be calculated from the air pressure
+$p$ and temperature $T$.
+
+Several models exist that define standard atmospheric conditions as a
+function of altitude, including the Internaltional Standard
+Atmosphere (ISA)~\cite{international-standard-atmosphere} and the
+U.S. Standard Atmosphere~\cite{US-standard-atmosphere}.  These two
+models yield identical temperature and pressure profiles for altitudes
+up to 32~km.
+
+The models are based on the assumption that air follows the ideal gas
+law
+%
+\begin{equation}
+\rho = \frac{Mp}{RT}
+\end{equation}
+%
+where $M$ is the molecular mass of air and $R$ is the ideal gas
+constant.  From the equilibrium of hydrostatic forces the differential
+equation for pressure as a function of altitude $z$ can be found as
+%
+\begin{equation}
+\dif p = -g_0 \rho \dif z = -g_0 \frac{Mp}{RT} \dif z
+\label{eq-pressure-altitude}
+\end{equation}
+%
+where $g_0$ is the gravitational acceleration.  If the temperature of
+air were to be assumed to be constant, this would yield an exponential
+diminishing of air pressure.
+
+The ISA and U.S. Standard Atmospheres further specity a standard
+temperature and pressure at sea level and a temperature profile for
+the atmosphere.  The temperature profile is given as eight
+temperatures for different altitudes, which are then linearly
+interpolated.  The temperature profile and base pressures for the ISA
+model are presented in Table~\ref{table-ISA-model}.  These values
+along with equation~(\ref{eq-pressure-altitude}) define the
+temperature/pressure profile as a function of altitude.
+
+\begin{table}
+\caption{Layers defined in the International Standard
+  Atmosphere~\cite{wiki-ISA-layers}}
+\label{table-ISA-model}
+\begin{center}
+\begin{tabular}{ccccl}
+\hline
+Layer & Altitude$^\dagger$ & Temperature & Lapse rate &
+                                                \multicolumn{1}{c}{Pressure} \\
+      &  m       &  $^\circ$C  & $^\circ$C/km & \multicolumn{1}{c}{Pa} \\
+\hline
+0     & 0        & $+15.0$     & $-6.5$       & 101\s325 \\
+1     & 11\s000  & $-56.5$     & $+0.0$       & \num22\s632 \\
+2     & 20\s000  & $-56.5$     & $+1.0$       & \num\num5\s474.9 \\
+3     & 32\s000  & $-44.5$     & $+2.8$       & \num\num\num\s868.02 \\
+4     & 47\s000  & \num$-2.5$  & $+0.0$       & \num\num\num\s110.91 \\
+5     & 51\s000  & \num$-2.5$  & $-2.8$       & \num\num\num\s\num66.939 \\
+6     & 71\s000  & $-58.5$     & $-2.0$       & \num\num\num\s\num\num3.9564 \\
+7     & 84\s852  & $-86.2$     &              & \num\num\num\s\num\num0.3734 \\
+\hline
+\end{tabular}
+\end{center}
+\vspace{-3mm}
+{\footnotesize $^\dagger$ Altitude is the geopotential height which
+  does not account for the diminution of gravity at high altitudes.}
+\vspace{3mm}
+\end{table}
+
+These models are totally static and do not take into account any local
+flight conditions.  Many rocketeers may be interested in flight
+differences during summer and winter and what kind of effect air pressure
+has on the flight.  These are also parameters that can easily be
+measured on site when launching rockets.  On the other hand, it is
+generally hard to know a specific temperature profile for a specific
+day.  Therefore the atmospheric model was extended to allow the user
+to specify the base conditions either at mean sea level or at the
+altitude of the launch site.  These values are simply assigned to the
+first layer of the atmospheric model.  Most model rockets do not
+exceed altitudes of a few kilometers, and therefore the flight
+conditions at the launch site will dominate the flight.
+
+One parameter that also has an effect on air density and the speed of
+sound is humidity.  The standard models do not include any definition
+of humidity as a function of altitude.  Furthermore, the effect of
+humidity on air density and the speed of sound is marginal.  The
+difference in air density and the speed of sound between completely dry
+air and saturated air at standard conditions are both less than 1\%.
+Therefore the effect of humidity has been ignored.
+
+
+
+
+\subsection{Wind modeling}
+
+Wind plays a critical role in the flight of model rockets.  As has
+been seen, large angles of attack may cause rockets to lose a
+significant amount of stability and even go unstable.  Over-stable
+rockets may weathercock and turn into the wind.  In a perfectly static
+atmosphere a rocket would, in principle, fly its entire flight
+directly upwards at zero angle of attack.  Therefore, the effect of
+wind must be taken into account in a full rocket simulation.
+
+Most model rocketeers, however, do not have access to a full wind
+profile of the area they are launching in.  Different layers of air
+may have different wind velocities and directions.  Modeling such
+complex patterns is beyond the scope of this project. Therefore, the
+goal is to produce a realistic wind model that can be specified with
+only a few parameters understandable to the user and that covers
+altitudes of most rocket flights.  Extensions to allow for multiple
+air layers may be added in the future.
+
+In addition to a constant average velocity, wind always has some
+degree of turbulence in it.  The effect of turbulence can be modeled
+by summing the steady flow of air and a random, zero-mean turbulence
+velocity.  Two central aspects of the turbulence velocity are the
+amplitude of the variation and the frequencies at which they occur.
+Therefore a reasonable turbulence model is achieved by a random
+process that produces a sequence with a similar distribution and
+frequency spectrum as that of real wind.
+
+Several models of the spectrum of wind turbulence at specific
+altitudes exist.  Two commonly used such spectra are the {\it Kaimal}
+and {\it von Kármán} wind turbulence
+spectra~\cite[p.~23]{wind-energy-handbook}:
+%
+\begin{eqnarray}
+\mbox{Kaimal:} & & \frac{S_u(f)}{\sigma_u^2} =
+    \frac{4 L_{1u} / U}{(1 + 6fL_{1u}/U)^{5/3}} \label{eq-kaimal-wind} \\
+%
+\mbox{von Kármán:} & & \frac{S_u(f)}{\sigma_u^2} =
+    \frac{4 L_{2u} / U}{(1 + 70.8(fL_{2u}/U)^2)^{5/6}} \label{eq-karman-wind}
+\end{eqnarray}
+
+Here $S_u(f)$ is the spectral density function of the turbulence
+velocity and $f$ the turbulence frequency, $\sigma_u$ the standard
+deviation of the turbulence velocity, $L_{1u}$ and $L_{2u}$ length
+parameters and $U$ the average wind speed.
+
+Both models approach the asymptotic limit 
+$S_u(f)/\sigma_u^2 \sim f^{-5/3}$ quite fast.  Above frequencies of
+0.5~Hz the difference between equation~(\ref{eq-kaimal-wind}) and the
+same equation without the term 1 in the denominator is less than 4\%.
+Since the time scale of a model rocket's flight is quite short, the
+effect of extremely low frequencies can be ignored.  Therefore
+turbulence may reasonably well be modelled by utilizing 
+{\it pink noise} that has a spectrum of $1/f^\alpha$ with $\alpha=5/3$.
+True pink noise has the additional useful property of being
+scale-invariant.  This means that a stream of pink noise samples may
+be generated and assumed to be at any sampling rate while maintaining
+their spectral properties.
+
+Discerete samples of pink noise with spectrum $1/f^\alpha$ can be
+generated by applying a suitable digital filter to {\it white noise},
+which is simply uncorrelated pseudorandom numbers.  One such filter is
+the infinite impulse response (IIR) filter presented by
+Kasdin~\cite{pink-filter}:
+%
+\begin{equation}
+x_n = w_n - a_1 x_{n-1} - a_2 x_{n-2} - a_3 x_{n-3} - \ldots
+\label{eq-pink-generator}
+\end{equation}
+%
+where $x_i$ are the generated samples, $w_n$ is a generated white
+random number and the coefficients are computed using
+%
+\begin{equation}
+\begin{array}{rl}
+a_0 & = 1 \\
+a_k & = \del{k-1-\frac{\alpha}{2}} \frac{a_{k-1}}{k}.
+\end{array}
+\label{eq-pink-coefficients}
+\end{equation}
+%
+The infinite sum may be truncated with a suitable number of terms.
+In the context of IIR filters these terms are calles {\it poles}.
+Experimentation showed that already 1--3 poles provides a reasonably
+accurate frequency spectrum in the high frequency range.
+
+One problem in using pink noise as a turbulence velocity
+model is that the power spectrum of pure pink noise goes to
+infinity at very low frequencies.  This means that a long sequence
+of random values may deviate significantly from zero.  However, when
+using the truncated IIR filter of equation~(\ref{eq-pink-generator}),
+the spectrum density becomes constant below a certain limiting
+frequency, dependent on the number of poles used.  By adjusting the
+number of poles used, the limiting frequency can be adjusted to a value
+suitable for model rocket flight.  Specifically, the number of poles
+must be selected such that the limiting frequency is suitable at the
+chosen sampling rate.  
+
+It is also desirable that the simulation resolution does not affect
+the wind conditions.  For example, a simulation with a time step of
+10~ms should experience the same wind conditions as a simulation with
+a time step of 5~ms.  This is achieved by selecting a constant
+turbulence generation frequency and interpolating between the
+generated points when necessary.  The fixed frequency was chosen at
+20~Hz, which can still simulate fluctuations at a time scale of 0.1
+seconds.
+
+\begin{figure}[p]
+\centering
+\epsfig{file=figures/wind/pinktime, width=105mm}
+\caption{The effect of the number of IIR filter poles on two 20 second
+  samples of generated turbulence, normalized so that the two-pole
+  sequence has standard deviation one.}
+\label{fig-pink-poles}
+\end{figure}
+
+\begin{figure}[p]
+\centering
+\epsfig{file=figures/wind/pinkfreq, width=95mm}
+\caption{The average power spectrum of 100 turbulence
+  simulations using a two-pole IIR filter (solid) and the Kaimal
+  turbulence spectrum (dashed); vertical axis arbitrary.}
+\label{fig-pink-spectrum}
+\end{figure}
+
+
+
+The effect of the number of poles is depicted in
+Figure~\ref{fig-pink-poles}, where two pink noise sequences were
+generated from the same random number source with two-pole and
+ten-pole IIR filters.  A small number of poles generates values strongly
+centered on zero, while a larger number of poles introduces more low
+frequency variability.  Since the free-flight time of a typical model
+rocket is of the order of 5--30 seconds, it is desireable that the
+maximum gust length during the flight is substantially shorter than
+this.  Therefore the pink noise generator used by the wind model was
+chosen to contain only two poles, which has a limiting frequency of
+approximately 0.3~Hz when sampled at 20~Hz.  This means that gusts of
+wind longer than 3--5 seconds will be rare in the simulted turbulence,
+which is a suitable gust length for modeling typical model rocket
+flight. Figure~\ref{fig-pink-spectrum} depicts the resulting pink
+noise spectrum of the two-pole IIR filter and the Kaimal spectrum of
+equation~(\ref{eq-kaimal-wind}) scaled to match each other.
+
+
+%, which causes frequency
+%components below approximately 0.3~Hz to be subdued.  Therefore, gusts
+%of wind longer than 3--5 seconds will be rare in the simulated wind, a
+%suitable time scale for the flight of a model rocket.
+%Figure~\ref{fig-turbulence}(a) shows a 20 second sample of the
+%generated turbulence, normalized to have a standard deviation of one.
+%Figure~\ref{fig-turbulence}(b) depicts the actual frequency spectrum
+%of the generated turbulence and the Kaimal spectrum of
+%equation~(\ref{eq-kaimal-wind}) scaled to match each other.
+
+
+
+To simplify the model, the average wind speed is assumed to be
+constant with altitude and in a constant direction.  This allows
+specifying the model parameters using just the average wind speed and
+its standard deviation.  An alternative parameter for specifying the
+turbulence amplitude is the {\it turbulence intensity}, which is the
+percentage that the standard deviation is of the average wind
+velocity,
+%
+\begin{equation}
+I_u = \frac{\sigma_u}{U}.
+\end{equation}
+%
+Wind farm load design standards typically specify turbulence
+intensities around 10\ldots20\%~\cite[p.~22]{wind-energy-handbook}.
+It is assumed that these intensities are at the top of the range of
+conditions in which model rockets are typically flown.
+
+Overall, the process to generate the wind velocity as a function of
+time from the average wind velocity $U$ and standard deviation
+$\sigma_u$ can be summarized in the following steps:
+%
+\begin{enumerate}
+%\item[Input:]  Average wind velocity $U$ and standard deviation
+%  $\sigma_u$.
+%
+\item Generate a pink noise sample $x_n$ from a Gaussian white noise
+  sample $w_n$ using equations~(\ref{eq-pink-generator}) and
+  (\ref{eq-pink-coefficients}) with two memory terms included.
+
+\item Scale the sample to a standard deviation one.  This is performed
+  by dividing the value by a previously calculated standard deviation
+  of a long, unscaled pink noise sequence (2.252 for the two-pole IIR
+  filter).
+
+\item The wind velocity at time $n\cdot\Delta t$ ($\Delta t = 0.05\rm~s$)
+  is $U_n = U + \sigma_u x_n$.  Velocities in between are interpolated.
+\end{enumerate}
+
+
+
+
+\section{Modeling rocket flight}
+\label{sec-flight-modeling}
+
+
+Modeling of rocket flight is based on Newton's laws.  The basic forces
+acting upon a rocket are gravity, thrust from the motors and
+aerodynamic forces and moments.  These forces and moments are
+calculated and integrated numerically to yield a simulation over a
+full flight.
+
+Since most model rockets fly at a maximum a few kilometers high, the
+curvature of the Earth is not taken into account.  Assuming a flat
+Earth allows us to use simple Cartesian coordinates to represent the
+position and altitude of the rocket.  As a consequence, the coriolis
+effect when flying long distances north or south is not simulated
+either.
+
+
+
+\subsection{Coordinates and orientation}
+
+During a rocket's flight many quantities, such as the aerodynamical
+forces and thrust from the motors, are relative to the rocket itself,
+while others, such as the position and gravitational force, are more
+naturally described relative to the launch site.  Therefore two sets
+of coordinates are defined, the {\it rocket coordinates}, which are
+the same as used in Chapter~\ref{chap-aerodynamics}, and 
+{\it world coordinates}, which is a fixed coordinate system with the
+origin at the position of launch.
+
+The position and velocity of a rocket are most naturally maintained as
+Cartesian world coordinates.  Following normal convensions, the
+$xy$-plane is selected to be parallel to the ground and the $z$-axis
+is chosen to point upwards.  In flight dynamics of aircraft the
+$z$-axis often points towards the earth, but in the case of rockets it
+is natural to have the rocket's altitude as the $z$-coordinate.
+
+Since the wind is assumed to be unidirectional and the Coriolis effect
+is ignored, it may be assumed that the wind is directed along the
+$x$-axis.  The angle of the launch rod may then be positioned relative
+to the direction of the wind without any loss of generality.
+
+Determining the orientation of a rocket is more complicated.  A
+natural choise for defining the orientation would be to use the
+spherical coordinate zenith and azimuth angles $(\theta, \phi)$ and an
+additional roll angle parameter.  Another choise common in aviation is
+to use {\it Euler angles}~\cite{wiki-euler-angles}.  However, both of
+these systems have notable shortcomings.  Both systems have
+singularity points, in which the value of some parameter is
+ambiguous.  With spherical coordinates, this is the direction of the
+$z$-axis, in which case the azimuth angle $\phi$ has no effect on the
+position.  Rotations that occur near these points must often be
+handled as special cases.  Furthermore, rotations in spherical
+coordinate systems contain complex trigonometric formulae which are
+prone to programming errors.
+
+The solution to the singularity problem is to introduce an extra
+parameter and an additional constraint to the system.  For example,
+the direction of a rocket could be defined by a three-dimensional unit
+vector $(x,y,z)$ instead of just the zenith and azimuth angles.  The
+additional constraint is that the vector must be of unit length.  This
+kind of representation has no singularity points which would require
+special consideration.
+
+Furthermore, Euler's rotation theorem states that a rigid body can be
+rotated from any orientation to any other orientation by a single
+rotation around a specific axis~\cite{wiki-euler-rotation-theorem}.
+Therefore instead of defining quantities that define the orientation
+of the rocket we can define a three-dimensional rotation that rotates
+the rocket from a known reference orientation to the current
+orientation. This has the additional advantage that the same rotation
+and its inverse can be used to transform any vector between world
+coordinates and rocket coordinates.
+
+A simple and efficient way of descibing the 3D rotation is by using
+{\it unit quaternions}.  Each unit quaternion corresponds to a unique
+3D rotation, and they are remarkably simple to combine and use.  The
+following section will present a brief overview of the properties of
+quaternions.
+
+The fixed reference orientation of the rocket defines the rocket
+pointing towards the positive $z$-axis in world coordinates and an
+arbitrary but fixed roll angle.  The orientation of the rocket is then
+stored as a unit quaternion that rotates the rocket from this
+reference orientation to its current orientation.  
+This rotation can also be used to transform vectors from world
+coordinates to rocket coordinates and its inverse from rocket
+coordinates to world coordinates.  (Note that the rocket's initial
+orientation on the launch pad may already be different than its
+reference orientation if the launch rod is not completely vertical.)
+
+
+
+
+\subsection{Quaternions}
+
+{\it Quaternions} are an extension of complex numbers into four
+dimensions.  The usefulness of quaternions arises from their use in
+spatial rotations.  Similar to the way multiplication with a complex
+number of unit length $e^{i\phi}$ corresponds to a rotation of angle
+$\phi$ around the origin on the complex plane, multiplication with
+unit quaternions correspond to specific 3D rotations around an axis.
+A more thorough review of quaternions and their use in spatial
+rotations is available in Wikipedia~\cite{wiki-quaternion-rotations}.
+
+The typical notation of quaternions resembles the addition of a scalar
+and a vector:
+%
+\begin{equation}
+q = w + x\vi + y\vj + z\vk = w + \vect v
+\end{equation}
+%
+Addition of quaternions and multiplication with a scalar operate as
+expected.  However, the multiplication of two quaternions is
+non-commutative (in general $ab \neq ba$) and follows the rules
+%
+\begin{equation}
+\vi^2 = \vj^2 = \vk^2 = \vi\vj\vk = -1.
+\end{equation}
+%
+As a corollary, the following equations hold:
+%
+\begin{equation}
+\begin{array}{rl}
+\vi\vj = \vk  \hspace{15mm}& \vj\vi = -\vk \\
+\vj\vk = \vi  \hspace{15mm}& \vk\vj = -\vi \\
+\vk\vi = \vj  \hspace{15mm}& \vi\vk = -\vj 
+\end{array}
+\end{equation}
+%
+The general multiplication of two quaternions becomes
+%
+\begin{equation}
+\begin{array}{rl}
+(a + b\vi + c\vj + d\vk)(w + x\vi + y\vj + z\vk)\;\; =
+ &   (aw-bx-cy-dz) \\
+ & + (ax+bw+cz-dy)\;\vi \\
+ & + (ay-bz+cw+dx)\;\vj \\
+ & + (az+by-cx+dw)\;\vk
+\end{array}
+\end{equation}
+%
+while the norm of a quaternion is defined in the normal manner
+%
+\begin{equation}
+|q| = \sqrt{w^2+x^2+y^2+z^2}.
+\end{equation}
+
+The usefulness of quaternions becomes evident when we consider a
+rotation around a vector $\vect u$, $|\vect u|=1$ by an angle $\phi$.
+Let
+%
+\begin{equation}
+q = \cos\frac{\phi}{2} + \vect u \sin\frac{\phi}{2}.
+\label{eq-rotation-quaternion}
+\end{equation}
+%
+Now the previously mentioned rotation of a three-dimensional vector
+$\vect v$ defined by $\vi$, $\vj$ and $\vk$ is equivalent to the
+quaternion product
+%
+\begin{equation}
+\vect v \mapsto q\vect v q^{-1}.
+\end{equation}
+%
+Similarly, the inverse rotation is equivalent to the transformation
+%
+\begin{equation}
+\vect v \mapsto q^{-1} \vect v q.
+\end{equation}
+%
+The problem simplifies even further, since for unit quaternions
+%
+\begin{equation}
+q^{-1} = (w + x\vi + y\vj + z\vk)^{-1} = w - x\vi - y\vj - z\vk.
+\end{equation}
+%
+Vectors can therefore be considered quaternions with no scalar
+component and their rotation is equivalent to the left- and right-sided
+multiplication with unit quaternions, requiring a total of 24
+floating-point multiplications.  Even if this does not make the
+rotations more efficient, it simplifies the trigonometry considerably
+and therefore helps reduce programming errors.
+
+
+\subsection{Mass and moment of inertia calculations}
+\label{sec-mass-inertia}
+
+Converting the forces and moments into linear and angluar acceleration
+requires knowledge of the rocket's mass and moments of inertia.  The
+mass of a component can be easily calculated from its volume and
+density.  Due to the highly symmetrical nature of rockets, the rocket
+centerline is commonly a principal axis for the moments of inertia.
+Furthermore, the moments of inertia around the in the $y$- and
+$z$-axes are very close to one another.  Therefore as a simplification
+only two moments of inertia are calculated, the longitudal and
+rotational moment of inertia.  These can be easily calculated for each
+component using standard formulae~\cite{wiki-moments-of-inertia} and
+combined to yield the moments of the entire rocket.
+
+This is a good way of calculating the mass, CG and inertia of a rocket
+during the design phase.  However, actual rocket components often have
+a slightly different density or additional sources of mass such as
+glue attached to them.  These cannot be effectively modeled by the
+simulator, since it would be extremely tedious to define all these
+properties.  Instead, some properties of the components can be
+overridden to utilize measured values.
+
+Two properties that can very easily be measured are the mass and
+CG position of a component.  Measuring the moments of inertia is a
+much harder task.  Therefore the moments of inertia are still computed
+automatically, but are scaled by the overridden measurement values.
+
+If the mass of a component is overridden by a measured value, the
+moments of inertia are scaled linearly according to the mass.  This
+assumes that the extra weight is distributed evenly along the
+component.  If the CG position is overridden, there is no knowledge
+where the extra weight is at.  Therefore as a best guess the moments
+of inertia are updated by shifting the moment axis according to the
+parallel axis theorem.
+
+As the components are computed individually and then combined, the
+overriding can take place either for individual components or larger
+combinations.  It is especially useful is to override the mass and/or CG
+position of the entire rocket.  This allows constructing a rocket from
+components whose masses are not precisely known and afterwards scaling
+the moments of inertia to closely match true values.
+
+
+
+\subsection{Flight simulation}
+
+The process of simulating rocket flight can be broken down into the
+following steps:
+
+\begin{enumerate}
+\setcounter{enumi}{-1}
+\item Initialize the rocket in a known position and orientation at
+  time $t=0$.
+\item Compute the local wind velocity and other atmospheric conditions.
+\item Compute the current airspeed, angle of attack, lateral wind
+  direction and other flight parameters.
+\item Compute the aerodynamic forces and moments affecting the rocket.
+\item Compute the effect of motor thrust and gravity.
+\item Compute the mass and moments of inertia of the rocket and from
+  these the linear and rotational acceleration of the rocket.
+\item Numerically integrate the acceleration to the rocket's position
+  and orientation during a time step $\Delta t$ and update the current
+  time $t \mapsto t+\Delta t$.
+\end{enumerate}
+
+Steps 1--6 are repeated until an end criteria is met, typically until
+the rocket has landed.
+
+The computation of the atmospheric properties and instantaneous wind
+velocity were discussed in Section~\ref{sec-atmospheric-properties}.
+The local wind velocity is added to the rocket velocity to get the
+airspeed velocity of the rocket.  By inverse rotation this quantity is
+obtained in rocket coordinates, from which the angle of attack and
+other flight parameters can be computed.
+
+After the instantaneous flight parameters are known, the aerodynamic
+forces can be computed as discussed in
+Chapter~\ref{chap-aerodynamics}.  The computed forces are in the
+rocket coordinates, and can be converted to world coordinates by
+applying the orientation rotation.  The thrust from the motors is
+similarly calculated from the thrust curves and converted to world
+coordinates, while the direction of gravity is already in world
+coordinates.  When all of the the forces and moments acting upon the
+rocket are known, the linear and rotational accelerations can be
+calculated using the mass and moments of inertia discussed in
+Section~\ref{sec-mass-inertia}.
+
+The numerical integration is performed using the Runge-Kutta~4 (RK4)
+integration method.  In order to simulate the differential equations
+%
+\begin{equation}
+\begin{split}
+x''(t) &= a(t) \\
+\phi''(t) &= \alpha(t)
+\end{split}
+\end{equation}
+%
+the equation is first divided into first-order equations using the
+substitutions $v(t)=x'(t)$ and $\omega(t)=\phi'(t)$:
+%
+\begin{equation}
+\begin{split}
+v'(t) &= a(t) \\
+x'(t) &= v(t) \\
+\omega'(t) &= \alpha(t) \\
+\phi'(t)   &= \omega(t)
+\end{split}
+\end{equation}
+%
+For brevity, this is presented in the first order representation
+%
+\begin{equation}
+y' = f(y,\; t)
+\end{equation}
+%
+where $y$ is a vector function containing the position and orientation
+of the rocket.
+
+Next the right-hand side is evaluated at four positions, dependent on
+the previous evaluations:
+%
+\begin{equation}
+\begin{split}
+k_1 &= f(y_0,\; t_0) \\
+k_2 &= f(y_0 + k_1\:\mbox{$\frac{\Delta t}{2}$},\; 
+       t_0 + \mbox{$\frac{\Delta t}{2}$}) \\
+k_3 &= f(y_0 + k_2\:\mbox{$\frac{\Delta t}{2}$},\; 
+       t_0 + \mbox{$\frac{\Delta t}{2}$}) \\
+k_4 &= f(y_0 + k_3\:\Delta t,\; t_0 + \Delta t)
+\end{split}
+\end{equation}
+%
+Finally, the result is a weighted sum of these values:
+%
+\begin{align}
+y_1 &= y_0 + \frac{1}{6}\left(k_1+2k_2+2k_3+k_4\right)\,\Delta t \\
+t_1 &= t_0 + \Delta t
+\end{align}
+
+Computing the values $k_1\ldots k_4$ involves performing steps~1--5
+four times per simulation iteration, but results in significantly
+better simulation precision.  The method is a fourth-order integration
+method, meaning that the error incurred during one simulation step is
+of the order  $O(\Delta t^5)$ and of the total simulation 
+$O(\Delta t^4)$.  This is a considerable improvement
+over, for example, simple Euler integration, which has a total error
+of the order $O(\Delta t)$.  Halving the time step in an Euler
+integration only halves the total error, but reduces the error of a
+RK4 simulation 16-fold.
+
+The example above used a total rotation vector $\phi$ to contain the
+orientation of the rocket.  Instead, this is replaced by the rotation
+quaternion, which can be utilized directly as a transformation between
+world and rocket coordinates.  Instead of updating the total rotation
+vector,
+%
+\begin{equation}
+\phi_1 = \phi_0 + \omega\,\Delta t,
+\end{equation}
+%
+the orientation quaternion $o$ is updated by the same amount by
+%
+\begin{equation}
+o_1 = \del{\cos\del{|\omega|\,\Delta t} +
+\hat\omega\sin\del{|\omega|\,\Delta t}} \cdot o_0.
+\end{equation}
+%
+The first term is simply the unit quaternion corresponding to the
+3D rotation $\omega\,\Delta t$ as in
+equation~(\ref{eq-rotation-quaternion}).  It is applied to the
+previous value $o_0$ by multiplying the quaternion from the left.
+This update is performed both during the calculation of 
+$k_2\ldots k_4$ and when computing the final step result.  Finally, in
+order to improve numerical stability, the quaternion is normalized to
+unit length.
+
+Since most of a rocket's flight occurs in a straight line, rather
+large time steps can be utilized.  However, the rocket may encounter
+occasional oscillation, which may affect its flight notably.
+Therefore the time step utilized is dynamically reduced in cases where
+the angular velocity or angular acceleration exceeds a predefined
+limit.  This allows utilizing reasonably large time steps for most of
+the flight, while maintaining the accuracy during oscillation.
+
+
+\subsection{Recovery simulation}
+
+All model rockets must have some recovery system for safe landing.
+This is typically done either using a parachute or a streamer.  When a
+parachute is deployed the rocket typically splits in half, and it is
+no longer practical to compute the orientation of the rocket.
+Therefore at this point the simulation changes to a simpler, three
+degree of freedom simulation, where only the position of the rocket is
+computed.
+
+The entire drag coefficient of the rocket is assumed to come from the
+deployed recovery devices.  For parachutes the drag coefficient is
+by default 0.8~\cite[p.~13-23]{hoerner} with the reference area being the
+area of the parachute.  The user can also define their own drag
+coefficient.
+
+The drag coefficient of streamers depend on the material, width and
+length of the streamer.  The drag coefficient and optimization of
+streamers has been an item of much intrest within the rocketry
+community, with competitions being held on streamer descent time
+durations~\cite{streamer-optimization}.  In order to estimate the drag
+coefficient of streamers, a series of experiments were perfomed using
+the $40\times40\times120$~cm wind tunnel of
+Pollux~\cite{pollux-wind-tunnel}.  The experiments were performed
+using various materials, widths and lengths of streamers and at
+different wind speeds.  From these results an empirical formula was
+devised that estimates the drag coefficient of streamers.  The
+experimental results and the derivation of the empirical formula are
+presented in Appendix~\ref{app-streamers}.  Validation performed with
+an independent set of measurements indicates that the drag coefficient
+is estimated with an accuracy of about 20\%, which translates to a
+descent velocity accuracy within 15\% of the true value.
+
+
+
+
+\subsection{Simulation events}
+
+Numerous different events may cause actions to be taken during a
+rocket's flight.  For example in high-power rockets the burnout or
+ignition charge of the first stage's motor may trigger the ignition of
+a second stage motor.  Similarly a flight computer may deploy a small
+drogue parachute when apogee is detected and the main parachute is
+deployed later at a predefined lower altitude.  To accomodate
+different configurations a simulation event system is used, where
+events may cause other events to be triggered.
+
+Table~\ref{tab-simulation-events} lists the available simulation
+events and which of them can be used to trigger motor ignition or recovery
+device deployment.  Each trigger event may additionally include a
+delay time.  For example, one motor may be configured to ignite at
+launch and a second motor to ignite using a timer at 5 seconds after
+launch.  Alternatively, a short delay of 0.5--1 seconds may be used to
+simulate the delay of an ejection charge igniting the upper stage
+motors.
+
+The flight events are also stored along with the simulated flight data
+for later analysis.  They are also available to the simulation
+listeners, described in Section~\ref{sec-listeners}, to act upon
+specific conditions.
+
+\begin{table}
+\caption{Simulation events and the actions they may trigger (motor
+  ignition or recovery device deployment).}
+\label{tab-simulation-events}
+%
+\begin{center}
+\begin{tabular}{ll}
+Event description & Triggers \\
+\hline
+Rocket launch at $t=0$          & Ignition, recovery \\
+Motor ignition                  & None \\
+Motor burnout                   & Ignition \\
+Motor ejection charge           & Ignition, recovery \\
+Launch rod cleared              & None \\
+Apogee detected                 & Recovery \\
+Change in altitude              & Recovery \\
+Touchdown after flight          & None \\
+Deployment of a recovery device & None \\
+End of simulation               & None \\
+\hline
+\end{tabular}
+\end{center}
+\end{table}
+
+
+
+
+