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1
2
3 \chapter{Aerodynamic properties of model rockets~~}
4 \label{chap-aerodynamics}
5
6 A model rocket encounters three basic forces during its flight:
7 thrust from the motors, gravity, and aerodynamical forces.  Thrust is
8 generated by the motors by exhausting high-velocity gases in the
9 opposite direction.  The thrust of a motor is directly proportional to
10 the velocity of the escaping gas and the mass per time unit that is
11 exhausted.  The thrust of commercial model rocket motors as a function
12 of time have been measured in static motor tests and are readily
13 available online~\cite{thrust-curve-database}.  Normally the thrust of
14 a rocket motor is aligned on the center axis of the rocket, so that it
15 produces no angular moment to the rocket.
16
17 Every component of the rocket is also affected by gravitational
18 force.  When the forces and moments generated are summed up, the
19 gravitational force can be seen as a single force originating from the
20 {\it center of gravity} (CG).  A homogeneous gravitational field does
21 not generate any angular moment on a body relative to the CG.
22 Calculating the gravitational force is therefore a simple matter of
23 determining the total mass and CG of the rocket.
24
25 Aerodynamic forces, on the other hand, produce both net forces and
26 angular moments.  To determine the effect of the aerodynamic
27 forces on the rocket, the total force and moment must be calculated
28 relative to some reference point.  In this chapter, a method for
29 determining these forces and moments will be presented.
30
31
32
33 \section{General aerodynamical properties}
34 \label{sec-general-aerodynamics}
35
36 The aerodynamic forces acting on a rocket are usually split into
37 components for further examination.  The two most important
38 aerodynamic force components of interest in a typical model rocket are
39 the {\it normal force} and {\it drag}.  The aerodynamical normal
40 force is the force component that generates the corrective moment
41 around the CG and provides stabilization of the rocket.  The 
42 drag of a rocket is defined as the force component parallel to the
43 velocity of the rocket.  This is the aerodynamical force that opposes
44 the movement of the rocket through air.
45
46 Figure~\ref{fig-aerodynamic-forces}(a) shows the thrust, gravity,
47 normal force and drag of a rocket in free flight.  It should be noted
48 that if the rocket is flying at an angle of attack $\alpha>0$, then
49 the normal force and drag are not perpendicular.  In order to have
50 independent force components, it is necessary to define component
51 pairs that are always perpendicular to one another.  Two such pairs
52 are the normal force and axial drag, or side force and drag, shown in
53 Figure~\ref{fig-aerodynamic-forces}(b).  The two pairs coincide if the
54 angle of attack is zero.  The component pair that will be used as a
55 basis for the flight simulations is the normal force and axial drag.
56
57
58 \begin{figure}
59 \centering
60 \parbox{35mm}{\centering
61 \epsfig{file=figures/aerodynamics/free-flight-forces,width=35mm} \\ (a)}
62 \hfill
63 \parbox{35mm}{\centering
64 \epsfig{file=figures/aerodynamics/aero-force-components,width=35mm} \\ (b)}
65 \hfill
66 \parbox{35mm}{\centering
67 \epsfig{file=figures/aerodynamics/pitch-yaw-roll,width=35mm} \\ (c)}
68 \caption{(a) Forces acting on a rocket in free flight: gravity $G$,
69   motor thrust $T$, drag $D$ and normal force $N$.  (b) Perpendicular
70   component pairs of the total aerodynamical force: normal force $N$
71   and axial drag $D_A$; side force $S$ and drag $D$.  (c) The pitch,
72   yaw and roll directions of a model rocket.}
73 \label{fig-aerodynamic-forces}
74 \end{figure}
75
76
77 The three moments around the different axis are called the 
78 {\it pitch}, {\it yaw} and {\it roll moments}, as depicted in
79 Figure~\ref{fig-aerodynamic-forces}(c).  Since a typical rocket has no
80 ``natural'' roll angle of flight as an aircraft does, we may choose
81 the pitch angle to be in the same plane as the angle of attack, \ie
82 the plane defined by the velocity vector and the centerline of the
83 rocket.  Thus, the normal force generates the pitching moment and no
84 other moments.
85
86
87
88
89
90 \subsection{Aerodynamic force coefficients}
91
92 When studying rocket configurations, the absolute force values are
93 often difficult to interpret, since many factors affect them.  In
94 order to get a value better suited for comparison, the forces are
95 normalized by the current dynamic pressure $q=\frac{1}{2}\rho v_0^2$
96 and some characteristic area \Aref\ to get a non-dimensional force
97 coefficient. Similarly, the moments are normalized by the dynamic
98 pressure, characteristic area and characteristic length $d$.  Thus,
99 the normal force coefficient corresponding to the normal force $N$ is
100 defined as
101 %
102 \begin{equation}
103 C_N  =  \frac{N}{\frac{1}{2}\rho v_0^2 \, \Aref} 
104 \label{eq-CN-def}
105 \end{equation}
106 %
107 and the pitch moment coefficient for a pitch moment $m$ as
108 %
109 \begin{equation}
110 C_m  =  \frac{m}{\frac{1}{2}\rho v_0^2 \, \Aref\, d}.
111 \label{eq-Cm-def}
112 \end{equation}
113 %
114 A typical choice of reference area is the base of the rocket's nose
115 cone and the reference length is its diameter.
116
117 The pitch moment is always calculated around some reference point,
118 while the normal force stays constant regardless of the point of
119 origin.  If the moment coefficient $C_m$ is known for some reference
120 point, the moment coefficient at another point $C_m'$ can be
121 calculated from
122 %
123 \begin{equation}
124 C_m'd = C_md - C_N\Delta x
125 \label{eq-moment-reference}
126 \end{equation}
127 %
128 where $\Delta x$ is the distance along the rocket centerline.
129 Therefore it is sufficient to calculate the moment coefficient only at
130 some constant point along the rocket body.  In this thesis the
131 reference point is chosen to be the tip of the nose cone.
132
133 The {\it center of pressure} (CP) is defined as the position from
134 which the total normal force alone produces the current pitching
135 moment.  Therefore the total normal force produces no moment around
136 the CP itself, and an equation for the location of the CP
137 can be obtained from (\ref{eq-moment-reference}) by selecting setting
138 $C_m'=0$:
139 %
140 \begin{equation}
141 X = \frac{C_m}{C_N}\,d
142 \end{equation}
143 %
144 Here $X$ is the position of the CP along the rocket centerline from
145 the nose cone tip.  This equation is valid when $\alpha>0$.  As
146 $\alpha$ approaches zero, both $C_m$ and $C_N$ approach zero.  The CP
147 is then obtained as a continuous extension using l'Hôpital's rule
148 %
149 \begin{equation}
150 X = \left.\frac{\;\frac{\partial C_m}{\partial\alpha}\;}
151           {\;\frac{\partial C_N}{\partial\alpha}\;}\,d\right|_{\alpha=0}
152   = \frac{\Cma}{\CNa}\,d
153 \label{eq-CP-position}
154 \end{equation}
155 %
156 where the normal force coefficient and pitch moment coefficient
157 derivatives have been defined as
158 %
159 \begin{equation}
160 \CNa = \left.\frac{\partial C_N}{\partial\alpha}\right|_{\alpha=0}
161 \hspace{5mm}\mbox{and}\hspace{5mm}
162 \Cma = \left.\frac{\partial C_m}{\partial\alpha}\right|_{\alpha=0}.
163 \label{eq-CNa-derivative}
164 \end{equation}
165
166 At very small angles of attack we may approximate $C_N$ and $C_m$ to
167 be linear with $\alpha$, so to a first approximation
168 %
169 \begin{equation}
170 C_N \approx \CNa\,\alpha
171 \hspace{5mm}\mbox{and}\hspace{5mm}
172 C_m \approx \Cma\,\alpha.
173 \label{eq-CNa-approx}
174 \end{equation}
175 %
176 The Barrowman method uses the coefficient derivatives to determine the
177 CP position using equation~(\ref{eq-CP-position}).  However, there are
178 some significant nonlinearities in the variation of $C_N$ as a
179 function of $\alpha$.  These will be accounted for by holding the
180 approximation of equation~(\ref{eq-CNa-approx}) exact and letting
181 \CNa\ and \Cma\ be a function of $\alpha$.  Therefore, for the
182 purposes of this thesis we define
183 %
184 \begin{equation}
185 \CNa = \frac{C_N}{\alpha}
186 \hspace{5mm}\mbox{and}\hspace{5mm}
187 \Cma = \frac{C_m}{\alpha}
188 \label{eq-CNa-definition}
189 \end{equation}
190 %
191 for $\alpha>0$ and by equation~(\ref{eq-CNa-derivative}) for
192 $\alpha=0$.  These definitions are compatible, since
193 equation~(\ref{eq-CNa-definition}) simplifies to the partial
194 derivative~(\ref{eq-CNa-derivative}) at the limit
195 $\alpha\rightarrow0$.  This definition also allows us to stay true to
196 Barrowman's original method which is familiar to many rocketeers.
197
198
199 Similar to the normal force coefficient, the drag coefficient is
200 defined as
201 %
202 \begin{equation}
203 C_D = \frac{D}{\frac{1}{2}\rho v_0^2 \, \Aref}.
204 \label{eq-CD-def}
205 \end{equation}
206 %
207 Since the size of the rocket has been factored out, the drag
208 coefficient at zero angle of attack $C_{D0}$ allows a straightforward
209 method of comparing the effect of different rocket shapes on drag.
210 However, this coefficient is not constant and will vary with \eg the
211 speed of the rocket and its angle of attack.
212
213
214 If each of the fins of a rocket are canted at some angle $\delta>0$
215 with respect to the rocket centerline, the fins will produce a roll
216 moment on the rocket.  Contrary to the normal force and pitching
217 moment, canting the fins will produce a non-zero rolling moment but no
218 corresponding net force.  Therefore the only quantity computed is the
219 roll moment coefficient, defined by
220 %
221 \begin{equation}
222 C_l  =  \frac{l}{\frac{1}{2}\rho v_0^2 \, \Aref\, d}
223 \label{eq-Cl-def}
224 \end{equation}
225 %
226 where $l$ is the roll moment.
227
228 It shall be shown later that rockets with axially-symmetrical fin
229 configurations experience no forces that would produce net yawing
230 moments. However, a single fin may produce all six types of forces and
231 moments. The equations for the forces and moments of a single fin will
232 not be explicitly written out, and they can be computed from the
233 geometry in question.
234
235
236
237 \subsection{Velocity regions}
238
239 Most of the aerodynamic properties of rockets vary with the velocity
240 of the rocket.  The important parameter is the {\it Mach number},
241 which is the free-stream velocity of the rocket divided by the local
242 speed of sound
243 %
244 \begin{equation}
245 M = \frac{v_0}{c}.
246 \end{equation}
247 %
248 The velocity range encountered by rockets is divided into regions with
249 different impacts on the aerodynamical properties, listed in
250 Table~\ref{tab-sonics}.  
251
252 In {\it subsonic flight} all of the airflow around the rocket occurs
253 below the speed of sound.  This is the case for approximately $M<0.8$.
254 At very low Mach numbers air can be effectively treated as an
255 incompressible fluid, but already above $M\approx 0.3$ some
256 compressibility issues may have to be considered.
257
258 In {\it transonic flight} some of the air flowing around the rocket
259 accelerates above the speed of sound, while at other places it remains
260 subsonic.  Some local shock waves are generated and hard-to-predict
261 interference effects may occur.  The drag of a rocket has a sharp
262 increase in the transonic region, making it hard to pass into the
263 supersonic region.  Transonic flight occurs at Mach numbers of
264 approximately 0.8--1.2.
265
266 In {\it supersonic flight} all of the airflow is faster than the
267 speed of sound (with the exception of \eg the nose cone tip).  A shock
268 wave is generated by the nose cone and fins.  In supersonic flight
269 the drag reduces from that of transonic flight, but is generally
270 greater than that of subsonic flight.  Above approximately Mach 5 new
271 phenomena begin to emerge that are not encountered at lower supersonic
272 speeds. This region is called {\it hypersonic flight}.
273
274 \begin{table}
275 \caption{Velocity regions of rocket flight}
276 \label{tab-sonics}
277 \begin{center}
278 \begin{tabular}{cr@{ -- }l}
279 Region & \multicolumn{2}{c}{Mach number ($M$)} \\
280 \hline
281 Subsonic   & \hspace{10mm} 0   & 0.8 \\
282 Transonic & 0.8 & 1.2 \\
283 Supersonic & 1.2 & $\sim5$ \\
284 Hypersonic & $\sim5$ & \\
285 \hline
286 \end{tabular}
287 \end{center}
288 \end{table}
289
290
291 Methods for predicting the aerodynamic properties of subsonic flight
292 and some extensions to supersonic flight will be presented.  Since the
293 analytical prediction of aerodynamic properties in the transonic
294 region is quite difficult, this region will be accounted for by using
295 some suitable interpolation function that corresponds reasonably to
296 actual measurements. Hypersonic flight will not be considered, since
297 practically no model or high power rockets ever achieve such speeds.
298
299
300 \subsection{Flow and geometry parameters}
301
302 There exist many different parameters that characterize aspects of
303 flow or a rocket's geometry.  One of the most important flow
304 parameters is the {\it Reynolds number} $R$.  It is a dimensionless
305 quantity that characterizes the ratio of inertial forces and viscous
306 forces of flow.  Many aerodynamic properties depend on the Reynolds
307 number, defined as
308 %
309 \begin{equation}
310 R = \frac{v_0\; L}{\nu}.
311 \end{equation}
312 %
313 Here $v_0$ is the free-stream velocity of the rocket, $L$ is a
314 characteristic length and $\nu$ is the kinematic viscosity of air.  It
315 is notable that the Reynolds number is dependent on a characteristic
316 length of the object in question. In most cases, the length used is
317 the length of the rocket.  A typical 30~cm sport model flying at
318 50~m/s has a corresponding Reynolds number of approximately
319 1\s000\s000.
320
321 Another term that is frequently encountered in aerodynamical equations
322 has been defined its own parameter $\beta$, which characterizes the
323 flow speed both in subsonic and supersonic flow:
324 %
325 \begin{equation}
326 \beta = \sqrt{\envert{M^2-1}} =
327 \left\{
328 \begin{array}{ll}
329 \sqrt{1-M^2}, & {\rm if\ } M<1 \\
330 \sqrt{M^2-1}, & {\rm if\ } M>1
331 \end{array}
332 \right.
333 \end{equation}
334 %
335 As the flow speed approaches the transonic region $\beta$ approaches
336 zero.  This term appears for example in the {\it Prandtl factor} $P$
337 which corrects subsonic force coefficients for compressible flow:
338 %
339 \begin{equation}
340 P = \frac{1}{\beta} = \frac{1}{\sqrt{1-M^2}}
341 \label{eq-prandtl-factor}
342 \end{equation}
343
344 It is also often useful to define parameters characterizing general
345 properties of a rocket.  One such parameter is the {\it caliber},
346 defined as the maximum body diameter.  The caliber is often used to
347 indicate relative distances on the body of a rocket, such as the
348 stability margin.  Another common parameter characterizes the
349 ``slenderness'' of a rocket.  It is the {\it fineness ratio} of a
350 rocket $f_B$, defined as the length of the rocket body divided by the
351 maximum body diameter.  Typical model rockets have a fineness ratio in
352 the range of 10--20, but extreme models may have a fineness ratio as
353 low as 5 or as large as 50.
354
355
356
357
358 \subsection{Coordinate systems}
359
360 During calculation of the aerodynamic properties a coordinate system
361 fixed to the rocket will be used.  The origin of the coordinates is at
362 the nose cone tip with the positive $x$-axis directed along the rocket
363 centerline.  This convention is also followed internally in the
364 produced software.  In the following sections the position of the $y$-
365 and $z$-axes are arbitrary; the parameter $y$ is used as a general
366 spanwise coordinate when discussing the fins.  During simulation,
367 however, the $y$- and $z$-axes are fixed in relation to the rocket,
368 and do not necessarily align with the plane of the pitching moments.
369
370
371
372 \clearpage
373 \section{Normal forces and pitching moments}
374
375 Barrowman's method~\cite{barrowman-thesis} for determining the total
376 normal force coefficient derivative \CNa, the pitch moment
377 coefficient derivative \Cma\ and the CP location at subsonic speeds
378 first splits the rocket into simple separate components, then
379 calculates the CP location and \CNa\ for each component separately and
380 then combines these to get the desired coefficients and CP
381 location.  The general assumptions made by the derivation are:
382 %
383 \begin{enumerate}
384 \item The angle of attack is very close to zero.
385 \item The flow around the body is steady and non-rotational.
386 \item The rocket is a rigid body.
387 \item The nose tip is a sharp point.
388 \item The fins are flat plates.
389 \item The rocket body is axially symmetric.
390 \end{enumerate}
391
392 The components that will be discussed are nose cones, cylindrical body
393 tube sections, shoulders, boattails and fins, in an arbitrary
394 order.  The interference effect between the body and fins will be
395 taken into account by a separate correction term.  Extensions to
396 account for body lift and arbitrary fin shapes will also be derived.
397
398
399 \subsection{Axially symmetric body components}
400
401 The body of the rocket is assumed to be an axially symmetric body of
402 rotation.  The entire body could be considered to be a single
403 component, but in practice it is divided into nose cones, shoulders,
404 boattails and cylindrical body tube sections.  The geometry of typical
405 nose cones, shoulders and boattails are described in
406 Appendix~\ref{app-nosecone-geometry}.
407
408 The method presented by Barrowman for calculating the normal force and
409 pitch moment coefficients at supersonic speeds is based on a
410 second-order shock expansion method.  However, this assumes that the
411 body of the rocket is very streamlined, and it cannot handle areas
412 with a slope larger than than $\sim30^\circ$.  Since the software
413 allows basically any body shape, applying this method would be
414 difficult.
415
416 Since the emphasis is on subsonic flow, for the purposes of this
417 thesis the normal force and pitching moments produced by the body are
418 assumed to be equal at subsonic and supersonic speeds.  The assumption
419 is that the CP location is primarily affected by the fins.  The effect
420 of supersonic flight on the drag of the body will be accounted for in
421 Section~\ref{sec-drag}.
422
423
424
425 \subsubsection{\CNa\ of body components at subsonic speeds}
426
427 The normal force for an axially symmetric body at position $x$ in
428 subsonic flow is given by
429 %
430 \begin{equation}
431 N(x) = \rho v_0 \; \frac{\partial}{\partial x}[A(x)w(x)]
432 \label{eq-normal-force}
433 \end{equation}
434 %
435 where $A(x)$ is the cross-sectional area of the body, and the $w(x)$
436 is the local downwash, given as a function of the angle of attack as
437 %
438 \begin{equation}
439 w(x) = v_0 \sin\alpha.
440 \end{equation}
441 %
442 For angles of attack very close to zero $\sin\alpha\approx\alpha$, but
443 contrary to the original derivation, we shall not make this
444 simplification.  From the definition of the normal force
445 coefficient~(\ref{eq-CN-def}) and equation~(\ref{eq-normal-force}) we
446 obtain
447 %
448 \begin{equation}
449 C_N(x) = \frac{N(x)}{\frac{1}{2}\rho v_0^2\;\Aref}
450        = \frac{2\; \sin\alpha}{\Aref}\; \frac{\dif A(x)}{\dif x}.
451 \label{eq-CNx}
452 \end{equation}
453 %
454 Assuming that the derivative $\frac{\dif A(x)}{\dif x}$ is
455 well-defined, we can integrate over the component length $l$ to obtain
456 %
457 \begin{equation}
458 C_N = \frac{2\; \sin\alpha}{\Aref}\;
459       \int_0^l \frac{\dif A(x)}{\dif x}\dif x
460     = \frac{2\; \sin\alpha}{\Aref}\; [A(l)-A(0)].
461 \end{equation}
462 %
463 We then have
464 %
465 \begin{equation}
466 \CNa = \frac{C_N}{\alpha}
467      = \frac{2}{\Aref}\; [A(l)-A(0)]\;
468        \underbrace{\frac{\sin\alpha}{\alpha}}_
469   {\parbox{10mm}{\scriptsize\centering
470   $\rightarrow 1$ as \\ $\alpha\rightarrow0$}}.
471 \label{eq-body-CNa}
472 \end{equation}
473 %
474 This is the same equation as derived by Barrowman with the exception
475 of the correction term $\sin\alpha/\alpha$.
476
477 Equation~(\ref{eq-body-CNa}) shows that as long as the cross-sectional
478 area of the component changes smoothly, the normal force coefficient
479 derivative does not depend on the component shape, only the difference
480 of the cross-sectional area at the beginning and end.  As a
481 consequence, according to Barrowman's theory, a cylindrical body tube
482 has no effect on the normal force coefficient or CP location.
483 However, the lift due to cylindrical body tube sections has been noted
484 to be significant for long, slender rockets even at angles of attack
485 of only a few degrees~\cite{galejs}.  An extension
486 for the effect of body lift will be given shortly.
487
488
489
490
491 \subsubsection{\Cma\ of body components at subsonic speeds}
492
493 A normal force $N(x)$ at position $x$ produces a pitching moment
494 %
495 \begin{equation}
496 m(x) = xN(x).
497 \end{equation}
498 %
499 at the nose cone tip.  Therefore the pitching moment coefficient is
500 %
501 \begin{equation}
502 C_m(x) = \frac{m(x)}{\frac{1}{2}\rho v_0^2\;\Aref\, d}
503        = \frac{xN(x)}{\frac{1}{2}\rho v_0^2\;\Aref\, d}.
504 \end{equation}
505 %
506 Substituting equation~(\ref{eq-CNx}) we obtain
507 %
508 \begin{equation}
509 C_m(x) = \frac{x\;C_N(x)}{d}
510        = \frac{2\; \sin\alpha\; x}{\Aref\, d}\; \frac{\dif A(x)}{\dif x}.
511 \end{equation}
512 %
513 This can be integrated over the length of the body to obtain
514 %
515 \begin{equation}
516 C_m = \frac{2\;\sin\alpha}{\Aref\,d}
517         \int_0^l x \left(\od{A(x)}{x}\right) \dif x
518     = \frac{2\;\sin\alpha}{\Aref\,d}
519         \sbr{ lA(l)-\int_0^l A(x) \dif x }.
520 \end{equation}
521 %
522 The resulting integral is simply the volume of the body $V$.
523 Therefore we have
524 %
525 \begin{equation}
526 C_m = \frac{2\;\sin\alpha}{\Aref\,d} \sbr{ lA(l)-V }
527 \end{equation}
528 %
529 and
530 %
531 \begin{equation}
532 \Cma = \frac{2}{\Aref\,d}\sbr{ lA(l)-V }\; \frac{\sin\alpha}{\alpha}.
533 \label{eq-body-Cma}
534 \end{equation}
535 %
536 This is, again, the result derived by Barrowman with the additional
537 correction term $\sin\alpha/\alpha$.
538
539
540 \subsubsection{Effect of body lift}
541 \label{sec-body-lift}
542
543 The analysis thus far has neglected the effect of body lift as
544 negligible at small angles of attack.  However, in the flight of long,
545 slender rockets the lift may be quite significant at angles of attack
546 of only a few degrees, which may occur at moderate wind
547 speeds~\cite{galejs}.
548
549 Robert Galejs suggested adding a correction term to the body
550 component \CNa\ to account for body lift~\cite{galejs}.  The normal
551 force exerted on a cylindrical body at an angle of attack $\alpha$
552 is~\cite[p.~3-11]{hoerner}
553 %
554 \begin{equation}
555 C_N = K\; \frac{A_{\rm plan}}{\Aref}\; \sin^2\alpha
556 \end{equation}
557 %
558 where $A_{\rm plan} = d\cdot l$ is the planform area of the cylinder
559 and K is a constant $K\approx 1.1$.  Galejs had simplified the
560 equation with $\sin^2\alpha\approx\alpha^2$, but this shall not be
561 performed here.  At small angles of attack, when the approximation is
562 valid, this yields a linear correction to the value of \CNa.
563
564 It is assumed that the lift on non-cylindrical components can be
565 approximated reasonably well with the same equation.  The CP location
566 is assumed to be the center of the planform area, that is
567 %
568 \begin{equation}
569 X_{\rm lift} = \frac{\int_0^l x\; 2r(x)\dif x}{A_{\rm plan}}.
570 \end{equation}
571 %
572 This is reminiscent of the CP of a rocket flying at an angle of attack
573 of $90^\circ$.  For a cylinder the CP location is at the center of the
574 body, which is also the CP location obtained at the limit with
575 equation~(\ref{eq-body-CP-position}).  However, for nose cones,
576 shoulders and boattails it yields a slightly different position than
577 equation~(\ref{eq-body-CP-position}).
578
579 %The value of $K$ has been experimentally fitted to experimental data
580 %from wind tunnels.
581
582
583
584
585
586
587 \subsubsection{Center of pressure of body components}
588
589 The CP location of the body components can be calculated by
590 inserting equations~(\ref{eq-body-CNa}) and (\ref{eq-body-Cma}) into
591 equation~(\ref{eq-CP-position}):
592 %
593 \begin{equation}
594 X_B = \frac{(\Cma)_B}{(\CNa)_B}\;d
595     = \frac{lA(l)-V}{A(l)-A(0)}
596 \label{eq-body-CP-position}
597 \end{equation}
598 %
599 It is worth noting that the correction term $\sin\alpha/\alpha$
600 cancels out in the division, however, it is still present in the
601 value of \CNa\ and is therefore significant at large angles of attack.
602
603 The whole rocket body could be numerically integrated and the
604 properties of the whole body computed.  However, it is often more
605 descriptive to split the body into components and calculate the
606 parameters separately.  The total CP location can be calculated from
607 the separate CP locations $X_i$ and normal force coefficient
608 derivatives $(\CNa)_i$ by the moment sum
609 %
610 \begin{equation}
611 X = \frac{\sum_{i=1}^n X_i(\CNa)_i}{\sum_{i=1}^n (\CNa)_i}.
612 \label{eq-moment-sum}
613 \end{equation}
614 %
615 In this manner the effect of the separate components can be more
616 easily analyzed.
617
618
619
620 \subsection{Planar fins}
621 \label{sec-planar-fins}
622
623 The fins of the rocket are considered separately from the body.  Their
624 CP location and normal force coefficient are determined and added to
625 the total moment sum~(\ref{eq-moment-sum}).  The interference between
626 the fins and the body is taken into account by a separate correction
627 term.
628
629 In addition to the corrective normal force, the fins can induce a roll
630 rate if each of the fins are canted at an angle $\delta$.  The roll
631 moment coefficient will be derived separately in
632 Section~\ref{sec-roll-dynamics}.
633
634 Barrowman's original report and thesis derived the equations for
635 trapezoidal fins, where the tip chord is parallel to the body
636 (Figure~\ref{fig-fin-geometry}(a)).  The equations can be extended to
637 \eg elliptical fins~\cite{barrowman-elliptical-fins}
638 (Figure~\ref{fig-fin-geometry}(b)), but many model rocket fin
639 designs depart from these basic shapes.  Therefore an
640 extension is presented that approximates the aerodynamical
641 properties for a free-form fin defined by a list of $(x,y)$
642 coordinates (Figure~\ref{fig-fin-geometry}(c)). 
643
644
645 \begin{figure}
646 \centering
647 \parbox{35mm}{\centering
648 \epsfig{file=figures/fin-geometry/fin-trapezoidal,scale=0.5} \\ (a)}
649 \hfill
650 \parbox{35mm}{\centering
651 \epsfig{file=figures/fin-geometry/fin-elliptical,scale=0.5} \\ (b)}
652 \hfill
653 \parbox{35mm}{\centering
654 \epsfig{file=figures/fin-geometry/fin-free,scale=0.5} \\ (c)}
655 \caption{Fin geometry of (a) a trapezoidal fin, (b) an elliptical fin
656   and (c) a free-form fin.}
657 \label{fig-fin-geometry}
658 \end{figure}
659
660
661
662 Additionally, Barrowman considered only cases with three or four
663 fins.  This shall be extended to allow for any reasonable number of
664 fins, even single fins.
665
666
667 \subsubsection{Center of pressure of fins at subsonic and supersonic
668   speeds}
669
670 Barrowman argued that since the CP of a fin is located along its mean
671 aerodynamic chord (MAC) and on the other hand at low subsonic speeds
672 on its quarter chord, then the CP must be located at the intersection
673 of these two (depicted in Figure~\ref{fig-fin-geometry}(a)).  He
674 proceeded to calculate this intersection point analytically from the
675 fin geometry of a trapezoidal fin.
676
677 Instead of following the derivation Barrowman used, an alternative
678 method will be presented that allows simpler extension to free-form
679 fins.  The two methods yield identical results for trapezoidal fins.
680 The length of the MAC $\bar c$, its spanwise position $y_{\rm MAC}$,
681 and the effective leading edge location $x_{\rm MAC,LE}$ are given
682 by~\cite{appl-comp-aero-fins}
683 %
684 \begin{align}
685 \bar c &=  \frac{1}{\Afin} \int_0^s c^2(y) \dif y
686    \label{eq-MAC-length} \\
687 y_{\rm MAC} &= \frac{1}{\Afin} \int_0^s yc(y) \dif y 
688    \label{eq-MAC-ypos} \\
689 x_{\rm MAC,LE} &= \frac{1}{\Afin} \int_0^s x_{\rm LE}(y)c(y) \dif y
690    \label{eq-MAC-xpos}
691 \end{align}
692 %
693 where $\Afin$ is the one-sided area of a single fin, $s$ is the span of
694 one fin, and $c(y)$ is the length of the fin chord and $x_{\rm LE}(y)$
695 the leading edge position at spanwise position $y$.
696
697 When these equations are applied to trapezoidal fins and the
698 lengthwise position of the CP is selected at the quarter chord,
699 $X_f=x_{\rm MAC,LE}+0.25\,\bar c$,
700 one recovers exactly the results derived by Barrowman:
701 %
702 \begin{align}
703 y_{\rm MAC} &= \frac{s}{3}\,\frac{C_r+2C_t}{C_r+C_t} \\
704 X_f &= \frac{X_t}{3}\,\frac{C_r+2C_t}{C_r+C_t} +
705           \frac{1}{6}\,\frac{C_r^2+C_t^2+C_rC_t}{C_r+C_t}
706 \end{align}
707 %
708 However, equations~(\ref{eq-MAC-length})--(\ref{eq-MAC-xpos}) may also
709 be directly applied to elliptical or free-form fins.
710
711 Barrowman's method assumes that the lengthwise position of the CP
712 stays at a constant 25\% of the MAC at subsonic speeds.  However, the
713 position starts moving rearward above approximately Mach 0.5.  For
714 $M>2$ the relative lengthwise position of the CP is given by an empirical
715 formula~\cite[p.~33]{fleeman}
716 %
717 \begin{equation}
718 \frac{X_f}{\bar c} = \frac{\AR\beta - 0.67}{2\AR\beta-1}
719 \label{eq-fin-CP-mach2}
720 \end{equation}
721 %
722 where $\beta=\sqrt{M^2-1}$ for $M>1$ and \AR\ is the aspect ratio of
723 the fin defined using the span $s$ as $\AR=2s^2/\Afin$. 
724 %
725 Between Mach 0.5 and 2 the lengthwise position of the CP is
726 interpolated.  A suitable function that gives a curve similar to that
727 of Figure~2.18 of reference~\cite[p.~33]{fleeman} was found to be a
728 fifth order polynomial $p(M)$ with the constraints
729 %
730 \begin{equation}
731   \begin{split}
732 p(0.5)   & =  0.25 \\
733 p'(0.5)  & =  0 \\
734 p(2)     & =  f(2)  \\
735 p'(2)    & =  f'(2) \\
736 p''(2)   & =  0 \\
737 p'''(2)  & =  0
738   \end{split}
739 \end{equation}
740 %
741 where $f(M)$ is the function of equation~(\ref{eq-fin-CP-mach2}).
742
743
744
745 The method presented here can be used to estimate the CP location of
746 an arbitrary thin fin.  However, problems arise with the method if the
747 fin shape has a jagged edge as shown in
748 Figure~\ref{fig-fin-jagged}(a).  If $c(y)$ would include only the sum
749 of the two separate chords in the area containing the gap, then the
750 equations would yield the same result as for a fin shown in
751 Figure~\ref{fig-fin-jagged}(b).  This clearly would be incorrect,
752 since the position of the latter fin portion would be neglected.  To
753 overcome this problem, $c(y)$ is chosen as the length from the leading
754 edge to the trailing edge of the fin, effectively adding the portion
755 marked by the dotted line to the fin.  This corrects the CP position
756 slightly rearwards.  The fin area used in
757 equations~(\ref{eq-MAC-length})--(\ref{eq-MAC-xpos}) must in this case
758 also be calculated including this extra fin area, but the extra area
759 must not be included when calculating the normal force coefficient.
760
761 This correction is also approximate, since in reality such a jagged
762 edge would cause some unknown interference factor between the two fin
763 portions.  Simulating such jagged edges using these methods should
764 therefore be avoided.
765
766
767 \begin{figure}
768 \centering
769 \parbox{35mm}{\centering
770 \epsfig{file=figures/fin-geometry/fin-jagged,scale=0.5} \\ (a)}
771 \hspace{5mm}
772 \parbox{35mm}{\centering
773 \epsfig{file=figures/fin-geometry/fin-jagged-equivalent,scale=0.5} \\ (b)}
774 \caption{(a) A jagged fin edge, and (b) an equivalent fin if $c(y)$ is
775   chosen to include only the actual fin area.}
776 \label{fig-fin-jagged}
777 \end{figure}
778
779
780
781
782
783
784
785 \subsubsection{Single fin \CNa\ at subsonic speeds}
786 \label{sec-average-angle}
787
788 Barrowman derived the normal force coefficient derivative value based
789 on Diederich's semi-empirical method~\cite{diederich}, which states that
790 for one fin
791 %
792 \begin{equation}
793 \del{\CNa}_1 = \frac{\CNa_0\; F_D \left(\frac{\Afin}{\Aref}\right)
794                      \cos\Gamma_c}
795              {2+F_D\sqrt{1+\frac{4}{F_D^2}}},
796 \label{eq-fin-CNa-base}
797 \end{equation}
798 %
799 where
800 %
801 \begin{itemize}
802 \item[$\CNa_0$] = normal force coefficient derivative of a 2D airfoil
803 \item[$F_D$] = Diederich's planform correlation parameter
804 \item[$\Afin$] = area of one fin
805 \item[$\Gamma_c$] = midchord sweep angle (depicted in
806   Figure~\ref{fig-fin-geometry}(a)).
807 \end{itemize}
808 %
809 Based on thin airfoil theory of potential flow corrected for
810 compressible flow
811 %
812 \begin{equation}
813 \CNa_0 = \frac{2\pi}{\beta}
814 \label{eq-fin-CNa0}
815 \end{equation}
816 %
817 where $\beta=\sqrt{1-M^2}$ for $M<1$.  $F_D$ is a parameter that
818 corrects the normal force coefficient for the sweep of the fin.
819 According to Diederich, $F_D$ is given by
820 %
821 \begin{equation}
822 F_D=\frac{\AR}{\frac{1}{2\pi}\CNa_0\cos\Gamma_c}.
823 \label{eq-fin-FD}
824 \end{equation}
825 %
826 Substituting equations~(\ref{eq-fin-CNa0}), (\ref{eq-fin-FD}) and 
827 $\AR=2s^2/\Afin$ into (\ref{eq-fin-CNa-base}) and simplifying one
828 obtains
829 %
830 \begin{equation}
831 %\del{\CNa}_1 = \frac{2\pi\; \AR \del{\frac{\Afin}{\Aref}}}
832 %             {2+\sqrt{4 + \del{\frac{\beta \AR}{\cos\Gamma_c}}^2}}.
833 \del{\CNa}_1 = \frac{2\pi\; \frac{s^2}{\Aref}}
834              {1+\sqrt{1 + \del{\frac{\beta s^2}{\Afin\cos\Gamma_c}}^2}}.
835 \label{eq-CNa1}
836 \end{equation}
837 %
838 This is the normal force coefficient derivative for one fin, where the
839 angle of attack is between the airflow and fin surface.
840
841 The value of equation~(\ref{eq-CNa1}) can be calculated directly for
842 trapezoidal and elliptical fins.  However, in the case of free-form
843 fins, the question arises of how to define the mid-chord angle
844 $\Gamma_c$.  If the angle $\Gamma_c$ is taken as the angle from the
845 middle of the root chord to the tip of the fin, the result may not be
846 representative of the actual shape, as shown by angle $\Gamma_{c1}$ in
847 Figure~\ref{fig-midchord-angle}.
848
849 \begin{figure}
850 \centering
851 \epsfig{file=figures/fin-geometry/fin-midchord-angle,scale=0.7}
852 \caption{A free-form fin shape and two possibilities for the midchord
853   angle $\Gamma_c$.}
854 \label{fig-midchord-angle}
855 \end{figure}
856
857 Instead the fin planform is divided into a large number of chords, and
858 the angle between the midpoints of each two consecutive chords is
859 calculated.  The midchord angle used in equation~(\ref{eq-CNa1}) is
860 then the average of all these angles.  This produces an angle better
861 representing the actual shape of the fin, as angle $\Gamma_{c2}$ in
862 Figure~\ref{fig-midchord-angle}.  The angle calculated by this method
863 is also equal to the natural midchord angles for trapezoidal and
864 elliptical fins.
865
866
867
868
869 \subsubsection{Single fin \CNa\ at supersonic speeds}
870 \label{sec-single-fin-CNa-supersonic}
871
872 The method for calculating the normal force coefficient of fins at
873 supersonic speed presented by Barrowman is based on a third-order
874 expansion according to Busemann theory~\cite{barrowman-fin}.  The
875 method divides the fin into narrow streamwise strips, the normal force
876 of which are calculated separately.  In this presentation the method
877 is further simplified by assuming the fins to be flat plates and by
878 ignoring a third-order term that corrects for fin-tip Mach cone
879 effects.
880
881 %
882 % Angle of Inclination = between ray and surface
883 % Angle of Incidence   = between ray and normal of surface
884 %
885
886
887 The local pressure coefficient of strip $i$ is calculated by
888 %
889 \begin{equation}
890 C_{P_i} = K_1 \,\eta_i + K_2 \,\eta_i^2 + K_3 \,\eta_i^3
891 \label{eq-local-pressure-coefficient}
892 \end{equation}
893 %
894 where $\eta_i$ is the inclination of the flow at the surface and the
895 coefficients are
896 %
897 \begin{align}
898 K_1 &= \frac{2}{\beta} \\
899 K_2 &= \frac{(\gamma+1)M^4 - 4\,\beta^2}{4\,\beta^4} \\
900 K_3 &= \frac{(\gamma+1)M^8 + (2\gamma^2-7\gamma-5)M^6 +
901   10(\gamma+1)M^4 + 8}{6\,\beta^7}
902 \end{align}
903 %
904 It is noteworthy that the coefficients $K_1$, $K_2$ and $K_3$ can be
905 pre-calculated for various Mach numbers, which makes the pressure
906 coefficient of a single strip very fast to compute.  At small
907 angles of inclination the pressure coefficient is nearly linear, as
908 presented in Figure~\ref{fig-fin-strip-pressure-coefficient}.
909
910
911 \begin{figure}
912 \centering
913 \epsfig{file=figures/fin-geometry/Cp-supersonic,scale=0.6}
914 \caption{The local pressure coefficient as a function of the
915   strip inclination angle at various Mach numbers.  The dotted line
916   depicts the linear component of
917   equation~(\ref{eq-local-pressure-coefficient}).}
918 \label{fig-fin-strip-pressure-coefficient}
919 \end{figure}
920
921
922 %If the rocket is not rolling, the inclinations $\eta_i$ are the
923 %same for all strips of a fin and only one pressure coefficient needs
924 %to be computed.  However, presence of a roll velocity generates
925 %varying inclinations for all strips.  Therefore the current
926 %examination is performed with separate inclinations and later
927 %simplified for non-rolling conditions.  The effects of roll are
928 %further discussed in Section~\ref{sec-roll-dynamics}.
929
930 The lift force of strip $i$ is equal to
931 %
932 \begin{equation}
933 F_i = C_{P_i} \cdot \frac{1}{2} \rho v_0^2 \cdot 
934   \underbrace{c_i \Delta y}_{\rm area}.
935 \label{eq-supersonic-strip-lift-force}
936 \end{equation}
937 %
938 The total lift force of the fin is obtained by summing up the
939 contributions of all fin strips.  The normal force coefficient is then
940 calculated in the usual manner as
941 %
942 \begin{align}
943 C_N &= \frac{\sum_i F_i}{\frac{1}{2}\rho v_0^2\; \Aref} \\
944     &= \frac{1}{\Aref}\sum_i C_{P_i} \cdot c_i\Delta y.
945 \end{align}
946
947 When computing the corrective normal force coefficient of the fins the
948 effect of roll is not taken into account.  In this case, and
949 assuming that the fins are flat plates, the inclination angles
950 $\eta_i$ of all strips are the same, and the pressure coefficient is
951 constant over the entire fin.  Therefore the normal force coefficient
952 is simply
953 %
954 \begin{equation}
955 (C_N)_1 = \frac{\Afin}{\Aref} \;C_P.
956 \end{equation}
957 %
958 Since the pressure coefficient is not linear with the angle of attack,
959 the normal force coefficient slope is defined using
960 equation~(\ref{eq-CNa-definition}) as
961 %
962 \begin{equation}
963 (\CNa)_1 = \frac{(C_N)_1}{\alpha} = 
964  \frac{\Afin}{\Aref} \; \del{K_1 + K_2\,\alpha + K_3\,\alpha^2}.
965 \end{equation}
966
967
968
969
970 \subsubsection{Multiple fin \CNa}
971 \label{update-roll-angle}
972
973 In his thesis, Barrowman considered only configurations with three and
974 four fins, one of which was parallel to the lateral airflow.  For
975 simulation purposes, it is necessary to lift these restrictions to
976 allow for any direction of lateral airflow and for any number of
977 fins.
978
979 The lift force of a fin is perpendicular to the fin and originates
980 from its CP.  Therefore a single fin may cause a rolling and yawing
981 moment in addition to a pitching moment.  In this case all of the
982 forces and moments must be computed from the geometry.  If there are
983 two or more fins placed symmetrically around the body then the yawing
984 moments cancel, and if additionally there is no fin cant then the
985 total rolling moment is also zero, and these moments need not be
986 computed.
987
988 The geometry of an uncanted fin configuration is depicted in
989 Figure~\ref{fig-dihedral-angle}.  The dihedral angle between each of
990 the fins and the airflow direction is denoted $\Lambda_i$.  The fin
991 $i$ encounters a local angle of attack of
992 %
993 \begin{equation}
994 \alpha_i = \alpha \sin\Lambda_i
995 \end{equation}
996 %
997 for which the normal force component (the component parallel to the
998 lateral airflow) is then
999 %
1000 \begin{equation}
1001 \del{\CNa}_{\Lambda_i} = \del{\CNa}_1 \sin^2 \Lambda_i.
1002 \end{equation}
1003
1004
1005 \begin{figure}
1006 \centering
1007 \epsfig{file=figures/fin-geometry/dihedral-angle,scale=1}
1008 \caption{The geometry of an uncanted three-fin configuration (viewed
1009   from rear).}
1010 \label{fig-dihedral-angle}
1011 \end{figure}
1012
1013
1014 The sum of the coefficients for $N$ fins then yields
1015 %
1016 \begin{equation}
1017 \sum_{k=1}^N \del{\CNa}_{\Lambda_k} =
1018     \del{\CNa}_1 \sum_{k=1}^N \sin^2\Lambda_k.
1019 \label{N-fin-equation}
1020 \end{equation}
1021 %
1022 However, when $N\geq 3$ and the fins are spaced equally around the
1023 body of the rocket, the sum simplifies to a constant
1024 %
1025 \begin{equation}
1026 \sum_{k=1}^N \sin^2 (2\pi k/N + \theta) = \frac{N}{2}.
1027 \label{N-fin-simplification}
1028 \end{equation}
1029 %
1030 This equation predicts that the normal force produced by three or more
1031 fins is independent of the roll angle $\theta$ of the vehicle.
1032 Investigation by Pettis~\cite{pettis} showed that the normal force
1033 coefficient derivative of a four-finned rocket at Mach~1.48 decreased
1034 by approximately 6\% at a roll angle of $45^\circ$, and the roll angle
1035 had negligible effect on an eight-finned rocket.  Experimental data of
1036 a four-finned sounding rocket at Mach speeds from 0.60 to 1.20
1037 supports the 6\% estimate~\cite{experimental-transonic}.  
1038
1039 The only experimental data available to the author of three-fin
1040 configurations was of a rocket with a rounded triangular body cross
1041 section~\cite{triform-fin-data}.  This data suggests an effect of
1042 approximately 15\% on the normal force coefficient derivative
1043 depending on the roll angle.  However, it is unknown how much of this
1044 effect is due to the triangular body shape and how much from the fin
1045 positioning.
1046
1047 It is also hard to predict such an effect when examining singular
1048 fins.  If three identical or very similar singular fins are placed on
1049 a rocket body, the effect should be the same as when the fins belong
1050 to the same three-fin configuration.  Due to these facts the effect of
1051 the roll angle on the normal force coefficient derivative is ignored
1052 when a fin configuration has three or more fins.
1053 %
1054 \footnote{In OpenRocket versions prior to 0.9.6 a sinusoidal reduction
1055 of 15\% and 6\% was applied to three- and four-fin configurations,
1056 respectively.  However, this sometimes caused a significantly
1057 different predicted CP location compared to the pure Barrowman method,
1058 and also caused a discrepancy when such a fin configuration was
1059 decomposed into singular fins.  It was deemed better to follow the
1060 tested and tried Barrowman method instead of introducing additional
1061 terms to the equation.}
1062
1063 However, in configurations with many fins the fin--fin
1064 interference may cause the normal force to be less than that estimated
1065 directly by equation~(\ref{N-fin-equation}).  According to
1066 reference~\cite[p.~5-24]{MIL-HDBK}, the normal force coefficients
1067 for six and eight-fin configurations are 1.37 and 1.62 times that of
1068 the corresponding four-fin configuration, respectively.  The values
1069 for five and seven-fin configurations are interpolated between these
1070 values.
1071
1072 \pagebreak[4]
1073 Altogether, the normal force coefficient derivative $(\CNa)_N$ is
1074 calculated by:
1075 %
1076 \begin{equation}
1077 (\CNa)_N = \del{\sum_{k=1}^N \sin^2\Lambda_k} \del{\CNa}_1 \cdot
1078   \left\{ 
1079 \begin{array}{ll}
1080   1.000\; & N_{\rm tot}=1,2,3,4  \vspace{1mm}\\
1081   0.948\; & N_{\rm tot}=5  \vspace{1mm}\\
1082   0.913\; & N_{\rm tot}=6  \vspace{1mm}\\
1083   0.854\; & N_{\rm tot}=7  \vspace{1mm}\\
1084   0.810\; & N_{\rm tot}=8  \vspace{1mm}\\
1085   0.750\; & N_{\rm tot}>8
1086 \end{array}
1087   \right.
1088 \end{equation}
1089 %
1090 %\begin{equation}
1091 %(\CNa)_N =
1092 %  \left\{ 
1093 %\begin{array}{ll}
1094 %  \del{\sum_{k=1}^N \sin^2\Lambda_k} \del{\CNa}_1 & N=1,2 \vspace{1mm}\\
1095 %  1.50\; \del{\CNa}_1 & N=3  \vspace{1mm}\\
1096 %  2.00\; \del{\CNa}_1 & N=4  \vspace{1mm}\\
1097 %  2.37\; \del{\CNa}_1 & N=5  \vspace{1mm}\\
1098 %  2.74\; \del{\CNa}_1 & N=6  \vspace{1mm}\\
1099 %  2.99\; \del{\CNa}_1 & N=7  \vspace{1mm}\\
1100 %  3.24\; \del{\CNa}_1 & N=8
1101 %\end{array}
1102 %  \right.
1103 %\end{equation}
1104 %
1105 Here $N$ is the number of fins in this fin set, while $N_{\rm tot}$ is
1106 the total number of parallel fins that have an interference effect.
1107 The sum term simplifies to $N/2$ for $N\geq3$ according to
1108 equation~(\ref{N-fin-simplification}).  The interference effect for
1109 $N_{\rm tot}>8$ is assumed at 25\%, as data for such configurations is
1110 not available and such configurations are rare and eccentric in any
1111 case.
1112
1113 \subsubsection{Fin--body interference}
1114
1115 The normal force coefficient must still be corrected for fin--body
1116 interference, which increases the overall produced normal force.  Here
1117 two distinct effects can be identified: the normal force on the fins
1118 due to the presence of the body and the normal force on the body due
1119 to the presence of fins.  Of these the former is significantly larger;
1120 the latter is therefore ignored.  The effect of the extra fin lift is
1121 taken into account using a correction term
1122 %
1123 \begin{equation}
1124 \del{\CNa}_{T(B)} = K_{T(B)}\;\del{\CNa}_N
1125 \end{equation}
1126 %
1127 where $\del{\CNa}_{T(B)}$ is the normal force coefficient derivative
1128 of the tail in the presence of the body.  The term $K_{T(B)}$ can be
1129 approximated by~\cite{barrowman-rd}
1130 %
1131 \begin{equation}
1132 K_{T(B)} = 1 + \frac{r_t}{s + r_t},
1133 \end{equation}
1134 %
1135 where $s$ is the fin span from root to tip and $r_t$ is the body
1136 radius at the fin position.  The value $\del{\CNa}_{T(B)}$ is then
1137 used as the final normal force coefficient derivative of the fins.
1138
1139
1140 %The normal force coefficient must still be corrected for fin--body
1141 %interference, which increases the produced normal force.  The effect
1142 %of the interference can be split into two components, the normal force
1143 %of the fins in the presence of the body $\del{\CNa}_{T(B)}$ and of the
1144 %body in the presence of the fins $\del{\CNa}_{B(T)}$.  (The subscript
1145 %$T$ refers to {\it tail}.)  The interference is taken into account
1146 %using the correction factors
1147 %%
1148 %\begin{align}
1149 %\del{\CNa}_{T(B)} &= K_{T(B)}\;\del{\CNa}_N \\
1150 %\del{\CNa}_{B(T)} &= K_{B(T)}\;\del{\CNa}_N.
1151 %\end{align}
1152 %%
1153 %In his original report, Barrowman simplified the factor $K_{T(B)}$ to
1154 %%
1155 %\begin{equation}
1156 %K_{T(B)} = 1 + \frac{r_t}{s + r_t},
1157 %\end{equation}
1158 %%
1159 %where $s$ is the fin span from root to tip and $r_t$ is the body
1160 %radius at the fin position, and ignored the effect of $K_{B(T)}$ as
1161 %small compared to $K_{T(B)}$ for typical fin dimensions.  However,
1162 %$K_{T(B)}$ may be significant for fins with a span short compared to
1163 %the body radius.  In his thesis, a more accurate equation for
1164 %$K_{T(B)}$ is provided, and $K_{B(T)}$ is given
1165 %as~\cite[p.~31]{barrowman-thesis}
1166 %%
1167 %\begin{equation}
1168 %K_{B(T)} = \del{1 + \frac{r_t}{s + r_t}}^2 - K_{T(B)}.
1169 %\end{equation}
1170 %%
1171 %Therefore the total interference effect can be accounted for by a
1172 %factor
1173 %%
1174 %\begin{equation}
1175 %K_T = K_{T(B)} + K_{B(T)} = \del{1 + \frac{r_t}{s + r_t}}^2
1176 %\end{equation}
1177 %%
1178 %and
1179 %%
1180 %\begin{equation}
1181 %\del{\CNa}_{\rm fins} = K_T\; (\CNa)_N.
1182 %\end{equation}
1183
1184 %This equation takes the increase on body lift and adds it as an
1185 %additional force on the fins.  The equation holds at subsonic speeds
1186 %and also at supersonic speeds until the fin tip Mach cone intersects
1187 %the body.  In the latter case more complex interference factors would
1188 %be required, which have been ignored in the current software.
1189
1190 % TODO: FUTURE: supersonic interference effects, MIL-HDBK page 5-25 or B'man
1191
1192
1193
1194 \pagebreak[4]
1195 \subsection{Pitch damping moment}
1196
1197 So far the effect of the current pitch angular velocity has been
1198 ignored as marginal.  This is the case during the upward flight of a
1199 stable rocket.  However, if a rocket is launched nearly vertically in
1200 still air, the rocket flips over rather rapidly at apogee.  In
1201 some cases it was observed that the rocket was left wildly oscillating
1202 during descent.  The pitch damping moment opposes the fast rotation of
1203 the rocket thus damping the oscillation.
1204
1205 Since the pitch damping moment is notable only at apogee, and
1206 therefore does not contribute to the overall flight characteristics,
1207 only a rough estimate of its magnitude is required.  A cylinder in
1208 perpendicular flow has a drag coefficient of approximately $C_D=1.1$,
1209 with the reference area being the planform area of the
1210 cylinder~\cite[p.~3-11]{hoerner}.  Therefore a short piece of cylinder
1211 $\dif\xi$ at a distance $\xi$ from a rotation axis, as shown in
1212 Figure~\ref{fig-pitch-velocity}, produces a force
1213 %
1214 \begin{equation}
1215 \dif F = 1.1 \cdot \frac{1}{2}\rho(\omega\xi)^2 \cdot 
1216 \underbrace{2r_t\,\dif\xi}_{\rm ref.area}
1217 \end{equation}
1218 %
1219 when the cylinder is rotating at an angular velocity $\omega$.  The
1220 produced moment is correspondingly $\dif m = \xi\dif F$.  Integrating
1221 this over $0\ldots l$ yields the total pitch moment
1222 %
1223 \begin{equation}
1224 m = 0.275 \cdot \rho\, r_t\, l^4 \omega^2
1225 \end{equation}
1226 %
1227 and thus the moment damping coefficient is
1228 %
1229 \begin{equation}
1230 C_{\rm damp} = 
1231     0.55 \cdot \frac{l^4\; r_t}{\Aref\, d}\cdot\frac{\omega^2}{v_0^2}.
1232 \end{equation}
1233 %
1234 This value is computed separately for the portions of the rocket body
1235 fore and aft of the CG using an average body radius as $r_t$.
1236
1237 \begin{figure}
1238 \centering
1239 \epsfig{file=figures/components/body-pitch-rate,scale=0.8}
1240 \caption{Pitch damping moment due to a pitching body component.}
1241 \label{fig-pitch-velocity}
1242 \end{figure}
1243
1244
1245
1246 Similarly, a fin with area $\Afin$ at a distance $\xi$ from the CG
1247 produces a moment of approximately
1248 %
1249 \begin{equation}
1250 C_{\rm damp} = 
1251     0.6\cdot \frac{N\,\Afin\;\xi^3}{\Aref\,d}\cdot\frac{\omega^2}{v_0^2}
1252 \end{equation}
1253 %
1254 where the effective area of the fins is assumed to be 
1255 $\Afin\cdot N/2$.  For $N>4$ the value $N=4$ is used, since the other
1256 fins are not exposed to any direct airflow.
1257
1258 The damping moments are applied to the total pitch moment in the
1259 opposite direction of the current pitch rate.  It is noteworthy
1260 that the damping moment coefficients are proportional to $\omega^2/v_0^2$,
1261 confirming that the damping moments are insignificant during most of
1262 the rocket flight, where the angles of deflection are small and the
1263 velocity of the rocket large.  Through roll coupling the yaw rate may also
1264 momentarily become significant, and therefore the same correction is
1265 also applied to the yaw moment.
1266
1267
1268
1269
1270
1271 \clearpage
1272 \section{Roll dynamics}
1273 \label{sec-roll-dynamics}
1274
1275 When the fins of a rocket are canted at some angle $\delta>0$, the
1276 fins induce a rolling moment on the rocket.  On the other hand, when a
1277 rocket has a specific roll velocity, the portions of the fin far from
1278 the rocket centerline encounter notable tangential velocities
1279 which oppose the roll.  Therefore a steady-state roll velocity,
1280 dependent on the current velocity of the rocket, will result.
1281
1282 The effect of roll on a fin can be examined by dividing the fin into
1283 narrow streamwise strips and later integrating over the strips.  A
1284 strip $i$ at distance $\xi_i$ from the rocket centerline encounters a
1285 radial velocity
1286 %
1287 \begin{equation}
1288 u_i = \omega \xi_i
1289 \end{equation}
1290 %
1291 where $\omega$ is the angular roll velocity, as shown in
1292 Figure~\ref{fig-roll-velocity}.  The radial velocity induces an angle
1293 of attack
1294 %
1295 \begin{equation}
1296 \eta_i = \tan^{-1} \del{\frac{u_i}{v_0}} =
1297 \tan^{-1}\del{\frac{\omega\xi_i}{v_0}}
1298 \approx \frac{\omega\xi_i}{v_0}
1299 \label{eq-tan-approx}
1300 \end{equation}
1301 %
1302 to the strip.  The approximation $\tan^{-1} \eta \approx \eta$ is
1303 valid for $u_i\ll v_0$, that is, when the velocity of the rocket is
1304 large compared to the radial velocity.  The approximation is
1305 reasonable up to angles of $\eta \approx 20^\circ$, above which angle
1306 most fins stall, which limits the validity of the equation in any
1307 case.  
1308
1309 When a fin is canted at an angle $\delta$, the total
1310 inclination of the strip to the airflow is
1311 %
1312 \begin{equation}
1313 \alpha_i = \delta - \eta_i.
1314 \label{eq-roll-aoa-variation}
1315 \end{equation}
1316
1317 Assuming that the force produced by a strip is directly proportional
1318 to the local angle of attack, the force on strip $i$ is
1319 %
1320 \begin{equation}
1321 F_i = k_i \alpha_i = k_i (\delta - \eta_i)
1322 \end{equation}
1323 %
1324 for some $k_i$.  The total moment produced by the fin is then
1325 %
1326 \begin{equation}
1327 %l = \int_0^s (r+y) k (\delta-\eta(y))\dif y
1328 %  = \int_0^s (r+y) k \delta \dif y - \int_0^s (r+y) k \eta(y) \dif y
1329 l = \sum_i \xi_i F_i = \sum_i \xi_i k_i (\delta - \eta_i)
1330   = \sum_i \xi_i k_i \delta - \sum_i \xi_i k_i \eta_i.
1331 \end{equation}
1332 %
1333 This shows that the effect of roll can be split into two components:
1334 the first term $\sum_i \xi_i k_i \delta$ is the roll moment induced by
1335 a fin canted at the angle $\delta$ when flying at zero roll rate
1336 ($\omega=0$), while the second term $\sum_i \xi_i k_i \eta_i$ is the
1337 opposing moment generated by an uncanted fin ($\delta=0$) when flying
1338 at a roll rate $\omega$.  These two moments are called the roll
1339 forcing moment and roll damping moment, respectively.  These
1340 components will be analyzed separately.
1341
1342
1343 \begin{figure}
1344 \centering
1345 \epsfig{file=figures/fin-geometry/roll-velocity,scale=0.8}
1346 \caption{Radial velocity at different positions of a fin.  Viewed from
1347   the rear of the rocket.}
1348 \label{fig-roll-velocity}
1349 \end{figure}
1350
1351
1352
1353 \subsection{Roll forcing coefficient}
1354
1355 As shown previously, the roll forcing coefficient can be computed by
1356 examining a rocket with fins canted at an angle $\delta$ flying at
1357 zero roll rate ($\omega=0$).  In this case, the cant angle $\delta$ acts
1358 simply as an angle of attack for each of the fins.  Therefore, the
1359 methods computed in the previous section can be directly applied.
1360 Because the lift force of a fin originates from the mean aerodynamic
1361 chord, the roll forcing coefficient of $N$ fins is equal to
1362 %
1363 \begin{equation}
1364 C_{lf} = \frac{N (y_{\rm MAC}+r_t) \del{\CNa}_1 \delta}{d}
1365 \label{eq-roll-forcing-moment}
1366 \end{equation}
1367 %
1368 where $y_{\rm MAC}$ and $\del{\CNa}_1$ are computed using the methods
1369 described in Section~\ref{sec-planar-fins} and $r_t$ is the radius of
1370 the body tube at the fin position.  This result is applicable
1371 for both subsonic and supersonic speeds.
1372
1373
1374
1375 \subsection{Roll damping coefficient}
1376
1377 The roll damping coefficient is computed by examining a rocket with
1378 uncanted fins ($\delta=0$) flying at a roll rate $\omega$.  Since
1379 different portions of the fin encounter different local angles of
1380 attack, the damping moment must be computed from the separate
1381 streamwise airfoil strips.
1382
1383 At subsonic speeds the force generated by strip $i$ is equal to
1384 %
1385 \begin{equation}
1386 F_i = \CNa_0 \; \frac{1}{2}\rho v_0^2 \; 
1387 \underbrace{c_i \Delta\xi_i}_{\rm area} \; \eta_i.
1388 \end{equation}
1389 %
1390 Here $\CNa_0$ is calculated by equation~(\ref{eq-fin-CNa0}) and 
1391 $c_i \Delta\xi_i$ is the area of the strip.  The roll damping moment
1392 generated by the strip is then
1393 %
1394 \begin{equation}
1395 \del{C_{ld}}_i
1396   = \frac{F_i\,\xi_i}{\frac{1}{2}\rho v_0^2\,\Aref\, d}
1397   = \frac{\CNa_0}{\Aref\,d} \; \xi_i c_i\Delta\xi_i \; \eta_i.
1398 \end{equation}
1399 %
1400 By applying the approximation~(\ref{eq-tan-approx}) and summing
1401 (integrating) the airfoil strips the total roll damping moment for $N$
1402 fins is obtained as:
1403 %
1404 \begin{align}
1405 C_{ld} & = N \sum_i (C_{ld})_i \nonumber \\
1406 & = \frac{N \;\CNa_0\;\omega}{\Aref\,d\,v_0} \sum_i c_i\xi_i^2\Delta\xi_i.
1407 \label{eq-roll-damping-moment}
1408 \end{align}
1409 %
1410 The sum term is a constant for a specific fin shape.  It can be
1411 computed numerically from the strips or analytically for specific
1412 shapes.  For trapezoidal fins the term can be integrated as
1413 %
1414 \begin{equation}
1415 \sum_i c_i\xi_i^2\Delta\xi_i = 
1416 \frac{C_r+C_t}{2}\;r_t^2s + \frac{C_r+2C_t}{3}\;r_ts^2 + 
1417 \frac{C_r+3C_t}{12}\;s^3
1418 \end{equation}
1419 %
1420 and for elliptical fins
1421 %
1422 \begin{equation}
1423 \sum_i c_i\xi_i^2\Delta\xi_i = 
1424 C_r \del{ \frac{\pi}{4}\;r_t^2s + \frac{2}{3}\;r_ts^2 +
1425   \frac{\pi}{16}\;s^3 }.
1426 \end{equation}
1427
1428
1429 The roll damping moment at supersonic speeds is calculated
1430 analogously, starting from the supersonic strip lift force,
1431 equation~(\ref{eq-supersonic-strip-lift-force}), where the angle of
1432 inclination of each strip is calculated using
1433 equation~(\ref{eq-tan-approx}).  The roll moment at supersonic speeds
1434 is thus
1435 %
1436 \begin{equation}
1437 C_{ld} = \frac{N}{\Aref\,d} \sum_i C_{P_i}\, c_i \xi_i \Delta \xi_i.
1438 \end{equation}
1439 %
1440 The dependence on the incidence angle $\eta_i$ is embedded within the
1441 local pressure coefficient $C_{P_i}$,
1442 equation~(\ref{eq-local-pressure-coefficient}).  Since the dependence
1443 is non-linear, the sum term is a function of the Mach number as well
1444 as the fin shape.
1445
1446
1447
1448
1449 \subsection{Equilibrium roll frequency}
1450
1451 One quantity of interest when examining rockets with canted fins
1452 is the steady-state roll frequency that the fins induce on a rocket
1453 flying at a specific velocity.  This is obtained by equating the roll
1454 forcing moment~(\ref{eq-roll-forcing-moment}) and roll damping
1455 moment~(\ref{eq-roll-damping-moment}) and solving for the roll rate
1456 $\omega$.  The equilibrium roll frequency at subsonic speeds is
1457 therefore
1458 %
1459 \begin{equation}
1460 f_{\rm eq} = \frac{\omega_{\rm eq}}{2\pi} =
1461 \frac{\Aref\; \beta v_0 \; y_{\rm MAC} \; (\CNa)_1 \; \delta}
1462 {4\pi^2\; \sum_i c_i\xi_i^2\Delta\xi_i}
1463 \label{eq-subsonic-roll-rate}
1464 \end{equation}
1465 %
1466 It is worth noting that the arbitrary reference area \Aref\ is
1467 cancelled out by the reference area appearing within $(\CNa)_1$,
1468 as is to be expected.
1469
1470 At supersonic speeds the dependence on the incidence angle is
1471 non-linear and therefore the equilibrium roll frequency must be solved
1472 numerically.  Alternatively, the second and third-order terms of the
1473 local pressure coefficient of
1474 equation~(\ref{eq-local-pressure-coefficient}) may be ignored, in
1475 which case an approximation for the equilibrium roll frequency nearly
1476 identical to the subsonic case is obtained:
1477 %
1478 \begin{equation}
1479 f_{\rm eq} = \frac{\omega_{\rm eq}}{2\pi} =
1480 \frac{\Aref\; \beta v_0 \; y_{\rm MAC} \; (\CNa)_1 \; \delta}
1481 {4\pi\; \sum_i c_i\xi_i^2\Delta\xi_i}
1482 \label{eq-supersonic-roll-rate}
1483 \end{equation}
1484 %
1485 The value of $(\CNa)_1$ must, of course, be computed using different
1486 methods in the subsonic and supersonic cases.
1487
1488
1489
1490
1491 %\subsection{Roll sensitivity}
1492 %
1493 %The vast majority of model rockets have uncanted fins and in
1494 %principle no roll is induced to these rockets.  However, in practice
1495 %imprecision in the attachment of the fins and other protrusions always
1496 %cause some roll to the rocket during flight.  In some applications,
1497 %such as launching rockets with onboard video cameras, it is desirable
1498 %to design the rockets so as to minimize the roll rate.  To assist this
1499 %design, a quantity called the {\it roll sensitivity} of the rocket is
1500 %defined as
1501 %%
1502 %\begin{equation}
1503 %f_{\rm sens} = \frac{1}{N}\eval{\pd{f_{\rm eq}}{\delta}}_{\delta=0}.
1504 %\end{equation}
1505 %%
1506 %This is the slope of the equilibrium roll frequency at $\delta=0$,
1507 %divided by the number of fins.  If measured in units of 
1508 %$\rm Hz/^\circ$, the quantity indicates the number of rotations per
1509 %second induced by one fin being attached at an angle of $1^\circ$.  By
1510 %minimizing the roll sensitivity of a rocket, the effect of
1511 %construction imperfections on the roll rate can be minimized.  From
1512 %equation~(\ref{eq-roll-rate}) the subsonic roll sensitivity is
1513 %obtained as
1514 %%
1515 %\begin{equation}
1516 %f_{\rm sens} =
1517 %\frac{\Aref\; \beta v_0 \; y_{\rm MAC} \; (\CNa)_1}
1518 %{N\; 4\pi^2\; \sum_i c_i\xi_i^2\Delta\xi_i}
1519 %\end{equation}
1520 %%
1521 %or conversely,
1522 %%
1523 %\begin{equation}
1524 %f_{\rm eq} = N\; f_{\rm sens}\,\delta.
1525 %\end{equation}
1526 %%
1527 %Similarly, in supersonic flight the roll sensitivity may either be
1528 %solved numerically, or computed using the linear approximation for
1529 %$C_{P_i}$ yielding 
1530 %%
1531 %\begin{equation}
1532 %f_{\rm sens} = 
1533 %\frac{\Aref\; \beta v_0 \; y_{\rm MAC} \; (\CNa)_1}
1534 %{N\; 4\pi\; \sum_i c_i\xi_i^2\Delta\xi_i}.
1535 %\end{equation}
1536 %
1537 %
1538 %When the fins are canted by design, the roll sensitivity loses its
1539 %significance.  Therefore if all the fins on a rocket are uncanted, the
1540 %quantity of intrest is the roll sensitivity, while for a rocket with
1541 %canted fins it is the equilibrium roll frequency.
1542
1543
1544
1545
1546
1547
1548 \clearpage
1549 \section{Drag forces}
1550 \label{sec-drag}
1551
1552 Air flowing around a solid body causes drag, which resists the
1553 movement of the object relative to the air.  Drag forces arise from
1554 two basic mechanisms, the air pressure distribution around the rocket
1555 and skin friction.  The pressure distribution is further divided into
1556 body pressure drag (including shock waves generated as supersonic
1557 speeds), parasitic pressure drag due to protrusions such as launch
1558 lugs and base drag.  Additional sources of drag include interference
1559 between the fins and body and vortices generated at fin tips when
1560 flying at an angle of attack.  The different drag sources are depicted
1561 in Figure~\ref{fig-drag-components}.  Each drag source will be analyzed
1562 separately; the interference drag and fin-tip vortices will be
1563 ignored as small compared to the other sources.
1564
1565 As described in Section~\ref{sec-general-aerodynamics}, two different
1566 drag coefficients can be defined: the (total) drag coefficient $C_D$
1567 and the axial drag coefficient $C_A$.  At zero angle of attack these
1568 two coincide, $C_{D_0} = C_{A_0}$, but at other angles a distinction
1569 between the two must be made.  The value of significance in the
1570 simulation is the axial drag coefficient $C_A$ based on the choice of
1571 force components.  However, the drag coefficient $C_D$ describes the
1572 deceleration force on the rocket, and is a more commonly known value
1573 in the rocketry community, so it is informational to calculate its
1574 value as well.
1575
1576 In this section the zero angle-of-attack drag coefficient
1577 $C_{D_0} = C_{A_0}$ will be computed first.  Then, in
1578 Section~\ref{sec-axial-drag} this will be extended for angles of
1579 attack and $C_A$ and $C_D$ will be computed.  Since the drag force of
1580 each component is proportional to its particular size, the subscript
1581 $\bullet$ will be used for coefficients that are computed using the
1582 reference area of the specific component.  This reference area is the
1583 frontal area of the component unless otherwise noted.  Conversion to
1584 the global reference area is performed by
1585 %
1586 \begin{equation}
1587 C_{D_0} = \frac{A_{\rm component}}{\Aref} \cdot C_{D\bullet}.
1588 \end{equation}
1589
1590
1591 \begin{figure}
1592 \centering
1593 \epsfig{file=figures/aerodynamics/drag-components,width=13.5cm}
1594 \caption{Types of model rocket drag at subsonic speeds.}
1595 \label{fig-drag-components}
1596 \end{figure}
1597
1598
1599 \subsection{Laminar and turbulent boundary layers}
1600
1601 At the front of a streamlined body, air flows smoothly around the
1602 body in layers, each of which has a different velocity.  The layer
1603 closest to the surface ``sticks'' to the object having zero velocity.
1604 Each layer gradually increases the speed until the free-stream
1605 velocity is reached.  This type of flow is said to be {\it laminar}
1606 and to have a {\it laminar boundary layer}.  The thickness of the
1607 boundary layer increases with the distance the air has flowed along
1608 the surface.  At some point a transition occurs and the layers of air
1609 begin to mix.  The boundary layer becomes {\it turbulent} and thickens
1610 rapidly.  This transition is depicted in
1611 Figure~\ref{fig-drag-components}.
1612
1613 A turbulent boundary layer induces a notably larger skin friction drag
1614 than a laminar boundary layer.  It is therefore necessary to consider
1615 how large a portion of a rocket is in laminar flow and at what point
1616 the flow becomes turbulent.  The point at which the flow becomes
1617 turbulent is the point that has a {\it local critical Reynolds number}
1618 %
1619 \begin{equation}
1620 R_{\rm crit} = \frac{v_0 \; x}{\nu},
1621 \label{eq-transition-Re}
1622 \end{equation}
1623 %
1624 where $v_0$ is the free-stream air velocity, $x$ is the distance along
1625 the body from the nose cone tip and 
1626 $\nu\approx 1.5\cdot10^{-5}\;\rm m^2/s$ is the kinematic viscosity of
1627 air.  The critical Reynolds number is approximately 
1628 $R_{\rm crit} = 5\cdot10^5$~\cite[p.~43]{barrowman-thesis}. Therefore,
1629 at a velocity of 100~m/s the transition therefore occurs approximately
1630 7~cm from the nose cone tip.
1631
1632 % Air viscosity:
1633 % http://www.engineeringtoolbox.com/air-absolute-kinematic-viscosity-d_601.html
1634
1635
1636 %Since the drag force is approximately proportional to the square of
1637 %the free-stream velocity, the value of $C_D$ is most critical at high
1638 %velocities.  Equation~(\ref{eq-transition-Re}) shows that at a velocity
1639 %of 100~m/s the transition to turbulent flow occurs about 7~cm
1640 %from the nose cone tip.  Therefore at these speeds most of the wetted
1641 %area of a typical model rocket is in turbulent flow.
1642
1643 Surface roughness or even slight protrusions may also trigger the
1644 transition to occur prematurely.  At a velocity of 60~m/s the critical
1645 height for a cylindrical protrusion all around the body is of the
1646 order of 0.05~mm~\cite[p.~348]{advanced-model-rocketry}.  The
1647 body-to-nosecone joint, a severed paintbrush hair or some other
1648 imperfection on the surface may easily exceed this limit and cause
1649 premature transition to occur.
1650
1651 Barrowman presents methods for computing the drag of both fully
1652 turbulent boundary layers as well as partially-laminar layers.  Both
1653 methods were implemented and tested, but the difference in apogee
1654 altitude was less than 5\% in with all tested designs.  Therefore,
1655 the boundary layer is assumed to be fully turbulent in all cases.
1656
1657 %A typical model rocket may therefore be assumed to have a fully
1658 %turbulent boundary layer.  Only sport models which have been
1659 %finished to fine precision may benefit from a partial laminar
1660 %flow around the rocket.  These different types of rockets will be
1661 %taken into account by having two modes of calculation, one for typical
1662 %model rockets that assumes a fully turbulent boundary layer, and
1663 %another one which assumes very fine precision finish.
1664
1665
1666
1667
1668
1669
1670 \subsection{Skin friction drag}
1671
1672 Skin friction is one of the most notable sources of model rocket
1673 drag.  It is caused by the friction of the viscous flow of air
1674 around the rocket.  In his thesis Barrowman presented formulae for
1675 estimating the skin friction coefficient for both laminar and
1676 turbulent boundary layers as well as the transition between the
1677 two~\cite[pp.~43--47]{barrowman-thesis}.  As discussed above, a fully
1678 turbulent boundary layer will be assumed in this thesis.
1679
1680 The skin friction coefficient $C_f$ is defined as the drag coefficient
1681 due to friction with the reference area being the total wetted area
1682 of the rocket, that is, the body and fin area in contact with the
1683 airflow:
1684 %
1685 \begin{equation}
1686 C_f = \frac{D_{\rm friction}}{\frac{1}{2} \rho v_0^2\;A_{\rm wet}}
1687 \end{equation}
1688 %
1689 The coefficient is a function of the rocket's Reynolds number $R$ and
1690 the surface roughness.  The aim is to first calculate the skin
1691 friction coefficient, then apply corrections due to compressibility
1692 and geometry effects, and finally to convert the coefficient to the
1693 proper reference area.
1694
1695
1696 \subsubsection{Skin friction coefficients}
1697 \label{sec-skin-friction-coefficient}
1698
1699 The values for $C_f$ are given by different formulae depending on the
1700 Reynolds number.  For fully turbulent flow the coefficient is given by
1701 %
1702 \begin{equation}
1703 C_f = \frac{1}{(1.50\; \ln R - 5.6)^2}.
1704 \label{eq-turbulent-friction}
1705 \end{equation}
1706
1707 The above formula assumes that the surface is ``smooth'' and the
1708 surface roughness is completely submerged in a thin, laminar sublayer.
1709 At sufficient speeds even slight roughness may have an effect on the
1710 skin friction.  The critical Reynolds number corresponding to the
1711 roughness is given by
1712 %
1713 \begin{equation}
1714 R_{\rm crit} = 51\left(\frac{R_s}{L}\right)^{-1.039},
1715 \end{equation}
1716 %
1717 where $R_s$ is an approximate roughness height of the surface.  A few
1718 typical roughness heights are presented in Table~\ref{tab-roughnesses}.
1719 For Reynolds numbers above the critical value, the skin friction
1720 coefficient can be considered independent of Reynolds number, and has
1721 a value of
1722 %
1723 \begin{equation}
1724 C_f = 0.032\left(\frac{R_s}{L}\right)^{0.2}.
1725 \label{eq-critical-friction}
1726 \end{equation}
1727 %
1728
1729
1730 \begin{table}
1731 \caption{Approximate roughness heights of different
1732   surfaces~\cite[p.~5-3]{hoerner}}
1733 \label{tab-roughnesses}
1734 \begin{center}
1735 \begin{tabular}{lc}
1736 Type of surface & Height / \um \\
1737 \hline
1738 Average glass                  & 0.1 \\
1739 Finished and polished surface  & 0.5 \\
1740 Optimum paint-sprayed surface  & 5 \\
1741 Planed wooden boards           & 15 \\
1742 % planed = höylätty ???
1743 Paint in aircraft mass production & 20 \\
1744 Smooth cement surface          & 50 \\
1745 Dip-galvanized metal surface   & 150 \\
1746 Incorrectly sprayed aircraft paint & 200 \\
1747 Raw wooden boards              & 500 \\
1748 Average concrete surface       & 1000 \\
1749 \hline
1750 \end{tabular}
1751 \end{center}
1752 \end{table}
1753
1754
1755 Finally, a correction must be made for very low Reynolds numbers.  The
1756 experimental formulae are applicable above approximately
1757 $R\approx10^4$.  This corresponds to velocities typically below 1~m/s,
1758 which therefore have negligible effect on simulations.  Below this
1759 Reynolds number, the skin friction coefficient is assumed to be equal
1760 as for $R=10^4$.
1761
1762 Altogether, the skin friction coefficient for turbulent flow is
1763 calculated by
1764 %
1765 \begin{equation}
1766 C_f = \left\{
1767 \begin{array}{ll}
1768 1.48\cdot10^{-2}, & \mbox{if $R<10^4$} \\
1769 \mbox{Eq.~(\ref{eq-turbulent-friction})}, & \mbox{if $10^4<R<R_{\rm crit}$} \\
1770 \mbox{Eq.~(\ref{eq-critical-friction})}, & \mbox{if $R>R_{\rm crit}$}
1771 \end{array}
1772 \right. .
1773 \end{equation}
1774 %
1775 These formulae are plotted with a few different surface roughnesses in
1776 Figure~\ref{fig-skinfriction-plot}.  Included also is the laminar and
1777 transitional skin friction values for comparison.
1778
1779 \begin{figure}
1780 \centering
1781 \epsfig{file=figures/drag/skin-friction-coefficient,width=11cm}
1782 \caption{Skin friction coefficient of turbulent, laminar and
1783   roughness-limited boundary layers.}
1784 \label{fig-skinfriction-plot}
1785 \end{figure}
1786
1787
1788 \subsubsection{Compressibility corrections}
1789
1790 A subsonic speeds the skin friction coefficient turbulent and
1791 roughness-limited boundary layers need to be corrected for
1792 compressibility with the factor
1793 %
1794 \begin{equation}
1795 {C_f}_c = C_f\; (1-0.1\, M^2).
1796 \end{equation}
1797 %
1798 In supersonic flow, the turbulent skin friction coefficient must be
1799 corrected with
1800 %
1801 \begin{equation}
1802 {C_f}_c = \frac{C_f}{(1+0.15\, M^2)^{0.58}}
1803 \end{equation}
1804 %
1805 and the roughness-limited value with
1806 %
1807 \begin{equation}
1808 {C_f}_c = \frac{C_f}{1 + 0.18\, M^2}.
1809 \end{equation}
1810 %
1811 However, the corrected roughness-limited value should not be used if
1812 it would yield a value smaller than the corresponding turbulent
1813 value.
1814
1815
1816 \subsubsection{Skin friction drag coefficient}
1817 \label{sec-skin-friction-drag}
1818
1819 After correcting the skin friction coefficient for compressibility
1820 effects, the coefficient can be converted into the actual drag
1821 coefficient.  This is performed by scaling it to the correct reference
1822 area.  The body wetted area is corrected for its cylindrical geometry,
1823 and the fins for their finite thickness.
1824 %effect of finite fin thickness which Barrowman handled
1825 %separately is also included~\cite[p.~55]{barrowman-thesis}.  
1826 The total friction drag coefficient is then
1827 %
1828 \begin{equation}
1829 (C_D)_{\rm friction} = {C_f}_c \; \frac{
1830   \del{1 + \frac{1}{2f_B}} \cdot A_{\rm wet,body} + 
1831   \del{1 + \frac{2t}{\bar c}} \cdot A_{\rm wet,fins}}
1832    {\Aref}
1833 \label{eq-friction-drag-scale}
1834 \end{equation}
1835 %
1836 where $f_B$ is the fineness ratio of the rocket, and $t$ the thickness
1837 and $\bar c$ the mean aerodynamic chord length of the fins.  The
1838 wetted area of the fins $A_{\rm wet,fins}$ includes both sides of the
1839 fins.
1840
1841
1842
1843
1844
1845 \subsection{Body pressure drag}
1846
1847 Pressure drag is caused by the air being forced around the rocket.  A
1848 special case of pressure drag are shock waves generated at supersonic
1849 speeds.  In this section methods for estimating the pressure drag of
1850 nose cones will be presented and reasonable estimates also for
1851 shoulders and boattails.
1852
1853
1854 \subsubsection{Nose cone pressure drag}
1855
1856 At subsonic speeds the pressure drag of streamlined nose cones is
1857 significantly smaller than the skin friction drag.  In fact, suitable
1858 shapes may even yield negative pressure drag coefficients, producing a
1859 slight reduction in drag.  Figure~\ref{fig-nosecone-cd} presents
1860 various nose cone shapes and their respective measured pressure drag
1861 coefficients.~\cite[p.~3-12]{hoerner}
1862
1863 It is notable that even a slight rounding at the joint between the nose
1864 cone and body reduces the drag coefficient dramatically.  Rounding the
1865 edges of an otherwise flat head reduces the drag coefficient from 0.8
1866 to 0.2, while a spherical nose cone has a coefficient of only 0.01.
1867 The only cases where an appreciable pressure drag is present is when
1868 the joint between the nose cone and body is not smooth, which may
1869 cause slight flow separation.
1870
1871 The nose pressure drag is approximately
1872 proportional to the square of the sine of the joint angle $\phi$
1873 (shown in
1874 Figure~\ref{fig-nosecone-cd})~\cite[p.~237]{handbook-supersonic-aerodynamics}:
1875 %
1876 \begin{equation}
1877 (C_{D\bullet,M=0})_p = 0.8 \cdot \sin^2\phi.
1878 \label{eq-nosecone-pressure-drag}
1879 \end{equation}
1880 %
1881 This yields a zero pressure drag for all nose cone shapes that have a
1882 smooth transition to the body.  The equation does not take into
1883 account the effect of extremely blunt nose cones (length less than
1884 half of the diameter).  Since the main drag cause is slight flow
1885 separation, the coefficient cannot be corrected for compressibility
1886 effects using the Prandtl coefficient, and the value is applicable
1887 only at low subsonic velocities.
1888
1889 \begin{figure}
1890 \centering
1891 \epsfig{file=figures/nose-geometry/nosecone-cd-top,width=11cm}
1892 \caption{Pressure drag of various nose cone
1893   shapes~\cite[p.~3-12]{hoerner}.}
1894 \label{fig-nosecone-cd}
1895 \end{figure}
1896
1897
1898 At supersonic velocities shock waves increase the pressure drag
1899 dramatically. In his report Barrowman uses a second-order
1900 shock-expansion method that allows determining the pressure
1901 distribution along an arbitrary slender rotationally symmetrical
1902 body~\cite{second-order-shock-expansion-method}.  However,
1903 the method has some problematic limitations.  The method cannot handle
1904 body areas that have a slope larger than approximately $30^\circ$,
1905 present in several typical nose cone shapes.  The local airflow in
1906 such areas may decrease below the speed of sound, and the method
1907 cannot handle transonic effects.  Drag in the transonic
1908 region is of special interest for rocketeers wishing to build rockets
1909 capable of penetrating the sound barrier.
1910
1911 Instead of a general piecewise computation of the air pressure around
1912 the nose cone, a simpler semi-empirical method for estimating the
1913 transonic and supersonic pressure drag of nose cones is used.  The
1914 method, described in detail in
1915 Appendix~\ref{app-nosecone-drag-method}, combines theoretical and
1916 empirical data of different nose cone shapes to allow estimating the
1917 pressure drag of all the nose cone shapes described in
1918 Appendix~\ref{app-nosecone-geometry}.
1919
1920 The semi-empirical method is used at Mach numbers above 0.8.  
1921 At high subsonic velocities the pressure drag is interpolated between
1922 that predicted by equation~(\ref{eq-nosecone-pressure-drag}) and the
1923 transonic method.  The pressure drag is assumed to be non-decreasing
1924 in the subsonic region and to have zero derivative at $M=0$.  A
1925 suitable interpolation function that resembles the shape of the
1926 Prandtl factor is
1927 %
1928 \begin{equation}
1929 (C_{D\bullet})_{\rm pressure} = a\cdot M^b + (C_{D\bullet,M=0})_p
1930 \label{eq-nosecone-pressure-interpolator}
1931 \end{equation}
1932 %
1933 where $a$ and $b$ are computed to fit the drag coefficient and its
1934 derivative at the lower bound of the transonic method.
1935
1936
1937
1938 \subsubsection{Shoulder pressure drag}
1939
1940 Neither Barrowman nor Hoerner present theoretical or experimental
1941 data on the pressure drag of transitions at subsonic velocities.  In
1942 the case of shoulders, the pressure drag coefficient is assumed to be
1943 the same as that of a nose cone, except that the reference area is the
1944 difference between the aft and fore ends of the transition.  The
1945 effect of a non-smooth transition at the beginning of the shoulder is
1946 ignored, since this causes an increase in pressure and thus cannot
1947 cause flow separation.
1948
1949 While this assumption is reasonable at subsonic velocities, it is
1950 somewhat dubious at supersonic velocities.  However, no comprehensive
1951 data set of shoulder pressure drag at supersonic velocities was
1952 found.  Therefore the same assumption is made for supersonic
1953 velocities and a warning is generated during such simulations (see
1954 Section~\ref{sec-warnings}).  The refinement of the supersonic
1955 shoulder pressure drag estimation is left as a future enhancement.
1956
1957
1958
1959 \subsubsection{Boattail pressure drag}
1960
1961 The estimate for boattail pressure drag is based on the body base
1962 drag estimate, which will be presented in Section~\ref{sec-base-drag}.
1963 At one extreme, the transition length is zero, in which case the
1964 boattail pressure drag will be equal to the total base drag.  On the
1965 other hand, a gentle slope will allow a gradual pressure change
1966 causing approximately zero pressure drag.  Hoerner has presented
1967 pressure drag data for wedges, which suggests that at a
1968 length-to-height ratio below 1 has a constant pressure drag
1969 corresponding to the base drag and above a ratio of 3 the pressure
1970 drag is negligible.  Based on this and the base drag
1971 equation~(\ref{eq-base-drag}), an approximation for the pressure drag
1972 of a boattail is given as
1973 %
1974 \begin{equation}
1975 (C_{D\bullet})_{\rm pressure} =
1976 \frac{A_{\rm base}}{A_{\rm boattail}} \cdot (C_{D\bullet})_{\rm base}
1977 \cdot 
1978 \left\{
1979 \begin{array}{cl}
1980 1 & \mbox{if\ } \gamma < 1 \\
1981 \frac{3-\gamma}{2} & \mbox{if\ } 1 < \gamma < 3 \\
1982 0 & \mbox{if\ } \gamma > 3
1983 \end{array}
1984 \right.
1985 \end{equation}
1986 %
1987 where the length-to-height ratio $\gamma = l/(d_1-d_2)$ is calculated
1988 from the length and fore and aft diameters of the boattail.  The
1989 ratios 1 and 3 correspond to reduction angles of $27^\circ$ and
1990 $9^\circ$, respectively, for a conical boattail.  The base drag
1991 $(C_{D\bullet})_{\rm base}$ is calculated using
1992 equation~(\ref{eq-base-drag}).
1993
1994 Again, this approximation is made primarily based on subsonic data.
1995 At supersonic velocities expansion fans exist, the counterpart of
1996 shock waves in expanding flow.  However, the same equation is used for
1997 subsonic and supersonic flow and a warning is generated during
1998 transonic simulation of boattails.
1999
2000
2001
2002 \subsection{Fin pressure drag}
2003
2004 The fin pressure drag is highly dependent on the fin profile shape.
2005 Three typical shapes are considered, a rectangular profile, rounded
2006 leading and trailing edges, and an airfoil shape with rounded leading
2007 edge and tapering trailing edge.  Barrowman estimates the fin pressure
2008 drag by dividing the drag further into components of a finite
2009 thickness leading edge, thick trailing edge and overall fin
2010 thickness~\cite[p.~48--57]{barrowman-thesis}.  In this report the fin
2011 thickness was already taken into account as a correction to the skin
2012 friction drag in Section~\ref{sec-skin-friction-drag}.  The division
2013 to leading and trailing edges also allows simple extension to the
2014 different profile shapes.
2015
2016 The drag of a rounded leading edge can be considered as a circular
2017 cylinder in cross flow with no base drag.  Barrowman derived 
2018 an empirical formula for the leading edge pressure drag as
2019 %
2020 \begin{equation}
2021 (C_{D\bullet})_{LE\perp} = 
2022 \left\{ 
2023 \begin{array}{ll}
2024   (1-M^2)^{-0.417} - 1 & \mbox{for $M<0.9$} \\
2025   1-1.785(M-0.9)         & \mbox{for $0.9 < M < 1$} \\
2026   1.214 - \frac{0.502}{M^2} + \frac{0.1095}{M^4} & \mbox{for $M>1$}
2027 \end{array}
2028   \right. .
2029 \end{equation}
2030 %
2031 The subscript $\perp$ signifies the the flow is perpendicular to the
2032 leading edge.
2033
2034 In the case of a rectangular fin profile the leading edge pressure
2035 drag is equal to the stagnation pressure drag as derived in 
2036 equation~\ref{eq-blunt-cylinder-drag} of
2037 Appendix~\ref{app-blunt-cylinder-drag}:
2038 \begin{equation}
2039 (C_{D\bullet})_{LE\perp} = (C_{D\bullet})_{\rm stag}
2040 \end{equation}
2041
2042 The leading edge pressure drag of a slanted fin is obtained from the
2043 cross-flow principle~\cite[p.~3-11]{hoerner} as
2044 %
2045 \begin{equation}
2046 (C_{D\bullet})_{LE} = (C_{D\bullet})_{LE\perp} \cdot \cos^2\Gamma_L
2047 \end{equation}
2048 %
2049 where $\Gamma_L$ is the leading edge angle.  Note that in the equation
2050 both coefficients are relative to the frontal area of the cylinder, so
2051 the ratio of their reference areas is also $\cos\Gamma_L$.  In the
2052 case of a free-form fin the angle $\Gamma_L$ is the average leading
2053 edge angle, as described in Section~\ref{sec-average-angle}.
2054
2055 The fin base drag coefficient of a square profile fin is the same as
2056 the body base drag coefficient in equation~\ref{eq-base-drag}:
2057 %
2058 \begin{equation}
2059 (C_{D\bullet})_{TE} = (C_{D\bullet})_{\rm base}
2060 \end{equation}
2061 %
2062 For fins with rounded edges the value is taken as half of the total
2063 base drag, and for fins with tapering trailing edges the base
2064 drag is assumed to be zero.
2065
2066 The total fin pressure drag is the sum of the leading and trailing
2067 edge drags
2068 %
2069 \begin{equation}
2070 (C_{D\bullet})_{\rm pressure} = 
2071 (C_{D\bullet})_{LE} + (C_{D\bullet})_{TE}.
2072 \end{equation}
2073 %
2074 The reference area is the fin frontal area $N\cdot ts$.
2075
2076 % TODO: FUTURE: supersonic shock wave drag???
2077
2078
2079
2080
2081
2082 \subsection{Base drag}
2083 \label{sec-base-drag}
2084
2085 Base drag is caused by a low-pressure area created at the base of the
2086 rocket or in any place where the body radius diminishes rapidly
2087 enough.  The magnitude of the base drag can be estimated using the
2088 empirical formula~\cite[p.~23]{fleeman}
2089 %
2090 \begin{equation}
2091 (C_{D\bullet})_{\rm base} = 
2092   \left\{ 
2093 \begin{array}{ll}
2094   0.12+0.13M^2, & \mbox{if $M<1$} \\
2095   0.25/M,         & \mbox{if $M>1$}
2096 \end{array}
2097   \right. .
2098 \label{eq-base-drag}
2099 \end{equation}
2100 %
2101 The base drag is disrupted when a motor exhausts into the area.  A
2102 full examination of the process would need much more detailed
2103 information about the motor and would be unnecessarily complicated.  A
2104 reasonable approximation is achieved by subtracting the area of the
2105 thrusting motors from the base reference area~\cite[p.~23]{fleeman}.
2106 Thus, if the base is the same size as the motor itself, no base drag
2107 is generated.  On the other hand, if the base is large with only a
2108 small motor in the center, the base drag is approximately the same as
2109 when coasting.
2110
2111 The equation presented above ignores the effect that the rear body
2112 slope angle has on the base pressure.  A boattail at the end of the
2113 rocket both diminishes the reference area of base drag, thus reducing
2114 drag, but the slope also directs air better into the low pressure
2115 area. This effect has been neglected as small compared to the effect
2116 of reduced base area.
2117
2118
2119
2120
2121
2122
2123
2124
2125
2126 \subsection{Parasitic drag}
2127
2128 Parasitic drag refers to drag caused by imperfections and protrusions
2129 on the rocket body.  The most significant source of parasitic drag in
2130 model rockets are the launch guides that protrude from the rocket
2131 body.  The most common type of launch guide is one or two launch lugs,
2132 which are pieces of tube that hold the rocket on the launch rod during
2133 takeoff.  Alternatives to launch lugs include replacing the tube with
2134 metal wire loops or attaching rail pins that hold the rocket on a
2135 launch rail.  These three guide types are depicted in
2136 Figure~\ref{fig-launch-guides}.  The effect of launch lugs on the
2137 total drag of a model rocket is small, typically in the range of
2138 0--10\%, due to their comparatively small size.  However, studying
2139 this effect may be of notable interest for model rocket designers.
2140
2141
2142 \begin{figure}
2143 \centering
2144 \epsfig{file=figures/components/launch-guides,width=12cm}
2145 \caption{Three types of common launch guides.}
2146 \label{fig-launch-guides}
2147 \end{figure}
2148
2149
2150 A launch lug that is long enough that no appreciable airflow occurs
2151 through the lug may be considered a solid cylinder next to the main
2152 rocket body.  A rectangular protrusion that has a length at least
2153 twice its height has a drag coefficient of 0.74, with reference area
2154 being its frontal area~\cite[p.~5-8]{hoerner}.  The drag coefficient
2155 varies proportional to the stagnation pressure as in the case of a
2156 blunt cylinder in free airflow, presented in
2157 Appendix~\ref{app-blunt-cylinder-drag}.
2158
2159 A wire held perpendicular to airflow has instead a drag coefficient of
2160 1.1, where the reference area is the planform area of the
2161 wire~\cite[p.~3-11]{hoerner}.  A wire loop may be thought of as a
2162 launch lug with length and wall thickness equal to the thickness of
2163 the wire.  However, in this view of a launch lug the reference area
2164 must not include the inside of the tube, since air is free to flow
2165 within the loop.
2166
2167 These two cases may be unified by changing the used reference area as
2168 a function of the length of the tube $l$.  At the limit $l=0$ the
2169 reference area is the simple planform area of the loop, and when the
2170 length is greater than the diameter $l>d$ the reference area includes
2171 the inside of the tube as well.  The slightly larger drag coefficient
2172 of the wire may be taken into account as a multiplier to the blunt
2173 cylinder drag coefficient.
2174
2175 Therefore the drag coefficient of a launch guide can be approximately
2176 calculated by
2177 %
2178 \begin{equation}
2179 (C_{D\bullet})_{\rm parasitic} = 
2180 \max\{1.3-0.3\;l/d, 1\} \cdot (C_{D\bullet})_{\rm stag}
2181 \end{equation}
2182 %
2183 where $(C_{D\bullet})_{\rm stag}$ is the stagnation pressure
2184 coefficient calculated in equation~(\ref{eq-blunt-cylinder-drag}), and
2185 the reference area is
2186 %
2187 \begin{equation}
2188 A_{\rm parasitic} = \pi r_{ext}^2 - \pi r_{int}^2 \cdot
2189 \max\{1-l/d,0\}.
2190 \end{equation}
2191
2192 This approximation may also be used to estimate the drag of rail
2193 pins.  A circular pin protruding from a wall has a drag coefficient of
2194 0.80~\cite[p.~5-8]{hoerner}.  Therefore the drag of the pin is
2195 approximately equal to that of a lug with the same frontal area.  The
2196 rail pins can be approximated in a natural manner as launch lugs with
2197 the same frontal area as the pin and a length equal to their
2198 diameter.
2199
2200
2201
2202
2203 \subsection{Axial drag coefficient}
2204 \label{sec-axial-drag}
2205
2206 The total drag coefficient may be calculated by simply scaling the
2207 coefficients to a common reference area and adding them together:
2208 %
2209 \begin{equation}
2210 C_{D_0} = \sum_T \frac{A_T}{\Aref}(C_{D\bullet})_T
2211  + (C_D)_{\rm friction}
2212 \end{equation}
2213 %
2214 where the sum includes the pressure, base and parasitic drags.  The
2215 friction drag was scaled to the reference area \Aref\ already in
2216 equation~(\ref{eq-friction-drag-scale}).
2217
2218 This yields the total drag coefficient at zero angle of attack.  At an
2219 angle of attack the several phenomena begin to affect the drag.
2220 More frontal area is visible to the airflow, the pressure gradients
2221 along the body change and fin-tip vortices emerge.  On the other hand,
2222 the drag force is no longer axial, so the axial drag force is less
2223 than the total drag force.
2224
2225 Based on experimental data an empirical formula was produced for
2226 calculating the axial drag coefficient at an angle of attach $\alpha$
2227 from the zero-angle drag coefficient.  The scaling function is a
2228 two-part polynomial function that starts from 1 at $\alpha=0^\circ$,
2229 increases to 1.3 at $\alpha=17^\circ$ and then decreases to zero at
2230 $\alpha=90^\circ$; the derivative is also zero at these points.  Since
2231 the majority of the simulated flight is at very small angles of
2232 attack, this approximation provides a sufficiently accurate estimate
2233 for the purposes of this thesis.
2234
2235