create changelog entry
[debian/openrocket] / core / doc / techdoc / chapter-appendices.tex
1
2
3 \chapter{Nose cone and transition geometries}
4 \label{app-nosecone-geometry}
5
6 Model rocket nose cones are available in a wide variety of shapes and
7 sizes.  In this appendix the most common shapes and their defining
8 parameters are presented.
9
10
11 \section{Conical}
12
13 The most simple nose cone shape is a right circular cone.  They are
14 easy to make from a round piece of cardboard.  A conical nose cone is
15 defined simply by its length and base diameter. An additional
16 parameter is the opening angle $\phi$, shown in
17 Figure~\ref{fig-nosecone-shapes}(a).  The defining equation of a
18 conical nose cone is
19 %
20 \begin{equation}
21 r(x) = \frac{x}{L}\cdot R.
22 \end{equation}
23
24
25 \section{Ogival}
26
27 Ogive nose cones have a profile which is an arc of a circle, as shown
28 in Figure~\ref{fig-nosecone-shapes}(b).  The most common ogive shape
29 is the {\it tangent ogive} nose cone, which is formed when radius of
30 curvature of the circle $\rho_t$ is selected such that the joint
31 between the nose cone and body tube is smooth,
32 %
33 \begin{equation}
34 \rho_t = \frac{R^2+L^2}{2R}.
35 \end{equation}
36 %
37 If the radius of curvature $\rho$ is greater than this, then the
38 resulting nose cone has an angle at the joint between the nose cone
39 and body tube, and is called a {\it secant ogive}.  The secant ogives
40 can also be viewed as a larger tangent ogive with its base cropped.
41 At the limit $\rho\rightarrow\infty$ the secant ogive becomes a
42 conical nose cone.
43
44 The parameter value $\kappa$ used for ogive nose cones is the ratio of
45 the radius of curvature of a corresponding tangent ogive $\rho_t$ to
46 the radius of curvature of the nose cone $\rho$:
47 %
48 \begin{equation}
49 \kappa = \frac{\rho_t}{\rho}
50 \end{equation}
51 %
52 $\kappa$ takes values from zero to one, where $\kappa=1$ produces a
53 tangent ogive and $\kappa=0$ produces a conical nose cone (infinite
54 radius of curvature).
55
56 With a given length $L$, radius $R$ and parameter $\kappa$ the radius
57 of curvature is computed by
58 %
59 \begin{equation}
60 \rho^2 = \frac{ \del{L^2+R^2}\cdot
61   \del{ \del{\del{2-\kappa}L}^2 + \del{\kappa R}^2 }
62 }{ 4\del{\kappa R}^2 }.
63 \end{equation}
64 %
65 Using this the radius at position $x$ can be computed as
66 %
67 \begin{equation}
68 r(x) = \sqrt{\rho^2 - \del{L/\kappa - x}^2} - \sqrt{\rho^2-\del{L/\kappa}^2}
69 \end{equation}
70
71
72
73 \section{Elliptical}
74
75 Elliptical nose cones have the shape of an ellipsoid with one major
76 radius is $L$ and the other two $R$.  The profile has a shape of a
77 half-ellipse with major axis $L$ and $R$,
78 Figure~\ref{fig-nosecone-shapes}(c).  It is a simple geometric shape
79 common in model rocketry.  The special case $R=L$ corresponds to a
80 half-sphere.
81
82 The equation for an elliptical nose cone is obtained by stretching the
83 equation of a unit circle:
84 \begin{equation}
85 r(x) = R \cdot \sqrt{1-\del{1-\frac{x}{L}}^2}
86 \end{equation}
87
88
89 \section{Parabolic series}
90
91 A parabolic nose cone is the shape generated by rotating a section of
92 a parabola around a line perpendicular to its symmetry axis,
93 Figure~\ref{fig-nosecone-shapes}(d).  This is
94 distinct from a paraboloid, which is rotated around this symmetry
95 axis (see Appendix~\ref{app-power-series}).  
96
97 Similar to secant ogives, the base of a ``full'' parabolic nose cone
98 can be cropped to produce nose cones which are not tangent with the
99 body tube.  The parameter $\kappa$ describes the portion of the larger
100 nose cone to include, with values ranging from zero to one.  The most
101 common values are $\kappa=0$ for a conical nose cone, $\kappa=0.5$ for
102 a 1/2~parabola, $\kappa=0.75$ for a 3/4~parabola and $\kappa=1$ for a
103 full parabola.  The equation of the shape is
104 %
105 \begin{equation}
106 r(x) = R\cdot\frac{x}{L} \del{ \frac{2 - \kappa\frac{x}{L}}
107    {2-\kappa}}.
108 \end{equation}
109
110
111
112 \section{Power series}
113 \label{app-power-series}
114
115 The power series nose cones are generated by rotating the segment
116 %
117 \begin{equation}
118 r(x) = R\del{\frac{x}{L}}^\kappa
119 \end{equation}
120 %
121 around the x-axis, Figure~\ref{fig-nosecone-shapes}(e).  The parameter
122 value $\kappa$ can range from zero to one.  Special cases are
123 $\kappa=1$ for a conical nose cone, $\kappa=0.75$ for a 3/4~power nose
124 cone and $\kappa=0.5$ for a 1/2~power nose cone or an ellipsoid.
125 The limit $\kappa\rightarrow0$ forms a blunt cylinder.
126
127
128 \section{Haack series}
129
130 In contrast to the other shapes which are formed from rotating
131 geometric shapes or simple formulae around an axis, the Haack series
132 nose cones are mathematically derived to minimize the theoretical
133 pressure drag.  Even though they are defined as a series, two specific
134 shapes are primarily used, the {\it LV-Haack}\ shape and the 
135 {\it LD-Haack}\ or {\it Von Kárman}\ shape.  The letters LV and LD
136 refer to length-volume and length-diameter, and they minimize the
137 theoretical pressure drag of the nose cone for a specific length and
138 volume or length and diameter, respectively.  Since the parameters
139 defining the dimensions of the nose cone are its length and radius,
140 the Von Kárman nose cone (Figure~\ref{fig-nosecone-shapes}(f)) should,
141 in principle, be the optimal nose cone shape.
142
143 The equation for the series is
144 %
145 \begin{equation}
146 r(x) = \frac{R}{\sqrt{\pi}} \;
147   \sqrt{\theta - \frac{1}{2}\sin(2\theta) + \kappa \sin^3\theta}
148 \end{equation}
149 %
150 where
151 %
152 \begin{equation}
153 \theta = \cos^{-1} \del{1-\frac{2x}{L}}.
154 \end{equation}
155 %
156 The parameter value $\kappa=0$ produces the Von Kárman of LD-Haack
157 shape and $\kappa=1/3$ produces the LV-Haack shape.  In principle,
158 values of $\kappa$ up to $2/3$ produce monotonic nose cone shapes.
159 However, since there is no experimental data available for the
160 estimation of nose cone pressure drag for $\kappa > 1/3$ (see
161 Appendix~\ref{app-haack-series-pressure-drag}), the selection of the
162 parameter value is limited in the software to the range 
163 $0 \ldots 1/3$.
164
165
166 \section{Transitions}
167
168 The vast majority of all model rocket transitions are conical.
169 However, all of the nose cone shapes may be adapted as transition
170 shapes as well.  The transitions are parametrized with the fore and
171 aft radii $R_1$ and $R_2$, length $L$ and the optional shape parameter
172 $\kappa$.
173
174 Two choices exist when adapting the nose cones as transition shapes.
175 One is to take a nose cone with base radius $R_2$ and crop the tip of
176 the nose at the radius position $R_1$.  The length of the nose cone
177 must be selected suitably that the length of the transition is $L$.
178 Another choice is to have the profile of the transition resemble two
179 nose cones with base radius $R_2-R_1$ and length $L$.  These two
180 adaptations are called {\it clipped} and {\it non-clipped} transitions,
181 respectively.  A clipped and non-clipped elliptical transition is
182 depicted in Figure~\ref{fig-transition-clip}.
183
184 For some transition shapes the clipped and non-clipped adaptations are
185 the same.  For example, the two possible ogive transitions have equal
186 radii of curvature and are therefore the same.  Specifically, the
187 conical and ogival transitions are equal whether clipped or not, and
188 the parabolic series are extremely close to each other.
189
190
191
192
193 \begin{figure}[p]
194 \centering
195 \begin{tabular}{ccc}
196
197 \epsfig{file=figures/nose-geometry/geometry-conical,scale=0.7} &&
198 \epsfig{file=figures/nose-geometry/geometry-ogive,scale=0.7} \\
199 (a) & \hspace{1cm} & (b) \\
200 && \\
201 && \\
202 && \\
203 %&& \\
204
205 \epsfig{file=figures/nose-geometry/geometry-elliptical,scale=0.7} &&
206 \epsfig{file=figures/nose-geometry/geometry-parabolic,scale=1.0} \\
207 (c) && (d) \\
208 && \\
209 && \\
210 && \\
211 %&& \\
212
213 \epsfig{file=figures/nose-geometry/geometry-power,scale=0.6} &&
214 \epsfig{file=figures/nose-geometry/geometry-haack,scale=0.6} \\
215 (e) && (f) \\
216 && \\
217 %&& \\
218 \end{tabular}
219 \caption{Various nose cone geometries:  (a)~conical, (b)~secant ogive,
220   (c)~elliptical, (d)~parabolic, (e)~1/2~power (ellipsoid) and
221   (f)~Haack series (Von Kárman).}
222 \label{fig-nosecone-shapes}
223 \end{figure}
224
225 \begin{figure}[p]
226 \vspace{5mm}
227 \begin{center}
228 \epsfig{file=figures/nose-geometry/geometry-transition,scale=0.7}
229 \end{center}
230 \caption{A clipped and non-clipped elliptical transition.}
231 \label{fig-transition-clip}
232 \end{figure}
233
234
235
236
237
238 \chapter{Transonic wave drag of nose cones}
239 \label{app-nosecone-drag-method}
240
241 The wave drag of different types of nose cones vary largely in the
242 transonic velocity region.  Each cone shape has its distinct
243 properties.  In this appendix methods for calculating and
244 interpolating the drag of various nose cone shapes at transonic and
245 supersonic speeds are presented.  A summary of the methods is
246 presented in Appendix~\ref{app-transonic-nosecone-summary}.
247
248
249
250 \section{Blunt cylinder}
251 \label{app-blunt-cylinder-drag}
252
253 A blunt cylinder is the limiting case for every nose cone shape at the
254 limit $f_N\rightarrow 0$.  Therefore it is useful to have a formula
255 for the front pressure drag of a circular cylinder in longitudinal
256 flow.  As the object is not streamline, its drag coefficient does not
257 vary according to the Prandtl factor~(\ref{eq-prandtl-factor}).
258 Instead, the coefficient is approximately proportional to the
259 {\it stagnation pressure}, or the pressure at areas perpendicular to
260 the airflow.  The stagnation pressure can be approximated by the
261 function~\cite[pp.~15-2,~16-3]{hoerner}
262 %
263 \begin{equation}
264 \frac{q_{\rm stag}}{q} =
265 \left\{
266 \begin{array}{ll}
267 1 + \frac{M^2}{4} + \frac{M^4}{40}, & \mbox{for\ } M < 1 \\
268 1.84 - \frac{0.76}{M^2} + \frac{0.166}{M^4} + \frac{0.035}{M^6}, &
269    \mbox{for\ } M > 1
270 \end{array}
271 \right. .
272 \end{equation}
273 %
274 The pressure drag coefficient of a blunt circular cylinder as a
275 function of the Mach number can then be written as
276 %
277 \begin{equation}
278 (C_{D\bullet})_{\rm pressure} = 
279 (C_{D\bullet})_{\rm stag} = 0.85 \cdot \frac{q_{\rm stag}}{q}.
280 \label{eq-blunt-cylinder-drag}
281 \end{equation}
282
283
284
285
286
287 \section{Conical nose cone}
288
289 A conical nose cone is simple to construct and closely resembles many
290 slender nose cones.  The conical shape is also the limit of several
291 parametrized nose cone shapes, in particular the secant ogive with
292 parameter value 0.0 (infinite circle radius), the power series nose
293 cone with parameter value 1.0 and the parabolic series with parameter
294 value 0.0.
295
296 Much experimental data is available on the wave drag of conical nose
297 cones.  Hoerner presents formulae for the value of $C_{D\bullet}$ at
298 supersonic speeds, the derivative  $\dif C_{D\bullet}/\dif M$ at
299 $M=1$,  and a figure of $C_{D\bullet}$ at
300 $M=1$~\cite[pp.~16-18\ldots16-20]{hoerner}.  Based on these and 
301 the low subsonic drag coefficient~(\ref{eq-nosecone-pressure-drag}), a
302 good interpolation of the transonic region is possible.
303
304 The equations presented by Hoerner are given as a function of the
305 half-apex angle $\varepsilon$, that is, the angle between the conical
306 body and the body centerline.  The half-apex angle is related to the
307 nose cone fineness ratio by
308 %
309 \begin{equation}
310 \tan\varepsilon = \frac{d/2}{l} = \frac{1}{2f_N}.
311 \end{equation}
312
313 The pressure drag coefficient at supersonic speeds ($M\gtrsim1.3$) is
314 given by
315 %
316 \begin{align}
317 (C_{D\bullet})_{\rm pressure}
318 & =  2.1\;\sin^2\varepsilon + 0.5\;
319                  \frac{\sin\varepsilon}{\sqrt{M^2-1}} \nonumber\\
320 & =  \frac{2.1}{1+4f_N^2} + \frac{0.5}{\sqrt{(1+4f_N^2)\; (M^2-1)}} .
321 \label{eq-conical-supersonic-drag}
322 \end{align}
323 %
324 It is worth noting that as the Mach number increases, the drag
325 coefficient tends to the constant value $2.1\sin^2\epsilon$.  At $M=1$
326 the slope of the pressure drag coefficient is equal to
327 %
328 \begin{equation}
329 \eval{\frac{\partial (C_{D\bullet})_{\rm pressure}}{\partial M}}_{M=1} =
330   \frac{4}{\gamma+1} \cdot (1-0.5\;C_{D\bullet,M=1})
331 \label{eq-conical-sonic-drag-derivative}
332 \end{equation}
333 %
334 where $\gamma=1.4$ is the specific heat ratio of air and the drag
335 coefficient at $M=1$ is approximately
336 %
337 \begin{equation}
338 C_{D\bullet,M=1} = 1.0\; \sin\varepsilon.
339 \label{eq-conical-sonic-drag}
340 \end{equation}
341
342 The pressure drag coefficient between Mach~0 and Mach~1 is
343 interpolated using equation~(\ref{eq-nosecone-pressure-drag}).  
344 Between Mach~1 and Mach~1.3 the coefficient is calculated using
345 polynomial interpolation with the boundary conditions from
346 equations~(\ref{eq-conical-supersonic-drag}),
347 (\ref{eq-conical-sonic-drag-derivative}) and
348 (\ref{eq-conical-sonic-drag}).
349
350
351
352
353
354
355 \section{Ellipsoidal, power, parabolic and Haack series nose cones}
356 \label{app-haack-series-pressure-drag}
357
358 A comprehensive data set of the pressure drag coefficient for all nose
359 cone shapes at all fineness ratios at all Mach numbers is not
360 available.  However, Stoney has collected a compendium of nose cone
361 drag data including data on the effect of the fineness ratio $f_N$ on
362 the drag coefficient and an extensive study of drag coefficients of
363 different nose cone shapes at fineness ratio
364 3~\cite{nosecone-cd-data}.  The same report suggests that the effects 
365 of fineness ratio and Mach number may be separated.
366
367 The curves of the pressure drag coefficient as a function of the nose
368 fineness ratio $f_N$ can be closely fitted with a function of the form
369 %
370 \begin{equation}
371 (C_{D\bullet})_{\rm pressure} = \frac{a}{(f_N + 1)^b}.
372 \label{eq-fineness-ratio-drag-interpolator}
373 \end{equation}
374 %
375 The parameters $a$ and $b$ can be calculated from two data points
376 corresponding to fineness ratios 0 (blunt cylinder,
377 Appendix~\ref{app-blunt-cylinder-drag}) and ratio 3.  Stoney includes
378 experimental data of the pressure drag coefficient as a function of
379 Mach number at fineness ratio 3 for power series $x^{1/4}$, $x^{1/2}$,
380 $x^{3/4}$ shapes, $1/2$, $3/4$ and full parabolic shapes, ellipsoidal,
381 L-V~Haack and Von Kárman nose cones.  These curves are written into
382 the software as data curve points.  For parametrized nose cone shapes
383 the necessary curve is interpolated if 
384 necessary.  Typical nose cones of model rockets have fineness ratios
385 in the region of 2--5, so the extrapolation from data of fineness
386 ratio 3 is within reasonable bounds.
387
388
389
390
391
392 \section{Ogive nose cones}
393
394 One notable shape missing from the data in Stoney's report are secant
395 and tangent ogives.  These are common shapes for model rocket nose
396 cones.  However, no similar experimental data of the pressure drag as
397 a function of Mach number was found for ogive nose cones.
398
399 At supersonic velocities the drag of a tangent ogive is approximately
400 the same as the drag of a conical nose cone with the same length and
401 diameter, while secant ogives have a somewhat smaller
402 drag~\cite[p.~239]{handbook-supersonic-aerodynamics}.  The minimum
403 drag is achieved when the secant ogive radius is approximately twice
404 that of a corresponding tangent ogive, corresponding to the parameter
405 value 0.5.  The minimum drag is consistently 18\% less than that of a
406 conical nose at Mach numbers in the range of 1.6--2.5 and for fineness
407 ratios of 2.0--3.5.  Since no better transonic data is available, it
408 is assumed that ogives follow the conical drag profile through
409 the transonic and supersonic region.  The drag of the corresponding
410 conical nose is diminished in a parabolic fashion with the ogive
411 parameter, with a minimum of -18\% at a parameter value of 0.5.
412
413
414
415
416
417 \section{Summary of nose cone drag calculation}
418 \label{app-transonic-nosecone-summary}
419
420 The low subsonic pressure drag of nose cones is calculated using
421 equation~(\ref{eq-nosecone-pressure-drag}):
422 %
423 \begin{equation*}
424 (C_{D\bullet,M=0})_p = 0.8 \cdot \sin^2\phi.
425 \end{equation*}
426 %
427 The high subsonic region is interpolated using a function of the form
428 presented in equation~(\ref{eq-nosecone-pressure-interpolator}):
429 %
430 \begin{equation*}
431 (C_{D\bullet})_{\rm pressure} = a\cdot M^b + (C_{D\bullet,M=0})_p
432 \end{equation*}
433 %
434 where $a$ and $b$ are selected according to the lower boundary of the
435 transonic pressure drag and its derivative.
436
437 The transonic and supersonic pressure drag is calculated depending on
438 the nose cone shape as follows:
439 %
440 \begin{itemize}
441
442 \item[\bf Conical:]  At supersonic velocities ($M > 1.3$) the
443   pressure drag is calculated using
444   equation~(\ref{eq-conical-supersonic-drag}).  Between Mach 1 and 1.3
445   the drag is interpolated using a polynomial with boundary conditions
446   given by equations~(\ref{eq-conical-supersonic-drag}),
447   (\ref{eq-conical-sonic-drag-derivative}) and
448   (\ref{eq-conical-sonic-drag}).
449 \\
450
451
452
453 \item[\bf Ogival:]  The pressure drag at transonic and supersonic
454   velocities is equal to the pressure drag of a conical nose cone with
455   the same diameter and length corrected with a shape factor:
456 %, multiplied by the shape factor
457 %
458 \begin{equation}
459 (C_{D\bullet})_{\rm pressure} = 
460 \del{0.72 \cdot (\kappa - 0.5)^2 + 0.82} \cdot 
461 (C_{D\bullet})_{\rm cone}.
462 \end{equation}
463 %
464 The shape factor is one at $\kappa = 0, 1$ and 0.82 at $\kappa=0.5$.
465 \\
466
467
468
469 \item[\bf Other shapes:]  The pressure drag calculation is based on
470   experimental data curves:
471 %
472 \begin{enumerate}
473 \item Determine the pressure drag $C_3$ of a similar nose cone
474   with fineness ratio $f_N=3$ from experimental data.  If data for a
475   particular shape parameter is not available, interpolate the data
476   between parameter values.
477
478 \item Calculate the pressure drag of a blunt cylinder $C_0$
479   using equation~(\ref{eq-blunt-cylinder-drag}).
480
481 \item Interpolate the pressure drag of the nose cone using
482   equation~(\ref{eq-fineness-ratio-drag-interpolator}).
483   After parameter substitution the equation takes the form
484 %
485 \begin{equation}
486 (C_{D\bullet})_{\rm pressure} \;=\;
487 \frac{C_0}{(f_N+1)^{\log_4 C_0/C_3}} \;=\;
488 C_0 \cdot \del{\frac{C_3}{C_0}}^{\log_4(f_N+1)}
489 \end{equation}
490 %
491   The last form is computationally more efficient since the exponent
492   $\log_4(f_N+1)$ is constant during a simulation.
493
494 \end{enumerate}
495
496 \end{itemize}
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508 \chapter{Streamer drag coefficient estimation}
509 \label{app-streamers}
510
511
512 A streamer is a typically rectangular strip of plastic or other
513 material that is used as a recovery device especially in small model
514 rockets.  The deceleration is based on the material flapping in the
515 passing air, thus causing air resistance.  Streamer optimization has
516 been a subject of much interest in the rocketry
517 community~\cite{streamer-optimization}, and contests on streamer
518 landing duration are organized regularly.  In order to estimate the
519 drag force of a streamer a series of experiments were performed and an
520 empirical formula for the drag coefficient was developed.
521
522 One aspect that is not taken into account in the present investigation
523 is the fluctuation between the streamer and rocket.  At one extreme a
524 rocket with a very small streamer drops head first to the ground with
525 almost no deceleration at all.  At the other extreme there is a very
526 large streamer creating significant drag, and the rocket falls below
527 it tail-first.  Between these two extremes is a point where the
528 orientation is labile, and the rocket as a whole twirls
529 around during descent.  This kind of interaction between the rocket
530 and streamer cannot be investigated in a wind tunnel and would require
531 an extensive set of flight tests to measure.  Therefore it is not
532 taken into account, instead, the rocket is considered effectively a
533 point mass at the end of the streamer, the second extreme mentioned
534 above.
535
536
537 \subsubsection*{Experimental methods}
538
539 A series of experiments to measure the drag coefficients of streamers
540 was performed using the $40\times40\times120$~cm wind tunnel of
541 Pollux~\cite{pollux-wind-tunnel}.  The experiments were performed
542 using various materials, widths and lengths of streamers and at
543 different wind speeds.  The effect of the streamer size and shape was
544 tested separately from the effect of the streamer material.
545
546 A tube with a rounded $90^\circ$ angle at one end was installed in the
547 center of the wind tunnel test section.  A line was drawn through the
548 tube so that one end of the line was attached to a the streamer and the
549 other end to a weight which was placed on a digital scale.  When the
550 wind tunnel was active the force produced by the streamer was read
551 from the scale.  A metal wire was taped to the edge of the streamer to
552 keep it rigid and the line attached to the midpoint of the wire.
553
554 A few different positions within the test section and free line
555 lengths were tried.  All positions seemed to produce approximately
556 equal results, but the variability was significantly lower when the
557 streamer fit totally into the test section and had a only 10~cm length
558 of free line between the tube and streamer.  This configuration was
559 used for the rest of the experiments.
560
561 Each streamer was measured at three different velocities, 6~m/s, 9~m/s
562 and 12~m/s.  The results indicated that the force produced is
563 approximately proportional to the square of the airspeed, signifying
564 that the definition of a drag coefficient is valid also for streamers.
565
566 The natural reference area for a streamer is the area of the strip.
567 However, since in the simulation we are interested in the total drag
568 produced by a streamer, it is better to first produce an equation for
569 the drag coefficient normalized to unit area, $C_D \cdot \Aref$.
570 These coefficient values were calculated separately for the different
571 velocities and then averaged to obtain the final normalized drag
572 coefficient of the streamer.
573
574
575 \subsubsection*{Effect of streamer shape}
576
577 \begin{figure}[p]
578 \centering
579 \hspace*{-7mm}
580 \epsfig{file=figures/experimental/streamerCDvsWL,width=155mm}
581 \caption{The normalized drag coefficient of a streamer as a function
582   of the width and length of the streamer.  The points are the
583   measured values and the mesh is cubically interpolated between the
584   points.}
585 \label{fig-streamer-CD-vs-shape}
586 \end{figure}
587
588
589 \begin{figure}[p]
590 \centering
591 \hspace*{-7mm}
592 \epsfig{file=figures/experimental/streamerCDvsWLestimate,width=155mm}
593 \caption{Estimated and measured normalized drag coefficients of a
594   streamer as a function of the width and length of the streamer.  The
595   lines from the points lead to their respective estimate values.}
596 \label{fig-streamer-shape-estimate}
597 \end{figure}
598
599
600
601 Figure~\ref{fig-streamer-CD-vs-shape} presents the normalized drag
602 coefficient as a function of the streamer width and length for a fixed
603 material of $\rm80~g/m^2$ polyethylene plastic.  It was noticed that
604 for a specific streamer length, the normalized drag coefficient was
605 approximately linear with the width,
606 %
607 \begin{equation}
608 C_D \cdot \Aref = k\cdot w,
609 \label{eq-streamer-first-approx}
610 \end{equation}
611 %
612 where $w$ is the width and $k$ is dependent on the streamer length.
613 The slope $k$ was found to be approximately linear with
614 the length of the streamer, with a linear regression of
615 %
616 \begin{equation}
617 k = 0.034 \cdot (l+\rm 1~m).
618 \label{eq-streamer-second-approx}
619 \end{equation}
620 %
621 Substituting equation (\ref{eq-streamer-second-approx}) into
622 (\ref{eq-streamer-first-approx}) yields
623 %
624 \begin{equation}
625 C_D \cdot \Aref = 0.034 \cdot (l+{\rm 1~m})\cdot w
626 \label{eq-streamer-estimate}
627 \end{equation}
628 %
629 or using $\Aref = wl$
630 %
631 \begin{equation}
632 C_D = 0.034 \cdot \frac{l+\rm 1~m}{l}.
633 \label{eq-streamer-shape-estimate}
634 \end{equation}
635
636
637 The estimate as a function of the width and length is presented in 
638 Figure~\ref{fig-streamer-shape-estimate} along with the measured data
639 points.  The lines originating from the points lead to their
640 respective estimate values.  The average relative error produced by
641 the estimate was 9.7\%.
642
643
644 \subsubsection*{Effect of streamer material}
645
646
647
648 The effect of the streamer material was studied by creating
649 $4\times40$~cm and $8\times48$~cm streamers from various household
650 materials commonly used in streamers.  The tested materials were
651 polyethylene plastic of various thicknesses, cellophane and crêpe
652 paper.  The properties of the materials are listed in
653 Table~\ref{table-streamer-materials}. 
654
655
656 Figure~\ref{fig-streamer-material} presents the normalized drag
657 coefficient as a function of the material thickness and surface
658 density.  It is evident that the thickness is not a good
659 parameter to characterize the drag of a streamer.  On the other hand,
660 the drag coefficient as a function of surface density is nearly
661 linear, even including the crêpe paper.  While it is not as
662 definitive, both lines seem to intersect with the $x$-axis at
663 approximately  $\rm-25~g/m^2$.  Therefore the coefficient of the
664 $\rm80~g/m^2$ polyethylene estimated by
665 equation~(\ref{eq-streamer-shape-estimate}) is corrected for a
666 material surface density $\rho_m$ with
667 %
668 \begin{equation}
669 C_{D_m} = \left(\frac{\rho_m + \rm 25~g/m^2}{\rm 105~g/m^2}\right)
670     \cdot C_D.
671 \end{equation}
672 %
673 Combining these two equations, one obtains the final empirical
674 equation
675 %
676 \begin{equation}
677 C_{D_m} = 0.034 \cdot
678     \left(\frac{\rho_m + \rm 25~g/m^2}{\rm 105~g/m^2}\right) \cdot
679     \left(\frac{l + 1~{\rm m}}{l}\right).
680 \label{eq-streamer-CD-estimate}
681 \end{equation}
682
683 This equation is also reasonable since it produces positive and finite
684 normalized drag coefficients for all values of $w$, $l$ and $\rho_m$.
685 However, this equation does not obey the rule-of-thumb of rocketeers
686 that the optimum width-to-length ratio for a streamer would be 1:10.
687 According to equation~(\ref{eq-streamer-estimate}), the maximum drag
688 for a fixed surface area is obtained at the limit $l\rightarrow0$,
689 $w\rightarrow\infty$.  In practice the rocket dimensions limit the
690 practical dimensions of a streamer, from which the 1:10 rule-of-thumb
691 may arise.
692
693
694 \subsubsection*{Equation validation}
695
696 To test the validity of the equation, several additional streamers
697 were measured for their drag coefficients.  These were of various
698 materials and of dimensions that were not used in the fitting of the
699 empirical formulae.  These can therefore be used as an independent
700 test set for validating equation~(\ref{eq-streamer-CD-estimate}).
701
702 Table~\ref{table-streamer-validation} presents the tested streamers
703 and their measured and estimated normalized drag coefficients.  The
704 results show relative errors in the range of 12--27\%.  While rather
705 high, they are considered a good result for estimating such a random
706 and dynamic process as a streamer.  Furthermore, due to the
707 proportionality to the square of the velocity, a 25\% error in the
708 normalized force coefficient translates to a 10--15\% error in the
709 rocket's descent velocity.  This still allows the rocket designer to
710 get a good estimate on how fast a rocket will descend with a
711 particular streamer.
712
713
714 \begin{figure}[p]
715 \centering
716 \parbox{70mm}{\centering
717 \epsfig{file=figures/experimental/streamerCDvsThickness2,width=70mm}
718 \\ (a)
719 }\parbox{70mm}{\centering
720 \epsfig{file=figures/experimental/streamerCDvsDensity2,width=70mm} \\ (b)}
721 \caption{The normalized drag coefficient of a streamer as a function
722   of (a) the material thickness and (b) the material surface density.}
723 \label{fig-streamer-material}
724 \end{figure}
725
726
727
728 \begin{table}[p]
729 \caption{Properties of the streamer materials experimented with.}
730 \label{table-streamer-materials}
731 \begin{center}
732 \begin{tabular}{ccc}
733 \hline
734 Material & Thickness / \um & Density / $\rm g/m^2$ \\
735 \hline
736 Polyethylene & 21 & 19 \\
737 Polyethylene & 22 & 10 \\
738 Polyethylene & 42 & 41 \\
739 Polyethylene & 86 & 80 \\
740 Cellophane   & 20 & 18 \\
741 Crêpe paper  & 110$\dagger$ & 24 \\
742 \hline
743 \end{tabular} \\
744 {\footnotesize $\dagger$ Dependent on the amount of pressure applied.}
745 \end{center}
746 \end{table}
747
748
749
750 \begin{table}[p]
751 \caption{Streamers used in validation and their results.}
752 \label{table-streamer-validation}
753 \begin{center}
754 \begin{tabular}{ccccccc}
755 \hline
756 Material & Width & Length & Density & Measured & Estimate & Error \\
757          & m     & m      & $\rm g/m^2$ &
758   \multicolumn{2}{c}{$10^{-3} (C_D\cdot\Aref)$} &  \\
759 \hline
760 Polyethylene & 0.07 & 0.21 & 21 & 0.99 & 1.26 & 27\% \\
761 Polyethylene & 0.07 & 0.49 & 41 & 1.81 & 2.23 & 23\% \\
762 Polyethylene & 0.08 & 0.24 & 10 & 0.89 & 1.12 & 26\% \\
763 Cellophane   & 0.06 & 0.70 & 20 & 1.78 & 1.49 & 17\% \\
764 Crêpe paper  & 0.06 & 0.50 & 24 & 1.27 & 1.43 & 12\% \\
765 \hline
766 \end{tabular}
767 \end{center}
768 \end{table}
769