create changelog entry
[debian/openrocket] / core / doc / techdoc / chapter-basics-of-model-rockets.tex
1
2
3 \chapter{Basics of model rocket flight}
4 \label{chap-basics}
5
6
7 As rockets and rocket motors come in a huge variety of shapes and
8 sizes, different categories are defined for different levels of
9 rocketry.  {\it Model rocketry} itself is governed by the NAR Model
10 Rocket Safety Code~\cite{nar-safety-code} in the U.S. and other
11 similar regulations in other countries.  The safety code requires that
12 the model rockets be constructed only of light-weight materials
13 without any metal structural parts, and have a maximum lift-off weight
14 of 1.5~kg.  They may only used pre-manufactured motors of classes A--G
15 (see Section~\ref{sec-motor-classes} for the classification).
16
17 {\it High power rocketry} (HPR) is basically scaled up model
18 rocketry.  There are no weight restrictions, and they can use
19 pre-manufactured solid or hybrid rocket motors in the range of H--O.
20 The combined total impulse of all motors may not exceed 81\s920~Ns.
21
22 {\it Experimental} or {\it amateur rocketry} includes any rocketry
23 activities beyond model and high power rocketry.  This may include
24 for example using motor combinations that exceed the limits placed by
25 high power rocketry, building self-made motors or utilizing liquid
26 fueled motors. Finally there is {\it professional rocketry} which is
27 conducted for profit, usually by governments or large corporations.
28
29 Even though rockets come in many different sizes, the same principles
30 apply to all of them.  In this thesis the emphasis will be on model
31 rocketry, but the results are just as valid for larger rockets as long
32 as the assumptions of for example the speed range remain valid.  In
33 this chapter the basics of model rocketry and differences to high
34 power rocketry are explained.
35
36
37 \section{Model rocket flight}
38
39 A typical flight of a model rocket can be characterized by the four
40 phases depicted in Figure~\ref{fig-model-flight}:
41 %
42 \begin{enumerate}
43 \item Launch:  The model rocket is launched from a vertical launch
44   guide.
45 \item Powered flight:  The motor accelerates the rocket during the
46   powered flight period.
47 \item Coasting flight:  The rocket coasts freely until approximately
48   at its apogee.
49 \item Recovery:  The recovery device opens and the rocket descends
50   slowly to the ground.
51 \end{enumerate}
52
53 \begin{figure}
54 \centering
55 \epsfig{file=figures/model-flight,scale=0.8}
56 \caption{The basic phases of a typical model rocket flight:
57   1.~Launch, 2.~Powered flight, 3.~Coasting and 4.~Recovery.}
58 \label{fig-model-flight}
59 \end{figure}
60
61 Model rockets are launched from a vertical launch guide that keeps the
62 rocket in an upright position until it has sufficient velocity for the
63 fins to aerodynamically stabilize the flight.  The NAR safety code
64 forbids launching a model rocket at an angle greater than 
65 $30^\circ$ from vertical.  A typical launch guide for small rockets is
66 a metal rod about 3-5~mm in diameter, and the launch lug is a short
67 piece of plastic tube glued to the body tube.  Especially in 
68 larger rockets this may be replaced by two extruding bolts, the ends
69 of which slide along a metal rail.  Use of a launch lug can be avoided
70 by a tower launcher, which has 3--4 metal bars around the rocket
71 that hold it in an upright position.
72
73 After clearing the launch guide, the rocket is in free, powered flight.
74 During this phase the motor accelerates the rocket while it is
75 aerodynamically stabilized to keep its vertical orientation.  When the
76 propellant has been used, the rocket is typically at its maximum
77 velocity.  It then coasts freely for a short period while the motor
78 produces smoke to help follow the rocket, but provides no
79 additional thrust.  Finally, at approximately the point of apogee, a
80 small pyrotechnical ejection charge is fired upwards from the motor
81 which pressurizes the model rocket and opens the recovery device.
82
83 High-power rocket motors usually have no ejection charges incorporated
84 in them.  Instead, the rocket carries a small flight computer that
85 measures the acceleration of the rocket or the outside pressure change
86 to detect the point of apogee and to open the recovery device.
87 Frequently only a small drogue parachute is opened at apogee, and the
88 main parachute is opened at some pre-defined lower altitude around
89 100--300 meters.
90
91 The typical recovery device of a model rocket is either a parachute or
92 a {\it streamer}.  The parachutes are usually a simple planar circle
93 of plastic or fabric with 4--10 shroud lines attached.  A streamer is
94 a strip of plastic or fabric connected to the rocket, intended to
95 flutter in the air and thus slow down the descent of the rocket.
96 Especially small rockets often use streamers as their recovery device,
97 since even light wind can cause a light-weight rocket with a
98 parachute to drift a significant distance.
99
100
101
102
103 \section{Rocket motor classification}
104 \label{sec-motors}
105 \label{sec-motor-classes}
106
107 The motors used in model and high power rocketry are categorized based
108 on their total impulse.  A class `A' motor may have a total impulse in
109 the range of 1.26--2.50~Ns.  Every consecutive class doubles the
110 allowed total impulse of the motor.  Thus, a B-motor can have an
111 impulse in the range 2.51--5.00~Ns and a C-motor in the range
112 5.01--10.0~Ns.  There are also classes \half A and \quarter A which
113 have impulse ranges half and one quarter of those of an A-motor,
114 respectively.  Commercial rocket motors are available up to
115 class~O with a total impulse of 30\s000~Ns~\cite{all-certified-motors}.
116 Table~\ref{tab-motor-classes} lists the impulse ranges for model
117 and high-power rocket motors. 
118
119 \begin{table}
120 \caption{Total impulse ranges for motor classes \quarter A--O.}
121 \label{tab-motor-classes}
122 \begin{center}
123 \begin{tabular}{cr@{--}l|cr@{--}l|cr@{--}l}
124 \hline
125 \quarter A & 0.0 & 0.625~Ns   & E & 20.01 & 40.0~Ns & K & 1280.01 & 2560~Ns \\
126 \half A & 0.626 & 1.25~Ns  & F & 40.01 & 80.0~Ns & L & 2560.01 & 5120~Ns \\
127 A    & 1.26 & 2.50~Ns   & G & 80.01 & 160~Ns  & M & 5120.01 & 10240~Ns \\
128 B    & 2.51 & 5.00~Ns   & H & 160.01 & 320~Ns   & N & 10240.01 & 20480~Ns \\
129 C    & 5.01 & 10.0~Ns   & I & 320.01 & 640~Ns   & O & 20480.01 & 40960~Ns \\
130 D    & 10.01 & 20.0~Ns  & J & 640.01 & 1280~Ns  &  \\
131 \hline
132 \end{tabular}
133 \end{center}
134 \end{table}
135
136 Another important parameter of a rocket motor is the thrust given by
137 the motor.  This defines the mass that may be lifted by the motor and
138 the acceleration achieved.  Small model rocket motors typically have
139 an average thrust of about 3--10~N, while high-power rocket motors can
140 have thrusts in excess of 5\s000~N.
141
142 The third parameter used to classify a model rocket motor is the
143 length of the delay between the motor burnout and the ignition of the
144 ejection charge.  Since the maximum velocity of different rockets
145 using the same type of motor can be vastly different, also the length
146 of the coasting phase varies.  Therefore motors with otherwise the
147 same specifications are often manufactured with several different
148 delay lengths.  These delay lengths do not apply to high-power rocket
149 motors, since they do not have ejections charges incorporated in them.
150
151 Model rocket motors are given a classification code based on these
152 three parameters, for example ``D7-3''.  The letter specifies the
153 total impulse range of the motor, while the first number specifies the
154 average thrust in Newtons and the second number the delay of the
155 ejection charge in seconds.  The delay number can also be replaced by
156 `P', which stands for {\it plugged}, \ie the motor does not have an
157 ejection charge.  Some manufacturers may also use an additional letter
158 at the end of the classification code specifying the
159 propellant type used in the motor.
160
161 Even motors with the same classification code may have slight
162 variations to them.  First, the classification only specifies the
163 impulse range of the motor, not the exact impulse.  In principle, a
164 D-motor in the lower end of the range might have a total impulse only
165 1~Ns larger than a C-motor in the upper end of its range.  Second,
166 the code only specifies the average thrust of the motor.  The thrust
167 rarely is constant, but varies with time.
168 Figure~\ref{fig-thrust-curve} shows the typical thrust curve of a
169 small black powder rocket motor.  The motors typically have a short
170 thrust peak at ignition that gives the rocket an initial acceleration
171 boost before stabilizing to a thrust level a little below the average
172 thrust.  Statically measured thrust curves of most commercial rocket
173 motors are readily available on the
174 Internet~\cite{thrust-curve-database}.
175
176 \begin{figure}
177 \centering
178 \epsfig{file=figures/motors/D12-thrustcurve,width=9cm}
179 \caption{A typical thrust curve of an Estes D12-3 rocket motor and
180   its average thrust.~\cite{D12-curve}}
181 \label{fig-thrust-curve}
182 \end{figure}
183
184 Also the propellant type may affect the characteristics of the motor.
185 Most model rocket motors are made up of a solid, pyrotechnical
186 propellant---typically black powder---that is cast into a suitable
187 shape and ignited on launch.  Since the propellant burns on its
188 surface, different thrust curves can be achieved by different mold
189 shapes.
190
191 % vesiraketit!
192
193 A significantly different motor type, {\it hybrid motors}, were
194 commercially introduced in 1995.  These motors typically include the
195 propellant and oxidizer in different states, typically a composite
196 plastic as the fuel and a separate tank of liquid nitrous oxide 
197 ($\rm N_2O$) as the oxidizer.  The plastic on its own does not 
198 burn very well, but provides ample thrust when the nitrous oxide is
199 fed through its core.  The nitrous oxide tank is
200 self-pressurized by its natural vapor pressure. However, since
201 temperature greatly affects the vapor pressure of nitrous oxide, the
202 thrust of a hybrid motor is also diminished if the oxidizer is cold.
203 On the other hand, the motor will burn longer in this case, and since
204 nitrous oxide is denser when cold, the motor may even yield a greater
205 total impulse.
206
207 The significance of this effect was observed when analyzing the video
208 footage of the launch of the first Finnish hybrid rocket,
209 ``Haisunäätä''~\cite{haisunaata-launch}.  The average thrust during the
210 first 0.5~seconds was determined to be only about 70~N, whereas the
211 static tests suggest the thrust should have been over 200~N.
212 Instead, the motor burned for over 10~seconds, while the normal thrust
213 curves indicate a burning time of 5--6~seconds.  This shows that the
214 temperature of the hybrid motor oxidizer can have a dramatic effect on
215 the thrust given by the motor, and the static test curve should be
216 assumed to be valid only in similar operating conditions as during the
217 test.
218
219 One further non-pyrotechnical rocket type is {\it water rockets}.
220 These are especially popular first rockets, as they require no special
221 permits and are easy to construct.  The water rocket includes a bottle
222 or other chamber that has water and pressurized air inside it.  On
223 launch the pressure forces the water out of a nozzle, providing thrust
224 to the rocket.  While simulating water rockets is beyond the scope of
225 this thesis, it is the aim that methods for modeling water rockets can
226 be added to the produced software in the future.
227
228
229
230 \section{Clustering and staging}
231
232 Two common methods used to achieve greater altitudes with model
233 rockets are {\it clustering} and {\it staging}.  A cluster has two or
234 more rocket motors burning concurrently, while staging uses motors
235 that burn consecutively.  The motor configuration of a cluster and
236 staged rocket is depicted in Figure~\ref{fig-cluster-stages}.
237
238 When a cluster is launched, the total thrust is the sum of the thrust
239 curves of the separate motors.  This allows greater acceleration and
240 a greater liftoff weight.  Staging is usually performed by using
241 zero-delay motors, that ignite the ejection charge immediately at
242 burnout.  The ejection charge fires towards the upper stage motor and
243 ignites the next motor.  High power motors with no ejection charges
244 can be clustered by using an onboard accelerometer or timer that
245 ignites the subsequent stages.  Staging provides a longer duration of
246 powered flight, thus increasing the altitude.
247
248
249 \begin{figure}
250 \centering
251 \parbox{65mm}{\centering
252 \epsfig{file=figures/motors/cluster,width=60mm} \\ (a)}
253 \hspace{10mm}
254 \parbox{40mm}{\centering
255 \epsfig{file=figures/motors/staged,width=30mm} \\ (b)}
256 \caption{The motor configuration for (a) a cluster rocket and (b) a
257   two-staged rocket.}
258 \label{fig-cluster-stages}
259 \end{figure}
260
261 Clustering provides a greater acceleration at launch, but staging
262 typically provides greater altitude than a cluster with similar
263 motors.  This is because a clustered rocket accelerates quickly to a
264 greater speed thus also increasing the aerodynamic drag.  A staged
265 rocket has a smaller thrust for a longer period of time, which reduces
266 the overall effect of drag during the flight.
267
268
269 \section{Stability of a rocket}
270 \label{sec-stability}
271
272 When designing a new rocket, its stability is of paramount
273 importance.  A small gust of wind or some other disturbance may cause
274 the rocket to tilt slightly from its current orientation.  When this
275 occurs, the rocket centerline is no longer parallel to the
276 velocity of the rocket.  This condition is called flying at an 
277 {\it angle of attack $\alpha$}, where $\alpha$ is the angle between
278 the rocket centerline and the velocity vector.
279
280 When a stable rocket flies at an angle of attack, its fins produce a
281 moment to correct the rocket's flight.  The corrective moment is
282 produced by the aerodynamic forces perpendicular to the axis of the
283 rocket.  Each component of the rocket can be seen as producing a
284 separate normal force component originating from the component's CP,
285 as depicted in Figure~\ref{fig-normal-forces}.
286
287 \begin{figure}
288 \centering
289 \epsfig{file=figures/aerodynamics/component-normal-forces,width=130mm}
290 \caption{Normal forces produced by the rocket components.}
291 \label{fig-normal-forces}
292 \end{figure}
293
294 The effect of the separate normal forces can be combined into a single
295 force, the magnitude of which is the sum of the separate forces and
296 which effects the same moment as the separate forces.  The point on
297 which the total force acts is defined as the center of pressure or the
298 rocket.  As
299 can be seen from Figure~\ref{fig-normal-forces}, the moment produced
300 attempts to correct the rocket's flight only if the CP is located aft
301 of the CG. If this condition holds, the rocket is said to be 
302 {\it statically stable}.  A statically stable rocket always produces a
303 corrective moment when flying at a small angle of attack.  
304
305 The argument for static stability above may fail in two conditions:
306 First, the normal forces might cancel each other out exactly, in which
307 case a moment would be produced but with zero total force.  Second,
308 the normal force at the CP might be in the wrong direction (downward
309 in the figure), yielding an uncorrective moment.  However, we shall
310 see that the only component to produce a downward force is a boattail,
311 and the force is equivalent to the corresponding broadening of the
312 body.  Therefore the total force acting on the rocket cannot be zero
313 nor in a direction to produce an uncorrective moment when aft of the
314 CG.
315
316 The {\it stability margin} of a rocket is defined as the distance between
317 the CP and CG, measured in {\it calibers}, where one caliber is the
318 maximum body diameter of the rocket.  A rule of thumb among model
319 rocketeers is that the CP should be approximately 1--2 calibers aft of
320 the CG.  However, the CP of a rocket typically moves upwards as the
321 angle of attack increases.  In some cases, a 1--2 caliber stability
322 margin may totally disappear at an angle of attack of only a few
323 degrees.  As side wind is the primary cause of angles of attack, this
324 effect is called 
325 {\it wind caused instability}~\cite{galejs}.
326
327 Another stability issue concerning rocketeers is the
328 {\it dynamic stability} of a rocket.  A rocket that is statically
329 stable may still be poor at returning the rocket to the original
330 orientation quickly enough.  Model rockets may encounter several types of
331 dynamic instability depending on their shape, size and
332 mass~\cite[pp.~140--141]{stine}:
333 %
334 \begin{enumerate}
335 \item {\it Too little oscillation damping.}  In short, light-weight
336   rockets the corrective moment may significantly over-correct the
337   perturbation, requiring a corrective moment in the opposite
338   direction.  This may lead to continuous oscillation during the
339   flight.
340 \item {\it Too small corrective moment.}  This is the case of over-damped
341   oscillation, where the corrective moment is too small compared to
342   the moment of inertia of the rocket.  Before the rocket has been
343   able to correct its orientation, the thrust of the motors may have
344   already significantly affected the direction of flight.
345 \item {\it Roll-pitch coupling.}  If the model has a natural roll
346   frequency (caused \eg by canting the fins) close to the oscillation
347   frequency of the rocket, roll-pitch resonance may occur and cause
348   the model to go unstable.
349 \end{enumerate}
350
351 By definition, dynamic stability issues are such that they occur over
352 time during the flight of the rocket.  A full flight simulation that
353 takes into account all corrective moments automatically also simulates
354 the possible dynamic stability problems.  Therefore the dynamic
355 stability of rockets will not be further considered in this
356 thesis. For an analytical consideration of the problem, refer to
357 \cite{advanced-model-rocketry}.
358
359
360