create changelog entry
[debian/openrocket] / core / doc / techdoc / chapter-experimental.tex
1
2 \chapter{Comparison with experimental data}
3 \label{chap-experimental}
4
5 In order to validate the results produced by the software, several
6 test flights were made and compared to the results simulated by the
7 software.  In addition to the software produced, the same simulations
8 were performed in the current {\it de facto} standard model rocket simulator
9 RockSim~\cite{rocksim}.  The software used was the free demonstration
10 version of RockSim version 8.0.1f9.  This is the latest demo version
11 of the software available at the time of writing.  The RockSim site
12 states that the demo version is totally equivalent to the normal
13 version except that it can only be used a limited time and it does not
14 simulate the rocket's descent after apogee.
15
16 Comparisons were performed using both a typical model rocket design,
17 presented in Section~\ref{sec-comparison-small}, and a large hybrid
18 rocket, Section~\ref{sec-comparison-large}.  A small model with
19 canted fins was also constructed and flown to test the roll
20 simulation, presented in Section~\ref{sec-comparison-roll}.  Finally
21 in Section~\ref{sec-comparison-windtunnel} some of the the aerodynamic
22 properties calculated by the software are compared to actual
23 measurements performed in a wind tunnel.
24
25
26
27
28 \section{Comparison with a small model rocket}
29 \label{sec-comparison-small}
30
31 For purposes of gathering experimental flight data, a small model
32 rocket representing the size and characteristics of a typical model
33 rocket was constructed and flown in various configurations.  The
34 rocket model was 56~cm long with a body diameter of 29~mm.  The nose
35 cone was a 10~cm long tangent ogive, and the fins simple trapezoidal
36 fins.  The entire rocket was painted using an airbrush but not
37 finished otherwise and the fin profiles were left rectangular, so as
38 to represent a typical non-competition model rocket.  The velocity of
39 the rocket remained below 0.2~Mach during the entire flight.
40
41 In the payload section of the rocket was included an Alt15K/WD Rev2
42 altimeter from PerfectFlite~\cite{perfectflite}.  The altimeter
43 measures the altitude of the rocket based on atmospheric pressure
44 changes ten times per second. The manufacturer states the accuracy of
45 the altimeter to be $\pm (0.25\% + \rm 0.6~m)$.  The altimeter logs
46 the flight data, which can later be retrieved to a computer for
47 further analysis. 
48
49 Four holes, each 1~mm in diameter were drilled evenly around the
50 payload body to allow the ambient air pressure to reach the pressure
51 sensor, as per the manufacturer's instructions.  The rocket was
52 launched from a 1~m high tower launcher, which removed the need for
53 any launch lugs.  Figure~\ref{fig-rocket-picture} presents a
54 picture of the test rocket and the tower launcher.
55
56
57 \begin{figure}
58 \centering
59 \parbox{75mm}{\centering  % width 7.4cm
60 \epsfig{file=figures/pix/rocket-tower,height=11cm} \\ (a)}
61 \hspace{10mm}
62 \parbox{35mm}{\centering  % width 3.4cm
63 \epsfig{file=figures/pix/rocket-closeup,height=11cm} \\ (b)}
64 %
65 \caption{The test rocket awaiting launch on the tower launcher (a) and
66   a close-up of its ventilation holes (b).}
67 \label{fig-rocket-picture}
68 \end{figure}
69
70
71 A design of the same rocket was created in both OpenRocket and
72 RockSim.  During construction of the rocket each component was
73 individually weighed and the weight of the corresponding component
74 was overridden in the software for maximum accuracy.  Finally, the 
75 mass and CG position of the entire rocket was overridden with measured
76 values.
77
78 One aspect of the rocket that could not be measured was the average
79 surface roughness.  In the OpenRocket design the ``regular paint''
80 finish was selected, which corresponds to an average surface roughness
81 of 60~\textmu m.  From the available options of ``polished'',
82 ``gloss'', ``matt'' and ``unfinished'' in RockSim, the ``matt'' option
83 was estimated to best describe the rocket; the corresponding
84 average surface roughness is unknown.
85
86 The rocket was flown using motors manufactured by WECO Feuerwerk
87 (previously Sachsen Feuerwerk)~\cite{weco-feuerwerk}, which correspond
88 largely to the motors produced by Estes~\cite{estes}.  The only source
89 available for the thrust curves of Sachsen Feuerwerk motors was a
90 German rocketry store~\cite{sf-thrustcurves}, the original source of
91 the measurements are unknown.  The thrust curve for the C6-3 motor is
92 quite similar to the corresponding Estes motor, and has a total impulse
93 of 7.5~Ns.  However, the thrust curve for the B4-4 motor yields a
94 total impulse of 5.3~Ns, which would make it a C-class motor, while
95 the corresponding Estes motor has an impulse of only 4.3~Ns.  Both
96 OpenRocket and RockSim simulated the flight of the rocket using the
97 SF B4-4 motor over 60\% higher than the apogee of the experimental
98 results.  It is likely that the thrust curve of the SF B4-4 is wrong,
99 and therefore the Estes B4-4 motor was used in the simulations in its
100 stead.
101
102
103 \begin{table}
104 \caption{Apogee altitude of simulated and experimental flights with
105   B4-4 and C6-3 motors.}
106 \label{tab-flight-results}
107 \begin{center}
108 \begin{tabular}{ccccc}
109              & \multicolumn{2}{c}{B4-4} & \multicolumn{2}{c}{C6-3} \\
110 \hline
111 Experimental~~~~ & 64.0 m &       & 151.5 m &       \\
112 OpenRocket~~~~   & 74.4 m & +16\% & 161.4 m & +7\%  \\
113 RockSim~~~~      & 79.1 m & +24\% & 180.1 m & +19\% \\
114 \hline
115 \end{tabular}
116 \end{center}
117 \end{table}
118
119
120 Figure~\ref{fig-flight-B4} shows the experimental and simulated
121 results for the flight using a B4-4 motor (simulations using an Estes
122 motor) and figure~\ref{fig-flight-C6} using a C6-3 motor.  The RockSim
123 simulations are truncated at apogee due to limitations of the
124 demonstration version of the software.  A summary of the apogee
125 altitudes is presented in Table~\ref{tab-flight-results}.  
126
127 Both simulations produce a bit too optimistic results. OpenRocket
128 yielded altitudes 16\% and 7\% too high for the B4-4 and C6-3 motors,
129 respectively, while RockSim had errors of 24\% and 19\%.  The C6-3
130 flight is considered to be more accurate due to the ambiguity of the
131 B4-4 thrust curve.
132 %
133 Another feature that can be seen from the graphs is that the estimated
134 descent speed of the rocket is quite close to the actual descent
135 speed.  The error in the descent speeds are 7\% and 13\% respectively.
136
137
138 \begin{figure}[p]
139 \centering
140 \epsfig{file=figures/experimental/flight-B4-4,width=12cm}
141 \caption{Experimental and simulated flight using a B4-4 motor.}
142 \label{fig-flight-B4}
143 \end{figure}
144
145 \begin{figure}[p]
146 \centering
147 \epsfig{file=figures/experimental/flight-C6-3,width=12cm}
148 \caption{Experimental and simulated flight using a C6-3 motor.}
149 \label{fig-flight-C6}
150 \end{figure}
151
152
153 %       B4-4               C6-3
154 %Exp    64.0               151.5
155 %OR     74.4 +10.4 +16%    161.4 +9.9  +7%
156 %RS     79.1 +15.1 +24%    180.1 +28.6 +19%
157
158
159 The rocket was also launched with a launch lug 24~mm long and 5~mm in
160 diameter attached first to its mid-body and then next to its fins to
161 test the effect of a launch lug on the aerodynamic drag.  The apogee
162 altitudes of the tests were 147.2~m and 149.0~m, which correspond to
163 an altitude reduction of 2--3\%.  The OpenRocket simulation with such
164 a launch lug yielded results approximately 1.3\% less than without the
165 launch lug.
166
167
168
169
170 \section{Comparison with a hybrid rocket}
171 \label{sec-comparison-large}
172
173 The second comparison is with the Haisunäätä hybrid
174 rocket~\cite{haisunaata-launch}, which was launched in September 2008.
175 The rocket is a HyperLOC 835 model, with a length of 198~cm and a body
176 diameter of 10.2~cm.  The nose cone is a tangent ogive with a length
177 of 34~cm, and the kit includes three approximately trapezoidal fins.
178
179 The flight computer on board was a miniAlt/WD altimeter by
180 PerfectFlite~\cite{perfectflite}, with a stated accuracy of 
181 $\pm0.5\%$.  The flight computer calculates the altitude 20 times per
182 second based on the atmospheric pressure and stores the data into
183 memory for later analysis.
184
185 The rocket was modeled as accurately as possible with both OpenRocket
186 and RockSim, but the mass and CG of each component was computed by the
187 software.  Finally, the mass of the entire rocket excluding the motor
188 was overridden by the measured mass of the rocket.  The surface
189 roughness was estimated as the same as for the small rocket,
190 60~\textmu m in OpenRocket and ``matt'' for RockSim.
191
192 Figure~\ref{fig-flight-haisunaata} presents the true flight profile
193 and that of the simulations.  Both OpenRocket and RockSim estimate a
194 too low apogee altitude, with an error of 16\% and 12\%,
195 respectively.  As in the case of the small rocket model, RockSim
196 produces an estimate 5--10\% higher than OpenRocket.  It remains
197 unclear which software is more accurate in its estimates.
198
199 % Experimental 965m
200 % OpenRocket 814m
201 % RockSim  853m
202
203
204 One error factor also affecting this comparison is the use of a hybrid
205 rocket motor.  As noted in Section~\ref{sec-motors}, the vapor
206 pressure of the nitrous oxide is highly dependent on temperature,
207 which affects the thrust of the motor.  This may cause some variation
208 in the thrust between true flight and motor tests.
209
210 \begin{figure}[p]
211 \centering
212 \epsfig{file=figures/experimental/flight-haisunaata,width=12cm}
213 \caption{Experimental and simulated flight of a hybrid rocket.}
214 \label{fig-flight-haisunaata}
215 \end{figure}
216
217 \begin{figure}[p]
218 \centering
219 \epsfig{file=figures/experimental/flight-roll-rate,width=12cm}
220 \caption{Experimental and simulated roll rate results using a C6-3
221   motor.}
222 \label{fig-flight-roll}
223 \end{figure}
224
225
226
227 \section{Comparison with a rolling rocket}
228 \label{sec-comparison-roll}
229
230 In order to test the rolling moment computation, a second
231 configuration of the small model rocket, described in
232 Section~\ref{sec-comparison-small}, was built with canted fins.  The
233 design was identical to the previous one, but each fin was canted by
234 an angle of $5^\circ$.  In addition, the payload section contained a
235 magnetometer logger, built by Antti~J. Niskanen, that measured the
236 roll rate of the rocket.  The logger used two Honeywell HMC1051
237 magnetometer sensors to measure the Earth's magnetic field and store
238 the values at a rate of 100~Hz for later analysis.  The rocket was
239 launched from the tower launcher using a Sachsen Feuerwerk C6-3
240 motor.  Further test flights were not possible since the lower rocket
241 part was destroyed by a catastrophic motor failure on the second
242 launch.
243
244 After the flight, a spectrogram of the magnetometer data was generated
245 by dividing the data into largely overlapping segments of 0.4~seconds each,
246 windowed by a Hamming window, and computing the Fourier transform of
247 these segments.  For each segment the frequency with the largest power
248 density was chosen as the roll frequency at the midpoint of the
249 segment in time.  The resulting roll frequency as a function of time
250 is plotted in Figure~\ref{fig-flight-roll} with the corresponding
251 simulated roll frequency.
252
253
254 The simulated roll rate differs significantly from the experimental
255 roll rate.  During the flight the rocket peaked at a roll rate of 16
256 revolutions per second, while the simulation has only about half of
257 this.  The reason for the discrepancy is unknown and would need more
258 data to analyze.  However, after the test flight it was noticed that
259 the cardboard fins of the test rocket were slightly curved, which may
260 have a significant effect on the roll rate.  A more precise test rocket
261 with more rigid and straight fins would be needed for a more
262 definitive comparison.  Still, even at a cant angle of $7^\circ$ the
263 simulation produces a roll rate of only 12~r/s.
264
265 Even so, it is believed that including roll in the simulation allows
266 users to realistically analyze the effect of roll stabilization for
267 example in windy conditions.
268
269
270 \section{Comparison with wind tunnel data}
271 \label{sec-comparison-windtunnel}
272
273
274 Finally, the simulated results were compared with experimental wind
275 tunnel data.  The model that was analyzed by J.~Ferris in the
276 transonic region~\cite{experimental-transonic} and by C.~Babb and
277 D.~Fuller in the supersonic region~\cite{experimental-supersonic} is
278 representative of the Arcas Robin meteorological rocket that has been
279 used in high-altitude research activities.  The model is 104.1~cm long
280 with a body diameter of 5.72~cm.  It includes a 27~cm long tangent
281 ogive nose cone and a 4.6~cm long conical boattail at the rear end,
282 which reduces the diameter to 3.7~cm.  The rocket includes four
283 trapezoidal fins, the profiles of which are double-wedges.  For
284 details of the configuration, refer to~\cite{experimental-transonic}.
285
286 The design was replicated in OpenRocket as closely as possible,
287 given the current limitations of the software.  The most notable
288 difference is that an airfoil profile was selected for the fins
289 instead of the double-wedge that is not supported by OpenRocket.  The
290 aerodynamical properties were computed at the same Mach and Reynolds
291 numbers as the experimental data.
292
293
294 \begin{figure}[t]
295 \centering
296 \epsfig{file=figures/experimental/ca-vs-mach,width=11cm}
297 \caption{Experimental and simulated axial drag coefficient as a
298   function of Mach number.}
299 \label{fig-experimental-CA}
300 \end{figure}
301
302 The most important variables affecting the altitude reached by a
303 rocket are the drag coefficient and CP location.  The experimental and
304 simulated axial drag coefficient at zero angle-of-attack is presented
305 in Figure~\ref{fig-experimental-CA}.  The general shape of the
306 simulated drag coefficient follows the experimental results.  However,
307 a few aspects of the rocket break the assumptions made in the
308 computation methods.  First, the boattail at the end of the rocket
309 reduces the drag by guiding the air into the void left behind it,
310 while the simulation software only takes into account the reduction of
311 base area.  Second, the airfoil shape of the fins affects the drag
312 characteristic especially in the transonic region, where it produces
313 the slight reduction peak.  Finally, at higher supersonic speeds the
314 simulation produces less reliable results as expected, producing a too
315 high drag coefficient.  Overall, however, the drag coefficient matches
316 the experimental results with reasonable accuracy, and the results of
317 actual test flights shown in Sections~\ref{sec-comparison-small} and
318 \ref{sec-comparison-large} give credence to the drag coefficient
319 estimation.
320
321
322 \begin{figure}
323 \centering
324 \epsfig{file=figures/experimental/cp-vs-mach,width=12cm} \\
325 (a) \\
326 \epsfig{file=figures/experimental/cna-vs-mach,width=12cm} \\
327 (b)
328 \caption{Experimental and simulated center of pressure location (a)
329   and normal force coefficient derivative (b) as a function of Mach
330   number.}
331 \label{fig-experimental-CP-CNa}
332 \end{figure}
333
334 The CP location as a function of Mach number and the normal force
335 coefficient derivative \CNa\ are presented in
336 Figure~\ref{fig-experimental-CP-CNa}.  The 3\% error margins in the
337 transonic region were added due to difficulty in estimating the normal
338 force and pitch moment coefficient derivatives from the printed
339 graphs; in the supersonic region the CP location was provided
340 directly.  At subsonic speeds the CP location matches the experimental
341 results to within a few percent.  At higher supersonic speeds the
342 estimate is too pessimistic, and due to the interpolation this is
343 visible also in the transonic region.  However, the CP location is
344 quite reasonable up to about Mach~1.5.
345
346 The simulated normal force coefficient derivative is notably lower
347 than the experimental values.  The reason for this is unknown, since
348 in his thesis Barrowman obtained results accurate to about 6\%.  The
349 effect of the lower normal force coefficient on a flight simulation is
350 that the rocket corrects its orientation slightly slower than in
351 reality.  The effect on the flight altitude is considered to be small
352 for typical stable rockets.
353