git.gag.com Git - debian/openrocket/blob - core/doc/techdoc/techdoc.tex

   1 \documentclass[a4paper,12pt,oneside]{book}
   2 \usepackage[english]{babel}
   3 \usepackage[latin1]{inputenc}
   4 %\usepackage[T1]{fontenc}
   5
   6
   7 % invisible hyperlinks:
   8 \usepackage{hyperref}
   9
  10 \hypersetup{
  11   pdftitle={OpenRocket technical documentation},
  12   pdfauthor={Sampo Niskanen},
  13   pdfsubject={Technical documentation of the OpenRocket simulation software},
  14   pdfkeywords={OpenRocket, model rocket, rocketry, simulation, technical documentation},
  15   pdfpagemode=UseNone,
  16   colorlinks,
  17   linkcolor=black,
  18   filecolor=black,
  19   urlcolor=black,
  20   citecolor=black,
  21   breaklinks=true
  22 }
  23
  24 \usepackage{breakurl}
  25
  26 \usepackage{epsfig}
  27 \usepackage{commath}
  28 \usepackage{ar}
  29 \usepackage{amsmath}
  30 \usepackage{amssymb}
  31 \usepackage{textcomp}
  32 \usepackage{rotating}
  33 \usepackage{setspace}
  34
  35 \usepackage{array}
  36
  37
  38
  39
  40
  41 \setlength{\parindent}{0mm}
  42 \setlength{\parskip}{\baselineskip}
  43
  44 \newcommand{\ie}{{\it i.e.}\ }
  45 \newcommand{\eg}{{\it e.g.}\ }
  46
  47 \newcommand{\half}{\ensuremath{^1\!/\!_2}}
  48 \newcommand{\quarter}{\ensuremath{^1\!/\!_4}}
  49
  50 \newcommand{\CNa}{\ensuremath{{C_{N_\alpha}}}}
  51 \newcommand{\CNap}{\ensuremath{{C_{N_{\alpha'}}}}}
  52 \newcommand{\Cma}{\ensuremath{C_{m_\alpha}}}
  53 \newcommand{\Aref}{\ensuremath{A_{\rm ref}}}
  54 \newcommand{\Afin}{\ensuremath{A_{\rm fin}}}
  55 \newcommand{\Abase}{\ensuremath{A_{\rm base}}}
  56 \newcommand{\um}{\textmu m}
  57
  58 \newcommand{\vect}[1]{\boldsymbol{#1}}
  59 \newcommand{\vi}{\mathbf{i}}
  60 \newcommand{\vj}{\mathbf{j}}
  61 \newcommand{\vk}{\mathbf{k}}
  62
  63 % A space suitable delimiting numbers as  100\s000 for '100 000'
  64 \newcommand{\s}{\nolinebreak\hspace{0.5mm}\nolinebreak}
  65
  66 \newlength{\numwidth}
  67 \settowidth{\numwidth}{0}
  68 \newcommand{\num}{\hspace{\numwidth}}
  69
  70 \newcommand{\code}[1]{{\tt #1}}
  71
  72
  73
  74
  75
  76 %\setlength{\oddsidemargin}{0in}
  77 %\setlength{\evensidemargin}{0in}
  78 %\setlength{\textwidth}{6.25in}
  79 %\setlength{\topmargin}{-10mm}
  80 %\setlength{\textheight}{9.5in}
  81
  82 \begin{document}
  83
  84 \pagenumbering{roman}
  85
  86
  87 %%%%%%%%  Title page
  88
  89 \thispagestyle{empty}
  90
  91 \mbox{}
  92 \vfill
  93 \begin{center}
  94 {\LARGE\bf OpenRocket technical documentation}
  95
  96 {\large For OpenRocket version 1.1.6}
  97
  98 \vspace{-3mm}
  99 2011-07-18
 100
 101 \vspace{10mm}
 102 {\Large Sampo Niskanen}
 103
 104
 105 \vspace{80mm}
 106 Based on the Master's thesis \cite{thesis}
 107
 108 \vspace{-1mm}
 109 \mbox{\hspace{-6pt}
 110 \large\it Development of an Open Source model rocket simulation software}
 111
 112 \end{center}
 113
 114 \vfill
 115
 116
 117 \clearpage
 118 \thispagestyle{empty}
 119
 120 \mbox{}
 121 \vfill
 122
 123 \begin{center}
 124 {\Large\bf Thesis or technical documentation?}
 125 \end{center}
 126
 127 The OpenRocket simulation software was originally developed as the
 128 Master's thesis project of Sampo Niskanen, including its written
 129 part
 130 {\it ``Development of an Open Source model rocket simulation software''}
 131 \cite{thesis}.  The thesis is used as the basis of this technical
 132 documentation, which is updated to account for later development in the
 133 software.  This document often still refers to itself as a thesis, as
 134 no systematic updating of this fact has yet been performed.
 135
 136 While the original thesis is available online under a Creative Commons
 137 no-derivatives license, this document is available under a freer
 138 share-alike license.
 139
 140 The latest version of the technical documentation is available on the
 141 OpenRocket website, \url{http://openrocket.sourceforge.net/}.
 142
 143 \vspace{10mm}
 144
 145 \begin{center}
 146 {\Large\bf Version history}
 147 \end{center}
 148
 149 \begin{center}
 150 \begin{tabular}{lp{120mm}}
 151 2010-04-06 & Initial revision.  Updates the roll angle effect on three- and
 152 four-fin configurations in Section~\ref{update-roll-angle}.
 153 (OpenRocket software 1.0.0) \\
 154 2011-07-18 & Updated Chapter~\ref{chap-software} for updates in the
 155 software.  (OpenRocket software 1.1.6) \\
 156 \end{tabular}
 157 \end{center}
 158
 159 \vfill
 160
 161
 162
 163 %%%%%  Quotation
 164
 165
 166 \clearpage
 167 \thispagestyle{empty}
 168
 169 \mbox{}
 170 \vfill
 171 {\it ``No. Coal mining may be your life, but it's not mine. I'm never
 172   going down there again. I wanna go into space.''}
 173 \vspace{5mm}
 174
 175 \hspace{10mm}\parbox{130mm}{
 176 Amateur rocketeer Homer Hickam, Jr. in the movie October Sky (1999), based
 177 on a true story.\\
 178
 179 Hickam later became an engineer at NASA, working in spacecraft design
 180 and crew training.}
 181 \vfill
 182
 183
 184
 185 %%%%%%%%
 186
 187
 188 \tableofcontents
 189
 190 %\listoffigures
 191 %
 192 %\listoftables
 193
 194 \newpage
 195 \section*{List of symbols and abbreviations}
 196
 197 {\bf Symbols}
 198 \nopagebreak
 199
 200 \begin{tabular}{p{20mm}p{105mm}}
 201
 202 $A$           & Area \\
 203 \Afin         & Area of one fin \\
 204 $A_{\rm plan}$& Planform area \\
 205 \Aref         & Reference area \\
 206 $A_{\rm wet}$ & Wetted area \\
 207 $\AR$         & Aspect ratio of a fin, $2s^2/\Afin$ \\
 208 $c$           & Speed of sound \\
 209 $\bar c$      & Mean aerodynamic chord length of a fin \\
 210 $c(y)$        & Chord length of a fin at spanwise position $y$ \\
 211
 212 $C_A$         & Axial drag force coefficient \\
 213 $C_D$         & Drag force coefficient \\
 214 $C_f$         & Skin friction drag coefficient \\
 215 $C_l$         & Roll moment coefficient \\
 216 $C_{ld}$      & Roll damping moment coefficient \\
 217 $C_{lf}$      & Roll forcing moment coefficient \\
 218
 219 $C_m$         & Pitch moment coefficient \\
 220 \Cma          & Pitch moment coefficient derivative,
 221                 $\frac{\partial C_m}{\partial \alpha}$ \\
 222
 223 $C_N$         & Normal force coefficient \\
 224 \CNa          & Normal force coefficient derivative,
 225                 $\frac{\partial C_N}{\partial \alpha}$ \\
 226
 227 $d$           & Reference length, the rocket diameter \\
 228 $D$           & Drag force \\
 229 $f_B$         & Rocket fineness ratio, $L/d$ \\
 230 $L$           & The rocket length \\
 231 $m$           & Pitch moment \\
 232 $M$           & Mach number \\
 233 $N$           & Normal force; Number of fins \\
 234 $p$           & Air pressure \\
 235 $r(x)$        & Body or component radius at position $x$ \\
 236 $R$           & Reynolds number \\
 237 $s$           & Spanwise length of one fin \\
 238 $T$           & Air temperature \\
 239 $V$           & Volume \\
 240 $v_0$         & Free-stream velocity \\
 241 $x$, $X$      & Position along the rocket centerline \\
 242 $y$           & Spanwise position \\
 243 \end{tabular}
 244
 245 \begin{tabular}{p{20mm}p{105mm}}
 246 $\alpha$      & Angle of attack \\
 247 $\beta$       & $\sqrt{|M^2-1|}$ \\
 248 $\gamma$      & Specific heat ratio, for air $\gamma=1.4$ \\
 249 $\Gamma_c$    & Fin midchord sweep angle \\
 250 $\delta$      & Fin cant angle \\
 251 $\eta$        & Airflow inclination angle over a fin \\
 252 $\theta$      & Roll angle \\
 253 $\Lambda$     & Dihedral angle between a fin and the direction of airflow \\
 254 $\nu$         & Kinematic viscosity of air \\
 255 $\xi$         & Distance from rotation axis \\
 256 $\rho$        & Density of air \\
 257 $\omega$      & Angular velocity \\
 258
 259 \end{tabular}
 260
 261 \vspace{10mm}
 262 {\bf Abbreviations}
 263 \nopagebreak
 264
 265 \begin{tabular}{p{20mm}p{105mm}}
 266 CFD & Computational fluid dynamics \\
 267 CG  & Center of gravity \\
 268 CP  & Center of pressure \\
 269 LE  & Leading edge \\
 270 MAC & Mean aerodynamic chord \\
 271 RK4 & Runge-Kutta 4 integration method \\
 272 UI  & User interface \\
 273 \end{tabular}
 274
 275
 276
 277
 278 \pagebreak
 279 \pagenumbering{arabic}
 280 \setcounter{page}{1}
 281
 282 \include{chapter-introduction}
 283 \include{chapter-basics-of-model-rockets}
 284 \include{chapter-aerodynamic-properties}
 285 \include{chapter-flight-simulation}
 286 \include{chapter-software}
 287 \include{chapter-experimental}
 288 \include{chapter-conclusion}
 289
 290
 291 \clearpage
 292 \vspace*{1cm}
 293 \section*{Acknowledgments}
 294
 295 I would like to express my deepest gratitude to M.Sc.~Timo Sailaranta
 296 for his invaluable advice and consultation on the aerodynamic
 297 simulation of rockets.  Without his input the creation of the
 298 OpenRocket software and Master's thesis would have been exceedingly
 299 laborious.  I would also like to thank Prof.~Rolf Stenberg for
 300 supervising the writing of the Master's thesis.
 301
 302 I am also deeply grateful for my parents Jouni and Riitta, my entire
 303 family, friends and teachers, who have always encouraged me onwards in
 304 my life and studies.  Above all I would like to thank my brother,
 305 Antti~J. Niskanen, for being an inspiration throughout my life and
 306 also for building the magnetometer logger used in the experimental
 307 flights; and my wife Merli Lahtinen, for her patience and loving
 308 understanding for my passion towards rocketry.
 309
 310
 311
 312
 313 \begin{thebibliography}{99}
 314
 315 \bibitem{thesis} Niskanen, S., {\it Development of an Open Source
 316   model rocket simulation software}, M.Sc. thesis, Helsinki University
 317   of Technology, 2009.  Available at
 318   \url{http://openrocket.sourceforge.net/documentation.html}.
 319
 320 \bibitem{stine} Stine, H., Stine, B., {\it Handbook of Model
 321   Rocketry}, 7th edition, Wiley, 2004.
 322
 323 \bibitem{barrowman-rd} Barrowman, J., Barrowman, J., The
 324   theoretical prediction of the center of pressure, {\it National
 325   Association of Rocketry Annual Meet 8}, 1966.  Available at
 326 \url{http://www.apogeerockets.com/Education/downloads/barrowman_report.pdf},
 327   retrieved 14.5.2009.
 328
 329 \bibitem{barrowman-thesis} Barrowman, J., {\it The practical
 330   calculation of the aerodynamic characteristics of slender finned
 331   vehicles}, M.Sc. thesis, The Catholic University of America, 1967.
 332
 333 \bibitem{rocksim} van Milligan, T., RockSim Model Rocket Design and
 334   Simulation Software, \url{http://www.apogeerockets.com/RockSim.asp},
 335   retrieved 14.5.2009.
 336
 337 \bibitem{oss-principles} Coar, K., The Open Source Definition
 338   (Annotated), \url{http://www.opensource.org/docs/definition.php},
 339   retrieved 14.5.2009.
 340
 341 \bibitem{openrocket} Niskanen, S., The OpenRocket web-site,
 342   \url{http://openrocket.sourceforge.net/}, retrieved 25.5.2009.
 343
 344 \bibitem{nar-safety-code} Anon., Model Rocket Safety Code,
 345   \url{http://www.nar.org/NARmrsc.html}, retrieved 14.5.2009.
 346
 347 \bibitem{all-certified-motors} Anon., Combined CAR/NAR/TRA Certified
 348   Rocket Motors List,
 349   \url{http://www.nar.org/SandT/pdf/CombinedList.pdf}, retrieved 14.5.2009.
 350
 351 \bibitem{thrust-curve-database} Coker, J., ThrustCurve Hobby Rocket
 352   Motor Data, \url{http://www.thrustcurve.org/}, retrieved 14.5.2009.
 353
 354 \bibitem{D12-curve} Kane, J., Estes D12,
 355   \url{http://www.nar.org/SandT/pdf/Estes/D12.pdf}, retrieved 14.5.2009.
 356
 357 \bibitem{haisunaata-launch} Puhakka, A., Haisunäätä---suomalainen
 358   hybridirakettiprojekti (in Finnish),
 359   \url{http://haisunaata.avaruuteen.fi/}, retrieved 14.5.2009.
 360
 361 \bibitem{galejs} Galejs, R., Wind instability---What Barrowman left
 362   out,
 363   \url{http://projetosulfos.if.sc.usp.br/artigos/sentinel39-galejs.pdf},
 364   retrieved 14.5.2009.
 365
 366 \bibitem{advanced-model-rocketry} Mandell, G., Caporaso, G., Bengen,
 367   W., {\it Topics in Advanced Model Rocketry}, MIT Press, 1973.
 368
 369 \bibitem{hoerner} Hoerner, S., {\it Fluid-dynamic drag}, published by
 370   the author, 1965.
 371 % FLUID-DYNAMIC DRAG
 372 % Practical Information on AERODYNAMICDRAG and HYDRODYNAMIC RESISTANCE
 373 % Sighard F. Hoerner (Dr.-Ing.)
 374 % Published by the Author 1958
 375 %
 376 % Chap II - Skin-friction drag
 377 %   laminaarinen, turbulentti, ym.
 378 % Chap III - Pressure drag
 379 %   forebudy pressure drag for different shapes
 380 %   Base drag C_DB = 0.029/sqrt(C_fB)  forebody-drag coefficient C_fB
 381 % Chap V - Drag of surface imperfections
 382 %   Drag due to surface roughtness
 383 %   Critical roughness
 384 %   Page 5-8, Drag of Individual Protuberances
 385 %     neliskanttinen pala, pituus < korkeus -> CD=1.20
 386 %                          pituus > 2*kork  -> CD=0.74
 387 %                     suhteutettu etupinta-alaan
 388 %     From ref. Tillmann, Rpt KW Inst. Göttingen, Dec 1944
 389 % Chap VII - Drag due to lift
 390 % Chap VIII - Interference drag
 391 %   Pairs of bodies
 392 % Chap X - Hydrodynamic drag
 393 %   sivu 10-3, siivekkeiden profiilimuotoja!!!
 394 % Chap XIII - Drag of airplane components and accessories
 395 %   Drag of external loads
 396 %   Parachutes
 397 % Chap XV-XVII - subsonic, transsonic, supersonic
 398
 399 \bibitem{barrowman-elliptical-fins} Barrowman, J., Elliptical Fin
 400   C.P. Equations, {\it Model Rocketry} (Nov 1970).  Available at
 401   \url{http://www.argoshpr.ch/articles/pdf/EllipticalCP.jpg},
 402   retrieved 14.5.2009.
 403
 404 \bibitem{appl-comp-aero-fins} Mason, W., Applied Computational
 405   Aerodynamics,
 406   \url{http://www.aoe.vt.edu/~mason/Mason_f/CAtxtTop.html},
 407   {\bf pp. A-27--A-28}, retrieved 14.5.2009.
 408
 409 \bibitem{fleeman} Fleeman, E., {\it Tactical missile design}, 2nd
 410   edition, p.~33, AIAA, 2006.
 411
 412 \bibitem{diederich} Diederich, F., {\it A plan-form parameter for
 413  correlating certain aerodynamic characteristics of swept ings},
 414  NACA-TN-2335, 1951.
 415
 416 \bibitem{barrowman-fin} Barrowman, J., {\it FIN A computer program for
 417   calculating the aerodynamic characteristics of fins at supersonic
 418   speeds}, {\it NASA-TM X-55523}, 1966.
 419
 420 \bibitem{pettis} Pettis, W., {\it Aerodynamic Characteristics of
 421   Multiple Fins of Rectangular Planform on a Body of Revolution at
 422   Mach Numbers of 1.48 to 2.22}, RD-TM-67-5, US Army Missile
 423   Command, 1967.
 424
 425 \bibitem{experimental-transonic} Ferris, J., {\it Static stability
 426   investigation of a single- stage sounding rocket at Mach numbers
 427   from 0.60 to 1.20}, NASA-TN-D-4013, 1967.
 428
 429 \bibitem{triform-fin-data} Monta, W., {\it Aerodynamic
 430   characteristics at mach numbers from 1.60 to 2.16 of a blunt-nose
 431   missile model having a triangular cross section and fixed triform
 432   fins}, NASA-TM-X-2340, 1971.
 433
 434 \bibitem{MIL-HDBK} Anon., {\it Design of aerodynamically stabilized
 435   free rockets}, MIL-HDBK-762, US Army Missile Command, 1990.
 436
 437 \bibitem{handbook-supersonic-aerodynamics} Anon., {\it Handbook of
 438   supersonic aerodynamics, Section 8, Bodies of revolution},
 439   NAVWEPS REPORT 1488, 1961.
 440
 441 \bibitem{second-order-shock-expansion-method} Syverston, C., Dennis,
 442   D., {\it A second-order shock-expansion method applicable to bodies
 443   of revolution near zero lift}, NACA-TR-1328, 1957.
 444
 445 \bibitem{international-standard-atmosphere} Anon., {\it Standard
 446   Atmosphere}, ISO~2533:1975, International Organization for
 447   Standardization, 1975.
 448
 449 \bibitem{US-standard-atmosphere} Anon., {\it U.S. Standard Atmosphere
 450   1976}, NASA-TM-X-74335; NOAA-S/T-76-1562, 1976.
 451
 452 \bibitem{wiki-ISA-layers}  Anon., International Standard Atmosphere,
 453   \url{http://en.wikipedia.org/wiki/International_Standard_Atmosphere},
 454   retrieved 14.5.2009.
 455
 456 \bibitem{wind-energy-handbook} Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N.,
 457   Bossanyi, E., {\it Wind Energy Handbook}, Wiley, 2001.
 458
 459 \bibitem{pink-filter}  Kasdin, J., Discrete Simulation of Colored
 460   Noise and Stochastic Processes and $1/f^\alpha$ Power Law Noise
 461   Generation, {\it Proceedings of the IEEE}, {\bf 83}, No.~5 (1995),
 462   p. 822.
 463
 464 \bibitem{wiki-euler-angles} Anon., Euler angles,
 465   \url{http://en.wikipedia.org/wiki/Euler_angles}, retrieved 14.5.2009.
 466
 467 \bibitem{wiki-euler-rotation-theorem} Anon., Euler's rotation theorem,
 468   \url{http://en.wikipedia.org/wiki/Euler's_rotation_theorem},
 469   retrieved 14.5.2009.
 470
 471 \bibitem{wiki-quaternion-rotations} Anon., Quaternions and spatial
 472   rotation,
 473   \url{http://en.wikipedia.org/wiki/Quaternions_and_spatial_rotation},
 474   retrieved 14.5.2009.
 475
 476 \bibitem{wiki-moments-of-inertia} Anon., List of moments of inertia,
 477   \url{http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_moments_of_inertia},
 478   retrieved 14.5.2009.
 479
 480 \bibitem{pollux-wind-tunnel} Niskanen, S., Polluxin tuulitunneli (in
 481   Finnish), \url{http://pollux.tky.fi/tuulitunneli.html}, retrieved 14.5.2009.
 482
 483 \bibitem{gnu-gpl} Anon., GNU General Public License, Version 3,
 484   \url{http://www.gnu.org/copyleft/gpl.html}, retrieved 14.5.2009.
 485
 486 \bibitem{java-packages} Anon., Java Language Specification, Chaper 7,
 487   Packages,
 488  \url{http://java.sun.com/docs/books/jls/third_edition/html/packages.html#7.7},
 489   retrieved 14.5.2009.
 490
 491 \bibitem{GZIP} Deutsch, P., {\it GZIP file format specification
 492   version 4.3}, RFC~1952, \url{http://www.ietf.org/rfc/rfc1952.txt},
 493   1996.  Retrieved on 14.5.2009.
 494
 495 \bibitem{perfectflite} Anon., Affordable instrumentation for (sm)all
 496   rockets, \url{http://www.perfectflite.com/}, retrieved 14.5.2009.
 497
 498 \bibitem{weco-feuerwerk} Anon., WECO Feuerwerk,
 499   \url{http://www.weco-feuerwerk.de/}, retrieved 14.5.2009.
 500
 501 \bibitem{estes} Anon., Estesrockets.com,
 502   \url{http://www.estesrockets.com/}, retrieved 14.5.2009.
 503
 504 \bibitem{sf-thrustcurves} Anon., Schubdiagramme SF,
 505   \url{http://www.raketenmodellbautechnik.de/produkte/Motoren/SF-Motoren.pdf},
 506   14.5.2009.
 507
 508 \bibitem{experimental-supersonic} Babb, C., Fuller, D., {\it Static
 509   stability investigation of a sounding-rocket vehicle at Mach numbers
 510   from 1.50 to 4.63}, NASA-TN-D-4014, 1967.
 511
 512 \bibitem{nosecone-cd-data} Stoney, W., {\it Collection of Zero-Lift
 513   Drag Data on Bodies of Revolution from Free-Flight Investigations},
 514   NASA-TR-R-100, 1961.
 515
 516 \bibitem{streamer-optimization} Kidwell, C., Streamer Duration
 517   Optimization: Material and Length-to-Width Ratio, {\it National
 518   Association of Rocketry Annual Meet 43}, 2001.  Available at
 519   \url{http://www.narhams.org/library/rnd/StreamerDuration.pdf},
 520   retrieved 14.5.2009.
 521
 522 \end{thebibliography}
 523
 524
 525
 526
 527 \appendix
 528
 529 \include{chapter-appendices}
 530
 531
 532
 533
 534 \end{document}