[AR] Re: Dynamic stability in supersonic rockets

  • From: "crogers168" <dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx> ("crogers168")
  • To: "anthony@xxxxxxxxxxx" <anthony@xxxxxxxxxxx>, "arocket@xxxxxxxxxxxxx" <arocket@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Wed, 17 Nov 2021 17:05:48 +0000 (UTC)

Anthony:
Jet damping is included in the RASAero II software.
For others jet damping is the mdot V term where the fact the motor is thrusting 
damps the oscillation of the rocket, the higher the thrust the higher the 
damping.  So there is not just the Cmq aerodynamic pitch damping coefficient, 
there is the pitch damping from the thrust of the rocket motor (kind of the 
thrust analog for Cmq).
The original source is "The Exterior Ballistics of Rockets" published in the 
1950's.  The MIT Topics in Advanced Model Rocketry book has the equations, 
based on this source.
You can actually have a rocket be unstable at launch, but after it clears the 
launch rail if the jet damping is high enough it slows the turning of the 
rocket enough that if the rocket is burning propellant fast enough the rocket 
can have time to get stable and then successfully fly to apogee.
Note that on some of these Mach 3 "wobbles" and break-ups if the motor has high 
thrust there is high jet damping.  But once the thrust tail-off has begun, the 
jet damping goes down proportionally with the thrust.  The loss in jet damping, 
combined with everything else going on, may be the one last thing which adds to 
the failure of the rocket.
Using the RASAero II predicted CP and keeping the static stability margin at 
least 2.0 calibers for all supersonic Mach numbers, you basically 
aerodynamically "brute force" your way through all of these complex dynamics 
and complex dynamic stability issues.
The best example of jet damping I've ever seen was a DC-X scale model, a pretty 
big one (3-4 ft tall?), with no additional fins, on a high thrust L motor.  I 
wasn't involved in the rocket; I just saw it fly.  It turns out the rocket was 
probably unstable (statically unstable).  But as long as that high thrust L 
motor was thrusting, it was flying straight and was having a great flight.  
What was actually happening was the rocket was statically unstable, and was 
slowly rotating, but the rotation was very, very slow because the jet damping 
was incredibly high, the jet damping was keeping the rocket pointy end forward. 
 As soon as that motor went into tail-off, and it was a pretty short tall-off, 
the rocket immediately swapped ends.  The jet damping contribution to the 
dynamic stability allowed a statically unstable rocket to successfully fly, at 
least until the motor shut down.


Charles E. (Chuck) Rogers




-----Original Message-----
From: Anthony Cesaroni <anthony@xxxxxxxxxxx>
To: arocket@xxxxxxxxxxxxx <arocket@xxxxxxxxxxxxx>
Sent: Tue, Nov 16, 2021 3:27 pm
Subject: [AR] Re: Dynamic stability in supersonic rockets

<!--#yiv5766232339 _filtered {} _filtered {}#yiv5766232339 #yiv5766232339 
p.yiv5766232339MsoNormal, #yiv5766232339 li.yiv5766232339MsoNormal, 
#yiv5766232339 div.yiv5766232339MsoNormal 
{margin:0in;font-size:11.0pt;font-family:"Calibri", sans-serif;}#yiv5766232339 
a:link, #yiv5766232339 span.yiv5766232339MsoHyperlink 
{color:blue;text-decoration:underline;}#yiv5766232339 
span.yiv5766232339EmailStyle19 {font-family:"Arial", 
sans-serif;color:windowtext;}#yiv5766232339 .yiv5766232339MsoChpDefault 
{font-family:"Calibri", sans-serif;} _filtered {}#yiv5766232339 
div.yiv5766232339WordSection1 {}-->Hi Chuck,    Did you publish discussion of 
augmented dynamic stability during motor burn or was it a citation?    Thanks.  
  Anthony J. Cesaroni President/CEO Cesaroni Technology/Cesaroni Aerospace 
http://www.cesaronitech.com/ ;(941) 360-3100 x1004 Sarasota (905) 887-2370 x222 
Toronto    From: arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx <arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx>On 
Behalf Of crogers168
Sent: Tuesday, November 16, 2021 3:40 PM
To: plugger.lockett@xxxxxxxxx; arocket@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [AR] Re: Dynamic stability in supersonic rockets    <<  Chuck, thanks 
so much for chiming in and providing that rough guideline regarding how to 
attempt to mitigate dynamic stability issues with a simple static stability 
rule to follow. That's pretty much EXACTLY what I was hoping for out of this 
discussion and it coming from you definitely adds weight to the guidance. It 
also meshes with the successful vs unsuccessful flights with really aggressive 
reloads (eg M2245, N5800, O3400).  >>    You're welcome!  Glad to help you out 
with your flights.       Charles E. (Chuck) Rogers RogersAeroscience 

 -----Original Message-----
From: Plugger Lockett <plugger.lockett@xxxxxxxxx>
To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
Sent: Mon, Nov 15, 2021 10:43 pm
Subject: [AR] Re: Dynamic stability in supersonic rockets Hi all,    Firstly, 
thanks for all the thoughtful responses. I really appreciate it.     William, I 
remember BenBrockert making that comment, I actually responded to that thread. 
And I agree that most hobbyists don't spin balance their high performance 
rockets and that could be useful. And I'm aware of spin stabilization and the 
benefits it provides in this situation but to be honest I think getting 6-9Hz 
of spin will be tricky, at least for my skills.    Chuck, thanks so much for 
chiming in and providing that rough guideline regarding how to attempt to 
mitigate dynamic stability issues with a simple static stability rule to 
follow. That's pretty much EXACTLY what I was hoping for out of this discussion 
and it coming from you definitely adds weight to the guidance. It also meshes 
with the successful vs unsuccessful flights with really aggressive reloads (eg 
M2245, N5800, O3400).    Troy, thanks as well. I'm not sure, but I think your 
second point around aerodynamic forces trying to pull the rocket apart is 
possibly what bit me with my M2245 flight at the last THUNDA. With that flight 
my rocket folded just at or after burnout at ~ Mach 3. Below is ascreenshot of 
the video (video link here https://www.youtube.com/watch?v=AaZ2lmrFbSo&t=172s ;) 
showing a bit of wobbling just before the Nose andAV bay separated from the 
airframe.

    Luckily I recovered myAV Bay and was able to pull flight data from my 
Raven, seen below. I've boxed the area where the photo above roughly matches 
the graphed data. 
    And finally, the Raven flight summary.        I need to dig up mysim file 
but I thought I had ample static stability (approaching 2) but I want to check 
that. AndTBH I knew the section of airframe where my rocket failed was by far 
the weakest point of the vehicle as it was the place where I only had 4 wraps 
of 2x2 200gsmCF twill with no other reinforcement. It was maybe a 2 inch 
section, above the motor casing and below the internalFWFG AV Bay coupler tube. 
I did have the casing retained with analuminium bolt but that was more for 
positive retention than anything else. I won't make this mistake again.    If 
anyone feels comfortable with sharing their thoughts on my flight failure based 
on the above data I'm very keen on hearing that. Thanks for reading.    Kind 
regards,    Drew Hamilton          OnTue, Nov 16, 2021 at 5:35 AM Troy Prideaux 
<troy@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx> wrote: 
There are 2 (aero)dynamic issues I would be focusing on for high performance 
flight that can get you:   (1) the forward shift in CP which Chuck has 
suggested a good design allowance for. This is counterintuitive to aircraft 
designers as the CP will generally shift backwards for typical high performance 
aircraft within the supersonic regime, but is generally true for rockets of 
typical sounding rocket geometry.   (2) the aerodynamic forces trying to pull 
the rocket apart. This will depend on the design of your rocket and how 
aggressive the acceleration profile ie. going fast enough (velocity) quick 
enough (time,  in particular air density).  This issue will spring up on you at 
(or just after) burnout if it does catch you. It will depend on howdraggy your 
lower section is compared to the upper section but also internal pressure – ie. 
if you only bleed your internal pressure out the side (A) there might not be 
enough time for your internal volume to bleed enough pressure for burnout and 
(B) the external pressure on the base will be lower than the ambient static 
pressure. Again, this will be most apparent for aggressive acceleration 
profiles.   Troy   From:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx 
[mailto:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx]On Behalf Of Plugger Lockett
Sent: Monday, 15 November 2021 5:51 PM
To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [AR] Dynamic stability in supersonic rockets   HelloaRocket,   I've 
been having some conversations with people in the high power rocketry community 
as of late regarding minimum diameter rockets encountering issues with 
stability during boost when they reach the Mach 3-4 range. The conventional 
wisdom in these conversations is that the failures are related to a lack of 
dynamic stability. Of course unlike static stability, there's not an easily 
passed on guideline for ensuring dynamic stability of a given vehicle. 

So I was wondering if anyone here is willing to chime in and shed some light on 
how to improve the dynamic stability of a rocket that will see Mach 3+ during 
boost?   Any advice is appreciated and thank you for your time.   Kind regards, 
  Drew Hamilton 

JPEG image

JPEG image

JPEG image

Other related posts:

  1. Home
  2. arocket
  3. Archive
  4. 11-2021