[AR] Re: Fin stability and flutter margin

  • From: rebel without a job <rebelwithoutajob@xxxxxxxxxxx>
  • To: Robert Watzlavick <rocket@xxxxxxxxxxxxxx>, "arocket@xxxxxxxxxxxxx" <arocket@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Sun, 30 Dec 2018 18:58:32 +0000

OpenRocket shows Mach 0.75 for the 10 second burn and 0.92 for the 15 second 
burn.

Go for the 10s then. No reason to deal with transonic stresses, plus the 
lighter load means a little faster off the rail. With 60ft this might not be an 
issue at all. At that length you have a different worry in wind: the faster you 
go the more force the fins generate, and those forces are reacted against your 
launch lugs.

I wish it was easier in these sim programs to create motor files for liquids. 
Ideally you would specify some tank parameters and depletion rates instead of 
having to make a fake motor mount in the middle of the rocket to place the 
"motor".

Agreed. Hybrids have the same problem.

OpenRocket 15.03 does plot both CG and Cp though and it shows a 3.0 of 
stability margin at at start and 3.5 at burnout. At apogee it drops rapidly 
to -.75 so I'm not sure what to make about that.

Might be a bit too stable, and you will weathercock and chase the wind a bit. 
OR usually shows loss of stability at apogee but it’s worth looking at the plot 
to determine the direction of causality: are you losing stability due to apogee 
or hitting apogee due to stability loss?


________________________________
De: Robert Watzlavick <rocket@xxxxxxxxxxxxxx>
Enviado: domingo, diciembre 30, 2018 05:44
Para: arocket@xxxxxxxxxxxxx; rebel without a job
Asunto: Re: [AR] Re: Fin stability and flutter margin

OpenRocket shows Mach 0.75 for the 10 second burn and 0.92 for the 15
second burn.  The tanks are small and heavy but I'm not trying to push
the envelope for this first launch.  I'll check out FinSim.  The Baxter
rail at FAR is 60 feet long so there should be plenty of velocity off
the rail.

The component and tank layout worked out favorably with a CG variation
between full and empty of only 2.8 inches and it moves slightly forward
as it burns.  I wish it was easier in these sim programs to create motor
files for liquids.  Ideally you would specify some tank parameters and
depletion rates instead of having to make a fake motor mount in the
middle of the rocket to place the "motor".  OpenRocket 15.03 does plot
both CG and Cp though and it shows a 3.0 of stability margin at at start
and 3.5 at burnout.  At apogee it drops rapidly to  -.75 so I'm not sure
what to make about that.

I have RasAero so I'll try it as well.

Thanks for the reply!
-Bob

On 12/29/18 10:14 PM, rebel without a job wrote:
(Disclaimer: engineering school dropout)

Flutter:

What’s the velocity range you’re looking at? For those of us operating normal 
atmospheres, flutter is mostly an interaction between aerodynamic (speed) 
forces and inertia. Every aerostructure has a flutter speed where that 
interaction becomes resonant. Generally speaking, probability of flutter 
increases with higher aero forces (speed), lower damping (stiffness) and 
longer moment arms (fin CG further away from joint)

At a first order of analysis, something that propellant to mass ratio likely 
won’t be moving fast enough to flutter an Al fin. I’m guessing M1.5 at max? 
1/8th of an inch of Al moving at under M2 isn’t going anywhere, assuming that 
the fin to case joint is good and stiff. People regularly hit M1.5 with 1/8” 
plywood fins bonded with wood glue to an internal motor tube. You can hit M2 
with 3/32” G10 fins surface mounted with nothing but a solid fillet of 
RocketPoxy.

If you want to prove it to yourself, there’s FinSim and other similar 
programs out there. You’re well within or better than the mainstream of mass, 
speed, and materials used in garden-variety HPR.


Stability:

In general, you’re on the right track. It’s just a righting arm, and half the 
force at twice the distance is the same arm. Fins further back is better.

You gain less than you might think putting shorter fins further back though 
because your boundary layer is thicker than you might think, and you want the 
fin to stick out into clean(ish), laminar(ish) air to provide that righting 
arm. Cutting fin span by 20% might cut effective area by twice that.

The generally accepted practice is: trailing edge of your fin within a 
caliber of the base, at least one caliber of span, and at least 2-3 calibers 
of root edge. Take a look at fiberglass rocket kits in about your size range.

There’s two points you want to be looking at: off the rail, and the transonic 
range.

Off the rail the figure of merit is ratio between your speed and wind speed. 
Generally you want 1-2 cal of stability. Too little and you’re unstable, but 
too much and you’ll weathercock into the wind. You can make off the rail less 
worrisome by going faster. Since your T/W is fixed, solve this by having a 
sufficiently long rail.

Transonic range: The bad news is that as a biprop pilot at burnout you’re 
going to have max-forward CP and max-aft CG, which means your stability 
margin will decrease as you fly.

At this point your CP is going to move forward. OpenRocket allows you to plot 
CP vs speed or time. Unfortunately it won’t plot CG vs time, and in the case 
of a liquid, CG moves back (bad) over time. While OR is generally useful, in 
this case you might want to override your CG to max aft (no fuel, worst 
possible) and ensure that you have 1.5 cal stability throughout the flight.


Trusting simulations:

You may also, time permitting, sim with RasAero as well. With as much time as 
you’ve put into this rocket, it’s best to have two opinions. For a third 
opinion, take a look at a Madcow or Wildman rocket in about your size range 
and see if your fin size and placement is generally similar. Those are dead 
in the middle of the envelope and make a good sanity check.

Feel free to contact me off list.

On Dec 29, 2018, at 7:44 PM, Robert Watzlavick <rocket@xxxxxxxxxxxxxx> wrote:

I've sized the fins for my 250 lbf biprop based on common guidelines I found 
but I'd appreciate a sanity check. The rocket will be 14 feet long, 6 inches 
in diameter and will weigh about 51 lb empty with a propellant load between 
11 - 16 lb (10-15 second burn). I was planning on using four aluminum 
trapezoidal fins with a 10 inch root chord, 4 inch tip chord, 6 inch height, 
and 0.125 inches thick. From the flutter calculations in Apogee Newsletter 
411, this should provide a 50% flutter margin at burnout. Is that reasonable?

The fin mounts allow position adjustment of a few inches in 1 inch 
increments but I was considering configuring them for somewhere between 2 
and 3 calibers of stability. Is that a reasonable balance between stability 
and tendency to weathercock? I plan to fly out of FAR on the Baxter rail but 
I'm not sure what the typical winds are there.

When placing the fins to achieve a target Cp, is there a practical 
difference between a taller fin closer to the CG vs. a shorter fin farther 
back? I would think the aerodynamic moment would be the same either way for 
a given set of conditions . Shorter fins farther back would be preferable 
from a weight and drag standpoint.

I'm using OpenRocket for simulation and the results seem reasonable over a 
wind range of 0-15 mph.

Thanks,
-Bob

Other related posts: