[AR] Re: Modeling liquid engine aft body in OpenRocket

  • From: "" <dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx> (Redacted sender "crogers168" for DMARC)
  • To: "rocket@xxxxxxxxxxxxxx" <rocket@xxxxxxxxxxxxxx>, "arocket@xxxxxxxxxxxxx" <arocket@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Wed, 29 Jul 2020 22:00:59 +0000 (UTC)

<<  With a 4.5 inch fin span, the stability margin starts out at 2.2, then 
drops momentarily to 1.1 when it hits the wind, then increases from there.  Do 
you think 1.1 at low speeds is sufficient margin?  >>
Yes.  The shift is what Robert was describing, which for your long skinny 
rocket is significant.
This effect shows why you should start with a stability margin of 2.2, because 
with your low thrust to weight ratio at lift-off with the angle of attack due 
to the wind the stability margin will decrease to 1.1.
Note too that jet damping (also included in RASAero II) from the motor thrust 
(mdot Ve) provides a damping term as the rocket tries to rotate from the wind.  
This can be significant with a high thrust solid rocket motor, but with a lower 
thrust liquid less so.
The minimum stability margin of 1.1 with wind should be fine.
As others have pointed out, and your simulations are showing, with wind a 
subsonic stability margin of 3.0 will cause too much weather-cocking, which 
results in a high horizontal velocity through apogee, which can shred the 
recovery system (the drogue parachute, or the main parachute).
So for a low thrust to weight liquid rocket you're kind of in a box.  The 
zero-wind starting stability margin of around 2.0, dropping down to around 1.0 
right off the rail with wind, looks like the sweet spot.


Charles E. (Chuck) RogersRogers Aeroscience



-----Original Message-----
From: Robert Watzlavick <rocket@xxxxxxxxxxxxxx>
To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
Sent: Wed, Jul 29, 2020 1:50 pm
Subject: [AR] Re: Modeling liquid engine aft body in OpenRocket

 When I enable the Rogers Modified Barrowman option, I can see the CP move 
forward forward during the sim with a crosswind after it leaves the rail.  I'm 
trying to balance the stability in crosswind against horizontal velocity at 
apogee.  With a 4.5 inch fin span, the stability margin starts out at 2.2, then 
drops momentarily to 1.1 when it hits the wind, then increases from there.  Do 
you think 1.1 at low speeds is sufficient margin?  At apogee, that translates 
into a 75 ft/s horizontal velocity at apogee.  Launching downwind should help 
but I think there's a bug right now where you can't enter negative launch 
angles.  
 
 -Bob
 
 On 7/29/20 10:36 AM, (Redacted sender crogers168 for DMARC) wrote:
  
 
 This type of model is built into RASAero II.  The specific method used is the 
Jorgensen Viscous Crossflow Method.  On the Aero Plots you can print out the 
Potential CN (the classic Potential CNalpha slope though zero, Barrowman is one 
method) and the Viscous CN (Jorgensen Viscous Crossflow).  I used the body 
component planform areas and planform area center of areas from the original 
publication of Robert's paper.  (Special thanks to Robert.) 
  When you add a non-zero wind in RASAero II, you can see the non-zero angle of 
attack occur as the rocket leaves the launch rail, and the CP moves forward. 
  
  
  Charles E. (Chuck) Rogers Rogers Aeroscience 
  
  
  
 -----Original Message-----
 From: Galejs, Robert - 1007 - MITLL <galejs@xxxxxxxxxx>
 To: arocket@xxxxxxxxxxxxx <arocket@xxxxxxxxxxxxx>
 Sent: Wed, Jul 29, 2020 5:28 am
 Subject: [AR] Re: Modeling liquid engine aft body in OpenRocket
 
  #yiv6444353481 -- filtered {}#yiv6444353481 filtered {}#yiv6444353481 
filtered {}#yiv6444353481 p.yiv6444353481MsoNormal, #yiv6444353481 
li.yiv6444353481MsoNormal, #yiv6444353481 div.yiv6444353481MsoNormal 
{margin:0in;margin-bottom:.0001pt;font-size:12.0pt;font-family:New 
serif;}#yiv6444353481 a:link, #yiv6444353481 span.yiv6444353481MsoHyperlink 
{color:blue;text-decoration:underline;}#yiv6444353481 a:visited, #yiv6444353481 
span.yiv6444353481MsoHyperlinkFollowed 
{color:purple;text-decoration:underline;}#yiv6444353481 
p.yiv6444353481MsoListParagraph, #yiv6444353481 
li.yiv6444353481MsoListParagraph, #yiv6444353481 
div.yiv6444353481MsoListParagraph 
{margin-top:0in;margin-right:0in;margin-bottom:0in;margin-left:.5in;margin-bottom:.0001pt;font-size:12.0pt;font-family:New
 serif;}#yiv6444353481 p.yiv6444353481msonormal0, #yiv6444353481 
li.yiv6444353481msonormal0, #yiv6444353481 div.yiv6444353481msonormal0 
{margin-right:0in;margin-left:0in;font-size:12.0pt;font-family:New 
serif;}#yiv6444353481 p.yiv6444353481msonormal, #yiv6444353481 
li.yiv6444353481msonormal, #yiv6444353481 div.yiv6444353481msonormal 
{margin-right:0in;margin-left:0in;font-size:12.0pt;font-family:New 
serif;}#yiv6444353481 p.yiv6444353481msochpdefault, #yiv6444353481 
li.yiv6444353481msochpdefault, #yiv6444353481 div.yiv6444353481msochpdefault 
{margin-right:0in;margin-left:0in;font-size:12.0pt;font-family:New 
serif;}#yiv6444353481 span.yiv6444353481msohyperlink {}#yiv6444353481 
span.yiv6444353481emailstyle18 {}#yiv6444353481 p.yiv6444353481msonormal1, 
#yiv6444353481 li.yiv6444353481msonormal1, #yiv6444353481 
div.yiv6444353481msonormal1 
{margin:0in;margin-bottom:.0001pt;font-size:11.0pt;font-family:sans-serif;}#yiv6444353481
 span.yiv6444353481msohyperlink1 
{color:blue;text-decoration:underline;}#yiv6444353481 
span.yiv6444353481emailstyle181 
{font-family:sans-serif;color:windowtext;}#yiv6444353481 
p.yiv6444353481msochpdefault1, #yiv6444353481 li.yiv6444353481msochpdefault1, 
#yiv6444353481 div.yiv6444353481msochpdefault1 
{margin-right:0in;margin-left:0in;font-size:10.0pt;font-family:New 
serif;}#yiv6444353481 span.yiv6444353481EmailStyle26 
{font-family:sans-serif;color:#1F497D;}#yiv6444353481 
.yiv6444353481MsoChpDefault {font-family:sans-serif;}#yiv6444353481 filtered 
{}#yiv6444353481 div.yiv6444353481WordSection1 {}#yiv6444353481 filtered 
{}#yiv6444353481 filtered {}#yiv6444353481 filtered {}#yiv6444353481 filtered 
{}#yiv6444353481 filtered {}#yiv6444353481 filtered {}#yiv6444353481 filtered 
{}#yiv6444353481 filtered {}#yiv6444353481 filtered {}#yiv6444353481 filtered 
{}#yiv6444353481 ol {margin-bottom:0in;}#yiv6444353481 ul 
{margin-bottom:0in;}#yiv6444353481    Many years ago, I put together a modest 
extension to the simple Barrowman analysis for model rocket stability to look 
at stability margin issues.  The bottom line is that for long/skinny rockets 
you may need much larger stability margins than typically assumed to account 
for CP shift with AOA.  Conversely, short/fat rockets can likely do with less 
margin.  Your rocket is relatively long with modest/small fins so I think a 
bigger margin would be appropriate.  Here’s a reprint in the Apogee Rockets 
newsletter…    
https://www.apogeerockets.com/education/downloads/Newsletter470.pdf    -        
  Robert     From: arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx <arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx> 
On Behalf Of dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx
 Sent: Monday, July 27, 2020 10:25 PM
 To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
 Subject: [AR] Re: Modeling liquid engine aft body in OpenRocket         
Robert:    The rasaero.com web site should be up, I was on the web site earlier 
today and a few minutes ago.    The RASAero II software includes corrections to 
the Fin Supersonic CNalpha and CP that particularly affect short span fins.  
These corrections have not been made for the Fin Subsonic CNalpha and CP 
because comparisons with Subsonic wind tunnel data hasn't indicated that they 
are needed.    In RASAero II we recommend a minimum stability margin of 1.0 
calibers Subsonic, and 2.0 Calibers for Supersonic and Hypersonic.  In RASAero 
II you'll get a warning message if the stability margin falls below these 
limits.    Until a recent exception, every rocket run on RASAero II with a 
stability margin from RASAero II of at least 2.0 calibers for all Supersonic 
Mach numbers did not have any stability issues up to and above Mach 3.  (The 
exception had high-altitude coning above 100K ft.)    If you're concerned about 
stability, you could have a stability margin of 2.0 calibers for all Subsonic 
Mach numbers.    Earlier you wrote that you were looking for 2-3 calibers 
stability margin.  3 calibers might cause wind induced weather-cocking for a 
low thrust liquid rocket.  You probably want to have a minimum stability margin 
at all Subsonic Mach numbers of 2.0 calibers.          Charles E. (Chuck) 
Rogers Rogers Aeroscience                -----Original Message-----
 From: Robert Watzlavick <rocket@xxxxxxxxxxxxxx>
 To: arocket@xxxxxxxxxxxxx; Redacted sender crogers168 for DMARC 
<dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx>; ctedesco@xxxxxxxxxxxxxx <ctedesco@xxxxxxxxxxxxxx>
 Sent: Mon, Jul 27, 2020 6:49 pm
 Subject: [AR] Re: Modeling liquid engine aft body in OpenRocket   Chuck / Carl,
 Thanks for the advice.  I did notice that when I added the boattail, the Cp 
became very sensitive to fin span.  I also tried RasAero 1.0.1.0 (the website 
is down currently so I can't try the newest version).
 
 Do you (or anybody else) have a recommended stability margin for a long thin 
rocket like this?  Max expected velocity is below Mach 1.0.  I'm worried about 
low-span fins getting lost in the boundary layer - does your code take that 
into account?
 
 -Bob   On 7/27/20 7:29 PM, (Redacted sender crogers168 for DMARC) wrote:       
 Carl:        The altitude comparisons with flight data, CD comparisons with 
wind tunnel data, and CD comparisons with in-flight measured CD, are all on the 
RASAero web site ( www.rasaero.com ).  The comparisons of the RASAero predicted 
altitude with flight data indeed are all for solid rockets.        The current 
release of the RASAero II software (Version 1.0.2.0) had extensive new 
protuberance drag models added.  See Pages 24-30 of the RASAero II Version 
1.0.2.0 Users Manual.        It's been my experience that going over the rocket 
in detail and really picking out all of the protuberances can really increase 
the altitude prediction accuracy.  Rail Guides, Launch Shoes and Launch Lugs 
were already included in RASAero II.  RASAero II Version 1.0.2.0 added a 
Protuberance Input Section with; Streamlined - No Base Drag, Streamlined - With 
Base Drag, and multiple Inclined Flat Plates.  There are pictures in the Users 
Manual showing parts of various rockets and describing which protuberance type 
should be used to model the protuberance.  Fin Brackets can be modeled using an 
inclined flat plate (with the total frontal area the same as the Fin Brackets, 
assuming the Fin Brackets have the same plate angle.)        Note that the 
protuberance drag modeling in RASAero II does not include that part of the 
protuberance is actually buried in the boundary layer.  All of the protuberance 
is included, and thus the RASAero II protuberance drag prediction is 
conservative (extra drag).        Once you start inputting all of the 
protuberances on the rocket, you'll see the 17K ft altitude fall with the 
addition of each protuberance getting you closer and closer to the 13.2 K ft 
flight data.        This protuberance drag modeling is a RASAero II feature not 
available in the other rocket flight simulation software.        Robert; the 
bottom of your rocket has a very complex shape, and is very difficult to model. 
 Probably the most conservative approach CP-wise is to model the bottom of the 
rocket as a Boattail, as you have done in the middle figure.  Boattails can be 
pretty destabilizing, so if the bottom of your rocket acts as a Boattail, you 
could have a marginal CP situation.  CP-wise, I'd model it as a Boattail.  If 
it doesn't act as a Boattail, then you'll have additional CP margin.        
Drag (CD)-wise, I'd run the rocket as the bottom figure (full base area), and 
then take the first forward facing conical expansion, and add it's frontal area 
as a Streamlined - With Base Drag protuberance.  Note that you'll have one 
RASAero II run to get the CP, and you'll have to keep track of the CP 
separately.  The other RASAero II run will be with the bottom figure and the 
extra protuberance drag, to get the right drag (CD) for the trajectory 
simulation.                  Charles E. (Chuck) Rogers   Rogers Aeroscience     
           -----Original Message-----
 From: Carl Tedesco <ctedesco@xxxxxxxxxxxxxx>
 To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
 Sent: Mon, Jul 27, 2020 1:25 pm
 Subject: [AR] Re: Modeling liquid engine aft body in OpenRocket     Robert,    
   I have no experience with OpenRocket. I use RASAero2.  Regarding your fin 
mounts… in RASAero they allow you to enter the frontal area of a launch shoe 
(think launch lug). Does OpenRocket have an option like this? If so, maybe you 
could model the fin mount as additional launch shoe frontal area. It does not 
let you tell it where the launch shoe is (i.e. how far aft), so it probably 
will not accurately predict CP, but it may be useful for drag (CD).       Our 
liquid rockets that have performed nominally have never achieved the sim 
results. Our last rocket sim’d at ~17 kft but achieved 13.2 kft. This is 
probably because the complex liquids have features that don’t make it into the 
simplistic sims (like your motor exposed to the free stream). I had always 
hoped some college team/student would compare the freeware rocket sims 
aerodynamic modeling modules and report on which is the most accurate (hint, 
hint if any of my students read this). Chuck Rogers who created RASAero has (or 
use to have… I have not checked in a while) some case studies that compare wind 
tunnel based aerodynamic data with the data predicted from his software, but I 
believe they were all 1950’s-70’s solid rockets which are a lot closer to the 
simplistic rockets that can be input and not like the liquid rockets we build.  
     --- Carl              From: arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx 
<arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx> On Behalf Of Robert Watzlavick
 Sent: Monday, July 27, 2020 11:14 AM
 To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
 Subject: [AR] Modeling liquid engine aft body in OpenRocket         I'm using 
OpenRocket to predict the Cp of my fin configuration but I could use some 
advice with the configuration of the aft body.  This is for the rocket using my 
250 lbf LOX/kerosene engine.  The engine 
(http://www.watzlavick.com/robert/rocket/regenChamber3/photos/dsc_0749m.jpg
sticks out from the aft body without a shroud.  I modeled it three ways getting 
varying Cp locations.  The components are all zero weight so there is a lumped 
mass in the fwd section corresponding to the empty weight with the "engine" 
located at the aft face of the fwd body tube.  The CG shifts about 4 inches 
forward as the tanks burn down.
 
 Method 1 - Actual engine geometry, not sure how well OpenRocket handles that:
 
 
 
 
 
 Method 2 - Modeled as a boat tail:
 
 
 
 Method 3 - Straight tube - probably not correct:
 
 
 
 The fact that Method 1 and 3 have essentially the same Cp tells me that 
OpenRocket probably isn't modeling the actual engine geometry very well.  I 
could create a shroud for it as the boat tail configuration has higher 
performance but I'd rather just leave it as-is as I'm not too worried about 
performance for the first flight.  Max expected altitude depends on the 
propellant load (10 vs. 15 sec) but should be between 10k and 17k ft.  I've 
seen other liquids that had similar arrangements with the engine hanging out so 
how were they modeled for fin placement purposes?
 
 One other issue is the interaction of the fin mounts.  The fin mounts are 
adjustable on the body and the fins are also adjustable within the fin mounts, 
with a slot down the middle:  
http://www.watzlavick.com/robert/rocket/rocket1/photos/dsc_8310m.jpg.  I ;
finally got access to AeroFinSim and realized the original fin design was 
flutter prone (and way too stable).  The span of the fins is 5 inches but only 
4 inches extend beyond the fin clamps so for flutter purposes, the fin span is 
4 inches.  However, the fin mounts must contribute something to stability so in 
OpenRocket, I made a freeform fin that combines the mounts and fin.  The body 
diameter is 6 inches.  I was targeting 2-3 cal of stability, mainly because the 
Cp seems overly sensitive to fin height.
 
 Any advice would be appreciated.  
 
 Thanks,
 -Bob                           
 

Other related posts: