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

  • From: "Troy Prideaux" <troy@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx>
  • To: <arocket@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Tue, 28 Jul 2020 13:34:39 +1000

Robert,

This is not my area of expertise so consider these suggestions to be worth what 
you’re paying for them.

 

Looking at the illustrations you sent through: the fins (to me) look a touch on 
the small side for a large heavy rocket that’s expecting a slow acceleration 
profile. The issue for me isn’t so much the stability towards the end of the 
burn (highest velocity) but more at the start. From my understanding, fins 
basically serve 2 primary purposes: (1) is to provide aerodynamic stability by 
shifting the Cp aft of the Cg but (2) they keep the rocket pointed in the same 
direction. They do that via correcting forces from aero lift on the frontal 
face in non zero AOA shifts and drag (normal to the face) on the opposite side 
in such conditions. 

 Obviously (for given atmospheric conditions) the correcting force provided is 
proportional to the fin area and speed of the rocket.

  Yes, increasing the fin area will likely produce more susceptibility to 
flutter, but such can be overcome with fin design without significant mass 
penalties. It will also produce more stability margin and hence more leverage 
for cross-winds to weathercock the rocket into it at low speeds. Yes, there’s a 
trade there, but one thing you can (perhaps) do to offset that is to add some 
smaller fins on the opposite side of the Cg to assist offsetting the leverage 
the main fins have at the base from cross-winds. Obviously you would size them 
to achieve the desired stability margin of the rocket. You could even slide 
them on with sliding lugs to allow for varying fin areas for various different 
cross-wind conditions.

 

Anyway… just some ramblings from the peanut gallery.

 

Carry on…

 

Troy

 

 

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 < <mailto:rocket@xxxxxxxxxxxxxx> rocket@xxxxxxxxxxxxxx>
To:  <mailto:arocket@xxxxxxxxxxxxx> arocket@xxxxxxxxxxxxx; Redacted sender 
crogers168 for DMARC < <mailto:dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx
dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx>;  <mailto:ctedesco@xxxxxxxxxxxxxx
ctedesco@xxxxxxxxxxxxxx < <mailto: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 (  <http://www.rasaero.com/> 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  <mailto:ctedesco@xxxxxxxxxxxxxx> <ctedesco@xxxxxxxxxxxxxx>
To:  <mailto:arocket@xxxxxxxxxxxxx> 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  
<http://www.rasaero.com/dl_software_ii.htm> 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:  <mailto:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx> arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx < 
<mailto:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx> arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx> On Behalf 
Of Robert Watzlavick
Sent: Monday, July 27, 2020 11:14 AM
To:  <mailto:arocket@xxxxxxxxxxxxx> 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
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
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: