[论文解读] Model Rocket Project for Aerospace Engineering Course: Trajectory Simulation and Propellant Analysis

Thomas A. Campbell, Masataka Okutsu|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2017

Experimental and Theoretical Physics Studies参考文献 14被引用 3

一句话总结

本文介绍了一项大学水平的航空航天工程课程项目，利用模型火箭教授轨迹仿真与推进剂分析。学生开发了数值模型以预测飞行性能，并通过实验数据进行验证，实现了最高约500米的飞行高度和2至3分钟的下降时间，风速变化被确定为着陆位置预测误差的主要来源。

ABSTRACT

Model rockets have been employed in student projects, but very few papers in aerospace education offer concise summaries of activities at university-course levels. This paper aims to address this gap in the literature. The rockets used by our students reached some 500 m (~1,640 feet) in altitude, deployed a parachute, and spent 2-3 minutes descending to the ground. We present a series of analyses and experiments that students performed in order to predict the flight time, the maximum altitude, and the landing location of these rockets. They wrote computer programs to numerically integrate equations of motion, and experimentally measured input parameters (e.g., the thrust profile and drag coefficients). Once launched, these rockets could not be controlled; targeting the landing location would thus mean tilting the launch rail to a required angle. The largest source of error in landing location came from the difficulty in modeling wind velocities. Also discussed in this paper are the infrared spectroscopy and the extraction experiment as novel additions to model rocket projects.

研究动机与目标

• 为航空航天教育中的大学级模型火箭项目提供全面的文档支持，以弥补现有资料的不足。
• 开发一项实践性课程，将轨迹仿真与推进剂分析整合到本科航空航天工程教学中。
• 使学生能够通过数值积分方法预测关键飞行参数，如最大高度、飞行时长和着陆位置。
• 通过实验测量推力曲线和阻力系数，提升学生对真实飞行动力学的理解。
• 在模型火箭项目中引入新型实验环节，包括红外光谱分析与推进剂提取实验。

提出的方法

• 学生编写计算机程序，对受重力、阻力和推力作用的模型火箭运动方程进行数值积分。
• 利用力传感器测量实验推力曲线，以校准仿真输入参数。
• 通过风洞试验或基于火箭几何形状的经验估算确定阻力系数。
• 使用阻力主导的运动方程对降落伞开伞及下降阶段进行建模。
• 应用红外光谱分析推进剂成分，并开展提取实验以研究固体燃料特性。
• 通过调整发射导轨倾斜角度模拟目标定位，将风速条件作为可变输入，以评估预测精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 数值积分运动方程在多大程度上能准确预测模型火箭的最大飞行高度和飞行时长？
• RQ2 风速变化对无制导模型火箭着陆位置预测精度有何影响？
• RQ3 实验测得的推力曲线和阻力系数如何影响轨迹仿真的保真度？
• RQ4 红外光谱分析与推进剂提取实验在多大程度上提升了模型火箭项目的教育价值？
• RQ5 导轨倾斜作为控制无制导模型火箭着陆位置的方法，其有效性如何？

主要发现

• 模型火箭在飞行测试中达到的最大高度约为500米（1,640英尺）。
• 下降时间在2至3分钟之间，与降落伞开伞及阻力主导的下降建模结果一致。
• 预测着陆位置时最大的误差来源在于难以准确建模风速分布。
• 采用实测推力与阻力数据进行的数值仿真结果与实际飞行表现高度吻合。
• 引入红外光谱分析与推进剂提取实验，为学生提供了关于固体推进剂成分与燃烧行为的创新性、实践性认知。
• 导轨倾斜对粗略定位有效，但风速不可预测性限制了着陆位置控制的精度。