Modelling a Solid Propellant Rocket on a Vertical Trajectory in the Earth’s Atmosphere

Abstract

The main objective of the work presented is the development of a model to simulate the motion of a rocket propelled by a solid propellant rocket motor.The model also simulates the operating parameters of the rocket motor, as well as the interaction of the rocket with earth’s atmosphere by means of the calculations of aerodynamic drag and models the variations in the vehicle’s mass as a result of the burning of the solid propellant.For that to be possible, it’s first created a model of earth’s atmosphere that allows us to know all its properties in the range of altitudes of interest for our study.This model is created in MATLAB, through methods of small increments on the variable time.The model created is therefore used to optimize a rocket based on the Rexus-5, from ESA, for which there’s sufficiently detailed information available.This obtained is obtained through the study of the influence that the nozzle’s throat diameter has on the flight performance of this rocket, in which, based on the model created, are made simulations where the only variable between simulations is the nozzle’s throat diameter, between two values of interest, incremented by an appropriated value for the study of that parameter.It will also be analyzed the impact that the payload carried by the rocket has in its apogee, recurring to a series of simulations in which the payload is the only variable altered between each simulation.The results of the simulation are ultimately compared with the experimental results of the Rexus-5 rocket available in the literature.

O principal objetivo do trabalho apresentado é o desenvolvimento do modelo para simular o movimento de um foguete propulsionado por um motor foguete de propergol sólido.O modelo simula os parâmetros de operação do motor foguete, bem como a interação da sua estrutura com o fluido envolvente, através do cálculo de arrasto aerodinâmico, bem como as variações de massa do veículo, como resultado da queima de propergol.Para que isso seja possível, é primeiro criado um modelo da atmosfera terrestre que nos permita ter as suas características em toda a faixa de altitudes de interesse para o estudo.Este modelo é criado com recurso ao MATLAB, através de recurso a métodos de incremento em que o tempo é a variável sujeita a incrementos.O modelo criado será então usado para otimizar um foguete baseado no Rexus-5, da ESA, para o qual há informação suficientemente detalhada disponível.Esta otimização é obtida através do estudo do impacto que o diâmetro da garganta do bucal do motor foguete tem na performance de vôo deste foguete, em que através do programa se fazem simulações em que a única variável entre elas é o diâmetro da garganta do bucal do motor foguete, entre dois valores de interesse, incrementados por um valor apropriado ao estudo eficaz deste parâmetro.Será analizado também o impacto que a carga transportada pelo foguete tem no valor do seu apogeu, através da realização de várias simulações em que a carga é o único parâmetro que é alterado entre cada simulação.Os resultados da simulação foram comparados com resultados experimentais do foguete Rexus 5 da ESA, disponíveis na literatura.