PEMILlHAN MATERIAL NOSEL MOTOR ROKET PADAT DENGAN METODA PENDEKATAN KONDISI OPERASI

Transkripsi

1 M.P.I. Vol.1 NO.3. Desember 2007,76-81 PEMILlHAN MATERIAL NOSEL MOTOR ROKET PADAT DENGAN METODA PENDEKATAN KONDISI OPERASI Sarmidi Amin Peneliti Utama Bidang Teknologi Alat dan Mesin Produk Industri Pusat Teknologi Agroindustri-BPPT Abstract The purpose of a solid propel/ant motor nozzle is to channel very high temperature gas coming from the combustion chamber in order to accelerate them and create the motor rocket thrust. Beside temperature gas is very high; the gas flow is also change from subsonic to supersonic. Therefore, nozzle must withstand a very severe environment. Choosing of nozzle is very important, because failure of the nozzle will make also a fail the entire rocket mission. Choosing of needs experience and accurate calculation; otherwise there are many unknown condition of the gas flow. For simplicity the calculation, we used some assumption and by using operation condition approach method can be determined and dimension of nozzle. The aim of this paper is to show the procedure of the method by using heat transfer calculation. The result should be checked in the laboratory for knowing the disparity caused of the assumption. Kata kunci: Material, Nosel, Motor roket, Kondisi operasi PENDAHULUAN Bentuk nosel (nozzle) motor roket propelan padat biasa digunakan adalah simple conical divergent atau sering disebut dengan nosel konvergen-divergen De Laval. Nosel motor roket (propelan) padat membutuhkan perhatian lebih dibanding dengan motor roket (propelan) cair karena nosel motor roket padat tidak menggunakan sistem pendinginan. Nosel merupakan bagian sangat kritis, karena pada bagian ini kena langsung gas panas dan tekanan sangat tinggi, aliran gas sangat cepat dan segala akibat ditimbulkan oleh kondisi ekstrim terse but. Motor roket kecil bekerja hanya beberapa detik, pada umumnya hanya sekitar 10 detik, sedang motor roket pad at besar hanya sekitar satu menit. Walaupun bekerja sangat sing kat, suhu gas hasil pembakaran sangat tinggi, sebagai contoh suhu pembakaran bisa mencapai Tc 3430 o K(1). Waktu sangat singkat menyebabkan penyebaran panas dari gas ke dinding nosel tidak homogen, sehingga dapat menimbulkan kerusakan. Nosel juga mendapat tekanan sang at tinggi pad a ---. bagian konvergen (subsonik) dan tekanan rendah pada bagian divergen (supersonik). Disini terjadi pula beban kompresi (compresion load) sebagai akibat tekanan sangat besar. Beban kompresi maksimum terjadi pada kerongkongan nosel (throat), sedang beban zero aksial terjadi pad a sambungan nose I dan ruang bakar'". Keadaan ini akan berakibat timbulnya tegangan sang at tinggi pada nosel. Di bagian konvergen, kecepatan aliran gas akan membesar sampai mendekati kecepatan suara (Mach Number) atau M1, dan tepat pada kerongkongan kecepatan mencapai M1. Di bagian divergen, kecepatan aliran gas akan membesar dari kecepatan suara sampai melebihi beberapa kali kecepatan suara (tergantung rancangan nosel). Perbedaan kecepatan aliran gas sangat tinggi pada bagian konvergen dan divergen akan mengakibatkan timbulnya tegangan geser pad a nosel. Disamping aliran gas sangat tinggi, gas hasil pembakaran akan membawa partikel logam digunakan sebagai bahan tambahan propelan (propel/ant metal additive particles). Partikel-partikel logam tersebut mengakibatkan erosi pada 76

2 Pemilihan Material Nosel Motor Roket Padat Dengan Metoda Pendekatan Mj Mb + Mp Mb Ms + Me + Mu permukaan nosel'". Erosi pada nosel akan berakibat menurunnya prestasi nosel dan gaya dorong motor roket. Gaya dorong aksial adalah integral gaya tekanan bekerja pada nosel dan ruang bakar dalam arah aksial'". Hal ini dapat dijelaskan dengan menggunakan rumus: F J P da Mj massa awal roket Mb massa ketika selesai pembakaran Mp massa propelan Ms massa struktur Me massa motor (engine) Mu massa barang dibawa (payload) c kecepatan gas buang efektif (1) Kecepatan massa roket'": a. bakar'" ideal 1 tn c In MpfMj roket ditentukan oleh (4) dari rumus tersebut terlihat bahwa Mj semakin kecil, kecepatan terbang akan bertambah sehingga jarak jangkauan akan bertambah jauh. b. Tahan panas Diatas telah dijelaskan bahwa gas pembakaran dihasilkan sangat tinggi. Ketika melewati nosel, sebagian panas akan dipindahkan dinding nasal. Oleh karena itu perlu tahan panas dan tahan atas perubahan panas tiba-tiba. c. Tahan erosi Bahan bakar propelan padat dicampur dengan logam agar prestasinya meningkat. Logam ditambahkan pad a propelan antara lain AI, Li, Be, Mg, B. Yang paling banyak digunakan adalah aluminium (AI), karena murah dan tidak beracun'". Partikel logam tersebut mengakibatkan erosi pad a dinding nosel, terutama terjadi pada bagian kerongkongan. d. Mudah dalam pembuatan Persyaratan lain dalam pembuatan nosel adalah kemudahan dalam manufaktur atau tidak memerlukan teknologi tinggi, serta mudah didapat dan relatif murah. MATERIAL Ringan Pad a pnnsipnya digunakan pada wahana terbang (kapal terbang, roket atau peluru kendali) harus ringan. Hal ini disebabkan wahana terbang harus bisa mengangkut beban (payload) banyak, jarak jangkauan jauh, dan biaya ringan. Makin besar perbandingan massa (mass ratio) berarti makin baik wahana terse but. Massa awal roket adalah massa badan roket ketika selesai pembakaran ditambah massa bahan (2) (3) F gaya dorong aksial (axial thrust) p gaya tekan (pressure force) A luas nosel Mengingat pada nosel terjadi kondisi sangat ekstrim, pemilihan nosel menjadi sangat penting dan sulit, karena banyak hal tidak diketahui dengan pasti. Untuk mengurangi banyaknya ketidakpastian, diambil beberapa asumsi sehingga pemecahan permasalahan dapat dipermudah. Sesuatu tidak pasti adalah aliran gas panas melalui nosel, apakah satu dimensi atau banyak dimensi, apakah kondisinya steady atau transient, apakah ada perpindahan kalor dari gas ke dinding atau tidak, apakah gas homogen atau tidak. Makalah ini menyajikan suatu metode pemilihan sekaligus diperoleh dimensi ketebalan komponen nasal. Metode digunakan disebut dengan pendekatan kondisi operasi. Dengan pendekatan kondisi operasi diharapkan pemilihan memenuhi persyaratan dan cocok dengan kondisi operasinya lebih mudah diperoleh. Dengan adanya beberapa asumsi ditentukan, keakuratan dari perhitungan perlu diuji kembali dalam laboratorium. Namun usaha pendekatan kondisi operasi ini merupakan langkah awal dapat mempersingkat pemilihan. PERSYARATAN Kondisi Operasi (Sarmidi Amin) -"" MATERIAL NOSEL Material digunakan untuk pembuatan nosel motor roket padat dapat dibedakan menjadi (1) struktur, (2) pengikat (adhesives), (3) pengisi (sealants dan grease), (4) pelindung panas (thermal insulators), dan (5) ablative. Material struktur dipakai bermacam-macam sesuai dengan tingginya suhu dltenmanya'"; 77

3 M.P.I. Vol.1 NO.3. Desember 2007, a. Aluminium paduan digunakan pada bagian kena temperatur sekitar 500 F. b. Fiber glass biasanya dipakai bersamasama dengan aluminium paduan. c. Baja paduan dipakai untuk daerah kena suhu tinggi F. Baja paduan dipakai sering disebut baja paduan lebih (superal/oy) contoh berbasis besi (iron-base: L, , A-286), berbasis besi-nikel (ironnickel-base: 0-979, Incoloy) tahan sampai suhu 1500 F; berbasis nikel (nickel-base: Rene 41, Waspaloy, Udimet 500), berbasis kobalt (cobaltbase: V-36, X-40) dan berbasis besinikel-kobalt-kromium: (iron-nickel-cobaltchromium-base: N-155, 5-590) tahan suhu sampai 1900 F. d. Material tahan suhu diatas 1900 F sampai 4500 F seperti paduan refractory metals, grafit, atau pirolitik grafit. Material pengikat digunakan untuk menghubungkan berbeda dan juga berfungsi mencegah kebocoran gas dari bagian disambung. Contoh pengikat adalah Armstrong A-2 sering digunakan untuk mengikat aluminium dan grafit, Armstrong C-7 adalah pengikat digunakan untuk menghubungkan grafit dengan grafit. Material pengisi digunakan agar tidak terjadi kebocoran karena ada tekanan tinggi. Material digunakan misalnya zinc chromate dan silicone grease. Material digunakan untuk pelindung panas misalnya asbestos fiber, phenolic resin, keramik terutama zirconium dioxide. Material ablatif adalah tahan terhadap erosi, korosi dan dekomposisi terjadi pada nosel, Bahan ablatif umum digunakan adalah grafit. PEMBAHASAN Oleh karena nosel dilewati oleh gas panas dengan kondisi (suhu dan tekanan) sangat ekstrim, maka akan terjadi perpindahan kalor sangat tinggi pula. Perpindahan kalor dari gas ke dinding nosel di bagian konvergen terjadi secara radiasi dan konveksi, sedang pada daerah divergen, perpindahan kalor akan terjadi secara konveksi dan radiasi. Perpindahan kalor di dalam dinding nosel terjadi secara konduksi, dengan kondisi unsteadyatau transient6). Agar perpindahan kalor merata pada suatu bagian diperlukan waktu. Kecepatan 78 pemerataan suhu sangat tergantung pada jenis atau tergantung pada konduktifitas thermal (thermal conductivity), kerapatan massa (density) dan panas spesifik (specific heat) rnaterlal'". Jika dipanaskan dengan cepat, akan terjadi kejut thermis (thermal shock). Kejut thermis akan mengakibatkan kerusakan pada. Prosedur pendekatan kondisi operasi dapat dilihat dalam Gambar 1. Gambar 1. Pemilihan Material Melalui Pendekatan Kondisi Operasi Untuk mempermudah penentukan suatu nosel, lebih dulu dibuat gambaran awal ketebalan seluruh dinding nosel terdiri dari komponen struktur (misalnya aluminium dan asbestos-phenolic), pelindung panas (misalnya fiberglass-epoxy tape) silicaphenolic tape, zirconium dioxide, ablatif misalnya grafit. 5etelah ditentukan semua digunakan, kemudian dibuat rancangan bentuk nosel, Oalam perhitungan banyak hal tidak diketahui sehingga perlu diambil beberapa asumsi seperti: (1) proses berjalan secara adiabatis, (2) proses ekspansi gas melewati nosei merupakan proses isentropis dan aliran satu dimensi, (3) aliran gas berjalan steady, memenuhi persamaan gas ideal, panas jenis gas tidak berubah terhadap

4 la la '), IS ta In ut la at Pemilihan Material Nosel Motor Roket Padat Dengan Metoda Pendekatan temperatur dan tekanan, (4) nosel selalu dianggap adapted atau tekanan udara luar sama dengan tekanan gas pada ujung keluar nosel. Asumsi lain adalah komposisi gas di ruang pembakaran dan nosel dianggap tidak berubah, komposisi gas pembakaran selalu dalam keseimbangan kimia dan sesuai dengan keadaan tekanan dan temperatur pada saat tertentu. Gambar 2 adalah contoh bentuk umum (typical) suatu nosel motor roket padat'". Ketebalan masing-masing bagian harus ditentukan lebih dahulu agar kita dapat menghitung perpindahan kalor pada masingmasing bagian. Kondisi Operasi (Sarmidi Amin) Dengan menggunakan metode ini, ternyata cukup cepat dalam mendapatkan dimensi sesuai. Perhitungan perpindahan kalor sangat tergantung pada konduktifitas thermal, kerapatan massa dan panas spesifik. Ketebalan dari bagian dilalui panas juga dipakai dalam perhitungan. Pada bagian kerongkongan menerima perpindahan kalor secara konveksi tertinggi. Persamaan umum dipakai untuk menghitung konveksi adalah: (5) h koefisien konveksi A luas bidang dilewati panas Tg temperatur gas Tw temperatur permukaan dinding Untuk menghitung koefisien konveksi dapat digunakan persamaan Stanton Colburn. Koefisien konveksi dihitung dari persamaan berikut(3): (6) Gambar2. Bentuk Umum Nosel Motor Roket Padat(3) Dalam gambar tru terlihat bagian terdepan menerima panas adalah grafit kemudian dilanjutkan dengan pemasangan grafit phenolik dan silika phenolik. Di lapisan kedua terdapat asbes phenolik. Antara grafit dan asbes phenolik diisi dengan Zr02. Sebagai struktur digunakan aluminium paduan dan di bagian luarnya dilapisi dengan fiberglass epoxy. Jenis struktur digunakan tergantung lamanya gas buang melewati nosel. Pada motor roket kecil, dimana pembakaran terjadi hanya sekitar 10 detik, penggunaan aluminium biasanya sudah cukup memadai, sedang untuk motor roket besar dan pembakaran berlangsung sekitar satu rnenit-; atau lebih, bahan struktur biasanya menggunakan besi atau baja paduan. Dibagian divergen dilapis dengan pita (tape) silika phenolik dengan maksud agar asbes phenolik terlindungi dari panas langsung. Untuk pemilihan akan digunakan pada nosel, perlu dilakukan perhitungan perpindahan kalor lebih dulu agar dapat diketahui berapa suhu pada satu tempat tertentu sehingga dapat ditentukan cocok dengan kondisi operasinya. Jika dalam perhitungan ternyata tidak sesuai, maka ketebalan harus dirubah. D jarak diukur dari bidang injeksi k konduktivitas thermis u viskositas mutlak (absolute viscosity) Cp panas jenis G kecepatan massa (mass velocity) Persamaan Colburn dapat juga dipakai untuk menentukan koefisien konveksi bagian lain dari nosei sehingga dapat digambarkan kurva koefisien konveksi pada setiap tempat dinosel. Perambatan panas pada dinding nosel terjadi secara konduksi. Untuk menghitung perubahan temperatur, dapat digunakan cara sederhana misalnya dengan menggunakan variabel tanpa dimensi bilangan Fourier, Biot, perbandingan tebal dan perbandingan temperatur. Umumnya perpindahan kalor konduksi pada dinding nosei dihitung dengan menggunakan rumus: (7) A luas bidang dilewati panas Twg temperatur gas Tw1 temperatur dinding 79

5 M.P.I. Vol.1 No.3. Desember 2007,76-81 Radiasi panas ke dinding sering disebut dengan daya emisi panas. Daya emisi sangat tergantung pada panjang gelombang, temperatur dan warna suatu benda. Ada beberapa rumus dipakai untuk menghitung radiasi, namun banyak dipakai adalah rumus Stefan-Boltzmann: menggunakan sangat mahal dan dipakai satu kali serta hanya berlangsung beberapa detik. Belum pernah terjadi suatu nosel motor roket padat digunakan berkali-kali. O, CJ A T' (8) Q r radiant flux CJ konstanta Stefan-Boltzmann A luas bidang radiasi T temperatur Setelah diketahui masalah perpindahan kalor, langkah berikutnya adalah memeriksa kekuatan bahan sebagai akibat adanya aliran gas dengan kecepatan tinggi dan suhu tinggi pula apakah masih dalam batas toleransi atau sudah melewati batas kekuatan bahan. Tegangan geser pada dinding nosel karena aliran gas berjalan cepat, dan dinyatakan dalam rumus(3): T (nd V2 2 g T tegangan geser f koefisien friksi p densitas gas g gravitasi Panas tinggi akan menyebabkan turunnya kekuatan bahan. Ada dua macam berhubungan dengan pengaruh waktu dan temperatur tinggi yaitu sensitif (time-sensitive al/oy) dan kurang sensitif (non-time-sensitive alloy). Aluminium paduan termasuk sensitif terhadap panas, sedang titanium dan baja termasuk kurang sensitif. Gambar 3 adalah contoh kekuatan aluminium paduan jenis 7075-T6 dan RR 100 -v, menurun dengan cepat jika kena panas tinggi. Pada temperatur 700 F misalnya, kekuatan bahan akan menurun dengan sangat cepat yaitu antara 1 sampai 10 menit. Jika temperatur diturunkan menjadi 550 F dan bersinggungan dengan selama 600 menit, maka kekuatan akan menurun sama dengan terkena temperatur 700 F selama beberapa menit(2). Pertimbangan lain dalam pemilihan nosel adalah waktu pemakaiannya hanya satu kali. Adalah kurang bijaksana jika 80 (8) J~I ---'--"100b;----;;200!v;---"30Ivi' O'-";<40Ivi' 0--':;50l;,,' o-<'66"'"o~ Temperature, -F Gambar 3. Pengaruh Suhu Terhadap Kekuatan Material(2) Jika tegangan terjadi masih dalam batas toleransi dengan digunakan, maka pemilihan dan rancangan nosel sudah cukup dan dianggap aman. Sebaliknya, jika tegangan terjadi mendekati atau bahkan melebihi kekuatan bahan pada temperatur operasi, maka perlu dilakukan perubahan, terutama jenis atau dimensi ketebalannya. Dalam pendekatan kondisi operasi diambil beberapa asumsi sehingga akurasi perhitungan perlu diteliti kembali dengan percobaan di laboratorium. Pengukuran suhu pada beberapa titik menggunakan beberapa sensor temperatur (thermoe/ement) kemudian dibandingkan dengan hasil perhitungan sehingga dapat dibuat prediksi kekuatan lebih baik. KESIMPULAN Metode pendekatan kondisi operasi adalah metode dapat digunakan untuk mempermudah pemilihan dan sekaligus diperoleh dimensi nosel, Untuk menyederhanakan perhitungan diambil beberapa asumsi seperti gas i S, I 111 I36w

6 Pemilihan Material Nosel Motor Roket Padat Dengan Metoda Pendekatan Kondisi Operasi (Sarmidi Amin) I a hasil pembakaran dianggap gas ideal, gas mengalir satu arah, komposisi gas pembakaran dianggap sama pada semua tempat. Oleh karena ada beberapa asumsi, akurasi perhitungan masih memerlukan pembuktian dengan melakukan percobaan nyata. Cara ini dapat mempersingkat waktu pemilihan dan sekaligus penentuan ketebalan bagian-bagian suatu nosel. Dari kelima digunakan, struktur adalah utama harus diperhatikan, disusul dengan pelindung panas dan ablatif. Material pelindung panas umum dipakai adalah zirconium dioksida, fiber glass epoxy dan silika phenolik berbentuk pita, sedang ablatif umum dipakai adalah grafit. Material struktur dipilih pada metode ini dapat berupa aluminium paduan atau dapat pula berbahan dasar besi atau baja, tergantung pada tinggi suhu dan lama waktu bersinggungan dengan bagian tersebut. DAFTAR PUSTAKA 1. Abraham, L.H., Structural Design of Missiles and Spacecraft, McGraw-Hill Book Co., New York, Barrere, M., A Joumotte, B. F. De Veubeke, J.vandenkerckhove, Rocket Propulsion, Elsivier Publishing Company, Amsterdam, Brinsmade, A, Nozzle Design, dalam Solid Rocket Technology, Chapter 6, John Wiley and Sons, Inc, New York, Sutton, G.P., D.M. Ross, Rocket Propulsion Elements, John Wiley & Sons, New York, Susilo, H., Diktat Kuliah Propulsi Roket, Pasca Sarjana ITB, tidak diterbitkan, Zaehringer, AJ., Propellant Chemistry, dalam Solid Rocket Technology, Chapter 2, John Wiley and Sons, lnc, New York, RIWAYAT PENULlS Sarmidi Amin, lahir di Tanjung Kalimantan Selatan 20 Nopember Menamatkan pendidikan di FKT-IKIP Yogyakarta jurusan Teknik Mesin, 1973 dan Pasca Sarjana ITB jurusan Teknik Propulsi. Industrial Training tentang Perancangan Pabrik (Anlagenplannung) di Dortmund Jerman, Saat ini bekerja sebagai Peneliti Utama pada Pusat Teknologi Agroindustri- BPPT. --" 81