ANALISIS NOSEL MOTOR ROKET RX LAPAN SETELAH DILAKUKAN PEMOTONGAN PANJANG DAN DIAMETER

Transkripsi

1 Analisis Nosl Motor Rokt RX-1 LAPAN... (Ahmad Jamaludin Fitroh, Sari) ANALISIS NOSEL MOTOR ROKET RX - 1 LAPAN SETELAH DILAKUKAN PEMOTONGAN PANJANG DAN DIAMETER Ahmad Jamaludin Fitroh, Sari Pnliti Pnliti Pusat Tknologi Trapan, LAPAN ABSTRACT RX-1 Nozzl of LAPAN has bn rinvstigatd and analyzd. Th nozzl has bn dsignd to produc prssur of chambr of 70 bar. Analitical calculation and numrical simulation show that th thrust producd ar 18.6 kn and 18.0 kn, rspctivly. Th 13% total prssur loss indicat that th friction btwn gas flow and innr surfac of nozzl would b th rason of thrust diffrnc. Th nozzl had initial diamtr 130 mm and thn it was shortnd about 30 mm of diamtr and 85 mm of lngth in ordr to fit to th rockt dimnsion. Howwr, th shortnd nozzl givs lowr prformanc. Analitical calculation and numrical simulation shows that shortnd nozzl givs thrust of 18.1 kn and 17.7 kn, rspctivly, or just % loss. Kywords: Nozzl motor rockt 1, Numrical simulation, Shortnd nozzl ABSTRAK Tlah dilakukan pnlitian dan analisis ulang nosl motor rokt RX - 1 milik LAPAN. Nosl trsbut didsain untuk tkanan ruang bakar 70 bar. Hasil prhitungan scara analitis mnunjukkan bahwa gaya dorong yang dihasilkan sharusnya sbsar 18,6 kn. Hasil simulasi numrik mmbrikan gaya dorong yang lbih kcil, yaitu sbsar 18,0 kn. Prbdaan trsbut dikarnakan adanya gskan antara aliran gas dngan prmukaan bagian dalam nosl yang mana ditandai dngan pnurunan tkanan total sbsar 13%. Diamtr awal nosl adalah 130 mm. Olh karna ktrbatasan dimnsi motor rokt, maka diamtr nosl harus dibatasi maksimum 100 mm. Pngurangan diamtr nosl dilakukan dngan cara mmotong nosl spanjang 85 mm. Pmotongan trsbut mngakibatkan pnurunan prstasi nosl. Prhitungan scara analitis dan simulasi numrik mmbrikan gaya dorong masing masing 18,1 kn dan 17,7 kn. Akibat pmotongan panjang nosl trsbut, maka gaya dorong yang dihasilkan nosl brkurang hanya skitar %. Kata kunci : Nosl motor rokt 1, Simulasi numrik, Pmotongan panjang nosl 1 PENDAHULUAN Sbuah motor rokt pada umumnya trdiri dari dua komponn utama, yaitu ruang bakar dan nosl. Di dalam ruang bakar trjadi prubahan nrgi potnsial bahan bakar mnjadi nrgi potnsial gas. Dngan adanya nosl di blakang ruang bakar, maka nrgi potnsial gas trsbut diubah mnjadi nrgi kintik gas yang dimanifstasikan dalam bntuk gaya dorong. Salah satu motor rokt yang dimiliki LAPAN adalah motor rokt RX 1. Bahan bakar yang digunakan adalah proplan padat. Proplan trsbut dirancang dan diharapkan mampu mnghasilkan tkanan ruang bakar sbsar 70 bar. Dngan tkanan ruang bakar sbsar itu, maka nosl didsain sdmikian rupa agar mnghasilkan gaya dorong yang optimal. Salah satu syarat agar gaya dorong yang dihasilkan optimal adalah tkanan statik aliran kluar nosl sama dngan tkanan atmosfr. Dalam hal ini tkanan atmosfr dipilih sbsar 1 bar. 65

2 Jurnal Tknologi Dirgantara Vol. 6 No. 1 Juni 008:65-75 Gambar 1-1: Gomtri dan dimnsi nosl panjang (satuan : mm) Gambar 1-: Gomtri dan nosl pndk (satuan : mm) Hasil rancangan mnunjukkan bahwa untuk mndapatkan tkanan statik kluar nosl sama dngan tkanan atmosfr, maka diprlukan prbandingan luas kluar nosl trhadap luas throat sama dngan 7,99. Diamtr throat dipilih sbsar 46 mm. Dngan prbandingan luas kluar nosl trhadap luas throat sama dngan 7,99, maka didapat diamtr kluar nosl sama dngan 130 mm. Ssuai dngan namanya, maka nosl motor rokt RX 1 mmpunyai diamtr luar maksimum 1 mm. Dngan mmprtimbangkan ktbalan matrial, maka diamtr bagian dalam nosl dibatasi maksimum 100 mm. Trdapat dua cara yang dapat dilakukan untuk mngurangi diamtr kluar nosl dari 130 mm mnjadi 100 mm, yaitu mngurangi diamtr throat atau mmotong panjang nosl. Mngurangi diamtr throat brarti mndsain dan mmproduksi ulang nosl. Mskipun cara trsbut dapat mmprtahankan prstasi nosl namun akan mmrlukan upaya, waktu, dan biaya yang cukup bsar. Dngan gomtri yang sama, maka mmotong panjang nosl akan mngurangi diamtr kluar nosl. Cara trsbut sangat mudah untuk dilakukan shingga tlah dilakukan olh LAPAN. Gomtri dan dimnsi nosl sblum dan ssudah pmotongan disajikan dalam Gambar 1-1 dan

3 Analisis Nosl Motor Rokt RX-1 LAPAN... (Ahmad Jamaludin Fitroh, Sari) Kdua nosl trsbut akan dihitung ulang prstasinya mnggunakan dua mtod yang brbda, yaitu mtod analitis dan mtod numrik. Mtod analitis digunakan untuk mndapatkan prstasi nosl scara cpat. Mtod numrik digunakan untuk mngkorksi hasil mtod analitis agar mndkati kondisi yang sbnarnya. Slain untuk mnganalisis ulang prstasi nosl motor rokt 1 trsbut, pnlitian ini juga brtujuan untuk mngtahui fk pmotongan panjang nosl trhadap gaya dorong yang dihasilkan. BATASAN MASALAH Stiap pnlitian tntunya mmrlukan bbrapa batasan supaya ruang lingkup pkrjaan dan analisis mnjadi jlas dan lbih mudah untuk dilakukan. Bbrapa batasan masalah yang digunakan dalam pnlitian kali ini antara lain : Analisis hanya dilakukan pada nosl dan aliran di blakangnya saja. Kondisi ruang bakar tidak trmasuk dalam ruang lingkup pnlitian ini, Slain mnganalisis nosl pada kondisi dsain, pnlitian ini juga mnganalisis nosl yang tlah dipotong spanjang 84 mm, Tkanan dan tmpratur ruang bakar dipilih masing masing 70 bar dan K, Paramtr proplan yang digunakan didapat dari Bidang Proplan LAPAN. Dalam hal ini proplan mmpunyai brat molkul, Mr = 5 dan proprti gas, γ = 1,, Kondisi aliran bbas adalah kondisi pada prmukaan laut. Untuk mmprmudah prhitungan dan analisis, maka bbrapa asumsi yang digunakan antara lain : Gomtri nosl spnuhnya brsifat aksi simtri, Smua paramtr aliran masuk nosl brsifat sragam trhadap ara frontal. Mskipun ada kmungkinan asumsi yang digunakan brbda dngan kondisi sbnarnya, namun diharapkan prbdaan trsbut tidak akan mnimbulkan prbdaan gaya dorong yang signifikan. 3 DASAR TEORI Nosl mrupakan salah satu komponn utama rokt. Fungsi nosl adalah mngubah nrgi potnsial gas dalam ruang bakar mnjadi nrgi kintik yang pada akhirnya diwujudkan dalam bntuk gaya dorong. Gas dalam ruang bakar brsifat stagnasi, yaitu kcpatan alirannya sangat kcil atau bahkan mndkati diam. Stlah mmasuki inlt nosl kcpatan aliran gas diprcpat karna bntuk nosl yang smakin mngcil atau disbut sbagai darah konvrgn. Pada saat aliran gas mlwati throat kcpatannya mnjadi 1 Mach. Stlah mmasuki throat aliran gas mlwati darah divrgn, yaitu darah dngan luas yang smakin mmbsar. Kcpatan aliran gas mningkat ktika mlwati darah divrgn hingga kluar nosl. Stlah kluar nosl kondisi aliran sangat ditntukan olh paramtr aliran gas kluar nosl dan kondisi aliran bbas di blakang nosl. Apabila tkanan statik aliran kluar nosl lbih bsar daripada tkanan udara bbas, maka akan trjadi kondisi undr xpansion. Kondisi sbaliknya akan mngakibatkan kondisi ovr xpansion. Prhitungan mnggunakan mtod analitis mngasumsikan bahwa tkanan total tidak brkurang slama aliran gas mlwati nosl, sprti brikut : p 0 p0 (3-1) Ktrangan p = tkanan ruang bakar 0 p 0 = tkanan total xit Sprti tlah dijlaskan pada paragraf sblumnya, bahwa stlah mlwati throat kcpatan aliran diprcpat. Kondisi trsbut dapat trjadi bila 67

4 Jurnal Tknologi Dirgantara Vol. 6 No. 1 Juni 008:65-75 kcpatan aliran mlwati throat adalah 1 Mach. Smakin bsar luas xit, maka kcpatan aliran gas xit juga akan smakin tinggi. Hubungan antara luas throat, luas xit, dan kcpatan aliran gas xit dinyatakan sbagai brikut : 68 A A* 1 M 1 1 M 1 Ktrangan: A = luas kluar nosl A * = luas throat M = Mach xit = proprti gas 1 1 (3-) Sama halnya dngan tkanan total, maka tmpratur total juga diasumsikan konstan spanjang nosl, sprti brikut : T T0 0 (3-3) Ktrangan: T = tmpratur ruang bakar 0 T 0 = tmpratur total xit Tmpratur total mrupakan fungsi dari tmpratur statik dan kcpatan aliran. Hubungan antara ktiga paramtr trsbut dinyatakan sbagai brikut : T 0 T Ktrangan: 1 M 1 T = tmpratur statik xit (3-4) Kcpatan suara aliran sangat dipngaruhi olh tmpratur. Smakin tinggi tmpratur, maka kcpatan suara akan smakin mningkat. Kcpatan suara scara matmatika dinyatakan sbagai brikut : a R (3-5) T Ktrangan: a = kcpatan suara R = proprti gas Scara umum bilangan Mach dinyatakan sbagai prbandingan antara kcpatan aliran trhadap kcpatan suara aliran trsbut, yang mana dapat dinyatakan dngan u M (3-6) a Ktrangan: u = kcpatan aliran xit. Gaya dorong yang dihasilkan motor rokt mrupakan pnjumlahan antara gaya dorong akibat nrgi kintik kluar nosl dan prbdaan tkanan antara bagian blakang dan dpan rokt. Scara matmatika dinyatakan sbagai brikut : a A F mu p p (3-7) Ktrangan: F = gaya dorong m = laju aliran massa p = tkanan statik xit p = tkanan atmosfr a A = luas xit Motor rokt LAPAN yang mnggunakan nosl 1 mnggunakan bahan bakar proplan padat shingga gaya dorong yang dihasilkan hanya brasal dari nrgi kintik kluar nosl saja. Dngan dmikian prsamaan (3-7) mnjadi F mu (3-8) Sprti yang tlah dijlaskan pada paragraf sblumnya bahwa tkanan total diasumsikan konstan spanjang nosl. Tkanan total mrupakan pnjumlahan antara tkanan statik dan tkanan dinamik. Untuk aliran komprsibl hubungan antara ktiga paramtr trsbut pada xit adalah 1 1 p 0 p 1 M (3-9) Bsar p juga mmpngaruhi prstasi nosl. Kondisi optimum dicapai bila p = p a. Biasanya nosl dirancang untuk kondisi optimum. Apabila panjang

5 Analisis Nosl Motor Rokt RX-1 LAPAN... (Ahmad Jamaludin Fitroh, Sari) nosl dikurangi, maka dngan gomtri divrgn yang sama akan mnghasilkan luas xit yang lbih kcil. Pngurangan luas xit mngakibatkan kcpatan aliran gas pada xit juga brkurang shingga tkanan statiknya akan mningkat. Dngan dmikian pngurangan panjang nosl scara tidak langsung mngakibatkan trjadinya kondisi undr xpansion. 4 METODE Pnlitian ini mnggunakan dua mtod, yaitu mtod analitis dan mtod numrik. Mtod analitis mnrapkan smua prsamaan dan asumsi pada Bab Dasar Tori. Kuntungan mnggunakan mtod analitis adalah lbih mudah dan lbih cpat. Kkurangannya adalah blum dapat mmprkirakan dngan akurat pngurangan nrgi dalam bntuk pnurunan tkanan total akibat gskan antara aliran gas dngan prmukaan bagian dalam nosl. Analisis gskan dapat dilakukan dngan baik dngan mnggunakan salah satu prangkat lunak brbasis fluida numrik. Kompnsasi mnggunakan prangkat lunak trsbut adalah mmbutuhkan upaya dan waktu yang cukup bsar. 5 HASIL Sprti yang tlah disbutkan pada paragraf sblumnya bahwa pnlitian ini mnggunakan dua mtod, yaitu mtod analitis dan mtod numrik. Pada bab ini akan disajikan hasil prhitungan dan simulasi mnggunakan kdua mtod trsbut bsrta prbandingan antara kduanya. 5.1 Hasil Mtod Analitis paramtr aliran di bbrapa darah prhitungan. Hasil slngkapnya disajikan dalam tabl di bawah ini. Tabl 5-1: HASIL METODE ANALITIS Paramtr m (kg/dt) M u (m/dt) p (bar) T (K) F (kn) Nosl Panjang 7,49 3,1.45 1, ,6 Nosl Pndk 7,4,75.91, ,1 Pada tabl di atas yang dimaksud dngan nosl panjang adalah nosl hasil dsain. Dngan dmikian yang dimaksud dngan nosl pndk adalah nosl hasil dsain yang dipotong panjangnya. 5. Hasil Mtod Numrik Analisis mnggunakan mtod numrik mnghasilkan harga dan distribusi paramtr aliran gas, baik di dalam maupun di luar nosl. Analisis dngan mtod ini mnggunakan salah satu prangkat lunak brbasis fluida numrik. Hasil simulasi numrik disajikan dalam tabl, bbrapa gambar dan plot brikut ini. Tbl 5-: HASIL METODE NUMERIK Paramtr p 0 (bar) m (kg/dt) M u (m/dt) p (bar) T (K) F (kn) Nosl Panjang 60,9 7,8, , ,0 Nosl Pndk 63,3 7,8,6.095, ,7 Hasil prhitungan mnggunakan mtod analitis hanya dapat brupa harga 69

6 Jurnal Tknologi Dirgantara Vol. 6 No. 1 Juni 008:65-75 Gambar 5-1a : Distribusi bilangan mach nosl panjang Gambar 5-1b: Plot bilangan mach pada sumbu nosl panjang 70 Gambar 5-1c: Plot tkanan total pada sumbu nosl panjang

7 Analisis Nosl Motor Rokt RX-1 LAPAN... (Ahmad Jamaludin Fitroh, Sari) Gambar 5-1d: Plot tkanan statik pada sumbu nosl panjang Gambar 5-a: Distribusi bilangan mach nosl pndk Gambar 5-b: Plot bilangan mach pada sumbu nosl pndk 71

8 Jurnal Tknologi Dirgantara Vol. 6 No. 1 Juni 008:65-75 Gambar 5-c: Plot tkanan total pada sumbu nosl pndk Gambar 5-d: Plot tkanan statik pada sumbu nosl pndk Pada Gambar 5-1 dan 5- sumbu dalam mnyatakan sumbu tngah di dalam nosl sdangkan sumbu luar mnyatakan sumbu tngah di luar/ blakang nosl. Kondisi aliran bbas di blakang nosl dipilih sjauh 10 kali panjang nosl. 5.3 Prbandingan Hasil Analisis mnggunakan mtod analitis tidak dapat mmprkirakan dngan tpat pnurunan tkanan total akibat gskan antara aliran gas dan prmukaan dalam nosl. Pnurunan tkanan total mngakibatkan pnurunan gaya dorong yang dihasilkan. Dngan mnggunakan mtod numrik, maka ktidakakuratan mtod analitis dapat diminimalkan. Dngan mnggabungkan Tabl 5-1 dan 5-, maka prbandingan hasil kdua mtod trsbut dapat disajikan sbagai brikut : 7

9 Analisis Nosl Motor Rokt RX-1 LAPAN... (Ahmad Jamaludin Fitroh, Sari) Tabl 5-3a: PERBANDINGAN HASIL UNTUK NOSEL PANJANG Paramtr p 0 (bar) m (kg/dt) M u (m/dt) p (bar) T (K) F (kn) Nosl Panjang Analitis Numrik Slisih (%) 70,0 7,49 3,1.45 1, ,6 60,9 7,8, , ,0 13,0 4,4 6,1 8,4 13,6 15,6 3, Tabl 5-3a: PERBANDINGAN HASIL UNTUK NOSEL PENDEK Paramtr p 0 (bar) m (kg/dt) M u (m/dt) p (bar) T (K) F (kn) Nosl Pndk Analitis Numrik Slisih (%) 70,0 7,4,75.91, ,1 63,3 7,8,6.095, ,7 9,6 5,4 4,7 8,5 10,0 1,4, Hasil prhitungan pada tabl di atas mnunjukkan bahwa prbdaan antara hasil mtod analitis dan mtod numrik tidak trlalu bsar, kcuali untuk tkanan total. Pmotongan panjang nosl juga tidak mmbrikan pnurunan prstasi yang signifikan. 6 ANALISIS Bab ini brisi uraian tntang analisis hasil pnlitian ini. Scara garis bsar yang dianalisis adalah prbdaan hasil kdua mtod dan fk pmotongan panjang nosl trhadap prstasi nosl. 6.1 Analisis Pnurunan Tkanan Total Scara umum pnurunan tkanan total diakibatkan olh gskan antara aliran gas dngan prmukaan bagian dalam nosl. Smakin panjang sbuah nosl, maka nrgi yang hilang akibat gskan juga smakin bsar. Dngan dmikian apabila panjang nosl dipotong, maka pnurunan tkanan total akan brkurang. 6. Analisis Kcpatan Aliran Exit Nosl motor rokt 1 LAPAN ini mmpunyai tip konvrgn divrgn. Aliran gas mmasuki nosl dngan kcpatan yang sangat rndah (low subsonic). Kmudian aliran mlwati darah konvrgn shingga kcpatan alirannya diprcpat hingga mncapai kcpatan sonik pada throat. Stlah mlwati throat aliran mmasuki darah divrgn shingga aliran diprcpat mnjadi aliran suprsonik. Smakin luas darah xit, maka kcpatan xit juga akan smakin bsar. Dngan dmikian apabila panjang nosl dikurangi, maka luas darah xit akan smakin kcil shingga kcpatan xit juga akan smakin kcil. Gskan mnybabkan kcpatan aliran di dkat prmukaan mnjadi sangat kcil. Mtod numrik turut mmprtimbangkan gskan trsbut shingga kcpatan xit yang dihasilkan lbih kcil dari hasil mtod analitis. 73

10 Jurnal Tknologi Dirgantara Vol. 6 No. 1 Juni 008: Analisis Tmpratur Statik Exit Pnlitian ini mngasumsikan bahwa tidak ada prpindahan panas dari dalam nosl k lingkungan skitar mlalui dinding nosl. Slain itu kondisi aliran diasumsikan brsifat tunak (stady). Dngan dmikian tidak ada pnurunan tmpratur total spanjang nosl. Tmpratur total mrupakan pnjumlahan antara tmpratur statik dan tmpratur dinamik, ssuai dngan prsamaan 3-4. Untuk tmpratur total yang sama, maka smakin tinggi kcpatan xit akan mnghasilkan tmpratur statik yang smakin kcil. Dngan dmikian tmpratur statik xit hasil mtod numrik mnjadi lbih bsar. Smakin panjang atau smakin luas darah xit nosl, maka kcpatan xit-nya juga smakin tinggi, ssuai dngan prsamaan 3-. Untuk tmpratur total yang sama, maka smakin panjang atau smakin luas darah xit nosl akan mnghasilkan tmpratur statik xit yang lbih rndah. Dngan dmikian pmotongan panjang nosl akan mnybabkan knaikan tmpratur statik xit. 6.4 Analisis Tkanan Statik Exit Mtod analitis mngasumsikan bahwa tidak ada pngurangan tkanan total di spanjang nosl. Sprti yang tlah dijlaskan sblumnya bahwa smakin panjang atau smakin luas darah xit, maka kcpatan aliran gas xit juga akan smakin tinggi. Dngan tkanan total yang sama, maka kcpatan aliran xit yang lbih tinggi mnybabkan tkanan statiknya lbih rndah, ssuai dngan prsamaan 3-9. Dngan dmikian pmotongan panjang nosl mngakibatkan knaikan tkanan statik xit. Mtod numrik mmbrikan kcpatan xit yang lbih kcil dibandingkan dngan mtod analitis karna mmprtimbangkan gskan pada prmukaan bagian dalam nosl. Scara tidak langsung hal trsbut mnjlaskan mngapa mtod numrik mmbrikan hasil tkanan statik xit yang lbih bsar daripada mtod analitis. 6.5 Analisis Laju Aliran Massa Scara umum laju aliran massa hanya dipngaruhi olh paramtr gas di dalam ruang bakar. Dngan kata lain pmotongan panjang nosl tidak mmbrikan prubahan trhadap laju aliran massa yang dihasilkan. Scara matmatika laju aliran massa mrupakan hasil kali antara krapatan gas statik, luas frontal, dan kcpatan aliran gas. Hasil numrik mmbrikan kcpatan aliran xit yang lbih kcil. Dngan dmikian laju aliran massa yang dihasilkan sharusnya juga mnjadi lbih kcil. Di lain pihak mtod numrik mmbrikan tkanan statik xit yang lbih bsar shingga scara tidak langsung mnybabkan krapatan gas statik xit yang lbih bsar. Knaikan krapatan gas statik di xit akan mningkatkan laju aliran massa. 6.6 Analisis Gaya Dorong Gaya dorong yang dihasilkan nosl mrupakan hasil prkalian antara laju aliran massa dan kcpatan aliran gas di xit. Laju aliran massa tidak dipngaruhi olh panjang nosl. Pmotongan panjang nosl akan mngurangi kcpatan aliran xit shingga gaya dorong yang dihasilkan juga brkurang. Hasil numrik mmbrikan kcpatan aliran gas di xit lbih kcil daripada mtod analitis. Dngan hasil laju aliran massa yang hampir sama, maka hasil numrik mmbrikan gaya dorong yang lbih kcil. 7 KESIMPULAN Pnlitian ini mnghasilkan bbrapa ksimpulan, antara lain : Pnurunan tkanan total yang trjadi skitar 11%, Pmotongan panjang nosl akan mnurunkan pnurunan tkanan total skitar 4%, 74

11 Analisis Nosl Motor Rokt RX-1 LAPAN... (Ahmad Jamaludin Fitroh, Sari) Pmotongan panjang nosl tidak mmpngaruhi laju aliran massa, Mtod numrik mmbrikan kcpatan aliran xit yang lbih kcil, tkanan dan tmpratur statik xit yang lbih bsar, dan gaya dorong yang sdikit lbih kcil daripada mtod analitis, Pmotongan panjang nosl mngakibatkan kcpatan aliran xit mnurun, tkanan dan tmpratur statik xit mningkat, dan gaya dorong mnjadi brkurang, Mtod numrik mmbrikan gaya dorong lbih kcil skitar 3% dibandingkan mntod analitis, Pmotongan panjang nosl mngakibatkan pnurunan gaya dorong skitar 3% shingga tidak trlalu mmpngaruhi prstasi nosl. 8 SARAN Untuk mlakukan optimasi nosl 1 ini prlu kiranya dilakukan analisis bntuk bl (bll shap). DAFTAR RUJUKAN Davnas, Alain, Solid Rockt Propulsion Tchnology, first English dition, Prgamon Prss. John D. Andrson Jr, 003. Modrn Comprssibl Flow, third dition, Mcgraw-Hill Intrnational. Marcl Barrr, Rockt Propulsion, Elsvir Publishing Company. Sutton, Gorg P., 001. Rockt Propulsion Elmnts 7 th Edition, John Wily and Sons. Zuchrow, Mauric J.; Hoffman, Jo D., Gas Dynamic Volum 1, John Wily and Sons. 75