HK-62 DESAIN DAN ANALISIS SIRIP ROKET KOMPOSIT HYBRID SEBAGAI SIRIP KOMPOSIT OPTIMUM Novi Andria Pusat Teknologi Roket - Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional Jl. Raya LAPAN No.2, Ds. Mekarsari, Rumpin Bogor 16310 Telepon (021) 3169197 e-mail: novie aero@yahoo.co.id Disajikan 29-30 Nop 2012 ABSTRAK Makalah ini merupakan salah satu makalah yang membahas hasil penelitian pengembangan sirip komposit optimum sebagai pengganti sirip aluminum. Pengembangan sirip roket berbahan komposit sangat tepat dilakukan karena lebih ringan dari sirip aluminum dan kekuatan strukturnya dapat dirancang melebihi kekuatan struktur sirip aluminum. Penelitian awal telah dilakukan pada desain sirip carbon-epoxy, kevlar-epoxy dan glass-epoxy menggunakan konfigurasi serat tenun dengan variasi orientasi serat 0/90 dan ±45. Sirip yang dijadikan wahana kajian adalah sirip roket RX 2020 fixed fin. Berdasarkan penelitian numerik tahap awal diketahui bahwa sirip carbon-epoxy merupakan sirip komposit terbaik diikuti oleh sirip glass-epoxy sebagai pilihan kedua karena ketahanan aeroelastisitasnya yang lebih rendah. Kedua desain sirip harus menghindari orientasi serat 0/90 agar memenuhi batas aman yang ditetapkan. Adapun sirip kevlar-epoxy telah dinyatakan tidak aman karena kekuatan struktur statiknya sangat rendah. Analisis biaya produksi menunjukkan bahwa sirip carbon-epoxy terlalu mahal untuk diproduksi sedangkan sirip glass-epoxy harganya sangat murah. Pada makalah ini akan dibahas mengenai desain sirip komposit alternatif berupa sirip hybrid carbon+glass-epoxy untuk mereduksi tingginya biaya produksi sirip komposit tetapi kekuatan strukturnya tetap dapat dipertahankan. Struktur sirip dibuat sama seperti sirip non-hybrid tetapi susunan layernya terdiri atas carbon dan glass yang disusun bergantian secara simetri. Orienasi serat yang dikaji hanya orientasi ±45. Hasil simulasi numerik kekuatan struktur statik dan aeroelastisitas menunjukkan bahwa sirip hybrid ini memiliki kombinasi kekuatan struktur serat pembentuknya dan aman untuk digunakan. Selain itu harganya pun terjangkau dan jauh lebih rendah dari biaya produksi sirip carbon-epoxy sehingga dapat disimpulkan bahwa desain sirip ini merupakan desain sirip yang paling optimum untuk diterapkan. Kata Kunci: Sirip, roket, komposit, optimum, aeroelastisitas I. PENDAHULUAN Penelitian ini merupakan penelitian lanjutan dari penelitian awal pengembangan sirip roket komposit sebagai pengganti sirip aluminum. Pengembangan sirip roket berbahan komposit sangat tepat dilakukan karena lebih ringan dari sirip aluminum dan kekuatan strukturnya dapat dirancang melebihi sirip aluminum. Pada tahap awal telah dilakukan analisis kekuatan statik struktur sirip roket RX 2020 [1] dan analisis aeroelastisitasnya secara numerik. [2] Kedua analisis tersebut menyimpulkan bahwa sirip carbon-epoxy merupakan desain sirip komposit terbaik untuk dikembangkan sebagai pengganti sirip aluminum. Sirip glassepoxy pun dinyatakan aman untuk digunakan kendati kekuatan struktur statik dan ketahanan terhadap kegagalan aeroelastisitasnya lebih rendah dari sirip carbonepoxy. Selain itu, diketahui pula bahwa konfig- urasi serat 0/90 harus dihindari dalam merancang kedua sirip tersebut karena tidak aman untuk diterapkan. [2] Adapun sirip kevlar-epoxy tidak aman untuk digunakan karena safety factornya dibawah satu. [1] Hasil penelitian tahap awal ini belum dapat diimplementasikan karena tidak melibatkan analisis biaya produksi. Sebagaimana diketahui, harga serat carbon sangat mahal sedangkan serat glass harganya sangat murah. Diperlukan disain alternatif untuk memecahkan masalah ini. Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah untuk mendapatkan desain sirip komposit yang optimum dari segi biaya produksi, kekuatan struktur statik dan ketahanan aeroelastisitasnya. Salah satu cara yang paling mungkin adalah dengan membuat sirip komposit hybrid carbon+glass-epoxy. Diharapkan dengan konfigurasi sirip seperti ini harga biaya produksi dapat dikurangi karena sebagian seratnya menggunakan glass tetapi kekuatan strukturnya tetap baik karena sebagian
HK-63 seratnya berupa serat carbon yang dikenal sangat kuat dan kaku. Desain komposit hybrid telah banyak dikembangkan untuk memperkuat area kritis dan mengurangi biaya produksi yang diperlukan. [3, 4] Aeroelastisitas tetap menjadi parameter utama dalam pemilihan desain optimum karena sirip komposit sangat rentan terhadap kegagalan aeroelastisitas. [5] Roket-roket LAPAN pada umumnya didesain untuk terbang pada kecepatan tinggi yakni pada kecepatan supersonik. Pada kecepatan tersebut kegagalan aeroelastisitas sangat rentan terjadi. Aeroelastis adalah cabang ilmu mekanika yang mempelajari interaksi antara gaya-gaya aerodinamika, struktur, dan inersial. Fenomena aeroelastisitas yang umum terjadi adalah divergensi (kasus static-elastic) dan flutter (kasus dynamic-elastic). [5 7] Pada umumnya flutter lebih rentan terjadi dibandingkan dengan divergensi. [7] Fenomena flutter merupakan salah satu contoh dari fenomena resonansi. Batasan penelitian lanjutan ini sama dengan batasan masalah pada penelitian sirip komposit non-hybrid kecuali orientasi serat dan susunan layernya. Orientasi serat yang digunakan adalah ±45 karena orientasi 0/90 diketahui rentan terhadap kegagalan aeroelastisitas. Layer kompositnya terdiri atas layer carbon dan glass yang disusun secara bergantian. Sirip roket yang dijadikan wahana kajian adalah sirip RX 2020 fixed fin (GAMBAR 1). Alasan pemilihannya adalah karena roket RX 2020 mampu terbang hingga kecepatan supersonik yakni pada Mach 2.7. GAMBAR 1: Dimensi sirip RX 2020 Sirip roket RX 2020 dimodelkan hanya satu buah yakni bagian kanan saja. Pemodelan elemen hingga dilakukan dengan menggunakan data material yang diambil dari referensi standar. [8] Kondisi batas yang diterapkan adalah constraint cantilever pada pangkal sirip. Resin yang digunakan hanya satu jenis yakni epoxy. II. METODOLOGI Penelitian lanjutan ini dilakukan mengikuti tahapantahapan desain sirip non-hybrid yakni meliputi studi literatur, pengumpulan data material, pemodelan elemen hingga, penetapan constraint dan beban, dan simulasi numerik kekuatan struktur statik dan aeroelastisitas. Ditambahkan pula perhitungan biaya produksi non jasa sebagai salah satu parameter penentuan desain sirip optimum. Ditetapkan bahwa model sirip komposit yang akan dianalisis adalah sirip komposit hybrid carbon+glass-epoxy. Data material untuk yang digunakan diambil dari referensi standar [8] karena datanya paling lengkap. TABEL 1. Data ini ditampilkan pada TABEL 1: Properti mekanik komposit woven dengan resin epoxy [8] Carbon Fabric Glass Fabric Density (Kg/m3) 1600 1900 Tensile Modulus (Gpa) 70 25 Shear Modulus (Gpa) 5 4 Ult. Tensile Stress (MPa) 600 440 Ult. Comp Stress (MPa) 570 425 Shear Strength (MPa) 90 40 Poisson s ratio 0.1 0.2 Untuk menjaga agar ketebalan siripnya sama dengan ketebalan sirip RX 2020 aluminum sebesar 6 mm, jumlah layer untuk sirip hybrid ini dibuat 21 layer karena ketebalan seratnya berlainan. Jumlah layer untuk serat carbon dan glass berturut-turut adalah 10 dan 11 layer. Sirip komposit dimodelkan menggunakan elemen laminate dengan konfigurasi simetri. Layer disusun secara bergantian dimana layer glass merupakan layer terluarnya. Orientasi serat untuk seluruh layer adalah ±45. Beban aerodinamika untuk perhitungan kekuatan struktur statik adalah berupa gaya angkat dengan mengasumsikan adanya gangguan berupa sudut serang sebesar 5. [9] Analisis numerik dilakukan melalui software MSC Nastran menggunakan jenis solusi linear static. Karena ultimate compressive strength komposit lebih rendah dibandingkan ultimate tensile strengthnya, [8] tegangan maksimum pada model sirip komposit yang dijadikan acuan hanya pada layer terluar yang mengalami kompresi. Aerodinamika sirip roket RX 2020 untuk perhitungan aeroelastisitas dimodelkan dengan satu panel yang terdiri dari 10 10 box aerodinamik. Model aerodinamika yang digunakan adalah model doublet-lattice pada kecepatan subsonik dan ZONA 51 pada kecepatan supersonik. Analisis flutter dan divergensi dilakukan menggunakan software MD Nastran. Flutter dapat dideteksi dengan memperhatikan nilai redaman sama dengan nol dan terjadi konvergensi nilai frekuensi pada
HK-64 dua atau lebih modus gerak. [5 7] Adapun divergensi dapat diketahui dengan cara mencari modus gerak yang nilai redaman dan frekuensinya sama dengan nol saat kecepatan aliran dinaikan. [5 7] Analisis biaya produksi dilakukan untuk sirip hybrid, serta sirip non-hybrid carbon-epoxy dan glassepoxy. Harga biaya produksi dihitung dengan tidak melibatkan biaya jasa pengerjaan. Perhitungannya dilakukan dengan mengalikan banyaknya konsumsi serat dengan harga serat tersebut per meter ditambah dengan jumlah resin yang digunakan dikali harga resin epoxy per kilogram. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada bagian ini akan diuraikan mengenai hasil analisis kekuatan struktur statik, analisis aeroelastisitas dan analisis biaya produksi sirip komposit hybrid carbon+glass-epoxy. Pembahasan secara rinci dan perbandingannya dengan sirip carbon-epoxy, glass-epoxy dan sirip aluminum diberikan pada masing-masing bagian. Analisis Kekuatan Struktur Statik Pada GAMBAR 2 dan GAMBAR 3 ditampilkan hasil simulasi kekuatan statik sirip RX 2020 menggunakan bahan komposit hybrid carbon+glass-epoxy pada layer terluar pertama dan kedua untuk orientasi ±45. Pada model sirip ini layer terluar pertama merupakan layer glass dan layer terluar kedua merupakan carbon. GAMBAR 3: Hasil simulasi kekuatan statik sirip pada layer glass terluar layer glass dibawah tegangan ultimate material pembentuknya. Hasil simulasi kekuatan statik model sirip komposit hybrid ini ditampilkan pada TABEL 2. Output diambil untuk dua layer terluar untuk mewakili masing-masing serat pembentuknya. Ditampilkan pula hasil simulasi sirip non-hybrid carbon-epoxy dan glass-epoxy serta sirip aluminum ditampilkan pada TABEL 3 sebagai pembanding. TABEL 2: Tegangan dan deformasi maksimum sirip komposit hybrid Layer Terluar ke-1 Tegangan (MPa) 154.8 (Glass) Deformasi (mm) 32.6 Layer Terluar ke-2 Tegangan (MPa) 324.3 (Carbon) Deformasi (mm) 32.6 GAMBAR 2: Hasil simulasi kekuatan statik sirip pada layer carbon terluar Tegangan dan deformasi maksimum pada layer carbon terluar adalah 324.3 MPa dan 32.6 mm (GAMBAR 2), sedangkan pada layer glass terluar adalah 154.8 MPa (GAMBAR 3) dengan besar deformasi sama dengan deformasi pada layer carbon terluar. Bila dibandingkan dengan data ultimate compressive strength material pada TABEL 1 maka dapat diketahui bahwa tegangan maksimum layer terluar baik layer carbon maupun TABEL 3: Tegangan dan deformasi makasimum sirip komposit nonhybrid dan aluminum AL Carbon- (20 ply) (22 ply) Tegangan (MPa) 264.93 198.5 43.9 σ UT (MPa) [8] 276 600 440 (yield) σ UC (MPa) [8] 276 570 425 (yield) Deformasi (mm) 13.0 18.3 51.2 Berdasarkan TABEL 2 dan TABEL 3 dapat diketahui bahwa nilai deformasi maksimum sirip hybrid merupakan rata-rata dari penggabungan deformasi sirip non-hybrid pembentuknya. Selain itu, nilai tegangan maksimum pada kedua layer terluar merupakan setengahnya dari tegangan maksimum pada sirip homogennya. Hal ini menunjukkan bahwa desain komposit
HK-65 hybrid sangat baik untuk diterapkan karena distribusi tegangan yang terjadi sangat menguntungkan dimana layer dengan serat yang kuat menerima beban yang besar sedangkan layer dengan serat yang kurang kuat menerima beban yang kecil. Analisis Aeroelastisitas Berdasarkan analisis dinamik struktur diketahui bahwa rentang frekuensi 10 modus gerak pertama untuk model sirip ini adalah antara 0-1900 Hz. Dengan mengunakan rentang frekuensi tersebut diperoleh hasil simulasi numerik aeroelastisitas seperti ditunjukkan pada GAMBAR 4. GAMBAR 4: Kurva V-f dan V-g orientasi serat ±45 Pada GAMBAR 4 dapat dilihat bahwa sirip hybrid carbon+glass-epoxy dengan orientasi ±45 mengalami flutter pada Mach 13 dan tidak mengalami divergensi. Modus flutter sirip ini sama dengan modus flutter sirip komposit non-hybrid yakni modus torsi pertama. Perbandingan hasil analisis aeroelastisitas antara sirip hybrid ini dengan sirip non-hybrid dan sirip aluminum (AL) ditampilkan pada TABEL 4. Pada TABEL 4 dapat dilihat bahwa divergensi tidak terjadi untuk seluruh model sirip. Diketahui pula bahwa kecepatan flutter untuk sirip hybrid yang dikaji lebih tinggi dibandingkan sirip glass-epoxy. Jika dibandingkan dengan sirip carbon-epoxy memang dapat dilihat bahwa sirip komposit hybrid ini kualitasnya lebih rendah karena sirip carbon-epoxy tidak mengalami flutter untuk rentang kecepatan aliran yang dikaji. Kendati demikian, tingginya nilai kecepatan flutter pada sirip TABEL 4: Perbandingan hasil analisis aeroelastik sirip roket AL Carbon- Carbon+ Flutter Speed (Mach) Divergence Speed (Mach) - - 7 13 - - - - komposit ini membuat desain sirip tidak rentan terhadap kegagalan aeroelastisitas. Berdasarkan hasil analisis pada penelitian tahap awal, diperoleh batas kecepatan flutter paling rendah untuk sirip roket RX 2020 fixed fin ini adalah 4.86 Mach. [10] Dengan memperhatikan nilai kecepatan flutter pada TABEL 4, maka dapat dipastikan bahwa desain sirip komposit hybrid ini aman untuk digunakan sama halnya dengan sirip carbon-epoxy dan sirip glass-epoxy. Seperti hasil simulasi numerik kekuatan statik, ketahanan terhadap kegagalan aeroelastisitas sirip komposit hybrid ini merupakan kombinasi ketahanan aeroelastisitas serat-serat pembentuknya. Analisis Biaya Produksi Pada bagian ini akan dibahas mengenai analisis biaya produksi pembuatan sirip roket komposit tanpa melibatkan biaya jasa pengerjaan. Pada penelitian ini, Mass Fraction (MF) yang diterapkan adalah 60%. Nilai ini hampir sebanding dengan nilai VF sebesar 55%. Harga biaya produksi diluar biaya jasa pengerjaan dapat dihitung dengan mengalikan banyaknya konsumsi serat dengan harga serat tersebut per meter ditambah dengan jumlah resin yang digunakan dikali harga resin epoxy per kilogram. Harga resin epoxy per kilogram adalah Rp 250.000. Pada TABEL 5 ditampilkan biaya produksi untuk masing-masing model sirip roket komposit. TABEL 5: Perbandingan biaya produksi model sirip komposit Konsumsi Harga/ Konsumsi Harga Serat m 2 Resin 4 sirip (m 2 ) (Rp) (kg) (Rp) Jenis Serat Harga satu sirip (Rp) Carbon 0,960 1.625.000 0,130 1.592.500 6.370.000 Glass 1,056 33.850 0,175 79.496 317.984 Carbon+ Glass 0,480 (C) 1.625.000 0,150 835.373 3.341.491 0,528 (G) 33.850 TABEL 5 menunjukkan bahwa biaya produksi non jasa pengerjaan paling mahal terdapat pada sirip komposit carbon fabric-epoxy. Adapun biaya produksi paling murah terdapat pada pembuatan sirip komposit glass fabric-epoxy. Harganya kurang dari 5% biaya pro-
HK-66 duksi sirip jenis komposit carbon-epoxy. Biaya produksi non jasa untuk pembuatan sirip komposit hybrid carbon+glass-epoxy hanya sekitar 53% dari biaya produksi sirip carbon-epoxy. Rendahnya biaya produksi ini jelas sangat menguntungkan. Desain sirip hybrid ini dapat menggantikan sirip carbonepoxy sebagai sirip komposit terbaik karena pengurangan biaya produksinya sangat signifikan. Disamping harga serat glass yang murah, mudahnya pengadaan serat fabric carbon dan glass membuat sirip hybrid carbon+glass ini menjadi pilihan terbaik untuk dijadikan sirip komposit optimum. IV. KESIMPULAN Pada penelitian lanjutan ini telah diperoleh desain sirip komposit optimum sebagai pengganti sirip carbon-epoxy. Desain sirip optimum tersebut adalah sirip hybrid yang mengkombinasikan serat carbon dan glass. Sirip hybrid carbon+glass-epoxy memiliki kekuatan struktur statik yang baik dan tidak rentan terhadap kegagalan aeroelastisitas. Karakteristik kekuatan sirip hybrid ini merupakan kombinasi kekuatan serat-serat pembentuknya. Kendati tidak sekuat sirip carbon-epoxy, sirip hybrid ini jauh lebih kuat dibandingkan sirip glass-epoxy. Tingginya kecepatan flutter dan rendahnya tegangan maksimum pada sirip ini memungkinkan untuk dilakukannya optimasi jumlah layer atau pengurangan ketebalan sirip pada penelitian lebih lanjut. Lain halnya dengan sirip glass-epoxy yang sudah sangat riskan untuk dikurangi jumlah layernya. Biaya produksi sirip hybrid carbon+glass-epoxy tidak setinggi biaya produksi sirip carbon-epoxy. Pengurangan biaya produksi bila sirip carbon-epoxy diganti dengan sirip hybrid ini sangat signifikan. Sangatlah tepat bila desain sirip hybrid ini dikembangkan untuk membuat sirip roket yang tinggi kekuatan struktur dan ketahanan aeroelastisitasnya tetapi biaya produksinya tetap terjangkau. DAFTAR PUSTAKA [1] Andria, N., Pengembangan Sirip Roket Komposit LAPAN, SIPTEKGAN XVI, Serpong, 2012. (to be published) [2] Andria, N., Analisis Aeroelastik Sirip Roket Komposit Rx 2020 Berbahan Dasar Carbon- Dan, SIPTEKGAN XVI, Serpong, 2012. (to be published) [3] Goldsworthy W. B., Composites, Fabrication in EPSE 2nd ed., Goldsworthy Engineering, Inc. [4] Vinson J. R., Sierakowski R. L., The Behaviour of Structures Composed of Composite Materials 2nd ed., Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 2002. [5] Wright J.R., Cooper J.E., Introduction to Aircraft Aeroelasticity and Loads, John Wiley dan Sons Ltd, Wiltshire, 2007. [6] E.H. Dowell (Ed.), A Modern Course in Aeroelasticity, Kluwer Academic Publishers, Netherlands, 1980, p.480. [7] Fung Y.C., An Introduction to the Theory of Aeroelasticity, Dover Publications, New York, 2008. [8] http://www.performancecomposites.com/carbonfibre/ mechanicalproperties 2.asp, diakses pada tanggal 8 Juni 2012. [9] Chin, S.S., Missile Configuration Design, McGraw- Hill Book Company Inc, New York, 1961. [10] Andria N., Analisis Flutter Sirip Roket Balistik RX 420 dengan Melibatkan Modus Gerak Kaku Struktur Roket, Jurnal Makara Seri Teknologi Vol. 2 November. Universitas Indonesia, Depok, 2011.