BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pengertian Roket Roket adalah suatu wahana antariksa yang dapat menjelajah dengan kecepatan yang sangat tinggi. Sir Isaac Newton, seorang ahli matematika, scientist, dan seorang philosopher dari Inggris mengeluarkan Hukum Newton 3 yang berbunyi: For every action there is an equal and opposite reaction sehingga dapat diterjemahkan, untuk setiap aksi, akan ada reaksi yang arahnya berlawanan dan sama besar. Roket memiliki gaya aksi yang berasal dari semburan api dari nozzle yang mengarah keluar. Reaksi dari aksi tersebut adalah gaya dorong yang mengangkat roket terbang ke angkasa. 2.2 Sejarah Roket Pada awalnya roket ditemukan oleh bangsa Cina yang sebelumnya telah menemukan bubuk mesiu atau Black Powder. Pada saat itu bangsa Cina menggunakan roket sebagai peluncur panah api untuk melawan pemberontak. Gambar II. 1 alat pelontar panah api pada zaman cina kuno[2] 5
Banyak orang berpendapat bahwa hal tersebut merupakan cikal bakal roket. Seiring dengan perkembangan zaman dan teknologi pada saat itu, maka roket pun semakin dipelajari, dikembangkan, dan diteliti untuk berbagai keperluan, baik untuk keperluan damai maupun untuk keperluan perang. Pada saat perang dunia pertama dan kedua, banyak negara meneliti, membuat, dan menggunakan roket sebagai alat untuk mengalahkan negara lain. Hal ini dikarenakan keunggulan roket sebagai pembawa hulu ledak jarak jauh. Sehingga roket dijadikan suatu alat yang efektif untuk menghancurkan lawan. 2.3 Manfaat Roket Roket memiliki banyak manfaat dalam kehidupan manusia. Kemampuannya sebagai wahana yang mampu bergerak dengan kecepatan tinggi membuat roket banyak dimanfaatkan dan dikembangkan sebagai wahana antariksa. Baik itu untuk ilmu pengetahuan, sarana telekomunikasi, ataupun berbagai keperluan lainnya. Biaya yang dikeluarkan untuk pengembangan roket sangat besar, tentunya manfaat dari roket harus lebih besar dari biaya pembuatannya. Beberapa manfaat dari pembuatan roket : 1. Riset ruang angkasa 2. Membawa satelit ke orbit 3. Membawa pesawat ulang alik 4. Persenjataan militer untuk mempertahankan diri ataupun menyerang musuh (missile atau peluru kendali) 2.4 Struktur Umum Roket Komponen utama roket terdiri dari empat bagian yaitu rangka (structure system), beban (payload system), sistem pemandu (guidance system) dan sistem propulsi (propultion system). 6
Rangka atau badan roket (rocket frame) yang berfungsi sebagai pelindung terbuat dari bahan yang kuat tetapi ringan seperti titanium dan aluminium. Badan roket ini juga dilapisi dengan lapisan khusus untuk melindunginya dari panas yang berlebihan saat menembus atmosfir bumi dan juga untuk melindungi dari dingin yang berlebihan. Sirip di pasang pada bagian bawah roket untuk menjaga stabilitas selama peluncuran. Sistem beban (payload system) merupakan tempat untuk membawa wahana. Jadi sistem ini tergantung pada misi yang diemban roket. Jika untuk mengorbitkan satelit, maka rancangannya pun harus disesuaikan. Sistem pemandu (guidance system) merupakan alat yang digunakan untuk mengarahkan/mengontrol roket sampai tujuan. Sistem pemandu roket ini dilengkapi dengan sensor, komputer, radar, dan alat komunikasi. Beragam jenis metode telah digunakan untuk sistem ini. Roket modern memiliki kemampuan untuk menggerakan nosel agar dapat bermanuver. Sistem propulsi (propultion system) adalah mesin yang digunakan sebagai tenaga pendorong roket. Sistem propulsi roket secara garis besar menggunakan bahan bakar padat dan bahan bakar cair. Gambar II. 2 bagian-bagian roket [3] 7
Seperti terlihat pada gambar II.2, sebagian besar bagian roket terdiri dari sistem propulsi. Hal ini dimaksudkan agar roket dapat meluncur dengan ketinggian maksimal di udara. Semua bagian-bagian tersebut merupakan bagian yang penting dalam kinerja roket, namun hal yang sangat penting adalah sistem struktur. Bentuk roket dan kekuatan untuk menahan gaya-gaya yang terjadi selama roket terbang serta penopang semua sistem dibahas dalam sistem struktur. Secara umum struktur roket terdiri atas nose cone, body, fin dan motor roket. Nose cone merupakan bagian roket yang pertama menabrak udara pada saat roket terbang. Sehingga nose cone menjadi bagian terluar roket yang mengalami gaya yang cukup besar karena bertabrakan dengan udara. Selain itu fin atau sirip juga merupakan bagian terluar roket yang bertabrakan dengan udara. Oleh karena itu kedua bagian ini harus diperhatikan kekuatan strukturnya, terutama pada saat pemilihan material dan proses assembly. Body juga merupakan bagian luar roket yang bergesekan dengan udara namun body hanya mengalirkan udara dari nose cone ke fin. Namun kekuatan body juga jangan diabaikan karena dilihat dari fungsi body sebagai tempat pemasangan bagian-bagian roket, dan sebagai pelindung motor roket dari benturan langsung oleh benda asing pada saat terbang. Bagian dalam roket yang mengalami gaya yang sangat besar adalah pada bagian sistem propulsi, yaitu motor roket atau combustion chamber. Motor roket terdiri atas tabung motor roket yang ditutup oleh bulkhead, dan nosel pada ujung yang lain. Didalam motor roket terdapat bahan bakar dan igniter. Bahan bakar ini kemudian akan dibakar dengan igniter dan menghasilkan gaya dorong yang keluar melalui nosel. 8
2.5 Chamber Pressure Chamber pressure merupakan tekanan yang terjadi di dalam chamber atau ruang bakar. Dalam tugas akhir ini, yang dimaksud dengan ruang bakar adalah motor roket. Chamber pressure terjadi karena pembakaran propelan yang menghasilkan aliran gas panas. Aliran gas panas tersebut kemudian mendesak keluar melalui throat nozzle. Aliran gas panas yang terdesak ini akan menghaasilkan tekanan yang cukup tinggi. namun tekanan tersebut lambat laun akan terus berkurang seiring dengan berkurangnya propelan. Hal ini dikarenakan motor roket memiliki lubang yaitu throat nozzle. Perhitungan besarnya tekanan harus dilakukan untuk dijadikan perhitungan dalam besarnya tegangan tegangan yang terjadi pada tabung motor roket. Perhitungan tekanan ini menggunakan rumus sebagai berikut : [ ]..(1) Dimana : = Pressure Chamber ( Mpa) = = Burn rate coefficient (koefisien laju pembakaran) = Convertion factor, MPa to Pa (1000000) = Massa Jenis propellan ( ) = Kecepatan aliran gas di throat nozzle (m/s) n = Pressure Exponent (0.61) dari rumus (1) parameter yang masih belum diketahui nilainya adalah, dan. 9
Ketiga parameter tersebut dapat diketahui dengan menggunakan rumus. Rumus yang dipakai untuk menentukan parameter tersebut adalah sebagai berikut : (2) Dimana : = Propellant burning Area = Luas penampang throat nozzle didapatkan dengan menggunakan rumus (3) sebagai berikut. [ ( )] (3) Dimana : = Diameter luar propelan (m) = Diameter dalam (m) L = Panjang propelan (m) Gambar menjelaskan mengenai dan. Gambar II. 3 bentuk propelan[12] 10
Perhitungan A t dengan mengguanakan rumus (4). A t =.(4) Dimana : r = Jari jari throat nozzle. Dimensi besarnya lubang throat dapat dilihat pada lampiran. Kemudian massa jenis propelan dapat diketahui dengan menggunakan rumus (5)...(5) Dimana : = Fraksimol potasium = Fraksimol gula = Massa jenis potasium = Massa jenis gula Fraksimol didapatkan dari perhitungan persentasi antara gula dan potasium. Perhitungan dengan menggunakan rumus (6) sebagai berikut. [ ]..(6) Dimana : = Universal gas constant =8314 (J/mol-K) = Ideal combustion temperature = 1720 (K) M = Molecular weight k = Rasio panas spesifik = 1.333. hasil ini didapatkan dari table JANAF Thermochemical Tables and NIST Chemistry WebBook yang dilampirkan. Setelah perhitungan semuanya, maka perhitungan pressure chamber dapat dilakukan. 11
2.6 Kekuatan Struktur Motor Roket Seperti yang telah dijelaskan pada sub bab sebelumnya, motor roket merupakan combustion chamber yang berbentuk tabung, dengan asumsi gaya-gaya yang terjadi menggunakan perhitungan tegangan pada bejana tekan berdinding tipis. Pada saat bahan bakar terbakar, maka akan dihasilkan gaya dorong yang keluar melalui celah nosel yang sempit, sehingga tekanan didalam motor roket akan membesar seiring dengan pertambahan suhu. Hal inilah yang menjadi dasar perhitungan kekuatan motor roket. Kondisi motor roket pada saat bahan bakar dibakar dapat dilihat pada gambar II.4. Gambar II. 4 motor roket pada saat bahan baka terbakar[2] 2.7 Tegangan pada Tabung Bertekanan Pressure Vessel atau disebut bejana tekan (tabung bertekanan) merupakan wadah tertutup yang dirancang untuk menampung cairan atau gas pada temperatur yang berbeda dari temperatur lingkungan. Bejana tekan digunakan untuk bermacammacam aplikasi di berbagai sektor industri seperti industri kimia (petrochemical plant), energi (power plant), minyak dan gas (oil & gas), nuklir, makanan, bahkan sampai pada peralatan rumah tangga seperti boiler pemanas air atau pressure cooker. 12
Tekanan yang terjadi pada tabung bertekanan terdiri dari tiga macam arah gaya, seperti tampak pada gambar diatas. Gaya-gaya tersebut antara lain : 1. Longitudinal stress ( ) 2. Radial stress ( ) 3. Hoop stress atau transversal stress ( ) Gambar II.5 menjelaskan mengenai arah gaya-gaya pada pipa berdinding tipis. Dengan rumus-rumus Gambar II. 5 arah gaya-gaya pada tabung[5] 1. Longitudinal Stress,.. (7) 2. Hoop stress,..(8) Dimana : P = Tekanan yang terjadi di dalam tabung.(pa) D t = Diameter luar tabung (m) = Tebal tabung (m) 13
Nilai tekanan diambil dari data tekanan yang sering terjadi pada motor roket secara teori. Selain itu juga didapatkan dari data uji tarik yang diproses dengan menggunakan rumus (9)...(9) dimana : = regangan = antara panjang awal dan panjang material pada saat putus = panjang awal dari material Setelah didapatkan nilai e maka langkah selanjutnya adalah mencari nilai dengan menggunakan rumus (10),.. (10) dimana : = tegangan yang terjadi (Pa) F = besarnya gaya yang didapatkan dari perkalian antara beban putus material dengan gravitasi bumi yang diasumsikan sebesar 9,81 m/s 2 A = luas penampang dari spesimen ( m 2 ) 14