0314: A.J. Fitroh HK-53 PENELITIAN SPIN MENGGUNAKAN CUTING & MULTI NOZZLE UNTUK MENINGKATKAN KESTABILAN TERBANG ROKET BALISTIK Ahmad Jamaludin Fitroh Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) Jln. Pemuda Persil No. 1, Jakarta Timur, 13220 Telepon (021) 4892802, HP 081809167557 e-mail: ahmad fitroh@yahoo.com Disajikan 29-30 Nop 2012 ABSTRAK Salah satu manuver roket adalah spin. Manuver spin diperlukan untuk menambah kestabilan terbang roket. Manuver spin dapat diperoleh dengan beberapa cara, salah satunya adalah dengan menggunakan cuting nosel. Metode cuting nosel tersebut harus dikombinasikan dengan multi nosel agar dapat digunakan sebagai sumber spin. Tujuan penelitian ini adalah mendapatkan konfigurasi cuting nosel dan multi nosel tertentu untuk menghasilkan putaran spin tertentu. Penelitian tersebut akan diterapkan pada roket jenis RX-2020 D230. Metode yang digunakan adalah metode analitis dan metode CFD. Hasil penelitian ini antara lain bahwa nosel jamak-5 menghasilkan gaya dorong yang paling kecil, yaitu 21.665 N. Selain itu nosel jamak-5 juga mempunyai konstruksi yang paling ringan, yaitu 3,160 kg. Namun jika memperhitungkan besar gaya dorong dikurangi berat nosel, maka nosel jamak-7 adalah yang optimal yaitu sebesar 22.096 N. Gaya dorong nosel jamak-7 setelah pemotongan (cuting) 10, 20, dan 30 adalah berkisar 20,8 kn. Torsi yang dihasilkan oleh ketiga cuting nosel tersebut juga hampir sama, yaitu sekitar 15 Nm. Hasil perhitungan pada kondisi terbang menunjukkan bahwa pada saat burn out, torsi tersebut akan mengakibatkan RX-2020 D230 spin sebesar 30 rps. Kata Kunci: Spin, cuting nozzle, multi nozzle, CFD, RX-2020 D230 I. PENDAHULUAN Salah satu cara untuk menambah kestabilan terbang roket adalah dengan menambahkan gerak spin pada roket tersebut. Manuver spin dapat diperoleh dengan beberapa cara, salah satunya adalah dengan menggunakan cuting nozzle. Metode cuting nozzle tersebut harus dikombinasikan dengan multi nosel agar dapat digunakan sebagai sumber spin. Tujuan penelitian ini adalah untuk memperoleh konfigurasi multi nosel dan cuting nosel yang optimal. Konfigurasi tersebut selanjutnya dihitung untuk memperoleh hubungan antara sudut pemotongan (cuting) nosel terhadap kecepatan putaran spin. Roket yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah RX 2020 D230. Roket tersebut mempunyai diameter luar sekitar 200 mm. Beberapa parameter yang akan digunakan dalam perhitungan antara lain: Berat total roket = 160 kg Waktu pembakaran (burn out) = 8,2 det Kecepatan terbang maksimum = 3,4 Mach Sudut elevasi terbang = 50 deg Laju aliran massa = 9,5 kg/det Massa Relatif (MR) molekul pembakaran = 25,7 Temperatur pembakaran = 3.183 K Gamma = 1,2 Kondisi lingkungan = permukaan laut (sea level) Untuk menjaga agar hubungan antara laju aliran massa dan tekanan pembakaran selalu sama, maka dipilih luas throat adalah sama untuk multi nosel dengan jumlah nosel berapapun. II. METODOLOGI Alur pengerjaan yang digunakan adalah sebagai berikut: 1. Memilih konfigurasi multi nosel. 2. Menghitung pengurangan gaya dorong pada multi nosel
HK-54 3. Mengestimasi pengurangan berat pada multi nosel TABEL 1: Hasil Perhitungan 0314: A.J. Fitroh 4. Menghitung optimasi gaya dorong dan pengurangan berat nosel akibat penggunaan multi nosel. 5. Memilih konfigurasi cuting nosel, termasuk memvariasikan sudut pemotongan nosel. 6. Menghitung gaya samping (side force) akibat penggunaan cuting nosel. 7. Menghitung spin Tahapan pengerjaan di atas diusahakan akan dilakukan secara berurutan. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Berikut ini geometri multi nosel dari hasil desain (satuan: cm): GAMBAR 2: Grid nosel tunggal (58.572 elemen) GAMBAR 3: Grid nosel jamak-4 (127.296 elemen) GAMBAR 1: Sketsa dan Dimensi Multi Nosel TABEL 2: Tekanan Total dan Losses Hasil perhitungan menggunakan Metode Analitis disajikan dalam tabeltab01. Gaya dorong terkecil dihasilkan oleh nosel jamak 5. Hal tersebut dikarenakan nosel jamak 5 memiliki luas exit yang paling kecil sehingga selisih antara tekanan di exit dengan tekanan atmosfer menjadi lebih besar. Bentuk grid yang digunakan untuk simulasi CFD disajikan dalam GAMBAR 2 sampai dengan GAMBAR 5. Hasil simulasi CFD berupa tekanan total dan losses disajikan dalam TABEL 2. Notasi p 0 inlet dan p 0 exit masing - masing menyatakan tekanan total di inlet dan exit nosel. Hasil simulasi dalam tabel di atas menunjukkan bahwa nosel tunggal maupun nosel jamak memberikan tekanan pembakaran yang hampir sama, yaitu antara
0314: A.J. Fitroh HK-55 aliran. Berikut ini disajikan beberapa kontur aliran. GAMBAR 6: Kontur Tekanan Statik Nosel Tunggal GAMBAR 4: Grid nosel jamak-5 (151.308 elemen) GAMBAR 7: Kontur Temperatur Statik Nosel Tunggal GAMBAR 5: Grid nosel jamak-7 (223.344 elemen) 52,48 hingga 52,71 bar. Hal tersebut tidak jauh berbeda dengan hasil perhitungan secara analitis, yaitu sebesar 53,1 bar. Hasil simulasi berupa tekanan statik, temperatur statik, kecepatan aliran, dan gaya dorong disajikan dalam TABEL 3. GAMBAR 8: Kontur Tekanan Total Dalam Nosel Tunggal TABEL 3: Parameter Aliran dan Gaya Dorong GAMBAR 9: Kontur Kecepatan Aliran (Mach) Dalam Nosel Tunggal Hasil simulasi di atas menunjukkan bahwa nosel tunggal menghasilkan kecepatan aliran di exit yang paling besar, yaitu 2,865 Mach atau ekivalen dengan 2.345 m/det. Hal tersebut dikarenakan nosel tunggal mempunyai luas exit yang paling besar. Selain dalam bentuk parameter aliran, hasil simulasi dapat juga disajikan dalam bentuk kontur parameter Berdasarkan hasil - hasil pada paragraf sebelumnya, maka dapat disampaikan bahwa terdapat beberapa perbedaan antara hasil perhitungan dan hasil simulasi CFD. Perbandingan hasil dari kedua metode tersebut disajikan dalam TABEL 4. Salah satu tujuan penggunaan multi nosel adalah untuk mengurangi berat nosel. Ukuran dan struktur multi nosel diperoleh dengan memperkecil (scaled
HK-56 0314: A.J. Fitroh GAMBAR 10: Kontur Tekanan di Permukaan Nosel Jamak-4 GAMBAR 15: Kontur Temperatur di Permukaan Nosel Jamak-5 GAMBAR 16: Kontur Tekanan Total Dalam Nosel Jamak-5 GAMBAR 11: Kontur Temperatur di Permukaan Nosel Jamak-4 GAMBAR 17: Kontur Kecepatan (Mach) Dalam Nosel Jamak-5 GAMBAR 12: Kontur Tekanan Total Dalam Nosel Jamak-4 GAMBAR 13: Kontur Kecepatan (Mach) Dalam Nosel Jamak-4 GAMBAR 18: Kontur Tekanan di Permukaan Nosel Jamak-7 GAMBAR 14: Kontur Tekanan di Permukaan Nosel Jamak-5 GAMBAR 19: Kontur Temperatur di Permukaan Nosel Jamak-7 down) nosel tunggal. Selanjutnya dilakukan pemotongan pada inlet dan exit untuk mendapatkan diame- ter yang sesuai. Sketsanya disajikan dalam GAMBAR 22 hingga GAMBAR 24.
0314: A.J. Fitroh HK-57 GAMBAR 20: Kontur Tekanan Total Dalam Nosel Jamak-7 GAMBAR 24: Sketsa nosel untuk nosel jamak - 7 (satuan: cm) GAMBAR 21: Kontur Kecepatan (Mach) Dalam Nosel Jamak-7 TABEL 4: Perbandingan Hasil Perhitungan dan Hasil CFD Rangkuman berat multi nosel disajikan dalam TABEL 5. TABEL 5: Rangkuman Berat Multi Nosel Hasil dalam TABEL 5 menunjukkan bahwa nosel jamak - 5 mempunyai berat yang paling ringan, yaitu 3,160 kg. Meskipun nosel jamak - 5 mempunyai berat yang paling ringan, namun perlu dianalisis bersamaan dengan pengurangan gaya dorong untuk menentukan nosel jamak berapa yang akhirnya akan digunakan. Rangkuman perbandingan gaya dorong, berat, dan resultan disajikan dalam TABEL 6. TABEL 6: Perbandingan gaya dorong, berat, dan resultan GAMBAR 22: Sketsa nosel untuk nosel jamak - 4 (satuan: cm) GAMBAR 23: Sketsa nosel untuk nosel jamak - 5 (satuan: cm) Sumber putaran (spin) dalam penelitian ini diperoleh dari multi nosel. Hasil dalam Tabel 6 menunjukkan bahwa setiap nosel jamak mempunyai resultan yang hampir sama. Dalam penelitian ini dipilih nosel jamak yang mempunyai resultan yang paling besar, yaitu nosel jamak - 7.
HK-58 0314: A.J. Fitroh Agar nosel jamak tersebut dapat berfungsi sebagai sumber spin, maka setiap noselnya akan dipotong pada exitnya kecuali nosel yang berada di tengah. Dalam penelitian ini pemotongan sudut pada cuting nosel dipilih 10, 20, dan 30 derajat. Sketsanya disajikan dalam GAMBAR 25 GAMBAR 27. GAMBAR 28: Bentuk mesh cuting nosel 100 tanpa far field GAMBAR 25: Sketsa cuting nosel 100 (satuan: cm) GAMBAR 29: Bentuk mesh cuting nosel 200 tanpa far field GAMBAR 26: Sketsa cuting nosel 200 (satuan: cm) GAMBAR 27: Sketsa cuting nosel 300 (satuan: cm) GAMBAR 30: Bentuk mesh cuting nosel 300 tanpa far field Sketsa tersebut kemudian disusun menjadi sebuah nosel jamak-7. Agar dapat disimulasi secara CFD, maka nosel jamak tersebut kemudian diubah menjadi bentuk mesh seperti pada GAMBAR 28 GAMBAR 30. Hasil simulasi berupa kontur tekanan dan kecepatan (Mach) disajikan dalam GAMBAR 31 GAMBAR 36. Hasil simulasi berupa parameter aliran disajikan dalam TABEL 7 TABEL 14. Setelah besar torsi diperoleh, maka pengerjaan selanjutnya adalah menghitung spin. Asumsi yang digunakan dalam perhitungan spin antara lain: GAMBAR 31: Kontur tekanan statik pada cuting nosel 100 Hubungan antara waktu dan kecepatan terbang adalah linier
0314: A.J. Fitroh HK-59 TABEL 7: Perbandingan tekanan total di exit GAMBAR 32: Kontur bilangan Mach pada cuting nosel 100 (tampak samping) TABEL 8: Perbandingan tekanan statik di exit GAMBAR 33: Kontur tekanan statik pada cuting nosel 200 TABEL 9: Perbandingan kecepatan di exit TABEL 10: Perbandingan gaya dorong GAMBAR 34: Kontur bilangan Mach pada cuting nosel 200 (tampak samping) TABEL 11: Perbandingan kecepatan aksial di exit GAMBAR 35: Kontur tekanan statik pada cuting nosel 300 TABEL 12: Perbandingan sudut aliran keluar nosel GAMBAR 36: Kontur bilangan Mach pada cuting nosel 300 (tampak samping) Roket beserta isinya dianggap sebagai tabung pejal Pusat gaya sirip diasumsikan berada tepat pada pertengahan bentang sirip Pada saat terbang spin, analisis gaya pada sirip hanya ditekankan pada gaya tangensial Bentuk sirip yang akan digunakan diasumsikan sama dengan bentuk sirip yang sudah ada. Sketsanya disajikan dalam GAMBAR 37. Kecepatan putar spin dihitung menggunakan metode analitis, yaitu menggunakan persamaan-
HK-60 0314: A.J. Fitroh Perhitungan spin dilakukan saat roket pada kondisi terbang. Spesifiknya adalah mulai dari start burning hingga end burning. Hasil perhitungan spin disajikan dalam TABEL 15 dan GAMBAR 38. TABEL 15: Hasil Perhitungan Spin GAMBAR 37: Sketsa sirip RX-2020 D230 TABEL 13: Perbandingan gaya samping TABEL 14: Perbandingan torsi persamaan aerodinamika dan inersia yang antara lain sebagai berikut: Massa roket sebagai fungsi dari waktu, m(t) = M ṁt Notasi M, ṁ, dan t masing - masing menyatakan massa awal atau total, laju aliran massa pembakaran, dan waktu Inersia roket, I = 1 2 mr2 Notasi R menyatakan jari - jari tabung bagian luar Hubungan antara percepatan putar, inersia, dan torsi, Iα = T nosel T sirip Notasi α, T nosel dan T sirip masing - masing menyatakan percepatan sudut, torsi yang dihasilkan oleh multi - cuting nosel, dan torsi yang disebabkan oleh hambatan putar sirip Gaya hambatan putar sirip, F t = 1 2 ρv 2 t S Notasi ρ, V t dan S masing - masing menyatakan kerapatan udara, kecepatan tangensial sirip, dan luas sirip Torsi hambatan sirip, T sirip = F t r sirip Notasi r sirip menyatakan jarak antara sumbu putar roket dan titik gaya hambatan putar pada sirip Kecepatan putar sirip, ω = α t GAMBAR 38: Hasil Perhitungan Spin Hasil perhitungan di atas menunjukkan bahwa selama burning time, kecepatan putar spin roket terus meningkat seiring berjalannya waktu. Pada saat burning out, hasil perhitungan menunjukkan bahwa RX- 2020 D230 akan terbang dengan spin 30,3 rps. IV. KESIMPULAN Kesimpulannya antara lain adalah mengenai gaya dorong multi nosel, berat multi nosel, pengurangan gaya dorong terhadap berat multi nosel, gaya dorong cuting nosel, torsi cuting nosel, dan spin roket. Uraiannya adalah sebagai berikut: 1. Gaya dorong yang dihasilkan oleh nosel tunggal, nosel jamak 4, 5, dan 7 masing-masing adalah 22.351, 22.098, 21.665, dan 22.132 N. Dengan demikian gaya dorong terbesar tetap dihasilkan oleh
0314: A.J. Fitroh HK-61 nosel tunggal sedangkan gaya dorong terkecil dihasilkan oleh nosel jamak-5. 2. Berat nosel tunggal, nosel jamak 4, 5, dan 7 masingmasing adalah 16,855 kg, 4,676 kg, 3,160 kg, dan 3,640 kg. Dengan demikian nosel jamak yang paling ringan adalah nosel jamak-5. 3. Besar gaya dorong dikurangi berat pada nosel tunggal, nosel jamak 4, 5, dan 7 masing-masing adalah 22.186, 22.052, 21.634, dan 22.096 N. Dengan demikian multi nosel yang paling efektif adalah nosel jamak-7. 4. Gaya dorong multi nosel sebelum pemotongan adalah 22.132 N. Gaya dorong setelah pemotongan 10, 20, dan 30 masing-masing adalah 20.787, 20.756, dan 20.869 N. Dengan demikian ketiga cuting nosel tersebut menghasilkan gaya dorong yang hampir sama. 5. Torsi yang dihasilkan oleh cuting nosel 10, 20, dan 30 masing-masing adalah 15,11 Nm, 15,27 Nm, dan 15,64 Nm. Meskipun tidak signifikan namun cuting nosel 30 tetap menghasilkan torsi yang paling besar. Dengan demikian dalam penelitian ini dipilih konfigurasi multi nosel jamak-5 dengan sudut pemotongan di exit sebesar 30. [8] Saad, Michel A., (1985). Compressible Fluid Flow, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, USA. [9] Thompson, J.F., Warsi, Z.U.A., and Mastine, W.C., (1985). Numerical Grid Generation ; Foundations and Applications, Elsevier Science Publishing Co., Inc. [10] Balabel, A., Hegab, A.M., Nasr, M., and Samy M. El-Behery, (2011), Assessment of Turbulence Modeling for Gas Flow in Two-Dimensional Convergent-Divergent Rocket Nozzle, Applied Mathematical Modelling 35, pp 3408-3422 [11] Saeri, (2009). Rancang Bangun Folded Fin Roket RX 2020, Laporan Akhir Program Insentif Riset Terapan, LAPAN [12] Bagus H. Jihad, (2011). Rancang Bangun Sistem Roket Model SeaCat (Booster dan Sustainer Terintegrasi dengan Aplikasi Multi Nosel dan Blast Tube), Laporan Akhir Program Insentif Riset Terapan, LAPAN 6. Pada saat burning out, hasil perhitungan menunjukkan bahwa RX-2020 D230 akan terbang dengan spin 30,3 rps. DAFTAR PUSTAKA [1] Kuo, K.K, (1984), Fundamentals of Solid Propellant Combustion, Vol.90, Progress in Astronautics and Aeronautics, Martin Sumerfield, SeriesEditor in-chief. [2] Anderson, J.D. JR., (1991). Fundamentals of Aerodynamics, Second Edition, Mc. GrawHill, Inc. [3] Anderson, J.D., (1995). Computational Fluid Dynamics ; The Basic with Application, McGraw-Hill. [4] Hirsch, C., (1990). Numerical Computation of Internal and External Flows, Vol. 2, John Wiley & Sons. [5] Hoffmann, K.A., and Chiang, S.T., (1993). Computational Fluid Dynamics for Engineers, Vol. II, Engineering Education Systems, Wichita, Kansas, USA. [6] Hoffmann, K.A., and Chiang, S.T., (1993). Computational Fluid Dynamics for Engineers, Vol. I, Engineering Education Systems, Wichita, Kansas, USA. [7] MacCormack, R.W., (1995). Numerical Computation of Compressible Viscous Flow, AA214 Course Notes, Department of Aeronautics and Astronautics, Stanford University, Stanford, CA.