ANALISIS HASIL PENGUJIAN DAN PREDIKS1 TEORITIS AERODINAMIKA ROKET RX 300 Salam Glntlng Peneliti Bidang Aerodinamika. LAPAN
ABSTRACT LAPAN h a s a supersonic wind tunnel facility which could be u s e d for research of rocket model to get aerodynamics characteristic of t h e model through testing with various speeds within supersonic range. The research on t h e RX 300 rocket model has been carried out in t h e above facility at velocity range of 1,5 - 3 Mach. Some aerodinamic are obtained from this research. Such as lift drag a n d m o m e n t coefficients. Aerodynamic coefficient is shown in the curve as a function of Mach and angle of attack. This result will be compared with the theoretical calculation a n d t h e result is higher a r o u n d 5 % than theory. The approach of Q u a d r a t u r e Multhopp is method use in this analysis. The RX 3 0 0 rocket model is equipped with four flaps at t h e back part of the rocket as a stabilizer when t h e rocket is launched. This rocket is designed for being able to carry a payload with dimention of 25 cm diameter a n d 45 cm length. Keywords : Aerodynamic rocket, Wind tunnel ABSTRAK LAPAN memiliki fasilitas terowongan angin supersonik d a n dapat digunakan untuk penelitian karakteristik aerodinamika model roket melalui pengujian dalam berbagai k e c e p a t a n p a d a d a e r a h supersonik. Pengujian d i l a k u k a n u n t u k model roket RX 300 di dalam terowongan angin tersebut, p a d a d a e r a h kecepatan bilangan Mach antara 1,5 - 3. Dari penelitian ini diperoleh parameter aerodinamika seperti koefisien gaya angkat, gaya h a m b a t d a n momen. Koefisien aerodinamika ditunjukkan dalam kurva sebagai fungsi bilangan Mach d a n s u d u t serang. Dibandingkan dengan perhitungan teoritis hasil pengujian yang diperoleh lebih b e s a r dari teori sekitar 5 %. Metode pendekatan Q u a d r a t u r e Multhopp digunakan u n t u k anali&is ini. Model roket RX 300 dilengkapi dengan e m p a t b u a h sirip, yang dipasang p a d a belakang b a d a n roket sebagai penstabil s a a t roket diluncurkan. Roket ini dirancang d a n dapat digunakan u n t u k m e m b a w a m u a t a n dengan dimensi diameter 25 cm d a n panjang 45 cm. Kata k u n c i : Aerodinamik, Roket, Terowongan angin 1
PENDAHULUAN
Untuk memperoleh hasil penelitian yang baik biasanya dilakukan dengan pengujian di laboratorium dan kemudian dibandingkan dengan prediksi teoritis dan data referensi yang s u d a h baku. Dalam m a k a l a h ini a k a n ditampilkan hasil pengujian karakteristik aerodinamika roket RX 300, yang dilakukan dalam terowongan a n g i n supersonik LAPAN. Di samping itu d i c a n t u m k a n j u g a hasil penelitian yang dilakukan secara teoritis dengan m e n g g u n a k a n metode yang telah dikembangkan oleh Quadrature
Multhopp secara analitis. Besaran besaran yang diperoleh dalam uji coba yang dilakukan dalam terowongan angjn adalah gaya normal 1, gaya normal 2, gaya aksial dalam s a t u a n mikro volt t e r u k u r oleh sensor strain gauge yang dipasang p a d a sting balance. Untuk mengkonversikan besaran-besaran yang t e r u k u r dalam mikro volt, telah dipersiapkan p r o g r a m komputer sehingga diperoleh s a t u a n gaya b e r u p a gaya normal, gaya angkat, gaya h a m b a t dan momen tukik. Dari hasil penelitian dalam terowongan angin a k a n diperoleh 86
informasi penting sebagai m a s u k a n dalam perancangan roket RX 300 secara teoritis. Koefisien aerodinamika yang diperoleh ditampilkan sebagai fungsi dari bilangan Mach d a n s u d u t serang. Hasil prediksi teoritis d i c a n t u m k a n u n t u k melihat perbedaan a n t a r a hasil pengujian dan teoritis. 2
METODB PBNBLITIAN
Metode penelitian dilakukan sesuai dengan prosedur yang s u d a h d i s u s u n secara b a k u di laboratorium terowongan angin supersonik, s u p a y a memperoleh hasil yang lebih baik. Secara garis besar fasilitas yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari; terowongan angin, instrumentasi, alat b a n t u d a n d a t a akuisisi. Terowongan angin yang digunakan adalah jenis intermittent blow down dengan u k u r a n seksi uji 12" x 12" yang dapat dioperasikan pada daerah bilangan Mach a n t a r a 1,5 sampai dengan 3 (Gambar 2-1). Pada gambar ini ditunjukkan sliding blok yang berguna u n t u k pengaturan kecepatan. Gambar model roket 300 dapat dilihat pada Gambar 2-2, d a n roket sebenarnya dapat dilihat p a d a Gambar 2-3. • Instrumentasi yang digunakan terdiri dari sensor strain gauge; panel kontrol, alat akuisisi data, komputer d a n plotter, • Model roket d e n g a n u k u r a n d i a m e t e r 3 cm, panjang 3 2 , 5 cm dipasang p a d a sting balance d a n terbuat dari b a h a n stainles steel. Model dilengkapi dengan 4 b u a h s h i p di bagian ekor yang terpasang simetris terhadap sumbu model, berguna sebagai stabiliser s a a t roket diluncurkan. 2.1 Prosedur Pengujian Tangki u d a r a yang terdiri dari 2 buah diisi dengan kompressor sehingga mencapai tekanan 120 sampai dengan 160 psi. Selanjutnya model dipasang
87
p a d a sting balance (Gambar 2-1) dengan posisi awal s u m b u model tepat p a d a garis s u m b u seksi uji terowongan angin. , Setelah t e k a n a n reservoir u d a r a c u k u p , baru* terowongan angin dioperasikan. Data karakteristik aerodinamik model roket akan diperoleh pada berbagai sudut serang d a n beberapa bilangan Mach. Untuk m e n d a p a t k a n kecepatan yang bervariasi dilakukan dengan meng-geser balok geser dengan gerakan maju m u n d u r sehingga l u a s a n throat bervariasi (Gambar 2-1). Untuk memvariasikan sudut serang (a), sting balance Qu.ad.ran system dapat digerakkan naik t u r u n sehingga model dapat bergerak dari 0° sampai dengan 10°, mengikuti program yang telah dibuat. Data yang diperoleh dari penelitian ini k e m u d i a n diolah dengan software yang telah dipersiapkan d a n hasilnya b e r u p a grafik yang menggambarkan karakteristik aerodinamika dari model roket. 2.2 Geometri Model Roket RX 3 0 0 R u m u s yang digunakan dalam pengolahan data pengujian dalam terowongan angin tersebut adalah sebagai b e r i k u t :
88
Pusat tekanan aerodinamis dibutuhkan untuk mengetahui besarnya statik margin, sebagai perkiraan awal stabilitas. Koefisien gaya angkat merupakan penjumlahan dari masing-masing gaya angkat setiap komponen yang terjadi pada nosecone, pada badan, pada sirip dari roket ditambah akibat interferensi antara badan dan sirip. Sedangkan gaya hambat terjadi akibat adanya tekanan dan gesekan yang dialami oleh permukaan tiap komponen roket dengan udara atmosfer. Penelitian ini dilakukan dengan pengujian model dalam terowongan angin sebagai data pembanding dari prediksi teoritis yang menggunakan referensi yang telah dikembangkan metodenya oleh Quadrature Multhopp. Hasilnya berupa karakteristik aerodinamika yakni koefisien gaya angkat, koefisien gaya hambat dan koefisien momen, yang dibandingkan antara hasil pengujian dan dari teoritis. 3. HASIL PENELITIAN Telah diperoleh hasil penelitian berupa karakteristik aerodinamika roket RX 300 melalui pengujian dalam terowongan angin d a n dengan prediksi secara teoritis. Hasil pengujian dalam terowongan angin d i t u n j u k k a n p a d a Gambar 3-1 sampai dengan 3-7, sedangk a n hasil prediksi teoritis dapat dilihat p a d a Gambar 3-8 sampai dengan 3-14. Hasil pengujian d a n teori masing-masing ditampilkan dalam bentuk kurva koefisien a e r o d i n a m i k a y a k n i ; koefisien gaya a n g k a t , koefisien gaya h a m b a t d a n koefisien momen. Hasil pengujian berupa
koefisien gaya angkat (CL) dapat dilihat pada Gambar 3-1 d a n 3-2, sebagai fungsi dari s u d u t serang d a n bilangan Mach. Koefisien gaya h a m b a t dapat dilihat pada Gambar 3-3 d a n 3-4, j u g a sebagai fungsi dari bilangan Mach d a n s u d u t serang. Sedangkan koefisien momen (CM) ditampilkan pada Gambar 3-5 d a n 3-6. Untuk mengetahui seberapa besar adanya rolling (CR) p a d a pengujian tersebut dapat dilihat pada Gambar 3-7. Untuk hasil prediksi teoritis karakteristik aerodinamika dapat dilihat pada Gambar 3-8 sampai dengan 3-12. Koefisien gaya angkat (CJ ditunjukkan p a d a Gambar 3-8 dan 3-9, sedangkan koefisien gaya h a m b a t (CD) dapat dilihat pada Gambar 3-10 d a n 3-11. Koefisien momen (CJ dapat dilihat pada Gambar 3-12. Hasil pengujian d a n teoritis a k a n dibandingkan, u n t u k mengetahui, perb e d a a n a n t a r a keduanya. Hasil pengujian ini berfungsi sebagai validasi dari d a t a teoritis yang diperoleh. K h u s u s u n t u k p u s a t t e k a n a n aerodinamis (Lcp) dihit u n g secara teoritis dari roket RX 300 dengan u k u r a n sebenarnya. 3.2 Hasil Pengujian pada Terowongan Angin • Koefisien gaya angkat (CJ
91
G a m b a r 3-13: Kurva Lcp vs s u d u t a 4
PEMBAHASAN
Dari hasil a n t a r a pengujian d a n teoritis, dilakukan p e m b a h a s a n hasil koefisien aerodinamika a n t a r a pengujian dan teoritis. Dilihat dari bentuk d a n kecenderungan kedua jenis penelitian ini hampir sama, n a m u n yang penting dilihat adalah seberapa besar perbedaan nilai keduanya yakni a n t a r a teori d a n pengujian. • Koefisien gaya angkat C L Bentuk kurva a n t a r a pengujian dan teori hampir sama, demikian juga arah kurvanya. Dari Gambar 3-1 dan 3-8, terlihat bahwa harga C L s a m a - s a m a bertambah besar dengan naiknya harga sudut serang (a). Pada Gambar 3-2 dan 3-9 terlihat bahwa nilai C L cenderung t u r u n dengan kenaikan harga bilangan Mach (M). Perbedaannya adalah b a h w a nilai koefisien gaya angkat hasil pengujian cenderung lebih besar sedikit dari hasil teoritis pada sudut a t a u bilangan Mach yang sama. Perbedaan ini k a r e n a hasil teori dia s u m s i k a n b a h w a u d a r a n y a ideal, tetapi bilangan Reynolds (Re) belum tentu s a m a a n t a r a model dan roket yang diluncurkan, kehalusan permukaan roket juga standar (halus) d a n ada posisi yang s u s a h u n t u k disimulasikan, sedangkan dari hasil pengujian ada beberapa kelemahan yakni kualitas model tidak standar terutama kehalusan
Gambar 3-14:Kurva Lcp vs bilangan Mach p e r m u k a a n d a n kesimetrisan k o n t u r / bentuk tiap komponen. Kualitas u d a r a di daerah tropis sedikit lebih lembab, dari u d a r a yang diasumsikan p a d a teoritis, dalam arti a d a perbedaan kerapatan u d a r a , sehingga hasil pengujian dalam terowongan angin nilainya cenderung lebih besar dari p a d a hasil teoritis. • Koefisien gaya h a m b a t (CD) Kurva a n t a r a koefisien gaya h a m b a t (CD) hasil teori d a n pengujian. Disini juga terlihat bahwa nilai koefisien gaya h a m b a t (CD) hasil pengujian cenderung lebih besar dari p a d a hasil teori. Hal tersebut j u g a terjadi disebabkan oleh kondisi yang telah diutarakan seperti di atas. • Koefisien m o m e n (CM) Kurva koefisien momen (CM) a n t a r a pengujian d a n teori, terlihat bahwa hasil pengujian cenderung lebih besar. Persentase perberbedaan tersebut seperti diutarakan d i b a w a h ini. Untuk harga C L hasil pengujian lebih besar ± 5 % dari hasil teoritis. Harga C D terlihat hasil pengujian lebih besar dari hasil teoritis besarnya ± 6 %. Demikian juga koefisien momen harga C M pengujian lebih besar dari hasil teoritis ± 4 %. Dari u k u r a n sebenarnya telah dapat ditentukan letak p u s a t t e k a n a n 92
aerodinamika dari roket RX 300. Dari prediksi tersebut, letak p u s a t tekanan aerodinamika roket RX 3 0 0 a n t a r a 0,78 d a n 0,81 p a d a kecepatan Mach 1,5 sampai dengan 3. J i k a dibandingkan dcngan rancangan roket RX 150 yang konfigurasinya hampir sama dengan roket RX 300, ternyata Lcp roket RX 150 0,83. Hal ini diperkirakan karena sirip roket tersebut konfigurasinya adalah segi empat. Harga p.AR (beta x aspek ratio) roket RX 150 lebih besar dari roket 300. J i k a dibandingkan dengan roket NACA report no. 2 5 , ternyata h a r g a Lcp roket NACA juga lebih besar dari roket RX 300, yakni Lcpnya = 0,84. Ternyata harga p.AR roket NACA no. 25 j u g a lebih besar. Pusat tekanan aerodinamika roket NACA no. 24 hampir s a m a dengan roket RX 300 yakni ± 0,80. Hal ini wajar karena h a r g a aspek ratio x beta (p.AR) k e d u a roket ini hampir s a m a . Dalam penelitian ini koefisien rolling terjadi walaupun nilainya c u k u p kecil. Pada Mach 1,5 besar koefisien rolling ± 0,02, sedangkan pada Mach 3 h a r g a n y a ± 0,003. Adanya koefisien rolling disebabkan tidak simetrisnya pemasangan sirip dan s u d u t leading edge yang b e s a r n y a tidak persis sama. Nilai koefisien rolling ini sangat kecil sehingga d a p a t diabaikan.
5
KESIMPULAN
Harga koefisien aerodinamika CL, CD d a n CM roket RX 3 0 0 yang diperoleh dari pengujian mempunyai h a r g a yang mendekati dengan hasil perhitungan teoritisnya. Bentuk d a n kecenderungan kurvanya telah mengikuti hasil penelitian yang telah dilakukan oleh NACA report yang digunakan sebagai referensi perancangan konfigurasi roket yang dilakukan selama ini. Koefisien rolling p a d a Gambar 3-7 s e h a r u s n y a tidak ada, ternyata a d a walaupun terlihat bahwa nilainya kecil sekali. Pada kurva CL terlihat bahwa harganya makin besar dengan kenaikan sudut serang (a) dan bertambah kecil dengan kenaikan bilangan Mach (M). Hal ini disebabkan h a r g a kerapatan u d a r a p,
93
bertambah kecil secara signifikan dengan kenaikan harga bilangan Mach. Demikian juga u n t u k h a r g a CD dan CM, mengikuti perilaku yang a d a pada kurva CL- Dari penelitian ini disimpulkan bahwa hasilnya c u k u p baik u n t u k dipublikasikan dan m u d a h - m u d a h a n dapat menjadi m a s u k a n u n t u k pengembangan peroketan nasional di LAPAN. Dari hasil perhitungan teoritis yang dilakukan telah diperoleh letak p u s a t t e k a n a n aerodinamis ± 0,80 u n t u k roket RX 3 0 0 . Dalam b a h a s a n telah dicant u m k a n data-data letak p u s a t t e k a n a n aerodinamis dari roket RX 150, roket NACA report 1307 no. 24 d a n 25 sebagai rujukan. DAFTAR RUJUKAN Alan Pope, 1958. Aerodynamics of Supersonic Flight, Pitman Publishing Corporation. Alan Pope, 1978. High Speed Wind Tunnel Testing, Robert, E. Kreiger. Publ. Co, Huntington, New York. Ames Research Staff, 1953. Report 1153, National Advisory Committee for Aeronautics. Antonio Ferri, 1949. Elements of Aerodynamics of Supersonic Flow, The Mac millan Company. C.J. Schuelery, 1960. An Investigation of Model Blockage For Wind Tunnels at Mach n u m b e r s 1,5 to 19,5 AEDCTN59-165. Cumming, R.M.; a n d Sun. J., 1960. Evaluation of Missile Aerodynamic Characteristics Company Canoga Park California. Gregarius, G. Dr., 25 J a n u a r i 1986. An Interferensi to Missile Aerodynamics Problems. IPTN Bandung. J a c k N. Nielsen, NASA Ames Research Center Maffet Field California, Volume 104. Progress in Astronautics and Aeronautics. Jack, N. Nielsen, 1960. Missile Aerodynamics, Mc Graw Hill Book Co, Inc. New York.
Jenie, Said D., 1988. Manual Perancangan Roket Kendali, ITB/LAPAN. Jlacner, F. Seghard, 1965. Protical Information on Aerodynamic Drag and by Aerodynamic Resistance. Krasnov, NF, 1978. Aerodynamics {translate from rusian), American Publ.Co.PUT-LTD, New Delhi. Martin Summerfield, Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 119, in the AIAA, Test and Evaluation of the Tactical Missile.
R.T. Patterson, 1 9 5 1 . The Design and performance of an Air Drying System for a Supersonic Wind Tunnel Navy Report DTMB 80. Reagen, J. Frank, 1986. Lecture Missile Performance Calculation, Aerolab. USA. Samuel B. Moore, 1 9 6 1 . The Design and Evaluation of an Internal Six Component Strain Gauge Balance Southern Methodist University.
\
94
