ANALISIS PRESTASI DAN LINTAS TERBANG WAHANA PELUNCUR POLYOT
TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi sebagian syarat kelulusan Program Strata I pada Program Studi Teknik Penerbangan Institut Teknologi Bandung
Oleh
PUTRA PRADIPTA 136 03 026
Pembimbing
Dr. Ir. TOTO INDRIYANTO Dr. Ir. RIDANTO EKO POETRO
PROGRAM STUDI TEKNIK PENERBANGAN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
LEMBAR PENGESAHAN
Telah diperiksa dan disetujui Sebagai Tugas Akhir Sarjana Strata 1 (S-1) pada Program Studi Teknik Penerbangan Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Bandung
Disetujui Oleh
Pembimbing 1
Pembimbing 2
Dr. Ir. Toto Indriyanto
Dr. Ir. Ridanto Eko Putro
KATA PENGANTAR Segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan berkah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik. Salawat serta salam penulis haturkan kepada Rasulullah, Muhammad SAW, semoga Beliau diterima di hadirat-Nya. Perjuangan penulis dalam menyelesaikan studi di Teknik Penerbangan ITB tidaklah berkat penulis seorang diri. Banyak sekali pihak yang membantu penulis baik secara langsung maupun tidak langsung semuanya sangatlah berharga bagi penulis. Beribu-ribu rasa terima kasih saya kepada mereka tidaklah cukup apabila dibandingkan dengan apa yang saya dapatkan. Melalui Tugas Akhir ini yang merupakan buah perjuangan saya di ITB dan batu loncatan untuk mengarungi tahap hidup selanjutnya penulis ingin turut menorehkan nama-nama mereka yang telah mengisi dan memberi arti pada hidup penulis. Sehingga penulis mendedikasikan karya ini kepada: •
Ayahanda, Zulkifli Mahdi, ibunda, Estinar Indah serta adik-adikku, Arya Radiktya dan Putri Aprilia Rahmani. Senyum kebahagiaan mereka ialah tujuanku.
•
Dr. Ir. Toto Indriyanto dan Dr. Ir. Ridanto Eko Poetro, yang telah menjadi pembimbing tugas akhir dan telah menurunkan ilmu-ilmu yang tidak ternilai.
•
Bapak Prof. Said D. Jenie, Giri Suada, Hari Muhammad, Hisar Pasaribu, Ichsan S. Putra, Leonardo Gunawan, Taufik Mulyanto, Agus Boediono dan segenap dosen-dosen Program Studi Teknik Penerbangan atas ilmu dan pandangan-pandangan yang membuka cakrawala.
•
Bapak Robertus Heru (LAPAN) atas segenap bantuan dan partisipasinya dalam pelaksanaan riset Tugas Akhir.
•
Dessy Saptarini, atas tuntunan dan warna yang dikuaskan pada hidup penulis.
•
Seluruh teman-teman civitas akademika di Teknik Penerbangan ITB, atas jasajasa yang tak terbalas dan selalu memberikan dukungan serta bantuan terhadap penulis. Penerbangan hati kami, KMPN jiwa kami, jayalah selama-lamanya.
•
Rekan-rekan yang senantiasa menghirup udara yang sama dengan penulis: Rangga Suradilaga, Oky Sugiri, Hardani Maulana, Abdul Hadi, Edyson Purba, Muhammad Eltsaury, Sony Radito, Bustanil, Yudhidya, Dimitri, Anisa Ayu. i
•
Segenap kerabat HMT dan Terra yang membuka wawasan penulis.
•
Segenap kerabat Salvozesta dan Hazel 70 yang telah memberikan kenangan yang abadi.
•
Timnas sepakbola Indonesia yang telah memperdalam cinta penulis kepada tanah air.
•
Timnas sepakbola Italia yang telah membuktikan kemampuan dengan menjadi juara dunia.
•
Lapangan basket ITB yang membuat kampus menjadi tempat yang sangat menyenangkan. Bandung, September 2007
Penulis
ii
ABSTRAKSI Polyot adalah wahana peluncur yang digunakan untuk mengirimkan payload ke angkasa luar dengan menggunakan sistem air launch, yaitu dengan melaksanakan peluncuran dari ketinggian tertentu. Proses peluncuran diawali dengan mendorong Polyot keluar dari pesawat pembawa (carrier aircraft), AN – 124 – 100AL Ruslan. Dengan cara tersebut Polyot dapat diluncurkan dari mana saja secara praktis hingga mencapai ketinggian orbit yang diinginkan. Polyot dapat mengirimkan satelit hingga ketinggian Geo Transfer Orbit (GTO) dan Geostationary Orbit (GEO). Untuk berat payload yang lebih besar, Polyot dapat mengirimkan hingga ketinggian Low Earth Orbit (LEO). Pada tugas akhir ini dilakukan simulasi peluncuran Polyot dalam mencapai ketinggian orbit yang diinginkan dengan merekonstruksi lintas terbangnya. Dari hasil analisis yang diperoleh kemudian dapat diperkirakan kemungkinan peluncuran yang dilakukan oleh Polyot selama proses peluncurannya. Kata kunci : Polyot, air launch system
iii
DAFTAR NOTASI •
m
Laju konsumsi bahan bakar
1b
Vektor satuan arah dalam TAK benda
1I
Vektor satuan arah dalam TAK inersial
a
Kecepatan suara
Ae
Luas keluaran permukaan nosel
c
Panjang acuan
CD
Koefisien total gaya hambat aerodinamika
CD0
Koefisien gaya hambat aerodinamika pada orde ke-0
CD1
Koefisien gaya hambat aerodinamika pada orde ke-1
CD2
Koefisien gaya hambat aerodinamika pada orde ke-2
CD3
Koefisien gaya hambat aerodinamika pada orde ke-3
CL
Koefisien total gaya angkat aerodinamika
CL0
Koefisien gaya angkat aerodinamika pada orde ke-0
CL1
Koefisien gaya angkat aerodinamika pada orde ke-1
CL2
Koefisien gaya angkat aerodinamika pada orde ke-2
CL3
Koefisien gaya angkat aerodinamika pada orde ke-3
CM
Koefisien momen aerodinamika
CM0
Koefisien momen aerodinamika pada orde ke-0
CM1
Koefisien momen aerodinamika pada orde ke-1
CM2
Koefisien momen aerodinamika pada orde ke-2
D
Gaya hambat aerodinamika
FT
Gaya dorong
go
Percepatan gravitasi bumi standar muka laut
h
Ketinggian terbang
Isp
Specific impuls
Iyy
Momen inersia terhadap sumbu-y dalam TAK inersial
L
Gaya angkat aerodinamika
m
Massa roket setiap saat, m(t)
M’
Momen aerodinamika dalam arah sumbu-y dalam TAK benda
Ma
Bilangan mach
Maero Momen aerodinamika iv
Mo
Massa total awal roket
Pe
Tekanan udara keluaran nosel
P∞
Tekanan udara atmosfer
q
Tekanan dinamik roket
Re
Jari-jari rata-rata bumi
S
Luas permukaan acuan roket
tB
Waktu bakar propelan roket
T
Temperatur udara
Ve
Kecepatan keluaran semburan keluaran nosel
Vx
Komponen kecepatan roket pada arah sumbu-x dalam TAK inersial
Vz
Komponen kecepatan roket pada arah sumbu-z dalam TAK inersial
X
Komponen jarak tempuh roket pada arah sumbu-x dalam TAK inersial
xe
Jarak titik tangkap gaya dorong terhadap pusat massa roket
Z
Komponen jarak tempuh roket pada arah sumbu-z dalam TAK inersial
B
v
DAFTAR SIMBOL α
Sudut serang
δ
Sudut defleksi nosel pada bidang kerja vertikal gaya dorong
γ
Sudut lintas terbang
ϕ
Sudut roll roket
θ
Sudut pitch
ρ
Kerapatan udara
ρo
Kerapatan udara pada kondisi muka laut
vi
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR...................................................................................................i ABSTRAKSI ........................................................................................................... iii DAFTAR NOTASI......................................................................................................iv DAFTAR SIMBOL.....................................................................................................vi DAFTAR ISI ...........................................................................................................vii DAFTAR GAMBAR...................................................................................................ix BAB 1
PENDAHULUAN ................................................................................1
1.1
Latar Belakang ...................................................................................1
1.2
Air Launch System ............................................................................2
1.3
Program Polyot ..................................................................................3
1.4
Tujuan Penelitian ...............................................................................4
1.5
Batasan Masalah ................................................................................4
1.6
Metodologi Penelitian........................................................................5
1.7
Sistematika Penulisan ........................................................................5
BAB 2
DASAR TEORI....................................................................................6
2.1
Persamaan Gerak Roket dalam Ruang Tiga Dimensi........................6
2.2
Persamaan Gerak Roket Dua Dimensi...............................................7
2.3
Gaya dan Momen Aerodinamika .....................................................10
2.4
Sistem Propulsi Roket......................................................................11
BAB 3
ROKET POLYOT .............................................................................13
3.1
Pendahuluan.....................................................................................13
3.2
Deskripsi Roket Polyot ....................................................................13
3.3
Geometri dan Konfigurasi Roket Polyot [Ref. 3] ............................14
3.4 BAB 4
3.3.1
Roket Polyot Tingkat Pertama ...................................................14
3.3.2
Roket Polyot Tingkat Kedua......................................................15
3.3.3
Roket Polyot Tingkat Ketiga .....................................................16
3.3.4
Fairing ........................................................................................16
Profil Misi Polyot.............................................................................16 PERHITUNGAN PARAMETER AERODINAMIKA ROKET POLYOT.............................................................................................18
4.1
Perhitungan Parameter Aerodinamika Roket Polyot Menggunakan Digital Datcom dan Missile Datcom................................................18
vii
4.2
Variabel Input Digital Datcom dan Missile Datcom pada Konfigurasi Roket Polyot ................................................................18
4.3
Hasil Prediksi Digital Datcom dan Missile Datcom Terhadap Parameter Aerodinamika Roket Polyot ...........................................20 4.3.1
Karakteristik CD, CL Terhadap Bilangan Mach pada Ketinggian Konstan ......................................................................................20
4.3.2
Karakteristik CD, CL Terhadap Sudut Serang pada Bilangan Mach Konstan ............................................................................21
4.3.3
Karakteristik CM terhadap Bilangan Mach dengan Sudut Serang Konstan ......................................................................................24
4.3.4
Karakteristik CM terhadap Sudut Serang dengan Bilangan Mach Konstan ......................................................................................25
4.4 BAB 5
Pemodelan Koefisien Gaya dan Momen Aerodinamika..................26 SIMULASI GERAK WAHANA PELUNCUR POLYOT .............29
5.1
Pendahuluan.....................................................................................29
5.2
Asumsi .............................................................................................29
5.3
Pitch Program...................................................................................30
5.4
Sistem Kontrol Roket Polyot ...........................................................30
5.5
Proses Simulasi ................................................................................31
5.6
BAB 6
5.5.1
Fase Terbang Layang (Gliding) .................................................31
5.5.2
Fase Pembakaran Roket Tingkat Pertama .................................31
5.5.3
Fase Coasting Antara Tingkat Pertama dan Kedua ...................32
5.5.4
Fase Pembakaran Roket Tingkat Ke Dua ..................................32
5.5.5
Fase Coasting Antara Tingkat kedua dan ketiga........................33
5.5.6
Fase Pembakaran Roket Tingkat ketiga.....................................33
Hasil Simulasi dan Analisis .............................................................33 5.6.1
Hasil Simulasi untuk Roket Tingkat Pertama............................34
5.6.2
Hasil Simulasi untuk Seluruh Fase Peluncuran .........................37
5.6.3
Hasil Simulasi dengan Variasi Arah Horizontal........................40
KESIMPULAN DAN SARAN ..........................................................44
6.1
Kesimpulan ......................................................................................44
6.2
Saran ................................................................................................45
DAFTAR PUSTAKA.................................................................................................46
viii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2-1. Tata Acuan Koordinat benda, horisontal lokal dan inersial untuk persamaan roket 2-D ..........................................................................................8 Gambar 3-1. Tampak dalam roket Polyot .......................................................14 Gambar 3-2.Mesin NK-43M ...........................................................................15 Gambar 3-3.Mesin RD-0124 ..........................................................................15 Gambar 3-4.Upper Stage Booster....................................................................16 Gambar 3-5.Misi ke orbit GEO ......................................................................17 Gambar 4-1.Koordinat geometri roket Polyot arah depan...............................19 Gambar 4-2. Koordinat geometri roket Polyot arah belakang.........................19 Gambar 4-3. Grafik CD terhadap bilangan Mach (H konstan).........................20 Gambar 4-4. Grafik CL terhadap bilangan Mach (H konstan).........................21 Gambar 4-5. Grafik CD terhadap sudut serang α (Polyot ke depan) ...............22 Gambar 4-6. Grafik CL terhadap sudut serang α (Polyot ke depan)................22 Gambar 4-7. Grafik CD terhadap sudut serang α (Polyot ke belakang)...........23 Gambar 4-8. Grafik CL terhadap sudut serang α (Polyot ke belakang)...........23 Gambar 4-9. Grafik CM terhadap bilangan Mach (α konstan).........................24 Gambar 4-10. Grafik CM terhadap sudut serang α (Polyot ke depan) .............25 Gambar 4-11. Grafik CM terhadap sudut serang α (Polyot ke belakang) ........25 Gambar 5-1. Fase terbang roket Polyot ...........................................................31 Gambar 5-2. Variasi pitch rate.........................................................................34 Gambar 5-3. Grafik theta vs time ....................................................................35 Gambar 5-4. Grafik Vx vs time .......................................................................35 Gambar 5-5. Grafik Vz vs time........................................................................35 Gambar 5-6. Grafik X vs time .........................................................................35 Gambar 5-7. Grafik Z vs time..........................................................................35 Gambar 5-8. Grafik X vs Z ..............................................................................35 Gambar 5-9. Grafik gamma vs time ................................................................36 Gambar 5-10. Grafik delta vs time ..................................................................36 Gambar 5-11. Grafik theta vs time (all)...........................................................37 Gambar 5-12. Gravik Z vs X ...........................................................................37 Gambar 5-13. Grafik gamma vs time (all).......................................................37 ix
Gambar 5-16. Grafik delta vs time (all)...........................................................37 Gambar 5-15. Grafik V vs time (all)................................................................38 Gambar 5-17. Grafik H vs V............................................................................39 Gambar 5-18. Grafik theta vs time ..................................................................41 Gambar 5-19. Grafik Z vs X ............................................................................41 Gambar 5-20. Gravik V vs time.......................................................................41 Gambar 5-21. Grafik gamma vs time ..............................................................41 Gambar 5-22. Grafik delta vs time ..................................................................41 Gambar 5-23. Grafik Z vs V ............................................................................42
x
DAFTAR TABEL Tabel 4-1.Variabel input Datcom arah depan ..................................................19 Tabel 4-2. Variabel input Datcom arah belakang ............................................19 Tabel 4-3. Persamaan polinomial CD ...............................................................27 Tabel 4-4. Koefisien Polinomial CD ................................................................27 Tabel 4-5. Persamaan polinomial CL ...............................................................28 Tabel 4-6. Koefisien polinomial CL ................................................................28 Tabel 4-7. Persamaan dan koefisien polinomial CM ........................................28 Tabel 5-1. Kondisi akhir peluncuran ...............................................................39 Tabel 5-2. Kondisi akhir peluncuran ...............................................................43
xi
