PEMILlHAN MATERIAL NOSEL MOTOR ROKET PADAT DENGAN METODA PENDEKATAN KONDISI OPERASI

M.P.I. Vol.1 NO.3. Desember

2007,76

- 81

PEMILlHAN MATERIAL NOSEL MOTOR ROKET PADAT DENGAN METODA PENDEKATAN KONDISI OPERASI Sarmidi Amin Peneliti Utama Bidang Teknologi Alat dan Mesin Produk Industri Pusat Teknologi Agroindustri-BPPT e-mail: [email protected]

Abstract The purpose of a solid propel/ant motor nozzle is to channel very high temperature gas coming from the combustion chamber in order to accelerate them and create the motor rocket thrust. Beside temperature gas is very high; the gas flow is also change from subsonic to supersonic. Therefore, nozzle must withstand a very severe environment. Choosing of nozzle material is very important, because failure of the nozzle will make also a fail the entire rocket mission. Choosing of material needs experience and accurate calculation; otherwise there are many unknown condition of the gas flow. For simplicity the calculation, we used some assumption and by using operation condition approach method can be determined material and dimension of nozzle. The aim of this paper is to show the procedure of the method by using heat transfer calculation. The result should be checked in the laboratory for knowing the disparity caused of the assumption. Kata kunci: Material, Nosel, Motor roket, Kondisi operasi

PENDAHULUAN Bentuk nosel (nozzle) motor roket propelan padat yang biasa digunakan adalah simple conical divergent atau sering disebut dengan nosel konvergen-divergen De Laval. Nosel motor roket (propelan) padat membutuhkan perhatian lebih dibanding dengan motor roket (propelan) cair karena nosel motor roket padat tidak menggunakan sistem pendinginan. Nosel merupakan bagian yang sangat kritis, karena pada bagian ini kena langsung gas panas dan tekanan yang sangat tinggi, aliran gas yang sangat cepat dan segala akibat yang ditimbulkan oleh kondisi yang ekstrim terse but. Motor roket kecil bekerja hanya beberapa detik, pada umumnya hanya sekitar 10 detik, sedang motor roket pad at yang besar hanya sekitar satu menit. Walaupun bekerja sangat sing kat, suhu gas hasil pembakaran sangat tinggi, sebagai contoh suhu pembakaran bisa mencapai Tc = 3430oK(1). Waktu yang sangat singkat menyebabkan penyebaran panas dari gas ke dinding nosel tidak homogen, sehingga dapat menimbulkan kerusakan material. Nosel juga mendapat tekanan yang sang at tinggi pad a

76

---.

bagian konvergen (subsonik) dan tekanan yang rendah pada bagian divergen (supersonik). Disini terjadi pula beban kompresi (compresion load) sebagai akibat tekanan yang sangat besar. Beban kompresi maksimum terjadi pada kerongkongan nosel (throat), sedang beban zero aksial terjadi pad a sambungan nose I dan ruang bakar'". Keadaan ini akan berakibat timbulnya tegangan yang sang at tinggi pada nosel. Di bagian konvergen, kecepatan aliran gas akan membesar sampai mendekati kecepatan suara (Mach Number) atau M=1, dan tepat pada kerongkongan kecepatan mencapai M=1. Di bagian divergen, kecepatan aliran gas akan membesar dari kecepatan suara sampai melebihi beberapa kali kecepatan suara (tergantung rancangan nosel). Perbedaan kecepatan aliran gas yang sangat tinggi pada bagian konvergen dan divergen akan mengakibatkan timbulnya tegangan geser pad a material nosel. Disamping aliran gas yang sangat tinggi, gas hasil pembakaran akan membawa partikel logam yang digunakan sebagai bahan tambahan propelan (propel/ant metal additive partiCles). Partikel-partikel logam tersebut mengakibatkan erosi pada ISSN 1410-3680

Pemilihan

Material Nosel Motor Roket Padat Dengan Metoda Pendekatan

Mj= Mb + Mp Mb Ms + Me + Mu

permukaan nosel'". Erosi pada nosel akan berakibat menurunnya prestasi nosel dan gaya dorong motor roket. Gaya dorong aksial adalah integral gaya tekanan yang bekerja pada nosel dan ruang bakar dalam arah aksial'". Hal ini dapat dijelaskan dengan menggunakan rumus: F = J P dA

dimana: Mj = massa awal roket Mb = massa ketika selesai pembakaran Mp = massa propelan Ms = massa struktur Me massa motor (engine) Mu massa barang yang dibawa (payload) c = kecepatan gas buang efektif

=

(1)

=

Kecepatan massa roket'":

=

a.

bakar'" ISSN 1410-3680

ideal

1 tN = c In ---------------1 - MpfMj

roket

ditentukan

oleh

(4)

dari rumus tersebut terlihat bahwa Mj yang semakin kecil, kecepatan terbang akan bertambah sehingga jarak jangkauan akan bertambah jauh. b.

Tahan panas Diatas telah dijelaskan bahwa gas pembakaran yang dihasilkan sangat tinggi. Ketika melewati nosel, sebagian panas akan dipindahkan dinding nasal. Oleh karena itu perlu material yang tahan panas dan tahan atas perubahan panas yang tiba-tiba. c.

Tahan erosi Bahan bakar propelan padat dicampur dengan logam agar prestasinya meningkat. Logam yang ditambahkan pad a propelan antara lain AI, Li, Be, Mg, B. Yang paling banyak digunakan adalah aluminium (AI), karena murah dan tidak beracun'". Partikel logam tersebut mengakibatkan erosi pad a dinding nosel, terutama terjadi pada bagian kerongkongan. d.

Mudah dalam pembuatan Persyaratan lain dalam pembuatan nosel adalah kemudahan dalam manufaktur atau tidak memerlukan teknologi tinggi, serta material mudah didapat dan relatif murah.

MATERIAL

Ringan Pad a pnnsipnya material yang digunakan pada wahana terbang (kapal terbang, roket atau peluru kendali) harus ringan. Hal ini disebabkan wahana terbang harus bisa mengangkut beban (payload) yang banyak, jarak jangkauan yang jauh, dan biaya yang ringan. Makin besar perbandingan massa (mass ratio) berarti makin baik wahana terse but. Massa awal roket adalah massa badan roket ketika selesai pembakaran ditambah massa bahan

(2) (3)

=

dimana: F = gaya dorong aksial (axial thrust) p = gaya tekan (pressure force) A luas nosel Mengingat pada nosel terjadi kondisi yang sangat ekstrim, pemilihan material nosel menjadi sangat penting dan sulit, karena banyak hal yang tidak diketahui dengan pasti. Untuk mengurangi banyaknya ketidakpastian, diambil beberapa asumsi sehingga pemecahan permasalahan dapat dipermudah. Sesuatu yang tidak pasti adalah aliran gas panas melalui nosel, apakah satu dimensi atau banyak dimensi, apakah kondisinya steady atau transient, apakah ada perpindahan kalor dari gas ke dinding atau tidak, apakah gas homogen atau tidak. Makalah ini menyajikan suatu metode pemilihan material sekaligus diperoleh dimensi ketebalan komponen nasal. Metode yang digunakan disebut dengan pendekatan kondisi operasi. Dengan pendekatan kondisi operasi diharapkan pemilihan material yang memenuhi persyaratan dan cocok dengan kondisi operasinya lebih mudah diperoleh. Dengan adanya beberapa asumsi yang ditentukan, keakuratan dari perhitungan perlu diuji kembali dalam laboratorium. Namun usaha pendekatan kondisi operasi ini merupakan langkah awal yang dapat mempersingkat pemilihan material.

PERSYARATAN

Kondisi Operasi (Sarmidi Amin)

-""

MATERIAL NOSEL Material yang digunakan untuk pembuatan nosel motor roket padat dapat dibedakan menjadi (1) material struktur, (2) pengikat (adhesives), (3) pengisi (sealants dan grease), (4) pelindung panas (thermal insulators), dan (5) material ablative. Material struktur yang dipakai bermacam-macam sesuai dengan tingginya suhu yang dltenmanya'";

77

M.P.I. Vol.1 NO.3. Desember

2007, 76 - 81

a.

Aluminium paduan digunakan pada bagian yang kena temperatur sekitar 500°F. b. Fiber glass biasanya dipakai bersamasama dengan aluminium paduan. c. Baja paduan dipakai untuk daerah yang kena suhu tinggi 500-1900°F. Baja paduan yang dipakai sering disebut baja paduan lebih (superal/oy) contoh berbasis besi (iron-base: 19-190L, 1625-6, A-286), berbasis besi-nikel (ironnickel-base: 0-979, Incoloy) tahan sampai suhu 1500°F; berbasis nikel (nickel-base: Rene 41, Waspaloy, Udimet 500), berbasis kobalt (cobaltbase: V-36, X-40) dan berbasis besinikel-kobalt-kromium: (iron-nickel-cobaltchromium-base: N-155, 5-590) yang tahan suhu sampai 1900°F. d. Material yang tahan suhu diatas 1900°F sampai 4500°F seperti paduan refractory metals, grafit, atau pirolitik grafit. Material pengikat digunakan untuk menghubungkan material yang berbeda dan juga berfungsi mencegah kebocoran gas dari bagian yang disambung. Contoh material pengikat adalah Armstrong A-2 yang sering digunakan untuk mengikat aluminium dan grafit, Armstrong C-7 adalah pengikat yang digunakan untuk menghubungkan grafit dengan grafit. Material pengisi digunakan agar tidak terjadi kebocoran karena ada tekanan yang tinggi. Material yang digunakan misalnya zinc chromate dan silicone grease. Material yang digunakan untuk pelindung panas misalnya asbestos fiber, phenolic resin, keramik terutama zirconium dioxide. Material ablatif adalah material yang tahan terhadap erosi, korosi dan dekomposisi yang terjadi pada nosel, Bahan ablatif yang umum digunakan adalah grafit.

PEMBAHASAN Oleh karena nosel dilewati oleh gas panas dengan kondisi (suhu dan tekanan) yang sangat ekstrim, maka akan terjadi perpindahan kalor yang sangat tinggi pula. Perpindahan kalor dari gas ke dinding nosel di bagian konvergen terjadi secara radiasi dan konveksi, sedang pada daerah divergen, perpindahan kalor akan terjadi secara konveksi dan radiasi. Perpindahan kalor di dalam dinding nosel terjadi secara konduksi, dengan kondisi unsteadyatau transient6). Agar perpindahan kalor merata pada suatu bagian diperlukan waktu. Kecepatan 78

pemerataan suhu sangat tergantung pada jenis material atau tergantung pada konduktifitas thermal (thermal conductivity), kerapatan massa (density) dan panas spesifik (specific heat) rnaterlal'". Jika material dipanaskan dengan cepat, akan terjadi kejut thermis (thermal shock). Kejut thermis akan mengakibatkan kerusakan pada material. Prosedur pendekatan kondisi operasi dapat dilihat dalam Gambar 1.

Gambar 1. Pemilihan Material Melalui Pendekatan Kondisi Operasi Untuk mempermudah penentukan material suatu nosel, lebih dulu dibuat gambaran awal ketebalan seluruh dinding nosel yang terdiri dari komponen struktur (misalnya aluminium dan aSbestos-phenolic), pelindung panas (misalnya fiberglass-epoxy tape) silicaphenolic tape, zirconium dioxide, material ablatif misalnya grafit. 5etelah ditentukan semua material yang digunakan, kemudian dibuat rancangan bentuk nosel, Oalam perhitungan banyak hal yang tidak diketahui sehingga perlu diambil beberapa asumsi seperti: (1) proses berjalan secara adiabatis, (2) proses ekspansi gas melewati noseI merupakan proses isentropis dan aliran satu dimensi, (3) aliran gas berjalan steady, memenuhi persamaan gas ideal, panas jenis gas tidak berubah terhadap ISSN 1410-3680

la la '), IS

ta In

ut la at

Pemilihan


temperatur dan tekanan, (4) nosel selalu dianggap adapted atau tekanan udara luar sama dengan tekanan gas pada ujung keluar nosel. Asumsi yang lain adalah komposisi gas di ruang pembakaran dan nosel dianggap tidak berubah, komposisi gas pembakaran selalu dalam keseimbangan kimia dan sesuai dengan keadaan tekanan dan temperatur pada saat tertentu. Gambar 2 adalah contoh bentuk umum (typical) suatu nosel motor roket padat'". Ketebalan masing-masing bagian harus ditentukan lebih dahulu agar kita dapat menghitung perpindahan kalor pada masingmasing bagian.


Dengan menggunakan metode ini, ternyata cukup cepat dalam mendapatkan dimensi yang sesuai. Perhitungan perpindahan kalor sangat tergantung pada konduktifitas thermal, kerapatan massa dan panas spesifik material. Ketebalan dari bagian yang dilalui panas juga dipakai dalam perhitungan. Pada bagian kerongkongan menerima perpindahan kalor secara konveksi yang tertinggi. Persamaan umum yang dipakai untuk menghitung konveksi adalah: (5)

dimana: h = koefisien konveksi A = luas bidang yang dilewati panas Tg = temperatur gas Tw = temperatur permukaan dinding Untuk menghitung koefisien konveksi dapat digunakan persamaan Stanton Colburn. Koefisien konveksi dihitung dari persamaan berikut(3): (6)

Gambar2. Bentuk Umum Nosel Motor Roket Padat(3) Dalam gambar tru terlihat bagian terdepan yang menerima panas adalah grafit kemudian dilanjutkan dengan pemasangan grafit phenolik dan silika phenolik. Di lapisan kedua terdapat asbes phenolik. Antara grafit dan asbes phenolik diisi dengan Zr02. Sebagai material struktur digunakan aluminium paduan dan di bagian luarnya dilapisi dengan fiberglass epoxy. Jenis material struktur yang digunakan tergantung lamanya gas buang melewati nosel. Pada motor roket kecil, dimana pembakaran terjadi hanya sekitar 10 detik, penggunaan aluminium biasanya sudah cukup memadai, sedang untuk motor roket besar dan pembakaran berlangsung sekitar satu rnenit-; atau lebih, bahan struktur biasanya menggunakan besi atau baja paduan. Dibagian divergen dilapis dengan pita (tape) silika phenolik dengan maksud agar asbes phenolik terlindungi dari panas langsung. Untuk pemilihan material yang akan digunakan pada nosel, perlu dilakukan perhitungan perpindahan kalor lebih dulu agar dapat diketahui berapa suhu pada satu tempat tertentu sehingga dapat ditentukan material yang cocok dengan kondisi operasinya. Jika dalam perhitungan ternyata tidak sesuai, maka ketebalan harus dirubah. ISSN 1410-3680

dimana: D = jarak yang diukur dari bidang injeksi k = konduktivitas thermis u = viskositas mutlak (absolute viscosity) Cp = panas jenis G = kecepatan massa (mass velocity) Persamaan Colburn dapat juga dipakai untuk menentukan koefisien konveksi bagian lain dari noseI sehingga dapat digambarkan kurva koefisien konveksi pada setiap tempat dinosel. Perambatan panas pada dinding nosel terjadi secara konduksi. Untuk menghitung perubahan temperatur, dapat digunakan cara yang sederhana misalnya dengan menggunakan variabel tanpa dimensi bilangan Fourier, Biot, perbandingan tebal dan perbandingan temperatur. Umumnya perpindahan kalor konduksi pada dinding noseI dihitung dengan menggunakan rumus:

(7) dimana: A = luas bidang yang dilewati panas Twg = temperatur gas Tw1 = temperatur dinding

79

M.P.I. Vol.1 No.3. Desember 2007,76 - 81

menggunakan material yang sangat mahal dan dipakai satu kali serta hanya berlangsung beberapa detik. Belum pernah terjadi suatu nosel motor roket padat digunakan berkali-kali.

Radiasi panas ke dinding sering disebut dengan daya emisi panas. Daya emisi sangat tergantung pada panjang gelombang, temperatur dan warna suatu benda. Ada beberapa rumus yang dipakai untuk menghitung radiasi, namun yang banyak dipakai adalah rumus Stefan-Boltzmann: O,

= CJ A T'

(8)

dimana: Qr

= radiant

flux

=konstanta Stefan-Boltzmann A = luas bidang radiasi T = temperatur CJ

Setelah diketahui masalah perpindahan kalor, langkah berikutnya adalah memeriksa kekuatan bahan sebagai akibat adanya aliran gas dengan kecepatan tinggi dan suhu yang tinggi pula apakah masih dalam batas toleransi atau sudah melewati batas kekuatan bahan. Tegangan geser pada dinding nosel karena aliran gas yang berjalan cepat, dan dinyatakan dalam rumus(3): T

= (nD

2

V2

30

20

J~I ---'--"100b;----;;200!v;---"30Ivi O'-";<40 ' Ivi'0--':;50l;,,' o-<'66"'"o~ Temperature, -F

Gambar 3. Pengaruh Suhu Terhadap Kekuatan Material(2)

(8)

g

dimana: T = tegangan geser f = koefisien friksi p = densitas gas g = gravitasi Panas yang tinggi akan menyebabkan turunnya kekuatan bahan. Ada dua macam yang berhubungan dengan pengaruh waktu dan temperatur tinggi yaitu material yang sensitif (time-sensitive al/oy) dan kurang sensitif (non-time-sensitive alloy). Aluminium paduan termasuk material yang sensitif terhadap panas, sedang titanium dan baja termasuk material yang kurang sensitif. Gambar 3 adalah contoh kekuatan aluminium paduan jenis 7075-T6 dan RR 100 yang menurun dengan cepat jika kena panas tinggi. Pada temperatur 700°F misalnya, kekuatan bahan akan menurun dengan sangat cepat yaitu antara 1 sampai 10 menit. Jika temperatur diturunkan menjadi 550°F dan bersinggungan dengan material selama 600 menit, maka kekuatan material akan menurun sama dengan yang terkena temperatur 700°F selama beberapa menit(2). Pertimbangan lain dalam pemilihan material nosel adalah waktu pemakaiannya hanya satu kali. Adalah kurang bijaksana jika 80

-v,

Jika tegangan yang terjadi masih dalam batas toleransi dengan material yang digunakan, maka pemilihan material dan rancangan nosel sudah cukup dan dianggap aman. Sebaliknya, jika tegangan yang terjadi mendekati atau bahkan melebihi kekuatan bahan pada temperatur operasi, maka perlu dilakukan perubahan, terutama jenis material atau dimensi ketebalannya. Dalam pendekatan kondisi operasi diambil beberapa asumsi sehingga akurasi perhitungan perlu diteliti kembali dengan percobaan di laboratorium. Pengukuran suhu pada beberapa titik menggunakan beberapa sensor temperatur (thermoe/ement) kemudian dibandingkan dengan hasil perhitungan sehingga dapat dibuat prediksi kekuatan material yang lebih baik.

KESIMPULAN

•

Metode pendekatan kondisi operasi adalah metode yang dapat digunakan untuk mempermudah pemilihan material dan sekaligus diperoleh dimensi nosel, Untuk menyederhanakan perhitungan diambil beberapa asumsi seperti gas i S,

I

111 I36w

Pemilihan

I

a

•

•


2.

hasil pembakaran dianggap gas ideal, gas mengalir satu arah, komposisi gas pembakaran dianggap sama pada semua tempat. Oleh karena ada beberapa asumsi, akurasi perhitungan masih memerlukan pembuktian dengan melakukan percobaan nyata. Cara ini dapat mempersingkat waktu pemilihan material dan sekaligus penentuan ketebalan bagian-bagian suatu nosel. Dari kelima material yang digunakan, material struktur adalah material utama yang harus diperhatikan, disusul dengan material pelindung panas dan material ablatif. Material pelindung panas yang umum dipakai adalah zirconium dioksida, fiber glass epoxy dan silika phenolik berbentuk pita, sedang material ablatif yang umum dipakai adalah grafit. Material struktur yang dipilih pada metode ini dapat berupa aluminium paduan atau dapat pula berbahan dasar besi atau baja, tergantung pada tinggi suhu dan lama waktu bersinggungan dengan bagian tersebut.

3.

4.

5.

6.

Barrere, M., A Joumotte, B. F. De Veubeke, J.vandenkerckhove, Rocket Propulsion, Elsivier Publishing Company, Amsterdam, 1999. Brinsmade, A, Nozzle Design, dalam Solid Rocket Technology, Chapter 6, John Wiley and Sons, Inc, New York, 1997. Sutton, G.P., D.M. Ross, Rocket Propulsion Elements, John Wiley & Sons, New York, 1998. Susilo, H., Diktat Kuliah Propulsi Roket, Pasca Sarjana ITB, tidak diterbitkan, 1998. Zaehringer, AJ., Propellant Chemistry, dalam Solid Rocket Technology, Chapter 2, John Wiley and Sons, lnc, New York, 1997.

RIWAYAT PENULlS Sarmidi Amin, lahir di Tanjung Kalimantan

Selatan 20 Nopember 1947. Menamatkan pendidikan di FKT-IKIP Yogyakarta jurusan Teknik Mesin, 1973 dan Pasca Sarjana ITB1978 jurusan Teknik Propulsi. Industrial Training tentang Perancangan Pabrik (Anlagenplannung) di Dortmund Jerman, 1988. Saat ini bekerja sebagai Peneliti Utama pada Pusat Teknologi AgroindustriBPPT.

DAFTAR PUSTAKA

1.


Abraham, L.H., Structural Design of Missiles and Spacecraft, McGraw-Hill Book Co., New York, 1998.

--"

ISSN 1410-3680

81

PEMILlHAN MATERIAL NOSEL MOTOR ROKET PADAT DENGAN METODA PENDEKATAN KONDISI OPERASI

Recommend Documents