RANCANG BANGUN SISTEM PENAHAN PANAS PADA MOTOR ROKET CIGARETTE BURNING Sutrlsno Peneliti Pusat Teknologi Wahana Dirgantara. LAPAN
ABSTRACT The t h r u s t of cigarette b u r n i n g rocket motor is relatively lower but the is burning time is too long t h a n t h a t of the radial burning. The cigarette burning rocket motor structure easy to be fail due to t h e thermal stress thermal effect. Hence t h e thermal insulation sistem becomes very important. This paper discuss about the design a n d preparation of thermal insulation system in t h e cigarette burning rocket motor. The carbon and polyester fiber were used as the thermal protector materials in burning chamber. The liner matrix and inhibitor in the cap side were made from epoxy. O-ring spacer was applied to avoid t h e gas leakage from the combustion chamber. The performance of thermal insulation system w a s tested through static test of rocket motor. The result of the test provide that thermal insulation system showed t h e good performance. It is found t h a t the burning time of t h e rocket motor is 116 second a n d the m a x i m u m temperature of the outer surface of t h e tube is 139°C. ABSTRAK Motor roket cigarette burning menghasilkan gaya dorong relatif rendah dibandingkan dengan radial burning tetapi mempunyai waktu pembakaran j a u h lebih lama. Selain itu s t r u k t u r motor roket cigarette burning a k a n lebih m u d a h r u s a k akibat terkena efek termal yang lebih banyak dari pada motor roket radial burning. Oleh karena itu sistem perlindungan p a n a s p a d a r u a n g bakar berperan sangat besar terhadap keberhasilan motor roket cigarette burning. Tulisan mi m e m a p a r k a n perancangan dan p e m b u a t a n sistem p e n a h a n p a n a s p a d a motor roket tersebut. Fiber carbon d a n fiber polyester digunakan sebagai material p e n a h a n p a n a s pada ruang bakar. Epoksi digunakan sebagai matriks serat karbon d a n polyester "Unef dan "inhibitor" p a d a bagian dalam r u a n g b a k a r di dekat "cap". G u n a mengatasi terjadinya celah p a d a pertemuan a n t a r a propelan dengan nosel yang d a p a t dilewati gas panas p e m b a k a r a n propelan menuju dinding t a b u n g motor roket ditambahkan O-ring spacer dari bah an karbon epoksi. Berdasarkan hasil uji starik motor roket menunjukkan bahwa sistem p e n a h a n p a n a s pada motor roket cigarette burning berfungsi dengan baik. Pada pengujian tersebut diperoleh b a h w a motor roket menyala selama 116 detik dan temperatur luar t a b u n g pada akhir pembakaran propelan t e r u k u r m a k s i m u m 139°C. Kata kunci: Pembakaran panas 1
sigaret,
Pembakaran
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Berdasarkan b e n t u k lintasan terbangnya, roket dapat dikategorikan ke dalam d u a m a c a m yaitu roket balistik dan roket kendali. Roket jenis balistik apabila ditembakkan a k a n mempunyai
radial,
Tegangan
termal,
Bahan
isolasi
lintasan seperti gerak bola pejal yang dilemparkan. Pada roket kendali lintasan tersebut dapat b e r u b a h sesuai dengan yang diinginkan. Roket kategori kendali ini banyak digunakan p a d a roket-roket pengorbit satelit atau roket senjata tguided missile). Salah s a t u syarat u t a m a roket kendali adalah mempunyai waktu terbang 1
yang relatif lebih l a m a dibandingkan dengan roket balistik. Hal ini dimaksudk a n agar c u k u p waktu u n t u k melakukan perintah pemrograman bagi gerakan sistem kendali roket. Roket berbahan bakar padat {solid propellant rocket) u m u m n y a memiliki waktu terbang yang singkat. G u n a memperoleh w a k t u terbang roket y a n g c u k u p lama biasanya digunakan dua b u a h motor roket (double stage) yaitu booster d a n sustcdner. Motor roket booster digunakan u n t u k memperoleh gaya dorong yang c u k u p u n t u k mengangkat roket d a n melawan gaya gravitasi. Motor roket ini mempunyai waktu p e m b a k a r a n yang singkat tetapi menghasilkan gaya dorong yang sangat besar. Adapun motor roket sustainer akan menghasilkan gaya dorong j a u h lebih kecil tetapi mempunyai waktu p e m b a k a r a n yang c u k u p panjang. Motor roket ini diaktifkan setelah motor roket booster bekerja. Motor roket sustainer dengan gaya dorong rendah digunakan u n t u k mendorong roket yang masih mempunyai kecepatan awal dari pemb a k a r a n motor roket booster. Salah satu cara u n t u k mendapatkan motor roket sustainer dengan waktu p e m b a k a r a n yang panjang adalah mengg u n a k a n propelan yang pembakarannya dirancang dari bagian ujung (cigarette burning). Selama ini LAPAN b a r u men g u a s a i teknologi motor roket tipe radial burning dimana propelan terbakar dari dalam r u a n g b a k a r ke a r a h luar menuju dinding t a b u n g motor roket. Gambar 1-1 memperlihatkan perbedaan k e d u a jenis motor roket ini. Pembakaran propelan di dalam r u a n g b a k a r motor roket a k a n menghasilkan panas yang sangat tinggi. Sistem lapisan p e n a h a n p a n a s diperlukan u n t u k mencegah terjadinya k e r u s a k a n dinding ruang bakar. Pada motor roket tipe radial burning p a n a s p e m b a k a r a n propelan tidak langsung mengenai dinding t a b u n g motor roket tetapi h a r u s melewati lapisan propelan yang belum terbakar dan sistem penahan p a n a s yang keduanya tergolong material isolator. H a n t a r a n p a n a s yang 2
terjadi ditambah waktu p e m b a k a r a n yang relatif singkat m e m u n g k i n k a n dinding t a b u n g motor roket tidak m u d a h mengalami k e r u s a k a n . A d a p u n p a d a motor roket tipe cigarette burning, p a n a s pembakaran hanya melewati lapisan penahan p a n a s u n t u k menuju dinding t a b u n g motor roket. Dinding r u a n g b a k a r a k a n dikenai p a n a s p e m b a k a r a n yang tinggi dalam waktu yang relatif lebih panjang sehingga akan m u d a h rusak. Oleh karena itu sistem lapisan p e n a h a n p a n a s p a d a motor roket cigarette burning berperan sangat besar terhadap keberhasilan motor roket cigarette burning.
lapisan penahan panas a propelan
tabung motor roket
ruang bakar
lapisan penahan panas
igniter
tabung motor roket
b G a m b a r 1-1: Motor roket : a. radial burning b. cigarette burning 1.2Tujuan P e n u l i s a n Tulisan ini membahas perancangan dan pembuatan sistem lapisan penahan panas pada motor roket cigarette burning d a n kinerjanya. 1.3Batasan Masalah B a h a s a n perancangan d a n pemb u a t a n sistem lapisan p e n a h a n p a n a s p a d a motor roket cigarette burning difokuskan pada motor roket kelas diameter 100 mm. Motor roket ini dirancang u n t u k beroperasi selama 40 hingga 100 detik d a n masih menggunakan tabung motor roket baja dengan ketebalan 6 mm.
2
TINJAUAN PUSTAKA
Pembakaran propelan tipe cigarette burning a k a n menjalar dalam arah longitudinal (aksial) sepanjang ruang bakax motor roket Konfigurasi dari grain propelan tersebut jika terbakar akan menghasilkan gas dengan tekanan yang hampir konstan. Waktu p e m b a k a r a n dari motor roket tersebut c u k u p panjang dan gaya dorong yang d i h a s i l k a n c u k u p r e n d a h a t a u sedang. Sistem p e n a h a n p a n a s yang berupa isolator termal d a n inhibitor berperan sangat penting pada motor roket cigarette burning u n t u k melindungi r u a n g bakar dari terpaan gas p a n a s kontinyu d a n u n t u k membatasi permukaan luasan p e m b a k a r a n y a n g dikehendaki. Temperatur pembakaran propelan padat berkisar a n t a r a 2000°C hingga 3500°C (Davenas 1993). G u n a menghindari k e r u s a k a n akibat beban kerja tersebut dinding bagian dalam r u a n g bakar perlu diberi material lapisan p e n a h a n p a n a s . Material ini terdiri dari 3 (tiga) bagian, yaitu: liner, inhibitor d a n isolator termal. Liner berfungsi sebagai perekat a n t a r a propelan dengan dinding tabung motor roket, inhibitor digunakan u n t u k melapisi p e r m u k a a n propelan yang tidak dikehendaki terjadinya pembakaran sedangkan isolator termal u n t u k m e n a h a n temperatur tinggi. Liner d a n inhibitor dibuat dari senyawa epoksi sedangkan isolator p a n a s dapat berupa asbes, serat carbon d a n Iain-lain. Terdapat dua macam cara perakitan propelan ke dalam motor roket yaitu free standing d a n case bonded. Perbedaan kedua cara tersebut terletak p a d a pembuatan sistem lapisan penahan panasnya. Pada cara perakitan yang pertama permukaan luar propelan telah diberi lapisan penahan p a n a s sebelum d i m a s u k k a n ke dalam t a b u n g motor roket. Adapun pada cara yang k e d u a propelan d i m a s u k k a n ke dalam tabung motor roket, selanjutnya celah a n t a r a propelan d a n dinding tabung diisi dengan material p e n a h a n panas. Selain itu material penahan panas p a d a
motor roket a d a yang mempunyai sifat fleksibel d a n a d a yang k a k u . Sistem proteksi termal fleksibel p a d a motor roket biasanya dibuat dari senyawa karet [elastomer) dengan beberapa isian seperti oksalat, karbonat dan hidrat serta refraktori (karbon, silika atau asbestos fiber). Adapun proteksi termal yang k a k u [rigid thermal protection) biasanya dibuat dari resin fenolik a t a u t u r u n a n n y a yang diperkuat dengan fiber refraktori seperti asbestos, silika, c a r b o n , a l u m i n a a t a u b a h k a n nylon). Beberapa sifat penting yang h a r u s dimiliki oleh material penahan p a n a s p a d a motor roket adalah ketahanan panas yang tinggi, kondukuvitas termal yang rendah serta dapat memberi kontribusi kekuatan struktur motor roket. 3
METODOLOGI
Pembuatan sistem penahan panas pada motor roket cigarette burning dilakukan dengan metodologi sebagai
berikut. • Pemilihan material utama sebagai protektor termal pada motor roket. Hal ini dilakukan dengan uji bakar menggunakan nyala propelan. Material protektor termal dilapiskan pada p e r m u k a a n batang propelan pejal menggunakan adhesif. Ujung propelan dibakar selanjutnya temperatur dinding luar yang telah dilapisi protektor termal d i u k u r temperaturnya menggunakan termometer infra merah. • Analisis bagian kritis pada motor roket yang akan terkena efek termal akibat p e m b a k a r a n propelan. Perlindungan panas di setiap bagian ruang bakar dibuat dengan mempertimbangkan banyak dan lamanya bagian tersebut terkena gas panas pembakaran propelan. • Membuat disain sistem penahan panas motor roket cigarette burning. • P e m b u a t a n sistem p e n a h a n p a n a s motor roket • Pengujian motor roket melalui uji statik.
3
4
PELAKSANAAN PENELITIAN
4.1Pemilihan Material Utama Protektor Termal Dalam rangka memilih material protektor termal telah dibuat beberapa sampel uji bakar menggunakan propelan. Batang propelan yang berbentuk t a b u n g pejal dilapisi dengan lapisan protektor termal m e n g g u n a k a n adhesif. Protektor termal yang berupa anyaman fiber carbon dan fiber cloth polyester digunakan u n t u k dibuat sampel. Berbagai sampel dibuat dengan memvariasi j u m l a h d a n jenis lapisan protektor termal. Selanjutnya propelan dibakar dari ujung dan temperatur dinding luar selama p e m b a k a r a n dicatat. G a m b a r 4-1 memperlihatkan sampel dan uji pembakaran yang dilakukan. 4 . 2 Analisis Bagian Kritis dan Pembuatan Disain Lapisan Penahan Panas Motor Roket Pembakaran propelan p a d a motor roket cigarette burning dimulai dari ujung dekat bagian nosel dalam a r a h longitudinal menuju bagian "cap". Ruang bakar di bagian dekat nosel a k a n terkena p a n a s lebih awal d a n lama dibandingkan dengan di bagian cap. Hal ini berarti bahwa dinding r u a n g b a k a r a k a n mengalami k e r u s a k a n lebih cepat di bagian nosel. Oleh karena itu diperlukan protektor termal p a d a r u a n g b a k a r dekat ujung
nosel yang lebih baik a t a u lebih tebal dibandingkan dengan di bagian cap. Selanjutnya pertemuan a n t a r a ujung propelan dengan ujung nosel a k a n sangat memungkinkan terjadinya celah yang dapat tertembus p a n a s pembakaran propelan menuju dinding t a b u n g motor roket. Bagian ini perlu diisi dengan material tahan panas yang dapat mencegah lewatnya gas panas pembakaran propelan. Hal ini dapat diatasi dengan pemberian material asbestos, fiber carbon a t a u sejenisnya. Sementara itu r u a n g bakar di bagian cap motor roket h a n y a a k a n terkena p a n a s p e m b a k a r a n paling akhir dan dalam waktu yang relatif singkat sehingga bagian ini memerlukan material pelindung panas yang tidak sekuat bagian nosel 4.3 Disain Sistem Penahan Panas Motor Roket Atas dasar analisis di atas dibuat disain sistem penahan p a n a s p a d a motor roket cigarette burning. P e r m u k a a n luar propelan diberi lapisan fiber carbon dan fiber cloth polyester sebagai protektor termal terhadap dinding t a b u n g motor roket. Ruang a n t a r a lapisan protektor termal dengan p e r m u k a a n dalam t a b u n g diisi dengan matriks epoksi yang berfungsi sebagai adhesif dan isolator panas. Bagian ujung propelan di bagian cap ditambah inhibitor setebal 5 hingga 10 mm.
Gambar 4 - 1 : Sampel uji b a k a r d a n hasil pengujian protektor termal 4
Gambar 4-2: Disain sistem p e n a h a n p a n a s motor roket cigarette burning Kemungkinan terdapatnya celah pada pertemuan antara ujung propelan dengan nosel diberi O-ring spacer. Gambar 4-2 memperlihatkan disain sistem p e n a h a n p a n a s pada motor roket cigarette burning. 4.4 Pembuatan S i s t e m Penahan Panas Secara garis besar p e m b u a t a n sistem p e n a h a n p a n a s p a d a motor roket cigarette burning terdiri dari 5 (lima) macam kegiatan yaitu p e n g u k u r a n d a n pemotongan propelan, pelapisan propelan dengan protektor termal, p e m b u a t a n inhibitor, pengecoran matrik liner d a n pembuatan O-ring spacer. Propelan dipotong dengan menyesuaikan dimensi komponen motor roket b e r u p a tabung, cap d a n nosel. Pemotongan dilakukan secara horisontal menggunakan alat bantu potong propelan. Propelan yang telah dipotong dilapisi dengan material protektor termal. Lapisan paling dalam berupa 3 lapis anyaman fiber carbon diikuti dengan 3 lapis kain fiber polyester hingga mempunyai ketebalan 4 mm. Inhibitor di bagian cap dibuat dari material epoksi yang dicetak sesuai diameter dalam tabung setebal 5 - 1 0 mm. Inhibitor d a n propelan d i m a s u k k a n ke dalam t a b u n g motor roket dimana posisi bagian cap b e r a d a di
bawah. Tebal lapisan penahan p a n a s pada t a b u n g motor roket ini adalah 10 mm. Celah antara propelan dengan dinding dalam tabung diisi dengan martrik liner hingga batas ujung propelan dan dikeringkan selama 24 j a m . O-ring spacer dibuat dari lembaran fiber carbon yang telah diberi matrik epoksi sehingga menghasilkan lembaran. Dari lembaran yang terjadi dibuat O-ring spacer b e r u p a cincin lingkaran yang berukuran sesuai dengan diameter dalam t a b u n g d a n p e r m u k a a n luar propelan. O-ring spacer ini dipasang s a a t perakitan komponen motor roket y a n g lain (cap, nosel d a n igniter). Material O-ring spacer ditunjukkan pada Gambar 4-3, sedangkan Gambar 4-4 memperlihatkan motor roket yang telah berisi propelan d a n sistem penahan panas.
Gambar 4-3: O-ring spacer motor roket dan lembaran material yang digunakan 5
a b c Gambar 4-5: Motor roket : a.sebelum uji statik, b.saat uji statik, c. setelah uji static
Gambar 4-4: Motor roket cigarette burning d a n sistem p e n a h a n p a n a s 4.5 Pengujian Motor Roket Motor roket yang telah diberi sistem p e n a h a n p a n a s dirakit bersama igniter sebagai penyala mula propelan u n t u k selanjutnya diuji. Pengujian motor roket dilakukan melalui uji statik. Motor roket ditempatkan p a d a test bed secara horisontal. waktu pembakaran d a n temperatur dinding luar motor roket dicatat. Gambar 4-5 memperlihatkan motor roket sebelum d a n selama pemb a k a r a n p a d a uji statik. 5
PEMBAHASAN
Salah satu komponen penting pada motor roket cigarette burning adalah sistem lapisan p e n a h a n p a n a s yang melidungi p e r m u k a a n dalam ruang bakar motor roket. Material yang digunakan h a r u s memiliki k e t a h a n a n p a n a s yang tinggi sehingga perlu dicari material yang mampu menahan panas pembakaran 6
propelan selama motor roket beroperasi. Asbestos, fiber carbon, ceramic fiber cloth d a n Iain-lain m e r u p a k a n material u t a m a protektor termal yang baik. Beberapa material protektor termal telah dicoba u n t u k diuji ketahanan panasnya berupa a n y a m a n fiber carbon d a n kain fiber polyester. Berdasarkan uji bakar menggunakan propelan pada tekanan atmosfer terhadap kedua jenis material tersebut menunjukkan bahwa fiber carbon mempunyai k e t a h a n a n p a n a s yang lebih tinggi dibandingkan dengan fiber polyester b a h k a n satu lapis fiber carbon d a p a t m e n a h a n pembakaran propelan tanpa k e r u s a k a n yang berarti. Pada uji pemb a k a r a n selanjutnya terhadap berbagai jumlah lapisan fiber carbon menunjukkan bahwa nyala pembakaran propelan dapat keluar dinding t a b u n g melewati celah a n y a m a n d a n membakar adhesif epoksi yang digunakan (Gambar 4-1). Dengan menambahkan lapisan kain fiber polyester ditengah lapisan protektor termal tersebut ternyata dapat m e n a h a n nyala api pembakaran. Atas d a s a r ini m a k a material protektor termal pada motor roket a k a n m e n g g u n a k a n d u a jenis material yaitu anyaman fiber carbon yang diselingi lapisan kain fiber polyester di bagian tengahnya. Berdasarkan analisis diperkirakan bahwa bagian pertemuan a n t a r a ujung propelan dengan nosel a k a n terdapat celah yang dapat dilalui gas p a n a s hasil pembakaran propelan yang a k a n dapat m e r u s a k dinding t a b u n g motor roket. Bagian ini diatasi dengan pemasangan
O-ring spacer yang t e r b u a t dari fiber carbon yang telah diberi matriks epoksi. O-ring spacer yang dipasang p a d a motor roket ini terdiri dari d u a lapis u n t u k menghilangkan celah tersebut. Setelah motor roket dirakit bersama dengan iginter segera dilakukan uji statik. Hasil pengujian m e n u n j u k k a n bahwa motor roket menyala selama 116 detik tanpa mengalami kegagalan. Tabung motor roket yang digunakan pada pengujian ini menggunakan material stainless steel dengan ketebalan 6 m m . Berdasarkan pengukuran temperatur menggunakan termometer infra merah menunjukkan bahwa dinding luar t a b u n g motor roket di bagian pertemuan a n t a r a ujung propelan dengan nosel mempunyai temperatur yang terus meningkat hingga mencapai 139°C p a d a akhir p e m b a k a r a n propelan. Sistem isolasi p a n a s p a d a motor roket harus dapat menahan temperatur tabung motor roket tidak lebih dari 150°C (Davenas, 1993). Pada temeperatur tersebut material struktur motor roket masih mampu menahan beban operasinya. Hal ini menunjukkan bahwa sistem penahan panas pada motor roket cigarette burning yang dibuat telah bekerja dengan baik.
6
KESIMPULAN
Dari uraian di atas dapat disimpulkan sebagai berikut. • Sistem p e n a h a n p a n a s p a d a motor roket cigarette burning berperan lebih besar terhadap keberhasilan motor roket dibandingkan dengan sistem penahan panas pada motor roket radial burning. • Lapisan anyaman_/iber carbon dan kain fiber polyester d a p a t digunakan sebagai protektor termal motor roket cigarette burning. • O-ring spacer diperlukan u n t u k mengatasi terjadinya celah pada pert e m u a n a n t a r a propelan dengan nosel yang dapat dilewati p a n a s pembakaran propelan menuju dinding t a b u n g motor roket. • Sistem penahan p a n a s p a d a motor roket cigarette burning yang dibuat
telah berfungsi dengan baik dimana motor roket menyala selama 116 detik d a n menghasilkan temperatur dinding l u a r t a b u n g motor roket sebesar 139°C p a d a akhir p e m b a k a r a n . UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih saya sampaikan kepada tim RUKK motor roket cigarette burning y a n g telah memberi tanggapan a t a s m a k a l a h ini. Terima kasih juga diucapkan kepada personil Laboratorium Liner/Inhibitor yang telah membantu melaksanakan pembuatan sistem penahan p a n a s motor roket serta Agung Yudha yang telah m e m b a n t u dalam pembuatan gambar disain motor roket. DAFTAR PUSTAKA Davenas, Alain, 1993. Solid Rocket Propulsion Technology, l8' edition, Pergamon Press, Oxford. Holman, J . P , 1986. Heat Transfer, sixth edition, Mc. Graw-Hill, New York. Kuo, Kenneth K. and Summerfield, Martin, 1984. Fundamentals of Solid PropeUant Combustion, Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 90, American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc., 1633 Broadway, New York. Nakka, Richard, 2003. PropeUant Inhibitor Experiment, Richard Nakka's Experimental Rocketry Web Site. Parker, Earl R., 1967. Matrials Data Rook for Engineers and Scientists, Mc. Graw-Hill Book Company, New York. Sutrisno, 2 0 0 1 . Pengujian dan analisis Ketahanan panas material liner/ inhibitor epoksi, J a n Nas Vol. 4 No. 3, Jakarta. Sutton, George P. a n d Ross, Donald M, 1976. Rocket Propulsion Elements, An Introduction to The Engineering of Rockets, 4 t h ed, John Wiley and Sons, New York. Turi, Edith A., 1981. Thermal Characterization of Polymeric Materials, United Kingdom Edition, Academic Press, Inc., London.
