SISTEM PEREDAM VIBRASI DAN SHOCK SERTA PERPINDAHAN PANAS PADA PAYLOAD ROKET

0074: A. Prasetya Adi dkk.

HK-101

SISTEM PEREDAM VIBRASI DAN SHOCK SERTA PERPINDAHAN PANAS PADA PAYLOAD ROKET Aandreas Prasetya Adi*, Wigati, dan Sutisno 1)Lembaga

Penerbangan dan Antariksa Nasional Jl. Mekarsari No. 7, Bogor 16350 Telepon (021) 49006215 *e-Mail: [email protected] Disajikan 29-30 Nop 2012

ABSTRAK Segmen yang penting dan sangat menentukan dari trajektori roket adalah saat mulainya meluncur sampai habis terbakar, yaitu burning time. Pada durasi tersebut motor roket menimbulkan getaran yang menggetarkan seluruh roket beserta isinya. Bagian yang rentan mengalami gangguan adalah payload roket. Payload ini terdiri dari berbagai peralatan elektronik, transmitter, bermacam-macam sensor, akselerometer, gyro, dan sebagainya, termasuk embedded controller system. Pada makalah ini disajikan sistem peredam untuk melindungi payload, khususnya embedded controller system, dari gangguan shock dan vibrasi, dan perpindahan panas pada payload. Getaran motor roket disimulasikan menggunakan motor elektromagnetik, dan getaran diukur menggunakan sensor akselerometer. Hasil pengukuran ditampilkan dalam bentuk kurva, yang menunjukkan level getaran pada beberapa bagian benda uji. Hasil dari beberapa percobaan dapat digunakan untuk menentukan bahan peredam yang baik untuk dipakai guna mengurangi getaran yang mengganggu instrumen pada payload. Kata Kunci: Segmen, roket, vibrasi, frekuensi, sistem

I.

PENDAHULUAN

Sebelum roket diluncurkan, bahkan terkadang sejak perancangannya, trayektori roket telah ditentukan atau diprediksi dulu. Untuk pemantauan trayektori dapat dilakukan menggunakan gyro dan akselerometer, yang dilengkapi dengan peralatan untuk transmisi data, serta peraga (display) maupun pencatat. Peralatan elektronik ini sering mendapat gangguan sinyal dari. Sinyal gangguan yang sangat berpengaruh adalah gangguan yang berasal dari getaran motor roket, yang berupa shock (hantaman, hentakan) dan vibrasi. Ini terutama terjadi selama durasi burning time. 6) Untuk mengurangi dampak shock dan vibrasi ini secara langsung, dilakukan menggunakan peredam mekanik. Pada penelitian ini digunakan kombinasi peredam mekanik pegas dan isolator bahan silicon gel. Pegas digunakan untuk peredaman bagian luar yang mengganggu kotak payload, sedangan silicon gel untuk sebelah dalam, yaitu untuk meredam dan melindungan PCB (printed circuit board) serta rangkaian elektronik lainnya.

II.

METODOLOGI

Sistem peredam pada penelitian ini menggunakan pegas dan silikon gel sebagai bahan utama. Pegas dipilih sesuai dengan nilai stiffness yang diperlukan, yang telah diuji dan ditentukan dari fabrikasi. Sedangkan silikon gel dicetak (dicor) dan diuji untuk mengetahui karakteristiknya, sampai diperoleh hasil yang sesuai

dengan kebutuhan. Penentuan stiffness pegas dan silikon gel ini disesuaikan dengan frekuensi dan amplitudo sinyal gangguan dan ketahanan alat yang dilindungi terhadap shock dan vibrasi. Awal pengujian dilakukan untuk memperoleh hasil guna perbaikan dan koreksi perancangan yang berikutnya. Dengan demikian akan diperoleh hasil perancangan yang semakin baik, dalam artian dapat meredam gangguan secara efektif dan optimal.

A. Vibrasi Pada berbagai mesin, roket dengan motornya, motor listrik, dan beberapa peralatan lain, terjadi gerak yang berosilasi. Ini disebut vibrasi. Gerak vibrasi sederhana dapat dibangkitkan dengan pegas yang diberi beban, dan digantungkan pada atap.4) Secara teoritis ayunan atau gerak osilasi tersebut akan berlangsung selamanya (abadi) tanpa berhenti, bila tidak ada gesekan.1) Akan tetapi dalam kenyataanya, selalu terjadi kerugian energi, yang biasanya berubah menjadi energi termal akibat gesekan, ketidaksempurnaan pegas, dan sebagainya. 7) Akibatnya, energi total untuk menunjang gerak osilasi makin lama makin berkurang, dan akan menurunkan amplitudo pegas.

B. Frekuensi pribadi Rangkaian pegas dan massa merupakan sistem yang mempunyai frekuensi pribadi (natural frequency) yang nilainya merupakan fungsi dari kekakuan (stiffness) pegas dan massa beban.

0074: A. Prasetya Adi dkk.

HK-102 Frekuensi pribadi sistem peredam getaran atau isolasi vibrasi selalu diupayakan tidak sama dengan frekuensi sumber vibrasi, meskipun kadang-kadang ini merupakan upaya yang sulit. Resonansi dapat terjadi bila suatu sumber vibrasi mempunyai frekuensi yang sama dengan frekuensi pribadi suatu sistem, dan terdapat media transmisi antara sumber vibrasi dan sistem tersebut. Dengan demikian, dua faktor tersebut merupakan syarat perlu agar dapat terjadi resonansi. Demikian juga muatan roket bisa beresonansi sehingga bergetar keras apabila frekuensi getaran motor roket sama dengan frekuensi pribadi muatan roket tersebut.

III.

HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Peredam mekanik pada roket Untuk peredaman shock dan vibrasi pada penelitian ini digunakan silicon gel. Material ini mempunyai factor damping yang relatif tinggi yaitu sebesar 0,13. 5) Nilai ini lebih tinggi daripada beberapa bahan lainnya, yaitu karet alam, neoprene, butyl, felt and cork. 2) Metode ini digunakan pula pada peredaman shock dan vibrasi untuk melindungi harddisk dari shock dan vibrasi ketika digunakan atau sewaktu jatuh. Metoda peredaman yang diinstal pada roket ini menggunakan pegas logam yang dikombinasikan dengan silicon gel seperti pada Gambar 1(a). Pegas tidak dibuat dalam bentuk spiral untuk menghindari ketidakseimbangan pada saat dibebani, melainkan berbentuk omega seperti ditunjukkan pada Gambar 1(b).

Gambar 1. (a) Peredaman kombinasi pegas dan silicon gel. (b) Pegas bentuk omega.

Dari Gambar 1 terlihat bahwa peredaman terdiri dari dua system, yaitu system peredaman pegas dan peredaman silicon gel.

B. Karakteristik redaman Akselerasi roket dihitung dari thrust mesin roket yang diperoleh dari uji static, dibagi dengan massa roket. Dari perhitungan tersebut diperoleh nilai shock yang relatif besar, yaitu yang timbul dari perubahan dari percepatan nol (percepatan relatif pada saat menjelang launching) sampai mencapai nilai maksimum 20 G, ditempuh dalam waktu 200 mili detik. Hasilnya, nilai shock menjadi 20 G per 200 mili detik atau sama dengan 100 G per detik. Untuk meredam atau menurunkan nilai shock ini digunakan peredam pegas. Dengan simulink-matlap, kurva percepatan awal sebelum diredam ditunjukkan pada Gambar 2 berikut.

Gambar 2. Kurva percepatan vs waktu sebelum peredaman.

Dari Gambar 2 terlihat nilai shock adalah 100 G per detik. Setelah peredaman dengan menggunakan pegas, bentuk kurvanya menjadi seperti Gambar 3.

Gambar 3. Kurva percepatan vs waktu sesudah peredaman.

Setelah peredaman pada kurva Gambar 3 terlihat nilai shock turun menjadi 10 G per detik, sepuluh kali lebih rendah (lebih landai) daripada nilai semula. Program simulink-matlap untuk simulasi tersebut diperlihatkan pada Gambar 4. Percepatan sebelum peredaman divisualisasi menggunakan Scope1, sedangkan percepatan setelah peredaman diperoleh menggunakan Scope. Kurva awal diperoleh dari substraction jalur pada source Step dan jalur pada Step1. Masing-masing source tersebut diintegralkan menggunakan Transfer Fcn dan Transfer Fcn1, sedangkan Transfer Fcn2 merupakan rangkaian peredaman pegas.

C. Simulasi sumber getaran Sumber getaran motor roket disimulasikan menggunakan motor elektromagnetik yang ditunjukkan pada foto Gambar 5. Motor yang mampu dibebani 10 kg dengan implitudo 47 G ini menggetarkan anjungan tempat meletakkan payload.

0074: A. Prasetya Adi dkk.

HK-103 E. Cara perpindahan kalori.

Gambar 4. Software simulink untuk menentukan kurva percepatan

Ada tiga cara perpindahan kalori (heat transfer), yaitu radiasi, konduksi, dan konveksi. Radiasi adalah perpindahan kalor secara pemancaran, langsung membentuk garis lurus. Media untuk radiasi ini masih kontroversi sampai sekarang, apakah perlu adanya media atau tidak. Ini karena dengan hampa udara pun dapat terjadi radiasi dari matahari ke bumi dan ke planet lain. Konduksi dapat terjadi melalui media padat, cair, dan gas, dan tidak dapat melalui hampa. Secara umum konduksi paling baik dengan media padat, baru cair, dan yang paling lemah adalah gas. Konveksi dapat terjadi melalui media cair dan gas. Berbeda dengan radiasi dan konduksi, di mana materi media tidak ikut berpindah. Pada konveksi, materi media ikut berpindah menghantarkan energy kalori. Itulah sebabnya konveksi hanya terjadi pada zat cair dan gas, di mana bentuk fisiknya mudah berubah-ubah dan dapat mengalir. Aliran inilah yang memindahkan kalori. Sebagaimana diutarakan di atas perpindahan kalori dapat terjadi dengan syarat ada perbedaan suhu. Arah perpindahan kalori adalah dari benda yang suhunya lebih tinggi ke yang lebih rendah.

F. Perpindahan panas di payload.

Gambar 5. Motor elektromagnetik untuk simulasi sumber getaran Pada percobaan ini digunakan beban 7 kg yang diisi dengan PCB yang telah dibungkus dengan bahan peredam silicon. Sebagai sensor digunakan beberapa akselerometer yang dilekatkan pada bidang yang mau dideteksi. Hasilkan pengukuran getaran pada beberapa bagian benda uji diberikan pada kurva Gambar 6. Pada Gambar 12, kurva 1 menunjukkan vibrasi di luar kotak PCB, sedangkan kurva 2 vibrasi pada permukaan PCB yang dibungkus oleh bahan peredam. Dua kurva di bawahnya menunjukkan vibrasi arah harisontal. Terlihat bahwa kurva 1 dan 2 mempunyai amplitodo yang hamper sama pada frekuensi rendah (80 Hz). Pada frekuensi medium (80 Hz - 330 Hz), amplitude yang teredam lebih besar daripada yang tidak teredam. Fenomena ini menandakan timbulnya resonansi antara sinyal pengganggu terhadap sinyal yang diredam yang mempunyai frekuensi pribadi medium.3) Pada frekuensi tinggi (330 Hz - 2000 Hz), amplitude vibrasi yang teredam jatuh di bawah 0,1 G, lebih rendah daripada sinyal gangguan. Ini berarti bahwa system peredam cukup baik dan dapat mengurangi nilai percepatan sampai 0,9 G.

D. Perpindahan panas Panas atau kalori merupakan energy yang tersimpan didalam suatu benda atau zat. Energi kalori ini dapat berpindah dari satu benda ke yang lain dengan syarat dua syarat. Dua syarat ini adalah pertama, adanya perbedaan suhu antara dua benda tersebat, dan kedua terdapat media yang menjadi wahana perpindahan panas tersebut.

Perpindahan kalori pada payload terjadi antara payload (instrument, PCB, sensor, dan peralatan elektronik lainnya) dan kompartemen atau body roket. Perlu diteliti apakah terjadi perpindahan kalori ini, dan kalau terjadi kearah mana. Yang dikehendaki adalah dari arah payload kearah body roket. Perpindahan ini harus diperlancar. Kalau terjadi perpindahan kalor dari arah roket ke payload, maka perpindahan ini harus dicegah, dipersulit, atau diredam. Kedua cara ini, baik memperlancar maupun meredam, dapat dilakukan dengan memberikan zat antara payload dan body roket, misalnya bahan foam. Bila yang dimaksud adalah untuk memperlancar perpindahan kalor, maka bahan yang digunakan adalah yang bersifat termal konduktif. Sedangkan bila dimaksudkan adalah untuk menghambat atau meredam, maka digunakan bahan yang bersifat termal isolative.

0074: A. Prasetya Adi dkk.

HK-104

Jadi penelitian perpindahan kalor ini terutama terdiri dari dua yaitu menentukan arah perpindahan dan mencari bahan yang tepat untuk penyekat antara payload dan roket.

G. Penentuan arah perpindahan Penelitian ini dilakukan dengan cara memberikan daya listrik kepada PCB, yang berfungsi sebagai dummy payload. Daya ini disesuaikan dengan nominal daya pada payload yang akan digunakan. Dummy payload ini dibungkus dengan bahan penyekat yang akan digunakan untuk peredam getaran. Selanjutnya, suhu dummy payload diamati menggunakan sensor suhu, yang hasilnya ditransmitt untuk pengamatan. Peralatan untuk pengamatan suhu ini telah dirancang dan akan segera digunakan untuk pengujian. Tahap penelitian selanjutnya setelah pengamatan suhu adalah penentuan bahan penyekat. Ada dua langkah penentuan bahan penyekat. Pertama, bila suhu payload lebih tinggi daripada roket, maka bahan penyekat yang digunakan adalah bahan yang mempunyai termal konduktivitas lebih tinggi daripada udara. Kedua, bila suhu payload lebih rendah daripada roket, maka bahan penyekat yang digunakan adalah bahan yang mempunyai termal konduktivitas lebih rendah daripada udara.

IV.

Gambar 6. Kurva karakteristik redaman

Pada payload telah dipasang bahan, yang dimaksudkan untuk meredam getaran. Peredaman getaran ini telah beberapa kali diuji. Meskipun telah berhasil meredam getaran dengan baik, namun perlu diteliti efek kalorinya. Hal ini diperlukan agar payload terlindungi dari gangguan mekanik yang berupa getaran, dan gangguan termal yang berupa suhu tinggi (over heat) yang dapat merusak dan menghancur leburkan payload.

KESIMPULAN

Gangguan getaran motor roket dapat mengganggu instrumen yang digunakan untuk control, sensor, dan instrumen elektronik lainnya. Instrumen yang sangat rawan terganggu adalah gyro, yang digunakan untuk pengukuran kecepatan sudut pembelokan arah roket, dan embedded controller system. Pengukuran dengan menggunakan gyro ini sering mendapat interferensi gangguan yang berasal dari getaran mekanik. Gangguan ini dapat dikurangi dengan menggunakan peredam mekanik yang berupa system pegas dan isolator bahan silicon gel. Dalam perancangan sistem peredam, harus dicegah terjadinya interferensi antara frekuensi sinyal gangguan dengan frekuensi pribadi system peredam. Interferensi terhadap fekuensi pribadi, yang disebut resonansi ini dapat merusak payload. Ini terlihat dari hasil pengujian Gambar 6. Hasil pengujian menunjukkan, pada frekuensi rendah amplitudo sinyal yang teredam dengan yang belum diredam sama besar. Dengan kenaikan frekuensi, amplitudo sinyal yang diredam akan naik sampai pada frekuensi pribadi, kanaikan amplitudo mencapai maksimum. Di atas frekuensi pribadi, amplitudo sinyal yang teredam semakin turun. Pada frekuensi tinggi, yaitu frekuensi nyata gangguan sekitar 1 kilo hertz, amplitudo sinyal yang teredam menjadi sangat rendah. Dapat disimpulkan pula, dalam perancangan system peredam, frekuensi pribadi harus lebih rendah daripada frekuensi sinyal gangguan. Di samping getaran mekanik yang dapat mengancam payload, perlu diantisipasi pula pengaruh kalori yang timbul dan mengakibatkan kenaikan suhu payload. Sebagaimana peralatan elektronik lain, payload yang berisi beberapa instrument elektronik juga rawanan terhadap kenaikan suhu. Kenaikan suhu ini ditimbulkan karena energy listrik dari catu daya inbstrumen berubah menjadi energy kalor sehingga menimbulkan kenaikan suhu. Bisa terjadi pula perpindahan panas dari luar atau permukaan roket menuju payload. Kenaikan suhu permukaan roket dapat terjadi karena adanya gesekan udara dengan permukaan roket, khususnya pada kecepatan supersonic.

DAFTAR PUSTAKA [1] Advanced Vibration Components, Technical Section: Vibration and Shock Isolation, www.vibrationmounts.com.

0074: A. Prasetya Adi dkk. [2] Ateinberg, Dave S, Vibration Analysis for Electronic Equipment, John Wiley & Sons, 2000. [3] Bingshang Li and Xinqi Xu, Coupled Vibration Analysis of Multiple Launch Rocket System by Finite Element Method, Computational Methods in Engineering & Science 2007, Part 10, 325. [4] Donghyun Hwang etal, Vibration Reduction module with Flexure Springs for Personal Tools, World Academy of Science, Engineering and Technology 56, 2009. [5] Enidine, Wire Rope Isolator Catalog, www.enidine.com. [6] Griffin, Michael D. & French, James R., 1991, “Space Vihicle Design”, AIAA Education Series, Washington, DC. [7] Shin, Sang-chul, Hard disk drive comprising flexible printed circuit with damping material," US patent 10/288507, 2002. [8] Widjiati, E. (2012). Measurement of propeller-induced cavitation noise for ship identification. In Proceedings of ACOUSTIC 2012 Hong Kong, Hong Kong 13 – 18 May [9] Widjiati, E. (2012). Analysis of Propeller Cavitation-Induced Signal Using Neural Network and Wigner-Ville Distribution. In Proceedings of OCEANS 2012 MTS/IEEE Yeosu, Yeosu, South Korea 21 – 24 May [10] Park, C., Seol, H., Kim, K. and Seong, W. (2009). A study on propeller noise source localization in a cavitation tunnel. Ocean Engineering, 36, 754-762 [11] Sharma, S. D., Mani, K. and Arakeri, V. H. (1990). Cavitation Noise Studies on Marine Propellers. Journal of Sound and Vibration, 138(2), 255-283

HK-105