ISSN 0216 -3U8 199Kamidjo Herusulistyo.

ROKETMENINGKA'fKAN KINERJAMEMPERBESAR GAY A DORONG

DENGAN

Kamidjo HerusulistyoLembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional, Jakarta

RINGKASANMENINGKATKAN KlN'ERJA ROKET DENGAN MEMPERBESAR GAYA DORONG. Tulisan inimenyajikan salah satu (:ara untuk meningkatkan prestasi raker. Berdasarkan hasil ujl statik, menunjukkanbahwa apabila diameter kerongkangan nosel diperkecil, tekanan pembakaran don Kayo dorong yangterukur akan lebih besar. Dari hasil uji statik yang telah dilaksanakan, menunjukkan bahwa utuk diameterkerongkongan nosel yang lebih kecil. tetanal:' pembakaran. gaya dorong don lmpuls spesifiknya akan lebihtinggi. Hal ini berarti bahwa dengan membuat diameter kerongkongan lebih kecil, prestasi raker dapat

lebih ditingkatkan.

ABSTRACTIMPROVEMENT OF ROCKET PERFORMANCE BY INCREASING THE THRUST. This paper describesone of the method to increase the performance of the rocket. Based of the result of the static test. themeasure of the combustion chamber pressure and the thrust of the rocket will increase. if the throat diameterwas decreased. The result of the static test showed that the throat diameter of the nosel was smaller. whereas the combustion chamber pressure. the thrust and the specific Impuls were higher. Its mean that the

performance of the rocket was increased.

dihasilkan. Kecepatan gas pan car yang keluar nose!dipengaruhi oleh banyak faktor diantaranya adalah :jenis bahan bakar, temperatur pembakaran, tekananpembakaran, luas kerongkongan nosel, dan faktor-

faktor lain.

PENDAHULUAN

DASARTEORIDANPERCOBAANPrestasi sebuah roket dicirikan oleb besamya

Impuls spesifik. Besamya Impuls spesifik ditentu-

kan oleh beberapa parameter roket. yang dapatdiukur melalui uji statik. diantaranya adalah : gayadorong. tekanan pembakaran dan waktu pembakar-an. Oari parameter-parameter tersebut dapatditentukan besamya Impuls spesifik. Oleh karenaitu. untuk memperoleh prestasi roket yang tinggi.diusahakan agar gaya dorongnya lebih besar.

Banyak fakor yang mempengaruhi besamyaparameter sebuah roket.

Gaya Dorong dan Tekanan Pembakaran

Prestasi suatu roket ban yak dipengaruhi olehbesar kecilnya gaya dorong, yaitu selisih dari gaya-gaya yang ditimbulkan oleh tekanan yang bekerjapacta permukaan dalam dan luar motor roket.

Gas hasil pembakaran yang berakumulasi diruang bakar akan mengalir keluar dari nosel dengan

B ersamaan dengan kemajuan-kemajuan di

bidang ilmu pengetahuan dan teknologi pada

saat ini perlu diimbangi d~ngan peningkatan dibidang-bidang lain, seperti hal.nya peningkatan dan

pengembangan di bidang penelitian. Lapan sebagaisalah satu lembaga penelitian merasa berkewajibanuntuk bersama-sama lembaga penelitian yang lainuntuk meningkatkan diri dalam penelitiannya. .-

Salah satu bidang penel.itian yang menjaditanggung jawabnya adalah penelitian dan

pengembangan teknologi roket.

Roket adalah salah satu wahana yang

bekerjanya berdasarkan pengubahan tenaga panasmenjadi tenaga kinetis. Tenaga panas yang timbulberasal dari proses pembakaran di ruang bakarmotor roket. Pada proses tersebut dihasilkan gasyang bertemperatur tinggi yang berakumulasi di

ruang bakar dan menimbulkan tekanan sebagaitekanan pembakaran. Gas tersebut sebagai gaspancar yang keluar melalui nose I dengan kecepatantinggi. Sesuai dengan hukum Newton Ill, makaakibat dari kecepatan gas pancar tersebut meng-akibatkan timbulnya gaya dorong yang arahnyaberlawanan dengan arah pancaran gas.

Makin besar kecepat~n gas pancar keluar

nosel akan berakibat makin besar gaya dorong yang

-Proslding Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr

P3TM-BATAoN Yogyakarta. 27 Junl 2002

Kamidjo Herusulistyo.ISSN 0216 -3128200

kecepatan Ve melalui seksi keluar nosel yangluasnya Ae dengan tekanan P e. Oleh karena itugaya dorong dinyatakan dalam persamaan

(1)F = mV. +(p. -~) A.

Dimana: m = Laju aliran massa gas

Ve = kecepatan aliran mass a gas melalui

noselAe = luas penampang seksi keluar nosel

P a = tekanan statis keliling roket

P e = tekanan statis di bagian seksi ke-

luar nosel

Koefisien Gaya Dorong Cf

Gas basil pembakaran berakamulasi dalamruang bakar, dan diekspansikan keluar melaluiujung dari tabung (tanpa nosel), dan timbullah gayadorong yang arahnya berlawanan dengan arahkeluarnya gas tersebut.

Pacta ekspansi ini banyak energi terbuang,dan tidak dapat dimanfaatkan untuk menghasilkanmomentum. Hal ini disebabkan karena gas pactaekspansinya tidak menemukan bidang permukaanuntuk menimbulkan reaksi momentum, sehinggagaya dorong yang dihasilkan relatip lebih kecil biladibandingkan dengan memakai nosel. Sebabapabila pacta tabung dipasang nosel, maka kerugianyang terjadi di atas dapat diminimumkan. Dengannosel dapat pula mengurangi kerugian-kerugianlainnya yang diakibatkan oleh ekspansi yangmendadak.

Apabila pacta ujung tabung dipasang nosel,maka gaya dorong yang dihasilkan akan lebih besarCfkali lebih besar (Cfadalah koefisien gaya dorongyang ditimbulkan karena pemakaian nosel). Makinbesar Cfmakin besar pula gaya dorongnya. Secarasistematis gaya dorong tanpa nosel dinyatakan :

Dari persamaan (1) tersebut, gaya dorong besamyatergantung dari dua komponen utama, yaitu m V .yang dikenal dengan "momentum thrust' dan (Pe -P a) Ae yang dikenal dengan "pressure thrust'.Momentum thrust merupakan komponen utama gayadorong yang ditimbulkan oleh sumber tenaga(propelan). .

Gaya dorong optimum dicapai apabila P e = P a

sehingga hanya faktor m Ve yang berpengaruh.

Laju aliran massa m sangat dipengaruhi olehkecepatan pembakaran r dan massa jenis p,

sehingga:(6)r; = p. A,

Sehingga cf merupakan parameter yang dapatmenilai kualitas dari nosel. Harga Cf dapat diper-oleh dari perhitungan hasil uji statik motor roket.Pada kenyataan hasilnya akan berbeda dengan hasilperhitungan secara teori. Perbedaan ini disebabkankarena pada perhitungan teoritis aliran gas yang

melalui nosel dianggap isentropis, sedangkan prosesekspansi gas yang sebenamya adalah tidak

insentropis.

m = Ahpr

(2)m=AhPP"

dengan

(3)r = a p"

dengan n indek pembakaran, a konstanta yangbesamya tergantung pad'a temperatur awal

pembakaran dan p massa jenis propelan. Besamyakecepatan aliran gas yang keluar nosel dinyatakan

oleh

Pengaruh Diameter Kerongkongan Nose!Pada Tekanan Pembakaran

Besamya gaya dorong dipengaruhi pula olehtekanan pembakaran Pc, dan besamya tekananpembakaran ditentukan jumlah gas yangberakumulasi di ruang bakar. Gas tersebut keluarmelalui nosel sebagai gas huang/gas pancar. Bila madalah jumlah massa gas yang keluar melaluikerongkongan nosel, yang luas kerongkongannyaAt, dan faktor aliran massa Cd, maka:

l..:..!.r...:!:L RT r 1- (~)r+l cl ~ (4)

v.

=

Persamaan gaya dorong dapat pula dinyatakandalam bentuk yang sederhana, dimana besarnyagaya dorong F tergantung dari koefisien gayadorong CJ. tekanan pembakaran Pc dan luas

kerongkongan nosel At

(7)m = CJ p. A,

Dari (2) dan (7), didapat persamaan

~ ]j-:-;;

Cd AIp =c

(5)F = Cf p. AI

-Prosidlng Pertemuan dan Presentasi IImlah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir

P3TM.BATAN Yogyakarta. 27 Junl 2002

Kamidjo Herusulistyo. ISSN 0216 -3128 201

Dari persamaan tersebut terlihat bahwa untuk

memperoleh gaya dorong yang besar, dibutuhkanpropelan yang mempunyai lsp yang tinggi.Sebaliknya jika diinginkan suatu gaya dorongtertentu dan menggunakan propelan yangberkualitas baik (nilai lsp-nya tinggi), maka beratpropelan yang dibutuhkan tidak terlalu besar. Halini akan menghemat berat dan volume motor roket.

(9)

Cdengan k = -1!..; maka CD = 1/ C.ap

HASIL DAN PEMBAHASAN

Untuk mengetahui pengaruh perubahandiameter kerongkongan nosel terhadap gaya dorongyang dihasilkan, digunakan roket. standarberdimneter 150 mm, panjang 1000 mm danberbahan bakar padat jenis HTPB. Pada motorroket dipasang nosel yang berlainan diameterkerong-kongannya, yaitu : 50 mm, 45 mm, 41 mm,38 mm dan 30 mm hasil yang diperoleh adalah.

C' adalah kecepatan karakt~:ristik, yang merupakanparameter untuk memban.jingkan atau menilaireaksi yang terjadi dalam proses pembakaran; dan

juga merupakan parameter yang mengukur energiyang dapat digunakan dari t:nergi yang terkandungdalam gas hasil reaksi pembakaran.

Oari persamaan (9) nilai K --pl-n atau log K -logP; sehingga untuk nilai K tel.1entu, dapat ditentukannilai P yang dikehendaki.

Besanya Pc dipengaruhi olc~h K, yang tergantungpada diameter kerongkongan nose I. Makin kecildiameter kerongkongan nos~:l makin tinggi tekananpembakaran yang terjadi, demikian juga gaya

dorongnya.Hasil Pengukuran

Berikut ini disajikan data hasil pengukuranpercobaan yang pemah dilaksanakan di lnstalasi UjiStatik. Percobaan dilakukan dengan menggunakanroket standar, yaitu roket yang khusus dibuat untukpercobaan uji statik pakai ulang, tabungnya teba!sehingga tidak akan pecah walaupun tekananpembakaran besar. Tabung motor roket diisidengan propelan HTPB dengan dimeterkerongkongan nosel yang bervmiasi; yaitu dari 50mm, 45 mm, 4 I mm, 38 mm dan 30 mm. Padapercobaan diukur para-meter-parameter: tekananpembakaran, gaya dorong dan waktu pembakaran.Dari parameter-parameter tersebut dapat ditentukan

Impuls spesifik, yang besamya mengindikasikanprestasi roket. Secara keseluruhan hasilnya dapatditabelkan pada Tabel I.

Spesifik Impuls .Spesifik Impuls (lsp), adalah suatu ukuran

untuk menilai kinerja propelan. Yang dinilai adalahkinerja dari sumber tenaga yang kemudian akandiubah menjadi kinetis oleh nosel. Spesifik Impulsmerupakan parameter yang mencakup reaksipembakaran dan ekspansi dalam nosel.

Oari hasil uji statik lsp ditentukan denganmenggunakan persamaan :

.F'Isp = I¥

dengm W adalah laju aliran massa gas yang keluarnosel.

Tabcl 1. Hasi/ percobaan uji statik motor roket podol, dengan menggunakan roket standar donprope/an HTPB.

TekananPembakaran

.(kgf/cm2)

Gaya Dorong(kgf)

WaktuPembakaran

(detik)

Impuls Spesifik(detik)

Diameter Kerong-kongan Nosel

(mm)

675 4,5 189,550 26

5,6 19045 40,6

46

541,6

800 4,0 20041

3,8

2,8

20638 34,3

103

813

230,6123030

Prosiding Pertemuan I:lan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NukllrP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

ISSN 0216-3128 Kamidjo Herusulistyo202

Pembahasan

Dari hasil percobaan dlapat diukur gayadorong, tekanan pembakaran datl waktu pembakar-an. Dari data tersebut dapat pula ditentukan besar-nya Impuls spesifik yang akan I1tlenentukan prestasiroket yang diuji. Dari hasil Ipengukuran, makinkecil diameter kerongkongan, tc~kanan pembakaranrelatif makin besar. Demikian juga besarnya gayadorong. Data hasil pengukuran memperlihatkanbahwa prestasi roket ditunjukkan oleh besamyaImpuls spesifik dan besarnya Impuls spesifiksebanding dengan besamya ~~aya dorong. .olehkarena itu untuk meningkatkan prestasi roket dapat

diusahakan dengan meningkatkan besarnya gayadorong.

naik hila perbandingan AelAt diperbesar. Denganmemperkecil diameter kerongkongan nosel, berartipula memperkecil At, sehingga AelAt semakin besar.Usaha menaikkan Cf ini juga kurangmenguntungkan karena untuk AelAt yang cukupbesar nilai Cfbahkan akan menurun.

Usaha memperbesar gaya dorong, dapat jugadilakukan dengan memperbesar kecepatan aliran gaskeluar nosel Ve. Ve dapat diperbesar dengan jalanmempertinggi temperatur pembakaran Tc. Hal ini

dapat dilakukan apabila dipakai propelan yangmenghasilkan Tc yang setinggi-tingginya. Namunpada kenyataannya hal tersebut sukar dilakukan,karena keterbatasan kemampuan ruang bakarterhadap temperatur yang tinggi. Di samping itupula, pada temperatur tinggi dikhawatirkan terjadidisosiasi yang dapat merugikan proses pembakaran.

KESIMPULAN

Dari basil percobaan clan sedikit pembahasandapat disimpulkan bahwa prestasi roket akanmeningkat jika gaya dorongnya besar. Untukmemperbesar gaya dorong ada beberapa cara.Setiap cara yang dilakukan ada keterbatasan yangperlu diperhatikan antara lain:

a. Banyak faktor yang mempengaruhi besarnyagaya dorong, diantaranya adalah : laju aliranmassa gas basil pembakaran, kecepatan alirangas keluar nosel, temperatur clan tekananpembakaran, serta jenis bahan bakar yang

digunakan.b. Bahan tabung motor roket hendaknya dipilih

bahan yang tahan terhadap temperatur clantekanan tinggi, tetapi harus cukup ringan.

c. Prestasi roket dapat diperoleh apabila gayadorongnya tinggi. Sedang gaya dorong yangbesar dapat diperoleh dengan memperkecildiameter kerongkongan nosel sampai batas-batastertentu, dimana tabung motor roket masihcukup mampu menahan tekanan pembakaranyang diperkirakan akan terjadi.

DAFTARPUSTAKAI. J. W CARNELESSE, R F. R SCHOYER, K. F

WAKKER, Propulsion and Space Dynamic,Pitmann Publishing Limited, 39 raker Street,

London, 1979.

2. GORGE P. SUlTON, DONALD M. ROSS,Rocket Propulsion, John Wiley & Son, New

York, 1976.

Ada beberapa cara Ulrltuk meningkatkanbesamya gaya dorong, tetapi dalam melakukanusaha tersebut acta keterbatasan-keterbatasan yangperlu diperhitungkan. Salail1 satu cara yangdilaksanakan pad a makalah ini secara sepintasmudah dilaksanakan. Satu sisi menguntungkan,tetapi dilain pihak juga merugikan.

Beberapa hal yang pel:lu diketahui dalampercobaan adalah bahwa pacta percobaan inidigunakan motor roket standar, yang khusus dibuatuntuk uji statik dan yang dapat dipakai ulang.Motor roket tesebut tebal se~~ali dan berat, yangtahan terhadap tekanan yang tinggi. Pacta percobaandi atas untuk diameter kerongkongan yang lebihkecil akan menghasilkan gaya dorong yang lebihbesar, tetapi tekanan pembakarannya juga makintiggi. Pada percobaan ini tidak berpengaruh karenatabung motor roket yang dipakai tahan terhadaptekanan tinggi. Dari basil tersebut di atas, tintukdiameter kerongkongan nosel 30 rom, gaya dorongterukur mencapai 1230 kgf dan Impuls spesifikterhitung mencapai harga yang tinggi yaitu 230,6detik. Nilai tersebut adalah nil.ai harapan yang ingindicapai, dan nilai keberhasilan penelitian bahanbakar roket yang saat ini sedang diteliti dandikembangkan. Akan tetapi hal ini belum tentudapat dil.asanakan, karena te~~anan pembakarannyatercatat tinggi sekali. Untu1k dapat dilaksanakandiperlukan tabung motor roket yang tahan terhadaptekanan tinggi.. Tabung yang dipakai saat inidirancang untuk tekanan pembakaran maksimmn 70

kg/cm2. Usaha lain yaitu dengan mempergunakantabung yang lebih tebal agar tahan terhadap tekanantinggi. Hal ini merupakan suatu kerugian karenaakan menambah berat roket, sehingga akanmengurangi ketinggian yang harus dicapai danmengurangi beban guna yang'harus dibawa.

Gaya dorong dapat p,ula diperbesar denganmemperbesar nilai Cf Secara teori nilai Cf akan

Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

ISSN 0216 -3128Kamidjo Herusulistyo. 203

3 Data Uji Statik Motor Roket, Pusat WahanaDirgantara, Lapan, 1998.

HERU SUSILO M. Sc, Ir, Propu/si MotorRoket, Diktat Kuliah, Pasta Sarjana 1978.

4

Djoko Hari Nugroho

-Berapa harga optimal nosel (penampang) untukbahan bakar tertentu dan bagaimana cara

menghitungnnya?

-Aapakah rumusan tersebut berlaku juga untukpropelan cair?

TANYAJAWABKamidjo Herusulistyo-Nilai optimal diameter kerongkongan nosel

antara 30 mm -40 mm.

-Tidak berlaku untuk ralut cairoSyarip-Roket jenis apa saja yang dimiliki LAP AN saat

ini? (Jenis apa yang memiliki prestasi terbaik?

Sampai berapa jauh jarak tempuh yang dicapai,berapa berat beban yang dapat dibawa? Berapaharga satu roket yang dimiliki LAPAN tersebut?).

-Apa saja jenis bahan bakar roket tersebut?

Sri Mulyono-Berapa perbandungan optimum ukuran kerong-

kongan nose! dan ukuran diameter tabling roket,

sehingga menghasi!kan daya dorong yangterbesar?

-Bagaimana dampaknya ka!au nose! tidak hanya

satu? (Mu\)gkin 4 buah).Kamidjo Herusulistyo-Jenis roket yang dipunyai LAPAN saat ini

tergantung bahan bakarnya, saat ini yang sedangdikembangkan roket berbahan bakar padat

HTPB.

-Bahan bakar yang mula-mula pernahdikembangkan poly sulfida, poli uretan yang saat

inijenis HTPB.

Kamidjo Herusulistyo-Perbandingan optimum be/um ado. unluk molar

rokel panjang / m AbiAt kira-kira 280 -300.

-Jika molar roketnya 4 buah lenlu soja gayadorong awa/ akan /ebih besar.

---Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir

.P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002