Setiadi1) dan Sugiarmadji HPS2)
1)
Peneliti, Pusat Teknologi Wahana Dirgantara, Detekgan LAPAN 2) Peneliti, Pusat Teknologi Wahana Dirgantara, Detekgan LAPAN
Jl. Raya LAPAN Rumpin, Serpong Jawa Barat. e-mail address : seti1159@biz.net.id, sugiarmaji@yahoo.com
Intisari
Motor Roket RXPS-01 merupakan motor roket padat yang sekarang ini sedang dikembangkan di LAPAN. Motor roket ini direncanakan akan menjadi booster roket untuk peluncur satelit. Cap adalah komponen dari motor roket yang terletak pada ujung depan motor roket, dan berfungsi sebagai tutup dari tabung motor roket pada bagian depan. Struktur Cap ini harus dirancang sekuat mungkin, terutama untuk bisa menahan beban tekanan dari pembakaran propelan roket, namun beratnya harus seringan mungkin, agar dapat memberikan rasio massa roket secara keseluruhan lebih baik.
Salah bentuk struktur Cap yang akan ditawarkan di sini sebagai bentuk alternatif adalah dinding parabolik dari bahan Baja Karbon S-45C. Sampai saat ini struktur Cap yang konvensional umumnya berbentuk pelat datar dengan ketebalan tertentu yang sama. Dari perhitungan secara analitik sebenarnya bentuk lendutan dari Cap akibat pembebanan tekanan gas pembakaran akan merupakan fungsi parabolik. Oleh karena itu, dengan membuat struktur Cap berupa suatu dinding parabolik, dengan ketebalan merata akan dihasilkan distribusi tegangan geser yang sama besar sepanjang struktur Cap. Ketebalan struktu Cap yang dihasilkan akan bisa lebih tipis dibandingkan bentuk datar merata, sehingga akan diperoleh berat struktur Cap yang lebih ringan.
Untuk mengetahui kekuatan struktur Cap dengan bentuk dinding parabolik ini, besarnya tegangan statik yang terjadi akan dianalisis dengan menggunakan suatu perangkat-lunak berbasis Metoda Elemen Hingga (FEM). Apabila hasilnya cukup baik, maka bentuk struktur parabolik ini akan diusulkan untuk dibuat. Kata Kunci : Cap, Booster Roket, Dinding Parabolik, FEM
Pendahuluan
Cap dari suatu motor roket merupakan komponen yang terletak pada ujung-depan dari tabung motor roket. Fungsi Cap pada motor roket adalah untuk menutup tabung motor roket serta menahan gaya tekanan dari hasil gas pembakaran propelan roket. Oleh karena itu, struktur harus dirancang sekuat mungkin, namun cukup ringan, sehingga mampu menahan beban tekanan tersebut. Besarnya ketebalan dinding Cap sangat menentukan kekuatan dari strukturnya. Struktur Cap yang akan dirancang adalah Cap untuk motor roket RXPS-01. Motor roket ini direncanakan akan menjadi booster roket untuk peluncur satelit, yang merupakan motor roket terbaru berdiameter OD = 549 mm yang sedang dikembangkan di LAPAN.
Salah bentuk struktur Cap yang akan ditawarkan di sini sebagai bentuk alternatif adalah dindingnya berbentuk parabolik dari bahan Baja Karbon S-45C. Sampai saat ini struktur Cap yang konvensional umumnya berbentuk pelat datar dengan ketebalan tertentu yang sama. Dari perhitungan secara analitik sebenarnya bentuk lendutan dari Cap akibat pembebanan tekanan gas pembakaran akan merupakan fungsi parabolik. Oleh karena itu, dengan membuat struktur Cap berupa suatu pelat bundar parabolik, dengan ketebalan merata akan dihasilkan distribusi tegangan geser yang sama besar sepanjang struktur Cap. Ketebalan struktur Cap yang dihasilkan akan bisa lebih tipis dibandingkan bentuk datar, sehingga diharapkan bisa diperoleh penurunan berat struktur.
Untuk memudahkan dalam penentuan ketebalan dan bentuk parabolik struktur dinding Cap motor roket RXPS_01 di sini akan digunakan pendekatan perhitungan secara analitik, di mana diasumsikan bahwa struktur dinding Cap hanya berupa pelat bundar pipih, yang dijepit pada tepi-tepinya. Dari bentuk parabolik ini maka kekuatan struktur dinding Cap kemudian dapat dianalisis dengan menggunakan suatu perangkat lunak berbasis Metoda Elemen Hingga (Methods Finite Element -FEM).
Metodologi
Penentuan bentuk parabolik struktur dinding Ccap motor roket RXPS-01 akan ditentukan melalui pendekatan dari hasil perhitungan secara analitik. Bentuk dinding struktur parabolik diperoleh dengan membuat harga rata-rata ketebalan dinding dari pusat ke tepi dinding. Hasil yang didapatkan kemudian dianalisis kekuatan strukturnya dengan menggunakan bantuan suatu perangkat lunak berbasis Metoda Elemen Hingga Nastran versi Windows 4.5 .
Analisis Tegangan Statik Struktur Dinding Cap Motor Roket RXPS-01
Untuk memudahkan penentuan ketebalan dinding Cap, di sini struktur Cap dipandang hanya sebagai pelat datar bundar yang dijepit pada tepi-tepinya. Dengan beban tekanan merata pada permukaan pelat, harga momen dan gaya yang terjadi dapat dituliskan sebagai berikut [5]:
o Momen arah tangensial :
[
2 2]
) 3 1 ( ) 1 ( 16 r r p M o ν o ν ϕ = − + − + (1) o Momen arah radial :[
2 2]
) 3 ( ) 1 ( 16 r r p M o o r = − +ν − +ν (2) o Gaya Geser : 2 . o o r r p q = (3) di mana :po = tekanan dari hasil gas pembakaran, akan diberikan variatif dari 50~ 80 kg/cm2.
ν = Poisson ratio (untuk Baja Karbon S45C harganya = 0,32).
ro = 274,5 mm (jari-jari luar cap, di mana diameter-luar tabung motor roket RXPS-01 sebesar 559 mm, tebal t =
5 mm)
r = jari-jari dinding struktur cap bergerak dari pusat pelat bundar ke tepi, 0 ~ 274,5 mm. Ketebalan struktur Cap dapat dihitung dari hubungan :
2 . 6 t Mr u = σ (4) atau u Mr t σ . 6 = (5) di mana :
σu - tegangan tarik ultimate, untuk Baja Karbon S-45C sebesar σu = 5800 kg/cm2.
t - tebal dinding Cap. Mr - momen arah tangensial
Dengan memasukan harga-harga tekanan gas pembakaran po, rasio Poisson ν, jari-jari ro dan r, maka akan
didapatkan besarnya ketebalan dinding struktur Cap seperti yang terlihat dalam Tabel-I. Dari data propulsi dipilih untuk perhitungan kekuatan diambil pembebanan tekanan sebesar p = 60 kg/cm2. Dengan mengambil harga faktor keamanan S.F = 1,3 dari hasil perhitungan analitik ketebalan dinding Cap, maka diperoleh ketebalan dinding di tengah sebesar t = 2.240 cm dan di tepi t = 2.757 cm. Untuk bentuk parabolik diambil harga rata-rata sama sebesar t = 2,4985 cm dari titik tengah ke tepi pelat dinding Cap. Bentuk dan geometri struktur Cap untuk motor roket RXPS-01 adalah seperti yang ditunjukkan dalam Gambar-1.
Untuk mengetahui kekuatan struktur dinding Cap bentuk parabolik ini perlu dibuat pemodelan FEM. Hasil pemodelan FEM struktur Cap adalah seperti yang terlihat dalam Gambar-2, dengan 336 elemen dan 674 nodal. Analisis tegangan statik struktur Cap dapat dilakukan dengan bantuan suatu perangkat lunak berbasis Metoda Elemen Hingga (FEM) Nastran versi Windows 4.5 .
Tabel-I : Harga Ketebalan Dinding Struktur Cap Motor Roket RXPS-01
p Mr = Mφ Mr Mφ t (cm) t (cm)
(kg/cm2) (kg.cm) (kg.cm) (kg.cm) S.F = 1 S.F = 1,3 (di pusat) (di tepi) (ditepi) (dipusat) (ditepi) (di pusat) (ditepi)
50 3108,3 4709,2 -1507 1,793 2,207 2,045 2,517 60 3730 - 5651 -1808,4 1,964 2.418 2.240 2,757 70 4352 6592,8 -2110 2,122 2,612 2,419 2,978 80 4973 7534,7 -2411,2 2,268 2,792 2,586 3,183
Gambar-1 : Bentuk dan Geometri Struktur Cap Parabolik dari Motor Roket RXPS-01
Model FEM untuk struktur Cap ini kemudian di “constraint fixed” (arah 1,2,3,4,5,6) pada daerah sambungan dengan tabung motor roket dan tabung muatan(payload). Kemudian diberikan pembebanan gaya dari tekanan hasil gas pembakaran propelan di dalam tabung motor roket pada seluruh permukaan yang menghadap arah tabung. Besarnya beban tekanan di sini diberikan pada p = 60 kg/cm2 atau 5,886E6 N/m2, diasumsikan akan bekerja secara merata pada seluruh permukaan dinding Cap.
D = 549 mm
Gambar-2 : Pemodelan FEM untuk Struktur Cap Parabolik (312 elemen, 626 nodal)
Gambar-3 : Distribusi tegangan statik pada struktur Cap Parabolik dari Motor Roket RXPS-01
Hasil dan Pembahasan
Distribusi tegangan statik hasil analisis tegangan pada model FEM untuk struktur Cap parabolik adalah seperti yang ditunjukkan dalam Gambar-3. Dari hasil analisis didapatkan besarnya tegangan statik maksimum
σvM maks = 121.909.888 Pa (atau = 121,91 MPa)), defleksi maksimum δmaks =3.14209E-1 mm. Untuk material
Baja Karbon S-45C besarnya σyield = 314 MPa. Harga faktor keamanan bahan terhadap pembebanan yang terjadi
dapat dinyatakan sebagai :
S.F = σyield / σvM maks
= 314,0/121,91 = 2,57
Jadi, material yang digunakan untuk pembuatan struktur Cap parabolik ini cukup aman terhadap pembebanan yang terjadi. Berat struktur Cap dengan bentuk parabolik ini sebesar W = 52,76 kg.
Apabila dengan harga ketebalan dinding Cap yang sama (t = 2.4985 cm), akan tetapi bentuknya dibuat pelat datar merata seperti bentuk struktur Cap yang selama ini dibuat, maka besarnya distribusi tegangan statik adalah seperti yang ditunjukkan dalam Gambar-4. Tegangan maksimum yang terjadi bisa mencapai σmaks. =
353.882.080 Pa (atau = 353,88 MPa. Faktor keamanan S.F menjadi : S.F = σyield / σvM maks = 314/353,88 = 0,89
Bahan material struktur Cap kurang aman terhadap pembebanan yang terjadi. Ketebalan dinding datar perlu dipertebal minimal menjadi t = 3,0 cm. Total berat struktur Cap dengan ketebalan dinding sebesar t = 2,4985 cm adalah W = 61.78 kg.
Meskipun dengan merancang bentuk parabolik dari dinding struktur Cap ini bisa memperoleh harga tegangan maksimum yang lebih baik dibandingkan dengan bentuk dinding yang datar, namun untuk manufakturingnya yang presisi bisa lebih sulit dan akan lebih mahal. Sebagai bentuk alternatif untuk struktur dinding Cap dalam upaya penurunan berat struktur, bentuk struktur Cap parabolik ini perlu dipertimbangkan.
Gambar-4 : Distribusi Tegangan Statik pada Struktur Cap untuk Dinding Datar
Kesimpulan
Dari hasil rancangan struktur Cap motor roket RXPS-01 dengan dinding berbentuk parabolik dari Baja Karbon S-45C dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut :
o Perancangan bentuk dan geometri struktur Cap parabolik dapat dilakukan melalui pendekatan perhitungan secara analitik ketebalan dinding struktur Cap.
o Dengan bantuan suatu perangkat lunak berbasis FEM, kekuatan bahan struktur Cap parabolik ini dapat diketahui. Untuk ketebalan dinding t = 2,4985 cm, harga faktor keamanan bahan Cap S.F. sebesar = 2,57. Bahan Cap dari Baja Karbon S-45C ini cukup aman terhadap pembebanan tekanan dari hasil pembakaran propelan motor roket.
o Dibandingkan dengan bentuk struktur Cap pelat datar (yang selama ini biasa digunakan), maka bentuk struktur Cap parabolik bisa memberikan penurunan berat struktur sekitar 15 %. Namun kelemahannya di manufakturing bentuk struktur parabolik ini akan lebih sulit dan mahal.
Daftar Pustaka
1. Cook,R.D., Malkus,D.S., and Plesha,M.I., Concepts and Application of Finite Element Analysis, 3rd Edition, John Wiley & Sons Inc., New York – USA, 1984.
2. Fampel, Joseph Herman, Engineering Design, Asynthesis of Stress Analysis and Material Engineering, John Willey & Sons Inc. Second Edition, Canada, 1981.
3. Huebuer, Kenneth,H., The Finite Element Method for Engineers, John Wiley & Sons Inc., New York, 1974. 4. Pepper,D.W., Heinrich,J.C., The Finite Element Method : Basic Concepts and Applications, Hemisphere
Publishing Co., Washington-Philadelphia-London, 1992.
5. Sugiarmadji, HPS, Penentuan Ketebalan Dinding Struktur Cap Motor Roket RX-200-LPN secara Analitik dengan Pembanding Hasil Analisis dari Metoda ELemen Hingga, Technical Report TR-3322016, Pustekwagan-LAPAN, 2010