ANALIS1S S T R U K T U R NOSEL R X 3 2 0 DENGAN M E N G G U N A K A N B A H A N S 4 5 C
Edtwan
Penelitl Bldang Struktur, LAPAN ABSTRACT
In May a n d J u l y 2 0 0 8 , flight test of RX 3 2 0 rocket were successfully conducted.
However there a r e still some a r e a s need further improvements n o t only in design b u t also in fabrication process in order to have a lighter a n d easy-to-assembly nozzle by reducing its t h i c k n e s s .
At nozzle's inlet, basically the nozzle case only receives pressure loads since it is mainly protected by graphite, while its divergent p a r t receives mainly t h e r m a l loads.
Therefore the nozzle analysis can be adjusted to its main working loads. Simulations using the mentioned working loads result in stress distribution occurred in both p a r t s of the nozzle i.e. convergent and divergent. Factor of safety as m u c h 4 is obtained for convergent-nozzle part d u e to the p r e s s u r e loads while factor of safety as m u c h 1.7 is obtained for t h e divergent part d u e to the thermal loads. From the safety of factor values, it can be seen that the largest stress is occurred in the divergent part which is mainly due to the temperatures.
Keywords : Rocket, Nozzle, Static
ABSTRAK
P a d a b u l a n Mei 2 0 0 8 serta bulan J u l i 2 0 0 8 telah dilakukan uji terbang roket RX 3 2 0 . W a l a u p u n hasil uji terbang y a n g telah dilakukan c u k u p baik, n a m u n m a s i h diperlukan perbaikan, baik desain m a u p u n proses p e m b u a t a n n y a agar lebih ringan serta lebih m u d a h proses p e m a s a n g a n n y a .
Pada bagian sisi m a s u k , h a n y a menerima beban t e k a n a n saja k a r e n a bagian tersebut dilindungi dengan grant, s e d a n g k a n bagian divergen h a n y a menerima b e b a n t e m p e r a t u r saja, sehingga analisis y a n g d i l a k u k a n d i s e s u a i k a n d e n g a n b e b a n y a n g diterima s t r u k t u r nosel tersebut. Dari simulasi b e b a n tersebut diperoleh tegangan yang
terjadi p a d a k e d u a bagian nose] tersebut, faktor k e a m a n a n bagian konvergen a k i b a t p e n g a r u h t e k a n a n sebesar 4 a t m s e d a n g k a n bagian divergen y a n g m e n e r i m a b e b a n t e m p e r a t u r sebesar 1.7, sehingga tegangan terbesar sesuai dimensi roket y a n g d i b u a t a d a l a h p a d a bagian divergen akibat p e n g a r u h t e m p e r a t u r .
Kata k u n c i : Roket, Nosel, Statik
1 PENDAHULUAN Kendala b e s a r y a n g sering Untuk menghasilkan s t r u k t u r d i h a d a p i dalam p e n g e m b a n g a n motor yang s e s u a i dengan r a n c a n g a n diper- roket secara u m u m adalah k e t e r b a t a s a n l u k a n keterampilan di berbagai bidang material yang s e s u a i dengan kriteria d a n tersedianya s a r a n a penunjang, optimasi r a n c a n g a n s t r u k t u r y a n g seperti pemilihan material y a n g s e s u a i diinginkan.
d a n p r o s e s p e m b u a t a n yang memadai Nosel motor roket m e r u p a k a n serta p e r a n c a n g a n dengan simulasi s a l a h s a t u komponen motor roket y a n g k o m p u t e r y a n g terampil. berfungsi selain u n t u k m e n g h a s i l k a n
kecepatan d a n gaya dorong motor roket, noscl h a r u s m a m p u m e n a h a n b e b a n tekanan dan temperatur gas pembakaran dalam t a b u n g motor roket, sehingga struktur nosel h a r u s m e m p u n y a i faktor keamanan y a n g c u k u p baik
Dalam analisis k e k u a t a n s t r u k t u r nosel motor roket, a k a n dilakukan dengan b a n t u a n p e r a n g k a t lunak yang berbasis elemen hingga. Analisis a k a n meliputi tegangan yang terjadi akibat beban t e k a n a n hasil p e m b a k a r a n , sedangkan p e n g a r u h t e m p e r a t u r dilindungi dengan b a h a n grafit sebagai pelindung t a h a n p a n a s .
S e b u a h roket h a n y a d a p a t digunakan s a t u kali, m a k a u n t u k melakukan penelitian diperlukan b a h a n struktur yang c u k u p banyak, dari t a h a p awal s u d a h dilakukan optimasi p e r a n - cangan dengan m a k s u d mengurangi biaya produksi dan m e m p e r p e n d e k waktu p e m b u a t a n . S t r u k t u r h a r u s k u a t dan ringan, s e m u a dimensi dan spesiflkasinya h a r u s s u d a h diperkirakan sejak awal seperti diameter, tebal, b a h a n yang digunakan m u d a h didapat d a n sesuai dengan kekuatan yang disyaratkan untuk s t r u k t u r roket.
Untuk m e m e n u h i u n s u r d i a t a s , maka dilakukan p e r a n c a n g a n nosel motor roket m e n g g u n a k a n p e r a n g k a t lunak bidang s t r u k t u r . Perancangan dengan m e n g g u n a k a n perangkat lunak ini b e r t u j u a n mempercepat hasil rancangan d e n g a n simulasi d a n g a m b a r yang d a p a t dianalisa dengan cepat d a n m u d a h , s e r t a d a p a t dibaca dan dimodifikasi lagi dengan m e n g g u n a k a n perangkat l u n a k lainnya, seperti Autocad.
Setiap logam a k a n m e m u a i akibat p e n g a r u h temperatur, y a n g besarnya bervariasi dipengaruhi oleh ketebalan, b a h a n y a n g digunakan d a n t e m p e r a t u r yang diterimanya. Biasanya b a h a n y a n g tidak t a h a n t e r h a d a p t e m p e r a t u r
dilindungi oleh isolator termal a t a u dilapisi d e n g a n b a h a n y a n g lebih t a h a n t e r h a d a p t e m p e r a t u r , seperti yang a k a n d i b a h a s p a d a tulisan ini yaitu nosel motor roket dengan b a h a n S45C dengan pelindung grafit.
Fungsi t a b u n g a t a u pipa a k a n a m a n dan d a p a t d i h a n d a l k a n bila b e b a n yang bekerja d a p a t dianalisa. Beban berasal dari p e m b a k a r a n b a h a n b a k a r yang b e r u p a p a n a s d a n t e k a n a n . U n t u k mengurangi berat s t r u k t u r pipa a t a u t a b u n g , m a k a bagian t e r t e n t u h a r u s dimodifikasi. Salah s a t u bagian y a n g a k a n dimodifikasi a d a l a h ketebalan yang o p t i m u m d a n b e n t u k y a n g baik.
2 DIMENSI NOSEL MOTOR ROKET Geometri nosel motor roket y a n g dianalisa berdiameter 320 m m . B a h a n nosel adalah S45C dengan spesifikasi sebagai berikut, dimulai dari m o d u l u s elastisitas (E), m a s a j e n i s (p), harga Voisson (v) d a n k e k u a t a n tarik b a h a n
m a k s i m u m (ouit) E = 2 . 1 x l 06 k g / c m2
v = 0.3 (harga Poisson) p = 7.8 x 10-3 k g / c m3
ouu - 6000 k g / c m2
U n t u k dimensi nosel RX-320 seperu' y a n g d a p a t dilihat p a d a G a m b a r 2 - 1 .
U n t u k m e n g e t a h u i k e k u a t a n s t r u k t u r nosel, t e r h a d a p p e n g a r u h t e k a n a n , m a k a d i l a k u k a n p e r h i t u n g a n dengan m e n g g u n a k a n t e k a n a n yang terjadi sewaktu uji statik y ai t u t e k a n a n 7 0 k g / c m2 u n t u k R X 3 2 0 d e n g a n tcbal 6 m m .
Perhitungan tegangan statik ini dilakukan dengan c a r a m e m b u a t model Metode Elemen Hingga (FEM) dari dimensi nosel di a t a s dengan 242 titik simpul d a n 216 elemen n o d a l segi empat.
3 METODE ELEMEN HINGGA
Konsep d a s a r dari metode elemen hingga m e n y a t a k a n b a h w a u n t u k setiap b e s a r a n - b e s a r a n kontinu seperti temperatur, t e k a n a n dan p e r p i n d a h a n , d a p a t didekati oleh s e b u a h model diskrit dari k u m p u l a n fungsi kontinu yang didefinisikan p a d a b a t a s dari sejumlah s u b domain. Fungsi k o n t i n u yang terpotong kecil-kecil ini akan didefinisikan dengan menggunakan harga dan besaran kontinu p a d a titik-titik di dalam domain tersebut, d a n harga b e s a r a n ini tidak diketahui, tetapi dapat dicari sehingga u n t u k selanjutnya p a d a setiap titik t e r t e n t u di dalam daerah domain a k a n d a p a t d i t e n t u k a n h a r g a numeriknya.
Matrik k e k a k u a n
4 PERHITUNGAN TEGANGAN
Untuk m e m u d a h k a n perhitungan, model d i b u a t dengan menjadikan bagian exit bebas, s e d a n g k a n bagian ke t a b u n g dijepit seperti G a m b a r 4 - 1 .
Gambar 4 - 1 : Hasil permodelan metode elemen hingga
Gambar 4 - 3 : Tegangan 3400 k g / c m2 p e n g a r u h t e m p e r a t u r RX 3 2 0 5 ANALISIS HASIL SIMULASI
Hasil yang didapat dari G a m b a r 4-2: tegangan sebesar 1400 k g / c m2
akibat p e n g a r u h t e k a n a n P=70 k g / c m2
sehingga menghasilkan faktor k e a m a n a n s e b e s a r 4 . S e d a n g k a n akibat p e n g a r u h t e m p e r a t u r diperoleh tegangan sebesar 3 4 0 0 k g / c m2, sehingga h a r g a faktor k e a m a n a n akibat p e n g a r u h t e m p e r a t u r sebesar 1.7. U n t u k p e r h i t u n g a n lengkapnya a d a l a h sebagai berikut
U n t u k p e n g a r u h t e k a n a n
Dari hasil p e r h i t u n g a n di a t a s nosel RX-320 c u k u p a m a n akibat p e n g a r u h t e k a n a n d a n t e m p e r a t u r y a n g terjadi sewaktu roket diuji terbang.
6 KESIMPULAN DAN SARAN
Dari analisis y a n g dilakukan t e r h a d a p nosel motor roket RX-320 b a h a n baja S45C d a p a t diambil beberapa kesimpulan sebagai b e r i k u t :
• Hasil p e r h i t u n g a n akibat p e n g a r u h t e k a n a n p a d a bagian konvergen didapat faktor k e a m a n a n sebesar 4 d e n g a n mengabaikan p e n g a r u h t e m p e r a t u r k a r e n a bagian konvergen dilapisi d e n g a n grafit,
• Hasil p e r h i t u n g a n akibat p e n g a r u h t e m p e r a t u r p a d a bagian divergen didapat faktor k e a m a n a n sebesar 1.7 dengan mengabaikan pengaruh tekanan k a r e n a bagian divergen t e k a n a n n y a c u k u p kecil,
• Dari k e d u a poin di a t a s dapatlah disimpulkan secara u m u m bahwa p e n g a r u h t e m p e r a t u r l a h yang m e r u p a k a n bagian paling kritis sehingga diperlukan analisis lebih m e n d a l a m yaitu perlu dilakukan pengujian tegangan d a n regangan secara langsung sewaktu dilakukan uji statik dengan m e n g g u n a k a n Strain gage.
DAFTAR RUJUKAN
L.H. Abraham, 1962. Structured Design of Missiles and Spacecraft, McGraw- Hill, New York.
Y. C. PAO, 1986. A First Course in Finite Element Analysis. Allyn a n d Bacon, Boston USA.
J. P. Holman, 1981. Heat Transfer, McGraw-Hill Book, Inc, New York.
Boley And Weiner, 1982. Theory of Thermal Stresses, J o h n wiley a n d Son, Singapore.
Cook D.1982. Consepts And Applications of Finite Element Analys, J o h n Wiley Inc.
Alan A., 1984. Computer-Aided Heat Transfer Analysis, McGraw-Hill, Tokyo.
Morgan, 1981. Numerical Metods in Heat Transfer, J o h n Willey.
E.R. Parker, 1967. Material Missiles and Spacecraft, University Barkley California.
User Manual SAP90, 1989. Structure Analysis Program Computer and Structure Inc, California University Avenue Berkeley, USA.
LAMPIRAN
G a m b a r 2. Roket RX-320 p a d a uji terbang Mei dan Juli 2 0 0 8
