1 1.1 Latar Belakang
Penyelidikan terhadap pulse combustion engine pada awalnya dipelopori oleh Advanced Research Project Agency (DARPA) untuk mengeksplorasi skalabilitas dari mesin tersebut, terutama propulsi Unmanned Aerial Vehicle (UAV). Parameter desain dari pulse jets ini tidak secara keseluruhan diteliti dan berbagai persamaan belum dikembangkan sebagai skala untuk desain jet untuk dapat dijadikan pedoman penelitian selanjutnya.
Indonesia sekarang sedang memulai untuk mengembangkan alat-alat pertahanan. Salah satunya peluru kendali. Dalam pengembangan peluru kendali untuk sasaran di udara, diperlukan suatu sasaran yang bisa terbang sebagai sarana untuk pengetesan ketelitian kendali yang dikenal sebagai target drone. Salah satu syarat dari target drone ini adalah harganya yang murah. Karena itu, penggunaan mesin ini untuk propulsi target drone tentunya akan sangat bermanfaat. Target drone dengan mesin pulse jet akan lebih murah dibanding pesawat serupa dengan mesin konvensional. Sebagai propulsi peluru berpadu tentunya perlu dipelajari lebih mendalam lagi karena tingkat kebisingan yang tinggi dari mesin ini akan merupakan kelemahan. Walaupun demikian penggunaan mesin ini sebagai penggerak prototype peluru berpadu bukan hal yang mustahil, terutama untuk tujuan pengetesan sistem kendalinya.
1.1.1 Sejarah pulse jet engine
Ditinjau dari sejarahnya, konsep pertama kali “pulsed jet” dimulai untuk dipublikasikan pada tahun 1882 oleh Nikolai Egorovich Zhukovsky. Dalam tulisannya, “On the reaction force of in-and-out oscillating flowing liquid”, merupakan referensi pertama untuk “Vapour Pulse Jet”. Subjek tulisan tersebut dikembangkan dalam dua edisi yaitu tahun 1885 dan 1908. Metode ini umumnya
digunakan untuk determinasi dari gerak bodi dan fluida yang terkandung didalamnya, beliau meneliti “Helmholtz’s problem” dan mengujinya dengan masalah baru dari gerak fluida dalam tabung tertutup. Beliau (Zhukovsky, 1882) mempelajari di akhir masalahnya dengan pengujian dari teori pipa Poiseulle, dan solusi itu diverifikasi dengan pengujian perlakuan khusus untuk kinerja dari gerak fluida (Zamyatina, 1986).
Pada tahun 1906, Engineer berkebangsaaan Rusia bernama Vladimir V. Karavodin bereksperimen dengan pulse jet dalam dasar penelitian untuk menemukan efek dari variasi panjang tabung dan diameter dalam siklus kerja pulse jet, stabilitas dan hasil produk. Tabung jet yang digunakan harus kuat dan diameternya konstan. Beliau kemudian mematenkan untuk “air breathing pulse-jet engine”. Di tahun 1907 beliau kembali meneliti kerja mesin yang berbasis pada invensinya (Gwynn, 2005).
Peneliti Prancis Marconnet di tahun 1909 meneliti pada control volume udara masuk dengan ekspansi yang terjadi pada output nosel berbentuk kerucut sebagai penghasil jet. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 1.1 di bawah ini. (Reynst, 1961).
Gambar 1.1 Marconnet valveless engine
Telah banyak dikembangkan pulse jet seperti oleh German Paul Schmidt (Foa, 1960; Reynst 1961). Kemudian konjungsi yang dilakukan oleh peneliti manufaktur Jerman, Argus, di tahun 1939. Pulse jet tersebut menggunakan seri “one-way valves” dalam saluran masuk bagian akhir dari tabung saluran masuk dengan volume udara yang dicampur dengan bahan bakar atomis dimana tujuannya diutamakan untuk ignisi. Jet menggunakan power V-1 “Buzz Bomb” pada Gambar 1.2. V-1 yang massanya 4750 lbs dan diproduksi 650 lbs dengan panjang 3000 ft dan kecepatan luncur 400 mph (Reynst, 1961; Zaloga, 2005).
Gambar 1.2 German V-1 “buzz bomb” pulsejet powered cruise missile
Pulse jet dengan nama V-1 ini pertama kali digunakan sebagai senjata melawan Inggris pada 13 Juni 1944 satu minggu setelah awal invasi sekutu D-Day dan menjadi rudal jelajah pertama (Zaloga, 2005). Pada bulan Juli 1944, pulse jet V-1 ini ditangkap oleh USAF kemudian komponennya dikirim ke lapangan udara Wright-Patterson di Ohio untuk evaluasi. Dalam waktu tiga minggu, USAF telah membangun sendiri V-1, yang dinamakan "Bom Jet 2 (JB-2)" (Goebel, 2005).
Pada bulan Agustus 1944, USAF memesan 1.000 JB-2 ini yang telah memiliki peningkatan sistem kontrol bila dibandingkan dengan V-1. Produsen Ford membangun mesin pulse jet PJ-31 dan Produsen Republic membangun badan pesawatnya. Produsen lain membangun sistem kontrol, meluncurkan roket, peluncuran frame, dan komponen yang tersisa. Pada akhir Perang Dunia II terdapat program pembangunan secara paralel yang dilakukan di Rusia, Perancis, dan Amerika Serikat untuk memproduksi roket pulse jet baru (Goebel, 2005).
Pada bulan oktober 1951, Raymond Bertin meneliti tentang escopette pulse jet seperti Gambar 1.3. Alat ini tidak menggunakan valve akan tetapi menggunakan “diode air” sebagai kontrol fluidanya. Berdasarkan penelitiannya saluran masuk tidak menghasilkan frekuensi penyalaan pada pulse jet. Dengan reabilitas tinggi dan tekanan bahan bakar konstan yang dihasilkan sangat atraktif. Ketidakberhasilannya bahwa “diode air” terbawa oleh udara mengalir keluar dan mereduksi gaya dorong mencapai 180 derajat pada sisi baliknya (Bertin, 1951).
1.1.2 Definisi pulse jet engine
Pulse jet engine adalah sejenis mesin jet yang pembakarannya berlangsung secara intermittent, sesaat-sesaat dan dengan frekuensi tertentu. Dari pancaran gas buang yang intermittent ini dapat dihasilkan gaya dorong untuk menggerakkan sesuatu. Konstruksi mesin ini sangat sederhana. Ada 2 jenis mesin pulse jet yaitu valved pulse jet dan valveless pulse jet. Valved pulse jet mempunyai katub-katub yang dipergunakan untuk mengatur aliran gas dan mengarahkan seluruh gas panas menuju pipa pembuangan. Gas panas yang mengembang tidak bisa mengalir kearah pipa isap karena dihalangi oleh katub. Kekurangan dari mesin jet ini adalah katub cepat rusak oleh suhu tinggi di dalam ruang bakar sehingga varian tanpa katub lebih menarik. Valveless pulse jet sama sekali tidak memiliki katub tersebut. Saat terjadi pembakaran, gas panas akan berekspansi keluar melalui saluran buang dan sebagian juga akan keluar melalui lubang pemasukan udara. Dalam kaitannya dengan gaya dorong, hal tersebut tidak menjadi masalah karena hembusan melalui lubang isap juga mengarah ke belakang. Dengan demikian hasilnya tetap mengarah ke depan. Maka dipilih valveless pulse jet sebagai objek penelitian karena memiliki kesederhanaan konstruksinya. Kesederhanaan konstruksi ini, ada beberapa kekurangan yang harus diatasi agar mesin dapat bekerja secara optimal. Kelemahan-kelemahan mesin pulse jet ini adalah memiliki tingkat kebisingan yang tinggi, dinding mesin yang bersuhu tinggi dan pengaturan konsumsi bahan bakar yang terbatas kisarannya. Tingkat kebisingan yang tinggi tidak dapat dihindari dan menjadi ciri khas dari mesin pulse jet. Suhu dinding yang tinggi dapat diatasi dengan
penambahan lapisan keramik yang berfungsi sebagai isolator panas. Tanpa adanya perlindungan lapisan keramik maka usia mesin sangat pendek.
1.2 Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian di atas maka masalah utama yang akan dikaji pada penelitian tahap ini adalah bagaimana mempelajari karakteristik mesin pulse jet khususnya tipe valveless pulse jet dengan melakukan perubahan desain volume ruang bakar yaitu perbesaran desain mesin pulse jet.
1.3 Batasan Masalah
Untuk menyederhanakan permasalahan di atas, maka dalam penelitian ini perlu diambil batasan masalah untuk perubahan desain mesin valveless pulse jet yang berkaitan dengan hal-hal sebagai berikut:
a. Tingkat frekuensi penyalaan mesin yang dapat dicapai.
b. Besarnya gaya dorong (thrust) untuk menggerakkan mesin pulse jet.
c. Intensitas kebisingan (noise) yang dihasilkan sebagai efek dari kerja mesin pulse jet.
1.4 Tujuan Penelitian.
Tujuan penelitian ini dalam kaitannya dengan perubahan desain mesin valveless pulse jet adalah sebagai berikut:
1. Mengetahui besarnya frekuensi penyalaan yang dapat dicapai pada mesin valveless pulse jet.
2. Mengetahui besarnya gaya dorong untuk dapat menggerakkan mesin valveless pulse jet.
3. Mengetahui besarnya intensitas kebisingan sebagai efek dari kinerja mesin valveless pulse jet ini.
1.5 Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini diharapkan sebagai acuan untuk pengembangan mesin pulse jet tipe lain. Konstruksinya yang sangat sederhana,mudah dibuat dan murah. Kinerja dari mesin pulse jet dengan tipe valveless ini dinilai cukup baik. Dengan demikian akan sangat menguntungkan apabila dipergunakan untuk tugas-tugas yang berakhir dengan rusaknya mesin, misalnya sebagai misil jelajah berpandu (guided cruise missile) dan pesawat dengan sasaran latihan tembak (target drone). Dengan keterbatasan dana, penelitian ini belum sampai pada penggunaan praktis mesin pulse jet yang lebih jauh sehingga penelitian tahap ini akan difokuskan pada perubahan desain volume ruang bakar untuk dapat mencapai kinerja mesin valveless pulse jet yang diharapkan.
