REKAYASA DESAIN STRUKTUR HIDUNG-ROKET RX-320 MENGGUNAKAN MATERIAL KOMPOSIT

(1)

REKAYASA DESAIN STRUKTUR HIDUNG-ROKET RX-320

MENGGUNAKAN MATERIAL KOMPOSIT

P i r n a d i.

Peneliti PUSTEKWAGAN LAPAN-Rumpin

Dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Pancasila

ABSTRAK

Makalah ini membahas tentang hasil rekayasa desain struktur hidung-roket uji RX-320, yaitu suatu roket dengan diameter luar tabung 320 mm dan menggunakan bahan komposit serat gelas. Hidung-roket RX-320 yang dibuat dari bahan komposit serat gelas dengan matriks epoksi ini akan diuji tekan serta dimodelkan berbentuk pelat untuk dilakuan uji tarik sesuai dengan sudut conenya. Maksud dilakukan untuk mengetahui kekuatan struktur hidung roket tersebut agar pada waktu melakukan uji terbang akibat beban aerodinamis yang diterimanya, yaitu: besar gaya hambat tidak akan tertekuk dan rusak. Pelaksanaan uji tekan pada bagian sambungan hidung roket ke tabung diletakkan di dinding pondasi dan dari bagian ujung yang lain dibebani tekan sampai tertekuk. Dan sebaliknya, pada uji tarik salah satu ujungnya diikat dan ditarik dengan beban hingga patah. Dari kedua hasil uji simulasi akan ditetapkan beban terbesar yang diijinkan pada hidung-roket diameter 320 untuk dimensi: tebal, panjang, dan sudut serang aerodinamis, and kesimpulan merupakan hasil analisis dari hasil desain struktur yang dilakukan berikut mengatahui karakteristiknya.

Kata kunci: Aerodinamis, hidung-roket, dan komposit.

PENDAHULUAN

Hidung-roket lebih dikenal pada bidang keatariksaan, yaitu: nosecone-roket yang merupakan bagian terdepan (ujung tanduk) dari suatu roket, maka perlu dirancang agar kuat menahan beban tekanan akibat aliran udara sebagai beban aerodinamis. Disamping ukuran tebal dan panjang hidung roket, masalah yang cukup dominan adalah besarnya sudut yang membentuk kontur hidung-roket, sebab bila sudut tersebut semakin kecil (ramping) akan kurang bagus timbul kecepatan belebihan, dan bila terlalu besar juga akan menyebabkan gaya hambatan yang terjadi juga cukup besar. Salah satu alternatif lain dalam mengantisipasi hal ini adalah, teknik pemilihan material untuk hidung-roket berikut sudut hidung roket yang tepat. Disamping itu merupakan salah satu cara untuk melakukan pengurangan beban total roket yang cukup dominant adalah pemilihan jenis material, apalagi bila hidung-roket ini cukup tebal dan panjang. Maka berat total struktur roket secara otomatis akan berkurang banyak dengan pemilihan dimensi dan ukuran yang tepat, biasanya digunakan material allumunium atau baja campuran dengan berat jenis rendah dan saat ini dilakukan dengan jenis material komposit fiber glass sebagai pengganti material hidung-roket yang dulu dan masa jenisnya relatif sangat rendah, maka berat totalnya juga lebih ringan.

Fungsi utama dari hidung-roket ini untuk menempatkan dan menjaga muatan (payload) dari pengaruh beban luar (aerodinamis) termasuk kondisi lingkungan luar roket selama diluncurkan, maka beban ini sangat dominan sebab gerakan luncur roket sangat cepat dengan puluhan g di udara bebas. Maka peralatan dan muatan roket yang ditempatkan pada hidung-roket ini, seperti: antena, sensor-sensor, dll; sangat sensitif terhadap getaran dan gaya-gaya aerodinamis yang lain, diharapkan hidung roket ini harus dirancang dengan kontur yang cukup aerodinamis, agar gaya tahanan udara relatif kecil dengan pemilihan sudut kontur yang tepat. Dimana tidak boleh terlalu tajam sebab akan terjadi pusaran aliran udara di sekitar hidung-roket, hal ini akan membuat roket bergerak tidak stabil dan sulit untuk dikendalikan dan kegagalan peluncuran roket sudah jelas. Sedangkan bahan komposit di sini yang dipilih untuk digunakan sebagai material hidung-roket adalah fiberglass reinforced plastics dengan tambahan resin sebagai perekatnya, dengan sifat tahan beban tekan cukup besar.

Pembuatannyapun tidak boleh dilakukan sekaligus dari tebal hidung roket, maka harus dibuat secara bertahap dengan beberapa lapisan (minimal 4 lapis) secara melintang, sehingga diperoleh tebal hasil rancangan yang kuat. Mengenai pemilihan arah serat juga harus diperhatikan agar beban dapat terbagi merata seluruh permukaan hidung-roket, pada pembuatan dengan bentuk dan

Jurnal mekanikal teknik mesin S-1, FTUP

(2)

arah serat yang berbeda akan memberikan hasil ketahanan yang berbeda pula. Untuk mengetahui kekuatan struktur dari hidung-roket ini perlu dilakukan uji tekan dan tarik yang analisis hasilnya untuk menetapakan karakteristiknya. Untuk validasinya dapat dilakukan dengan membandingkan hasil-hasil uji tersebut dengan hasil-hasil simulasi komputer, yang biasanya menggunakan metoda elemen hingga atau uji statik. Pada pemodelan simulasi computer dilakukan dengan struktur hidung roket ini dipotong-potong hingga kecil yang jumlah ratusan atau ribuan tergantung kondisi besar-kecilnya hidung-roket. Sebagai catatan, setiap potongan dibuat kecil agar dapat dianggap sama luas dan datar dengan beban yang sama akan diperoleh hasil uji yang sama juga. Hasil-hasil uji ini akan dianalisis dan dibandingkan dengan data literatur untuk mendapatkan hasil akhir karakteristik, yaitu: kuat dan tahan terhadap beban aerodinamis yang terjadi selama diluncurkan.

DASAR TEORI

Pada saat ini Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) sedang giat-giatnya mengembangkan sistem peroketan ini hingga beberapa ratus millimeter (mm) diameter luar tabung roket dan dilakukan analisis, pengkajian, pengembangan baik segi ukuran dan pemilihan material, yang difokuskan pada penurunan berat total roket, dengan performansinya yang tetap tinggi. Meskipun program peroketan LAPAN akhir-akhir ini diarahkan ke sistem roket bertingkat dua dan tiga yang dipandang lebih effektif dalam menghasilkan daya dorong yang besar akan merupakan penggabungan dari beberapa roket. Roket terdiri dari beberapa komponen utama, seperti: Sirip, nosel, tabung, cap, muatan, motor roket, dan hidung roket Masing-masing komponen mempunyai tugas dan fungsi sesuai dengan dimensi dan material yang digunakan dan agar diperoleh keberhasilan maka seluruh bagian harus dapat memberikan performan yang tinggi. Sebagai catatan, bila ada salah satu bagian (komponen) saja yang tidak berfungsi akan mengganggu keberhasilan misi roket secara keseluruhan. Setelah seluruh komponen dirancang dengan baik, masih diperlukan satu sistem perakitan yang tepat agar masing-masing komponen dapat bekerja dengan normal.

Untuk mendapatkan gambaran yang lebih jelas perhatikan Gambar 2.1, yaitu sketsa roket secara lengkap dengan

beberapa komponen utamanya. Diantara bagian-bagian atau komponen struktur roket perlu dilakukan perakitan dengan sistem penyambungan yang sesuai dengan masing-masing komponen struktur roket yang akan disambung.

Gambar 2.1 Sketsa roket RX-320 lengkap

Adapun fungsi dari hidung-roket adalah sebagai ruangan untuk muatan dan sering juga untuk ruang peledak bila roket sebagai roket kendali. Maka dari itu bentuk hidung-roket dirancang khusus berupa kontur hampir runcing agar gaya tahanan aerodinamik yang terjadi cukup kecil. Dalam hal ini dirancang bentuk (model) hidung-roket, yaitu: ogive, dengan penyahapan kontur hidung-roket lebih detail masing-masing dengan setengah

sudut serang

( ,

yang dapat dilihat pada Gambar 2.2. Dengan bertambah besarnya sudut serang hidung roket bertambah besar pula beban hambatan aerodinamis yang akan dialami oleh hidung roket.

)

75 ,

60 ,

45 ,

30

₂ ₃ ₄ 1 o o o o

dan

=

θ

Gambar 2.2 Pentahapan memilih kontur hidung roket

Sedangkan material yang digunakan untuk hidung-roket ini adalah fiber gelas reinforce plastik, sesuai literatur yang digunakan mempunyai karakteristik kekuatan tarik 15000 N/m2 dan keuatan tekan hamper 40000 N/m2. Ketebalan dinding hidung-roket ini sementara dipilih merata 3-4 mm dengan kontur ini dari beberapa kondisi, seperti sudut serang (

α

= 0o) dan beban hanya aerodinamik saja, maka berlaku perumusan (2.1) yang cukup populer, berikut:

(3)

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ −

=

P

L

x

D

y

1 (

)

2

(2.1) Dengan beban (D dalam Newton) di atas yang searah dengan sumbu roket, maka berlaku perumusan (2.2), berikut:

D =

C

d

.

(

1 /

2 )

V

.

A

(2.2)

2

ρ

Dimana:

Cd : koefisien gaya tahanan diambil 0,325 untuk bentuk ogive

ρ

: masa jenis udara V : kecepatan terbang roket A : luas penampang hidung-roket

3. UJI MODEL HIDUNG ROKET

Di sini perlu dilakukan uji tarik dan tekan pada beberapa model hidung-roket dengan bentuk yang berlainan sesuai dengan sudut serang (

θ

)

sama besar dan tebalnya sama dan akan divalidasikan hasilnya dengan model simulasi komputasi. Pada uji tekan dari model hidung-roket ( dilakukan dengan merusakkan model, mungkin sampai patah, yaitu: cara bagian sambungan dengan tabung diletakkan pada sebelah kanan yang ditahan dengan bidang datar (sebagai fondasi), untuk mengetahui kekuatan bahan hidung-roket dengan dikerjakan gaya F (N), yang dapat dilihat pada Gambar 3.1. Dimana bagian kiri diberikan gaya tekan (F) yang equivalen dengan gaya tahanan aerodinamik roket yang harus ditahan oleh dinding fondasi.

)

60

o

=

θ

Gambar 3.1 Uji hidung roket (kekuatan tekan)

Pada pengujian tekan in dengan material komposite fiber glass ini ternyata hidung-roket dengan akan patah pada gaya tekan (F sebesar 475 N) dan luasan bidang

patahan sebesar 0,125 m o

30

1

=

θ

2 . Maka diperoleh tegangan tekan terbesar untuk gaya 475 N,

yaitu: _.

3800

/

2

125 ,

0

475 m

N

A

F

maks

=

σ

,

dan untuk beban 525

N. Sedangkan tegangan tarik fiber gelas

reinforce sebesar dan

tegangan tekan 4000 N/m 2 .

4200

N

/

m

maks

=

σ

2

/

15000

N

m

t

=

σ

2 diambil dari literatur dan hasil pengujian statik dibaca dari alat pengukur, dikerjakan beban F (variasi) yang diberikan pada ujung lain ditahan dinding, lihat Tabel 1.

Tabel 1 Hubungan variasi beban dan sudut serang No. Sudut serang (1/2

θ

o) Gaya tekan (N) Luasan bidang pataha n (m2) Teganga n tekan, maks. (N/m2) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 30 30 30 45 45 45 60 60 60 475 500 525 475 500 525 475 500 525 0,125 0.125 0.125 0,275 0.275 0.275 0,300 0.300 0.300 3800 4000 4200 1728 1820 1910 1585 1667 1750 Setelah dibuat tabelnya, segera dilakukan pengujian berikutnya, yaitu dengan merubah-rubah variable yang ada, seperti: sudut serang, gaya tekan, luas penampang, dan tegangan tekan yang terjadi dapat dihitung. Kelihatan semakin besar sudut serang akan menghasilkan tekanan permukaan yang semakin kecil untuk beban aerodinamik yang sama. Terlihat dengan ½ sudut serang (30o), dan (60o) dan beban tekan yang sama (F = 500 N) diperoleh hasil tegangan tekan yang cukup berbeda, yaitu: 4000 N/m2 dengan 1667 N/m2.

SIMULASI MODELAN

Setelah dilakukan simulasi komputasi dengan model yang sama dengan pemodelan uji untuk beban tekan dan beban tarik dengan panjang hidung-roket 450 mm dengan tebal merata 3.0 mm dan sudut kontur yang bervariasi. Pada Gambar 4.1 dapat dilihat bahwa model elemen hingga sama sudut kontur ( ) dengan jumlah sebanyak 275 simpul. Sedangkan

solid

o

30 =

α

(4)

pada Gambar 4.2 dengan model kontur yang sama dengan sudut kontur berbeda ( ) jumlah simpul juga berbeda, yaitu 380 simpul. Dan pada Gambar 4.3 model kontur yang sama dengan sudut berbeda ( ), dan jumlah simpul yaitu 560 simpul. Perhatikan pula besar pergeseran yang terjadi pada Gambar 4.2, dan Gambar 4.3, yang kelihatan dan tampak jelas dengan jumlah simpul yang lebih banyak akan lebih kokoh sebab modelnya juga lebih besar.

solid

o

45 =

α

solid

o

60 =

α

Gambar 4.1 Pemodelan elemen hingga (275 simpul)

Besar tegangan tekan yang terbesar diperoleh 4200 N/m2 untuk sudut serang 30o dan gaya tekan 525 N

Gambar 4.2 Tegangan tekan hidung-roket RX-320

Bentuk (model) Gambar 4.2 adalah komponen struktur hidung-roket RX-320 hasil dibebani tekanan dan diperhatikan hasil pergeseran dalam proses sebenarnya kelihatan komponen akan lebih gemuk daripada sebelumnya, artinya partikel akan berkurang panjangnya (memendek).

Gambar 4.3 Tegangan tarik hidung-roket RX-320

Bentuk atau model pada Gambar 4.3 adalah komponen struktur hidung-roket RX-320 hasil dibebani tarikan yang dilakuka dengan salah satu ujung dijepit (diam) dan ujung yang lain ditarik dengan gaya tarik yang dapat divariasikan (diatur) dan diperhatikan hasil pergeserannya. Hasil pengamatan yang teliti maka komponen hasil proses akan kelihatan lebih ramping daripada sebelumnya, artinga partikel bertambah panjangnya (mulur).

F

KESIMPULAN

Dari hasil rekayasa desain komponen struktur hidung-roket RX-320 berbentuk Ogive dengan bahan komposit fiber gelas reinforce plastik dapat ditarik beberapa kesimpulan, sebagai berikut:

* Hasil analisis yang dilakukan pada model komponen struktur hidung-roket RX-320 pengaruh keruncingan ujungnya adalah sangat berpengaruh sekali terhadap proses beban aerodinamik. Semakin besar sudut serang komponen struktur hidung-roket RX-320 akan semakin besar tahanan atau hambatan yang terjadi dan sebaliknya semakin kecil sudut serangnya akan semakin memudahkan terjadinya turbulensi dan roket menjadi tidak stabil. Pemilihan jenis material yang tepat berpengaruh terhadap berat total struktur roket akan berkurang banyak dengan pemilihan rasio dimensi yang tepat, yang biasanya digunakan material allumunium atau baja campuran dengan berat jenis besar, maka dengan material komposit fiber glass sebagai pengganti material hidung-roket yang sebelumnya dan masa jenisnya relatif rendah berat total roket menjadi lebih ringan.

* Hasil pengujian yang dilakukan pada komponen struktur hidung-roket RX-320 dengan uji statik dengan material komposit fiber gelass reinforce plastik bertegangan tarik yang terjadi hingga sebesar 9800 N/m2, sedangkan menurut

(5)

literatur sebesar 15000 N/m2 dapat diprediksi bahwa selama pembuatannya kurang sempurna. Demikian pula besarnya tegangan tekan yang terjadi sebesar 2654 N/m2 sesuai dengan perhitungan sederhana dan menurut data literatur besar tegangan tekan yang dibolehkan dari bahan komposit yang digunakan, adalah sebesar 4000 N/m2. * Hasil analisis tegangan statik pada

komponen struktur hidung-roket RX-320 hasil simulasi computer menunjukkan bahwa struktur hidung-roket akibat pengaruh tarikan dengan faktor keamanan hasil perhitungan adalah (SF = 1.16) dan atas dasar pengaruh kompressi diperoleh faktor keamanan adalah (SF = 1.15), maka komponen struktur hidung-roket RX-320 masih aman untuk uji terbang. Akibat tekanan atau tarikan yang terjadi pada komponen struktur hidung-roket RX-320 akan menyebabkan displacement (pergeseran) partikel yang terjadi cukup kecil dengan beban hambat yang juga kecil. Diharapkan, perlu dilakukan proses produksi selama pembuatan hidung-roket RX-320 dengan lebih baik lagi dan menggunakan arah serat yang cukup teratur agar lebih mudah pengerjaannya, dengan sudut serang yang tepat sekitar (60 - 70) derajat agar hambatan aerodinamisnya efisien.

DAFTAR PUSTAKA

1. Cook,R.D., 1984, “Concepts and application of finite element analysis” 3rd Edition, john Willey & sons Inc., New York – USA.

2. Kenneth,H., 1974, “The finite element method for engineers”, John Willey & Sons Inc., New York.

3. Kursus singkat, 1994, “Engineering numerical method”, ITB Bandung.

4. Pepper,D.W., 1992, “The finite element method: basic concepts and applications”, Hemisphere publishing co, Washington-Philadelphia-London.

5. SAP 2000, 2002, “Manual books”, version 8.01, Computers and structural, California.

6. Sulton, G.P., 1976, “Rocket propulsion”, John Willey & Son Inc., New York.