BAB II LANDASAN TEORI

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Definisi Roket

Roket merupakan suatu kendaraan terbang atau peluru kendali , yang mendapatkan dorongan melalui reaksi roket terhadap keluaran yang cepat dari bahan fluida keluaran motor roket. Aksi dari keluaran dalam ruang bakar dan nosel, mampu membuat gas mengalir dengan kecepatan subsonik sehingga menimbulkan dorongan reaktif yang besar untuk roket (sebanding dengan reaksi balasan sesuai dengan Hukum Pergerakan Newton ke 3) [Ref 13].

Pada awal abad ke-13 Masehi, roket digunakan hanya untuk hobi atau bersenang-senang, namun pada awal abad ke-20 roket secara intensif digunakan untuk militer, industri dan ilmu pengetahuan, dimana teknologi peroketan mampu mengantarkan umat manusia menuju era ruang angkasa, termasuk mengantarkan manusia menginjakkan kakinya ke bulan.

Roket digunakan untuk kembang api, persenjataan, kursi penyelamat, kendaraan peluncur untuk satelit buatan, kendaraan luar angkasa, dan eksplorasi ke planet lain. Walaupun kurang efisien dikecepatan rendah, roket mampu memberikan akselerasi luar biasa dan mencapai kecepatan yang sangat tinggi dengan efisiensi yang bisa diterima.

Roket kimia menyimpan sejumlah besar energi dalam bentuk yang mudah dilepaskan dan bisa sangat berbahaya, tetapi desain, tes, pembuatan dan penggunaan yang berhati-hati dapat meminimalkan resiko. Kebanyakan roket saat ini adalah roket kimia. Mesin roket ini memerlukan bahan bakar padat atau cair. Pada motor roket kimia dengan menggunakan propelan padat, propelan diletakan didalam ruang bakar dan pembakaran dimulai dengan menjalankan penyala(igniter). Pembakaran propelan dimulai dari permukaan                

yang dikenai nyala api, dan terus melebar atau merembet kedalam bagian propelan yang belum terbakar. Dalam kondisi yang setimbang, laju aliran massa gas keluaran nosel sama dengan laju massa propelan yang terbakar. Karakteristik gaya dorong ditentukan berdasarkan konfigurasi batang propelan.

2.2 Bagian-bagian utama dari roket

Roket adalah salah satu wahana terbang yang terdiri dari body, cone, fin, nosel dan motor roket.

2.2.1 Body

Body adalah struktur utama yang terdapat pada roket, karena hampir

semua beban berada pada body. Selain itu body juga menjadi tempat menempel atau tempat dipasangnya komponen-komponen roket seperti fin,

cone, nosel, dan motor roket. Fungsi utama dari sebuah body adalah tempat

disimpannya bahan bakar propelan padat.

Body dibuat dengan material yang tahan panas, terutama pada bagian

bawah yang dekat dengan nosel. Hal ini dikarenakan bagian yang dekat dengan nosel akan sangat terpengaruh oleh perambatan panas secara konduksi.

2.2.2 Fin

Fin adalah stabilizer atau penyetabil pergerakan roket pada saat

terbang memecah udara. Prinsip dasar fin hampir sama dengan vertical

stabilizer dan horizontal stabilizer pada pesawat terbang. Fin mengatur aliran

udara yang mengalir melaluinya, sehingga roket dapat menempuh ketinggian terbang yang diinginkan.

2.2.3 Nose Cone

Cone merupakan bagian paling atas dari sebuah roket.Cone biasanya

berbentuk seperti corong yang permukaannya halus. Cone berfungsi sebagai                

bagian awal dari sebuah roket yang menabrak udara dan memecah aliran udara. Permukaannya dibuat dengan bentuk aerodinamik sehingga udara yang melewati roket menjadi smooth atauhalus. Selain itu alasan lain dari bentuk cone yang dibuat dengan bentuk yang aerodinamik adalah untuk membuat aliran udara dengan gaya hambat atau drag yang kecil, sehingga daya jelajah roket menjadi optimal.

2.2.4 Motor Roket

Pada umumnya setiap motor propulsi menggunakan oksigen dari ruang terbuka untuk pembakarannya , namun tidak begitu dengan motor roket , pada motor roket cair contohnya oksigen tidak diambil dari ruang terbuka namun oksigen diambil dari oksigen yang sengaja disimpan didalam tabung motor roket, sehingga dalam aplikasinya motor roket ini bisa digunakan di dalam ruang hampa udara sekalipun karena dia mempunyai oksigennya sendiri.

Motor roket kimia merupakan motor roket yang bekerja dengan fluida kerja berupa gas hasil pembakaran (reaksi kimia) propelan. Pada motor roket kimia dapat digunakan propelan padat,cair, hobrida (bahan bakar padat dan oksidator cair). Contoh dari motor roket kimia dengan menggunakan propelan padat terlihat pada Gambar II.1

Gambar II 1 Motor roket propelan padat [Ref 1]

               

Pada motor roket kimia dengan menggunakan propelan padat, propelan diletakkan didalam ruang bakar dan proses pembakaran dimulai dengan menjalankan penyala (igniter) yang mengenai permukaan propelan. Permukaan yang dikenai nyalaapi itu terus melebar atau merembet kedalam bagian propelan yang belum terbakar. Pembakaran pada grain propelan ini menghasilkan gas dengan temperatur yang panas, gas hasil pembakarannya dikeluarkan melalui nosel yang didesain dengan diameter throat nosel lebih kecildaripada bagian depannya sehingga gas keluarannya dapat menghasilkan gas buang dengan kecepatan subsonik yang digunakan untuk menghasilkan dorongan reaktif untuk roket.

2.2.4.1 Propelan

untuk membuat sebuah propelan roket amatir ada beberepa hal yang harus diperhatikan diantaranya ketrsediaan bahan pokok, biaya, keamanan pengerjaan, dan performa yang konsisten. Propelan yang diteliti disini adalah propelan dengan bahan dasar yang mudah dijumpai sehari-hari . Propelan dengan bahan dasar gula sebagai bahan bakarnya dan potassium nitrat sebagai oxidizernya. Setiap propelan pasti mempunyai rasio o/f (oxidizer/fue), rasio o/f ini digunakan untuk mengetahui performa yang dihasilkan oleh grain propelan.

cara kerja motor roket prinsip utamanya adalah mengubah energi panas, dari reaksi kimia menjadi energi kinetik. Dengan kata lain panas dari pembakaran propelan menghasilkan energi panas. Kecepatan gas buang dari propelan dapat menghasilkan energi kinetic. Ini kenapa pada keluaran nosel mengalami perubahan temperatur yang signifikan pada aliran di nosel.untuk proses pembakaran diasumsikan reaksi yang terjadi disini antara potassium dan juga gula misalkan dengan o/f 65/35, sehingga persamaannya menjadi : C12H22O11 + 6.29 KNO3 -> 3.80 CO2 + 5.21 CO + 7.79 H2O + 3.07 H2 + 3.14 N2 + 3.00 K2CO3 + 0.27 KOH [ Ref 1]                

asal mula persamaan pembakaran pembakaran yang lengkap ini merupakan langkah yang rumit dalam analisis roket. Pembakaran propelan , diasumsikan dalam tekanan yang konstan, dan bentuk membuat molekul produk dalam kestimbanagan panas dan kimia yang sama. Langkah pertama adalah mengasumsikan produk yang terbentuk. Untuk proelan yang hanya mengandung carbon, oksigen, hydrogen, dan nitrogen ( C,H,O,N) sediktinya 12 kemungkinan produk, karbon, karbon dioksida, karbon monoksida, hydrogen, uap air, oksigen , nitrogen, nitrin oksida, semuanya adalah penguaraian dari H,O,N,dan OH. Jika propelan mengandung unsure logam seperti potasium (K), sodium (Na), atau almunium (AL) atau mengandung (CL). Ini merupakan hasil pengendapan( padat atau cair) dari pembakaran, seperti potassium karbonat, (atau sama dengan sodium),almunium oksida atau potassium korida (KCL).

Setelah menentukan produk apa saja yang akan muncul dari reaksi kimia. Langkah selanjutnya adalah menentukan fraksi mol .fraksi mol adalah koefisien persamaan kimia.dengan menetukan faraksi mol kita bisa memecahkan persamaan dari reaktan dan produk, keseimbangan massa, kodisi setimbang, keseimbanga energi, keseimbangan massa mengacu pada prinsip konfersi massa.

Grain propelan disiapkan melalui proses casting, propelan dibentuk sesuai kebutuhan. Untuk contoh bentuk dari propelan padat dapat ilihat pada Gambar II.2 .

Gambar II 2 bentuk Propelan padat [Ref 1]

               

Dengan mengetahui bentuk dari propelan tersebut kita bisa menghitung area pembakaran dari propelan dengan persamaan :

𝐴𝑏 = 𝜋 𝐿 𝐷 + 𝑑 + 0,5 (𝐷 − 𝑑2 ………..(1) Dimana :

D= diameter luar dari propelan (𝑚) d= dimter dalam dari propelan(m) L= panjang propelan (m)

patokan/standar utama untuk memilih geometri adalah memperoleh gaya dorong yang diinginkan- dengan karakteristik waktu. Gaya dorong adalah fungsi dari burning area yang cepat terbakar yang tergantung pada konfigurasi grain pertama.Desain yang pada umumnya digunakan harus progressive, regressive, atau netral. Untuk gambar kurva gaya dorong- waktu dapat dilihat pada Gambar II.3

Gambar II 3 bentuk grain core propelan dan kurva gaya dorong vs waktu [Ref 1]

2.2.4.2 Ruang Bakar

Tekanan pada ruang bakar motor roket sangat penting karena ini berkaitan dengan keberhasilan operasi dari motor roket. Tekanan pada ruang bakar mempengaruhi pembakaran propelan , efisiensi termodinamika, gaya dorong, Tekanan struktural pada ruang bakar lebih berkonsentrasi pada beban                

casing motor roket dengan penutupnya. Dengan Memahami sifat dari tekanan ruang bakar, maka kita bisa memprediksi desain motor roket yang kuat untuk menahan tekanan di ruang bakar. Apa yang menyebabkan tekanan di dalam ruang bakar motor roket menjadi berkembang? Apakah yang menentukan besarnya tekanan ini? Secara intuitif, penumpukan tekanan adalah hasil dari pembakaran propelan, dimana gas yang dihasilkan keluar dengan cepat melalui nosel. Jika tenggorokan nosel cukup kecil, gas tidak dapat keluar dengan cepat sehingga bertumpuk dan berakumulasi di dalam ruang bakar. Pada kenyataannya, penjelasan intuitif pada dasarnya benar. Namun, faktor penting yang menentukan besarnya tekanan ruang sama sekali tidak intuitif - konsep aliran yang tertahan. Konsep ini memberikan cara mudah untuk menghitung tekanan ruang, dan berlaku untuk kedua mode transien dan keadaan tunak dari operasi motor, berikut adalah persamaan untuk mencari tekanan pada ruang bakar motor roket :

𝑃

_𝑂

=

𝐴𝑏 𝐴∗ 𝑎 .𝜌𝑝 𝑘 𝑅 .𝑇𝑜 ( 2 𝑘+1) 𝑘+1 𝑘−1 1 1−𝑛

………..…(2)

Atau

𝑃

_𝑂

=

𝐴𝑏 𝐴∗ 𝑎 𝛼

𝜌

𝑝

𝑐

∗ 1 1−𝑛

……….(3)

Dimana :

𝑃_𝑂 = Tekanan pada ruang bakar (Pa) 𝐴𝑏 = area pembakaran propealan (𝑚2₎ 𝐴∗ _{= luas penampang kerongkongan 𝑚}2₎ 𝑎 = koefisien burn rate

n = pressure exponent

𝜌𝑝 = massa jenis propelan ( kg/𝑚3) 𝑇_𝑜 = temperatur ruang bakar (K) k= rasio panas spesifik

               

𝑐

∗

_{= kecapatan pada throat (m/}

_𝑠2₎ 𝛼 = 1.000.000

𝑅 = konstanta gas universal (8314 N-m/k-mol K) 2.2.4.3 Penyala

Penyala berfungsi untuk menyalakan bahan bakar sehingga semua permukaan bakar menyala dan menghasilkan gas pembakaran yang bertekanan dan bertemperatur sesuai dengan yang direncanakan.penyala adalah alat yang menghasilkan panas seperti halnya pada setiap proses pembakaran, proses penyalaan memerlukan waktu serta melalui beberapa tahapan, yaitu :

 tahap 1 , waktu kelambatan penyalaan yaitu waktu antara penerimaan sinyal penyalaan pada penyala sampai saat terbakarnya bagian pertama dari permukaan bakar

 tahap 2, penyebaran nyala, yaitu waktu yang diperlukan untuk menyalakan seluruh permukaan bakar, terhitung dari penyalaan permukaan bakar yang pertama tersebut pada tahap 1

 tahap 3, waktu pengisian ruang bakar yaitu waktu yang diperlukan untuk mengisi ruang bakar sehingga terjadi aliran masa propelan yang setimbang dan stabil

ketiga tahap tersebut harus dilaksanakan dalam waktu yang sesingkat-singkatnya tanpa menyebabkan kerusakan atau perubahan yang berarti pada konfigurasi permukaan batang propelan.

2.2.5 Nosel

Nosel adalah bagian dari roket yang berfungsi sebagai keluaran atau

exhaust dari gaya dorong. Gaya dorong tersebut dihasilkan dari pembakaran

propelan padat, yang kemudian kecepatan gas buangnya dimanfaatkan semaksimal mungkin menjadi gaya dorong yang tinggi oleh bentuk nosel                

yang konvergen-divergen, dengan penampang nosel konvergen dibagian hulu kerongkongan dan divergen di sisi hilir kerongkongan. Untuk mendapatkan kecepatan subsonik dari nosel maka yang harus diperhatikan disini adalah kecepatan kerongkongan dan kecepatan keluar dari nosel. Kecepatan pada kerongkongan dapat dihitung dengan persamaan :

𝑐∗ ₌ 2𝑘 𝑘+1 𝑅 𝑀𝑇𝑜 = 𝑘 𝑅 𝑀𝑇𝑘𝑟………...………(4) dimana :

𝐶𝑘𝑟 = kecepatan di kerongkongan atau kecepatan throat 𝑅 = konstanta gas universal (8314 N-m/k-mol K) M = efektif molecular weight /Molar (kg/kmol) 𝑇𝑜 = temperature ruang bakar (K)

k = rasio panas spesifik

sedangkan untuk kecepatan keluaran nosel dapt dihitung dengan persamaan : 𝐶_𝑒 = _𝑀𝑅 𝑇𝑜 𝑘 𝑘+1 2 𝑘+1 𝑘−1 ...………...(5)

2.3 Gaya Dorong Roket

Gaya dorong pada roket dapat dihitung dengan persamaan :

𝐹 = 𝑃 . 𝑑𝐴 = 𝑚 𝑉𝑒 + 𝑃𝑒 − 𝑃𝑎 𝐴𝑒………...(6) dimana 𝑃𝑒 = tekanan keluar, 𝑃𝑎 = tekanan atmosfir, seperti terlihat pada Gambar II.4,

Gambar II 4 Tekanan pada motor roket

               

dimana pernyataan pertama yang menggambarkan integral dari gaya tekan dari ruang bakar dan perpindahan nosel dari area yang normal ke sumbu nosel. m’ adalah massa aliran yang dihasilkan oleh propelan dan 𝑉𝑒adalah kecepatan keluar. Istilah kedua dalam pernyataan yang kedua disebut

pressure thrust dan sama dengan nol untuk nosel dengan ekspansi rasio yang

optimal.

Untuk selanjutnya, persamaan dapat ditulis : 𝐹 = 𝜌∗_{. 𝑣}∗_{. 𝐴}∗_{. 𝑉}

𝑒 = 𝑚 𝑉𝑒 + 𝑃𝑜− 𝑃𝑎 𝐴𝑒 …...(7) Untuk mencari gaya dorong dapat juga menggunakan persamaan :

𝐹 = 𝐴∗_{. 𝑃} 𝑜 _𝑘−12𝑘 _𝑘+12 𝑘+1 𝑘−1 _{1 −} 𝑃𝑒 𝑃𝑜 𝑘−1 𝑘 + (𝑃𝑒 − 𝑃𝑎)𝐴𝑒...(8)

2.4 Impuls Total dan Impuls Spesifik

Impuls (impulse total), Isp, adalah integral dari gaya dorong dengan waktu pengoperasian. Waktu pelaksanaan hampir sama dengan waktu terbakar (tb), untuk motor lama waktu bakar (tb > beberapa detik) untuk waktu terbakar yang pendek yang dihubungkan dengan motor roket yang kecil, waktu untuk gaya dorong akan dipertimbangkan dengan menggabungkan waktu bakar ditambah durasi waktu untuk sisa gas pembuangan dari ruang bakar setelah dibakar. Total impulse dapat dihitung :

𝐼_𝑡𝑜 = 𝐹𝑑𝑡_𝑜𝑡 ………...(9) Dimanat adalahwaktupembakaranpropelan, yaituwaktudimana motorroketmenghasilkangayadorong. Sedangkanimpulsspesifikdidefinisikansebagai : 𝐼𝑠𝑝 = 𝐹𝑑𝑡 𝑡 𝑜 𝑔_{𝑜 𝑚 𝑑𝑡} = 𝐼𝑡 𝐺 atau𝐼𝑠𝑝 = 𝐹 𝑚 𝑔𝑜 = 𝐼𝑡𝑜 𝑚 𝑔𝑜 ...(10) Dimana, 𝑔𝑜 = percepatangravitasidipermukaanlaut (𝑔𝑜 =

9,81 𝑚/𝑠2_{) dan G = beratpropelan yang terbakar. Adapun satuan 𝐼𝑠𝑝 =} 𝑁𝑠3

meskipun lazimnya dinyatakan dalam satuan waktu (detik).                

𝐼𝑠𝑝 menunjukkan prestasi propelan, semakin tinggi 𝐼𝑠𝑝maka semakin baik. Impuls spesifik yang ideal bisa dihitung dengan menggunakan rumus persamaan 𝐼𝑠𝑝 = _𝑘−1 2𝑘 𝑅 .𝑇_𝑀𝑜 1 − 𝑃_𝑃𝑒 𝑜 𝑘−1 𝑘 ...(11)