DESAIN DAN ANALISIS SIRIP ROKET KOMPOSIT HYBRID SEBAGAI
SIRIP KOMPOSIT OPTIMUM
Novi Andria
Pusat Teknologi Roket - Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional Jl. Raya LAPAN No.2, Ds. Mekarsari, Rumpin Bogor 16310
Telepon (021) 3169197 e-Mail: novie aero@yahoo.co.id
Disajikan 29-30 Nop 2012
ABSTRAK
Makalah ini merupakan salah satu makalah yang membahas hasil penelitian pengembangan sirip komposit optimum se-bagai pengganti sirip aluminum. Pengembangan sirip roket berbahan komposit sangat tepat dilakukan karena lebih ringan dari sirip aluminum dan kekuatan strukturnya dapat dirancang melebihi kekuatan struktur sirip aluminum. Penelitian awal telah dilakukan pada desain sirip carbon-epoxy, kevlar-epoxy dan glass-epoxy menggunakan konfigurasi serat tenun dengan variasi orientasi serat 0/90 dan±45. Sirip yang dijadikan wahana kajian adalah sirip roket RX 2020 fixed fin. Berdasarkan penelitian numerik tahap awal diketahui bahwa sirip carbon-epoxy merupakan sirip komposit terbaik diikuti oleh sirip glass-epoxy sebagai pilihan kedua karena ketahanan aeroelastisitasnya yang lebih rendah. Kedua desain sirip harus menghindari orientasi serat 0/90 agar memenuhi batas aman yang ditetapkan. Adapun sirip kevlar-epoxy telah dinyatakan tidak aman karena kekuatan struk-tur statiknya sangat rendah. Analisis biaya produksi menunjukkan bahwa sirip carbon-epoxy terlalu mahal untuk diproduksi sedangkan sirip glass-epoxy harganya sangat murah. Pada makalah ini akan dibahas mengenai desain sirip komposit alternatif berupa sirip hybrid carbon+glass-epoxy untuk mereduksi tingginya biaya produksi sirip komposit tetapi kekuatan strukturnya tetap dapat dipertahankan. Struktur sirip dibuat sama seperti sirip non-hybrid tetapi susunan layernya terdiri atas carbon dan glass yang disusun bergantian secara simetri. Orienasi serat yang dikaji hanya orientasi±45. Hasil simulasi numerik kekuatan struktur statik dan aeroelastisitas menunjukkan bahwa sirip hybrid ini memiliki kombinasi kekuatan struktur serat pembentuknya dan aman untuk digunakan. Selain itu harganya pun terjangkau dan jauh lebih rendah dari biaya produksi sirip carbon-epoxy sehingga dapat disimpulkan bahwa desain sirip ini merupakan desain sirip yang paling optimum untuk diterapkan.
Kata Kunci: Sirip, roket, komposit, optimum, aeroelastisitas
I.
PENDAHULUAN
Penelitian ini merupakan penelitian lanjutan dari penelitian awal pengembangan sirip roket komposit se-bagai pengganti sirip aluminum. Pengembangan sirip roket berbahan komposit sangat tepat dilakukan karena lebih ringan dari sirip aluminum dan kekuatan struk-turnya dapat dirancang melebihi sirip aluminum.
Pada tahap awal telah dilakukan analisis kekuatan statik struktur sirip roket RX 2020[1]dan analisis
aeroe-lastisitasnya secara numerik.[2] Kedua analisis tersebut
menyimpulkan bahwa sirip carbon-epoxy merupakan desain sirip komposit terbaik untuk dikembangkan sebagai pengganti sirip aluminum.[1, 2] Sirip glass-epoxy pun dinyatakan aman untuk digunakan kendati kekuatan struktur statik dan ketahanan terhadap kega-galan aeroelastisitasnya lebih rendah dari sirip carbon-epoxy.[1, 2] Selain itu, diketahui pula bahwa
konfig-urasi serat 0/90 harus dihindari dalam merancang
ke-dua sirip tersebut karena tidak aman untuk diterap-kan.[2] Adapun sirip kevlar-epoxy tidak aman untuk
digunakan karena safety factornya dibawah satu.[1]
Hasil penelitian tahap awal ini belum dapat diimple-mentasikan karena tidak melibatkan analisis biaya pro-duksi. Sebagaimana diketahui, harga serat carbon sa-ngat mahal sedangkan serat glass harganya sasa-ngat mu-rah. Diperlukan disain alternatif untuk memecahkan masalah ini.
Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah untuk mendapatkan desain sirip komposit yang optimum dari segi biaya produksi, kekuatan struktur statik dan keta-hanan aeroelastisitasnya. Salah satu cara yang paling mungkin adalah dengan membuat sirip komposit hy-brid carbon+glass-epoxy. Diharapkan dengan konfig-urasi sirip seperti ini harga biaya produksi dapat diku-rangi karena sebagian seratnya menggunakan glass tetapi kekuatan strukturnya tetap baik karena sebagian
seratnya berupa serat carbon yang dikenal sangat kuat dan kaku. Desain komposit hybrid telah banyak dikem-bangkan untuk memperkuat area kritis dan mengu-rangi biaya produksi yang diperlukan.[3, 4]
Aeroelastisitas tetap menjadi parameter utama dalam pemilihan desain optimum karena sirip komposit sangat rentan terhadap kegagalan aeroe-lastisitas.[5] Roket-roket LAPAN pada umumnya
didesain untuk terbang pada kecepatan tinggi yakni pada kecepatan supersonik. Pada kecepatan tersebut kegagalan aeroelastisitas sangat rentan terjadi.
Aeroelastis adalah cabang ilmu mekanika yang mempelajari interaksi antara gaya-gaya aerodinamika, struktur, dan inersial. Fenomena aeroelastisitas yang umum terjadi adalah divergensi (kasus static-elastic) dan flutter (kasus dynamic-elastic).[5–7]Pada umumnya
flutter lebih rentan terjadi dibandingkan dengan diver-gensi.[7]Fenomena flutter merupakan salah satu contoh
dari fenomena resonansi.
Batasan penelitian lanjutan ini sama dengan batasan masalah pada penelitian sirip komposit non-hybrid ke-cuali orientasi serat dan susunan layernya. Orien-tasi serat yang digunakan adalah±45 karena orientasi 0/90 diketahui rentan terhadap kegagalan aeroelastisi-tas. Layer kompositnya terdiri atas layer carbon dan glass yang disusun secara bergantian.
Sirip roket yang dijadikan wahana kajian adalah sirip RX 2020 fixed fin (GAMBAR1). Alasan pemilihannya adalah karena roket RX 2020 mampu terbang hingga ke-cepatan supersonik yakni pada Mach 2.7.
GAMBAR1: Dimensi sirip RX 2020
Sirip roket RX 2020 dimodelkan hanya satu buah yakni bagian kanan saja. Pemodelan elemen hingga lakukan dengan menggunakan data material yang di-ambil dari referensi standar.[8] Kondisi batas yang
diter-apkan adalah constraint cantilever pada pangkal sirip. Resin yang digunakan hanya satu jenis yakni epoxy.
II.
METODOLOGI
Penelitian lanjutan ini dilakukan mengikuti tahapan-tahapan desain sirip non-hybrid[1, 2] yakni meliputi
studi literatur, pengumpulan data material, pemodelan elemen hingga, penetapan constraint dan beban, dan simulasi numerik kekuatan struktur statik dan aeroe-lastisitas. Ditambahkan pula perhitungan biaya pro-duksi non jasa sebagai salah satu parameter penen-tuan desain sirip optimum. Ditetapkan bahwa model sirip komposit yang akan dianalisis adalah sirip kom-posit hybrid carbon+glass-epoxy. Data material untuk yang digunakan diambil dari referensi standar[8]karena
datanya paling lengkap. Data ini ditampilkan pada
TABEL1.
TABEL1: Properti mekanik komposit woven dengan resin epoxy[8]
Carbon Fabric
Glass Fabric
Density (Kg/m3) 1600 1900
Tensile Modulus (Gpa) 70 25
Shear Modulus (Gpa) 5 4
Ult. Tensile Stress (MPa) 600 440
Ult. Comp Stress (MPa) 570 425
Shear Strength (MPa) 90 40
Poisson’s ratio 0.1 0.2
Untuk menjaga agar ketebalan siripnya sama dengan ketebalan sirip RX 2020 aluminum sebesar 6 mm, jum-lah layer untuk sirip hybrid ini dibuat 21 layer karena ketebalan seratnya berlainan. Jumlah layer untuk serat carbon dan glass berturut-turut adalah 10 dan 11 layer. Sirip komposit dimodelkan menggunakan elemen lam-inate dengan konfigurasi simetri. Layer disusun secara bergantian dimana layer glass merupakan layer terlu-arnya. Orientasi serat untuk seluruh layer adalah±45.
Beban aerodinamika untuk perhitungan kekuatan struktur statik adalah berupa gaya angkat dengan men-gasumsikan adanya gangguan berupa sudut serang sebesar 5◦.[9] Analisis numerik dilakukan melalui
soft-ware MSC Nastran menggunakan jenis solusi linear static. Karena ultimate compressive strength komposit lebih rendah dibandingkan ultimate tensile strength-nya,[8]tegangan maksimum pada model sirip komposit yang dijadikan acuan hanya pada layer terluar yang mengalami kompresi.
Aerodinamika sirip roket RX 2020 untuk perhi-tungan aeroelastisitas dimodelkan dengan satu panel yang terdiri dari 10×10 box aerodinamik. Model aero-dinamika yang digunakan adalah model doublet-lattice pada kecepatan subsonik dan ZONA 51 pada kecepatan supersonik. Analisis flutter dan divergensi dilakukan menggunakan software MD Nastran. Flutter dapat dideteksi dengan memperhatikan nilai redaman sama dengan nol dan terjadi konvergensi nilai frekuensi pada
dua atau lebih modus gerak.[5–7]Adapun divergensi
da-pat diketahui dengan cara mencari modus gerak yang nilai redaman dan frekuensinya sama dengan nol saat kecepatan aliran dinaikan.[5–7]
Analisis biaya produksi dilakukan untuk sirip hy-brid, serta sirip non-hybrid carbon-epoxy dan glass-epoxy. Harga biaya produksi dihitung dengan tidak melibatkan biaya jasa pengerjaan. Perhitungannya di-lakukan dengan mengalikan banyaknya konsumsi serat dengan harga serat tersebut per meter ditambah dengan jumlah resin yang digunakan dikali harga resin epoxy per kilogram.
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada bagian ini akan diuraikan mengenai hasil ana-lisis kekuatan struktur statik, anaana-lisis aeroelastisitas dan analisis biaya produksi sirip komposit hybrid carbon+glass-epoxy. Pembahasan secara rinci dan per-bandingannya dengan sirip carbon-epoxy, glass-epoxy dan sirip aluminum diberikan pada masing-masing bagian.
Analisis Kekuatan Struktur Statik
Pada GAMBAR2 dan GAMBAR3 ditampilkan hasil simulasi kekuatan statik sirip RX 2020 menggunakan bahan komposit hybrid carbon+glass-epoxy pada layer terluar pertama dan kedua untuk orientasi±45. Pada model sirip ini layer terluar pertama merupakan layer glass dan layer terluar kedua merupakan carbon.
GAMBAR2:Hasil simulasi kekuatan statik sirip pada layer carbon terluar
Tegangan dan deformasi maksimum pada layer car-bon terluar adalah 324.3 MPa dan 32.6 mm (GAMBAR2), sedangkan pada layer glass terluar adalah 154.8 MPa (GAMBAR3) dengan besar deformasi sama dengan de-formasi pada layer carbon terluar. Bila dibanding-kan dengan data ultimate compressive strength mate-rial pada TABEL1 maka dapat diketahui bahwa tegan-gan maksimum layer terluar baik layer carbon maupun
GAMBAR3: Hasil simulasi kekuatan statik sirip pada layer glass terluar
layer glass dibawah tegangan ultimate material pem-bentuknya.
Hasil simulasi kekuatan statik model sirip komposit hybrid ini ditampilkan pada TABEL2. Output diambil untuk dua layer terluar untuk mewakili masing-masing serat pembentuknya. Ditampilkan pula hasil simulasi sirip non-hybrid carbon-epoxy dan glass-epoxy serta sirip aluminum ditampilkan padaTABEL3sebagai pem-banding.
TABEL2:Tegangan dan deformasi maksimum sirip komposit hybrid Layer Terluar ke-1
(Glass)
Tegangan (MPa) 154.8 Deformasi (mm) 32.6 Layer Terluar ke-2
(Carbon)
Tegangan (MPa) 324.3 Deformasi (mm) 32.6
TABEL3:Tegangan dan deformasi makasimum sirip komposit non-hybrid dan aluminum
AL Carbon-Epoxy (20 ply) Glass-Epoxy (22 ply) Tegangan (MPa) 264.93 198.5 43.9 σU T (MPa)[8] 276 (yield) 600 440 σU C(MPa)[8] 276 (yield) 570 425 Deformasi (mm) 13.0 18.3 51.2
Berdasarkan TABEL2 dan TABEL3 dapat diketahui bahwa nilai deformasi maksimum sirip hybrid meru-pakan rata-rata dari penggabungan deformasi sirip non-hybrid pembentuknya. Selain itu, nilai tegangan maksimum pada kedua layer terluar merupakan seten-gahnya dari tegangan maksimum pada sirip homogen-nya. Hal ini menunjukkan bahwa desain komposit
hybrid sangat baik untuk diterapkan karena distribusi tegangan yang terjadi sangat menguntungkan dimana layer dengan serat yang kuat menerima beban yang besar sedangkan layer dengan serat yang kurang kuat menerima beban yang kecil.
Analisis Aeroelastisitas
Berdasarkan analisis dinamik struktur diketahui bahwa rentang frekuensi 10 modus gerak pertama un-tuk model sirip ini adalah antara 0-1900 Hz. De-ngan mengunakan rentang frekuensi tersebut diperoleh hasil simulasi numerik aeroelastisitas seperti ditunjuk-kan padaGAMBAR4.
GAMBAR4: Kurva V-f dan V-g orientasi serat±45
Pada GAMBAR4 dapat dilihat bahwa sirip hybrid carbon+glass-epoxy dengan orientasi ±45 mengalami flutter pada Mach 13 dan tidak mengalami divergensi. Modus flutter sirip ini sama dengan modus flutter sirip komposit non-hybrid yakni modus torsi pertama. Per-bandingan hasil analisis aeroelastisitas antara sirip hy-brid ini dengan sirip non-hyhy-brid dan sirip aluminum (AL) ditampilkan padaTABEL4.
Pada TABEL4 dapat dilihat bahwa divergensi tidak terjadi untuk seluruh model sirip. Diketahui pula bahwa kecepatan flutter untuk sirip hybrid yang dikaji lebih tinggi dibandingkan sirip glass-epoxy. Jika diban-dingkan dengan sirip carbon-epoxy memang dapat di-lihat bahwa sirip komposit hybrid ini kualitasnya lebih rendah karena sirip carbon-epoxy tidak mengalami flut-ter untuk rentang kecepatan aliran yang dikaji. Kendati demikian, tingginya nilai kecepatan flutter pada sirip
TABEL4: Perbandingan hasil analisis aeroelastik sirip roket
AL Carbon-Epoxy Glass-Epoxy Carbon+ Glass-Epoxy Flutter Speed (Mach) - - 7 13 Divergence Speed (Mach) - - -
-komposit ini membuat desain sirip tidak rentan ter-hadap kegagalan aeroelastisitas.
Berdasarkan hasil analisis pada penelitian tahap awal, diperoleh batas kecepatan flutter paling ren-dah untuk sirip roket RX 2020 fixed fin ini adalah 4.86 Mach.[10] Dengan memperhatikan nilai kecepatan
flutter pada TABEL4, maka dapat dipastikan bahwa desain sirip komposit hybrid ini aman untuk digu-nakan sama halnya dengan sirip carbon-epoxy dan sirip glass-epoxy. Seperti hasil simulasi numerik keku-atan statik, ketahanan terhadap kegagalan aeroelastisi-tas sirip komposit hybrid ini merupakan kombinasi ke-tahanan aeroelastisitas serat-serat pembentuknya.
Analisis Biaya Produksi
Pada bagian ini akan dibahas mengenai analisis bi-aya produksi pembuatan sirip roket komposit tanpa melibatkan biaya jasa pengerjaan. Pada penelitian ini, Mass Fraction (MF) yang diterapkan adalah 60%. Nilai ini hampir sebanding dengan nilai VF sebesar 55%.
Harga biaya produksi diluar biaya jasa pengerjaan dapat dihitung dengan mengalikan banyaknya kon-sumsi serat dengan harga serat tersebut per meter dita-mbah dengan jumlah resin yang digunakan dikali harga resin epoxy per kilogram. Harga resin epoxy per kilo-gram adalah Rp 250.000. PadaTABEL5ditampilkan bi-aya produksi untuk masing-masing model sirip roket komposit.
TABEL5: Perbandingan biaya produksi model sirip komposit Jenis Serat Konsumsi Serat (m2) Harga/ m2 (Rp) Konsumsi Resin (kg) Harga satu sirip (Rp) Harga 4 sirip (Rp) Carbon 0,960 1.625.000 0,130 1.592.500 6.370.000 Glass 1,056 33.850 0,175 79.496 317.984 Carbon+ Glass 0,480 (C) 1.625.000 0,150 835.373 3.341.491 0,528 (G) 33.850
TABEL5 menunjukkan bahwa biaya produksi non jasa pengerjaan paling mahal terdapat pada sirip kom-posit carbon fabric-epoxy. Adapun biaya produksi pa-ling murah terdapat pada pembuatan sirip komposit glass fabric-epoxy. Harganya kurang dari 5% biaya
pro-duksi sirip jenis komposit carbon-epoxy.
Biaya produksi non jasa untuk pembuatan sirip kom-posit hybrid carbon+glass-epoxy hanya sekitar 53% dari biaya produksi sirip carbon-epoxy. Rendahnya biaya produksi ini jelas sangat menguntungkan. De-sain sirip hybrid ini dapat menggantikan sirip carbon-epoxy sebagai sirip komposit terbaik karena penguran-gan biaya produksinya sangat signifikan. Disamping harga serat glass yang murah, mudahnya pengadaan serat fabric carbon dan glass membuat sirip hybrid car-bon+glass ini menjadi pilihan terbaik untuk dijadikan sirip komposit optimum.
IV.
KESIMPULAN
Pada penelitian lanjutan ini telah diperoleh de-sain sirip komposit optimum sebagai pengganti sirip carbon-epoxy. Desain sirip optimum tersebut adalah sirip hybrid yang mengkombinasikan serat carbon dan glass. Sirip hybrid carbon+glass-epoxy memiliki keku-atan struktur statik yang baik dan tidak rentan terhadap kegagalan aeroelastisitas. Karakteristik kekuatan sirip hybrid ini merupakan kombinasi kekuatan serat-serat pembentuknya.
Kendati tidak sekuat sirip carbon-epoxy, sirip hy-brid ini jauh lebih kuat dibandingkan sirip glass-epoxy. Tingginya kecepatan flutter dan rendahnya tegangan maksimum pada sirip ini memungkinkan untuk di-lakukannya optimasi jumlah layer atau pengurangan ketebalan sirip pada penelitian lebih lanjut. Lain hal-nya dengan sirip glass-epoxy yang sudah sangat riskan untuk dikurangi jumlah layernya.
Biaya produksi sirip hybrid carbon+glass-epoxy tidak setinggi biaya produksi sirip carbon-epoxy. Pen-gurangan biaya produksi bila sirip carbon-epoxy di-ganti dengan sirip hybrid ini sangat signifikan. San-gatlah tepat bila desain sirip hybrid ini dikembangkan untuk membuat sirip roket yang tinggi kekuatan struk-tur dan ketahanan aeroelastisitasnya tetapi biaya pro-duksinya tetap terjangkau.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Andria, N., Pengembangan Sirip Roket Komposit LAPAN, SIPTEKGAN XVI, Serpong, 2012. (to be published)
[2] Andria, N., Analisis Aeroelastik Sirip Roket Kom-posit Rx 2020 Berbahan Dasar Carbon-Epoxy Dan Glass-Epoxy, SIPTEKGAN XVI, Serpong, 2012. (to be published)
[3] Goldsworthy W. B., ”Composites, Fabrication” in EPSE 2nd ed., Goldsworthy Engineering, Inc. [4] Vinson J. R., Sierakowski R. L., The Behaviour of
Structures Composed of Composite Materials 2nd ed., Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 2002. [5] Wright J.R., Cooper J.E., Introduction to Aircraft Aeroelasticity and Loads, John Wiley dan Sons Ltd,
Wiltshire, 2007.
[6] E.H. Dowell (Ed.), A Modern Course in Aeroelas-ticity, Kluwer Academic Publishers, Netherlands, 1980, p.480.
[7] Fung Y.C., An Introduction to the Theory of Aeroe-lasticity, Dover Publications, New York, 2008. [8]
http://www.performance-composites.com/carbonfibre/
mechanicalproperties 2.asp, diakses pada tanggal 8 Juni 2012.
[9] Chin, S.S., Missile Configuration Design, McGraw-Hill Book Company Inc, New York, 1961.
[10] Andria N., Analisis Flutter Sirip Roket Balistik RX 420 dengan Melibatkan Modus Gerak Kaku Struk-tur Roket, Jurnal Makara Seri Teknologi Vol. 2 November. Universitas Indonesia, Depok, 2011.
