17
DENSITAS PROPELAN LAPAN YANG DIHASILKAN DENGAN
TEKNOLOGI
VACUUM CASTING
(THE DENSITY OF Lapan PROPELLANT PRODUCED USING
VACUUM CASTING TECHNOLOGY)
Sutrisno
Peneliti Pusat Teknologi Roket, Lapan e-mail: strn.tyb@gmail.com
ABSTRACT
The exact and uniform propellant density is needed to get an accurate rocket motor propulsion design. Propellant characteristics will be influenced by its composition and manufacturing process technology. This paper discusses density of various propellant produced using vacuum casting technology. Three types of propellant with different diameter : K-Round, D200 and D550 were prepared and their density were tested. The evaluation and analyses were performed using slurry propellant viscosity and video camera data along the vacuum casting prosess. Based on the experiment it is found that the three propellants have different densities and not uniform in all its parts. D550 propellant has the highest density and uniformity, while D200 propellant is the lowest.
Keywords: Propellant, Density, Vacuum casting
ABSTRAK
Guna mendapatkan rancangan propulsi yang akurat pada motor roket diperlukan nilai densitas propelan yang pasti dan seragam di setiap bagiannya. Karakteristik propelan akan dipengaruhi oleh komposisi dan teknologi proses pembuatannya. Makalah ini membahas perbedaan nilai densitas berbagai propelan dan tingkat keseragamannya yang dibuat menggunakan teknologi vacuum casting. Tiga jenis propelan berupa K-Round, D200 dan D550 dibuat dan diuji densitasnya di bagian bawah maupun atas. Data viskositas slurry dan kamera video digunakan untuk bahan evaluasi dan analisis. Berdasarkan percobaan diperoleh bahwa ketiga propelan mempunyai densitas yang berbeda-beda dan tidak seragam di sepanjang bagiannya. Propelan D550 mempunyai densitas dan keseragaman paling tinggi, sedangkan propelan D200 paling rendah.
Kata kunci: Propelan, Densitas, Vacuum casting
1 PENDAHULUAN
Dalam teknologi roket, motor roket merupakan teknologi kunci dan menjadi prioritas paling penting yang harus dikuasai terlebih dahulu. Sampai saat ini, Lapan telah berhasil menguji terbang roket berbahan bakar padat komposit (composite solid propellant
rocket). Motor roket yang menggunakan
propelan padat terdiri dari empat komponen utama yaitu selongsong
(case), propelan, penyala (igniter), nosel dan insulasi termal (Sutton, 2001). Case umumnya merupakan tabung motor roket yang bagian atasnya mempunyai tutup berbentuk setengah lingkaran (dome) yang harus dibuat dengan teknologi khusus. Adapun case pada motor roket yang biasa, dibuat oleh Lapan terdiri dari tabung dan cap secara terpisah. Sedangkan insulasi termal terdiri dari tiga bagian yaitu protektor
18
termal, liner dan inhibitor. Komponen motor roket yang dibuat oleh Lapan seperti ditunjukkan pada Gambar 1-1.
Propelan merupakan salah satu komponen utama di dalam motor roket karena berfungsi sebagai sumber energi. Roket sebenarnya merupakan suatu wahana yang akan digunakan untuk membawa muatan menuju target tertentu sehingga diperlukan motor roket yang efisien. Motor roket biasanya hanya digunakan sekali dalam suatu misi dan setelah semua propelan terbakar serta tidak mempunyai gaya dorong, maka bagian ini tidak diperlukan lagi. Salah satu ukuran efisiensi motor roket adalah fraksi masa yaitu suatu angka yang menyatakan perbandingan antara masa propelan terhadap masa motor roket secara keseluruhan. Motor roket yang memuat kuantitas propelan makin besar berarti akan meningkatkan fraksi masanya sehingga makin efisien. Dengan kata lain, suatu motor roket harus diusahakan agar mempunyai masa propelan sebesar-besarnya dan masa struktur sekecil-kecilnya. Umumnya fraksi masa motor roket padat berkisar antara 0,75 hingga 0,95 (Sutton, 2001). Berdasarkan data dari beberapa motor roket Lapan, ternyata masih mempunyai fraksi masa yang cukup rendah yaitu antara 0,45 hingga 0,70 (Sutrisno, 2001).
Motor roket yang menggunakan propelan dengan densitas tinggi berarti akan menampung sejumlah masa propelan yang tinggi pula dalam suatu volume yang tetap. Besarnya densitas propelan akan dapat meningkatkan tekanan ruang bakar motor roket yang pada gilirannya akan meningkatkan gaya dorong (Davenas, 2001).
Proses pembuatan propelan komposit terdiri dari tahap preparasi bahan baku, premixing, mixing, casting dan curing. Proses mixing dan casting merupakan proses paling kompleks dan penting dalam menentukan kualitas propelan. Pada waktu yang lalu proses
casting propelan dapat dilakukan dengan
beberapa cara antara lain pemampatan bubuk (compaction or pressing powder
charge), ekstrusi menggunakan dies dan
tekanan tinggi hingga penggunaan pelarut yang nantinya diuapkan setelah pencetakan (Sutton, 2001). Proses casting yang saat ini dilakukan adalah vacuum
casting dengan gravitasi, die casting
dengan tekanan baik menggunakan gas, piringan mekanik maupun screw Archimides (Davenas, 1993). Metode casting yang lain juga telah dikembangkan
terutama untuk propelan yang mem-punyai viskositas adonan (slurry) tinggi menggunakan teknologi yang tergolong
pressure casting. Pada metode ini slurry
propelan dimasukkan ke dalam tabung motor roket melalui bagian bawah menggunakan tekanan (Dombe et al, 2008). Kualitas propelan yang akan dibuat sudah barang tentu akan dipengaruhi oleh jenis bahan baku, komposisi, jenis peralatan dan metode proses pembuatannya. Adapun teknologi proses casting propelan yang dilakukan Lapan selama ini tergolong sebagai teknologi vacuum casting. Substansi ini dibahas untuk mengetahui perbedaan densitas beberapa tipe propelan komposit Lapan yang diproduksi dengan teknologi vacuum casting. Sasarannya adalah diperolehnya informasi densitas masing-masing tipe propelan Lapan dan menentukan tipe propelan yang mempunyai densitas paling tinggi.
19 2 METODOLOGI
Berbagai tipe propelan yang akan dibahas adalah propelan K-Round, D200 dan D550 yang semuanya tergolong sebagai propelan komposit Hydroxy
Terminated Polybutadiene (HTPB). Propelan K-Round digunakan untuk penelitian
karakteristik propelan skala laboratorium sedangkan propelan D200 dan D550 berturut-turut digunakan untuk propelan pada motor roket RX 200 dan RX 550. Ukuran diameter dan panjang propelan
K-Round berturut-turut adalah 60 mm
dan 200 mm atau propelan tersebut berdimensi 60/200. Adapun dimensi propelan D200 dan D550 berturut-turut adalah 180/1250 dan 530/850. Komposisi ketiga propelan tersebut sama tetapi proses mixing dan casting-nya menggunakan mixer dan casting
chamber yang berbeda-beda yang semuanya masih tergolong dalam teknologi vacuum casting.
Prosedur dan ketentuan kondisi proses pembuatan propelan (waktu, dan temperatur proses) dilakukan dengan cara yang sama. Proses preparasi adalah mempersiapkan bahan baku propelan berupa pengeringan dan atau
penimbang-an. Premixing merupakan proses pen-campuran fuel binder antara HTPB dengan
Toluene Diisocyanate (TDI). Proses mixing
adalah pencampuran dengan menambah-kan oksidator Ammonium Perkhlorat (AP) dan aditif aluminium (Al). Casting merupakan tahap pencetakan propelan hasil mixing ke dalam tabung motor roket atau cetakan propelan di dalam
vacuum chamber. Adapun curing adalah
proses pematangan di dalam oven pada temperatur tertentu. Pada proses casting propelan D200 dan D550 diamati dengan menempatkan kamera video infra merah dalam casting chamber sedangkan pada propelan K-Round kamera tidak dipasang karena ruangan terlalu sempit. Propelan yang dihasilkan diukur densitasnya dengan Densitometer AND HR-200. Sampel propelan yang diuji diambil baik di bagian atas maupun bagian bawah untuk mengetahui tingkat keseragaman-nya. Data proses propelan dan rekaman kamera video digunakan sebagai bahan evaluasi dan analisis propelan yang dihasilkan. Bagan alir langkah kegiatan penelitian seperti terlihat pada Gambar 2-1.
Gambar 2-1: Langkah kegiatan penelitian Selesai
Casting Curing Pengukuran densitas Evaluasi dan analisis
hasil Premixing
HTPB TDI
Mixing
AP Kasar AP Halus
Preparasi bahan baku: HTPB, TDI, AP dan Al
Mulai
Kamera Video
20
3 PROSES PEMBUATAN PROPELAN DAN PENGUJIAN DENSITAS
Tiga jenis propelan telah dibuat yaitu K-Round, D200 dan D550. Komposisi dari ketiga propelan ini adalah Fuel Binder (HTPB dan TDI): 17,5 % dan Solid Content (oksidator AP dan aditif Al): 82,5 %. AP terdiri dari dua macam ukuran partikel yaitu kasar (400 mikron) dan halus yang diperoleh dari AP kasar yang di-grinding sedangkan Al yang digunakan mempunyai ukuran 100 mikron. Jumlah bahan baku yang diperlukan untuk pembuatan propelan
K-Round, D200 dan D550 berturut turut
adalah 3 kg, 75 kg dan 245 kg. Mixer yang digunakan untuk pembuatan propelan K-Round dan D200 adalah tipe horisontal dengan ukuran berturut-turut 3 liter dan 100 liter. Adapun propelan D550 dibuat menggunakan
mixer vertikal dengan ukuran 425 liter.
Urutan proses dilakukan seperti terlihat pada Gambar 2-1. Berbagai mixer dan alat casting yang digunakan dalam pembuatan propelan ditunjukkan pada Gambar 3-1, Gambar 3-2 dan Gambar 3-3.
Gambar 3-1: Mixer dan alat casting propelan K-Round
Gambar 3-2: Mixer dan alat casting propelan D200
21
Hasil mixing adalah slurry propelan yang mempunyai viskositas tinggi dan menunjukkan perilaku Non-Newtonian yaitu viskositasnya akan berubah dengan bertambahnya waktu. Gambar 3-4 memperlihatkan perubahan viskositas
slurry propelan D550 yang diukur selama
40 menit menggunakan Brookfield DV-E
Viscometer. Selanjutnya slurry ini diambil
dan ditempatkan pada suatu nampan untuk diangkut ke dalam alat casting. Gambar 3-5 menunjukkan hasil mixing dan proses casting propelan D550.
Propelan yang dihasilkan diperlihatkan pada Gambar 3-6.
Propelan yang telah diperoleh diukur densitasnya menggunakan densitometer AND HR-200. Propelan dipotong di bagian ujungnya untuk diambil sebagai sampel uji. Sampel yang dibuat berbentuk kubik dengan ukuran sisi 0,5 cm. Pengukuran dilakukan masing-masing sampel lima kali untuk diambil rata-ratanya. Hasil pengukuran densitas propelan disajikan pada Tabel 3-1.
Gambar 3-4: Perubahan viskositas slurry propelan D550
Gambar 3-5: Hasil mixing dan proses casting propelan
Gambar 3-6: Propelan K-Round (kiri), D200 (tengah) dan D550 (kanan)
22
Tabel 3-1: HASIL PENGUKURAN DENSITAS PROPELAN
Bagian Propelan Densitas (gram /cm3)
K-Round D200 D550
Atas 1.583 1.475 1.672
Bawah 1.599 1.521 1.685
Selisih densitas (%) 1.00 3.02 0.77
4 PEMBAHASAN
Peralatan yang digunakan untuk membuat ketiga jenis propelan berbeda semua, terutama ukurannya. Mixer yang digunakan untuk membuat propelan
K-Round dan D200 mempunyai tipe yang
sama yaitu horisontal dengan pisau (blade) berbentuk Z satu poros. Sedangkan
mixer untuk propelan D550 adalah tipe
vertikal yang mempunyai blade tiga buah berbentuk bilah terpilin dengan tiga poros. Keadaan ini tentunya akan sangat mempengaruhi propelan yang dihasilkan seperti dugaan. Hal ini terbukti dari hasil densitas yang berbeda-beda seperti ditunjukkan pada Tabel 3-1. Berdasarkan data tersebut ternyata densitas propelan D550 mempunyai nilai yang paling tinggi dengan mixer yang digunakan mempunyai tiga buah blade. Masing-masing blade pada mixer berotasi yaitu dua buah blade yang diluar bergerak melingkari blade yang ditengah (planetary). Namun demikian belum dapat disimpulkan bahwa tipe mixer vertikal lebih baik dari pada horisontal karena ketiga jenis propelan dibuat dengan banyak variabel yang berubah. Saat ini mixer propelan tipe horisontal sudah ditinggalkan karena alasan bahaya kebakaran akibat kemungkinan masuknya material ke dalam bearing pada poros blade (Davenas, 1993).
Hal yang paling menarik untuk dianalisis adalah bahwa semua propelan yang dibuat mempunyai densitas di bagian atas yang lebih rendah daripada yang di bawah. Kondisi ini sebenarnya tidak dikehendaki karena dalam perancangan propulsi suatu motor roket diasumsikan bahwa densitas propelan seragam di setiap tempat. Berdasarkan tingkat selisih densitas antara bagian atas dan bawah, maka propelan D200
mempunyai densitas paling tidak seragam dibanding dua propelan yang lain.
Seperti sudah dijelaskan di atas bahwa metode casting propelan ini menggunakan teknologi vacuum casting dengan bantuan gravitasi. Pada metode ini, slurry propelan di dalam bak penuangan (hopper) masuk ke dalam
casting chamber yang bertekanan lebih
rendah (vacuum). Selanjutnya dengan bantuan gravitasi slurry tersebut jatuh di dalam tabung cetakan propelan.
Slurry yang berada di bagian bawah
akan tertimpa material di atasnya terus-menerus hingga cetakan terisi semua. Hal ini berarti bahwa propelan bagian bawah akan terkena efek pemadatan yang relatif lebih besar dibanding bagian atasnya. Berdasarkan pengamatan data kamera video yang dipasang dalam
casting chamber terlihat bahwa slurry
yang berbentuk gumpalan keluar dari
hopper melewati pipa dan turun ke
dalam chamber karena terhisap oleh kondisi vacuum seperti diperlihatkan pada Gambar 4-1. Proses casting propelan berlangsung antara 5 hingga 12 menit.
Berdasarkan data viskositas pada Gambar 3-4 terlihat bahwa telah terjadi peningkatan viskositas selama waktu
casting tersebut. Hal ini akan
menyebab-kan aliran slurry semakin pelan dan kepadatan propelan menurun. Selain itu setelah selesai pemasukan slurry ke dalam tabung cetakan, maka dilakukan pembukaan casting chamber yang selanjutnya cetakan ini dibawa ke tempat lain untuk dilakukan proses
curing. Pembukaan casting chamber ini
dilakukan dengan membuka katup (release valve) agar udara luar masuk ke dalamnya sehingga kondisi vacuum hilang dan chamber dapat dibuka. Proses
23
pembukaan casting chamber ditunjukkan oleh Gambar 4-2. Data video memper-lihatkan bahwa proses pembukaan
release valve ini telah menekan material
propelan dalam tabung cetakan cukup kuat sehingga permukaan propelan dalam
cetakan turun kurang lebih 10 cm (Gambar 4-3). Peristiwa ini semakin memperjelas bahwa makin ke bawah propelan akan termampatkan lebih besar sehingga densitasnya makin besar.
Gambar 4-1: Proses Masuknya slurry propelan ke dalam casting chamber
Gambar 4-2: Release valve dan proses pembukaan casting chamber
Gambar 4-3: Penurunan permukaan slurry akibat pembukaan casting chamber release valve
24
Berdasarkan fakta di atas, dapat dipahami bahwa meningkatnya viskositas
slurry akan memperlambat masuknya
material ke dalam casting chamber. Tingginya viskositas juga akan mempersulit pergerakan material untuk saling merapat. Oleh karena itu dalam proses pembuatan propelan dikehendaki agar memperoleh slurry yang makin encer. Nilai viskositas slurry untuk propelan komposit HTPB biasanya antara 10.000 hingga 20.000 poise (Sutton, 2001). Proses pembukaan casting chamber menggunakan release valve telah meng-hasilkan gaya yang dapat memadatkan material propelan di dalam tabung cetakan yang tentunya akan mengubah densitas propelan yang dihasilkan. Pembukaan release valve ini dilakukan secara manual dengan kecepatan pem-bukaan yang sangat mungkin berbeda-beda untuk setiap casting propelan. Pembukaan release valve yang drastis akan menghasilkan gaya dorong yang cukup besar sehingga dapat menurunkan permukaan propelan di dalam tabung cetakan.
5 KESIMPULAN
Propelan K-Round, D200 dan D550 yang dibuat menggunakan teknologi
vertical vacuum casting mempunyai
densitas yang berbeda dan tidak seragam di sepanjang bagiannya. Semua propelan yang dihasilkan mempunyai densitas bagian bawah yang lebih besar daripada bagian atas. Dari tiga jenis propelan tersebut, propelan D550 mempunyai densitas dan keseragaman paling tinggi sedangkan propelan D200 paling rendah. Pembukaan release valve
yang dilakukan secara manual pada saat proses casting dan tingginya viskositas slurry merupakan faktor penyebab ketidak seragaman densitas propelan.
Ucapan Terima Kasih
Makalah ini terwujud dengan bantuan beberapa pihak, oleh karena itu ucapan terima kasih saya sampaikan kepada personil Laboratorium Proses Propelan dan Laboratorium Komposisi Dasar-Bidang Teknologi Propelan–Pusat Teknologi Roket-Lapan yang telah mem-bantu melakukan proses pembuatan propelan, bapak Fathur Rohman yang telah membantu pemasangan dan perekaman kamera video di dalam casting
chamber serta ibu Ratna Wijayanti yang
telah membantu dalam pengukuran densitas propelan.
DAFTAR RUJUKAN
Davenas, Allain, 1993. Solid Rocket
Propulsion Technology, Pergamon
Press, Oxford.
Dombe, G., M. Jain, P.P. Singh, K.K. Radhakrishnan, B. Battacharya, 2008. Pressure Casting of Composite
Propellant, Indian Journal of
Chemical Technology, Vol. 15, pp 420-423.
Sutrisno, 2001. Kinerja Motor Roket RX
150 KT/MPD-P-LPN dan RX 250 KG-MMK-LPN, Jurnal JIRTI Vol.1
No.4 Oktober 2001 ISSN 1411-4275.
Sutton, G. P. and Biblarz, 2001. Rocket
Propulsion Elements, Seventh Edition, John Wiley & Sons Inc, New York.
