PERANCANGAN IGNITER UNTUK MOTOR ROKET
PADAT RX 420/4000
Sukandi Nasir Rohlll
Peneliti Pusat Teknologi Wahana Dirgantara, LAPAN ABSTRACT
Igniter is a rocket c o m p o n e n t with t h e function of providing activated energy to the surface of solid propellant in the b u r n i n g c h a m b e r of the rocket motor. Igniter design n e e d s overall d a t a of t h e rocket especially initial free volume and stable combustion p r e s s u r e of t h e propellant. The properties of either primer or main charge especially its density and fraction of c o n d e n s e d particles of it c o m b u s t i o n p r o d u c t s are also needed. This p a p e r p r e s e n t s the design of igniter for R X - 4 2 0 / 4 0 0 0 solid rocket with wagon wheel - cylinder d u a l configuration. The design r e s u l t gives d a t a as follows main-case length - 302.6 m m , diameter = 52 m m ; main charge weight of 338.31 g; volume = 2 1 2 . 1 9 cc a n d nozzle throat area = 12.6 m m2; the intermediate case of 200
mm length; 30 mm diameter with black powder weight - 3 1 0 . 8 7 g a n d volume of 141.37 cc, t h e overall length of igniter included stick of 402.6 mm
ABSTRAK
Igniter m e r u p a k a n k o m p o n e n roket y a n g berfungsi m e m b e r i k a n energi aktivasi
pada p e r m u k a a n propelan p a d a t di dalam r u a n g b a k a r motor roket. Perancangan
igniter m e m e r l u k a n d a t a spesifikasi roket s e c a r a m e n y e l u r u h a n t a r a lain, adalah Initial free volume d a n t e k a n a n r u a n g b a k a r stabil u n t u k propelan terkait. Sifat-sifat
bahan isian igniter-pun d i p e r l u k a n t e r u t a m a densiti dan fraksi condensed particles dari hasil p e m b a k a r a n n y a . P a d a m a k a l a h ini, p e r a n c a n g a n igniter tipe pirogen dirancang u n t u k motor r o k e t d i a m e t e r 4 2 0 m m d e n g a n p a n j a n g 4 0 0 0 m m y a n g m e n g g u n a k a n bataiig propelan konfigurasi g a n d a uxigon wheel - silinder. A d a p u n hasil rancangan
igniter adalah sebagai b e r i k u t : panjang t a b u n g u t a m a = 302,6 mm dan diameter - 52 mm
memakai main charge d e n g a n berat *• 388,31 gram, volume 2 1 2 , 1 9 c m3 s e r t a luas
kerongkongan nosel * 12,6 m m2. T a b u n g m e n e n g a h d e n g a n p a n j a n g * 2 0 0 mm dan
diameter - 30 m m , m a k a berat black powder yang d i g u n a k a n = 3 1 0 , 8 7 gram dengan volume = 141,37 cc. Panjang keseluruhan igniter dengan tangkai pemegangnya = 402,6 m m .
Kata kunci: Igniter, Motor roket, RX 420/4000 1 PENDAHULUAN
Tidak seperti p a d a propelan cair hipergolik y a n g d a p a t t e r b a k a r dengan energi aktivasi a k i b a t t u b r u k a n a n t a r a
fitel d a n ohsidizer-nyfr, m a k a p a d a
pro-pelan p a d a t dan cair non hipergolik akan memerlukan igniter u n t u k menyalakan propelan tersebut. Karena b a n y a k n y a macam/jenis propelan y a n g berbeda, di antaranya: komposisi, panjang, diameter dan konfigurasi batang propelan masing-masing, yang a k a n b e r h u b u n g a n d e n g a n jenis roket (roket Umiah a t a u senjata) serta daya j a n g k a u a t a u terbangnya, maka igniter yang a k a n dipakai a k a n
berbeda pula dalam bentuk, u k u r a n dan k e k u a t a n b a k a r t e r h a d a p propelannya. Oleh k a r e n a itu u n t u k m e n y e s u a i k a n
igniter y a n g a k a n dipakai, m a k a perlu
dilakukaii p e r a n c a n g a n . Perancangan ini a k a n m e m e r l u k a n b e b e r a p a d a t a baik dari propelan y a n g a k a n digunakan m a u p u n sistem propulsinya. Dari hasil perancangan diharapkan api yang keluar dari igniter a k a n menyebar ke permukaan propelan d a n d a p a t menjangkau j a r a k j a n g k a u y a n g s e s u a i d e n g a n keinginan. Dari hasil p e r a n c a n g a n ini dilakukan percobaan-percobaan baik secara simulasi a t a u uji fisik sehingga nantinya a k a n didapat igniter s e s u a i y a n g diharapkan.
2 TINJAUAN PUSTAKA
Igniter m e r u p a k a n s u a t u sistem
penyala awal y a n g dipakai u n t u k menya-lakan propelan p a d a t a t a u cair n o n hipergolik. Igniter itu h a r u s menyedia-k a n energi amenyedia-ktivasi y a n g c u menyedia-k u p b e s a r agar propelan d a p a t t e r b a k a r . U n t u k m e n d a p a t k a n energi aktivasi yang besar, m a k a d i p e r l u k a n c a m p u r a n b a h a n -b a h a n kimia d a n t a -b u n g igniter yang sesuai dengan fungsinya masing-masing. Ada tiga tipe igniter yang u m u m n y a dipakai, yaitu p e r t a m a a d a l a h tipe se-d e r h a n a se-d a n m u se-d a h se-d a l a m pengerjaan-nya, seperti t i p e t a b u n g model k a n t o n g /
bag (Gambar 2-la), kaleng/can (Gambar
2-lb), Jelly roll (Gambar 2-lc) a t a u
pyrocore (Gambar 2-Id) y a n g b i a s a n y a
dipakai u n t u k m e n y a l a k a n motor roket kecil berdiameter 2 , 7 5 inci s a m p a i 5 inci (seperti roket u n t u k p e r t a h a n a n a t a u artileri). Urutan p e n y a l a a n n y a sederhana, yaitu dari p e m a t i k api (impuls listrik) menyalakan squib, b a h a n inisiator d a n b a h a n penyala u t a m a (main charge) d a n langsung m e m b a k a r p e r m u k a a n propelan t a n p a a d a pengontrol energi p a n a s yang terpancar, k e d u a a d a l a h t i p e b a s k e t (Gambar 2 - l e ) , t i p e t a b u n g b e r l u b a n g /
perforated tube type( G a m b a r 2-If) y a n g
b a n y a k d i g u n a k a n u n t u k roket-roket cuaca, roket senjata (misil), a t a u u n t u k keper-luan m e l u n c u r k a n satelit d a n ketiga a d a l a h tipe pirogen/pyrogen type (Gambar 2-lg) y a n g b a n y a k p u l a diguna-k a n u n t u diguna-k meluncurdiguna-kan satelit atau mengatur gerak satelit. Ketiga tipe tersebut
mempunyai b e n t u k / s t r u k t u r yang berbeda dan disesuaikan dengan misinya masing-masing. Tetapi alur penyalaannya boleh d i k a t a k a n h a m p i r s a m a (Gambar 2-2), yaitu mulai dari p e n c e t u s nyala awal
(inisiator), y a n g terdiri dari squib d a n
c a m p u r a n b a h a n kimia primer, penyala t e n g a h / intermediate charge dan penyala u t a m a / main charge d a n a k a n menimbul-k a n s e m b u r a n nyala api y a n g c u menimbul-k u p b e s a r d a n k u a t (besar kalori/detik) u n t u k a k h i r n y a m e m b a k a r p e r m u k a a n propelan. Squib merupakan kawat filament y a n g t e r b u a t dari b a h a n t u n g s t e n , nikelin, t e m b a g a a t a u l ai nn y a sedangkan c a m p u r a n b a h a n kimia primer seperti
Mercuri fulminate 28 %, Kalium Perkhlorat
sebagai oksidator sebanyak 14 %, Stibium
Sulfida sebagai fuel sebanyak 21 %, Ground Glass sebagai aditif sebanyak 35 %
dan Shellac sebagai perekat sebanyak 2 %. C a m p u r a n b a h a n kimia u n t u k penyala t e n g a h / intermediate charge biasanya ter-b u a t dari ter-black powder y a n g m e r u p a k a n c a m p u r a n dari Kalium Nitrat 60-80 %, Belerang 10-25 % d a n Karbon 10-20 %. Bila p e n e r b a n g a n dalam tekanan luar yang r e n d a h biasanya ditambah dengan u n s u r / s e n y a w a logam. P a d a penyala u t a m a / main charge biasanya dipakai propelan dalam bentuk bubuk, selongsong a t a u pellet.
U m u m n y a , p e m a k a i a n igniter di-l a k u k a n d a di-l a m s a t u kadi-li p e n y a di-l a a n dengan c a m p u r a n b a h a n kimia d a n t a b u n g yang s e s u a i d a l a m misi pener-b a n g a n n y a .
Gambar 2-le: Jenis igniter basket (basket igniter)
Scuib. ^oiiet ^erforoted basket
Gambar 2-lf: Jenis igniter tabung berlubang {perforated igniter)
3 PERANCANGAN IGNITER
P e r a n c a n g a n igniter ini a k a n di-pakai u n t u k p r o p e l a n komposit HTPB
(Hidroxy Therminated Poly Butadiene)
berdiameter 40 m m , berkonfigurasi ganda
wagon wheel - cylinder d e n g a n panjang
batang wagon wheel = 9 0 0 mm d a n panjang b a t a n g silinder = 3 1 0 0 m m . 3.1 Kompilasi R u m u s
Ada b e b e r a p a r u m u s u m u m y a n g akan dipakai d a l a m p e r a n c a n g a n sistem penyala (igniter) p a d a motor roket p a d a t ini dalam p e r h i t u n g a n n a n t i n y a , adalah a. Berat isian igniter
(3-1)
3.2 Perhitungan
Karena sistem p e n y a l a igniter ini a k a n d i g u n a k a n u n t u k motor roket menengah besar, m a k a digunakan bentuk tabung igniter tipe pirogen y a n g terdiri dari t a b u n g inisiator y a n g berisi primary
charge, t a b u n g k e d u a di sebelah l u a r n y a
d e n g a n diameter lebih b e s a r lagi berisi
intermidate charge a t a u booster charge,
d a n t a b u n g ketiga (tabung u t a m a ) y a n g paling b e s a r d a n paling luar berdiameter-n y a berisi maiberdiameter-n charge s e r t a m e berdiameter-n y e r u p a i s e b u a h motor roket mini.
Dari d a t a propelan didapat:
• Komposisi propelan: Amonium Per-khlorat = 72 %, HTPB = 12 %, B u b u k Aluminium = 16 %. • Kecepatan p e m b a k a r a n p r o p e l a n / burning rate (r) = 8 m m / d e t i k p a d a 70 atmosfer d e n g a n n - 0 , 3 1 . • S u h u nyala propelan (T p) = 3650°K p a d a 70 atmosfer
• Berat J e n i s (Densitas propelan) (p) = 1,83 g/cm3.
• Massa molekul r a t a - r a t a gas hasil p e m b a k a r a n (M) = 30,4 g/gmol
• Fraksi partikel terkondensasi (o) = 0,37 (diperkirakan dari gas hasil pem-b a k a r a n d e n g a n p e m a k a i a n oksidator AP = 72 %)
• C p / C v = x= 1,1315
• T e k a n a n p e m b a k a r a n b a h a n isian tabung utama/paling luar (Pig) diasumsi-k a n 0,3 % dari t e diasumsi-k a n a n p e m b a diasumsi-k a r a n propelan dalam motor r o k e t n y a (Pc). U n t u k Pc = 70 atmosfer, m a k a t e k a n a n
igniter (Pig) a t a u t e k a n a n p e m b a k a r a n
stabil propelan = 21 atmosfer.
Total panjang b a t a n g propelan = 4000 mm dari p a n j a n g b a t a n g wagon
wheel = 9 0 0 mm d a n panjang b a t a n g
silinder = 3 1 0 0 m m . B a n y a k lengkungan
wagon wheel = 4
Jari-jari luar propelan = 189 mm Jari-jari luar m a n d r i l = 139 mm Jari-jari kelengkungan = 50 mm Jari-jari dalam propelan = 122 mm Jari-jari silinder = 72 mm
Jari-jari kerongkongan = 72 mm seperti
G a m b a r 3 - 1 : Penampang Propelan wagon u>hee/-silinder 4 2 0 / 4 0 0 0 m m 3 . 2 . 1 Perhitungan pada tabung utama
igniter
• Volume r u a n g kosong {Free volume) Volume r u a n g kosong diluar t a b u n g igniter a d a l a h volume r u a n g kosong r u a n g motor roket yang tidak berisi propelan (volume port). Untuk roket berdiameter 4 2 0 m m d e n g a n panjang b a t a n g propelan wagon wheel = 9 0 0 mm d a n silinder 3 1 0 0 m m adalah:
Volume r u a n g kosong wagon wheel d a n silinder = 40491,68 cm3 + 50486,67 cm3 =
9 0 9 7 8 , 3 5 c m3 = 9 0 , 9 8 d m3 = 9 0 , 9 8 liter.
• S u h u p e m b a k a r a n igniter (Tig)
Dengan diketahui Pig = 21 atmosfer, Tc = 3650° K p a d a Pc = 70 atmosfer d a n dengan m e m a k a i ramus 2-5 diperoleh h a r g a Tig = 3573,40 K.
• Berat isian t a b u n g luar igniter (berat
main charge)
Dengan m e n g g u n a k a n ramus 2-1 didapat harga Wig (berat isian igniter a t a u berat main charge) = 3 5 3 , 0 1 gram. Harga ini perlu d i t a m b a h 10 % lagi, jadi berat isian igrater sekarang = 388,31 gram.
• Volume b a h a n isian p a d a t a b u n g luar
" 3 "
lagi perhitungan dengan cara yang sama
seperti perhitungan pada tabung utama,
hanya dengan ukuran yang berbeda.
Hasil perhitungan luas nosel di ambil
sama dengan luas jumlah lubang yang
diameternya telah direncanakan
dia-meternya.
Tabung igniter ini akan dipasang
dibagian muka (cap) motor roket bukan
didekat nosel, maka perlu ditambah lagi
dengan pemegang (stick) dan ulir serta
penutup. Untuk menghasilkan semburan
nyala api yang optimal, maka perlu
dilakukan perhitungan lagi. Dari hasil
perhitungan, panjang pemegang/dudukan
tabung penyala utama dan dudukan
igniter menjadi 100 mm. Dengan demikian
panjang seluruh tabung igniter sama
dengan 402,6 mm seperti terlihat pada
Gambar 4-1 dan jarak ini adalah kira-kira
setengah panjang batang propelan wagon
wheel (900 mm). Dengan demikian
diharapkan nyala api sampai ke daerah
batang propelan silinder.
Pada Gambar 4-1 terlihat dudukan
igniter (1) yang terbuat dari bahan baja
ST 37 dengan diameter = 50 mm dan
panjang = 18 mm serta pegangan/stik
dudukan tabung panyala u t a m a (2)
dari bahan baja ST 37 dengan diameter =
40 mm dan panjang = 82 mm, sehingga
panjang keseluruhan = 1 0 0 mm. Tabung
penyala menengah (3) terbuat dari paduan
aluminium dengan diameter = 30 mm
dan panjang 200 mm. Dudukan tabung
penyala utama (4) terbuat dari paduan
aluminium dengan diameter = 52 mm
dan panjang 20 mm. Tabung penyala
utama (5) dengan diameter = 52 mm
dan panjang = 302,6 mm. Sedangkan
luas kerongkongan nosel pada tabung
penyala utama = 12,6 mm
2terbuat dari
paduan aluminium.
Perancangan ini khusus
dilaku-kan untuk motor roket 420/4000 mm
dengan menggunakan propelan
konfi-gurasi ganda wagon wheel - silinder dan
merupakan perancangan awal igniter
tipe pirogen/tipe nosel. Oleh karena itu
perlu diadakan lagi percobaan-percobaan
baik lewat simulasi dan uji statik, agar
nantinya didapat hasil yang optimal.
Gambar 4-1: Gambar rancangan tabung igniter untuk motor roket 420/4000 mm
5 PENUTUP DAFTAR RU JUKAN Dari hasil p c r a n c a n g a n
disimpul-kan b a h w a p e r a n c a n g a n ini m e r u p a k a n perancangan awal igniter u n t u k d a p a t digunakan m e m b a k a r propelan berkonfi-gurasi g a n d a wagon wheel - sUinder yang panjangnya = 4 0 0 0 mm dengan panjang wagon wheel • 9 0 0 mm d a n panjang silinder = 3 1 0 0 m m . Dengan letak tabung igniter p a d a j a r a k 4 0 2 , 6 mm di bagian m u k a t a b u n g motor roket, m a k a diharapkan s e m b u r a n api y a n g keluar dari igniter d a p a t m e m b a k a r s e l u r u h permukaan d a l a m propelan.
Daevenas, Alain, 1993. Solid Rocket
Propulsion Technology, Pergamon
Press, Edisi k e - 1 , New York, USA. — , 1980. Pyrotechnics, Nichiyu Giken
Kongyo Co.Ltd
Lo Fiego, Louis, 1968. Practical Aspects
of Igniter Design, Western States
Section, USA.
Sutton, George. P., 1980. Rocket
Propul-sion Elements, J o h n Willey a n d
Sons, New York, USA.
