PENELITIAN SPIN MENGGUNAKAN CUTING & MULTI NOZZLE …biofarmaka.ipb.ac.id/biofarmaka/2013/PIRS 2012...

9
0314: A.J. Fitroh HK-53 PENELITIAN SPIN MENGGUNAKAN CUTING & MULTI NOZZLE UNTUK MENINGKATKAN KESTABILAN TERBANG ROKET BALISTIK Ahmad Jamaludin Fitroh Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) Jln. Pemuda Persil No. 1, Jakarta Timur, 13220 Telepon (021) 4892802, HP 081809167557 e-Mail: ahmad [email protected] Disajikan 29-30 Nop 2012 ABSTRAK Salah satu manuver roket adalah spin. Manuver spin diperlukan untuk menambah kestabilan terbang roket. Manuver spin dapat diperoleh dengan beberapa cara, salah satunya adalah dengan menggunakan cuting nosel. Metode cuting nosel tersebut harus dikombinasikan dengan multi nosel agar dapat digunakan sebagai sumber spin. Tujuan penelitian ini adalah mendapatkan konfigurasi cuting nosel dan multi nosel tertentu untuk menghasilkan putaran spin tertentu. Penelitian tersebut akan diterapkan pada roket jenis RX-2020 D230. Metode yang digunakan adalah metode analitis dan metode CFD. Hasil penelitian ini antara lain bahwa nosel jamak-5 menghasilkan gaya dorong yang paling kecil, yaitu 21.665 N. Selain itu nosel jamak-5 juga mempunyai konstruksi yang paling ringan, yaitu 3,160 kg. Namun jika memperhitungkan besar gaya dorong dikurangi berat nosel, maka nosel jamak-7 adalah yang optimal yaitu sebesar 22.096 N. Gaya dorong nosel jamak-7 setelah pemotongan (cuting) 10 , 20 , dan 30 adalah berkisar 20,8 kN. Torsi yang dihasilkan oleh ketiga cuting nosel tersebut juga hampir sama, yaitu sekitar 15 Nm. Hasil perhitungan pada kondisi terbang menunjukkan bahwa pada saat burn out, torsi tersebut akan mengakibatkan RX-2020 D230 spin sebesar 30 rps. Kata Kunci: Spin, cuting nozzle, multi nozzle, CFD, RX-2020 D230 I. PENDAHULUAN Salah satu cara untuk menambah kestabilan terbang roket adalah dengan menambahkan gerak spin pada roket tersebut. Manuver spin dapat diperoleh dengan beberapa cara, salah satunya adalah dengan mengguna- kan cuting nozzle. Metode cuting nozzle tersebut harus dikombinasikan dengan multi nosel agar dapat digu- nakan sebagai sumber spin. Tujuan penelitian ini adalah untuk memperoleh kon- figurasi multi nosel dan cuting nosel yang optimal. Konfigurasi tersebut selanjutnya dihitung untuk mem- peroleh hubungan antara sudut pemotongan (cuting) nosel terhadap kecepatan putaran spin. Roket yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah RX 2020 D230. Roket tersebut mempunyai di- ameter luar sekitar 200 mm. Beberapa parameter yang akan digunakan dalam perhitungan antara lain: Berat total roket = 160 kg Waktu pembakaran (burn out) = 8,2 det Kecepatan terbang maksimum = 3,4 Mach Sudut elevasi terbang = 50 deg Laju aliran massa = 9,5 kg/det Massa Relatif (MR) molekul pembakaran = 25,7 Temperatur pembakaran = 3.183 K Gamma = 1,2 Kondisi lingkungan = permukaan laut (sea level) Untuk menjaga agar hubungan antara laju aliran massa dan tekanan pembakaran selalu sama, maka di- pilih luas throat adalah sama untuk multi nosel dengan jumlah nosel berapapun. II. METODOLOGI Alur pengerjaan yang digunakan adalah sebagai berikut: 1. Memilih konfigurasi multi nosel. 2. Menghitung pengurangan gaya dorong pada multi nosel Prosiding InSINas 2012

Transcript of PENELITIAN SPIN MENGGUNAKAN CUTING & MULTI NOZZLE …biofarmaka.ipb.ac.id/biofarmaka/2013/PIRS 2012...

0314: A.J. Fitroh HK-53

PENELITIAN SPIN MENGGUNAKAN CUTING & MULTI NOZZLEUNTUK MENINGKATKAN KESTABILAN TERBANG ROKET BALISTIK

Ahmad Jamaludin Fitroh

Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN)Jln. Pemuda Persil No. 1, Jakarta Timur, 13220

Telepon (021) 4892802, HP 081809167557

e-Mail: ahmad [email protected]

Disajikan 29-30 Nop 2012

ABSTRAK

Salah satu manuver roket adalah spin. Manuver spin diperlukan untuk menambah kestabilan terbang roket. Manuverspin dapat diperoleh dengan beberapa cara, salah satunya adalah dengan menggunakan cuting nosel. Metode cuting noseltersebut harus dikombinasikan dengan multi nosel agar dapat digunakan sebagai sumber spin. Tujuan penelitian ini adalahmendapatkan konfigurasi cuting nosel dan multi nosel tertentu untuk menghasilkan putaran spin tertentu. Penelitian tersebutakan diterapkan pada roket jenis RX-2020 D230. Metode yang digunakan adalah metode analitis dan metode CFD. Hasilpenelitian ini antara lain bahwa nosel jamak-5 menghasilkan gaya dorong yang paling kecil, yaitu 21.665 N. Selain itu noseljamak-5 juga mempunyai konstruksi yang paling ringan, yaitu 3,160 kg. Namun jika memperhitungkan besar gaya dorongdikurangi berat nosel, maka nosel jamak-7 adalah yang optimal yaitu sebesar 22.096 N. Gaya dorong nosel jamak-7 setelahpemotongan (cuting) 10◦, 20◦, dan 30◦ adalah berkisar 20,8 kN. Torsi yang dihasilkan oleh ketiga cuting nosel tersebut jugahampir sama, yaitu sekitar 15 Nm. Hasil perhitungan pada kondisi terbang menunjukkan bahwa pada saat burn out, torsitersebut akan mengakibatkan RX-2020 D230 spin sebesar 30 rps.

Kata Kunci: Spin, cuting nozzle, multi nozzle, CFD, RX-2020 D230

I. PENDAHULUANSalah satu cara untuk menambah kestabilan terbang

roket adalah dengan menambahkan gerak spin padaroket tersebut. Manuver spin dapat diperoleh denganbeberapa cara, salah satunya adalah dengan mengguna-kan cuting nozzle. Metode cuting nozzle tersebut harusdikombinasikan dengan multi nosel agar dapat digu-nakan sebagai sumber spin.

Tujuan penelitian ini adalah untuk memperoleh kon-figurasi multi nosel dan cuting nosel yang optimal.Konfigurasi tersebut selanjutnya dihitung untuk mem-peroleh hubungan antara sudut pemotongan (cuting)nosel terhadap kecepatan putaran spin.

Roket yang akan digunakan dalam penelitian iniadalah RX 2020 D230. Roket tersebut mempunyai di-ameter luar sekitar 200 mm. Beberapa parameter yangakan digunakan dalam perhitungan antara lain:

• Berat total roket = 160 kg

• Waktu pembakaran (burn out) = 8,2 det

• Kecepatan terbang maksimum = 3,4 Mach

• Sudut elevasi terbang = 50 deg

• Laju aliran massa = 9,5 kg/det

• Massa Relatif (MR) molekul pembakaran = 25,7

• Temperatur pembakaran = 3.183 K

• Gamma = 1,2

• Kondisi lingkungan = permukaan laut (sea level)

Untuk menjaga agar hubungan antara laju aliranmassa dan tekanan pembakaran selalu sama, maka di-pilih luas throat adalah sama untuk multi nosel denganjumlah nosel berapapun.

II. METODOLOGIAlur pengerjaan yang digunakan adalah sebagai

berikut:

1. Memilih konfigurasi multi nosel.

2. Menghitung pengurangan gaya dorong pada multinosel

Prosiding InSINas 2012

HK-54 0314: A.J. Fitroh

3. Mengestimasi pengurangan berat pada multi nosel

4. Menghitung optimasi gaya dorong dan penguran-gan berat nosel akibat penggunaan multi nosel.

5. Memilih konfigurasi cuting nosel, termasuk mem-variasikan sudut pemotongan nosel.

6. Menghitung gaya samping (side force) akibatpenggunaan cuting nosel.

7. Menghitung spin

Tahapan pengerjaan di atas diusahakan akan dilaku-kan secara berurutan.

III. HASIL DAN PEMBAHASANBerikut ini geometri multi nosel dari hasil desain

(satuan: cm):

GAMBAR 1: Sketsa dan Dimensi Multi Nosel

Hasil perhitungan menggunakan Metode Analitis di-sajikan dalam tabeltab01.

Gaya dorong terkecil dihasilkan oleh nosel jamak 5.Hal tersebut dikarenakan nosel jamak 5 memiliki luasexit yang paling kecil sehingga selisih antara tekanan diexit dengan tekanan atmosfer menjadi lebih besar.

Bentuk grid yang digunakan untuk simulasi CFD di-sajikan dalam GAMBAR 2 sampai dengan GAMBAR 5.

Hasil simulasi CFD berupa tekanan total dan lossesdisajikan dalam TABEL 2. Notasi p0 inlet dan p0 exit ma-sing - masing menyatakan tekanan total di inlet dan exitnosel.

TABEL 1: Hasil Perhitungan

GAMBAR 2: Grid nosel tunggal (58.572 elemen)

GAMBAR 3: Grid nosel jamak-4 (127.296 elemen)

TABEL 2: Tekanan Total dan Losses

Hasil simulasi dalam tabel di atas menunjukkanbahwa nosel tunggal maupun nosel jamak memberikantekanan pembakaran yang hampir sama, yaitu antara

Prosiding InSINas 2012

0314: A.J. Fitroh HK-55

GAMBAR 4: Grid nosel jamak-5 (151.308 elemen)

GAMBAR 5: Grid nosel jamak-7 (223.344 elemen)

52,48 hingga 52,71 bar. Hal tersebut tidak jauh berbedadengan hasil perhitungan secara analitis, yaitu sebesar53,1 bar.

Hasil simulasi berupa tekanan statik, temperaturstatik, kecepatan aliran, dan gaya dorong disajikandalam TABEL 3.

TABEL 3: Parameter Aliran dan Gaya Dorong

Hasil simulasi di atas menunjukkan bahwa noseltunggal menghasilkan kecepatan aliran di exit yang pa-ling besar, yaitu 2,865 Mach atau ekivalen dengan 2.345m/det. Hal tersebut dikarenakan nosel tunggal mem-punyai luas exit yang paling besar.

Selain dalam bentuk parameter aliran, hasil simulasidapat juga disajikan dalam bentuk kontur parameter

aliran. Berikut ini disajikan beberapa kontur aliran.

GAMBAR 6: Kontur Tekanan Statik Nosel Tunggal

GAMBAR 7: Kontur Temperatur Statik Nosel Tunggal

GAMBAR 8: Kontur Tekanan Total Dalam Nosel Tunggal

GAMBAR 9: Kontur Kecepatan Aliran (Mach) Dalam Nosel Tung-gal

Berdasarkan hasil - hasil pada paragraf sebelum-nya, maka dapat disampaikan bahwa terdapat bebe-rapa perbedaan antara hasil perhitungan dan hasil sim-ulasi CFD. Perbandingan hasil dari kedua metode terse-but disajikan dalam TABEL 4.

Salah satu tujuan penggunaan multi nosel adalahuntuk mengurangi berat nosel. Ukuran dan struk-tur multi nosel diperoleh dengan memperkecil (scaled

Prosiding InSINas 2012

HK-56 0314: A.J. Fitroh

GAMBAR 10: Kontur Tekanan di Permukaan Nosel Jamak-4

GAMBAR 11: Kontur Temperatur di Permukaan Nosel Jamak-4

GAMBAR 12: Kontur Tekanan Total Dalam Nosel Jamak-4

GAMBAR 13: Kontur Kecepatan (Mach) Dalam Nosel Jamak-4

GAMBAR 14: Kontur Tekanan di Permukaan Nosel Jamak-5

down) nosel tunggal. Selanjutnya dilakukan pemoton-gan pada inlet dan exit untuk mendapatkan diame-

GAMBAR 15: Kontur Temperatur di Permukaan Nosel Jamak-5

GAMBAR 16: Kontur Tekanan Total Dalam Nosel Jamak-5

GAMBAR 17: Kontur Kecepatan (Mach) Dalam Nosel Jamak-5

GAMBAR 18: Kontur Tekanan di Permukaan Nosel Jamak-7

GAMBAR 19: Kontur Temperatur di Permukaan Nosel Jamak-7

ter yang sesuai. Sketsanya disajikan dalam GAMBAR 22hingga GAMBAR 24.

Prosiding InSINas 2012

0314: A.J. Fitroh HK-57

GAMBAR 20: Kontur Tekanan Total Dalam Nosel Jamak-7

GAMBAR 21: Kontur Kecepatan (Mach) Dalam Nosel Jamak-7

TABEL 4: Perbandingan Hasil Perhitungan dan Hasil CFD

GAMBAR 22: Sketsa nosel untuk nosel jamak - 4 (satuan: cm)

GAMBAR 23: Sketsa nosel untuk nosel jamak - 5 (satuan: cm)

GAMBAR 24: Sketsa nosel untuk nosel jamak - 7 (satuan: cm)

Rangkuman berat multi nosel disajikan dalamTABEL 5.

TABEL 5: Rangkuman Berat Multi Nosel

Hasil dalam TABEL 5 menunjukkan bahwa nosel ja-mak - 5 mempunyai berat yang paling ringan, yaitu3,160 kg. Meskipun nosel jamak - 5 mempunyai beratyang paling ringan, namun perlu dianalisis bersamaandengan pengurangan gaya dorong untuk menentukannosel jamak berapa yang akhirnya akan digunakan.

Rangkuman perbandingan gaya dorong, berat, danresultan disajikan dalam TABEL 6.

TABEL 6: Perbandingan gaya dorong, berat, dan resultan

Sumber putaran (spin) dalam penelitian ini diper-oleh dari multi nosel. Hasil dalam Tabel 6 menunjukkanbahwa setiap nosel jamak mempunyai resultan yanghampir sama. Dalam penelitian ini dipilih nosel ja-mak yang mempunyai resultan yang paling besar, yaitunosel jamak - 7.

Prosiding InSINas 2012

HK-58 0314: A.J. Fitroh

Agar nosel jamak tersebut dapat berfungsi sebagaisumber spin, maka setiap noselnya akan dipotong padaexitnya kecuali nosel yang berada di tengah. Dalampenelitian ini pemotongan sudut pada cuting nosel di-pilih 10, 20, dan 30 derajat. Sketsanya disajikan dalamGAMBAR 25∼GAMBAR 27.

GAMBAR 25: Sketsa cuting nosel 100 (satuan: cm)

GAMBAR 26: Sketsa cuting nosel 200 (satuan: cm)

GAMBAR 27: Sketsa cuting nosel 300 (satuan: cm)

Sketsa tersebut kemudian disusun menjadi sebuahnosel jamak-7. Agar dapat disimulasi secara CFD, makanosel jamak tersebut kemudian diubah menjadi bentukmesh seperti pada GAMBAR 28∼GAMBAR 30.

Hasil simulasi berupa kontur tekanan dan kecepatan(Mach) disajikan dalam GAMBAR 31∼GAMBAR 36.

Hasil simulasi berupa parameter aliran disajikandalam TABEL 7∼TABEL 14.

Setelah besar torsi diperoleh, maka pengerjaan se-lanjutnya adalah menghitung spin. Asumsi yang digu-nakan dalam perhitungan spin antara lain:

GAMBAR 28: Bentuk mesh cuting nosel 100 tanpa far field

GAMBAR 29: Bentuk mesh cuting nosel 200 tanpa far field

GAMBAR 30: Bentuk mesh cuting nosel 300 tanpa far field

GAMBAR 31: Kontur tekanan statik pada cuting nosel 100

• Hubungan antara waktu dan kecepatan terbangadalah linier

Prosiding InSINas 2012

0314: A.J. Fitroh HK-59

GAMBAR 32: Kontur bilangan Mach pada cuting nosel 100 (tam-pak samping)

GAMBAR 33: Kontur tekanan statik pada cuting nosel 200

GAMBAR 34: Kontur bilangan Mach pada cuting nosel 200 (tam-pak samping)

GAMBAR 35: Kontur tekanan statik pada cuting nosel 300

GAMBAR 36: Kontur bilangan Mach pada cuting nosel 300 (tam-pak samping)

• Roket beserta isinya dianggap sebagai tabung pejal

• Pusat gaya sirip diasumsikan berada tepat padapertengahan bentang sirip

• Pada saat terbang spin, analisis gaya pada sirip

TABEL 7: Perbandingan tekanan total di exit

TABEL 8: Perbandingan tekanan statik di exit

TABEL 9: Perbandingan kecepatan di exit

TABEL 10: Perbandingan gaya dorong

TABEL 11: Perbandingan kecepatan aksial di exit

TABEL 12: Perbandingan sudut aliran keluar nosel

hanya ditekankan pada gaya tangensial

Bentuk sirip yang akan digunakan diasumsikansama dengan bentuk sirip yang sudah ada. Sketsanyadisajikan dalam GAMBAR 37.

Kecepatan putar spin dihitung menggunakanmetode analitis, yaitu menggunakan persamaan-

Prosiding InSINas 2012

HK-60 0314: A.J. Fitroh

GAMBAR 37: Sketsa sirip RX-2020 D230

TABEL 13: Perbandingan gaya samping

TABEL 14: Perbandingan torsi

persamaan aerodinamika dan inersia yang antara lainsebagai berikut:

• Massa roket sebagai fungsi dari waktu, m(t) =M − mt Notasi M , m, dan t masing - masing me-nyatakan massa awal atau total, laju aliran massapembakaran, dan waktu

• Inersia roket, I = 12mR

2 Notasi R menyatakan jari- jari tabung bagian luar

• Hubungan antara percepatan putar, inersia, dantorsi, Iα = Tnosel − Tsirip Notasi α, Tnosel dan Tsiripmasing - masing menyatakan percepatan sudut,torsi yang dihasilkan oleh multi - cuting nosel, dantorsi yang disebabkan oleh hambatan putar sirip

• Gaya hambatan putar sirip, Ft = 12ρV

2t S Notasi ρ,

Vt dan S masing - masing menyatakan kerapatanudara, kecepatan tangensial sirip, dan luas sirip

• Torsi hambatan sirip, Tsirip = Ft · rsirip Notasi rsiripmenyatakan jarak antara sumbu putar roket dantitik gaya hambatan putar pada sirip

• Kecepatan putar sirip, ω = α ·∆t

Perhitungan spin dilakukan saat roket pada kondisiterbang. Spesifiknya adalah mulai dari start burninghingga end burning. Hasil perhitungan spin disajikandalam TABEL 15 dan GAMBAR 38.

TABEL 15: Hasil Perhitungan Spin

GAMBAR 38: Hasil Perhitungan Spin

Hasil perhitungan di atas menunjukkan bahwa se-lama burning time, kecepatan putar spin roket terusmeningkat seiring berjalannya waktu. Pada saat burn-ing out, hasil perhitungan menunjukkan bahwa RX-2020 D230 akan terbang dengan spin 30,3 rps.

IV. KESIMPULANKesimpulannya antara lain adalah mengenai gaya

dorong multi nosel, berat multi nosel, pengurangangaya dorong terhadap berat multi nosel, gaya dorongcuting nosel, torsi cuting nosel, dan spin roket. Uraian-nya adalah sebagai berikut:

1. Gaya dorong yang dihasilkan oleh nosel tunggal,nosel jamak 4, 5, dan 7 masing-masing adalah22.351, 22.098, 21.665, dan 22.132 N. Dengan de-mikian gaya dorong terbesar tetap dihasilkan oleh

Prosiding InSINas 2012

0314: A.J. Fitroh HK-61

nosel tunggal sedangkan gaya dorong terkecil di-hasilkan oleh nosel jamak-5.

2. Berat nosel tunggal, nosel jamak 4, 5, dan 7 masing-masing adalah 16,855 kg, 4,676 kg, 3,160 kg, dan3,640 kg. Dengan demikian nosel jamak yang pa-ling ringan adalah nosel jamak-5.

3. Besar gaya dorong dikurangi berat pada noseltunggal, nosel jamak 4, 5, dan 7 masing-masingadalah 22.186, 22.052, 21.634, dan 22.096 N. Dengandemikian multi nosel yang paling efektif adalahnosel jamak-7.

4. Gaya dorong multi nosel sebelum pemotonganadalah 22.132 N. Gaya dorong setelah pemoton-gan 10◦, 20◦, dan 30◦masing-masing adalah 20.787,20.756, dan 20.869 N. Dengan demikian ketiga cut-ing nosel tersebut menghasilkan gaya dorong yanghampir sama.

5. Torsi yang dihasilkan oleh cuting nosel 10◦, 20◦,dan 30◦masing-masing adalah 15,11 Nm, 15,27Nm, dan 15,64 Nm. Meskipun tidak signifikan na-mun cuting nosel 30◦tetap menghasilkan torsi yangpaling besar. Dengan demikian dalam penelitianini dipilih konfigurasi multi nosel jamak-5 dengansudut pemotongan di exit sebesar 30◦.

6. Pada saat burning out, hasil perhitungan menun-jukkan bahwa RX-2020 D230 akan terbang denganspin 30,3 rps.

DAFTAR PUSTAKA[1] Kuo, K.K, (1984), Fundamentals of Solid Propel-

lant Combustion, Vol.90, Progress in Astronauticsand Aeronautics, Martin Sumerfield, SeriesEditorin-Chief.

[2] Anderson, J.D. JR., (1991). Fundamentals of Aero-dynamics, Second Edition, Mc. GrawHill, Inc.

[3] Anderson, J.D., (1995). Computational Fluid Dy-namics ; The Basic with Application, McGraw-Hill.

[4] Hirsch, C., (1990). Numerical Computation of In-ternal and External Flows, Vol. 2, John Wiley &Sons.

[5] Hoffmann, K.A., and Chiang, S.T., (1993). Com-putational Fluid Dynamics for Engineers, Vol. II,Engineering Education Systems, Wichita, Kansas,USA.

[6] Hoffmann, K.A., and Chiang, S.T., (1993). Compu-tational Fluid Dynamics for Engineers, Vol. I, Engi-neering Education Systems, Wichita, Kansas, USA.

[7] MacCormack, R.W., (1995). Numerical Computa-tion of Compressible Viscous Flow, AA214 CourseNotes, Department of Aeronautics and Astronau-tics, Stanford University, Stanford, CA.

[8] Saad, Michel A., (1985). Compressible Fluid Flow,Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey,USA.

[9] Thompson, J.F., Warsi, Z.U.A., and Mastine, W.C.,(1985). Numerical Grid Generation ; Foundationsand Applications, Elsevier Science Publishing Co.,Inc.

[10] Balabel, A., Hegab, A.M., Nasr, M., and SamyM. El-Behery, (2011), Assessment of TurbulenceModeling for Gas Flow in Two-DimensionalConvergent-Divergent Rocket Nozzle, AppliedMathematical Modelling 35, pp 3408-3422

[11] Saeri, (2009). Rancang Bangun Folded Fin RoketRX 2020, Laporan Akhir Program Insentif Riset Te-rapan, LAPAN

[12] Bagus H. Jihad, (2011). Rancang Bangun SistemRoket Model SeaCat (Booster dan Sustainer Ter-integrasi dengan Aplikasi Multi Nosel dan BlastTube), Laporan Akhir Program Insentif Riset Te-rapan, LAPAN

Prosiding InSINas 2012