Analisis Thrust Roket Cair

Untuk mengetahui nilai thrust yang dihasilkan oleh kinerja roket cair,terdapat beberapa parameter yang diperlukan untuk menghitungnya antara lain nilai gamma propelan,mixture (O/F) ratio,expansion rasio atau rasio antara luas exhaust dengan luas throat, tekanan combustion chamber,suhu combustion chamber,nilai konstanta gas propelan,dan lain-lain. Hasil dari perhitungan ini akan dinyatakan dalam hasil kecepatan karakteristik,kecepatan efektif di exhaust,nilai Isp,dan thrust.

Berikut contoh analisis thrust pada SSME (mesin utama pesawat ulang alik)

1. KECEPATAN KARAKTERISTIK

Terdapat dua nilai gamma yaitu gamma kapital dan gama kecil,gamma kapital bernilai 0,6581 adalah hasil dari perhitungan rumus dibawah ini,atau lebih praktisnya kita bisa melihat kedalam tabel gamma yang telah dihitung sebelumnya.

Suhu combustion chamber di atas 7350 rankine adalah hasil konversi dari data yang ditulis 6890 farenheit.

2. LAJU ALIRAN MASSA

Untuk mencari laju aliran masa propelan,kita membutuhkan data yaitu tekanan di combustion chamber,luas area throat,nilai gravitasi,serta kecepatan karateristik. Tekanan combustion chamber,gravitasi dan kecepatan karakteristik yang tadi dinomor satu sudah ada dan sudah kita hitung,kita tinggal mencari luas throatnya.

Kita menghitung luas area nozzel atau Ae dengan menggunakan rumus luas lingkaran. Luas throat dapat dihitung menggunakan data expansion rasio yaitu rasio antara Ae/At yang bernilai 77,yaitu dengan cara membagi luas area nozzel dengan expansion rasio. Setelah mendapat nilai luasan throat,kita tinggal memasukkan data tersebut pada perhitungan laju aliran masa.

3. NILAI MACH NUMBER DI EXHAUST ( Me )

Pada tahap ini kita menggunakan metode iterasi sampai didapat nilai Me ruas kanan dan kiri sama. Untuk bentuk engine konvergen divergen seperti SSME,kecepatan keluar exhaust selalu lebih dari Mach 1,kita kembali ke materi persamaan continuitas dan hukum bernoulli.

Maka iterasi dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan

Pertama kita harus menebak satu nilai Me untuk memulai iterasi,dikasus ini kita bisa menebak dengan mach 4.tetapi jika kalian menebak dengan Mach 2 atau Mach 1,3 atau bahkan Mach 6 dan seterusnya akan menemukan nilai mach yang sebenarnya dengan waktu yang lama. Jika mach number yang kita tebak berada dibawah nilai mach sebenarnya maka iterasi akan berjalan naik,tetapi jika mach number yang kita tebak berada di atas mach number sebenarnya,maka iterasi akan bergerak turun,

Ketika kita memasukan nilai Me 4,0 di ruas kiri maka Me di ruas kana bernilai 4,9148 nilai tersebut masih berselisih jauh. Lalu kita masukkan nilai Me 4,9148 ke ruas kanan dan hasilnya Me ruas kiri 5,0657 sudah mendekat dan seterusnya hingga didapat nilai Me kanan dan kiri sama yaitu 5,0919, maka angka tersebut merupakan nilai Me yang sebenarnya. Untuk mempermudah perhitungan,kita bisa juga menggunakan Software Matchcad maupun Gastab agar iterasi berjalan cepat.

4. DESAIN KETINGGIAN NOZZLE (NOZZLE DESIGN ALTITUDE)

Desain ketinggian nozzle adalah ketika nilai Pe=Pa yaitu tekanan di exhaust sama dengan di ambient atau tekanan sekitar. Terlebih dahulu kita harus mencari nilai tekanan di exhaust dengan persamaan :

Kita input nilai Me = 5,0919 yang kita hitung tadi di point nomor 3,nilai gamma =1,25,dan Pc=3000 Psia. maka didapat nilai Pe = 2,187. Maka dengan membagi Pe/P sea level yaitu 2,187/14,7= 0.1488 didapat ketinggiannya dengan melihat tabel international standar atmosphere yaitu rasio pressure 0,1488 adalah rasio tekanan pada ketinggian 44.700 ft.

5. KETINGGIAN KETIKA ALIRAN NOZZLE TERBELAH ( Pa>3,5 Pwe )

Pwe = Pe pada perhitungan tekanan exhaust design ketinggian nozzle. maka dengan memasukkan rumus : Pa = 3,5 x Pwe adalah Pa = 3,5 x 2,187, Pa = 7.655 psia. dengan menggunakan perbandingan tekanan Pa/Psea level = 7,655/14,7 = 0.5209. Nilai 0,5209 adalah rasio tekanan pada ketinggian 17000 ft.

6.MENGHITUNG CFi IDEAL DAN THRUST BERBAGAI KETINGGIAN.

Proses ini adalah proses yang memakan banyak waktu dan angka karena setiap ketinggiannya harus dihitung nilai thrust dan Isp nya. Untuk menghitung thrust dan Isp terdapat tiga perhitungan yang harus dilakukan yaitu dalam keadaan ideal,optimum,dan vakum. Optimum terjadi jika Pe = Pa dan vakum saat Pa=0.

Untuk mencari CF ideal kita menggunakan persamaan di bawah

Untuk koefisien thrust optimum terjadi saat Pe = Pa menggunakan persamaan :

Untuk koefisien thrust di ruang vakum terjadi saat Pa= 0,menggunakan persamaan :

Untuk Nilai Pe sebelumnya telah dihitung pada persamaan di nomor 4 dan didapat Pe = 2,187. Maka untuk menghitung koofisien thrust pada ketiga keadaan tersebut kita tinggal mengganti nilai Pa pada setiap ketinggian yang ada pada tabel ISA.

Untuk menghitung Thrust setiap keadaan kita menggunakan persamaan :

Rumus di atas adalah untuk menghitung thrust ideal sehingga menggunakan CF ,jika ingin menghitung thrust vakum dan optimum kita tinggal ubah saja CF menjadi CF vakum atau CF optimum. untuk mencari nilai Isp setiap ketinggain,Isp optimum,dan Isp vakum kita menggunakan rumus :

Rumus di atas adalah untuk menghitung Isp vakum,untuk menghitung Isp ideal di berbagai ketinggian dan optimum kita tinggal mengganti saja Fi vakumnya dengan nila Fi ideal dan Fi optimum setiap ketinggian. Hasil tersebut dapat dibuat grafik dan tabel antara CF atau Fi dengan altitude sehingga membentuk kurva linier.

Dan tabel dibawah imi adalah tabel hasil perhitungan berbagai ketinggian

7. MENGHITUNG KECEPATAN EXHAUST DAN KECEPATAN EFEKTIF EXHAUST

Utuk menghitung Ve (Kecepatan exhaust) dan C (Kecepatan efektif exhaust) kita menggunakan rumus :

untuk menghitung C :

rumus di atas adalah menghitung C saat berada di sea level sehingga nilai CFi yang dimasukkan adalah CFi sea level.jika ingin menghitung C saat optimum masukkan saja CFi optimum dan seterusnya.

untuk menghitung Ve (Kecepatan exhaust) menggunakan rumus :

nilai C adalah nilai yang kita telah hitung sebelumnya ,dan jika kita masukkan ke perhitungan maka hasilnya,

BAGAIMANA MENGANALISIS PERFORMA ROKET CAIR DENGAN BANTUAN KOMPUTER?

1. SOFTWARE ROCKET PROPULSION ANALYSIS (RPA)

Untuk menghitung rumus tersebut,kita juga bisa menghitungnya secara otomatis dengan menggunakan sebuah software yaitu software RPA (Rocket propulsion Analysis) terdapat dua versi yaitu versi standar dan lite edition dan yang gratis hanyalah yg lite edition. software tersebut menyajikan data grafik dan perhitungan performa roket berbagai ketinggian.

software ini dibuat dan dikembangkan tahun 2009-2013 oleh Alexander Ponomarenko yang digunakan untuk mempermudah perhitungan Thrust roket cair pada berbagai ketinggian hanya dengan memasukkan data ekspansion ratio,Pc,propelan yang digunakan,serta ketinggian dengan bahasa C++.

Untuk mendownload Software ini silahkan kunjungi laman ini : DOWNLOAD SOFTWARE RPA .

2. SOFTWARE CHEMICAL EQUILIBRIUM ANALYSIS

Software ini adalah software yang hampir sama seperti RPA,jika RPA lebih mengarah ke gaya perhitungan Rusia maka software CEA menggunakan gaya perhitungan dan simbol-simbol amerika. Software CEA ini diterbitkan oleh NASA. Software ini dapat didownload karena sifatnya yang opensource yang sengaja dibagikan secara cuma-cuma oleh NASA.

Software ini dikembangkan oleh NASA tahun 1994 lebih lama dari RPA. software ini berformat DOS tetapi kita bisa mengaplikasikannya pada windows dengan mengikuti langkah-langkah penginstalan yang diberikan oleh NASA. Berikut adalah link untuk mendownload Software ini SOFTWARE CEA NASA

Nb : klik link yang berproxy http jangan yg ftp

KESIMPULAN

Dari perhitungan di atas,kita dapat menarik sebuah kesimpulan bahwa semakin tinggi suatu tempat/elevasi,maka thrust yang dihasilkan roket cair semakin besar karena hambatan/drag yang disebabkan oleh tekanan udara semakin kecil dengan bertambahnya ketinggian,berbeda dengan mesin jet yang semakin tinggi semakin menurun karena adanya pengurangan kerapatan udara. Dari pengukuran itu juga kita bisa memodelkan suatu rancangan roket yang ingin membawa misi tertentu ke luar angkasa dengan melihat Thrust yang tersedia atau T available.

dengan melihat angka-angka diatas,jika kita ingin menerbangkan saudara-saudara kita di kampung untuk ke bulan dengan pesawat ulang alik,maka kita bisa mengetahui orang berapa yang bisa ikut dengan melihat ketinggian kampung kita daris sea level.misalnya adalah 5000 ft dari permukaan laut ,maka thrust pada saat roket akan meluncur adalah sebesar 409560 Lbf = 1821813.6447437 Newton dan dibagi dengan gravitasi 9,8 m/s2 maka massa anggota keluarga yang dapat dibawa adalah 1821813.6447437/9,8 = 185899,3514 Kg. Jika setiap anggota kelauarga beratnya diambil rata-rata adalah 70 Kg. maka jumlah orang yang boleh ikut ke luar angkasa adalah 185899,3514/70=2655 orang. berarti bukan hanya saudara sekampung,tetapi warga dua kampung pun bisa dipindahkan ke luar angkasa dengan pesawat ulang alik.

SO GIMANA? ADA YANG TERTARIK TRANSMIGRASI BEDOL DESA KE LUAR ANGKASA?