Propelan Roket

PROPELAN ROKET (ROCKET PROPELLANT) - Sebelum kita memasuki dalam pembelajaran mengenai propelan, penting bagi kita untuk memahami terlebih dahulu tentang bahan bakar konvensional seperti bensin, solar, pertamax, serta bahan bakar khusus seperti avgas dan avtur yang digunakan pada pesawat terbang.

Namun, dalam konteks ini, fokus kita adalah pada propelan, yang merupakan bahan bakar khusus yang digunakan untuk roket. Mengapa bahan bakar seperti avtur, solar, atau bensin tidak disebut sebagai propelan? Apakah avtur dapat dianggap sebagai propelan secara tunggal, atau harus dicampur dengan oksigen terlebih dahulu untuk dianggap sebagai propelan?

Pemahaman tentang propelan umumnya diajarkan dalam bidang teknik kimia, atau dapat pula dipelajari dalam konteks kimia MIPA, serta dalam bidang teknik penerbangan, terutama pada teknik penerbangan luar angkasa. Meskipun kedua bidang ini mempelajari propelan, namun terdapat perbedaan signifikan di antara keduanya. Bidang teknik kimia lebih menekankan pada struktur kimia dan proses pembuatan propelan, sedangkan dalam teknik penerbangan, perhatian lebih terfokus pada aspek termokimia serta sifat pembakaran propelan ketika diterapkan pada roket.

Propelan termasuk dalam kategori bahan berenergi tinggi atau high energy materials. Oleh karena itu, buku-buku yang membahas propelan sering kali termasuk dalam kategori high energy materials. Meskipun banyak bahan lain yang memiliki energi tinggi, namun tidak semuanya termasuk dalam kategori propelan.

Sebelum kita mendalami lebih jauh tentang propelan, berikut beberapa referensi buku yang dapat menjadi panduan bagi Anda:

1. "Chemistry and Technology of Explosives" oleh Tadeusz Urbanski - Buku ini menyediakan landasan yang kuat dalam memahami kimia propelan dan bahan berenergi tinggi lainnya.
2. "Rocket Propulsion Elements" oleh George P. Sutton dan Oscar Biblarz - Buku ini merupakan sumber rujukan terkemuka dalam teknik propulsi roket, memberikan pemahaman mendalam tentang prinsip dasar dan aplikasi propelan dalam penerbangan luar angkasa.
3. "Introduction to Chemical Rocket Propulsion" oleh Henry Y. Hsu - Buku ini menyajikan pemahaman yang komprehensif tentang dasar-dasar propulsi roket dari sudut pandang teknik kimia, menjadi panduan yang sangat berguna bagi para pembelajar.

Dengan memahami konsep-konsep dasar ini dan menggunakan sumber-sumber referensi yang tepat, Anda akan lebih siap dalam mempelajari dunia yang menarik dari propelan dan propulsi roket.

• Propellants and Explosive, Kubota
• Energetic Materials, Ulrich Teipel
• High Energy materials, Jai Parkash Agrawal
• Energetic Polymers,How Gee Ang
• Energetic Materials,Veera Bodu
• Demystifying Explosives,S Venugopalan 

Propelan menurut KBBI adalah bahan yg dapat menggerakkan, umumnya meledak dengan daya yang tinggi. Itu adalah arti propelan secara umum,tetapi pada roket propelan didefinisikan sebagai bahan penggerak roket. Berbeda dengan terminologi bahan bakar dalam bahasa Inggris yang disebut fuel seperti bensin,solar,avtur,batu bara,dan lain-lain disebut fuel. Namun,kebanyakan orang sering menyebut propelan dengan istilah simplenya bahan bakar roket. Memang benar tetapi bukan hanya fuel saja. Suatu reaksi pembakaran akan terjadi apabila ada bahan bakar (fuel),oxidizer (pengoksidasi),dan ignitor (penyalaan/api). Tanpa ketiganya, pembakaran tidak dapat berlangsung. Gabungan antara fuel dan oxidizer itulah dalam peroketan disebut propelan. Mesin motor,mesin mobil,mesin pesawat terbang menggunakan fuel yang berbeda tetapi menggunakan oxidizer yang sama yaitu oksigen dari alam. Untuk roket baik fuel maupun oxidizernya berbeda-beda. Jadi,suatu bahan bisa disebut propelan jika terdiri dari fuel dan oxidizer. Bensin bukan propelan tetapi fuel,jika bensin sudah digabung dengan oksigen barulah disebut propelan. propelan pada roket berbasis kimia dibagi menjadi tiga yaitu propelan padat,cair,dan hybrid. Di bawah ini tabel jenis propelan berdasarkan jenis dan kegunaannya.

sumber : propellant and explosive :kubota

1. Propelan Padat

Sesuai namanya propelan padat adalah propelan yang berbentuk padat/solid. Propelan ini diaplikasikan pada peluru kendali balistik,missile pesawat tempur,Solid Rocket Booster (SRB),dan lain-lain. Kelebihan propelan jenis ini adalah lebih mudah untuk disimpan dan kekurangan propelan jenis ini adalah unthrotlelable atau besar kecilnya thrust yang dihasilkan tidak mampu diatur dan memiliki impuls spesifik lebih kecil daripada propelan cair. Jadi ketika roket yang menggunakan propelan padat dinyalakan,thrustnya tidak bisa diatur sesuai keinginan, prinsip penggunaannya adalah nyalakan dan pasrah. Propelan padat dibagi menjadi lima jenis yaitu Single Base,Double Base,Triple Base,Composite,dan Composite Modified Double Base (CMDB).

Propelan padat single base adalah propelan padat yang menggunakan satu material dengan satu senyawa kimia yang bertindak sebagai fuel dan juga oxidizer. Propelan single base menggunakan nitrocellulose C6H7.55O5(NO2)2.45 (NC) sebagai bahan bakar atau propelan dari roket tersebut. Propelan single base memiliki sifat explosive rendah dibandingkan double base yang diberi nitroglycerine. 

Propelan padat double base atau disebut propelan homogeneous adalah komposisi propelan yang terdiri dari oxidizer dan fuel secara kimiawi disatukan dan dibentuk menjadi struktur tunggal. Senyawa utama propelan ini salah satunya adalah nitroglycerin (NG) dan nitrocellulose (NC) yang mana nitrocellulose adalah senyawa yang digunakan pada komposisi single base propelan,tetapi lebih banyak digunakan pada amunisi senjata api. Nitrocellulose adalah senyawa nitrat cellulose dengan senyawa kimia C6H7.55O5(NO2)2.45 dan C6H7.0006N2.9994O10.9987 untuk 12.6% dan 14.14% kandungan nitrogen. 

Propelan padat triple base yaitu propelan padat dengan tiga komposisi senyawa yaitu nitroglycerin (NG),nitrocellulose (NC),dan nitroquanidine (NQ). Sifat propelan ini sama dengan double base. Letak perbedaannya adalah sifat explosive yang lebih tinggi karena ditambah senyawa nitroquanidine (NQ). 

Propelan padat komposit atau disebut propelan heterogeneous adalah komposisi propelan dengan fuel dan oxidizer yang dicampur tetapi tidak memiliki ikatan antara keduanya atau disebut non uniform structure. Karena tidak memiliki ikatan,maka bahan penyusun propelan ini diikat dengan binder yang biasanya memiliki struktur hidrokarbon polymer seperti HTPB. 

HTPB pada komposisi propelan padat komposit memiliki fungsi untuk :

Memproduksi energi ketika dibakar dengan oxidizer. 

Mengikat partikel oxidizer sebagai binder bersama dengan partikel lain untuk membentuk grain pada propelan. 

Tabel Nila Isp Berbagai Komposisi Propelan Padat 

Cara pembuatan propelan padat adalah melalui beberapa tahap yaitu mulai dari persiapan bahan,proses mixing,proses casting,proses curing,proses removing,proses quality control,proses assembly hingga proses uji statik dan uji terbang. Proses mixing ialah proses pencampuran bahan-bahan propelan kedalam mixer untuk menjadi adonan solidfy/adonan kental berupa slurry. Proses casting adalah proses pencetakan,disini propelan akan dicetak sesuai ukuran dan juga grain yang diinginkan. apa itu grain? Konfigurasi grain propelan padat adalah bentuk dari propelan yang akan digunakan sebagai pendorong motor roket. Konfigurasi ini menentukan sifat pembakaran propelan yang disajikan dalam bentuk grafik perbandingan antara thrust dan waktu. 

Konfigurasi Grain Propelan Padat 

Contoh Proses Casting Propelan Padat Yang Dicetak Menjadi Konfigurasi Grain Star

• Konfigurasi tubular adalah konfigurasi yang memiliki sifat progressive atau lebih maju dibandingkan konfigurasi yang lain atau bisa disebut juga konfigurasi roket aktif. Sifat dari konfigurasi ini adalah thrust yang semakin tinggi seiring bertambahnya waktu pembakaran dan akan menurun drastis ketika thrust mencapai maksimal. 
• Konfigurasi rod and tube adalah konfigurasi netral. Konfigurasi ini lebih cocok digunakan pada cruising missile yaitu thrust yang stabil dalam waktu yang lama selama pembakaran. 
• Konfigurasi double anchor atau jangkar ganda adalah konfigurasi yang bersifat regresif yaitu memiliki thrust yang naik signifikan dalam waktu yang cepat lalu turun perlahan seiring bertambahnya waktu pembakaran. 
• Konfigurasi star atau bintang adalah konfigurasi netral sama seperti rod and tube. Konfigurasi star adalah salah satu konfigurasi yang konvensional digunakan dalam peroketan 
• Konfigurasi multifin adalah konfigurasi dual thrust atau thrust ganda. Konfigurasi ini cocok digunakan pada cruising missile terutama yang digunakan pada roket air to air atau air to ground. 
• Konfigurasi dual composition adalah konfigurasi two step thrust yaitu thrus dua langkah. Konfigurasi yang memiliki kenaikan thrust sebanyak dua kali. 

1. Proses curing,adalah proses pematangan dimana propelan dikeringkan hingga mengeras.
2. Proses removing adalah proses pencabutan atau pelepasan propelan dari dalam cetakan.
3. Proses Quality control adalah proses inspeksi terhadap propelan yang sudah matang yaitu dengan diuji X-ray,dihitung viskositasnya,densitasnya,laju bakar,dan lain-lain.
4. Proses Assembly adalah proses perakitan,dimana propelan yang sudah lulus quality control akan dirakit dan dimasukkan kedalam motor roket.
5. Proses uji statik adalah proses pengujian roket secara diam atau tidak diterbangkan untuk mengukur Impuls spesifik dari propelan tersebut melalui analisis metode BATES.

Kriteria propelan padat yang baik adalah sebagai berikut :

• Performa tinggi atau impuls spesifik tinggi 
• Dapat diprediksi,dapat diproduksi, laju bakar dapat diatur. 
• Sifat fisik yang memadai seperti kekuatan ikatan pada propelan. 
• Density harus sangat tinggi. 
• Karakteristik pematangan propelan yang baik dan usia propelan yang cukup lama. 
• Daya serap kelembaban harus rendah. 
• Simple,dapat diproduksi,aman,biaya rendah,dapat di kontrol dan resiko bahaya pembuatan yang sangat rendah. 
• Ketersediaan bahan pembuatan yang cukup. 
• Resiko teknik yang sangat rendah. 
• Gas buang tidak beracun. 

2.Propelan Cair

Sesuai namanya propelan cair adalah propelan yang berbentuk cair. Propelan ini hampir sebagian besar diaplikasikan pada roket peluncur baik peluncur satelit maupun manusia ke luar angkasa karena memiliki daya dorong yang lebih besar daripada roket padat. Kelebihan propelan ini adalah besar kecilnya thrust yang dihasilkan bisa diatur seperti kita memainkan gas pada motor,tetapi kelemahan propelan ini adalah biaya pembuatannya yang cukup mahal dan resiko ledakannnya tinggi. Propelan cair dibagi menjadi 8 jenis yaitu Low Energy monopropellants,High Energy monopropellants,Low Energy Bipropellants,Medium Energy Bipropellants,High Energy Bipropellants,Very Energy Bipropellants,Super High Energy Bipropellants,dan Cryogenic Super High Energy Bipropellants.

Low Energy Monopropellants adalah propelan cair yang oxidizer dan fuelnya ada di dalam satu senyawa kimia. Propelan ini memiliki range impuls spesifik antara 160-190. Contoh propelan ini adalah : Hydrazine,Ethylene Oxide,Hydrogen peroksida. 

High Energy Monopropellant adalah propelan cair yang oxidizer dan fuelnya ada di dalam satu senyawa kimia yang memiliki energi tinggi. Propelan ini memiliki range impuls spesifik antara 190-230. contoh propelan ini adalah : Nitromethane. 

Low Energy Bipropellants adalah propelan cair yang oxidizer dan fuelnya ada di dalam dua senyawa kimia dan memiliki energi rendah. Propelan ini memiliki range impuls spesifik antara 200-230. Contoh propelan ini adalah : Perchloryl flouride-available fuel,analine-acid,JP4-acid,Hydrogen peroxyde-JP4. 

Medium Energy Bipropellants adalah propelan cair yang oxidizer dan fuelnya ada di dalam dua senyawa kimia yang memiliki energi sedang. Propelan ini memiliki range impuls spesifik antara 230-260. Contoh propelan ini adalah : Hydrazine Acid-Ammonia-Nitrogen Tetraoxyde. 

High Energy Bipropellants adalah propelan cair yang oxidizer dan fuelnya ada di dalam dua senyawa kimia yang memiliki energi tinggi. Propelan ini memiliki range impuls spesifik antara 260-270. contoh propelan ini adalah : LOX-JP4,LOX-Alcohol,Hydrazine-Chlorine trifluida. 

Very Energy Bipropellants adalah propelan cair yang oxidizer dan fuelnya ada di dalam dua senyawa kimia yang memiliki energi sangat tinggi. Propelan ini memiliki range impuls spesifik antara 270-330. Contoh propelan ini adalah : LOX-Hydrazine,LOX-JP4-Flourine,LOX-JP4-Ozone. 

Super High Energy Bipropellants adalah propelan cair yang oxidizer dan fuelnya ada di dalam dua senyawa kimia yang memiliki energi sangat tinggi. Propelan ini memiliki range impuls spesifik antara 300-385. Contoh propelan ini adalah : Flourine-Ammonia,Ozone-Hydrogen. 

Cryogenic Super High Energy Bipropellant adalah propelan cair yang oxidizer dan fuelnya ada di dalam dua senyawa kimia yang memiliki energi sangat tinggi dan propelan tersebut didinginkan hingga suhu minus dibawah 200 derajat celcius. Propelan ini memiliki range impuls spesifik antara 380-460. Contoh propelan ini adalah : LOX-LH2,Flourine-H2. 

Dalam aplikasinya,untuk dapat menghasilkan tenaga,propelan cair harus dibakar pada rocket engine/mesin roket. Perbedaan antara motor roket dengan mesin roket adalah,motor roket merupakan satu kesatuan dari roket tersebut.mulai dari badan roket,firing atau kepala roket,dan lain-lain,sedangkan mesin roket hanyalah engine untuk menggerakkan roket tersebut dan pada umumnya mesin roket hanya diaplikasikan pada roket cair. Brand mesin roket terkenal didunia antara lain Rocket Dyne (RD/RS),SSME,STME,F-1,Vulcain,Vinci,dan lain-lain.

BAGAIMANA CARA KITA MENGETAHUI PROPELAN YANG DIGUNAKAN ROKET KETIKA TERBANG?

Space Shuttle Atlantis Main Engine dan Boosternya

Ketika kita melihat roket yang sedang terbang,untuk mengetahui roket tersebut menggunakan bahan bakar padat atau cair kita bisa mengidentifikasi dengan dua cara yaitu melihat warna api dan asap yang dihasilkan. Api propelan padat pada umumnya berwarna kuning keputihan dan disertai banyak asap yang sangat pekat dan api pada propelan cair biasanya berwarna biru muda seperti api pada kompor gas dan tidak menghasilkan banyak asap.

APAKAH PROPELAN BERACUN?

Sebagian propelan memang ada yang beracun dan tidak. Kadar toxicity suatu propelan berbeda beda. Untuk propelan padat yang menggunakan alumunium sebagai fuel nya,pada umumnya tidak berbahaya bagi kesehatan manusia secara langsung,tetapi asap yang dihasilkan mengandung Hidrogen klorida yang mampu memicu terjadinya hujan asam yang dapat menyebabkan tanaman dan lingkungan menjadi rusak. Untuk itu ilmuwan roket di dunia sedang mengembangkan kombinasi propelan roket padat yang tidak beracun yaitu dengan menggunakan fuel Oxidizer ADN (Ammonium Dinitramida),HNF dan menggunakan Fuel Binder Poly (BAMMO) dan Poly (NIMMO). Sedangkan untuk propelan cair yang menggunakan ammoniak dan hydrazine sangatlah beracun jika terjadi kontak dengan manusia. Itu kenapa sekarang ilmuwan di dunia sedang mencari alternatif pengganti hydrazine dengan propelan LOX-LH2 yang lebih bersih dan aman.