Mesin Roket dan Propulsi

1. MESIN ROKET DAN
PROPULSI
Bantu Hotsan Simanullang
TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRY
INSTITUT TEKNOLOGI BUDI UTOMO JAKARTA

2. What had I expected of the first child? Everything. Rocket
scientist. Neurosurgeon. Designated hitter. We talked wisely
at cocktail parties about the sad mistake our mothers had
made in pinning all their hopes and dreams on us. We were
full of it.
- A N N A Q U I N D L E N

3. Apa itu Roket?
▪ Wahana luar angkasa, peluru kendali, atau kendaraan terbang yang
mendapatkan dorongan melalui reaksi roket terhadap keluarnya secara
cepat bahan fluida dari keluaran mesin roket.
▪ Aksi dari keluaran dalam ruang bakar dan nozle pengembang, mampu
membuat gas mengalir dengan kecepatan hipersonik sehingga
menimbulkan dorongan reaktif yang besar untuk roket (sebanding
dengan reaksi balasan sesuai dengan Hukum Pergerakan Newton ke 3,
Aksi = Reaksi. [1]

4. Mesin Roket
Mesin roket, atau disebut dengan hanya roket adalah sebuah mesin jet
yang menggunakan massa propelan yang hanya disimpan untuk
membentuk kecepatan tinggi pada jet pendorong nya. Mesin roket
adalah mesin reaksi dan memperoleh daya dorong sesuai dengan
hukum ketiga Newton. [2]
Info-pesawat.blogspot.com

5. Penggunaan Roket
1. Untuk penjelajahan angkasa luar yang tidak terdapat udara maka
roket tersebut harus membawa sendiri bahan bakar dan oksigen
untuk menghasilkan daya dorong yang diperlukan. [1]
2. Untuk keperluan militer sebagai pendorong peluru tanpa alat
pendorong atau dengan kendali yang desebut dengan peluru kendali,
rudal (misil). Sedangkan peluru tanpa pengendali disebut dengan
roket. [3]
Rickyoedia;makasar.sindonews.com

6. Cara Kerja Roket
Prinsip kerja roket mirip dengan prinsip terdorongnya balon mainan.
Sebuah roket mengandung tangki yang berisi bahan hidrogen cair dan
oksigen cair. Kedua bahan bakar ini dicampur dalam ruang pembakaran
sehinga terjadi pembakaran yang menghasilkan gas panas yang akan
menyembur keluar melalui mulut pipa yang terletak pada ekor roket.
Terjadi perubahan momentum gas dari nol (0) menjadi mv selama selang
waktu tertentu (∆t). Ini menghasilkan gaya yang dikerjakan roket pada gas
(sesuai dengan persamaan F=∆p/∆t, gaya yang bekerja pada suatu
benda sama dengan perubahan momentum benda per satuan waktu )
dengan arah ke bawah.

7. Cara Kerja Roket
Sesuai hukum III Newton, timbul reaksi gaya yang dikerjakan gas pada
roket, yang besarnya sama tetapi arahnya berlawanan yaitu ke atas. Jadi,
gas akan mengerjakan gaya ke atas pada roket sehingga roket akan
terdorong ke atas. [2]
Roket melepaskan massa dengan kecepatan yang sangat tinggi. Massa
ini disebut dengan istilah, propelan atau juga sebagai bahan bakar. [4]

8. Komponen
Utama Roket [5]
➢ Rangka atau badan roket (rocket frame) terbuat dari
bahan yang ringan dan kuat seperti titanium dan
aluminium karena rangka berfungsi sebagai pelindung .
Badan roket ini juga dilapisi dengan lapisan kusus untuk
melindungi nya dari panas yang berlebihan saat
menembus atmosfir bumi dan juga untuk melindungi dari
dingin yang berlebihan. Sirip di pasang pada bagian bawah
roket untuk menjaga stabilitas selama peluncuran.
➢Sistem beban merupakan tempat untuk membawa
wahana. Jadi sistem ini tergantung pada misi yang di
emban roket. Jika untuk mengorbitkan satelit, maka
rancangannya pun harus disesuaikan. Gambar di atas
merupakan sistem beban V2 Jerman yang berisi bahan
peledak.
Sumber: NASA

9. Komponen Utama Roket
[5]
➢ Sistem pemandu (guidance system) merupakan alat yang akan
menuntun roket ke orbit yang di tuju. Sistem pemandu roket ini
dilengkapi dengan sensor, komputer, radar, dan alat komunikasi.
➢Sistem propulsi (propultion system) adalah mesin yang
digunakan sebagai tenaga pendorong rodet. Sistem propulsi roket
secara garis besar menggunakan roket berbahan bakar padat dan
roket berbahan bakar cair. sistem propulsi roket V2 terdiri dari tangki
oksidasi, pompa, bilik pembakaran dan nozel.

10. Bagian dan
Fungsi Roket [5]
Hidung (Nose) → bagian paling depan yang
biasanya diisi hulu ledak muatan ilmiah atau
peralatan indera/kendali Tabung silindris (cylinder)
Badan utama roket yang biasanya diisi bahan bakar
dan peralatan bakarnya.
Ekor (tail) → Bagian paling belakang berisi saluran
sumber pembakaran (nozzle) mekanisme
pengendalian.
Sirip (fin/stabilizer) → alat kendali aerodinamik
yang berfungsi sebagai pemberi kemudi maupun
kestabilan.
Sumber: NASA

11. Sistem Propulsi Roket
Sistem propulsi roket dapat diklasifikasikan menurut jenis sumber
energi: kimia, nuklir, atau surya.
Energi dari reaksi pembakaran bertekanan tinggi dari bahan kimia
propelan, biasanya bahan bakar dan bahan kimia pengoksidasi,
memungkinkan pemanasan gas produk reaksi ke suhu yang sangat
tinggi (2500 hingga 4100 °C atau 4500 hingga 7400 °F).
Gas-gas ini kemudian diperluas dalam nosel dan dipercepat ke
kecepatan tinggi (1800 hingga 4300 m / detik atau 5900 hingga 14.100
kaki / detik).

12. Diagram alir skematis mesin roket
propelan cair dengan gas sistem
umpan tekanan. [6]

13. Diagram skema yang disederhanakan dari
satu jenis mesin roket propelan cair dengan
sistem umpan turbopump dan generator gas
terpisah, yang menghasilkan gas hangat
untuk menggerakkan turbin.[6]

14. Gaya Pendorong Roket
Total Impuls adalah gaya dorong yang terintegrasi selama waktu
pembakaran (t) [6].
(1)
Impuls menyebabkan adanya perubahan momentum. Perubahan
momentum yang diperoleh dari suatu impuls sama dengan besar impuls
dan arah impuls. [7]

15. Gaya Pendorong Roket
Untuk dorongan konstan dan transien start dan stop yang dapat
diabaikan, ini berkurang menjadi:
◦ (2)
It sebanding dengan total energi yang dilepaskan oleh semua propelan
dalam sistem propulsi.
Impuls spesifik (Is) adalah impuls total per satuan berat propelan. ika
laju aliran massa total propelan adalah m dan standar percepatan
gravitasi g adalah 9,8066 m/ detik2, maka:

16. Gaya Pendorong Roket
◦ (3)
◦
Persamaan di atas akan memberikan nilai impuls spesifik rata-rata waktu
untuk sistem propulsi roket apa pun, terutama di mana gaya dorong
bervariasi terdapat waktu.
Selama kondisi transien (selama awal atau periode pembentukan daya
dorong, periode penghentian, atau selama perubahan aliran atau tingkat
daya dorong) nilai Is dapat diperoleh dengan integrasi atau dengan
menentukan nilai rata-rata untuk F dan m untuk interval waktu yang singkat.
Untuk gaya dorong konstan dan aliran propelan persamaan ini dapat
disederhanakan. Dimana mp dalah massa propelan efektif total.

17. Gaya Pendorong Roket
◦ (4)
Untuk aliran massa propelan konstan m, dorong konstan F, dan transien
start atau stop yang dapat diabaikan:
◦ (5)
Perkalian mp, go adalah berat propelan efektif total w dan laju alir berat
adalah ẃ.

18. Gaya Pendorong Roket
Dalam nosel roket, kecepatan buang yang sebenarnya tidak seragam di
seluruh penampang keluar dan tidak mewakili seluruh besaran daya
dorong. Profil kecepatan sulit untuk diukur secara akurat.
Untuk kenyamanan, diasumsikan kecepatan aksial seragam C yang
memungkinkan deskripsi masalah satu dimensi. Kecepatan buang
efektif C ini adalah kecepatan ekuivalen rata-rata saat propelan
dikeluarkan dari kendaraan.
◦ (6)

19. Gaya Pendorong Roket
Rasio massa MR kendaraan atau tahap kendaraan tertentu didefinisikan
sebagai massa akhir mf (setelah operasi roket menghabiskan semua
propelan yang dapat digunakan) dibagi dengan m0 (sebelum roket
beropererasi.
◦ (7)
Fraksi massa propelan ζ menunjukkan fraksi massa propelan mp dalam
massa awal m0. Ini dapat diterapkan pada kendaraan, panggung
kendaraan atau pada sistem propulsi roket.

20. Gaya Pendorong Roket
(8,9,10)
Rasio impuls-berat dari sistem propulsi lengkap didefinisikan sebagai
impuls total yang dibagi dengan bobot kendaraan awal atau beban
propelan wo. Nilai yang tinggi menunjukkan desain yang efisien.
◦ (11)

21. Gaya Pendorong Roket
Rasio dorong terhadap berat F/wo menyatakan percepatan (dalam
kelipatan percepatan gravitasi permukaan bumi) yang mampu diberikan
mesin ke massa sistem propulsi bebannya sendiri.
Untuk gaya dorong konstan, nilai maksimum rasio daya dorong terhadap
berat, atau percepatan maksimum, terjadi tepat sebelum penghentian
atau burnout karena massa kendaraan telah berkurang oleh massa
propelan yang berguna.

22. Contoh:
Proyektil roket memiliki karakteristik sebagai berikut:
- Massa awal, 200 kg
- Massa setelah operasi roket, 130 kg
- Muatan, struktur non pendorong, 110 kg
- Durasi pengoperasian roket, 3,0 detik
- Impuls spesifik rata-rata propelan, 240 detik
Tentukan rasio massa kendaraan, fraksi massa propelan, laju alir
propelan, daya dorong, rasio dorong terhadap berat, percepatan
kendaraan, kecepatan buang efektif, impuls total, dan rasio impuls
terhadap berat.

23. Solusi:
Rasio massa kendaraan:
- MR = mf / mo = 130/200 = 0.65,
massa rasio sistem roket MR = mf / mo = (130- 110) / (200- 110) =
0,222.
Dapat dilihat bahwa massa kosong dan massa awal dari sistem propulsi
masing-masing adalah 20 dan 90 kg.
Fraksi massa propelan (ζ) dari persamaan 9 adalah:
ζ =
(𝒎 𝟎−𝒎 𝒇)
𝒎 𝟎
= =
(𝟗𝟎−𝟐𝟎)
𝟗𝟎
= 0,778

24. Solusi:
- Massa propelan adalah 200 - 130 = 70 kg. Laju aliran massa propelan
adalah m = 70/3 = 23,3 kg /detik.
- Thrust (dorongan) = F = Is.w
= 240 x 23.3 x 9.81 = 54,857 N
- Rasio daya dorong terhadap berat kendaraan adalah:
Nilai awal F / wo = 54.857 / (200 x 9,81) = 28
Nilai akhir 54.857 / (130 x 9,81) = 43
- Sehingga percepatan maksimum kendaraan adalah 43 x 9,81 = 421 m
/ detik2.

25. Solusi:
- Kecepatan buang efektif adalah:
C = Is
. go = 240 x 9,81 = 2354 m/detik
- Total impuls adalah:
It = Is.w = 240 x 70 x 9,81 = 164.808 N-detik
- Rasio impuls terhadap berat dari sistem propulsi:
It /w = 164.808 / [(200- 110) 9,81] = 187

26. Referensi:
1. https://id.wikipedia.org/wiki/Roket
2. https://id.wikipedia.org/wiki/Mesin_roket
3. https://id.wikipedia.org/wiki/Peluru_kendali
4. https://bumidatar.id/mesin-roket
5. https://id.wikipedia.org/wiki/RoketKomponenutamaroket
6. George P. Sutton, Ocar Bublarz.(2001). Rocket Propulsion Elements. JOHN WILEY & SONS, INC.
7. https://www.kompas.com/skola/read/2020/10/16/205042369/pengertian-impuls-dalam-
fisika?page=all
8. Rockets: An Educator’s Guide with Activities in Science, Mathematics, and Technology. NASA