Liquid Propellant Rocket Engine Fundamentals
Pendahuluan
Roket propelan cair umumnya disebut sebagai motor roket› Memiliki komponen
Satu buah atau lebih thrust chamber Satu buah atau lebih tangki propelan Feed mechanism
Sistem pendorong bahan bakar dari tangki ke thrust chamber
Pembangkit daya bagi feed mechanism Perpipaan Sistem kontrol
Pendahuluan
Pendahuluan
Pendahuluan
Terbagi dari 2 kategori› Boosting muatan› Auxiliary propulsion
Trajectory adjustment Attitude control
Ciri lain, memungkinkan› Reusable› Restartable
Pendahuluan
Thrust chamber› Ruang bakar› Propelan ditakar, disemprotkan, atomisasi,
dicampur dan dibakar menghasilkan gas pembakaran yang akan diekspansikan di dalam nosel
› Terdiri dari Injector Combustion chamber Nozzle
Pendahuluan
› Cooled thrust chamber Salah satu propelan (biasanya bahan bakar)
disirkulasikan melalui cooling jacket atau cooling passage untuk menyerap panas
› Radiation cooled thrust chamber Menggunakan material tahan temperatur
tinggi (niobium metal) yang dapat meradiasikan panas berlebih
› Uncooled/heat absorbing thrust chamber Menggunakan ablative material
Pendahuluan
Feed system› Menggunakan pompa› Menggunakan gas bertekanan tinggi
Propelan
Terdiri dari› Oxidizer (liquid oxygen, nitric acid, etc)› Fuel (gasoline, alcohol, liquid hydrogen,
etc)› Senyawa kimia atau campuran dari
oxidizer dan bahan bakar yang mampu terdekomposisi sendiri
› Salah satu dari tiga di atas, tapi dalam bentuk jelly
Propelan
Bipropellant› Memiliki dua propelan cair yang terpisah, oxydizer dan
fuel. › Disimpan terpisah dan tidak dicampur diluar ruang bakar. › Sebagian besar roket cair yang telah dibuat
menggunakan jenis ini Monopropellant
› Mengandung pengoksidasi dan bahan yang mudah terbakar dalam satu kesatuan material
› Dapat terdiri dari beberapa senyawa Hydrogen peroxide Hydrazine
› Stabil pada kondisi atmosfir normal dan akan terdekomposisi jika dipanaskan atau diberi katalis
Propelan
Cold gas propellant› Nitrogen› Disimpan dalam tekanan sangat tinggi› Low performance› Memungkinkan sistem yang sederhana dan
sangat handal› Digunakan pada roll control dan attitude control
Cryogenic propellant› Gas cair pada temperatur rendah
Liquid oxygen – 183C Liquid hydrogen -253C
Propelan
Storable propellant› Nitric acid, gasoline› Liquid dalam temperatur ambien› Dapat disimpan jangka waktu lama dalam tangki tertutup
Space storable propellant› Dalam bentuk cair pada kondisi ruang angkasa
Tergantung desain tangki, kondisi termal, tekanan tangki Amonia
Gelled propellant› Thixotropic liquid
Diberi aditif jelly› Berbentuk seperti jelly atau cat kental› Tidak mudah tumpah atau bocor› Lebih aman
propelan
Mixture ratio› Perbandingan massa oxidizer dan massa
fuel pada bipropellant
Propellant feed systems
Memiliki 2 fungsi› Menaikan tekanan propelan› Menyuplai propelan ke dalam thrust chamber
Energi dapat diperoleh dari› Gas tekanan tinggi› Pompa sentrifugal› Kombinasi keduanya
Secara umum harus› Desain sederhana› Mudah dibuat› Murah› Massa inert kecil
Propellant feed system
Propellant feed system
Komponen› Perpipaan› Valves› Alat pengisian dan pengeluaran› Alat kontrol untuk
Menyalakan, menghentikan, mengatur aliran propelan High pressure gas feed system
› lebih unggul dibandingkan turbopump dalam kondisi Low power, low pressure chamber, repeated short
duration› Kelemahan
Tangki berat, berdinding tebal Massa inert besar
Propellant feed system
Turbopump system› Tekanan tangki rendah
Tangki tipis Ringan
› Bagus pada high performance rocket Chamber pressure tinggi
Gas pressure feed system
Sistem sangat simple dan mudah dikontrol› Sangat handal
Terdiri dari› Tangki gas tekanan tinggi› Katup start› Pressure regulator› Tangki propelan› Katup propelan› Pipa
Gas pressure feed system
Aliran gas dari tangki dijaga tekanannya konstan› Mudah mengontrol laju massa
Pada monopropellant, sistem lebih sederhana› Hanya ada satu propelan› Mengurangi jumlah katup-katup dan perpipaan,
tangki Orbital maneuver system (OMS), Reaction
control system (RCS)› Sistem sangat kompleks
Gas pressure feed system
› OMS digunakan untuk Menghasilkan gaya dorong untuk masuk ke dalam orbit,
berpindah orbit, rendezvous, deorbit dan pembatalan› RCS digunakan untuk
Attitude control Velocity correction Maneuver Docking
Gas feed system menggunakan pressure regulator› Tekanan tangki propelan selalu terjaga konstan› Pengaturan aliran propelan lebih mudah› Thrust terjaga konstan
Gas pressure feed system
Gas pressure feed system
Blowdown system› Tekanan gas turun sesuai dengan
penggunaan› Massa gas yang dibutuhkan lebih kecil
Pemilihan antara regulated pressure dan blowdown tergantung› Misi yang ditempuh› Biaya› Massa inert› safety
Tangki propelan
Bipropelan› Tangki oxidizer dan fuel terpisah
Masing-masing bisa satu atau lebih Monopropelan
› Hanya memiliki satu tangki propelan Susunan tangki tergantung
› Kontrol terhadap perubahan pusat gravitasi
Tangki propelan
Massa propelan sangat penting› Karena harus terbang› Material
Aluminum Stainless steel Titanium Baja paduan Fiber reinforced plastics
Ditambahkan lapisan liner dari metal untuk menghindari kebocoran melalui pori-pori
Tangki propelan
Ullage› Extra volume gas di atas propelan di dalam tangki
propelan› Untuk kompensasi terhadap ekspansi akibat panas› Volume antara 3-10% volume tangki
Expulsion efficiency› Jumlah propelan yang dapat dikeluarkan dari tangki
dibagi oleh total massa propelan awal› Biasanya 97-99.7%› Yang tersisa terjebak di grooves, ujung pipa/fitting
Massa residu propelan tidak dapat digunakan sehingga harus dianggap sebagai massa inert
Tangki propelan
Bentuk tangki paling optimum adalah bola› Memiliki massa terkecil untuk volume yang
sama› Sering digunakan pada reaction control
engine system› Untuk ukuran yang makin besar, menjadi
tidak efektif dalam penggunaan ruang di dalam pesawat
Tangki propelan
Cryogenic propelan› Temperatur sangat rendah sehingga menyebabkan
kondensasi uap di tangki bagian luar Menimbulkan es
Meningkatkan massa inert Dapat menyebabkan kegagalan fungsi valve Pecahan es saat terbang dapat menimbulkan kerusakan
permukaan pesawat
› Penyimpanan jangka waktu lama membutuhkan isolator Namun tetap saja akan menyebabkan kondensasi
maupun pembekuan uap air Penyimpanan tidak bisa lama
Tangki propelan
› Pengisian cryogenic propelan Udara di dalam tangki harus dihilangkan dulu
Mengindari partikel udara padat atau pembekuan uap air Dapat menyebabkan penyumbatan injektor, katup
› Penyimpanan cryogenic propellant yang terlalu lama menyebabkan Propelan menguap makin lama makin banyak Tekanan tangki naik dan dapat rusak Selama penyimpanan harus ada mekanisme ventilasi
untuk membuat uap propelan› Untuk penyimpanan di ruang angkasa dibutuhkan
sistem pendingin khusus untuk menghindari evaporasi
Tangki propelan
Kategori tangki› Untuk pressurized feed system
Tekanan tangki antara 1.3- 9 Mpa Tangki berdinding tebal dan berat
› Untuk high pressure gas Tekanan tangki 6.9-69 Mpa Bentuknya bola
› Untuk yang menggunakan turbopump Tekanan tangki 0.07-0.34 Mpa Tangki berdinding tipis dan ringan
Tangki propelan
Sloshing› Golakan propelan cair di dalam tangki
karena goyangan dan osilasi› Jika tangki sebagian kosong, bagian outlet
tangki tidak terisi propelan Aliran propelan tidak lancar Pembakaran terganggu
› Sloshing juga menyebabkan posisi pusat gravitasi bergeser Sulit dikontrol manuvernya
Tangki propelan
Vortexing› Fenomena seperti aliran pada bak mandi
yang sedang dikosongkan dari saluran buang
› Aliran memusar› Gas dapat masuk ke saluran outlet tangki
Pembakaran terganggu Pemasangan baffles dapat mengurangi
sloshing dan vortexing
Tangki propelan
Pada lingkungan tanpa gravitasi, propelan cair akan mengambang sehingga sebagian tangkin tidak terisi› Saluran outlet bisa kosong dari propelan› Diatasi menggunakan
Positive expulsion devices Piston yang dapat bergerak Inflatable flexible bladder Thin moveable, flexible diagpharm
Surface tension devices
Tangki propelan
Tangki propelan
Piston expulsion devices› Memungkinkan lokasi CG terkontrol scr akurat› Penting utk misil
Kontrol manuver menjadi mudah› Menghindarkan sloshing dan vortexing
Surface tension devices› Menggunakan efek kapiler untuk mengalirkan
propelan keluar› Dibuat dari kain kawat yg sangat halus (300 mesh)› Ditempatkan di deakt outlet tangki› Baik untuk roket akselerasi rendah
pengkompresi tangki
Tangki diberi tekanan, untuk kedua jenis feed system› Gas pressure feed system tekanan tinggi› Turbopump tekanan rendah
Tekanan diperoleh menggunakan gas inert› Nitrogen, helium› Tidak boleh terkondensasi, atau larut
dalam propelan
Pengkompresi tangki
Chemical pressurization› Injeksi sejumlah kecil bahan bakar atau
senyawa kimia ke dalam tangki oksidator yang mampu menyala dengan oksidator
› Menghasilkan gas yang digunakan mengkompresi tangki
Pengkompresi tangki
Turbopump feed system
Propelan dikompresi dengan pompa yang digerakan oleh turbin
Turbin memperoleh energi dari expansi gas panas Roket dengan turbopump
› Booster› Sustainer stager› Long range missile
Lebih ringan dibandingkan tipe lain untuk high power rocket
Massa inert (diluar tangki) tidak terpengaruh lama dari penerbangan
Turbopump feed system
Engine cycles› Menyatakan jalur aliran gas panas
pembakaran propelan untuk menggerakan turbin
Open cycles› Gas pembakaran keluar dari turbin
mengalir keluar roket melalui nosel Closed cycles
› Gas pembakaran diekspansikan di dalam thrust chamber
Turbopump feed system
Gas generator cycle› Gas masuk ke turbin berasal dari penghasil gas yang
terpisah› Propelan dapat diambil dari tangki propelan khusus
atau diambil dari propelan roket› Simpel, tekanan cairan dalam pipa dan pompa rendah› Menghasilkan spesifik impuls yang lebih rendah
dibandingkan expander cycle› Gas dari turbin dibuang melalui nosel
Melindungi dinding nosel dari temperatur tinggi› Campuran umumnya kaya bahan bakar
Gas bertemperatur rendah Dapat menggunakan sudu tanpa pendingin
Turbopump feed system
Expander cycle› Engine coolant dialirkan ke turbin tekanan
rendah› 5-25% di-bypass tidak melewati turbin› Memiliki spesifik impuls yang baik› Engine simple dan low mass› Propelan dibakar di dalam thrust chamber
Turbopump feed system
Staged combustion cycle› Fuel sebagai pendingin mengalir ke
precombustor› Gas hasil pembakaran di dalam
precombustor digunakan menggerakan turbin
› Sisa pembakaran di precombustor masuk ke thrust chamber dan terbakar dengan sisa oksidator
› Sistem lebih kompleks, berat› Aliran besar dan ekspansi rendah
Roket untuk manuver, orbit adjuster dan attitude control
Valve dan pipa
Valve harus tangguh› Tahan getaran› Handal› Leakproof
jenis› Isolation valve› Latch valve› Burst diagpharm› Pressure regulator
Valves dan pipa
Pipa dan sambungan harus kuat dan tahan getaran
Sambungan harus tahan getaran