Mesin roket

Mesin raptor, adalah sebuah mesin jet^[1] 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. Karena mereka tidak perlu bahan eksternal untuk membentuk jet mereka, mesin roket dapat digunakan untuk propulsi wahana antariksa atau kendaraan peluncur luar angkasa serta penggunaan terestrial, seperti rudal. Kebanyakan mesin roket adalah mesin pembakaran internal, meskipun bentuk non-pembakaran juga ada.

Mesin roket sebagai sebuah kelompok memiliki knalpot kecepatan tertinggi, yang jauh yang paling ringan, tetapi propelan paling efisien (memiliki impuls spesifik terendah) dari semua jenis mesin jet.

Deskripsi

Diagram showing the velocity ratio (blue line) and the energy efficiency (green curve) as function of the mass ratio, in logarithmic scale, and highlighting the peak efficiency point

Propulsive efficiency of jet and rocket engine at different speeds relative to the exhaust velocity

Roket pada dasarnya adalah mesin untuk alat transportasi seperti mesin jet, diesel, dan lain-lain. Tapi, berbeda dengan mesin transportasi lain, roket bersifat 'anaerob'. Untuk melakukan pembakaran bahan bakar ia membawa oksigen sendiri, sehingga praktis tak membutuhkan oksigen dari luar. Karenanya, roket dapat digunakan sebagai mesin transportasi ke ruang angkasa yang tak beroksigen.

Roket memiliki daya angkut yang luar biasa. Ariane 5, misalnya, dapat menerbangkan 68 orang yang masing-masingnya berbobot 100 kg ke orbit geostasioner. Kecepatan roket juga luar biasa, bisa melewati kecepatan suara, kendati ketika meninggalkan landasan kecepatannya kelihatan rendah. Bila pada detik pertama kecepatannya hanya 12 meter per detik misalnya, maka pada tahap berikutnya roket dapat melaju dengan kecepatan kelipatannya: 24 m/detik, 48 meter per detik, dan begitu seterusnya.

Pada umumnya, roket terdiri dari tiga bagian. Bagian pembawa muatan, pengendali, dan bagian mesin. Bagian pembawa muatan berfungsi untuk mengangkut barang—satelit, objek lainnya, hingga bahan peledak. Bagian pengendali merupakan bagian di mana terdapat peranti untuk mengendalikan roket. Dan, bagian mesin, merupakan bagian di mana terdapat mesin serta bahan bakar roket. Sebagai catatan, mesin roket ini terbagi dalam dua kelompok, tergantung dari jenis bahan bakarnya: cair dan padat.

Menurut catatan, roket telah digunakan sejak lama, mulai sekitar tahun 1232, di Cina. Akan tetapi ketika itu mesin roket masih sangat sederhana—berbentuk seperti peluru dan berbahan bakar padat (tak berbeda dengan mercon roket). Mesin roket yang lebih komplek baru diketemukan berabad-abad setelahnya, tahun 1926, oleh periset AS, Robert H. Goddart. Sejak ini, penelitian mengenai roket—cair maupun padat—kian marak. Sebagian ditujukan untuk mesin perang, sebagian lagi untuk alat angkut ke angkasa luar. Roket yang paling terkenal pada saat ini, misalnya, Long March (Cina), Delta, Atlas dan Titan (AS), Ariane (Eropa), dan Proton (Rusia).

Indonesia juga telah melangkah ke dunia peroketan. Kita pernah punya roket RX (Rocket Experiment) 150/150, sebuah roket berbahan bakar padat dan terdiri dari dua tingkat. Selain itu, sebanyak 50 buah Roket R-Han 122 produksi Indonesia, berhasil diujicobakan dengan ditembakkan ke sasaran di udara di Pusat Latihan Tempur TNI AD Baturaja, Kabupaten Ogan Komering Ulu (OKU), Sumatera Selatan.

Terminologi

Roket Kimia ialah roket yang ditenagai oleh reaksi kimia eksotermis dari propelan.

Roket Motor atau Motor Roket Propelan padat ialah istilah yang merujuk pada mesin roket padat.

Roket Bahan Bakar Cair atau Mesin roket cair-propelan digunakan dengan menggunakan satu atau lebih propelan cair dicampurkan di dalam tangki sebelum terbakar.

Roket Campuran memiliki propelan padat di dalam ruang bakar dan cairan atau gas pengoksidasi atau propelan ditambahkan guna pembakaran.

Roket Thermal adalah roket propelan yang mana lembam, tetapi dipanaskan oleh sumber daya seperti tenaga surya atau energi nuklir.

Roket Monopropelan adalah yang hanya menggunakan 1 propellan, didekomposisi oleh katalis. monopropelan paling umum hidrazin dan hidrogen peroksida.

Prinsip 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. 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.

Mesin roket dapat dihidupkan ulang restartable dan daya dorongnya dapat di-throttle

Sebagian besar, tetapi tidak semua mesin tahap atas dapat dihidupkan ulang restartable. Sebagian besar mesin tahap pertama dan penopang tidak dapat dihidupkan ulang. Mesin RS-25 pesawat ulang-alik dapat digunakan kembali tetapi hanya dapat dinyalakan di darat, tidak dapat dihidupkan ulang selama penerbangan.

Tidak ada mesin roket padat yang dapat dimatikan. Sebagian besar mesin berbahan bakar cair dapat dimatikan, tetapi rentang penghentian sebagian besar mesin cukup kecil, daya dorong minimumnya sekitar 70% dari daya dorong maksimumnya.

SpaceX Merlin 1D, meskipun model dasarnya adalah mesin tahap pertama, dapat dihidupkan ulang, dan memiliki injektor pintle yang memungkinkannya untuk mematikan daya dorong hingga 40% tanpa kehilangan stabilitas pembakaran. Mesin tahap pertama BE-4 asal Blue juga dapat dihidupkan ulang dan dapat diturunkan dayanya hingga setidaknya 50%.

Namun, menurunkan daya berarti mengurangi tekanan operasional mesin, yang menurunkan efisiensi mesin, jadi untuk konsumsi bahan bakar yang optimal, daya dorong penuh lebih disukai. Jadi, ketika tahap roket mulai kosong dan daya dorong menjadi terlalu tinggi, lebih baik mematikan beberapa mesin daripada membiarkan semuanya tetap menyala dan menurunkan daya dorongnya (jika ada beberapa mesin sehingga beberapa dapat dimatikan).

Mesin roket dapat diklasifikasikan berdasarkan kemampuannya untuk dihidupkan ulang dan kemampuan penurunan daya dorongnya. Berikut ini ikhtisarnya:

Mesin roket dapat dihidupkan ulang restartable

RL10 (Aerojet Rocketdyne): Digunakan pada tahap atas seperti Centaur dan Delta IV.
KVD-1 (Pusat Penelitian Negara Krylov): Digunakan pada tahap atas Rusia.
LE-5 (ISAS): Digunakan pada roket H-II Jepang. BE-3 (Blue Origin): Digunakan dalam wahana suborbital New Shepard dan direncanakan untuk New Glenn.
Mesin Viking (Ariane 1-4): Digunakan pada tahap atas roket Ariane.
Fregat (Soyuz): Mesin tahap atas yang dapat dihidupkan ulang.

Mesin roket daya dorongnya dapat di-throttle

RS-25 (Mesin Utama Pesawat Ulang-alik): Dapat men-throttle antara 65% dan 109% dari daya dorong terukurnya.
F-1 (Saturn V): Meskipun tidak dirancang untuk throttling, beberapa varian memiliki kemampuan throttling yang terbatas.
Merlin 1D (SpaceX): Digunakan dalam Falcon 9, mampu menurunkan daya dorong hingga 40%.
BE-3 (Blue Origin): Juga mampu melakukan throttling untuk misinya.
RD-180 (Aerojet Rocketdyne): Digunakan dalam Atlas V, dapat menyesuaikan tingkat daya dorong. Mesin dengan

Kedua Kemampuan

Beberapa mesin menawarkan kemampuan untuk memulai ulang dan membatasi daya: - Merlin 1D: Seperti yang disebutkan, mesin ini dapat dibatasi dayanya dan juga dapat dihidupkan ulang. - BE-3: Juga mendukung untuk memulai ulang dan membatasi daya dorong.

Ringkasan

Mesin yang Dapat Dihidupkan Ulang: RL10, KVD-1, LE-5, BE-3, Viking, Fregat.
Mesin yang Dapat Dibatasi Daya: RS-25, Merlin 1D, BE-3, RD-180.

Klasifikasi ini membantu dalam desain misi, memungkinkan fleksibilitas dalam lintasan dan skenario pendaratan, terutama untuk misi yang melibatkan sistem peluncuran yang dapat digunakan kembali.

Mesin roket dapat throttle diatur kecepatannya

Mesin roket dapat diatur kecepatannya menggunakan beberapa metode, yang memungkinkan pengendalian terhadap daya dorong yang dihasilkan selama penerbangan. Berikut adalah metode utamanya:

Kontrol Aliran Bahan Bakar : Dengan memvariasikan jumlah bahan bakar dan oksidator yang disuplai ke ruang pembakaran, daya dorong dapat disesuaikan. Hal ini biasanya dicapai dengan menggunakan katup yang mengatur laju aliran propelan.
Penyesuaian Rasio Campuran : Mengubah rasio bahan bakar terhadap oksidator juga dapat memengaruhi daya dorong. Campuran yang lebih kaya (lebih banyak bahan bakar) dapat menghasilkan lebih banyak daya dorong, sedangkan campuran yang lebih ramping (lebih sedikit bahan bakar) dapat mengurangi daya dorong.
Kontrol Siklus Mesin : Beberapa mesin menggunakan siklus yang berbeda (misalnya, siklus generator gas, siklus pembakaran bertahap) yang memungkinkan berbagai tingkat kinerja dan daya dorong. Menyesuaikan siklus mesin dapat membantu mengelola tingkat daya dorong.
Kontrol Vektor Dorong (TVC) : Meskipun utamanya digunakan untuk kemudi, TVC juga dapat memengaruhi daya dorong efektif yang dihasilkan dengan mengarahkan ulang aliran gas buang. Hal ini dapat memberikan bentuk modulasi daya dorong, terutama dalam situasi manuver.
Pendinginan dan Kontrol Tekanan Ruang Roket : Beberapa mesin roket canggih dapat menyesuaikan laju pendinginan dan tekanan ruang roket untuk mengatur tingkat daya dorong. Namun, metode ini lebih rumit dan kurang umum dibandingkan penyesuaian aliran bahan bakar secara langsung.
Desain Nosel Variabel : Mesin dengan nosel area variabel dapat mengubah area keluarnya gas buang, memungkinkan penyesuaian daya dorong dan efisiensi pada berbagai tahap penerbangan.

Metode-metode ini dapat digunakan secara individual atau kombinasi, tergantung pada desain mesin roket dan persyaratan misi spesifik.

Pengujian mesin roket

Pengujian mesin sangat penting untuk keberhasilan setiap misi peluncuran. Metode pengujian telah berkembang dari waktu ke waktu, yang memungkinkan para insinyur untuk mensimulasikan kondisi peluncuran yang menantang dan mengidentifikasi potensi masalah. Melalui pengujian, para insinyur dapat meningkatkan keandalan dan kinerja mesin roket, yang pada akhirnya memfasilitasi eksplorasi ruang angkasa yang sukses dan efisien. Pengujian mesin adalah proses yang digunakan untuk menilai dan mengevaluasi kinerja, efisiensi, dan daya tahan mesin. Ini adalah bagian penting dari proses pengembangan mesin di kendaraan apa pun, tetapi sangat penting dalam bidang teknik kedirgantaraan. Pengujian mesin memastikan bahwa mesin berfungsi sebagaimana mestinya, aman, dan memenuhi persyaratan kinerja. Selama fase pengujian, setiap cacat atau potensi perbaikan diidentifikasi.

Pengujian mesin roket telah menjadi komponen penting dalam pengembangan teknologi antariksa selama lebih dari satu abad. Seiring dengan berkembangnya program antariksa di seluruh dunia, pentingnya pengujian mesin roket pun tumbuh secara paralel. Abad ke-20 menyaksikan eksplorasi pertama dalam peroketan. Konstantin Tsiolkovsky merupakan salah satu pelopor yang pertama kali mengusulkan gagasan penggunaan roket untuk eksplorasi antariksa. Akan tetapi, Robert H. Goddard, seorang fisikawan Amerika, yang berhasil meluncurkan roket berbahan bakar cair pertama di dunia pada tahun 1926, yang ditenagai oleh oksigen cair dan bensin. Roket ini, yang relatif sederhana dan kecil menurut standar modern, mencapai ketinggian 41 kaki. Desain Goddard juga memperkenalkan fitur-fitur penting yang masih digunakan hingga saat ini, seperti ruang pembakaran dan nosel untuk mengarahkan aliran gas buang. Banyak paten yang diterima Goddard untuk inovasi selama kariernya masih menjadi dasar dalam bidang propulsi roket.

Mungkin tonggak sejarah paling penting dalam uji coba mesin roket adalah pengembangan dan pelaksanaan program Apollo Amerika Serikat, yang bertanggung jawab atas pendaratan pertama di bulan pada tahun 1969. Roket Saturn V membawa pesawat ruang angkasa Apollo ke orbit menggunakan lima mesin roket F-1 yang bertenaga. F-1 tetap menjadi mesin roket berbahan bakar cair satu ruang paling bertenaga yang pernah dikembangkan, dengan masing-masing mesin menghasilkan daya dorong sebesar 1,5 juta pon. Pengujian ketat terhadap mesin-mesin ini merupakan faktor mendasar yang berkontribusi terhadap keberhasilan program, dan hingga hari ini mesin-mesin ini tetap menjadi mesin roket terkuat yang pernah dibuat.

Alasan utama pengujian mesin roket adalah untuk memastikan keandalan dan kinerja mesin. Mesin roket mengalami kondisi ekstrem selama peluncuran, seperti suhu tinggi, tekanan, dan getaran. Setiap kegagalan atau malfungsi mesin selama peluncuran dapat menimbulkan konsekuensi yang dahsyat. Oleh karena itu, sangat penting bahwa mesin diuji dalam kondisi yang sama untuk mengidentifikasi potensi masalah dan mengatasinya sebelum peluncuran.

Pengujian mesin roket melibatkan beberapa tahap, termasuk uji darat dan uji terbang. Uji darat dilakukan untuk memverifikasi kinerja mesin dalam berbagai kondisi operasi dan untuk memastikan integritas strukturalnya. Mencapai keseimbangan ini sangat penting dalam memastikan keberhasilan pesawat ruang angkasa serta meminimalkan biaya peluncuran. Pengujian memungkinkan penyempurnaan kinerja mesin dan identifikasi inefisiensi yang perlu ditangani.

Jenis pengujian mesin roket

Pengujian penembakan statis

Ini adalah jenis pengujian mesin roket yang paling umum. Dalam pengujian penembakan statis, mesin roket dipasang pada dudukan uji dan ditembakkan saat terpasang kuat di tanah. Tujuan pengujian ini adalah untuk memastikan bahwa mesin dapat menghasilkan daya dorong yang dibutuhkan dan beroperasi dengan benar. Pengujian ini juga memungkinkan teknisi untuk memantau kinerja mesin, seperti impuls spesifik, tingkat daya dorong, dan rasio campuran propelan.

Pengujian ketinggian

Uji ketinggian melibatkan penyalaan mesin roket di ruang hampa untuk mensimulasikan kondisi ruang angkasa. Uji ketinggian penting untuk mesin yang dimaksudkan untuk digunakan di tahap atas roket, di mana tekanan udara rendah. Meskipun uji ini merupakan satu-satunya pilihan untuk mengukur daya dorong vakum mendekati nol dengan benar, sering kali tidak dilakukan karena rumitnya peralatan yang dibutuhkan.

Pengujian gas

Uji gas adalah jenis pengujian api statis yang melibatkan perubahan daya dorong mesin saat menyala. Pengujian ini penting untuk mesin yang perlu menyesuaikan daya dorongnya selama penerbangan, misalnya mesin utama di pesawat ulang-alik. Uji gas memungkinkan teknisi untuk memverifikasi bahwa mesin dapat menyesuaikan daya dorongnya dengan lancar dan andal.

Evolusi pengujian

Pada awal abad ke-20, pengujian roket pada dasarnya adalah proses coba-coba. Insinyur seperti Robert H. Goddard akan merancang dan membangun roket, lalu menilai hasilnya. Meskipun mereka dapat membuat tebakan berdasarkan prinsip fisika dan teknik, mereka tidak memiliki pengetahuan terperinci atau alat yang tepat untuk memprediksi dengan tepat apa yang akan terjadi. Dengan pengembangan mesin jet dan dimulainya Perlombaan Luar Angkasa pada pertengahan abad ke-20, teknik pengujian yang lebih canggih menjadi penting. Terowongan angin digunakan untuk menguji aerodinamika roket. Model komputasi yang lebih canggih dikembangkan, yang memungkinkan simulasi penerbangan roket sebelum terjadi. Namun, model tersebut relatif mendasar menurut standar saat ini dan perangkat keras komputer yang tersedia terbatas kemampuannya.

Pada akhir abad ke-20, teknologi sensor meningkat, yang memungkinkan pengumpulan data yang lebih rinci selama pengujian. Sensor ini dapat mengukur semuanya mulai dari suhu hingga tekanan hingga percepatan. Data ini kemudian dapat dimasukkan kembali ke dalam model komputasi untuk meningkatkan akurasinya. Sementara itu, pertumbuhan daya komputasi digital memungkinkan simulasi dan model yang lebih kompleks.

Pada abad ke-21, daya komputasi dan kecanggihan perangkat lunak telah tumbuh secara eksponensial. Simulasi kini dapat memodelkan seluruh roket, lingkungan tempatnya berada, dan fisika pengoperasiannya dengan sangat rinci. Hal ini memungkinkan banyak masalah potensial untuk diidentifikasi dan diperbaiki sebelum roket fisik dibangun.

Munculnya teknologi pencetakan 3D juga berdampak signifikan pada pengujian roket. Hal ini memungkinkan para insinyur untuk memproduksi komponen dengan cepat dan murah untuk pengujian, serta memungkinkan komponen yang umumnya memerlukan perakitan dalam beberapa bagian untuk dibuat hanya dalam satu bagian. Ini adalah metode yang digunakan Skyrora dalam pengembangan mesin roket internal. Pengembangan roket yang dapat digunakan kembali oleh SpaceX juga memerlukan metode pengujian baru. Roket tradisional digunakan sekali lalu dibuang, tetapi roket Falcon dan Starship milik SpaceX dirancang untuk mendarat kembali di Bumi dan diterbangkan lagi. Ini berarti roket harus diuji tidak hanya untuk peluncuran, tetapi juga untuk masuk kembali dan mendarat.

Prosedur pengujian

Setelah komponen-komponen individual diuji dan divalidasi, komponen-komponen tersebut dirakit menjadi mesin roket yang lengkap.

Setelah dirakit, mesin siap untuk diuji. Sebagian besar mesin menjalani serangkaian uji aliran dingin dan uji tekanan, di mana bahan bakar dan oksidator dialirkan melalui mesin tanpa dinyalakan, untuk memverifikasi jalur aliran dan memeriksa kebocoran. Setelah uji aliran dingin berhasil, uji 'api panas' dilakukan di mana mesin dinyalakan, dan kinerjanya diukur. Setelah uji mesin individual, mesin diintegrasikan ke dalam badan roket. Kendaraan terintegrasi ini kemudian juga diuji, termasuk uji api statis di mana roket penuh ditahan di landasan peluncuran dan mesin dinyalakan.

Pengujian biasanya dilakukan di fasilitas yang dirancang khusus yang dapat dengan aman menahan situasi nominal dan non-nominal. Fasilitas ini biasanya terletak di daerah terpencil karena kebisingan dan potensi bahaya keselamatan yang terkait dengan pengujian mesin.

Fasilitas pengujian mesin dipersiapkan dengan cermat untuk pengujian roket. Kesiapan semua infrastruktur, termasuk struktur yang ditetapkan untuk menahan mesin selama pengujian dan area kendali misi, harus dikonfirmasi terlebih dahulu. Kontrol misi dan akomodasi lebih lanjut untuk orang-orang di lokasi memastikan individu tetap berada pada jarak aman dari pengujian langsung.

Setelah semua individu berada pada jarak aman, propelan dipompa ke dalam mesin. Tangki propelan dipantau selama proses ini untuk menimbang bahan bakar sebelum dinyalakan, yang memungkinkan peneliti menentukan berapa banyak yang dibakar selama pengujian. Untuk mengumpulkan data lebih lanjut dari pengujian mesin, sejumlah sensor ditampilkan di dalam dan di sekitar peralatan uji, termasuk sel beban, termokopel, dan pengukur tekanan. Teknisi selalu hadir di ruang kontrol, memantau data untuk memastikan kinerja mesin normal. Jika mesin tidak bekerja sesuai rencana, pengujian dibatalkan oleh kontrol misi.

Setelah pengujian, yang biasanya berlangsung tidak lebih dari beberapa menit, penghentian mesin selesai. Area tersebut dibuat aman untuk inspeksi, dan lokasi tersebut diatur ulang untuk mengakomodasi pengujian di masa mendatang.