Liquid Propellant Rocket Engine Fundamentals.pptx

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

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


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


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


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


› 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


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


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


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


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


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

Liquid Propellant Rocket Engine Fundamentals.pptx

Documents

Transcript of Liquid Propellant Rocket Engine Fundamentals.pptx