Disain Struktur Roket Padat
Struktur roket merupakan bagian dari konstruksi roket, mulai dari komponen hidung roket sampai ke sirip roket. Sruktur ini berfungsi untuk mewadahi dan membawa segala macam peralatan roket. Sehingga dalam pembuatan struktur diperlukan Disain struktur yang andal. Khususnya untuk roket berbahan bakar padat, disain struktur roket dapat dimulai dari penentuan beban dan gaya-gaya aksi yang terjadi. Disamping itu, juga diperlukan pertimbanagn bentuk, fungsi, proses pembuatan struktur. Beban dan gaya aksi tersebut, dapat berupa gaya statik karena beratnya sendiri ketika roket masih diam di bumi, maupun gaya dinamik dan getaran pada saat roket terbang. Gaya gaya ini akan mempengaruhi besarnya komponen beban kerja semisal gaya aerodinamika, gaya dorong, gaya inersia, tekanan, tegangan termal, percepatan terbang, dan beberapa beban akibat fenomena lingkungan operasional roket. Untuk mengetahui komponen beban kerja yang saling terpengaruhi tersebut, perlu terlebih dahulu diketahui spesifikasi roket yang meliputi : berat roket, kecepatan, waktu dan tinggi terbang, kalau memungkinkan, perlu juga diketahui perilaku roket pada saat terbang.
Tentu data lengkap mengenai hal ini akan sulit didapatkan, namun demikian dengan bantuan kemajuan teknologi komputer, instrumen elektronik, sensor dan perangkat lunak solusi numerik, dimungkinkan dapat memudahkan analisis gaya-gaya yang dimaksud. Disamping itu untuk kasus tertentu, analisis secara manual juga masih bisa dilakukan setahap demi setahap.
[iklan]
Sedangkan bentuk, fungsi dan proses pembuatan struktur akan menentukan pertimbangan disain konfigurasi yang sesuai dengan tujuan perancangan, yaitu memenuhi misi yang telah ditentukan.
Adapun tujuan pelaksanaan disain struktur roket pada umumnya adalah untuk :
- Mendapatkan struktur yang sesuai dengan kondisi operasional roket. Mendapatkan material yang andal sebagai bahan struktur.
- Mendapatkan jenis konstruksi sesuai dengan konfigurasi yang telah ditentukan, dan bersifat mudah dipabrikasi, biaya rendah, serta mampu tukar tinggi terhadap komponen struktur roket yang sejenis.
- Mendapatkan struktur ringan dan kuat.
Untuk memenuhi tujuan tersebut, analisis berbagai macam pembebanan yang terjadi pada saat operasional struktur perlu dipertimbangkan, baik berupa beban dinamik, beban statik maupun beban-beban yang lain.
Pembebanan Dinamik dan Statik
Kesetimbangan dinamik struktur roket akibat timbulnya gaya dinamik pada saat terbang, secara garis besar dapat dijelaskan melalui pendekatan Hukum Newton ke 3, yang menyatakan bahwa setiap aksi pada sebuah benda akan menimbulkan reaksi yang sama besar tetapi arah berlawanan. Dalam konstruksi roket yang bergerak terdapat komponen percepatan dan massa konstruksi.
Dua komponen ini akan menimbulkan gaya luar sebagai gaya aksi pada roket, misalnya sebesar gaya F. selanjutnya gaya aksi ini akan menimbulkan reaksi di dalam badan roket berupa gaya inersia sebesar -F. Perlawanan gaya inersia ini, menurut prinsip d’Alembert masih berlaku, karena dianggap untuk mencapai kesimbangan gaya. Sedangkan analisis pembebanan secara statik di dalam struktur roket pada dasarnya dapat dilakukan melalui pendekatan struktur batang sederhana yang menerima beban di atasnya. Pendekatan ini menganggap bahwa konstruksi roket merupakan sebuah batang sederhana dengan titik beratnya sebagai tempat tumpuan batang.
Satu diantaranya berdasarkan pertimbangan keberadaan beban dinamik dan statik tersebut, bisa segera diketahui tingkat kemanan struktur pada saat roket meluncur.
Faktor Keamanan
Dalam kegiatan disain struktur roket selalu diberikan faktor keamanan dalam setiap perhitungan. Hal ini dimaksudkan sebagai pengaman terhadap adanya kegagalan pada saat operasional. Faktor keamanan biasanya merujuk pada tegangan ijin bahan, bahwa tegangan operasional tidak diijinkan melebihi tegangan bahan. Hal ini bertujuan agar struktur roket tidak mengalami deformasi permanen ataupun kerusakan akibat beban berlebihan. Meskipun demikian penentuan besarnya faktor keamanan perlu pertimbangan yang matang, jika terlalu kecil dapat mengundang bahaya lebih besar pada saat roket meluncur. Sedangkan jika terlalu besar, akan menaikkan berat struktur yang dapat meganggu kinerja roket. Karena jarak terbang roket salah satunya juga tergantung pada berat struktur.
Perhitungan Kekuatan Struktur Roket
Struktur roket pada dasarnya terdiri dari dua bagian, yaitu : struktur badan dan struktur komponen yang bersinggungan langsung dengan beban aerodinamika. Struktur badan roket pada umumnya merupakan jenis konstruksi cangkang monokok yang tidak terlalu tebal dan sangat sedikit rangka penguat. Roket jenis balistik biasa menggunakan struktur jenis ini, terutama untuk roket kecil, diameter luar kurang dari 24 inci (60,96 cm). Sedangkan untuk roket-roket besar digunakan konstruksi semimonokok yang terdiri dari struktur cangkang yang diperkuat dengan penguat-penguat seperti yang biasa digunakan dalam konstruksi pesawat terbang. Struktur komponen roket yang bersinggungan dengan beban aerodinamika dapat dibuat dengan berbagai macam cara, misalnya untuk struktur sirip yang tipis dapat dibuat dari pelat tipis yang pejal, maupun pelat berongga untuk mengurangi berat. Bisa juga dibuat dari logam melalui proses pengecoran yang diakhiri dengan perbaikan melalui pengerjaan mesin. Tentunya dalam rancang bangun struktur ini berbagai macam pertimbangan perlu dimasukkan agar diperoleh struktur roket yang andal, diantaranya pertimbangan berdasarkan analisis terhadap gaya dan atau beban operasional yang terjadi.
Seperti yang telah diketahui bahwa struktur roket merupakan bentuk fisik roket yang berfungsi untuk menahan gaya-gaya yang terjadi dan melindungi segala muatan untuk mencapai misi roket, baik pada saat masih berada di bumi maupun ketika meluncur di udara bahkan sampai menembus langit ke luar angkasa. Dalam opersionalnya, gaya-gaya yang terjadi ini dapat menimbulkan tegangan struktur. Kemampuan struktur roket untuk menahan gaya-gaya yang terjadi perlu diketahui, agar tegangan berlebihan yang timbul dan besarnya melebihi kemampuan struktur dapat dihindari. Oleh karena itu analisis struktur pada setiap komponen atau bagian struktur tersebut perlu dilakukan sebaik-baiknya. Komponen struktur roket pada umumnya terdiri dari struktur hidung, tabung muatan, tabung motor roket, nosel dan sirip.
Struktur Hidung Roket
Komponen struktur hidung roket pada umumnya berbentuk kerucut atau pun berpenampang lengkung seperti busur. Dalam operasionalnya, struktur ini akan menerima beban aerodinamika dan gesekan udara. Untuk konstruksi hidung roket yang tertutup ada kemungkinan terjadi beda tekanan antara tekanan pada bagian dalam dan bagian luar struktur hidung roket, terutama pada saat roket meluncur. Pada saat berada di bumi, tekanan hidung roket sebesar satu atmosfer, tidak ada perbedaan tekanan antara bagian luar dan bagian dalam. Namun jika roket meluncur semakin tinggi akan ada kemungkinan roket melewati daerah yang tekanan udaranya lebih kecil dari satu atmosfir, sehingga untuk konstruksi tertutup, hal ini bisa menimbulkan beda tekanan yang dapat menimbulkan tegangan struktur.
Struktur Hidung Roket
Seperti yang telah diketahui bahwa gaya aerodinamika, gesekan udara dan perbedaan tekanan pada struktur hidung roket dapat menyebabkan timbulnya tegangan struktur. Tegangan berlebihan dapat menyebabkan kerusakan pada struktur hidung.
Struktur Motor Roket
Telah diketahui bahwa motor roket adalah mesin penghasil gaya dorong yang memanfaatkan perubahan energi, dari energi panas hasil pembakaran bahan bakar roket menjadi energi kinetik dari pancaran gas buang melalui lubang nosel. Konstruksi utama motor roket adalah tabung motor roket dan nosel. Dalam opersionalnya, untuk roket padat, gas hasil pembakaran bahan bakar padat di dalam tabung motor roket akan menghasilkan panas dan tekanan dalam, pada waktu yang singkat. Lama pembakaran kira-kira rata-rata hanya 10 detik. Tentu untuk mengetahui kekuatan struktur tabung dalam menerima beban tekanan dalam dan temperatur bakar ini diperlukan pendekatan perhitungan tegangan struktur terutama melalui pendekatan perhitungan tegangan untuk struktur tabung bertekanan, karena pengaruh tekanan dalam maupun karena temperatur, bisa mengakibatkan terjadinya tegangan termal.
Sebagian besar berat roket, bahkan bisa mencapai tujuh puluh persen lebih merupakan berat yang dihasilkan oleh motor roket. Kelebihan berat struktur motor roket akan mengganggu keandalan kinerja maupun karakteristik komponen yang lain, misalnya jarak maupun tinggi jelajah berkurang dari yang telah direncanakan. Oleh karena itu dalam merancang struktur tabung motor roket juga perlu dipertimbangkan jenis material struktur terpakai yang sesuai dengan kondisi lingkungan opersional maupun berat jenis dan kekuatannya, misal dari jenis baja ringan, logam paduan, atau pun dari jenis komposit, sehingga dapat diperoleh struktur tabung motor roket yang bersifat kuat, ringan dan mampu menahan rambatan panas yang terjadi serta mampu bekerja di kondisi lingkungan operasional yang lain. Disamping itu kemudahan perakitan, perawatan dan pengadaan suku cadang, juga dapat dijadikan sebagai acuan dalam merancang struktur tabung motor roket.
(Artikel ini dikutip dari berbagai sumber, terutama berasal dari buku Atik Bintoro: Desain Konfigurasi Roket Padat, Analisis Struktur Roket RUM70/100-LP./AB)