Mesin Jet dan Mesin Roket
Mesin Jet
Pesawat terbang, adalah salah satu ob yek yang selalu menarik untuk disimak. Kali ini kita akan melihat perkembangan salah satu “organ vital” pesawat terbang yaitu mesin pendorong yang berjenis mesin Jet atau dalam dunia penerbangan biasa disebut Aircraft Power Plant Mesin jet adalah sebuah jenis mesin pembakaran dalam menghirup udara yang sering digunakan dalam pesawat. Prinsip seluruh mesin jet pada dasarnya sama; mereka mempercepat massa (udara dan hasil pembakaran) ke satu arah dan dari hukum gerak Newton ketiga mesin akan mengalami dorongan ke arah yang berlawanan. Yang termasuk mesin jet antara lain turbojet, turbofan, rocket, ramjet, dan pump-jet. Mesin ini menghirup udara dari depan dan mengkompresinya. Udara digabungkan dengan bahan bakar, dan dibakar. Pembakaran menambah banyak peningkatan energi dari gas yang kemudian dibuang ke belakang mesin. Proses ini mirip dengan siklus empat-gerak, dengan induksi, kompresi, penyalaan, dan pembuangan terjadi secara berkelanjutan. Mesin menghasilkan dorongan karena percepatan udara yang melaluinya; gaya yang sama dan berlawanan yang dihasilkan adalah dorongan bagi mesin. Mesin jet mengambil massa udara yang relatif sedikit dan mempercepatnya dengan jumlah yang besar, di mana sebuah pendorong mengambil massa udara secara besar dan mempercepatnya dalam jumlah kecil. Pembuangan kecepatan tinggi dari mesin jet membuatnya efisien pada k ecepatan tinggi (terutama kecepatan supersonik) dan ketinggian tinggi. Pada pesawat pelan dan yang membutuhkan jarak terbang pendek,pendorong pendek ,pendorong yang menggunakan turbin gas, yang umumnya dikenal sebagai turboprop, lebih umum dan lebih efisien. Pesawat sangat kecil biasanya menggunakan mesin piston untuk menjalankan pendorong tetap turboprop kecil semakin lama semakin kecil dengan berkembangnya teknologi teknik. Efisiensi pembakaran sebuah mesin jet, seperti mesin pembakaran dalam lainnya, dipengaruhi besar oleh rasio volume udara yang dikompresi dengan volume pembuangan. Dalam mesin turbin kompresi udara dan bentuk "duct" yang melewati ruang pembakaran mencegah aliran balik dari situ dan membuat pembakaran berkelanjutan dimungkinkan dan proses pendorongan.
Mesin turbojet modern modular dalam konsep dan rancangan. Inti penghasilan-tenaga utama, sama dalam seluruh mesin jet, disebut sebagai generator gas. Dan juga modul tambahan lainnya seperti gearset pengurang dorongan (turboprop/turboshaft), kipas lewat, dan "afterburner". Jenis alat tambahan dipasang berdasarkan penggunaan pesawat.
Sejarah Mesin jet Mesin jet sebenarnya diawali ketika seorang insinyur Perancis, Rene Lorin pertama kali mengajukan paten bagi mesin propulsi jetnya pada tahun 1913. Mesin yang dipatenkan adalah mesinathodyd (aero-thermodynamic-duct) yang tidak memiliki bagian berputar atau lebih populer dengan sebutan mesin pulse jet. Mesin tipe inilah yang kemudian dikembang dan dijadikan mesin tenaga utama pendorong bom terbang Jerman, V-1 yang dipakai untuk mengebom Inggris. Sayangnya konsep mesin Lorin kurang cocok bagi pesawat berpropulsi jet karena tidak efisien dalam kecepatan rendah. Selanjutnya, seorang perwira Angkatan Udara Kerajaan Inggris (Royal Air Force/RAF), Frank Whittle kemudian seorang mahasiswa aerodinamika Universitas Gottingen, Hans von Ohain (Jerman) serta insinyur Italia, Secondo Campini mengembangkan mesin jet yang kemudian prinsip dan konsepnya dikenal pada masa-masa sekarang yakni menggunakan komponen-komponen berputar seperti kompresor dan turbin. Frank Whittle mengajukan paten pada tahun 1930 namun awalnya kurang mendapat perhatian dari Kementerian Udara Inggris. Akibatnya, penemuan Whittle tidak menjadi rahasia militer dan detaik konsep mesin jetnya bocor serta dimuat di berbagai jurnal ilmiah dan teknologi 1,5 tahun kemudian. Namun atas jasa mantan rekannya di RAFserta pembiayaan untuk pengembangan dari O.T. Falk & Partners Ltd. maka Whittle membentuk perusahaan Power Jets yang akhirnya berhasil mengembangkan mesin jet dan mendapat kontrak di Angkatan Udara Inggris. Mesinnya berupa type W1X yang kemudian ditahun 1942 diminta lisensinya oleh Amerika Serikat. Mesin type W-1X inilah diujicoba pertama kali pada bulan Desember 1940 kemudian dimodifikasi dan dinyatakan layak untuk digunakan sebagai tenaga dalam pesawat udara. Pesawat bermesin jet Inggris pertama kali diterbangkan oleh pilot uji Gerry Sayer pada tanggal 15 Mei 1941 dengan pesawat Gloster E.28/39. Secondo Campini dari Italia membuat mesin jet pada tahun 1933 dan bergabung dengan perancang pesawat Giavasi Caproni membuat pesawat CC-2 bermesin jet yang terbang perdana pada tanggal 27 Agustus 1940. Media massa Italia mencatatnya sebagai pesawat terbang jet pertama di dunia. Hans von Ohain mendaftarkan paten rancangan mesin jetnya pada tahun 1935. Meski kemudian mesinnya dianggap serupa dengan konsep Whittle, namun terdapat banyak detail perbedaan dalam mesin rancangannya. Kemudian salah seorang profesornya yang kenal Ernst Heinkel, pemilik perusahaan industri pesawat Heinkel meminta agar Hans von Ohain dilibatkan dalam proyek membuat
mesin pesawat. Pada bulan Maret 1937, sebuah mesin berdaya dorong 550 pon berhasil dibuatnya, kemudian mesin berdaya dorong 1.980 pon yang kemudian dianggap kurang berhasil serta mesin berdaya dorong 1.100 pon yang penuh modifikasi yang kemudian dibuat untuk pesawat Heinkel He. 178 yakni mesin turbojet HeS-3b. Di Asia, Jepang mulai melirik mesin jet untuk kepentingan penerbangan terutama militernya pada tahun 1937 saat Jepang membeli mesin Brown-Boveri yang dilengkapi turbocharger dari Swiss. Dari dasar inilah, tidak mengeherankan setelah mendapatkan dari sekutunya, Jerman berupa rancangan pesawat tempur Messerschmicht Me-262, Jepang mengembangkan mesin jet Ne-20untuk mentenagai pesawat jet tempur pertamanya Kikka, yang mirip dengan jet tempur Jerman tersebut. Sementara Rusia/Uni Soviet disebut-sebut mendapatkan teknologi mesin jet setelah pesawat tempur jet Jerman jatuh ketangannya, serta bantuan dari Inggris berupa mesin jet Rolls-Royce Nene. Mesin inilah yang dikembangkan Uni Soviet yang kemudian digunakan dalam pesawat tempur jet MiG-15 Fagot yang dipakai dalam Perang Korea yang berkemampuan cukup mematikan. Amerika Serikat mendapatkan paten/lisensi m esin jet dari Inggris ranc angan Frank Whittle, W 1X. Hal ini tidak terlepas dari peran Mayor Jenderal H.H. Arnold, Deputy Chief-of-Staff for Air yang dikemudian memegang pimpinan US Army Air Forces dalam Perang Dunia II, juga dikenal sebagai Bapak dari United States Air Force (USAF) yang saat itu diundang oleh Kementrian Udara Inggris dalam penerbangan perdana pesawat mesin jet-nya. Jendral Arnold kemudian mendesak pemerintah segera mempercepat Amerika Serikat untuk memasuka abad jet, tanpa ragu kemudian ia menunjuk pabrik General Elecric (GE) untuk melakukan riset teknologinya, mengingat GE dalam riset teknologi turbin dan pengalaman pada 1917-1941 dengan turbo-supercharger.
Perkembangan Teknologi Mesin Jet Mesin jet atau yang juga dikenal sebagai mesin turbin gas juga dikembangkan tidak hanya untuk pesawat terbang tetapi juga untuk kapal dan di darat untuk kendaraan terutama kendaraan berat seperti tank dan mesin-mesin pembangkit listrik dan mesin untuk industri. Ada empat jenis mesin turbojet antara lain mesin turbojet dan turbofan yakni mesin yang tenaganya diperoleh dari reaksi yang didapat dari daya dorong semburan jet-nya. Jenis yang lain adalah turboprop dan turboshaft yang bekerja dengan prinsip lain yakni energi dari gas panasnya digunakan untuk memutar/menggerakkan turbin yang dihubungkan dengan baling-baling atau dikenal juga dengan sebutan power output shaft. Mesin rekasi jet sederhana kemudian dikembangkan menjadi twin-spool low by pass ratio turbojet. Kini dari turbojet low by-pass ratio, berkembang menjadi triple-spool front fan high by-pass ratio turbojet atau lebih dikenal sebagai high bypass turbofan dan fanjet. Masih berupa konsep adalah mesin prop-fan dan UDF (unducted fan) dan contra rotating-fan. Mesin turbojet adalah mesin jet yang paling sederhana, biasanya dipakai untuk pesawat-pesawat berkecepatan tinggi. Contoh dari mesin ini adalah mesin Rolls-Royce Olypus 593 yang digunakan untuk pesawat Concorde. Versi lain adalah mesin Marine Olympus yang memiliki kekuatan 28.000 hp (daya kuda atau setara dengan 21 MW) yang digunakan untuk menggerakkan kapal perang modern dengan bobot mati 20.000 ton dengan operasi berkecepatan tinggi.
Gambaran udara yang mengalir pada mesin jet
Gambar di samping menunjukkan bagaimana udara mengalir melalui mesin. Udara berjalan melalui inti mesin serta sekitar inti. Hal ini menyebabkan beb erapa udara menjadi sangat panas dan yang lainnya menjadi dingin. Udara dingin kemudian bercampur dengan udara panas di daerah keluar mesin. Sebuah mesin jet beroperasi pada penerapan Sir Isaac Newton hukum ketiga fisika: untuk setiap tindakan ada reaksi yang sama dan berlawanan. Ini disebut gaya dorong. Hukum ini ditunjukkan secara sederhana dengan melepaskan balon, dan udara keluar mendorong balon ke arah yang berlawanan. Dalam mesin turbojet dasar, udara masuk dari kipas bagiane depan dan mampatkan, kemudian dipaksa masuk ke ruang pembakaran dimana bahan bakar disemprotkan ke dalamnya dan kemudian dinyalakan. Gas terbakar dengan cepat dan keluar melalui belakang ruang pembakaran. Gas-gas ini mengerahkan kekuatan yang sama ke segala arah, memberikan dorongan ke depan saat udara bergerak ke belakang. Ketika gas meninggalkan mesin, udara melewati serangkaian kipas seperti pisau (turbin) yang memutar pada p oros turbin. Daya dorong mesin dapat ditingkatkan dengan penambahan bagian afterburner di mana bahan bakar ekstra disemprotkan ke gas yang membakar untuk memberikan dorongan tambahan. Pada sekitar 400 mph, satu pon dorong sama dengan satu tenaga kuda, tetapi pada kecepatan yang lebih tinggi meningkatkan rasio ini dan satu pon dorong lebih besar dari satu tenaga kuda. Pada kecepatan kurang dari 400 mph, rasio ini menurun.
Turbin Gas Untuk Propulsi Pesawat Terbang
Turbin gas sangat cocok digunakan sebagai propulsi pesawat udara karena rasio daya terhadap beratnya yang baik. Mesin turbo jet adalah jenis yang banyak digunakan. Seperti gambar 20, mesin jenis ini terdiri dari 3 bagian utama: difuser, gas generator, dan nozzle. Difuser terletak di depan kompresor yang memperlambat udara masuk relatif terhadap mesin. Kenaikan tekanan karena perlambatan dikenal dengan istilah efek ram. Bagian gas generator terdiri dari kompresor, pembakar/ruang bakar dan turbin, dengan fungsi yang sama dengan pembangkit daya turbin gas untuk komponen yang sama. Pada mesin turbo jet daya output turbin hanya cukup untuk menggerakkan kompresor dan komponen tambahan. Gas yang keluar turbin mempunyai tekanan yang lebih tinggi dari tekanan atmosfir dan berekspansi pada nosel sehingga kecepatannya tinggi sebelum dilepaskan ke lingkungan. Perubahan kecepatan secara keseluruhan
dari gas relatif terhadap mesin menghasilkan kenaikan gaya propulsif atau gaya dorong/aksial.
Gambar 20. Skema mesin turbo jet dan diagram T-s nya.
Beberapa mesin turbo jet dilengkapi dengan after burner (pembakar lanjut). Peralatan tambahan ini adalah piranti reheat dimana bahan bakar tambahan diinjeksi kedalam gas yang keluar turbin dan terbakar sehingga menghasilkan temperatur yang lebih tinggi pada masukan nosel. Hasilnya kecepatan yang tinggi didapatkan di keluaran nosel sehingga menaikkan gaya dorong.
Diagram T-s untuk proses mesin turbo jet ideal bisa dilihat pada gambar 20b. Sesuai dengan asumsi untuk analisis standar udara, fluida kerja adalah udara yang dimodelkan sebagai gas ideal.
Gambar 21. Skema mesin turbojet dengan afterburner .
Proses pada difuser, kompresor, turbin dan nosel adalah isentropik dan pembakar beroperasi pada tekanan konstan. Proses a-1 menunjukkan kenaikan tekanan yang terjadi difuser karena perlambatan fluida yang melaluinya. Proses 1-2 adalah kompresi isentropik. Proses 2-3 adalah tekanan konstan dengan penambahan kalor. Proses 3-4 adalah ekspansi isentropik pada turbin dimana kerja dihasilkan. Proses 4-5 adalah ekspansi isentropik pada nosel dimana udara mengalami percepatan dan tekanan menurun. Dalam analisis termodinamik dari sebuah mesin turbo jet dengan basis standar udara, hal-hal berikut diketahui : kecepatan pada sisi masuk nosel, rasio tekanan kompresor, temperatur masuk turbin. Tujuan analisis adalah menentukan kecepatan pada sisi keluar nosel. Jika kecepatan pada sisi keluar diketahui, gaya dorong bisa dicari dengan memakai hukum Newton kedua tentang gerak. Aplikasi turbin gas lain yang berkaitan mencakup : mesin turboprop dan turbofan. Mesin turboprop diperlihatkan pada gambar 22a terdiri dari turbin gas dimana fluida berekspansi pada turbin ke tekanan atmosfir. Kerja bersih yang dihasilkan diarahkan ke propeler (baling baling) yang akan memberikan daya dorong bagi pesawat udara. Turboprop adalah mesin propulsi yang efisien untuk kecepatan sampai kira-kira 600 km/jam. Pada mesin turbofan seperti yang diperlihatkan gambar 22b, inti mesin dibuat seperti turbojet dan sebagian daya dorong diperoleh dari ekspansi melalui nosel. Sekumpulan sudu dengan diameter besar yang dipasang pada sisi depan mesin mengakselerasi udara disekitar inti. Aliran by-pass (pintas) memberikan daya dorong untuk lepas landai, sedangkan inti mesin memberikan daya dorong untuk menjelajah. Mesin turbofan umumnya digunakan untuk pesawat komersil dengan kecepatan terbang sampai 1000 km/jam. Jenis mesin sederhana khusus yang dikenal ditunjukkan pada gambar 22c yaitu ramjet. Mesin ini tidak memerlukan kompresor dan turbin. Kenaikan tekanan
diperoleh dengan perlambatan udara masuk yang berkecepatan tinggi pada difuser (efek ram). Supaya ramjet bisa beroperasi, pesawat udara mesti sudah terbang dengan kecepatan tertentu. Produk pembakaran yang keluar pembakar (combustor) berekspansi melalui nosel sehingga menghasilkan daya dorong.
Gambar 22. Contoh lain dari mesin pesawat udara. (a) turboprop. (b) turbofan. (c) Ramjet.
MESIN ROKET
Roket
Pada zaman kuno Tulisan paling awal yang diketahui berupa rumus untuk pembuatan mesiu, Zongyao Wujing, tahun 1044. Ketersediaan bubuk hitam (mesiu) untuk mendorong proyektil adalah pelopor pengembangan pertama dari roket berbahan bakar padat. Roket pada masa awal cina. Tepat ketika penerbangan pertama dari roket terjadi adalah dilombakan. Ada yang mengatakan bahwa penggunaan roket pertama tercatat dalam pertempuran oleh orang Cina di 1232 melawan Mongol. Ada laporan dari panah api dan 'panci besi' yang bisa didengar ssmpai 5 Liga (25 km, atau 15 mil) ketika mereka meledak karena benturan, menyebabkan kehancuran sampai radius 600 meter (2.000 kaki), tampaknya akibat pecahan peluru. Penurunan jumlah pot besi mungkin merupakan jalan bagi yang tentara terkepung untuk meledakkan penyerang. Panah api entah panah dengan bahan peledak yg melekat, atau anak panah didorong oleh mesiu, seperti Hwacha Korea. Informasi yang lebih tidak kontroversial, dicatat bahwa salah satu perangkat yang paling awal menggunakan roket pembakaran internal adalah tikus-tanah, sebuah jenis kembang api, yang dicatat pada 1264 menakuti Ibu Suri-Kung Sheng di sebuah pesta yang diadakan untuk menghormatinya oleh putranya sang Kaisar Lizong. Selanjutnya, salah satu dari teks-teks awal yang menyebutkan penggunaan roket adalahHuolongjing , ditulis oleh perwira artileri Cina Jiao Yu pada pertengahan abad ke-14. Teks ini juga menyebutkan penggunaan pertama yang diketahui dari roket multi-tahap, yaitu 'api-naga keluar dari air "(shui huo chu panjang), yang digunakan kebanyakan oleh Angkatan Laut Cina.
Prinsip Kerja Roket
Dorongan roket dan jet merupakan penerapan yang menarik dari hukum III Newton dan Kekekalan momentum. Roket memiliki tangki yang berisi bahan bakar hodrogen cair dan oksigen cair. Bahan bakar tersebut dibakar dalam ruang pembakaran sehingga menghasilkan gas lalu dibuang melalui mulut pipa yang terletak dibelakang roket. Akibatnya terjadi perubahan momentum pada gas selama selang waktu tertentu. Berdasarkan hukum II Newton, perubahan momentum selama suatu selang waktu tertentu = gaya total. Jadi bisa dikatakan bahwa terdapat gaya total pada gas yang disemburkan roket ke belakang. Gaya total tersebut merupakan gaya aksi yang diberikan
oleh roket kepada gas, di mana arahnya ke bawah. Sebagai tanggapan, gas memberikan gaya reaksi kepada roket, di mana besar gaya reaksi = gaya aksi, hanya arahnya berlawanan. Gaya reaksi yang diberikan oleh gas tersebut yang mendorong roket ke atas Dasar Teori Prinsip propulsi roket akan dianalogikan dengan menggunakan roket air sederhana. Prinsipnya adalah botol akan meluncur bila botol diberi tekanan udara yang tinggi ( dari pompa ) dan di dalamnya diberi sedikit air untuk menghasilkan tenaga semburan yang lebih besar.Prinsip kerja propulsi roketini merupakan penerapan dari hukum ketiga Newton dan kekelan momentum. Cara Kerja Roket: Pada awal perkembangan roket, roket digerakan dari hasil pembakaran bahan bakar minyak gas dan oksigen cair, untuk menghasilkan gas panas yang meledak ke bawah dan mendorong roket ke atas. Untuk roket V-2 yang dikembangkan Hitler, menggunakan turbin uap untuk memompa alkohol dan oksigen cair ke dalam ruang bakar yang menghasilkan ledakan beruntun yang mendorong roket ke atas. Prinsip kerja roket merupakan penerapan dari Hukum Newton III tentang gerak, dimana energi panas diubah menjadi energi gerak. Prinsip kerja dari roket berbahan bakar cair dan padat sama, di manahasil pembakaran menghasilkan gaya dorong ke atas. Kelebihan dari roket berbahan bakar padat mampu menyimpan bahan bakar dengan dengan jumlah besar untuk ruang penyimpanan yang sama, ka rena telah dipadatkan, sedangkan bahan bakar cair tidak bisa dimampatkan
