ANALISIS KINERJA ENJIN ROKET CAIR ECX1000H2-3 (PERFORMANCE ANALYSIS OF LIQUID ROCKET ENGINE ECX1000H2-3)
Arif Nur Hakim 1 , Hudoro Tahdi, Taufiqur Rochman
Pusat Teknologi Roket Lembaga Penerbangan Dan Antariksa Nasional (LAPAN) Jl. Raya Lapan No.2 Mekarsari, Rumpin, Bogor 16350, Jawa Barat
1 e-mail: arif.nurhakim@lapan.go.id
Diterima: 21 Mei 2018; Direvisi: 20 Juli 2018; Disetujui: 26 Juli 2018

## ABSTRACT
Liquid rocket engine ECX1000H2-3 has been developed by adopting a new configuration injector to increase the thrust achieved by previous engine.  The injector has 54 fuel holes and 156 oxidizer holes, with each diameter of 1 mm.  The injector element shape has been modified to increase propellant mass flow rate.  Hot firing test has been performed to evaluate overall performance of the engine system. The result recorded that average thrust and pressure produced were 730 kgf and 22.6 bar, respectively, 19.7 % higher than previous engine test result, but still 84% lower than thrust predicted from injector test result, due to poor performance of feeding system.  In addition, there was a small explosion during ignition process caused by accumulation of unburned propellant due to limited contact area of ignition flame with propellant.
Keywords: liquid rocket engine, nitric acid, firing test, ignition process

## ABSTRAK
Enjin roket cair ECX1000H2-3 telah dikembangkan dengan mengadopsi  injektor konfigurasi baru untuk meningkatkan gaya dorong yang telah dicapai enjin sebelumnya.  Injektor baru mempunyai jumlah lubang fuel dan oksidator masing-masing sebanyak 54 dan 156 dengan diameter sebesar 1 mm. Bentuk  elemen  injektor  telah  dimodifikasi  untuk  meningkatkan  debit  propelan.    Uji  statik  telah dilakukan  untuk  menguji  kinerja  sistem  enjin  secara  keseluruhan.    Hasil  pengujian  mencatat  gaya dorong  dan  tekanan  rata-rata  sebesar  730  kgf  dan  22,6  bar  atau  meningkat  19,7%  dari  hasil  enjin sebelumnya, namun masih 84 % lebih rendah dari prediksi berdasarkan hasil uji injector dikarenakan kinerja sistem pengumpan yang tidak optimal.  Selain itu,  terjadi ledakan kecil saat penyalaan karena akumulasi propelan yang tidak terbakar akibat terbatasnya area kontak api penyalaan dengan propelan.
Kata kunci: enjin roket cair, asam nitrat, kerosen, uji statik, proses penyalaan.

## 1 PENDAHULUAN
Enjin  roket  cair  dengan  propelan pasangan asam nitrat dan kerosene telah mulai  dikembangkan  sejak  tahun  2008 dengan  dimulainya  perancangan  enjin ECX300H1  bergaya  dorong  300  kgf.
Pengembangan  tersebut  dimaksudkan sebagai  langkah  awal  membangun sistem  enjin  berbasis  propelan  cair secara  keseluruhan  sebelum  masuk pada  tahapan  rancang  bangun  enjin bergaya  dorong  1  ton.    Uji  statik  enjin ECX300H1 pertama kali berhasil dilakukan  pada  tahun  2010  walaupun gaya  dorong  yang  dihasilkan  belum memenuhi target (Hakim, 2011), namun sistem  enjin  tahap  awal  telah  berhasil dilakukan  sebagai  landasan  untuk langkah selanjutnya.
Pada  tahapan  selanjutnya,  enjin ECX1000H yang didesain untuk menghasilkan  gaya  dorong  1  tonf  telah diuji dalam uji statik (Hakim, 2015) dan menghasilkan  gaya  dorong  rata-rata sebesar  610  kgf  dan  gaya  dorong maksimum sebesar 670 kgf, lebih rendah dari rancangannya.  Penyebabnya adalah karena  tidak  optimalnya  kinerja  sistem pengumpan  dan  injektor.    Simulasi numerik  kemudian  dilakukan  untuk menganalisa  lebih  lanjut  kinerja  elemen injektornya      dan  membandingkannya dengan  desain  elemen  injektor  baru (Hakim, 2017).  Hasil simulasi membawa pada kesimpulan bahwa terjadi penurunan luas penampang efektif pada lubang  injektor  karena  bentuknya sehingga  besar  Cd  hanya  0,753  dan desain  baru  dapat  meningkatkan  Cd sebesar 12 persen.
Permasalahan kinerja injektor merupakan hal yang krusial pada sistem propulsi  roket  berbasis  propelan  cair, sehingga  sampai  saat  ini  pun  masih dilakukan riset-riset baik secara eksperimental maupun numerik (Hakim, 2015)  untuk  memperoleh  injektor  yang
efisien  yang  mampu  mengkabutkan propelan dengan baik.
Selain  masalah  mekanisme  untuk menghasilkan gaya dorong yang diinginkan melalui pengembangan injektor  yang  efisien,  permasalahan krusial lainnya adalah proses penyalaan awal  enjin  seiring  dengan  bertambah besarnya  gaya  dorong.      Idealnya propelan harus secepat mungkin terbakar  dan  delay  waktu  pembakaran harus sekecil mungkin untuk mengurangi kemungkinan ledakan akibat  akumulasi  propelan  yang  tidak terbakar  (Sutton,  2016).    Studi  terkait proses penyalaan seperti yang dilakukan oleh  Park  dkk  (2017)  telah  banyak dilakukan  sesuai  dengan  karakteristik masing-masing enjin yang digunakan.
Pada  riset  ini  telah  dilakukan pengembangan enjin ECX1000H2-3 yang menggunakan  injektor  konfigurasi  baru untuk  meningkatkan  gaya  dorong  dari yang pernah dicapai oleh enjin
ECX1000H2-2 sekaligus untuk mempelajari
dan menganalisis
mekanisme penyalaan enjin.
2

## ENJIN ECX1000H2-3
Enjin  ECX1000H2-3  adalah  enjin
seri ECX1000H generasi kedua rancangan ketiga yang didesain menghasilkan gaya dorong sebesar 1 ton pada  tekanan  ruang  bakar  sebesar  30 bar  dengan  menggunakan  asam  nitrat dan  kerosene  sebagai  oksidator  dan fuelnya. Gas inert bertekanan digunakan untuk mendistribusikan propelan  dari  tangki  menuju  ruang bakar.    Asam  nitrat  dialirkan  melalui inlet  oksidator  di  bagian  cap  enjin  dan kerosene  melalui  inlet  fuel  di  dinding samping  ruang  bakar  sebelum  inlet nosel.    Kerosen  berfungsi  sekaligus untuk  mendinginkan  dinding  ruang bakar  sebelum  masuk  ke  injektor.
Konstruksi  enjin  ECX1000H2-3  secara
garis  besar  hampir  sama  dengan  enjin ECX1000H2-2  yang  ditunjukkan  pada
Gambar 2-1. Spesifikasi dan karakteristik  dasar  enjin  hasil  desain tersebut ditunjukkan pada Tabel 2-1.
Secara  umum  spesifikasi  propulsi enjin tidak berubah dari enjin sebelumnya (Hakim,
2015), yang meliputi  diameter  dalam  ruang  bakar, diameter throat dan diameter exit nosel. Masing-masing sebesar 147 mm, 52 mm dan  124  mm.    Selain  itu,  ada  beberapa perubahan  pada  konstruksi  sistem penyalaan  dan  konstruksi  luar  enjin, seperti  ketebalan  dinding,  bentuk  cap, nosel dsb.
Tekanan ruang bakar enjin didesain  30  bar  untuk  menghasilkan gaya  dorong  1  tonf,  dan  memerlukan debit  fuel  dan  oksidator  sebesar  1,13 liter/detik dan 2,39 liter/detik.
Gambar 2-1: Enjin ECX1000H2-2 (Hakim, 2015)
Tabel  2-1:  KARAKTERISTIK  DASAR  DESAIN

## ENJIN ECX1000H2-3
Property Simbol Value Satuan Gaya dorong maksimum  F 1000 kgf Tekanan ruang bakar maksimum p 0 30 Bar Temperatur ruang bakar maksimum T 0 2994   Kelvin Impuls spesifik I sp 237 detik Debit oksidator Q O 2,39 l/sec Debit fuel Q F 1,13 l/sec Diameter ruang bakar D rb 147 mm Panjang ruang bakar L rb 231 mm Diameter throat nosel D th 52 mm Diameter exit nosel D e 124 mm
Injektor  yang  digunakan  adalah injektor  IJ-KH-1T-2-3  yang  mempunyai konstruksi  yang  mirip  dengan  injektor enjin sebelumnya (Hakim, 2015) namun telah  dimodifikasi  pada  bentuk  lubang injektornya dan ada penambahan jumlah lubangnya.  Bentuk lubangnya mengacu pada hasil simulasi CFD (Hakim, 2017). Gambar  2-2  menunjukkan  permukaan injektor di sisi ruang bakar.  Seperti yang ditunjukkan  pada  gambar  tersebut, injektor  IJ-KH-1T-2-3  mempunyai  54 lubang  fuel  dan  156  lubang  oksidator yang masing masing mempunyai
diameter 1 mm.
Gambar  2-3  menunjukkan  igniter piroteknik yang digunakan untuk penyalaan  awal.    Isian  primer  igniter berupa  propelan  padat  komposit  HTPB dengan konfigurasi propelan end burning.  Squib yang dipasang pada dua lubang squib digunakan sebagai pemicu penyalaan  awal.      Proses  penyalaan  ini dipercepat dan diperkuat dengan
penambahan  black  powder  dan  pellet AlNO,  sehingga  akan  lebih  mudah membakar isian primer.
Gambar 2-3: Igniter piroteknik
Gambar 2-4:   Separasi aliran over-expanded pada nosel (Frey, 2001)
Proses  penyalaan  enjin  dilakukan dengan  terlebih  dahulu  menyalakan igniter  sebelum  propelan  cair  masuk ruang bakar untuk menghindari terjadinya ledakan.  Reaksi pembakaran antara  fuel  dan  oksidator  kemudian menghasilkan  gas  hasil  pembakaran dengan  tekanan  dan  temperature  tinggi dan  kemudian  dialirkan  dan  dipercepat dengan nosel divergen-konvergen sehingga  menghasilkan  gaya  dorong. Jika  tekanan  ruang  bakar  dan  panas spesifik  diketahui,  maka  gaya  dorong pada  suatu  motor  roket  dengan  luas throat  dan  exit  nosel  tertentu  dapat dihitung  dengan  persamaan  (2-3), dengan  rasio  tekanan  ruang  bakar  dan
exit nosel diperoleh dari persamaan (2-1) dan (2-2) (Matsuo, 1994).
Gaya  dorong  optimum  diperoleh pada saat tekanan gas di exit nosel sama dengan tekanan udara di luar nosel.  Jika tekanan  gas  di  exit  lebih  rendah  ( over expanded ), gaya dorong akan berkurang. Dan jika lebih rendah dari batas tekanan tertentu, aliran di nosel akan mengalami separasi dan pada saat itu, gaya dorong tidak  dapat  dihitung  menggunakan persamaan  (2-3).    Ilustrasi  separasi aliran ditunjukkan pada Gambar 2-4.
Untuk  menghitung  batas  tekanan terjadinya  separasi  (tekanan  separasi), dapat menggunakan metoda yang relative  simpel  seperti  pada  persamaan (2-4)  (Kalt  dan  Badal,  1965),  atau persamaan  (2-5)  (Schilling,  1962)  untuk nosel  bel  pendek.    Untuk  keperluan analisis  hasil  uji  statik,  prediksi  gaya dorong  menggunakan  tekanan  ruang bakar  dilakukan  pada  saat  tekanan  di atas  tekanan  separasi  yang  dihitung menggunakan persamaan (2-5).
𝐴 " 𝐴 # = 1 𝑀 𝛾 − 1 𝑀 ) + 2 𝛾 + 1 ,-. ) ,/. (2-1)
𝑝 1 𝑝 " = 1 + 𝛾 − 1 2 𝑀 ) , ,/. (2-2) 𝐹 = 𝑝 1 𝐴 # 𝛾 2 𝛾 + 1 ,-. ,/. 2𝛾 𝛾 − 1 1 − 𝑝 " 𝑝 1 ,/. , + 𝑝 " 𝑝 1 − 𝑝 3 𝑝 1 𝑝 " 𝑝 1 . , 2𝛾 𝛾 − 1 1 − 𝑝 " 𝑝 1 ,/. , (2-3)
𝑝 4"5 𝑝 3 = 2 3 𝑝 7 𝑝 3 / . 9 (2-4)
𝑝 4"5 𝑝 3 = 0,583 𝑝 7 𝑝 3 /1,.>9 (2-5)

## 3 METODOLOGI
Prosedur rangkaian pengujian enjin ditunjukkan  pada  Gambar  3-1.    Secara garis  besar,  tahapan  pengujian  terbagi menjadi  3,  yaitu  tahapan  persiapan, tahapan  pengujian  pra  uji  statik,  dan tahapan utama, yaitu uji statik.
Sebelum  dilakukan  uji  statik, persiapan  dan  pengujian  dilakukan untuk  memastikan  fungsi  dan  kinerja komponen  uji,  seperti  igniter,  sistem valve,  piping,  serta  seluruh  alat  dan prasarana,  seperti test  bed , data recorder ,  sensor,  kamera, firing  system , controller , dsb.
Uji debit dan pengkabutan Uji igniter Uji timing injeksi dan penyalaan Uji alir pra uji statik Uji statik Persiapan dan pengecekan peralatan dan bahan uji Kalibrasi sensor P E R S IA P A N P E N G U JI A N P R A U JI S T A T IK U JI S T A IK Uji alir pra uji debit
Gambar 3-1: Prosedur pengujian enjin roket cair ECX1000H2-3

## 3.1  Uji sistem igniter
Uji  sistem  igniter  dilakukan  untuk memastikan  igniter  berfungsi  dengan baik, dapat mensuplai energi yang cukup dengan  panjang  waktu  dan timing yang tepat.    Ada  dua  pengujian  yang dilakukan, yaitu uji squib dan uji igniter. Uji squib dilakukan  untuk  memastikan
fungsi firing system,  proses  penyalaan squib dan konsistensi penyalaannya.   Uji igniter  dilakukan untuk  melihat  secara visual kontinuitas penyalaan, intensitas, lama  waktu  pembakaran,  delay  time penyalaannya.    Selain  itu  juga  akan dilihat  kondisi  struktur  igniter  selama penyalaan.

## 3.2  Uji Debit dan Pengkabutan
Uji  debit  dan  uji  pengkabutan dilakukan  secara  bersamaan  untuk mengukur  debit  riil  propelan  yang mampu dialirkan pada tekanan tertentu dan tingkat pengkabutannya.
Uji debit propelan dilakukan secara sederhana  dengan  mengukur  berapa waktu  yang  dibutuhkan  untuk  volume tertentu propelan pada tekanan tertentu gas  pendorong.    Pengukuran  waktu dilakukan  dengan  menggunakan  high speed  camera  yang  merekam  aliran propelan.    Dengan  pertimbangan  biaya dan  tingkat  resikonya,  dalam  pengujian ini,  air  digunakan  sebagai  pengganti oksidator,  sedangkan  kerosen  tetap digunakan  sebagai  fuel.    Debit  asam nitrat dihitung menggunakan data  debit air hasil pengukuran dengan
menyesuaikan densitasnya. Skema  uji  kabut  dan  uji  debit ditunjukan pada Gambar 3-2.
Rangkaian  uji  debit  dibuat  sedekat mungkin  dengan  kondisi  saat  uji  statik agar  hasil  yang  didapat  tidak  berbeda. Seperti  ditunjukkan  pada  gambar, rangkaian  uji  debit  terdiri  dari  tabung gas  nitrogen  yang  berisi  gas  bertekanan tinggi,  tangki  propelan,  injektor  serta controller .  Gas nitrogen disuplai dari dua tabung untuk memenuhi debit gas yang dibutuhkan.    Antara  tabung  gas  dan tangki  propelan  dihubungkan  dengan pemipaan  yang  dilengkapi  dengan valve dan pressure  regulator untuk  mengatur tekanan suplai gas yang diinginkan.  Dari tangki propelan masing-masing dihubungkan  dengan  pemipaan  yang
dilengkapi dengan solenoid valve sebagai valve utama untuk mengalirkan propelan, dan  katup  anti  balik.    Dua  injektor digunakan masing-masing untuk pengukuran debit kerosen dan air.  Posisi riil pemasangan injektor pada pengujian ini ditunjukkan pada Gambar 3-3.
Gambar  3-2 : Skema uji pengkabutan dan uji debit injector.
Gambar 3-3:   Setting injektor di test bed untuk uji debit propelan.
Prosedur pengujian dilakukan dengan  mengisi  tangki  propelan  dengan kerosen dan air masing-masing sebesar 6 liter  dan  8  liter.    Kemudian,  dalam kondisi  tangki  propelan  dan  solenoid
valve tertutup,  tabung nitrogen dibuka, gas  dialirkan  ke  tangki  dan  diatur tekanannya  dengan  pressure  regulator. Tekanan diatur bervariasi setiap pengujian dari tekanan 10 bar sampai 50 bar dengan kenaikan 10 bar.  High speed camera Exilim RZ200 dengan kecepatan 240  fps  digunakan  untuk  merekam aliran propelan yang keluar dari injektor. Data visual ini kemudian akan digunakan untuk menentukan waktu alir propelan sampai habis.
Uji  pengkabutan  dilakukan  hanya dengan  pengamatan  langsung  dan perekaman  data  visual  dengan high speed  camera untuk  melihat  kondisi pengkabutannya.
3.3  Uji Timing Uji timing dilakukan untuk menentukan timing penyalaan  dan injeksi masing-masing propelan. Penentuan timing ini  akan  sangat menentukan  keberhasilan  dari  proses penyalaan. Timing yang  salah  dapat menyebabkan ledakan saat uji statik.

## 3.4  Uji statik
Uji  statik  adalah  fase  terakhir pengujian darat enjin untuk mengetahui kinerja sistem enjin secara keseluruhan, meliputi feed  system ,  sistem  igniter, sistem kontrol enjin dan enjin itu sendiri. Parameter  utama  yang  diukur  dalam pengujian  ini  adalah  gaya  dorong  dan tekanan.

## 3.4.1  Skema dan Peralatan Uji statik
Uji statik dilakukan dengan skema pengujian seperti yang ditunjukkan pada Gambar  3-4.    Skema  ini  hampir  sama dengan  skema  uji  debit.    Perbedaannya adalah  setelah  solenoid  valve,  dua injektor  diganti  dengan  enjin  lengkap dengan  igniternya.    Katup  anti  balik dipasang  untuk  mencegah  terjadinya tekanan  balik  jika  terjadi  tekanan  di
ruang  bakar  yang  melebihi  tekanan tangki.  Pipa  oksidator  tersambung  di bagian  cap  enjin,  sedangkan  pipa kerosen  tersambung  di  bagian  belakang dinding ruang bakar enjin di bagian inlet nosel.  Enjin dipasang secara horisontal pada  test  bed  yang  ada  di  laboratorium pengujian  roket  cair  di  Pusat  Teknologi Roket LAPAN. Gambar 3-5 menunjukkan kondisi  enjin  pada  test  bed  sebelum  uji statik.
Untuk  mengukur  gaya  dorong, digunakan  loadcell  yang  dipasang  pada dinding test bed yang langsung bersentuhan  dengan  bagian  tengah adapter  yang  menempel  di  cap  enjin, segaris  dengan  enjin.  Untuk  mengukur tekanan ruang bakar, pressure transducer  dipasang  di  bagian  inlet nosel.    Data  dari  load  cell  dan  pressure tranducer  yang  terpasang  di  enjin direkam  dengan  menggunakan  data recorder  Yokogawa  DL750  scopecorder. Selain  itu,  gauge  pressure  indicator dipasang pada tangki untuk pemantauan tekanan di lapangan.
Data visual diperoleh
dengan
memasang  beberapa  video  camera,  baik high speed maupun low speed.  Kamera Casio exilim EX-ZR200 dengan kecepatan  240  fps  yang  dipasang  di bagian-bagian tertentu yang menjadi titik fokus analisis seperti di bagian exit nosel dan bagian igniter.

## 3.4.2 Kondisi Uji statik
Kondisi  pengujian  ditunjukkan pada Tabel 3-2.  Volume asam nitrat dan kerosene  masing  masing  8  liter  dan  6 liter.    Gas  nitrogen  dialirkan  ke  tangki yang  berisi  propelan  dengan  tekanan sebesar 60 bar.
Proses  penyalaan  dimulai  dengan mengirimkan arus listrik untuk menyalakan  squib  dan  kemudian  akan menyalakan black powder, pellet propelan  dan  isian  primer  igniter. Penyalaan  squib  diatur  0,5  detik  lebih
cepat  daripada  waktu  pembukaan solenoid  valve,  agar  ketika  propelan masuk  ke  ruang  bakar  langsung  bisa terbakar.

## Tabel 3-2:  KONDISI PENGUJIAN ENJIN
Item Material Volume/Tekanan Fuel Kerosene 6 liter Oxidizer Nitric Acid 8 liter Feeder gas Nitrogen 60 bar
Gambar 3-4: Skema uji statik roket cair
Gambar 3-5:   Setting enjin di test bed sebelum uji statik

## 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1  Kinerja  Sistem  Pengumpan  dan
Injektor IJ-KH-1T-2-3
Pada  Gambar  4-1  ditunjukkan kondisi  pengkabutan  air  saat  uji  debit. Dari  pengamatan  dan  data  visual  dapat dilihat secara kualitatif hasil pengkabutan  dari  injektor  ini  cukup baik.  Aliran air relatif lurus dan merata dengan  pola  pengkabutan  yang  cukup baik.    Aliran  air  di  bagian  dekat  lubang injektor juga secara visual terlihat relatif bagus.    Sudut  aliran  sesuai  dengan desainnya,  namun  ada  beberapa  arah aliran  yang  sudutnya  tidak  sesuai dengan  sudut  lubang  yang  dirancang.
Ini disebabkan karena
kualitas manufaktur injektor yang masih kurang
bagus.
Aliran kerosene seperti yang ditunjukkan  pada  Gambar  4-2  juga sudah  cukup  bagus,  tapi  masih  terlihat ketidaksimetrisan  aliran,  terutama  saat injeksi  hampir  selesai.    Penyebabnya kemungkinan  karena  O-ring  di  bagian dinding ruang bakar tidak rapat sehingga kerosene  juga  mengalir  melalui  celah tersebut  dan  mempengaruhi  kelurusan aliran.
Secara umum kualitas manufaktur injektor perlu ditingkatkan lagi agar lebih presisi,  khususnya  pada  pembuatan lubang injektor oksidator yang mempunyai  tingkat  kesulitan  tinggi dalam  pengeboran  karena  diameter lubang  hanya  1  mm  dan  mempunyai sudut.
Hasil penghitungan debit
ditunjukkan  pada  Gambar  4-3.    Pada grafik tersebut, dapat dilihat perbandingan  antara  fuel  dan  oksidator tidak  sesuai  dengan  data  desainnya. Kondisi  yang  ditunjukkan  pada  grafik tersebut menunjukkan kondisi fuel rich. Berdasarkan  data  desain,  seharusnya perbandingan debit antara oksidator dan fuel adalah 2,1 : 1.
Gambar  4-1:  Kondisi  pengkabutan  dari injektor oksidator saat uji debit pada tekanan gas 30 bar
Gambar  4-2:  Aliran  kerosene  saat  uji  debit pada tekanan gas 30 bar
Gambar 4-3: Hasil uji debit injektor
4.2  Uji  Igniter  dan  Uji Timing

## Penyalaan
Gambar  4-4  menunjukkan  proses uji  penyalaan  igniter.    Dari  pengukuran melalui  high  speed  camera,  dapat diketahui  waktu  penyalaan  igniter adalah  2,3  detik  dengan  delay  antara penyalaan squib dan keluarnya api dari exit  igniter  adalah  0,3  detik.    Waktu penyalaan  ini  lebih  pendek  dari  yang ditargetkan, yaitu selama 3 detik, namun masih  dapat  menyalakan  propelan  di
ruang  bakar  karena  waktu  kontak  api igniter  dengan    propelan  cair  lebih  dari satu detik.
Dari sisi material, waktu penyalaan  igniter  selama  2,3  detik  ini menyebabkan  material  igniter  di  bagian exit  membara.    Namun  diperkirakan secara langsung tidak ada pengaruhnya terhadap struktur enjin atau pembakarannya.
Gambar 4-4: Pengujian penyalaan igniter
Pengujian pra uji statik lain yang sangat  penting  adalah  uji timing penyalaan  dan  injeksi.    Keterlambatan timing penyalaan  dapat  menyebabkan ledakan  karena  api  masuk  pada  saat propelan  sudah  terakumulasi  di  ruang bakar.  Dari hasil pengujian, ditentukan bahwa timing penyalaan  igniter  adalah
0,5  detik  lebih  awal  dari  waktu  injeksi dan waktu bukaan keempat valve, yakni valve fuel 1, valve fuel 2, valve oksidator
1  dan  valve    oksidator  2.    Gambar  4-5
menunjukkan uji timing yang dilakukan bersamaan dengan uji alir pra uji statik.
Gambar 4-5:   Uji timing injeksi  propelan  dan penyalaan  squib  pada  tekanan 50 bar (tampak atas)

## 4.3    Hasil  dan  Analisis  Uji  statik Enjin ECX1000H-2-2
Gambar  4-6  menunjukkan  data visual  proses  pembakaran  dari  awal sampai akhir.  Beberapa hal yang dapat dilihat  pada  gambar  tersebut  adalah pada  awalnya  terdapat  api  tekanan rendah  yang  keluar  dari  exit  nosel, kemudian  terjadi  pembakaran  dengan tekanan  kuat  sehingga  semburan  api mengembang  sangat  cepat,  kemudian muncul semburan gas warna hitam yang keluar  dari  nosel  yang  diiringi  dengan semburan  api  di  belakangnya.  Setelah itu,  semburan  api  melemah  dan kemudian padam.

## Gambar 4-6: Proses pembakaran
Api  tekanan  lemah  di  awal pembakaran  adalah  sisa  kerosene  dari uji  pengkabutan  yang  menempel  pada dinding ruang bakar yang terbakar oleh penyalaan  igniter.    Api  ini  kemudian hilang  tersapu  oleh  derasnya  aliran propelan  dari  injektor.    Disusul  dengan timbulnya ledakan dan kemudian aliran gas  hasil  pembakaran  yang  diselimuti gas warna hitam.
Gambar  4-7  menunjukkan  data visual pembakaran dari sisi lain.  Setelah ledakan  semburan  gas  berubah  warna menjadi  hitam  akibat  rontokan  grafit. Salah  satu  rontokan  grafit  yang  cukup besar mengalir keluar dan beberapa saat
agak  menyumbat  aliran  gas  panas  dari ruang bakar.
Time  history proses  pembakaran dirangkum pada Tabel 4-1.  Data tabel ini disusun  berdasarkan  data  visual  dari video  high  speed  dengan  kecepatan  240 fps.  Untuk  memudahkan  analisis, pengambilan  acuan  waktu  disesuaikan dengan  data  gaya  dorong,  dengan  detik ke-0 diset pada saat terjadinya ledakan.
Dari  data  di  tabel  tersebut,  dapat diketahui  bahwa  pembakaran  penuh terjadi  1,33  detik  setelah  api  dari  squib pertama  kali  terlihat  keluar  dari  exit nosel.
Pada  saat  pembakaran  awal  ini pula  terjadi  ledakan  yang  menyebabkan enjin  terdorong  ke  depan  oleh  impact akibat  ledakan.    Namun  setelah terjadinya ledakan,
gas
hasil
pembakaran tetap secara normal mengalir  lurus  keluar  nosel  walaupun disertai  warna  hitam.      Pembakaran mulai  berakhir  pada  detik  ke-3  ketika gaya dorong mulai menurun.
Gambar  4-8  menunjukkan  grafik gaya dorong yang diukur dengan loadcell. Dari data tersebut dapat diketahui gaya dorong  maksimal  yang  dicapai  adalah 900  kgf  pada  saat  terjadinya  ledakan.
Kemudian gaya dorong
tersebut
langsung  turun  menjadi  sekitar  800  kgf dan turun secara gradual hingga menjadi 700 kgf dan agak flat.  Setelah itu turun sedikit lagi
sampai kemudian pembakaran berakhir pada detik ke-3. Gambar 4-9 menunjukkan tekanan ruang bakar enjin pada saat uji statik. Dapat
dilihat di awal pembakaran,  bentuk  grafik  tekanan ruang bakar tidak identik dengan bentuk grafik  gaya  dorong.    Artinya  bahwa naiknya gaya dorong pada saat penyalaan  bukan  disebabkan  dari  gas hasil  pembakaran  di  ruang  bakar  yang mendorong ke depan, namun karena  ada
penambahan gaya dorong akibat ledakan di belakang nosel yang mendorong enjin ke arah depan.

## Gambar 4-7: Proses awal pembakaran

## Tabel 4-1: TIME HISTORY PEMBAKARAN
Waktu (detik) Data kamera -1,33 Squib keluar dari igniter -0,28 Selang inlet fuel mulai bergerak -0,18 Semburan propelan yang tidak menyala -0,15 Jet gas pembakaran mulai keluar -0,14 Propelan di luar terbakar penuh 0,00 Penyalaan awal (Ledakan) 0,40 Penyumbatan oleh grafit 1,73 Fluktuasi tekanan jet 2,22 Fluktuasi tekanan jet 2,95 Finalisasi pembakaran. 3,25 Fluktuasi saat finalisasi pembakaran
Gambar 4-8: Tekanan ruang bakar
Gambar 4-9: Gaya dorong hasil uji
Gambar 4-10: Gaya dorong hasil penghitungan dari tekanan ruang bakar
Gambar 4-10 menunjukkan perbandingan gaya dorong yang
dihasilkan oleh gas  hasil pembakaran di ruang  bakar  yang  dihitung  dari  data tekanan  ruang  bakar  menggunakan persamaan  (2-1)  sampai  (2-5),  dan  gaya dorong  yang  terukur  di  loadcell. Fenomena-fenomena yang terjadi seperti ledakan,  penyumbatan  oleh  grafit, fluktuasi tekanan dan finalisasi
pembakaran  seperti  yang  dijelaskan pada  Tabel  3,  waktu  kejadiannya ditunjukkan  dengan  angka    dan  tanda panah  pada  grafik  tersebut.  Angka  1 menunjukkan saat terjadinya ledakan di mana ada dorongan akibat pembakaran mendadak  dari  kabut  propelan  yang terpapar  di  udara  di  belakang  nosel. Angka 2 menunjukkan terjadinya kenaikan tekanan dan gaya dorong yang disebabkan  adanya  sumbatan  pada throat  nosel  beberapa  saat.    Sumbatan ini  disebabkan  oleh  pecahan  grafit  inlet nosel  akibat  impact  dari  ledakan  di belakang  nosel,  yang  mengalir  keluar. Angka  3  dan  4  menunjukkan  fluktuasi aliran  yang  diprediksi  disebabkan  oleh perubahan  debit  asam  nitrat  karena kebocoran.  Angka 5 menunjukkan saat- saat  mulai  berakhirnya  pembakaran. Tekanan gas mulai turun drastis.
data uji statik
4.3.1 Terjadinya Ledakan
Proses terjadinya
ledakan dijelaskan dengan ilustrasi Gambar 4-11. Sebelum  dilakukan  uji  statik,  uji  alir dilakukan dengan menggunakan air dan kerosene  yang  menyisakan  kerosene menempel  di  dinding  ruang  bakar  dan nosel, sehingga pada saat uji penyalaan awal  uji  statik,  sebelum  propelan diinjeksikan  ke  ruang  bakar,  sisa kerosene  yang  menempel  di  dinding ruang  bakar  dan  nosel,  terbakar  seperti api  biasa.    Tidak  terjadi  kenaikan tekanan  yang  berarti.      Ketika  injeksi propelan  mulai  masuk  ke  ruang  bakar, api yang menyala tersapu keluar, namun masih  tersisa  api  yang  membakar  uap kerosene  di  luar  enjin.    Sementara  itu, konstruksi  igniter  yang  menghasilkan semburan  api  lurus  keluar  nosel menyebabkan  igniter  tidak  mampu membakar  seluruh  propelan  di  ruang bakar  dalam  waktu  yang  cepat.    Igniter hanya  membakar  sebagian  propelan yang  langsung  bersentuhan  dengan nyala  igniter,  sehingga  kerosene  dan asam  nitrat  yang  tidak  terbakar  keluar menambah  kabut  propelan  di  luar.
Kondisi  udara  di  luar  enjin  yang mengandung kabut propelan dan
terdapatnya api di luar menyebabkan api di  belakang  nosel  menyambar  propelan yang
belum
terbakar dan pembakarannya  mengembang  secara cepat sehingga menimbulkan ledakan di belakang nosel.  Tekanan ledakan  terjadi dalam  waktu  yang  sangat  singkat,  dan menjadi  beban  impact  yang  mendorong nosel ke arah depan dan menambah gaya dorong  yang  dihasilkan  pembakaran  di dalam  ruang  bakar.    Beban  impact  ini kemudian  menjadi  penyebab  rontoknya grafit yang berada di dalam nosel bagian inlet. Rontokan grafit kemudian mengalir,  menyumbat  throat  beberapa saat,  menambah  tekanan  dan  gaya dorong, kemudian akhirnya keluar nosel
menyelimuti gas yang keluar dari ruang bakar, sehingga  menyebabkan aliran gas hasil  pembakaran  menjadi  berwarna hitam.
Gambar  4-11:  Ilustrasi  proses  penyalaan  dan timbulnya ledakan

## 4.3.2  Analisis Kinerja Propulsi
Hasil  pengujian  menunjukkan bahwa  gaya  dorong  enjin  ECX1000H2-3 yang  diperoleh  pada  uji  statik  rata-rata 730 kgf atau 19,7% lebih tinggi dari gaya dorong  rata-rata  yang  diperoleh  enjin ECX1000H2-2  (Hakim,  2015).    Gaya dorong  maksimum  mencapai  900  kgf. Tingginya  gaya  dorong  maksimum  ini lebih disebabkan oleh adanya penambahan  gaya  dorong  sesaat  oleh dorongan  akibat  ledakan.      Tekanan ruang  bakar  rata-rata  adalah  22,5  bar dengan  tekanan  pada  saat  penyalaan awal adalah 20 bar.  Waktu pembakaran dihitung  3  detik.    Pada  tekanan  ruang bakar  22,5  bar,  berdasarkan  data  hasil
pengujian debit seperti pada Gambar 4-3, dapat  dihitung  debit  asam  nitrat  dan kerosen masing masing adalah 2 liter per detik  dan  1,6  liter  per  detik.    Artinya asam  nitrat  8  liter  dan  kerosen  6  liter akan habis dalam waktu masing masing 4  detik  dan  3,75  detik.    Debit  tersebut cukup  untuk  menghasilkan  tekanan ruang bakar sebesar 26 bar, atau 3,5 bar lebih tinggi dari hasil uji statik.
Dalam  pengujian,  pembakaran selesai  dalam  waktu  sekitar  3,46  detik dan  jika  ditambahkan  dengan  waktu propelan  pertama  kali  masuk  ruang bakar (pada 0,28 detik sebelum ledakan), durasi aliran kerosen adalah sekitar 3,74 detik,  sesuai  dengan  waktu  yang dihitung dari debitnya,  atau dengan kata lain  debit  kerosen  saat  uji  statik  juga sesuai  dengan  hasil  uji  debit,  sehingga rendahnya tekanan gas hasil pembakaran di ruang bakar disimpulkan disebabkan  oleh  rendahnya  debit  asam nitrat yang masuk ke ruang bakar.  Dari data  visual  diketahui  aliran  asam  nitrat berakhir  sekitar  detik  ke-4,31  dan  jika dimasukkan  massa  aliran  sebelum ledakan sebesar 0,28 detik maka waktu alir asam nitrat adalah sekitar 4,6 detik. Dengan  hitungan  kasar,  debit  asam nitrat  adalah  sekitar  1,74  liter/detik, yang  dapat  menghasilkan  gas  hasil pembakaran  dengan  tekanan  22,7  bar, mendekati  nilai  hasil  uji  statik.    Dapat disimpulkan  bahwa  rendahnya  tekanan ruang bakar sekitar 86 persen dari hasil perhitungan prediksi adalah karena debit asam  nitrat  lebih  rendah  dibandingkan dengan data hasil uji debit.  Penyebabnya kemungkinan  karena  tidak  optimalnya sistem  valve.    Ada  juga  kemungkinan disebabkan  karena  adanya  kebocoran asam  nitrat  di  bagian  cap  enjin,  yang dapat  menyebabkan  debit  asam  nitrat yang  masuk  ke  ruang  bakar  enjin  lebih rendah  dari  yang  seharusnya.    Namun tidak ada data visual yang
memperlihatkan  kebocoran  terjadi  pada saat pembakaran berlangsung.
Kebocoran yang terdeteksi terjadi setelah pembakaran hampir selesai, seperti yang ditunjukkan pada gambar 4-12.
Kemungkinan penyebab kebocoran
adalah kerusakan O-ring pada cap enjin.
Gambar  4-12:  Kebocoran  pada  cap  di  akhir pembakaran

## 5 KESIMPULAN
Uji  statik  enjin  ECX1000H2-3 sebagai  tahap  akhir  rangkaian  kegiatan peningkatan
performa enjin ECX1000H2-2,  telah  dilakukan.    Dari pengujian tersebut dapat diketahui gaya dorong  dan  tekanan  rata-rata  yang dihasilkan adalah 730 kgf dan 22,6 bar, atau 84% dari yang diprediksi berdasarkan hasil uji debit propelannya. Dari hasil analisis data visual, diketahui rendahnya  gaya  dorong  ini  disebabkan debit  asam  nitrat  yang  lebih  kecil dibandingkan  dengan  hasil  uji  debit injektor.      Debit  asam  nitrat  hanya sekitar  1,74  liter/detik,  sehingga  secara teoritik  hanya  mampu  menghasilkan tekanan ruang bakar maksimal 22,7 bar dan  gaya  dorong  maksimal  727  kgf mendekati hasil uji statik. Kecilnya debit asam  nitrat  dari  yang  seharusnya kemungkinan karena ada kebocoran dan gangguan  atau  kerusakan  sehingga menyebabkan tidak optimalnya solenoid valve.
Saat penyalaan awal, terjadi ledakan yang disebabkan penyalaan oleh igniter  hanya  menjangkau  propelan dalam  area  yang  terbatas  sehingga penyalaan  dalam  ruang  bakar  sedikit terlambat.  Propelan yang tidak terbakar tersembur  keluar  dalam  bentuk  uap propelan, dan tersambar api yang ada di luar  sehingga  menimbulkan  ledakan, mendorong  nosel  ke  depan,  dan menyebabkan  ujung  grafit  inlet  nosel pecah  dan  keluar  dalam  bentuk  serbuk hitam.
Namun  gaya  dorong  enjin  ini  naik 19,7%  dibanding  enjin  sebelumnya, yakni enjin ECX1000H2-2 .

## UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan  terima  kasih  disampaikan kepada  Kepala  Pusat  Teknologi  Roket,
LAPAN dan seluruh staf pengujian, atas dukungannya pada riset ini.

## DAFTAR RUJUKAN
Hakim,  A.  N.,  (2011). Analisis  Propulsi  Enjin Roket  Cair  RCX300H  dengan  Storable Propellant  Asam  Nitrat  dan  Kerosen,
Prosiding  SIPTEKGAN  XV-2011,  ISBN 978-979-1458- 51-1.
Hakim,  A.  N.,  (2015). Rancang  Bangun  Enjin Roket Cair Dengan Gaya Dorong 1000 Kgf Menggunakan  Propelan  Asam  Nitrat  – Kerosen , Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.
13 No. 1, 71-85.
Hakim,  A.  N.,  (2017). Investigasi  Numerik  dan Peningkatan Kinerja Elemen Injektor Enjin Roket  Cair  ECX1000H2-2, Prosiding SIPTEKGAN  XXI-2017,  ISBN:  978-602- 71833-3-9.
Son, M., Yu, K., Radhakrishnan, K., and Koo, J,
(2016). Design  Procedure  of  a  Movable
Pintle  Injector  for  Liquid Rocket  Engines, AIAA 2016-1453 Jose, J. T., (2015). Experimental
Characterization  of  a  Liquid  Oxygen Isrosene Based Single Element Injector for a  Liquid  Rocket  Engine, International
Journal  of  Engineering  Studies  and Technical Approach, Vol. 01, No.6 Hakim,  A.  N.,  (2015). Investigasi Aliran Fluida Pada  Elemen  Injektor  Berbasis  Pusaran
Untuk  Enjin  Roket  Cair. 291-300  pp.  In Bunga Rampai Hasil Litbangyasa: Teknologi  Pada  Pesawat  Terbang,  Roket,
dan  Satelit. Indonesian  Book  Project,
Jakarta.
Sutton,  G.  P.,  (2016). Rocket  Propulsion
Elements,  9 th Edition, Wiley,  ISBN:  978-
1118753651
Park, S. Y., Kim, Y. J., and Jeong, E. W., (2017).
Optimization of the Startup Sequence of a Liquid-propellant Rocket Engine,
Proceeding  of  7th  European  Conference for  Aeronautics  and  Space  Sciences
(EUCASS).
Matsuo, K., (1994). 圧縮性流体力学－内部流れの理
論と解析 , Rikogakusha.
Kalt  S.,  and  Badal  D.,  (1965). Conical  Rocket Nozzle Performanc under Flow - Separated Conditions ,  Journal  of  Spacecraft  and
Rockets, Vol. 2, No. 3, page 447 - 449.
Schilling M., (1962). Flow Separation in a Rocket Nozzle , M. S. Thesis, Univ. Buffalo.
Frey,
M., (2001). Behandlung von Strömungsproblemen in Raketendüsen bei
Überexpansion , Ph. D. Thesis, Universität Stuttgart.