## PERANCANGAN DAN ANALISIS INTEGRASI HYPERSONIC WAVERIDER–INLET SCRAMJET

## (DESIGN AND ANALYSIS OF HYPERSONIC WAVERIDER– SCRAMJET INLET INTEGRATION)
Deden Ridwan Malik *) , Romie Oktovianus Bura **)1 *) Alumnus Program Studi Aeronotika dan Astronotika, Institut Teknologi Bandung **) Kelompok Keahlian Fisika Terbang, Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara,
Institut Teknologi Bandung
1 e-mail: romiebura@ae.itb.ac.id

## ABSTRACK
Nowadays, several hypersonic vehicle designs have existed and waverider is one of  them.  Waverider  has  been  introduced  for  more  than  50  years  yet  only  a  few  have been  operated.  This  is  due  to  several  difficulties  in  design  processes  dan  propulsion system  integration.  The  present  research  was  conducted  by  designing  general  wedge- derived waverider and integrating it with scramjet inlet. The waverider design process is based  on  one-dimensional  flowfield  analysis,  while  the  scramjet  inlet  integration  is based  on  exergy  analysis.  Through  this  investigation,  a  design  variable  –  Exergy Destruction Rate (EDR) – would be obtained to correlate the waverider design with the integration of scramjet inlet.
Keyword: General  wedge-derived  waverider,  Scramjet  inlet,  Exergy  destruction  rate, Design and integration

## ABSTRAK
Hingga saat ini, sudah banyak desain wahana hipersonik yang telah hadir dan waverider adalah  salah  satunya. Waverider telah  diperkenalkan  lebih  dari  50  tahun namun  hanya  beberapa  wahana  yang  pernah  diterbangkan.  Ini  disebabkan  oleh beberapa kesulitan dalam proses perancangan dan integrasi sistem propulsi. Penelitian ini  dilakukan  dengan  mendesain general  wedge-derived  waverider dan  diintegrasikan dengan  inlet scramjet .  Proses  desain waverider ini  berdasarkan  pada  analisis  aliran satu  dimensi,  sementara  integrasi  inlet scramjet berdasarkan  pada  analisis exergy . Melalui investigasi ini, suatu variabel desain – laju penghancuran exergy (EDR) – dapat diperoleh untuk mengkorelasikan desain waverider dengan integrasi inlet scramjet Kata kunci: General wedge-derived waverider, Inlet scramjet, Laju penghancuran exergy, Perancangan dan integrasi

## 1  PENDAHULUAN
Wahana waverider diperkenalkan oleh Terrence  Nonweiler di  pertengahan abad  ke-20  sebagai  sebuah  solusi konfigurasi wahana hipersonik (Anderson, 1989;  Bertin,  1994).  Ini  dikarenakan waverider diyakini  mampu  memiliki efisiensi aerodinamika yang tinggi dibandingkan konfigurasi wahana hipersonik  konvensional,  semisal  X-15. Waverider sendiri juga dirancang
berbasiskan beberapa bentuk sederhana seperti  baji  ( wedge )  ataupun  kerucut ( cone ). Selain itu, untuk mampu terbang pada  bilangan  Mach  yang  tergolong tinggi  (M>5), scramjet merupakan  opsi mutlak  sebagai  sistem  propulsi air- breathing (Anderson,  1989;  Bertin, 1994).  Hal  ini  dikarenakan scramjet mampu  menjadi  sistem  propulsi air- breathing yang efisien, khususnya ketika dalam  fasa  jelajah. Scramjet atau
supersonic-combustion ramjet merupakan sistem propulsi hipersonik yang memiliki flowpath dengan  kecepatan  supersonik di  semua  bagian  sistemnya.  Hal  ini berbeda  dengan  sistem  propulsi ramjet konvensional  yang  memiliki flowpath dengan  kecepatan  subsonik  di  bagian tertentu dalam sistemnya, khususnya di bagian ruang bakar. Dari seluruh sistem propulsi scramjet , analisis integrasi inlet scramjet ini  sangat  penting  mengingat bahwa  bagian  inilah  yang  menyuplai udara  yang  diperlukan  dalam  proses pembakaran  dengan  bahan  bakar  di bagian ruang bakar untuk menghasilkan gaya dorong. Oleh karena itu, penelitian ini  menitikberatkan  korelasi  desain waverider dengan integrasi inlet scramjet .

## 2  METODOLOGI PENELITIAN
2.1 Prosedur Metodologi
Prosedur metodologi dapat dilihat pada  Gambar  2-1.  Perancangan  diawali dengan  membuat  konfigurasi waverider dengan  kode  program,  dengan  analisis aliran  satu  dimensi  (Anderson,  1990), sehingga  dihasilkan  koordinat  geometri. Dengan  perangkat  lunak  desain  CATIA, dari  koordinat  geometri  ini  didapatlah suatu bentuk waverider .
Lalu, perancangan  inlet scramjet dilakukan dengan  metode Exergy  Destruction  Rate (EDR)  atau  laju  penghancuran exergy , yang  dikembangkan  oleh  Markell  (2005) dan  Brewer  (2006),  dengan  mengubah- ubah parameter inlet scramjet . Kemudian  inlet scramjet dengan  nilai EDR  diintegrasikan  dengan  desain waverider .  Hasil  integrasi  ini  lalu dianalisis dan  divisualisasikan.
Exergy adalah  ukuran  potensi yang  dimiliki  suatu  sistem  yang berinteraksi  dengan  sistem  lainnya hingga  mencapai  kondisi  seimbang. Analisis exergy adalah  suatu  metode yang  menggunakan  hukum  kekekalan massa dan energi bersama-sama dengan hukum  termodinamika  kedua  untuk merancang  dan  menganalisis  suatu sistem termal.

## Gambar 2-1: Prosedur Metodologi
Hal-hal  yang  perlu  diperhatikan dalam  proses  perancangan  dan  analisis integrasi waverider-scramjet  inlet ini adalah:
• Konfigurasi  dari  integrasi waverider– scramjet inlet yang diperoleh merupakan konfigurasi dua dimensi,
• Artinya  evaluasi Exergy  Destruction Rate (EDR)  merupakan  evaluasi  bagi inlet scramjet saja  dengan  tambahan variasi  sudut  defleksi  permukaan forebody,
• Sehingga  pengaruh  tiga  dimensi  yang terdapat pada waverider tidak diperhitungkan,
• Selain  itu,  analisis  gesekan  antara permukaan  dengan  aliran  hanya dilakukan  pada  bagian  inlet  saja, sedangkan  pada  permukaan forebody dan  permukaan  bagian  atas  tidak diperhitungkan,
• Namun demikian, oleh karena permukaan bagian bawah dari intergasi waverider–scramjet inlet
memiliki  empat  buah oblique  shock wave ,  maka  evaluasi exergy  destroyed rate akibat  keberadaan  inlet scramjet dengan  variasi  sudut  defleksi oblique
shock dianggap cukup mewakili efisiensi  secara  keseluruhan  dari integrasi waverider–scramjet inlet .
2.2 General Wedge-Derived Waverider
Gambar  2-2: General  wedge-derived  waverider [Rasmussen, 1994]
Sebuah wedge-derived  waverider merupakan  sebuah waverider yang dirancang  berdasarkan  gelombang  kejut planar (2D)  yang  dihasilkan  oleh  suatu benda  berbentuk  baji/ wedge .  Dalam penelitian  ini,  dikembangkanlah general wedge-derived    waverider s  sebagaimana yang  didesain  oleh  Rasmussen  (1994), seperti pada Gambar 2-2.
Pada waverider, permukaan  atas yang  “bersih” disebut freestream  surface sementara  permukaan  bawah  yang ditutupi  oleh  gelombang  kejut  disebut compression surface.
Apabila base  plane merupakan penampang waverider di ,  maka freestream  surface  trailing  edge  curve dinyatakan sebagai:
(2-1)
Sedangkan planar  shock  surface dapat dinyatakan sebagai:
(2-2)
Perpotongan  antara planar  shock surface dengan freestream  surface yakni akan  memberikan  bentuk leading edge waverider :
(2-3)
Lalu, streamline pada compression surface yang  berawal  dari leading  edge dapat dinyatakan sebagai:
(2-4)
Persamaan  (2-2)  dan  (2-3)  bisa disubstitusikan ke (2-4) menghasilkan:
(2-5)

## Dengan
(2-6)
Persamaan (2-5) yang merupakan fungsi bentuk compression surface dapat dihubungkan  dengan freestream  surface melalui persamaan (2-1):
(2-7) Untuk mempermudah proses perhitungan,  dibuatlah  bentuk-bentuk nondimensional berikut:
Pada base  plane ,  perpotongan antara freestream surface dan compression  surface kembali  dinyatakan dalam variabel non-dimensional:
(2-8) (2-9) Ini  dikarenakan  diketahuinya dan di . adalah  sudut  anhedral  pada base plane . Panjang  setiap streamline yang sejajar  bidang  simetrinya  dapat  dicari dari persamaan berikut:
(2-10) Dengan merupakan maksimum di .
Hasil  perancangan  ini  dapat dilihat  pada  Gambar  2-3,  yaitu  berupa wahana waverider tiga  dimensi  dengan parameter M = 7, H = 30 km, = 1.4, = 15 o , = 50 o , l w = 1.0, dan = 0.5
Gambar  2-3: Konfigurasi tiga dimensi waverider
2.2 Perancangan dan
pemodelan
Scramjet Inlet Scramjet merupakan akronim dari Supersonic-Combustion Ramjet yang berarti ramjet
yang melakukan pembakaran  dengan  aliran  supersonik. Dalam penelitian ini, inlet scramjet yang dikaji  adalah mixed  external-internal compression yang terdiri atas tiga ramps , seperti pada Gambar 2-4 .
Gambar  2-4: Tipe inlet scramjet
Studi tentang shock system dalam inlet  hipersonik  ini  dapat  dilihat  pada tesis  Bura  (2004). Terdapat empat buah variabel  desain  yang  dijadikan input untuk  desain,  yaitu  panjang  horizontal forebody ( , panjang  horizontal  dari ramp pertama  ( ) dan ramp kedua (
),  serta  panjang  horizontal  dari
cowl  lip ( ).  Dasar  penentuan  dari
variabel-variabel tersebut
adalah
terjadinya kondisi “ shock-on-lip ”
Prosedur analisisnya adalah
sebagai berikut:
 Tentukan  keempat  variabel  desain  di atas
 A total bisa  dicari  dengan  persamaan berikut:
(2-11)
 Tentukan mass flow rate :
(2-12)
 Tentukan ketinggian dari forebody ( )
dengan menggunakan persamaan
(2-13)
 Sudut shockwave yang  keluar  dari
ramp pertama dengan panjang horizontal memiliki hubungan geometri ini:
(2-14)
 Dengan oblique  shockwave  equation (OSE),  sudut  defleksi ramp pertama ( ),  dan irreversibility -nya  bisa dihitung
 Tinggi ramp pertama dihitung dengan:
(2-15)
 Langkah 5-7 diulangi lagi hingga ramp
kedua  Dengan  mengetahui  sudut  defleksi forebody dan  semua ramp serta bilangan  Mach  di  depan cowl ( ), maka cowl  shock  angle ( )  dapat dihitung dengan OSE.
 Panjang dari ramp ketiga ( ) dapat dicari  dengan  hubungan  geometris yang tampak pada Gambar 2-5.
Gambar  2-5: Definisi geometris ramp 3
 Ketinggian  dari third  ramp ( )juga bisa dicarikan dengan:
(2-16)
Terdapat  dua  batasan  geometris  yang diterapkan yakni:
(2-17) (2-18)
Batasan  pertama  ditujukan  untuk mengurangi span dari waverider
sementara  yang  kedua  bertujuan  untuk mencegah shockwave masuk  ke  dalam ruang bakar.

## 3 HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Pengaruh  Pengubahan  Variabel Perancangan Waverider
Beberapa  variabel  perancangan yang diperhatikan di sini termasuk lift to drag  ratio (L/D),  dan  volume fuselage
( )  dapat  dilihat  pada  Tabel  3-1.  Hasil dari efek variasi tersebut disajikan pada grafik dalam Gambar 3-1.

## Tabel 3-1:  DATA  VARIASI  YANG  DIGUNAKAN DALAM PERANCANGAN WAVERIDER
Gambar 3-1: Pengaruh variasi dan terhadap L/D dan
Selain  itu  variasi geometris dari waverider juga  dapat  mempengaruhi nilai  EDR  yang  disajikan  pada  grafik- grafik di Gambar 3-2 dan 3-3.
Gambar 3-2: Pengaruh variasi dan terhadap L/D dan EDR
Gambar 3-3: Pengaruh variasi dan terhadap L/D dan EDR 3.2 Pengaruh  Pengubahan  Variabel Perancangan Inlet Scramjet Variabel perancangan inlet
scramjet yang diperhatikan di sini dapat dilihat  pada  Tabel  3-2,  3-3  dan variasinya pada Tabel 3-4. Hasil dari efek variasi  tersebut  disajikan  pada  grafik dalam Gambar 3-3 dan 3-4.
Tabel 3-2:  DATA KONSTANTA YANG DIGUNAKAN  DALAM  MERANCANG INLET SCRAMJET
Tabel 3-3:  BATASAN VARIABEL YANG DIGUNAKAN  DALAM  MERANCANG INLET SCRAMJET
Tabel 3-4:  RENTANG VARIASI YANG DIGUNAKAN  DALAM  MERANCANG

## INLET SCRAMJET
Data  pada  grafik-grafik  di  atas  dapat disimpulkan di dalam Tabel 3-5.

## Tabel 3-5:  RENTANG NILAI EDR UNTUK BERBAGAI KONFIGURASI
3.3 Integrasi Waverider Dengan  Inlet
Scramjet
Untuk integrasi waverider dengan inlet scramjet ,  konstanta  dan  variasi beberapa  parameter  dapat  dilihat  pada Tabel 3-6.
Tabel 3-6:  KONSTANTA DAN VARIASI BEBERAPA

## PARAMETER YANG DIGUNAKAN
Lalu  integrasi waverider dengan inlet scramjet dapat  dibagi  atas  dua kriteria  yang  berdasarkan  maksimum dan  minimum  EDR.  Hasil  perhitungan berbagai  konfigurasi waverider-scramjet inlet ini  dapat  dilihat  pada  tabel  3-7, sedangkan  visualisasi  dalam  2D  dapat dilihat pada Gambar 3-5.
Tabel 3-7:  BERBAGAI  VARIASI  KONFIGURASI

## BERDASARKAN KRITERIA EDR YANG BERBEDA
Gambar 3-5: Plot 3D hasil integrasi salah satu waverider dengan inlet scramjet

## 3.4 Pembahasan
Dari  grafik-grafik  yang  diperoleh dalam  perancangan waverider ,  dapat dilihat  bahwa  L/D  ratio  berkurang seiring menurunnya Hal ini disebabkan  karena compression  ratio berkurang  ketika  sudut shockwave mengecil. Peningkatan anhedral berpengaruh  terhadap  berkurangnya luas planform sehingga juga mengurangi L/D ratio.
Volume waverider sebaliknya berbanding  lurus  terhadap
dan . Hal ini tampak dari nilai maksimum dan minimum  dari  volume  berhubungan
langsung  dengan  nilai  maksimum  dan minimum dari dan . Sebaliknya,
EDR merupakan fungsi  dari  gaya  hambat.  Hal  ini menyebabkan  adanya  keterkaitan  EDR dengan L/D ratio yang menyebabkannya berkaitan  pula  dengan dan .  Dapat dilihat pada Gambar 3-2 dan 3-3 bahwa EDR  maksimum  diperoleh  ketika maksimum  ( wetted  area yang  paling besar). Selanjutnya  mengenai  pengaruh dan terhadap  EDR.  Pada Gambar 3-4, penambahan menyebabkan peningkatan EDR. Karena ikut  meningkat  yang  kemudian
menyebabkan oblique  shock terakhir menjadi  lebih  kuat.  Tren  ini  berlaku hingga dan .  Namun pada hasil  program  tidak membentuk kurva yang berpola sehingga tidak ditampilkan di sini.
Pada  Tabel  3-7,  bisa  dilihat konfigurasi  yang  memberikan  nilai  EDR maksimum  atau  minimum.  Sebagai contoh,  nilai  maksimum  untuk  dan
terjadi  pada , , ,  dengan  EDR  sebesar 431.03  kJ/s.  Sementara  itu,  nilai minimum  terjadi  pada , , dengan  EDR  sebesar
268.093  kJ/s.  Nilai  EDR  tertinggi  yang diperoleh  adalah  sebesar  1149.29  kJ/s sementara  yang  paling  rendah  adalah sebesar 268.093 kJ/s.
Setelah  dilakukan  integrasi  inlet scramjet dengan waverider , dapat dilihat bahwa pengaruh integrasi sangat signifikan; EDR maksimum tidak terjadi pada sudut defleksi aliran yang maksimum  dan  sebaliknya.  Namun perlu  diingat  bahwa  proses  integrasi  ini hanya  berdasarkan  pada  analisis  aliran 2D. Masih terdapat kemungkinan bahwa efek  aliran  3D  dapat  mempengaruhi EDR.

## 4 KESIMPULAN
Dari analisis integrasi inlet scramjet dengan waverider di atas dapat disimpulkan sebagai berikut:
 Untuk  merancang waverider ,  dapat dilakukan  pendekatan  geometris  yang dapat memberikan prediksi model yang cukup baik,
 Untuk  rentang  nilai  tertentu,  sudut defleksi aliran dan anhedral pada base plane dapat  mempengaruhi waverider dari segi L/D ratio, volume, dan Exergy Destruction Rate (EDR),
 Setelah  proses  integrasi  dilakukan, secara  umum  konfigurasi  2D  dengan kriteria  minimum  EDR  menghasilkan inlet yang lebih ramping,
 Variabel  EDR  dapat  menghubungkan proses  perancangan waverider dengan perancangan  inlet scramjet ,  sehingga nantinya  dapat  mempermudah  proses integrasi.
5 KAJIAN BERIKUT
 Untuk  analisis  ke  depan,  akan  dikaji desain waverider berbasis cone-based waverider yang pada dasarnya
merupakan  konfigurasi  tiga  dimensi dan  memiliki  efisiensi  aerodinamika yang lebih baik (Lobbia, 2005),
 Selain  itu  analisis  inlet scramjet juga akan  dikembangkan  dengan  memper- hitungkan  pengaruh  gesekan  dan bagian-bagian  lainnya  yang  tidak diperhitungkan dalam analisis ini,
 Dengan  demikian  dapat  dilakukan analisis waverider – inlet scramjet yang lebih komprehensif dengan mengguna- kan variabel desain laju penghancuran exergy (EDR),
 Analisis  berbasis  EDR  ini  dapat dikembangkan  tidak  saja  pada  bagian inlet scramjet ,  namun  pada  bagian- bagian waverider seperti pada combustor dan nozzle .

## DAFTAR RUJUKAN
Anderson,  John  D.,  1990. Modern Compressible  Flow  with  Historical Perspective  2 nd ed .,  New  York:
McGraw-Hill Book Company. Anderson,  John  D.,  1989. Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics , New York: McGraw-Hill Book Company.
Bertin,  John  J.,  1994. Hypersonic Aerothermodynamics ,  Air  Force Institute  of  Technology  Wright- Patterson AFB, Ohio.
Bura,  Romie  O.,  2004. Investigation  of Laminar/Transitional  Shock-Wave/ Boundary-Layer  Interactions  in Hypersonic  Flows ,  PhD  Thesis, University of Southampton. Brewer,  Keith  Merritt,  2006. Exergy Methods  for  the  Mission-Level Analysis  and  Optimization  of Generic
Hypersonic Vehicle ,
Blacksburg,  Virginia  Polytechnic Institute  and  State  University, Virginia, USA.
Lobbia,  Marcus,  2005.  Waverider  :  M.
Lobbia,  [Online]  2005.  [Cited: September  4,  2008]  http://lobbia. org.
Markell,  Kyle  Charles,  2005. Exergy Methods  for  the  Generic  Analysis and  Optimization  of  Hypersonic Vehicle Concepts , Blacksburg,
Virginia  Polytechnic  Institute  and State University, Virginia, USA. Rasmussen,  Maurice,  1994. Hypersonic Flow ,  New  York:John  Wiley  & Sons, Inc. 1994.