## PENENTUAN KANDUNGAN OKSIDATOR BERDASAR REAKSI STOIKIOMETRI DAN STRUKTUR KRISTAL DALAM RANGKA ADOPSI FORMULASI PROPELAN HLP
(DETERMINATION OF OXIDATOR CONTENT BASED ON STOICHIOMETRICAL AND CHRYSTAL STRUCTURE ON PURPOSE OF HLP PROPELLANT FORMULATION ADOPTION)
Kendra Hartaya 1 , Luthfia Hajar Abdillah, Retno Ardianingsih Peneliti Bidang Teknologi Propelan, Pusat Teknologi Roket, LAPAN
1 e-mail: kendra19838@yahoo.co.id

## ABSTRACT
The  Lapan’s  propellant  composition  is  determined  based  on  from  propellant’s HLP  formulation.  The  determination  of  composition  is  based  on  the stoichiometric reaction of the burning of HTPB and the burning of Al by AP. From the stoichiometry, it the percentage of AP is 68%, HTPB 31% and Al 1%. the ratio of coarse AP (200µm) to fine  AP  (70µm),  is determined based  on  the  assumption  that  the chrystal  structure  is BCC.  From  that  assumption,  if  the  radii  of  the  coarse  AP  is  R,  then  the  fine  AP  is r=41,42%R, , Every BCC cells will have 2 grains of coarse AP and 3 grains of fine AP, so that  the  ratio  is  2/3.  Coarse  AP  according  to  HLP  has  size  of  180-280µm  (average r=165µm, empty space of 29.10 -4 µm). Because finer AP suplier can not be found, it is concluded that finer AP is obtained by grinding the coarse AP or by special cooperation. So,  the  Lapan  propelan  composition  based  on  HLP  is  AP 68%  (mix  of  coarse  and  fine AP), Coarse AP (R=200µm), finer AP (83µm) or coarse AP of 165µm, and fine AP of 29.10 -4 µm.
Keywords : Oxydizer, Propellant, HLP

## ABSTRAK
Telah  dilakukan  penentuan  komposisi  propelan  LAPAN  berdasar  formulasi propelan HLP. Penentuan komposisi propelan LAPAN berdasar pada stoikiometri reaksi pembakaran HTPB dan pembakaran Al oleh AP. Berdasarkan stoikiometri ini diperoleh prosentase AP adalah 68% sehingga HTPB 31% dan Al 1%. Selanjutnya rasio AP kasar (200µm) terhadap AP Halus (70µm) ditentukan berdasar asumsi bahwa struktur yang terbentuk  oleh  sekumpulan  butiran  AP  adalah Body  Center  Cubic (BCC).  Berdasar asumsi  BCC,  jika  radius  AP  kasar  R,  maka  radius  AP  halus  r=41,42%,  atau  jika  AP kasar  200µ  maka  AP  halus  83µm.  Dalam  satu  satuan  sel  BCC,  terdapat  2  butir  AP kasar  dan  3  butir  AP  halus  sehingga  rasio  AP  kasar-AP  halus  =  2/3  AP  kasar  yang sesuai  dengan  propelan  HLP  adalah  ukuran  180-280µ  (rata-rata  ukuran  r=165  µ, ruang  kosong  r=29.10 -4 µ).  Karena  tidak  ditemukan supplier AP  ukuran  kurang  dari 100µ,  diduga  AP  halus  propelan  HLP  adalah  rekayasa  dari  AP  ukuran  besar,  atau diperoleh  melalui  kerjsasama  khusus.  Komposisi  propelan  Lapan  berdasar  formulasi HLP, mengandung AP 68% (campuran AP Kasar dan AP halus), AP kasar 200µ (R) AP halus 83µ (r=41,42%) atau AP kasar 165µ, AP halus 29.10 -4 µ.
Kata Kunci : Oksidator, Propelan, HLP

## 1  PENDAHULUAN
Bahan  komposit  adalah  gabungan dua  atau  tiga  bahan  yang  secara  sifat fisik dan kimia berbeda dan tidak saling melarutkan  satu  sama  lain  yang  pada saat  digabung  akan  menghasilkan bahan  yang  berbeda  dengan  bahan penyusun asalnya. Bahan komposit bisa berupa bahan bakar yang bisa digunakan  dalam  bidang  antariksa ( aerospace ).  Bahan  komposit  umumnya terdiri dari fasa terdispersi ( reinforcement )  dan  fasa  matriks.  Fasa matriks  membungkus  fasa  terdispersi [Kitinirunkul,  2013].  Propelan  yang dikembangkan LAPAN selama ini adalah propelan  komposit  dengan  fasa  matrik berupa binder HTPB dan fasa terdispersi Amonium  perklorat  dan  Aluminium powder .
Propelan  padat  komposit  yang sedang dikembangkan LAPAN
menggunakan  bahan  baku  Hydroxyl Terminated
Polybutadiene
(HTPB) sebagai  binder,  Amonium  perklorat  (AP) sebagai  oksidator,  dan  Aluminium powder (Al) sebagai fuel yang semuanya diperoleh  secara  impor  [Nair,  2010]. Pada  pembakaran,  AP  menyediakan oksigen  yang  akan  membakar  binder
menghasilkan gas dengan berat molekul sederhana,  dan  membakar  Al powder untuk membebaskan energi yang besar. Energi  yang  dibebaskan  pembakaran  Al jauh  lebih  besar  daripada  energi  yang dibebaskan  pembakaran  binder  [Martin et all, 2003].
Propelan dengan formulasi Hanwha LAPAN Propellan (HLP) memiliki Impulse  spesifik  tinggi  (248,6  detik). Komposisi  propelan  HLP  adalah  seperti terlihat  pada  Tabel  1-1.  Formulasi  HLP adalah komposisi propelan hasil kerjasama antara
LAPAN-Korea.
Komposisi  AP  pada  propelan  formulasi HLP  memiliki  berupa  data  rentang. Pengambilan prosentase AP pada median (data tengah) baik AP kasar dan AP  halus  adalah  yang  paling  mudah dilakukan  [HLP,  2102].  Namun  untuk pengambilan  prosentase  yang  lain  dari prosentase  AP  kasar  dan  AP  halus memerlukan  alasan  yang  logis  berupa perhitungan. Dengan adanya perhitungan ini jika Isp propelan LAPAN (hasil  adopsi  formulasi  propelan  HLP) yang  dihasilkan  tidak  seperti  yang diinginkan maka bisa dilakukan evaluasi dengan mudah.
Tabel I-1: KOMPOSISI PROPELAN HLP
No. Jenis Bahan Nama Bahan Kandungan, % 1.
2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
10. 11. 12. Binder Hardener Oksidator (bimodal) Fuel Plastisizer Burning catalyst
Combust stabilizer Co-catalyst Bonding Agent Curing co-catalyst Curing co-catalyst Isp 248,6 detik
HTPB (BM 3500)
IPDI (BM 222) AP  Φ 200μ Φ 70μ
Aluminium
DOA Fe 2 O 3 Carbon Black
Trifenil bismuth TEPAN Maleat anhidrid MgO 11,5065 0,9585 26-46 23-43 15 2,76 0.3-0,7 0,05 0,05 0,15 0,025 0,025
LAPAN  telah  berupaya  membuat poropelan dengan mengacu pada komposisi  propelan  HLP  namun  hasil Isp  yang  diperoleh  baru  mencapai  216 detik      (Hartaya  dkk,  2013).  Partikel oksidator  AP  trimodal,  Al  12%,  tidak bulat, kemurnian 89,6%, Hardener TDI, HTPB  tidak  memiliki  spesifikasi  yang jelas  seperti  angka  hidroksil,  berat meolekul,  %vinil,  %cis trans-isomer , propelan  LAPAN  dengan  jenis  dan kuantitas  bahan  penyusun  yang  belum sesuai  dengan  spesifikasi  HLP  diduga menjadi penyebab rendahnya Isp tersebut.
AP    yang  digunakan  propelan formulasi  HLP  adalah  bimodal  (dua ukuran),  kasar  200µ  dan  halus  70µ. Oleh  karena  AP  kasar  mudah  diperoleh di pasaran  ( ready  use )  sedang  AP halus sulit  diperoleh  di  pasaran,  maka  dapat diduga  AP  halus  propelan  HLP  adalah bukan  AP ready  use dan  AP  kasar adalah ready use .
Penentuan  komposisi  propelan penting  untuk  dilakukan  mengingat kandungan  AP  dalam  formulasi  HLP dinyatakan  dalam  rentang  ukuran. Dalam propelan HLP, AP kasar 26-46%, dan  AP  halus  23-43%.  Jika  propelan LAPAN  mengadopsi  komposisi  AP  kasar dan AP halus berturut-turut adalah 26% dan  23%,  maka  kandungan  oksigen dalam  propelan  pembakaran  sangat minimal.  Jika  AP  kasar  dan  AP  halus 46% dan 43%, maka solid content sangat besar  mencapai  89%  sehingga  tidak mudah  dalam  pengerjaan.  Aplikasi besarnya kandungan AP yang tepat akan menghasilkan kinerja propelan maksimal. Kandungan  AP  bisa  ditentukan  berdasar pada  reaksi  stoikiometri  pembakaran Aluminium  dam  pembakaran  HTPB yang diperoleh dari US Patent [Martin et all, 2003]. Selain itu, kadungan AP juga bisa  ditentukan  berdasarkan  pada diagram  segitiga  antara  Polibutadien, Aluminium,  dan  oksidator  Amonium perklorat [Timnat, 1987].
Tujuan dari makalah ini, melalui
data Technology  Transfer  Report dan data  distribusi  ukuran  partikel  AP, adalah  untuk  mengetahui  besarnya prosentase kandungan AP kasar dan AP halus  menggunakan  hasil  perhitungan stoikiometri  reaksi  pembakaran  Al  dan HTPB. Selain itu juga perlu mengetahui rasio  ukuran  AP  kasar  terhadap  AP Halus  berdasar  asumsi  struktur  kristal Body  Center  Cubic (BCC).  Tidak  kalah pentingnya perlu mengetahui kondisi AP halus  “ ready  use ”  atau  bukan  dengan cara  membandingkan  kurva  distribusi antara  AP  kasar  dan  AP  halus.  Tujuan terakhir  ini  penting  karena  AP  ukuran 70µ  tidak  banyak  tersedia  di  pasaran (sulit diperoleh).

## 2  TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1 Propelan dan Isp
Formulasi  propelan  padat  yang paling  banyak  digunakan  saat  ini menggunakan Al sebagai fuel logam dan AP sebagai oksidator. Binder juga sebagai fuel meski kurang energetik dibandingkan dengan  logam  karena  energi  yang dibebaskan  pada  pembakaran  hanya sepersepuluhnya dibanding energi pembakaran  Al  [Martin  et  al,  2003]. Binder yang  biasa  digunakan  adalah HTPB.  Propelan  tipe  seperti  ini  lebih disukai  karena  proses  pembuatan  dan penanganannya  mudah,  karakteristik performance relatif bagus.
Komposisi propelan padat umumnya  terdiri  dari  AP  60-84%,  PBN 12-16%,  Al  2-20%,  curing  agent  0,2- 1,0%,  stabilizer  0-1,0%  [Kishore  & Sridhara,  1999].  Komposisi  lain  juga bisa  dibuat  dengan  AP  65-70%,  Al  15- 20%,  Binder  HTPB  10-15%  dengan curing agent TDI [Ramesh et al, 2012].
Formulasi  propelan  roket  padat terdiri  dari  (dalam  %  berat)  68%  AP (distribusi  ukuran  partikel  trimodal, 24%  200μm;  17%  20μm;  27%  3μm), 19%  Al  (diameter  partikel  rata-rata 30μm),  12% binder (HTPB)  dan curing agent (IPDI),  dan  1%  katalis  laju  bakar
(Fe 2 O 3 ).  Bahkan  komposisi  HTPB  12%, AP  65%,  Al  23%  bisa  mencapai  Isp vacum  334  detik  [Hinkelman  &  Heister, 2011].
Dalam menentukan formulasi AP, HTPB, Al di dalam propelan dapat ditinjau dari  stoikiometri  reaksi  pembakaran yang  terjadi  diantara  ketiganya  [Martin et  al,  2003].  Formulasi  lain  juga  bisa menggunakan  diagram  segitiga  yang merupakan  kurva  antara  komposisi  Al, AP,  Polibutadien,  dan  Isp  sebagaimana disajikan pada Gambar 2-1 di bawah ini [Timnat, 1987].
Gambar 2-1: Kurva  Isp  sebagai  fungsi  AP,  PB dan  Al  [Timnat,  1987,  William, 1989]
Tolok  ukur  kinerja  motor  roket propelan  padat  banyak  sekali,  yaitu impuls  total,  impuls  spesifik,    gaya dorong,  tekanan  motor  internal,  dan waktu pembakaran. Impuls total adalah [Turker, 2013]
It= ʃ F*dt (2-1)
satuannya  N.  detik,  sedang  Impuls spesifik (Isp) adalah
(2-2)
g  :grafitasi,  dan  Gaya  dorong  F=C F . A t .P c dengan  satuan  Isp  disederhanakan menjadi detik meskipun  Isp  tidak mengarah  pada waktu .  Tekanan  Motor Internal atau
(2-3)
Waktu  kinerja  adalah  waktu  tekanan motor  pertama  mencapai  10%  dari maksimum  tekanan  hingga  waktu tekanan  mulai  turun  10%  dari  tekanan maksimum.  Ini  bisa  dilukiskan  pada Gambar 2-2 [Moore, 2010].
Gambar 2-2: Waktu kinerja motor roket
Bentuk yang lebih sederhana dari Isp adalah
(2-4)
Atau
(2-4)
Dengan F gaya dorong. t waktu, M berat propelan. Satuan Isp adalah N.detik/kg . J  panas  mekanis  ekivalen,  Hc  entalpi hasil reaksi dalam ruang bakar  pada p, T  tertentu  (kkal/kg),  He  entalpi  reaksi. Jika  hasil  yang  keluar  nosel  dalam satuan  kkal/kg  maka  satuan  Isp menjadi N  detik/kg .  Hubungan  antara Isp  dengan  suhu  dalam  ruang  bakar adalah
(2-6)
Tc  suhu  ruang  bakar,  N  banyaknya mole/gr, M berat molekul gas, K 1 dan K 2 adalah  tetapan  [Turker,  2013].  Isp adalah salah satu sifat penting propelan selain  laju  bakar  (r),  pangkat  dari tekanan  (n).  Dalam  keadaan  ideal  laju bakar  tidak  tergantung  pada  tekanan (nilai  n=0, plateau  burning ).  Isp  tinggi jika: [Krause]
 Panas reaksi tinggi
 Suhu nyala tinggi
 Berat molekul rata-rata hasil pembakaran rendah
Efektifitas balistik dari sebuah propelan selain terantung pada Isp juga tergantung  pada  eksponen  tekanan r=aP n ,  dan  densitas  (massa  jenis propelan) [Lemper, 2011]

## 2.2 Reaksi Pembakaran Propelan
Oleh  karena  komponen  utama propelan  komposit  adalah  AP  sebagai sumber  oksigen,  binder  (HTPB  +  TDI), dan aluminium, maka reaksi pembakaran adalah  reaksi  antara  oksidator  dengan binder  (base  polibutadien,  HTPB),  dan oksidator  dengan  aluminium  [Martin  et al, 2003].

## Reaksi Pembakaran Binder
Reaksi  pembakaran  antara  HTPB  dan Fuel Al  dengan  oksidator  ammonium perklorat  adalah  seperti  pada  persamaan (2-7) dan (2-10)  berikut ini [Martin et al, 2003]
28  C 73 H 110 O 6 +574NH 4 ClO 4 →287 N 2 +574  HCl+2044  CO+2401  H 2 + 0,36 kkal/gr (2-7) Diasumsikan  bahwa  struktur  HTPB yang  digunakan  Patent  (BM  1082)
diperoleh
secara empiris yang mengandung  angka  hidroksil  tertentu yang  di  pasaran  merupakan  HTPB
grade-1  dengan  BM  <2500  yang  ada  di pasaran (Tabel 2-1).
Struktur  secara  teoretis  HTPB memiliki  gugus  OH  pada  kedua  ujung rantai sehinga struktur reaksi disesuaikan  dengan  banyaknya  unit monomer  sama,  BM  1060.  Reaksi menjadi
28  C 76 H 116 O 2 +574NH 4 ClO 4 →287
N 2 +574  HCl+2128  CO+2401  H 2 + 0,36 kkal/gr (2-8)
Untuk  kepentingan  dalam  penelitian  di LAPAN reaksi ini dimodifikasi menggunakan HTPB grade 3 dengan BM 3500 dengan unit monomer lebih besar.
C 260 H 258 O 2 +64,5NH 4 ClO 4 →32,25N 2 + 64,5HCl+260CO+225,75H 2 (2-9)
Dari reaksi Pembakaran HTPB ini setiap 1  mol  HTPB  memerlukan  64,5  mol  AP atau  3500  gr  HTPB  memerlukan 7578,75 gr AP.
Reaksi  pembakaran  Al  dinyatakan dalam persamaan reaksi sebagai berikut [Martin et al, 2013]
2 NH 4 ClO 4 + 4 Al→2 Al 2 O 3 + 2 HCl + N 2 + 2H 2 O + H 2 + 2,5 kkal/gr (2-10)
Tabel 2-1: SPESIFIKASI HTPB TEKNIS *) Spesifikasi I II III IV Kenampakan Cairan tidak berwarna atau kuning tipis Nilai OH (mmol/gr) ≥ 1,0 0,8- 1,0 0,65-0,8 0,55-0,65 Berat Molekul (MWn) ≤ 2300 2300-2800 2800-3500 3500-4500 Viskositas 40 o C Pa.detik ≤ 3,0 ≤ 5,0 ≤ 6,0 ≤ 9,0 %H 2 O (m/m) ≤ 0,1 ≤ 0,1 ≤ 0,1 ≤ 0,1 %H 2 O 2 (m/m) ≤ 0,05 ≤ 0,05 ≤ 0,05 ≤ 0,05
*).Tanyun chemical research Institute, Co inc
Dari  reaksi  pembakaran  Al  ini, setiap  1  mol  Al  memerlukan  ½  mol  AP atau  26  gr  Al  memerlukan  59  gr  AP. Jika ditotal,  dari  reaksi  pembakaran HTPB  dan  Al  oleh  AP,  total  propelan yang bisa dibuat sebanyak 11248,25 gr, bila  dinyatakan  dengan  prosentase bahan,  AP=68%,  HTPB=31%,  Al=1%. Ini adalah  kebutuhan  AP  yang  ideal  agar mampu memenuhi kebutuhan pembakaran  AL  maupun  kebutuhan pembakaran  HTPB  secara  stoikiometri berdasar  dua  reaksi  reaksi  di  atas. Dengan terpenuhinya kebutuhan oksidator,  maka  suhu  yang  dicapai maksimum  karena  semua  Al  yang  ada terbakar  dengan  sempurna,  dan  semua HTPB terbakar sempurna menghasilkan gas-gas  dengan  berat  molekul  rendah sehingga kinerja propelan maksimum.
AP  yang  digunakan  bisa  berupa mono-,  bi-,  atau trimodal.  Pada spesifikasi  propelan  HLP  menggunakan AP bimodal (dengan ukuran 200μm dan 70μm)  dengan  komposisi  berturut-turut 36±10% dan 33±10%. Dalam menentukan rasio  AP  bimodal  perlu  ditinjau  dengan teori  susunan  kristal  dalam  satu  unit sel,  bisa  menggunakan  perhitungan dengan  asumsi  bentuk  struktur simple cubic,  Body-Centered  Cubic (BCC) , maupun Face-Centered Cubic (FCC).
Simple Cubic      Body Center Cubic     Face Center Cubic Gambar 2-1: Beberapa  ilustrasi  susunan  kristal dalam satuan unit sel [Vlack, 1992]
Dalam  Gambar  2-1  disajikan gambar  struktur  kristal  dengan  warna berbeda agar mudah dilihat. Baik coklat atau  biru  adalah  atom  yang  sama. Dalam  bentuk  sederhana  ( simple  cubic ), terdapat  4  atom  menempati  sudut, dalam  bentuk  BCC,  terdapat  9  atom menempati  sudut  kubus  dan  pusat kubus,  dalam  bentuk  FCC  14  atom menempati sisi dan sudut kubus.

## 3  METODOLOGI
Metode  yang  digunakan  dalam penelitian  semi  empiris  ini  dilakukan dengan tahap-tahap sebagai berikut:
 Penentuan  perbandingan  AP:HTPB:Al dalam propelan formulasi HLP berdasar dari stoikiometri reaksi pembakaran Al dan pembakaran HTPB.
 Penentuan  rasio  ukuran  AP  kasar terhadap  AP  halus  dalam  formulasi HLP  berdasar  asumsi  struktur  kristal Body Center Cubic (BCC).
 Penentuan  kandungan  AP  kasar  dan AP  Harus  dalam  propelan  formulasi HLP  berdasar  asumsi  struktur  kristal
Body Center Cubic (BCC).

## 4  HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Percobaan
Tabel  4-1  menyajikan  komposisi propelan  HLP  berikut  nilai  Isp  yang dicapai  dengan  komposisi  tersebut. Gambar  4-2a  dan  4-2b  menampilkan distribusi ukuran AP 200µ dan distribusi ukuran AP 70 µ. Tabel 4-2 dan Tabel  4-3  berturut-turut  menyajikan distribusi  ukuran  AP  kasar  (200µ)  dan AP halus (70µ) ayng digunakan propelan HLP.
Gambar  4-1  menyajikan  hasil pengukuran foto Scaning Electron
Microscopy (SEM)  AP impor  ready  use , AP kasar, AP halus. Pengujian dilakukan di  Lembaga  Penelitian  dan  Pengujian Terpadu (LPPT) UGM.
Tabel 4-1: Isp PROPELAN HLP [HLP, 2012] No. Jenis Bahan Propelan Hanhwa Nama bahan Kadar, % 1. 2. 3.
4. 5. 6. 7. 8. 9.
10. 11. 12. Binder Hardener Oksidator Fuel Plastisizer Burning catalyst
Combust stabilizer Co-catalyst Bonding Agent Curing co-catalyst Curing co-catalyst Impuls spesifik
HTPB (BM 3500)
IPDI (BM 222) AP Φ 200μ
Φ 70μ Aluminium DOA
Fe 2 O 3 Carbon Black Trifenil bismuth
TEPAN Maleat anhidrid MgO 248,6 detik 11,5065 0,9585 26-46 23-43 15 2,76 0.3-0,7 0,05 0,05 0,15 0,025 0,025 - Tabel 4-2: AP-200µ [HLP, 2012] Tabel 4-3: AP-70µ [HLP, 2012] US Standar Sieve no Sample passing, min Through sieve, max US Standar Sieve no Sample passing, min Through sieve, max 20 50 70 100 140 200 325 99.9 85 51 12 2 - - - 97 78 38 15 5 2 80 100 140 200 270 400 87 78 62 42 26 13 - 95 82 60 45 30
AP Kasar AP Halus Gambar 4-1: Foto SEM AP 2011, AP kasar dan AP Halus 4.2 Pembahasan Persamaan reaksi 2-7 dan
persamaan  reaksi  2-10,  yaitu  reaksi pembakaran binder HTPB dan pembakaran  Al powder oleh  oksidator amonium  perklorat  nampaknya  reaksi
pembakaran binder HTPB tidak berlangsung  sempurna.  Hal  ini  terlihat adanya  produk  reaksi  yang  masih mengandung  gas  CO.  Jika  reaksi  ini diselesaikan  secara  stoikiometri,  maka reaksi ini tidak dalam keadaan
seimbang  dalam hal  atom  oksigen. Kemungkinan patent ini  hanya  menguji gas  hasil  pembakaran  propelan  dan mengkaji  mengenai  reaksi  pembakaran PB  dan  pembakaran  Al  secara  sendiri- sendiri. Jadi dengan kata lain reaksi ini stoikiometri  empiris.  Namun,  reaksi pembakaran  Al  berjalan  sempurna karena  produk  berupa  gas  sederhana dengan berat molekul rendah, dan tidak ada  gas  CO  yang  dihasilkan  sebagai tanda reaksi tidak sempurna.
Adanya  kesalahan  tulis  dalam reaksi  pembakaran  HTPB  berkaitan dengan gas H 2 adanya ketidak seimbangan stoikiometri,  rasanya perlu perbaikan struktur HTPB C 73 H 110 O 6 (BM 1082)  menjadi  C 76 H 116 O 2 (BM  1060) karena  dalam  HTPB  hanya  ada  dua atom  “O”  yaitu  dengan  satuan  berulang sebanyak 19, OH-{CH 2 -CH=CH-CH 2 } 19 -OH. HTPB  yang  digunakan  dalam  reaksi Patent di  atas  dengan  BM  1060,  di pasaran  ini  merupakan  HTPB  grade  1. Sedangkan yang digunakan HLP merupakan  HTPB  grade  3  dengan  BM 2800-3500  (Tabel  2-1).  Jika  HTPB  BM 3500  maka  satuan  berulang  (unit monomer) sebanyak 65 dengan struktur C 260 H 258 O 2 ,  (OH-{CH 2 -CH=CH-CH 2 } 65 -OH) yang  apabila  dibuat  reaksi  dengan  AP menjadi
C 260 H 258 O 2 +64,5NH 4 ClO 4 →32,25N 2 +
64,5HCl+  260CO + 225,75H 2 (4-1)
Dari reaksi ini, setiap 1 mol HTPB (3500 gr)  memerlukan  64,5  mol  AP  (7578,75 gr).  Dengan  cara  yang  sama  bisa dihitung banyaknya AP yang diperlukan untuk pembakaran Al atas dasar reaksi pada  persamaan  reaksi  2-10.  Setiap  1 mol  Al  (26  gr)  memerlukan  ½  mol  AP (58,75 gr). Dari perhitungan ini, AP yang diperlukan  untuk  pembakaran  Al  dan HTPB  sebanyak  58,75  +  7578,75  = 7637,5  gr,  berat  propelan  sebagai jumlah  dari  berat  AP,  berat  Al,  berat HTPB sebesar 3500 gr + 7637,5 gr + 26 gr= 11163,5  gr.  Maka  berat  bahan  dasar
propelan  berdasar  perhitungan  dari Patent adalah  11163,5  gr.  Sehingga komposisi  bahan  dasarnya  adalah  AP= 68%, HTPB= 31%, Al= 1%.
Berdasarkan  perhitungan  ini, kandungan  AP  sebanyak  68%  sesuai dengan  penggunaan  AP  kasar    200µm 36% (nilai titik tengah dari 26-46%) dan AP  halus  70µm  33%  (titik  tengah  23- 43%) yang masih berada di sekitar 68%. Atas dasar ini, kandungan AP kasar dan AP  halus  bisa  berapapun  dengan kisaran AP kasar (26-46%) dan AP halus (23-43%)  asal  jumlah  keduanya  ±68%. Jika  digunakan  AP  kasar  dan  AP  halus prosentase  minimum  atau  maksimum tentunya akan berakibat pada perubahan  komposisi  bahan  dan  lebih lanjut  berakibat  pada nilai  Isp propelan yang dihasilkan. Perhitungan dalam hal ini penting dilakukan sebelum melakukan penelitian dengan komposisi berikutnya agar tidak sembarang mengadopsi  komposisi  yang  ada  dari komposisi  HLP.  Selain  itu  dengan perhitungan  seperti  ini  memudahkan untuk  evaluasi  kinerja  propelan  yang dihasilkan.
Dari  persamaan  reaksi  2-8  dan 2-10 di atas, terlihat bahwa energi yang dibebaskan  oleh  pembakaran  Al  jauh lebih  besar  (7x  lipat)  daripada  yang dibebaskan  oleh  pembakaran  binder HTPB. Oleh karena itu dalam menaikkan kinerja propelan (menaikkan nilai Isp) perlu menambahkan kandungan Al  dan  mengurangi  kandungan  binder PB.  Mungkin  ini  yang  dilakukan  dalam formulasi  HLP  mengurangi  kandungan HTPB  hingga  11,5%  dan  menaikkan kandungan  Al  hingga  15%,  dan menambahkan komponen lainnya dalam kandungan  sedikit  yang  berfungsi  lain seperti  carbon  black,  TPB,  TEPAN, Maleat  anhidrid,  MgO,  DOA,  Fe 2 O 3 .
Komponen lain dalam kandungan sedikit ini  memiliki  fungsi  yang  berbeda-beda. Dalam pembakaran, komponen ini akan menghasilkan senyawa sederhana
seperti  CO 2 ,  H 2 O,  N 2 (jika  senyawa adalah  senyawa  organik),  atau  oksida- oksida (jika senyawa anorganik).
Bahkan  beberapa  senyawa  mengalami reduksi  sehingga  melepaskan  oksigen sebagai oksidator tambahan bagi pembakaran propelan, misalnya Fe 2 O 3 .
Al + Fe 2 O 3 → Al 2 O 3 + Fe (4-2)
Fungsi  lain  dari  beberapa  senyawa tambahan  ini  diantaranya  sebagai plastisizer  DOA,  agar  mempermudah pengerjaan dalam pembuatan propelan.
Oleh  karena  kristal  dengan struktur Body  Centered  Cubic (BCC) memiliki  ruang  kosong  lebih  rendah (lebih  rapat)  daripada Face  Centered Cubic (FCC),  maka  dalam  pencampuran akan cenderung mengarah pada struktur  BCC  [Vlack,  1992].  Struktur kristal  FCC  da  BCC  disajikan  pada Gambar 4-2.

## Face Center Cubic Body Center Cubic

## Gambar 4-2: Struktur kristal FCC dan BCC
Dari  perhitungan,  jika  bola kristal  jari-jari  R  disusun,  maka  akan ada  sela  (ruang  kosong)  yang  bisa ditempati dengan bola kristal berukuran r=0,4142R.  Artinya  jika  AP  kasar memiliki  jari-jari  R,  maka  AP  halus maksimum berjari-jari 0,4142R. Jika AP Kasar  berukuran  200  mikron  (R=100µ), maka  AP  halus  berukuran  82,84  µ (r=41,42µ).  Posisi  ruang  kosong  ini (dengan radius r) berada pada 6 zona di
sekitar atom pusat BCC sebanyak 6 dari separoh  bola  kristal.  Sehingga  dalam satu  satuan  kristal  BCC  terdapat  2 buah  kristal  berukuran  besar  (R)  dan  3 kristal  berukuran  kecil    (r).  Oleh  sebab itu  rasio  AP  kasar  200µ  terhadap  AP kecil  80µ  sebesar  2/3.  Propelan  HLP menggunakan  AP  200µ  dan  70µ  (dekat dengan  hasil  perhitungan).  Meski  HLP mencantumkan  AP  kasar  26-46%  dan AP halus 23-43%, berdasar perhitungan komposisi  AP  kasar  27%  AP  halus  40% mestinya lebih baik daripada mengambil titik  tengah  prosentase  AP  kasar  36% dan AP halus 33%. Pentingnya perhitungan  ini  dilakukan  agar  tidak sembarangan  mengadopsi  formulasi HLP  karena  tidak  setiap  komposisi menghasilkan energi efektif.
Propelan  yang  memiliki  energi besar adalah propelan yang mengandung solid content (AP dan Al) tinggi sehingga densitasnya  tinggi  pula.  Densitas  yang tinggi  bisa  dicapai  jika  kedudukan  AP kasar  dan  AP  halus  sebagaimana membentuk  unit  cell  BCC  sebagaimana diasumsikan.  Ruang  kosong  berikutnya bisa  ditempati  oleh  Al  dan  di  sela-sela ruang  bisa  ditempati  oleh  binder.  Jika itu bisa terjadi maka campuran bersifat homogen.
Nampak bahwa AP 200 HLP sama dengan AP 200 yang beredar di pasaran sebagaimana  disajikan  pada  tabel  di bawah  ini.  Dari  sini  dapat  disimpulkan bahwa  AP  200  digunakan  secara langsung  tanpa  ada  perlakuan  yang terkait dengan ukuran. Untuk kepentingan pembuatan  distribusi  ukuran  AP,  maka disajikan  ukuran  dan  nomor  ayakan pada Tabel 4-4.
Tabel 4-4: NOMOR DAN UKURAN AYAKAN [HLP, 2012]
Ukuran sieve Minimum Maximum US sieve no. 40 (425µm) 96 US sieve no. 50 (300 µm) 89 97 US sieve no. 70 (212 µm) 57 87 US sieve no. 100 (150 µm) 14 50 US sieve no. 140 (106 µm) 2 15 US sieve no. 200 (75 µm) 3
Tabe 4-5a: FREKUENSI UKURAN AP-200 Tabel 4-5b: FREKUENSI UKURAN AP-70 US Standar Sieve no Sample passing, min Through sieve, max Frek Min Frek Max Range ukuran US Standar Sieve no Sample passing, min Through sieve, max Frek min Frek max Range ukuran 18  (1000 µ) 20    (850 µ) 50    (500 µ) 70    (212 µ) 100  (150 µ) 140  (106 µ) 200    (75 µ) 325    (45 µ) 400    (38 µ) 100
99.9
85
51 12
2 - - - 100 97
78 38 15 5
2
0,1 14,9 34 39 10 2 3 19 40 23
10
3 2
1000-850 850-500 500-212 212-150 150-106 106-75 75-45 45-38 70    (212 µ) 80    (180µ) 100 (150 µ) 140 (106 µ) 200   (75 µ) 270   (53 µ) 400   (38 µ) 450   (32 µ) 100 87 (9) 78(16) 62(20) 42(16) 26(13) 13(13) 100 95
82 60 45 30
13 9
16
20
16 13 13 5
13
22 15 15 30 212-180 180-150 150-106 106-75 75-53 53-38 38-32
Komposisi  HLP  hanya  menyajikan US Sieve number dan rentang prosentase AP  untuk  AP  kasar  200µ  dan  AP  halus 70µ.  Dari  data US  Sieve  number akan ditentukan  rata-rata  ukuran  amonium perklorat (dalam mikron) yang digunakan  HLP  agar  untuk  dianalisis. Dari  data  bisa  dihitung  frekuensi  relatif dan rentang ukuran serta kurva distribusi kumulatif  “kurang  dari”  (Ogive).  Ogive adalah  nama  lain  distribusi  frekuensi kumulatif “kurang dari”, yang menyatakan banyaknya  (prosentase)  AP  “kurang dari” ukuran tertentu. Dengan kata lain, fraksi  dari  ukuran  “paling  besar”.  Hasil disajikan pada Tabel 4-5. Adapun daftar distribusi  frekuensi  dan  kurva  ogive disajikan pada Gambar 4-3.
Dari Gambar 4-3, nampak bahwa AP  200  memiliki  bentuk  kurva  ogive menyerupai  sparoh  gunung  (lonceng) sebelah  kanan  (terlihat  sebagai  distribusi normal). Sedang AP 70 menyerupai garis lurus.  AP  200  banyak  tersedia  dan mudah  diperoleh  di  pasaran.  Karena spesifikasi  AP  200  di  pasaran  sama dengan  AP  200  formulasi  HLP,  dapat disimpulkan  bahwa  propelan  HLP menggunakan  secara  langsung.  Yang penting  untuk  diperhatikan  adalah  AP 70,  karena  AP  70  (di  bawah  ukuran 100µ  tidak  ada supplier ( manufacture ).
Atau  bisa  juga  tidak  adanya supplier karena  tidak  ada  permintaan  pasar
sehingga manufaktur tidak memproduksi AP  dengan  ukuran  kurang  dari  100µ. Atas  dasar  ini  disimpulkan  bahwa  HLP modifikasi  ukuran  dari  AP  kasar  untuk mendapakan  AP  70,  dan  dimungkinkan propelan  HLP  melakukan coating AP  70 untuk mendapatkan kualitas yang sama dengan AP  200. LAPAN  bisa melakukan penggrindingan AP kasar untuk mendapatkan  AP  70µ,  namun  belum bisa  melakukan coating ,  karena  belum dirasa  segera.  Dengan  kurva  ogive menyerupai  garis  lurus  menunjukkan bahwa  ukuran AP 70 tidak berdistribusi normal.  Ciri  dari  distribusi  normal  jika rata-rata,  median,  dan  modus  berada pada  klas  yang  sama  dalam  distribusi normal.  AP  70  modusnya  banyak  dan menyebar serta mean dan median tidak berimpit.
Median AP 200 berada pada klas dengan ukuran 212-150µ sedang median AP 70 berada pada klas dengan ukuran 106-75µ. Kedua AP ini memiliki rentang  ukuran  yang  lebar,  bukan monodisper (monomodal), rata-rata ukuran  diasumsikan sama dengan  nilai median (Gambar 4-3). Pengujian ukuran rata-rata  secara  tepat  bisa  dilakukan dengan Particle Size Analyzer (PSA) yang mana  di  Indonesia  tidak  mudah mendapatkannya dan hanya bisa dengan pengayakan.
A1 B1 A2 B2 A3 B3 A4 B4
Gambar 4-3: Kurva  Distribusi  Relatif  ukuran  AP  (kiri)  dan  kurva  distribusi  relatif  “Kurang  dari”
(kanan)
0 20 40 1000 850 500 212 150 106 F re k R el at if mikron Distribusi relatif Ukuran AP 200μ min 0 20 40 60 80 100 1000 850 500 212 150 106 F re k K u mu lat if k u ra n g dari mikron Distribusi Kumulatif "Kurang dari" AP 200μ min 0 20 40 850 500 212 150 106 75 F re k R el at if mikron Distribusi relatif Ukuran AP 200μ max 0 20 40 60 80 100 850 500 212 150 106 75 45 F re k K u mu la tif k u ra n g da ri mikron Distribusi Kumulatif "Kurang dari" AP 200μ max
0 20 40 180 150 106 75 53 38 F re k R el at if mikron Distribusi relatif Ukuran AP 70μ min 0 20 40 60 80 100 212 180 150 106 75 53 F re k K u mu lat if k u ra n g dari mikron Distribusi Kumulatif "Kurang dari" AP 70μ max
0 20 40 180 150 106 75 53 F re k R el at if mikron Distribusi relatif Ukuran AP 70μ max 0 20 40 60 80 100 212 180 150 106 75 53 F re k K u mu lat if k u ra n g dari mikron Distribusi Kumulatif "Kurang dari" AP 70μ max
Coating AP  hasil penggrindingan belum  dianggap  begitu  penting  dan belum  dilakukan  penelitian  pengaruh coating terhadap  sifat-sifat  propelan. Oleh  karena  itu  diasumsikan  tidak berpengaruh.  Hal  ini  didasarkan  pada fakta  bahwa  distribusi  AP ready  use (siap  pakai)  mirip  dengan  AP  hasil penggrindingan dan sama-sama berdistribusi normal. Lihat gambar hasil pengujian  AP  kasar  (280-450 μ ),  AP sedang  (180-280 μ )  dan  AP  halus  (105- 154 μ ) ready  use .  Nampak  pada  gambar AP kasar dan sedang tidak jauh berbeda ukurannya (hampir sama luas permukaan),  dan  AP  halus  berbentuk tidak  bulat.  Bisa  saja  AP  halus  dibuat dengan  rekayasa  AP  kasar  sehingga ukuran  AP  halus  yang  dihasilkan berdistribusi tidak normal. AP-70 Hanwa juga bisa dikatakan tidak normal distribusinya karena kurva ogive (distribusi  relatif)  berbentuk  linier, bukan seperti separoh lonceng.

## 5  KESIMPULAN
Berdasarkan  reaksi  stoikiometri pembakaran  propelan,  maka  diperoleh komposisi  dasar  propelan AP=  68%, HTPB= 31%, Al= 1%. Karena energi yang dihasilkan  pembakaran  Al powder jauh lebih besar, maka agar kinerja propelan maksimum
diupayakan
dengan menaikkan  kandungan  Al powder dengan  mengurangi  kandungan  binder hingga  sekitar  10-15%. Dari  perhitungan tenyata  Jika  AP  kasar  berukuran 200µm, maka AP halus berukuran 41,42 x ukuran AP kasar = 83µm. Perbandingan AP  kasar/AP  halus=  2/3.  Ukuran  AP 200  berada  pada  rentang  212-150µ, sedang AP 70 berada pada rentang 106- 75µ.  AP  200  banyak  tersedia  di  pasar dan  AP  70  (di  bawah  100µ)  sulit diperoleh  sehingga  dimugkinkan  HLP menggunakan AP 200 secara ready use , dan  AP  70  diperoleh  dari  rekayasa  AP ukuran besar. Ini terlihat dari distribusi AP  200  normal,  dan  distribusi  AP  70
tidak normal. Meskipun AP kasar (200µ. 26-46%)  dan  AP  halus  (70µ,  23-43%) memiliki  rentang  kandungan  dalam propelan,  namun  nilai  tersebut  harus dipilih sedemikian sehingga total kandungan  AP  kasar  dan  AP  halus adalah  68%.  Bisa  juga  kandungan  AP diambil  pada  nilai  titik  tengah  masing- masing  rentang  (AP  200µ  36%,  dan  AP 70µ  33%),  tetapi  dari  perhitungan berdasar struktur kristal BCC, AP kasar (  26%)  dan  AP  halus  (42%).  Dalam percobaan,  variasi  kandungan  diawali dengan  AP  kasar  minimum  (26%)  dan AP halus maksimum 42%.

## DAFTAR RUJUKAN
Hartaya, Kendra., Retno A, Luthfia H A.,
2014. Hasil Penelitian dan Pemikiran Ilmiah tentang Teknologi Pesawat Terbang Tanpa Awak, Roket, serta Satelit , Evaluasi Adopsi Teknologi Propelan Formula Hanwha Dalam Rangka Menaikkan Impuls
Spesifik Propelan Padat, Jakarta.
Hinkelman,  Matthew  C.,  dan  Stepen  D Heister,  2011. Evaluation  of  Solid Composite  Propellants  Using  a Dicyclopentadiene  Binder ,  47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, San Diego.
HLP,  2012. Technology  Transfer  Report ,
Propellant and Liner Initial Formulation.
Kishore,  K.,  &  K  Sridhara,  1999. Solid Propellant Chemistry ,  Ministry  of Difense, New Delhi.
Kitinirunkul, Thirapat., Nattawat Winya, Komson  Prapunkarn,  Affecting
Factors of the Mechanical
Properties to
Phenolic/Fiber
Composite,  International  Journal of  Chemical,  Materials  Science and  Engineering  Vol:7  No:10, 2013.
Krause, Horst H., New Energetic material.
Lempert,  David.,  Gelii  Nechi  porenko, George Manelis, Energetic Performances  of  Solid  Composite Propellant, Central European Journal  of  Eenergetic  Materials,
8(1), hal 25-38.
Martin,  et  al,  2003. Variable  Burn  Rate Propellant, US  Patent  No.  6,  503.
350 B2.
Moore,  Sthepen  scot.,  2010. Ballistics Modeling of Combustion Heat Loss Through  Chambers  and  Nozzle  of Solid  Rocket  Motors  (Thesis) , Sacramento. Nair, UR., S.N. Asthana, A. Subhananda Rao,  and  B.R.  Gandhe,  2010.
Advances in High Energy Materials , Defense Science Journal Vol 60 No 2 March 2010, pp 137-151. Ramesh,  Kurva.,  dan  Shekhar  N Jawalkar, Swati Sachdeva,
Mehilal,  Bikash  Bhattacharya,
2012. Development of a Composite
Propellant Formulation with a High
Performance Index Using a Pressure Casting Technique, Central  European  Journal  of
Energetic  Materials, 9 (1),  hal  49- 58.
Timnat,  Y.M.,  1987. Advanced  Chemical Rocket Propulsion , Academic press Ltd, London, hal 24.
Turker,  Lemi.,  2013. A Treatise  on Impulse Values of Pure Explosives , J  Theor  Comput  Sci  2013,  1:1, Ankara.
Vlack, Robert van., 1992. Materials Science and Engineering (terjemahan Sriati Japri) , Erlangga.
Williams,  F.A;  Barrere,  M;  Huang,  N.C,
1989. Fundamental  Aspects  of Solid Propellant Rockets, Technivision Services Slough, England.