## RANCANG BANGUN TABUNG KOMPOSIT TEKANAN TINGGI UNTUK PROPELAN ROKET CAIR KOROSIF (DESIGN OF COMPOSITE OVERWRAPPED PRESSURE VESSEL FOR CORROSIVE LIQUID ROCKET PROPELLANT)
Arif Nur Hakim, Panataran Sitinjak, Taufiqur Rochman Peneliti Pusat Teknologi Roket Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional Jl. Raya LAPAN No. 2, Mekarsari, Rumpin, Bogor 16350 Indonesia e-mail: arif.nurhakim@lapan.go.id
Diterima 12 September 2015, Direvisi 20 November 2015, Disetujui 23 November 2015

## ABSTRACT
Composite overwrapped pressure vessel (COPV) has been designed to reduce structural weight of propellant vessel of  liquid rocket.  The operational  pressure expected is 150 bar and the  vessel is required to be resistance to nitric acid which is very corrosive.  Numerical simulation has been carried out to predict the structural strength of SS304 vessel.  Stainless steel SS304 was chosen as liner due to excellence corrosion resistance characteristics and relatively low cost.  The  liner was overwrapped with  carbon  fiber  and  EPR  174  epoxy  resin manually  by  hand  lay  up  method.    Hydrostatic  test  has been  conducted  to  examine  the  strength  of  vessel  and  X-ray  test  has  been  used  to  analyze  its condition  after  the  hydrostatic  test.    The  weight  of  the  composite  vessel  was  9.1  kg  or  around  67% lighter  compared  with  vessel  made  from SS304  with  5.5 mm  thickness.    The  results  shows  that  the composite  vessel  can  withstand  a  static  pressure  up  to  200  bar,  however  there  was  a  slight  leak. Stretching  process  has  been  done  on  the  first  loading  by  increasing  the  pressure  gradually,  so  the vessel will stretch appropriately and keep carbon composite bonded to the liner vessel, and prevent the structural failure of vessel up to 200 bar.
Key words: Liquid propellant vessel, Corrosive, Composite, Liner

## ABSTRAK
Rancang bangun tabung komposit tekanan tinggi (COPV) telah dilakukan untuk memperkecil berat struktur tabung propelan wahana roket cair.  Tekanan operasi yang diharapkan dari tabung ini adalah  150  bar  dan  harus  mampu  menahan  asam  nitrat  yang  bersifat  sangat  korosif.    Simulasi numerik  dilakukan  untuk  memprediksi  kekuatan  struktur  tabung  SS304. Stainless steel SS304 dipilih  sebagai  tabung liner karena  karakteristik  ketahanan  yang  bagus  terhadap  korosi  dan  biaya yang  relatif  murah.    Tabung liner kemudian  dilapisi  dengan  serat  karbon  dan  resin  epoxy  EPR  174 secara  manual  dengan  metode hand  lay  up .  Uji  hidrostatik  dilakukan  untuk  menguji  kekuatan tabung  dan  uji X-ray digunakan  untuk  menganalisa  kondisinya  setelah  uji  hidrostatik.    Berat  riil tabung  komposit  adalah  9,1  kg,  atau  67%  dari  berat  tabung  yang  menggunakan  SS304  setebal  5,5 mm.  Hasil pengujian menunjukkan bahwa tabung komposit tersebut dapat menahan tekanan statis hingga  200  bar,  namun  masih  ada  sedikit  kebocoran. Stretching dilakukan  pada  pembebanan pertama dengan  menaikkan  tekanan  secara  perlahan-lahan  sehingga  tabung  akan  meregang  secara tepat dan menjaga komposit tetap terikat pada tabung liner dan dapat mencegah kegagalan struktur hingga tekanan 200 bar.
Kata kunci: Tabung propelan cair, Korosif, Komposit, Liner

## 1  PENDAHULUAN
Sebagai milestone menuju  roket pengorbit satelit (RPS), program pengem- bangan  roket  cair  telah  dimulai  dengan dilakukannya pengembangan enjin berbahan  bakar  gas  oksigen  dan kerosene  [Rukmini et  al. ,  2000]  [Hakim, 2010]  yang  kemudian  berlanjut  pada pengembangan  enjin  dengan  pasangan propelan  asam  nitrat  dan  kerosene, yakni enjin ECX300H [Hakim, 2011] dan enjin  ECX1000H  [Hakim,  2015]  yang masing-masing didesain dapat menghasilkan  gaya  dorong  maksimum 300  kgf  dan  1000  kgf.  Kedua  enjin terakhir menggunakan sistem pengumpan gas inert bertekanan.  Suplai  propelan dilakukan  dengan  menekan  propelan dari  tabung  propelan  menuju  ruang bakar  menggunakan  gas  bertekanan yang  dialirkan  dari  tabung  gas  tekanan tinggi.  Sistem  ini  memerlukan  tabung tekanan  tinggi  baik  untuk  propelan maupun untuk gas pendorongnya.
Pada  pengujian  darat  yang  telah dilakukan,  tabung  propelan  mengguna- kan material stainless steel SS304 untuk oksidator  asam  nitrat  yang  bersifat sangat  korosif  [Hakim,  2015]  dengan tekanan  di  bawah  70  bar.    Pemilihan material ini dilakukan dengan pertimbangan  kemampuan  menahan tekanan  tinggi  dan  ketahanan  terhadap
sifat korosif propelannya. Untuk pengujian darat, pertimbangan berat bukanlah hal yang  utama,  tabung  dapat  dibuat  lebih tebal  dengan safety  factor yang  lebih tinggi.  Namun  untuk  uji  terbang,  berat struktur  menjadi  hal  yang  krusial, sehingga  harus  dibuat  sekecil  mungkin. Sejatinya  untuk  uji  terbang  masih dimungkinkan  penggunaan  material stainless steel sebagai  material  tabung propelan,  namun  untuk  menambah kinerja terbang diperlukan pengurangan berat  struktur,  salah  satunya  dengan cara mengurangi berat tabung propelan. Porsi  pengurangan  berat  struktur  dapat dikonversikan menjadi  penambahan propelan sehingga waktu pembakarannya menjadi  semakin  lama  dan  jarak  yang ditempuh semakin jauh. Ilustrasi wahana roket cair dengan sistem pengumpan gas bertekanan  ditunjukkan  pada  Gambar 1-1.
Tabung tekanan tinggi dari komposit  saat  ini  sudah  banyak digunakan  sebagai  pengganti  tabung dari material logam, baik untuk kendaraan darat  yang  menggunakan  bahan  bakar gas  [Radhika et  al., 2014],  untuk pesawat  [Mital et  al., 2006]  maupun untuk  roket  yang  memang  memerlukan tabung bertekanan tinggi.   Penggunaan dalam  roket  meliputi  peng-gunaan untuk  tabung  gas  helium  [Tam et  al. ,
2002] maupun tabung propelan [Abumeri et  al. ].  Terkait  dengan  tabung komposit,  saat  ini  sudah  banyak  sekali dilakukan  riset  di  berbagai  tempat  di dunia dan sudah dapat diproduksi dengan reliabilitas  yang  tinggi,  namun  masih banyak fenomena yang belum sepenuhnya  dipahami,  misalnya  terkait dengan  mode  kegagalan  oleh stress rupture [McLaughlan et al. , 2011]. Selain mode  kegagalan  tersebut,  beberapa mode kegagalan lain yang telah diidentifikasi,  antara  lain,  akibat over pressure dan  hal  yang  terkait  dengan liner nya,  baik  kekuatan liner itu  sendiri maupun  yang  terkait  dengan  ikatan antara liner terhadap  kompositnya, tergantung  jenis  materialnya.  Beberapa liner yang  digunakan  dalam  tabung komposit  ini  di  antaranya,  jenis  plastik dan logam [Kong et al., 2004] [Lifshitz et al., 1995] [Kawahara et al., 1996].
Tujuan  riset  dan  pengembangan ini  adalah  untuk  merancang  tabung untuk  propelan  yang  bersifat  korosif dengan  material  komposit  yang  mampu menahan  tekanan  kerja  propelan  cair dan  gas inert penekan  propelan  hingga 150  bar  dan  tekanan  pecah  hingga  200 bar.  Diharapkan  dengan  pemilihan material  komposit,  berat  total  wahana akan  berkurang  sehingga  pengurangan berat  struktur  tersebut  dapat  diganti untuk  menambah  jumlah  propelan  dan menambah  waktu  pembakaran  lebih lama lagi.
Gambar 1-1: Ilustrasi wahana roket cair
Tabung  propelan  yang  akan didesain  dan  dibuat  adalah  tabung pengembangan  tahap  awal  dengan konstruksi paling sederhana tanpa baffle . Batasan  dimensinya  adalah  sebagai berikut:
 Volume ruang kosong 14.63L
 Diameter maksimal 230 mm
 Panjang Tabung 450 mm
 Tekanan operasi 150 Bar.
 Tekanan pengujian 200 Bar.
Dimensi dasar tabung liner dapat dilihat pada Gambar 1-2 berikut ini.

## Gambar 1-2: Dimensi  dasar  tabung  propelan roket cair

## 2  METODOLOGI
Proses rancang bangun dilakukan melalui  3  tahapan  utama,  yaitu  proses perancangan, manufaktur dan pengujian. Proses  ini  dilakukan  terhadap  dua tabung.  Proses  pengujian  terhadap tabung  kedua  dilakukan  setelah  tabung pertama selesai diuji.

## 2.1 Proses Desain
Proses  desain  dilakukan  dengan melakukan  simulasi  tegangan  statis tabung  dengan  material  SS304  terlebih dahulu  untuk  mengetahui  ketebalan minimalnya.  Simulasi dilakukan dengan menggunakan  Catia  dengan solver NASTRAN dan meshing dibuat  otomatis. Kondisi  pada  simulasi  tersebut,  tabung dipegang  pada  dua  sisi  atas  dan bawah, kemudian di berikan gaya takanan sebesar  200  bar  pada  3  area  yaitu  area dinding dome atas,  bawah  dan  dinding silindernya. Structural  properties yang digunakan untuk simulasi  ditunjukkan pada Gambar 2-1
Gambar 2-1: Structural properties untuk simulasi dengan NASTRAN
Setelah  mengetahui  ketebalan minimal  tabung  dengan  material steel , kemudian  ditentukan  ketebalan  tabung liner dan kompositnya. Namun
ketebalan  tabung  komposit  yang  aman tidak dapat disimulasikan karena keterbatasan  database software yang ada.  Ketebalan  ditentukan  dengan penghitungan sederhana konversi ketebalan  dari  material  SS304  ke material  komposit  berdasarkan  nilai ultimate  tensile  strength .    Penghitungan konversi ini dilakukan terhadap ketebalan  aman  tabung  dengan  SS304 setelah  dikurangi  ketebalan  tabung liner . Kemudian  untuk  menambah  faktor keamanannya  dengan  pertimbangan proses manufaktur yang tidak sempurna, ketebalan  komposit  dikalikan  menjadi lebih dari dua kali lipat dari perhitungan konversi sederhananya. Hasil akhir desain ini  kemudian  muncul  dalam  bentuk gambar teknik lengkap.

## 2.2 Proses Manufaktur
Ada beberapa contoh metode yang umum  digunakan  dalam  manufaktur komposit,  di  antaranya  adalah  dengan filament  winding dan hand  lay  up . Mengenai  hal  ini,  banyak  literatur  yang menjelaskannya,  sebagai  contoh  adalah literatur  [Mazumdar,  2002].  Dengan pertimbangan  keterbatasan  peralatan manufaktur,  dalam  pengembangan  ini, metode  yang  dipilih  dalam  pengem- bangan ini adalah metode hand lay up . Kemudian,  dalam  proses  manu- fakturnya sendiri ada dua  tahap  proses manufaktur,  yaitu  pembuatan  tabung
liner dan  manufaktur  komposit.    Proses lengkapnya adalah sebagai berikut,
2.2.1 Pembuatan tabung liner Dua  buah  tabung liner dibuat dari  pelat stainless steel setebal  dua mm.  Pelat  tersebut  di  roll  dan  dibuat dalam tiga bagian yaitu bagian atas dan bawah  berbentuk  setengah  bola,  dan bagian tengah berbentuk silinder. Masing  masing  bagian  disatukan  dan dilas dengan las argon.
2.2.2  Pembuatan mattress untuk
pengepres lapisan komposit
Mattress dibuat  dari  komposit fiberglass dengan  perekat epoxy tahan panas,  sebagai  alat  bantu  pengepresan lapisan komposit basah sebelum di oven, dengan  tujuan  untuk  mendapatkan struktur yang padat dan untuk mengurangi udara yang terjebak didalam  lapisan  komposit  yang  terbawa pada  saat  pengolesan resin  epoxy tahan panas  (EPR  174). Mattress di  belah menjadi dua bagian dan dikunci oleh 12 baut  pada  sekeliling  telinga mattress . Bentuk kontur mattress mengikuti bentuk kontur  luar  tabung liner .  Gambar  2-2 menunjukkan  bentuk Mattress yang sudah selesai dicetak.
Gambar 2-2: Mattress pengepres
2.2.3  Pelapisan  tabung liner dengan komposit karbon- epoxy Tabung liner dilapis  dengan  kain karbon  yang  direkat  dengan  resin  EPR 174.  Pelapisan  dilakukan  lembar  demi lembar  sebanyak  20  lapisan  (7mm setelah kering) dengan garis sambungan yang  dipindah-pindah  untuk  tiap  lapisan sehingga  sambungan  antar  lapisan kain
karbon,  selalu  terletak  pada  tempat berbeda.

## 2.2.4 Proses pengepresan
Setelah  tabung liner selesai dilapisi  dengan  kain  karbon  dan  resin sebanyak  20  lapisan  maka  langkah selanjutnya adalah dilakukan pengepresan dengan mattress.

## 2.2.5 Proses pengeringan
Langkah
berikutnya adalah melakukan  pengeringan  dengan  oven untuk  mematangkan  resin  dan  menge- luarkan  udara-udara  yang  terjebak diantara  celah-celah  kain  karbon  dan resin.  Proses  pengeringan  dilakukan selama  tiga  jam  dengan  suhu  120  ºC didalam  oven.  Setelah  proses  pemanasan selesai,  tabung  dikeluarkan  dari  oven, dan  setelah  dingin, mattress kemudian di buka.

## 2.3 Proses Pengujian
Tahap  akhir  adalah  pengujian. Untuk  menjamin  bahwa  dinding  tabung yang di desain bisa dioperasikan sampai dengan  tekanan  150  Bar  maka  tabung harus  diuji  hingga  tekan  200  bar.  Uji tekanan  statik  dilakukan  dengan  meng- gunakan hydrostatic  pump yang mampu memompa  cairan  hingga  tekanan  250 bar.  Tabung  diisi  dengan  air,  setelah penuh lalu dipasang regulator dan diikat dengan kuat untuk menghindari kebocoran. Regulator tersebut kemudian disambungkan dengan hydrostatic pump melalui  selang  khusus  yang  tahan tekanan hingga 2900 bar yang dilengkapi dengan pressure  gauge 250  bar  dengan akurasi  10  bar  untuk  tiap  divisinya, sebagaimana  ditunjukkan  pada  Gambar 2-3. Pengujian dilakukan dengan mengisi tabung  dengan  cairan  hidrolik  sampai penuh  dan  kemudian  memompanya sampai  tekanan  100  bar  dan  dibiarkan ditahan selama beberapa menit, kemudian dengan  metode  yang  sama  dilanjutkan dengan  menaikkan  lagi  tekanan  sampai 125 bar, 150 bar, 175 bar dan 200 bar. Setelah  uji  hidrostatik,  kondisi  tabung
ditest  dengan  X-Ray.    Uji  ini  untuk melihat kondisi tabung bagian dalam.
Gambar 2-3: Set up uji hydrostatic
3 HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Analisa Tegangan dan Pemilihan Bahan Tabung
3.1.1  Simulai global analisa statik
Kondisi  operasi  tabung  propelan roket  cair  ini  sama  dengan  kondisi operasi  untuk  tabung  O2,  N2,  He,  dsb. Oleh  karena  itu  untuk  pertimbangan dan  parameter  awal  dalam  simulasi kekuatan  statik  tabung  yang  dirancang dengan  dimensi  seperti  yang  telah dijelaskan  di  atas,  maka  bahan  dan tekanan kerja bisa merujuk pada bahan dan  tekanan  kerja  tabung  oksigen  yaitu menggunakan steel dan  tekanan  kerja 150  bar  atau  untuk  keamanannya digunakan  tekanan  200  bar  untuk simulasinya.
Berdasarkan hasil simulasi tegangan  statis,  maka  kekuatan  statis dari  material steel dapat  di  lihat  secara global seperti pada Gambar 3-1, 3-2 dan 3-3.    Gambar  3-1  menunjukkan  hasil simulasi tabung dengan ketebalan dinding 4 mm dan 4,5 mm.  Dari hasil simulasi tersebut  terlihat  bahwa  tabung  dengan ketebalan    4  mm  dan  4,5  mm  masing- masing mempunyai nilai maksimum Von Misses Stress 694 MPa dan 618 MPa, ini berarti  sudah  di  atas  nilai ultimate strength dari  SS304  yaitu  515  MPa, sehingga bisa disimpulkan bahwa tabung dengan ketebalan 4 mm dan 4,5 mm  dari  bahan  SS304  tidak  akan  kuat menahan  beban  tekanan  200  bar. Demikian pula tabung dengan ketebalan 5 mm yang mempunyai nilai maksimum
Von Mises Stress sebesar 542 MPa seperti yang  ditunjukkan  pada  Gambar  3-2, tidak  akan  mampu  menahan  beban tekanan hingga 200 bar karena masih di atas nilai ultimate strength -nya.
Tabung dengan ketebalan 5,5 mm sampai dengan 7 mm menghasilkan Nilai Von Misses Stress antara 359 MPa – 405 Mpa (Gambar 3-2 dan 3-3). Nilai ini jauh di  bawah  nilai ultimate  tensile  strength sehingga  ketebalan  ini  dipertimbangkan cukup  kuat  untuk  menahan  tekanan 200  bar  dengan  catatan  silinder  SS304
yang digunakan adalah seamless . Namun demikian, tabung SS304 ini mempunyai massa  yang  cukup  berat.  Pada  desain tabung  dengan  ketebalan  5,5  –  7mm akan  mempunyai  berat  tabung  kosong mencapai  13,61  –  17,14  kg,  ini  belum termasuk  berat connector dan  regulator. Untuk itu harus di cari bahan yang jauh lebih ringan namun mempunyai kekuatan yang mampu menahan tekanan 200 Bar. Nilai Von  Mises  Stress maksimum  hasil simulasi dirangkum pada Tabel 3-1.
Gambar 3-1: Stress analysis tabung dengan ketebalan dinding 4 mm (kiri) dan 4,5 mm (kanan)
Gambar 3-2: Stress analysis tabung dengan ketebalan dinding 5 mm (kiri) dan 5,5 mm (kanan)
Gambar 3-3: Stress analysis tabung dengan ketebalan dinding 6,5 mm (kiri) dan 7 mm (kanan)
Tabel 3-1: TEGANGAN VON MISES MAKSIMUM HASIL SIMULASI TABUNG DENGAN MATERIAL SS304 Thickness Maximum Von Mises Stress (mm) (MPa) 4,0 694,27 4,5 618,17 5,0 542,94 5,5 405,13 6,5 385,86 7,0 359,61
3.1.2  Pemilihan bahan pengganti steel Material  alternatif  pengganti steel yang cukup kuat terhadap tekanan tinggi dan  ringan  adalah  material  komposit. Ada  dua  jenis  material  komposit  yang bisa  dipertimbangkan  sebagai  pengganti steel yaitu fiberglass dan fiber  carbon , dengan  data  sifat  mekanisnya  seperti yang  ditunjukkan  pada  Tabel  3-2.  Dari tabel  tersebut  terlihat  bahwa ultimate strength karbon  mencapai  570-600  MPa sedangkan fiberglass mempunyai ultimate strength antara  425  –  440  MPa  lebih rendah daripada karbon. Di samping itu massa  jenis  karbon  juga  lebih  rendah dari  pada steel maupun fiberglass sehingga  secara  otomatis  akan  lebih ringan daripada kedua material tersebut. Dalam  industri praktis, fiberglass banyak digunakan  sebagai  bahan  tabung  ber- tekanan  rendah,  sementara  untuk fiber carbon digunakan  untuk  tabung  ber- tekanan tinggi.
Dalam  perancangan  dan  pem- buatan tabung propelan untuk roket cair yang  bertekanan  tinggi,  yaitu  ber- tekanan  kerja  150  Bar  dan  akan  dites pada  tekanan  200  Bar,  maka  desain rancangannya  akan  berbasis  material fiber carbon sebagai pengganti material - ketebalan  dinding  awal  yang  aman
untuk  tekanan  200  bar,  belum  bisa dilakukan secara simulasi karena material  komposit  belum  ada  di  dalam data base software untuk static analysis yang  kami  gunakan.  Oleh  karena  itu harus  dilakukan  uji  secara  secara eksperimental.  Tabel  3-3  menunjukkan gambaran perkiraan berat antara tabung dengan  material fiber  carbon,  fiberglass dan SS304.
Tabung dibuat dengan kombinasi pelat stainless steel SS304 setebal 2 mm dan  komposit  karbon  setebal  7  mm. Dengan  kombinasi  material  tersebut maka tabung diperkirakan akan mempunyai  berat  kurang  lebih  8.23  kg atau  sekitar  60  persen  dari  berat  jika menggunakan  SS304  dengan  tebal  5,5 mm,  sesuai  dengan  ketebalan  minimal yang  aman  hasil  simulasi  tersebut  di atas. Dari perhitungan secara sederhana menggunakan ultimate  tensile  strength dari komposit karbon dan SS304, dapat diketahui  ketebalan  tabung  komposit karbon 7 mm akan  setara dengan SS304 setebal  8,1  mm,  sehingga  jika  proses manufaktur  komposit  karbon  setebal  7 mm dengan liner menggunakan stainless steel SS304  setebal  2  mm    sempurna, maka  secara  teori  kekuatannya  akan jauh di atas SS304 setebal 5,5 mm.
Tabel 3-2: PROPERTIES  MATERIAL  FIBER  KARBON, FIBERGLASS [http://www.performance- composites.com] DAN SS304
Parameters Unit Carbon Fiberglass SS304 Std CF Fabric Std CF Fabric UD E glass Fabric Young's Modulus 0 deg GPa 70 135 25 200 Young's Modulus 90 deg GPa 70 10 25 200 Ultimate Tensile Strength 0 deg MPa 600 1500 440 515 Ultimate Tensile Strength 90 deg MPa 600 50 440 515 Ultimate Com Strength 0 deg MPa 570 1200 425 Ultimate Com Strength 90 deg MPa 570 250 425 Density kg/m3 1600 1600 1900 8000 CF= Carbon Fiber, UD=Unidirectional
Tabel 3-3: PROPERTIES  MATERIAL  FIBER  KARBON,  FIBER  GLASS  [http://www.performance- composites.com] DAN SS304
Ketebalan dinding mm 1 2 3 4 5 5,5 6 6,5 7 Massa tabung steel (SS304) kg 2,54  5,06  7,54  9,99  12,41  13,61  14,79  15,97  17,14 Massa tabung komposit (50% CF + 50% Resin) kg 0,47  0,93  1,39  1,85 2,29 2,52 2,74 2,96 3,17
Densitas : SS304 = 8000 kg/m3, CF = 1600 kg/m3, Resin = 1360 kg/m3
3.2 Revisi Desain Untuk
memudahkan dalam manufaktur, maka desain dimensi tabung di  revisi  sebelum  proses  pembuatan. Spesifikasi  teknis  dari  revisi  tersebut adalah sebagai berikut:
 Volume ruang kosong 15,38L
 Diameter silinder maksimal 235 mm
 Panjang tabung 528 mm
 Ketebalan  dinding  dan  bahan  akan digunakan, ditentukan kemudian pada pemilihan bahan.
 Tekanan operasi 150 Bar.
 Tekanan Uji 200 Bar.
Gambar 3-4 menunjukkan desain tabung  yang  telah  direvisi  dengan dimensi baru.
Gambar 3-4: Revisi drawing tabung propelan untuk roket cair

## 3.3 Hasil Rancang Bangun
Gambar  3-5  menunjukkan  tabung liner SS304  hasil  rancang  bangun sebelum  dilapisi  komposit.  Setelah melalui  proses  pelapisan,  pengepresan dan  pengeringan,    hasilnya  menjadi seperti pada Gambar 3-6.  Pada gambar tersebut,  masih  terdapat  ekses-ekses resin  dan  kain  karbon  yang  biasanya terjadi  pada  pertemuan  dua  belah mattress .    Ekses-ekses  ini  kemudian dibesihkan  dengan  gerinda  tangan  dan didapatkan  produk  tabung  propelan final  seperti  terlihat  pada  Gambar  3-7. Berat riil tabung adalah 9,1 kg atau 1 kg lebih  berat  dari  berat  prediksi  desain yang hanya 8,14 kg.  Penambahan berat ini dikarenakan pada proses manufaktur riil,  volume  kain  karbon  dan  per- bandingan  antara  resin  dan  kompositnya berubah  untuk  memenuhi  kebutuhan ketebalannya.  Namun, berat riil tabung komposit  ini  masih  sekitar  67  persen berat  tabung  jika  menggunakan  SS304 dengan  tebal  5,5  mm,  sesuai  dengan ketebalan  minimal  yang  aman  hasil simulasi tersebut di atas.
Gambar 3-5: Tabung liner stainless steel hasil rancang  bangun  sebelum  dilapisi komposit
Gambar 3-6: Tabung  yang  dikeluarkan  dari mattress setelah proses oven
Gambar 3-7: Produk jadi tabung hybrid stainless steel - komposit karbon

## 3.4 Uji  Hidrostatik  dan  Analisa  Tabung Hasil Revisi Desain
Pengujian tabung pertama dimulai dengan memberi tekanan sebesar 50 Bar dan ditahan beberapa menit.  Kemudian tekanan  dinaikkan  25  bar  pada  setiap tahapannya  dan  ditahan  hingga  3  –  5 menit hingga mencapai 125 bar. Setelah tekanan  mencapai  100  bar,  setiap tekanan dinaikkan lagi 25 bar, terdengar bunyi  gemeretak  sebentar.    Bunyi  ini tidak seperti suara logam dan tidak dapat diketahui  secara  jelas  apa  penyebabnya karena  tidak  ada  pengukuran  khusus, tapi  diprediksi  bunyi  ini  disebabkan karena adanya peregangan pada material  komposit  yang  beradaptasi dengan peregangan tabung liner .
Kemungkinan lain adalah lepasnya ikatan komposit  dan liner nya  di  beberapa tempat.
Ketika tekanan mencapai 150 bar, tekanan statis tersebut kemudian ditahan hingga  15  menit  untuk  memberikan stretching yang  cukup  pada  material tabung.  Setelah  itu,  tekanan  kemudian dinaikkan  lagi  sebesar  25  bar  hingga mencapai  175  Bar,  kemudian  terdengar lagi  bunyi  gemeretak  sebentar,  namun pada  tekanan  ini  mulai  ada  rembesan kecil  yang  muncul  di  area  batas dudukan  konektor  dan  lapisan  karbon (ilustrasi  pada  Gambar  3-8),  hingga
mengakibatkan  tekanan  turun  menjadi 170  bar  dengan  durasi  waktu  yang ditahan kurang lebih antara 5-10 menit.
Gambar 3-8: Daerah  rembesan  pada  pengujian tabung pertama saat tekanan 175 bar
Tekanan tabung kemudian dinaikkan  lagi  hingga  195  bar,  namun terdengar  gemeretak  agak  keras  seperti material yang sedang mengalami regangan  yang  cukup  besar  secara mendadak.  Pada  tekanan  ini  rembesan di  area  batas  dudukan  konektor  dan lapisan karbon sedikit bertambah besar, namun  ketika  tekanan  diteruskan hingga  mencapai  200  bar,  lapisan komposit  karbon  terbelah  dua  dengan diawali  bunyi  yang  agak  keras.  Gambar 3-9  memperlihatkan  retakan  besar  atau belahan  yang  terjadi  pada  lapisan komposit  tabung  pertama  yang  sedang di uji tekanan statik.
Gambar 3-9: Lapisan  komposit  karbon  tabung pertama terbelah dua pada tekanan 200 bar
Kenaikan  25  bar  pada  setiap tahapan  pengujian  bisa  jadi  terlalu besar,  sehingga  pada  daerah  kritis, yakni  daerah  dengan  beban  tegangan yang  tinggi  seperti  yang  ditunjukkan pada  hasil  simulasi,  ketika  tekanan  di atas  100  bar,  kenaikan  tekanan  yang besar tersebut membuat material dinding  tabung  mengalami  peregangan yang cukup ekstrim tanpa terlebih dahulu mengadakan  penyesuaian  elastisitas
sehingga  diprediksi  terjadi over  stretching yang  melemahkan  daya  rekat  antara tabung liner dan komposit.  Melemahnya daya rekat ini semakin meningkat ketika tekanan dinaikkan dan akhirnya menyebabkan  terlepasnya  ikatan  antara komposit  dan  tabung liner nya,  sehingga akibatnya  cairan  fluida  bertekanan tinggi  itu  merembes  keluar  melalui  area batas  dudukan  konektor  dan  lapisan karbon pada tekanan 175 bar.
Dugaan  yang  lain  adalah  Ikatan yang  terjadi  antara  lapisan  komposit karbon  dan steel dengan  lem epoxy memang  dari  awal  tidak  cukup  kuat sehingga  ketika  mendapat  penambahan beban  tekanan  yang  lebih  tinggi  lagi, ikatan  antara  tabung liner dan  lapisan komposit tersebut lepas.
Lepasnya ikatan lapisan komposit karbon  dan  tabung liner menyebabkan turunnya  kekuatan  tabung  secara keseluruhan dan akhirnya menyebabkan terjadinya keretakan awal lapisan komposit di daerah sambungan komposit. Keretakan  ini  terus  memanjang  seiring bertambahnya  tekanan  dan  akhirnya terbelah menjadi dua ketika tekanannya mencapai 200 bar.
Pengujian  tabung  kedua  dimulai dengan  memberi  tekanan  pada  tabung sebesar  50  Bar  dan  ditahan  beberapa menit.  Kemudian  tekanan  dinaikkan  10 bar pada setiap tahapannya dan ditahan hingga  5  –  10  menit  hingga  mencapai 150 bar.
Setelah  tekanan  mencapai  150 bar,  pengujian  dilanjutkan  dengan menaikkan  secara  bertahap  dengan kenaikan 5 bar untuk setiap tahapannya dan ditahan 5-15 menit untuk memberikan stretching yang cukup pada material tabung.
Ketika tekanan pengujian mencapai 175 Bar terdengar sedikit bunyi gemeretak (sebentar),  diikuti  adanya  rembesan kecil  yang  muncul  di  area  batas dudukan  konektor  dan  lapisan  karbon, hingga  mengakibatkan  tekanan  turun menjadi  174  bar  dengan  durasi  waktu kurang lebih 5 menit.
Pada saat tekanan dinaikkan dan ditahan  di  201  bar,  kebocoran  akibat rembesan kecil di area berbatasan dengan konektor  mengakibatkan  penurunan dua  bar  pada  tiap  lima  menit.    Untuk menjaga agar    tekanan tetap terjaga di 200  ±  1  bar,  setiap  lima  menit  tekanan ditambah  atau  dinaikkan  dua  bar. Pengujian  statis  tekanan  200  bar dilakukan selama 30 menit dengan hasil yaitu  tabung  masih  utuh  dan  tidak mengalami retak.
Uji  selanjutnya  pada  tabung kedua  ini  adalah  dengan  memberikan tekanan  kejut  hingga  175  bar  secara kontinyu  tanpa  ada  kenaikan  bertahap. Setelah  itu  baru  dinaikkan  bertahap setiap 10 bar.   Akan tetapi  dikarenakan rembesan  pada  area  berbatasan  dengan connector meningkat, tekanan tidak bisa naik  lebih  dari  190  bar  dan  setelah  itu turun  kurang  lebih  1  bar  setiap  menit. Namun demikian pada tekanan kejut ini tabung  juga  masih  utuh  dan  tidak mengalami  keretakan  dinding.    Gambar 3-10  menunjukkan  kondisi  tabung kedua setelah dilakukan uji hidrostatik.
Gambar 3-10: Tabung  komposit  kedua  setelah uji hidrostatik
Untuk memastikan kondisi tabung  setelah  pengujian  dan  penyebab terjadinya  kebocoran,  dilakukan  uji  X- Ray  setelah  uji  hidrostatik  terhadap tabung  yang  kedua  untuk  melihat  lebih detail  kondisi  tabung  bagian  dalamnya. Hasil  uji  X-Ray  dapat  dilihat  pada
Gambar  3-11.    Dari  gambar  tersebut dapat  dilihat  banyak  titik-titik  hitam yang  mengindikasikan  kondisi  las-lasan tabung liner memang  kurang  bagus. Warna  hitam  dapat  dilihat  sebagai lubang  atau  kekosongan  material, sehingga  dari  gambar  tersebut  dapat diketahui  terjadi  kebocoran  di  cukup banyak  tempat  di  bagian  las-lasan. Kebocoran yang terjadi pada tabung liner menyebabkan  cairan  fluida  yang  keluar dari lubang di daerah las-lasan merembes di  antara  tabung liner dan  komposit. Tekanan yang tinggi dari fluida menyebabkan  ikatan  antara  komposit dan  tabung liner lepas  di  beberapa  titik yang  ikatannya  lemah  sehingga  timbul celah dan menyebabkan cairan merembet ke  atas  menuju  ke  celah  antara  batas konektor dengan komposit pada tekanan 175 bar.
Dari  gambar  tersebut  juga  dapat diketahui  terdapat  garis-garis  hitam pada  lapisan  komposit  dan  di  antara lapisan  komposit  dan  tabung  liner.    Ini menunjukkan adanya celah pada tempat-tempat  tersebut.  Bunyi  gemeretak pada  saat  uji  hidrostatik  kemungkinan berasal  dari  lepasnya  ikatan  antara lapisan-lapisan  komposit  dan  antara lapisan komposit dengan tabung liner.
Lepasnya ikatan tersebut
menyebabkan turunnya kekuatan untuk menahan  gaya  geser.    Pada  tabung pertama  kombinasi  antara  lepasnya ikatan  antara  lapisan-lapisan  komposit dan  antara  tabung liner dan  lapisan komposit,  tekanan  tinggi  fluida  yang masuk ke celah antara tabung liner dan komposit, serta pemberian beban tekanan mendadak pada saat pembebanan pertama  akhirnya  menyebabkan  lapisan komposit terbelah ketika tekanan mencapai 200 bar.

## Gambar 3-11: Hasil X-Ray tabung komposit kedua

## 4  KESIMPULAN
Tabung  komposit  tekanan  tinggi untuk  roket  cair  telah  dirancang  dan dibuat  sebanyak  dua  buah  dengan metode  hand  lay  up  dengan  melapisi tabung liner yang  terbuat  dari  baja SS304 yang tahan terhadap sifat korosif setebal  2 mm  dengan komposit  karbon– epoxy setebal  7  mm  dan  kemudian dikeringkan.  Kedua tabung mempunyai spesifikasi  sama.  Berat  riil  tabung komposit  ini  adalah  9,1  kg  atau  sekitar 67  persen  dari  berat  tabung  jika menggunakan  material  SS304  dengan tebal  5,5  mm,  sesuai  dengan  ketebalan minimal yang aman hasil simulasi.
Pengujian  hidrostatik  dilakukan terhadap  dua  tabung  tersebut  untuk mengetahui kekuatan strukturnya.  Dari hasil pengujian dapat disimpulkan bahwa tabung  komposit  rancangan  dapat menahan  tekanan  hingga  200  bar, namun masih ada kebocoran kecil.
Pada  pengujian  tabung  pertama, kombinasi  antara  tekanan  tinggi  fluida yang masuk ke celah antara tabung liner dan  komposit,  lepasnya  ikatan  antara lapisan-lapisan  komposit  dan  antara tabung liner dan  komposit,  serta pemberian  beban  tekanan  mendadak pada saat pembebanan pertama menyebabkan lapisan komposit  terbelah
ketika  tekanan  mencapai  200  bar. Sedangkan  tabung  komposit  kedua dapat  menahan  tekanan  yang  diberikan secara  kontinyu  sampai  dengan  175  bar setelah dilakukan stretching (penyesuaian elastisitas)  pada  pembebanan  pertama dengan  menaikkan  tekanan  secara perlahan.
Untuk  mengatasi  permasalahan kebocoran  dan  meningkatkan  kekuatan strukturnya, pada pengembangan berikutnya perlu dilakukan uji kebocoran  terlebih  dahulu  terhadap tabung liner ,  dan  perlu  dilakukan penyempurnaan  perekatan  pada  area joint antara metal dan komposit dengan surface  treatment yang  lebih  baik  dan pemilihan epoxy yang  mempunyai  daya rekat  lebih  kuat  antara  komposit  dan metal.  Selain itu, perlu juga dikaji lebih dalam  terhadap  kecukupan  ketebalan komposit karbon.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Kami  mengucapkan  terima  kasih pada  Ir.  Nur  Rohman  dari  PT  Kuantum Tekno Kreatif atas kerja samanya dalam pengembangan tabung komposit ini, dan juga  kepada  kepala  Pusat  Teknologi Roket  –  LAPAN  yang  telah  mendukung pengembangan tabung komposit ini.
Titik hitam indikasi adanya lubang, menunjukkan tidak sempurnanya las pada tabung liner
Garis hitam tipis indikasi adanya celah

## DAFTAR RUJUKAN
Abumeri,  G.  H.,  Kosareo,  D.  N.,  Roche,  J.  M., 2004. Cryogenic Composite Tank Design for  Next  Generation  Launch  Technology, 40th  AIAA/ASME/SAE/  ASEE  Joint Propulsion Conference and Exhibit.
Hakim,  A.  N.,  2010. Analisa  Uji  Bakar  Roket RCX2 Berpropelan GOX-Kerosen , Prosiding Seminar Nasional Thermofluid, Yogyakarta. Hakim,  A.  N.,  2011. Analisis  Propulsi  Enjin Roket  Cair  RCX300H  dengan  Storable Propellant  Asam  Nitrat  dan  Kerosen, Prosiding  Seminar  Nasional  IPTEK Dirgantara (SIPTEKGAN) XV, Jakarta.
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. http://www.performance-composites.com/
carbonfibre/mechanicalproperties_2.as p diakses pada Juli 2013
Kawahara, G., McCleskey, S.F., 1996. Titanium Lined,  Carbon  Composite  Overwrapped Pressure Vessel , AIAA 96-2751.
Kong,  C.  W.,    Yoon,  J.  H.,  2004. Design  of Composite  Pressure  Vessels  with  Metallic and  Plastic  Liners ,  Key  Engineering Materials, 261, 1505-1510.
Lifshitz,  J.  M.,  Dayan,  H.,  1995, Filament- wound pressure vessel  with  thick  metal
liner ,  Composite  Structures  32,  313- 323.
Mazumdar, S. K., 2002, Composites Manufacturing:
Materials, Product, and Process
Engineering, CRC Press LLC.
McLaughlan,  P.  B.,  Forth,  S.  C.,  Grimes- Ledesma,  L.  R.,  2011. Composite Overwrapped  Pressure  Vessels,  A Primer , NASA/SP-2011-573.
Mital,  S.  K.,  Gyekenyesi,  J.  Z.,  Arnold,  S.  M., Sullivan,  R.  M.,  Manderscheid,  J.  M., Murthy,  P.  L.  N.,  2006. Review  of Current State of the Art and Key Design Issues with Potential Solutions for Liquid Hydrogen  Cryogenic  Storage  Tank Structures  for  Aircraft ,  NASA/TM-2006- 214346.
Radhika,  M.,  Shekar,  K.  C.,  Rao,  G.  V.,  2014,
Design,  Fabrication  and  Testing  of Composite Overwrapped Pressure
Vessel  for  CNG  Storage ,  International Journal  of  Engineering  Research  & Technology (IJERT), Vol. 3, Issue 12.
Rukmini,  S.  D.,  Wahyuni,  D.,  Wasi,  D.  R.,
Sufri,  A.,  2000. Penelitian  Sistem Propulsi  Cair  dengan  Pendingin  pada Ruang  Bakar ,  Jurnal  Nusantara  Kimia
No. 2.2. Vol VII Tahun ke-7.
Tam, W. H., Griffin, P. S., Jackson, A. C., 2002.
Design and Manufacture of a Composite Overwrapped Pressurant Tank Assembly , AIAA 2002-4349.