## PENGARUH KETEBALAN DI TENGAH TABUNG MOTOR ROKET RX 122 YANG PANJANG

## (THE EFFECT OF THICKNESS IN THE MIDDLE OF RX 122 LONG ROCKET MOTOR TUBE)
Ediwan Pusat Teknologi Roket Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional Jl. Raya LAPAN Rumpin – Bogor 16350 Indonesia e-mail: ediwan.ok20@yahoo.com
Diterima 8 Desember 2016; Direvisi 23 Januari 2018; Disetujui 24 Januari 2018

## ABSTRACT
In the calculation of rocket tube due to the effect of pressure and temperature, if the comparison of length and diameter is large, then the bending stress and bucking stress will occur because of the weight, shear force, and torsion of the tube. For this reason, the tube needs to be thickened on the middle part so the pressure in the middle part will be reduced but will not result a new bigger pressure. In-depth analysis of the tubes was conducted on a long tube which is 2000 mm long and having 122 mm  diameter.  The  analysis  was  only  regarding  the  effect  of  the  pressure  on  the  tube  with  same thickness and the tube with thickened middle part for the purpose of seeing the effect of thickening the middle part of the tube and how much thickness in the middle part is allowed, so the effect of bending and buckling stress can be neglected.
Keywords: rocket tube, pressure effect

## ABSTRAK
Pada perhitungan tabung roket akibat pengaruh tekanan dan temperatur, bila perbandingan antara panjang dan diameter cukup besar, perlu memperhitungkan terjadinya tegangan bending akibat berat  dan  tegangan buckling akibat  ketebalan.  Untuk  menghindari  tegangan  tersebut  maka  bagian tengah tabung harus lebih tebal agar tegangan bagian tengah berkurang, tetapi tidak menimbulkan tegangan yang lebih besar lagi. Analisis yang lebih mendalam tentang tabung dilakukan pada tabung yang  cukup  panjang  yaitu  2000  mm  dan  diameter  122  mm.  Analisis  yang  dilakukan  hanya  dari pengaruh  tekanan  saja  pada  tabung  yang  tebalnya  sama  dan  tabung  yang  tengahnya  dipertebal, dengan  tujuan  untuk  melihat  pengaruh  penebalan  bagian  tengah  tabung  tersebut  dan  sampai ketebalan  berapa  tabung  bagian  tengah  diizinkan  sehingga  akibat  terjadinya bending dan buckling dapat diabaikan.
Kata Kunci: tabung roket, pengaruh tekanan

## 1 PENDAHULUAN
Setiap melakukan suatu perubahan dalam suatu desain, perlu memperhatikan semua  pengaruh  yang  akan  diterima struktur  agar  struktur  yang  akan digunakan  aman  dalam  operasinya. Salah  satu  perubahan  pada  tabung RX122 adalah pengaruh ketebalan bagian tengah  untuk  menghindari  tegangan bending dan buckling .
Ketebalan  bagian  tengah  berfungsi untuk menurunkan tegangan yang terjadi dari tabung yang berukuran panjang dan tipis, dengan cara meningkatkan kekakuan pada bagian tabung tersebut.
Proses  penebalan  ini  dapat dilakukan  dengan  cara  menambah ring atau  cincin  pada  bagian  tengah  tabung atau  dari  tabung  yang  tebal  dibubut dengan  menyisakan  ketebalan  hanya pada  bagian  tengah  saja,  seperti  yang dilakukan  pada  roket  RX  122  yang berdiameter  122  mm  dan  tebal  6  mm, sehingga  tabung  menjadi  berat,  untuk meringankan berat tabung maka tabung yang tebalnya 6 mm dibubut menjadi 2,5 mm dengan menyisakan ketebalan pada bagian  tengah  saja,  dengan  demikian berat tabung menjadi lebih ringan.
Pengaruh ketebalan bagian tengah ini akan dianalisa dari pengaruh tekanan, agar tegangan yang terjadi kecil, sehingga tabung  tidak  dianggap  panjang  dengan adanya  ketebalan  tersebut.  Namun tegangan  harus  di  bawah  tegangan
ketika tabung tanpa penebalan, sehingga pengaruh bending dan buckling dapat diabaikan.
Analisa dilakukan dengan membuat  variasi  ketebalan  bagian tengah,  dari  2,5  mm  tanpa  penambah ketebalan, dimulai tebal 6 mm sampai 2 cm  yang  dilakukan  pada  tabung berdiameter 122 mm.
Penelitian  ini  dilakukan  untuk mendapatkan  struktur  tabung  motor roket  yang  lebih  ringan  namun  tetap aman  dalam  operasinya,  sehingga jangkauannya  lebih  jauh  dan  mencapai tujuan yang diinginkan.

## 2 TEORI  DASAR
Perhitungan  teoritis  yang  akan dilakukan  adalah  perhitungan exact , dan  perhitungan  yang  menggunakan perangkat lunak komputer yaitu  metode pendekatan atau rekayasa.
Hasil  perhitungan  secara  teoritis dihitung  dengan    menggunakan  rumus berikut  (William 1992, ASME 2005)
- Displacement arah  radial  keluar dinding tabung  di  mana  p  adalah  tekanan,  r radius,  E  modulus  elastisitas  dan  t tebal,
∆𝑅 = 𝑃. 𝑅 𝐸. 𝑡 2 (2-1)
- Tegangan  yang  terjadi  pada  tabung arah keluar dinding
𝜎 ∅ = 𝑃. 𝑅 𝑡 (2-2)
Tegangan bending adalah tegangan yang ditimbulkan  oleh  momen  (M)  yang bekerja di ujung-ujung pipa. Dalam hal ini  tegangan  yang  terjadi  dapat  berupa Tegangan Bending akibat tarik dan tekan. Tegangan bending ini  maksimum  pada permukaan  pipa  dan  nol  pada  sumbu pipa, karena tegangan tersebut merupakan fungsi  jarak  dari  sumbu  ke  permukaan pipa  (c).  Hal  ini  dapat  dirumuskan sebagai berikut:
σ b = Mc I (2-3)
Dengan: σ b = Tegangan bending M C = Momen maksimum I = Momen Inersia Penampang
- Tegangan  geser  yang  menimbulkan buckling mencapai  nilai  maksimum pada sumbu pipa dan minimum pada jarak  terjauh  dari  sumbu  pipa  yaitu permukaan  luar  pipa.  Besar  tegangan geser  ini  kebalikan  dengan  tegangan bending , sehingga besar tegangan geser pada  tabung  yang  disebabkan  oleh kecepatan  roket  adalah  relatif  kecil dibandingkan dengan tegangan bending yang  dipengaruhi  ketebalan  pipa  dan menyebabkan terjadinya buckling . (Roark dan Young, 2002, Parker, 1977).
τ max = V. Q A max (2-4)
Dengan:
 max = Tegangan geser V    = Gaya Geser A  = Luas penampang pipa Q .. = . Faktor bentuk untuk per geseran
- Puntiran  dapat  menyebabkan  terjadi buckling juga, di mana suatu bentangan bahan  dengan  luas  permukaan  tetap dikenai suatu puntiran ( twisting ) pada setiap  ujungnya  dan  puntiran  ini
disebut  juga  dengan  torsional,  dan bentangan  pipa  tersebut  dianggap sebagai  poros  ( shaft ).  Untuk  suatu poros dengan panjang L dan jari-jari c dikenai torsi T
Pergeseran sudut ( angular displacement ) ujung satu terhadap yang lainnya diberikan dengan sudut ø (dalam radian) adalah:
∅ = 𝑇. 𝐿 𝐽. 𝐺 (2-5)
Dengan J  = 𝜋.𝑐 4 2 adalah  momen  inersia polar  pada  luas  permukaan.  Jadi, tegangan  geser  torsional  pada  suatu jarak  r  dari  sumbu  poros  luas permukaan adalah.
τ = T. c J (2-6)
yang bertambah secara linier, sehingga, tegangan  geser  maksimum  yang  terjadi pada r  =  c adalah t max = 𝑇𝑐 𝐽 𝜏 𝑚𝑎𝑥 = 𝑇.𝑟 𝐽 .
Untuk poros pipa yang mempunyai jari- jari dalam ri dan jari-jari luar r 0 rumus di atas akan berlaku menjadi:
𝐽 = 𝜋. (𝑟 𝑜 4 −𝑟 𝑖 4 ) 2 (2-7)

## 3 PERHITUNGAN  TEORITIS
Perkembangan  teknologi  sekarang membuat  semua  pekerjaan  menjadi lebih cepat dan hasil yang menakjubkan, karena  penampilan  simulasi  secara grafis  dan  mudah  dimengerti  dan dipahami, serta sesuai dengan kemajuan komputer di semua bidang pekerjaan.
Analisa  yang  dilakukan  pada struktur dengan komputer memerlukan pengetahuan dasar material dan koordinat 2 atau 3 dimensi, dari material dibutuhkan banyak data misalnya masa jenis,  modulus  elastisitas,  koefisien termal  dan  sebagainya,  begitu  juga dengan koordinat berguna dalam pembuatan  model  benda  yang  akan dianalisis.
Tabung    yang  akan  dianalisis    adalah tabung  dengan  panjang  2000  mm, berdiameter  122  mm,  dan  tebal  5  mm yang  dibubut  menjadi  2,5  mm,  dengan tekanan maksimum akibat pembakaran adalah 80 kg/cm2. Dengan menggunakan rumus 2.2 maka didapat,
𝜎 ∅ = 80𝑥5 0.25 = 1600 kg/cm 2
Dari analisis pipa pada pengaruh tekanan, tegangan  yang  terjadi  1600  kgf/cm 2 . Karena kekuatan maksimum pipa bahan AL6061 sebesar 3000 kgf/cm 2 ,  sehingga faktor  keamanan  pipa  atau  tabung (Samuel 1984)
𝑆𝐹 = 3000 1600 = 1.8
Khusus  untuk  motor  roket,  faktor keamanan  1,8 ≥ 1  maka  pipa  sangat aman  dari  pengaruh  tekanan  saja, sedang beban yang lain masih diabaikan dan  karena  struktur  hanya  digunakan sekali  saja,  tetapi  bila  akan  digunakan untuk  bejana  bertekanan  dibutuhkan faktor keamanan yang jauh lebih tinggi, sebab  bejana  bertekanan  beroperasi dengan  waktu  yang  cukup  lama  dan akan digunakan dalam waktu bertahun- tahun.
Begitu  juga  untuk  pemipaan  di bidang  perminyakan  dibutuhkan  faktor keamanan  yang  cukup  tinggi  dan  pipa yang beroperasi dalam waktu yang lama harus memperhatikan juga faktor bending , korosi, creep , dan lelah. Perangkat lunak yang  sudah  menyediakan  berbagai beban  seperti  faktor  korosi, bending stress contohnya  perangkat  lunak Caesar yang khusus untuk perancangan sistem pemipaan (Ediwan 2013).
Walaupun  dari  faktor  keamanan dianggap  aman,  tetapi  karena  tabung cukup  panjang  maka  faktor  keamanan tersebut  tidak  aman  sebab  dengan tabung  yang  panjang  dan  tipis  perlu diperhatikan juga tegangan bending dan buckling , untuk menghindari hal tersebut tabung bagian tengahnya perlu ditebalkan (ASME 2005).
4

## ANALISIS  DENGAN SOFTWARE STRUKTUR
Untuk bagian tengah yang ditebalkan  analisisnya  dilakukan  dengan bantuan  perangkat  lunak  struktur untuk  pipa  atau  tabung  yang  tebalnya 2,5  mm  dari  ujung  ke  ujung  hasil simulasinya  seperti  Gambar    4-1  di bawah ini,

## Gambar 4-1 Pipa yang tebalnya sama
Pipa  yang  tebalnya  sama  hasil simulasinya menunjukkan bahwa tegangan maksimum 1950 kg/cm 2 dekat tumpuan  atau  sambungan,  sedangkan untuk bagian yang jauh dari sambungan sama  dengan  hasil  teoritis  yaitu  1600 kg/cm 2 ,  hal  ini  terjadi  karena  adanya konsentrasi tegangan dekat sambungan (Dieter, 1988).
Untuk menghindari adanya tegangan bending dan buckling maka tabung bagian tengah dipertebal dengan tujuan  menurunkan  tegangan  bagian tengah,  Berikut  ini  adalah  pipa  yang dipertebal bagian tengah tabung dari 2,5 mm  menjadi  6  mm  seperti  yang ditunjukkan Gambar 4-2 model struktur di bawah ini
Gambar 4-2:  Bentuk struktur yang ditebalkan
Untuk  pipa  atau  tabung  yang ditebalkan  6  mm  di  tengah  dan  bagian lain  tetap  2,5  mm,  hasil  simulasinya dapat dilihat pada Gambar 4-3.
Gambar 4-3 Tabung ditebalkan 6 mm
Hasil  penebalan  bagian  tengah dari  2,5  mm  menjadi  6  mm  terlihat tegangan yang terjadi di tengah menjadi 900  kg/cm 2 yang  sebelumnya  1600 kg/cm 2 , sedangkan tegangan maksimum tetap di dekat sambungan sebesar 1950 kg/cm 2 (Ediwan 2005).
Akan dicoba simulasi penambahan tebal bagian tengah dari 6 mm menjadi 10  mm  dan  dapat  dilihat  pada  Gambar 4-4.
Gambar 4-4:  Tabung ditebalkan 10 mm
Penebalan dari 6 mm menjadi 10 mm dapat menurunkan tegangan bagian tengah lebih kecil lagi dari 900 menjadi
640  kg/cm 2 ,  sedangkan  tegangan maksimum masih tetap 1950 kg/cm 2 . Berikut akan ditambah ketebalan bagian  tengah  menjadi  20  mm  seperti Gambar 4,5.
Gambar 4-5:  Tabung ditebalkan 20 mm
Dari  simulasi  tabung  dengan menambah  ketebalan  menjadi  20  mm menghasilkan  tegangan  bagian  tengah menjadi lebih kecil lagi yaitu 412 kg/cm 2 , tetapi bagian samping penebalan timbul tegangan  maksimum  lagi  yang  dapat membahayakan tabung terhadap tegangan yang lain.

## 5 PEMBAHASAN
Dengan  mempertebal  tengahnya dapat  menurunkan  tegangan  bagian tengah  saja,  karena  bila  pipa  sangat panjang  tegangan  tengahnya  perlu diperkecil dengan cara diberikan tumpuan  atau  dipertebal,  sedangkan tegangan maksimum tetap 1950 kg/cm 2 , selain  itu  faktor  kehalusan  permukaan dan kehalusan sambungan juga berpengaruh dalam memperbesar
konsentrasi tegangan (Ediwan, 2012).
Hasil  mempertebal  dari  6  mm menjadi  10  mm  tidak  mengubah besarnya  tegangan  maksimum  dan, lokasi  konsentrasi  tegangan  tetapi tegangan  bagian  tengah  menjadi  lebih kecil  lagi  yaitu  dari  900  kg/cm 2 pada ketebalan  6  mm  menjadi  640  kg/cm 2 pada  ketebalan  10  mm.  Sewaktu  tidak dipertebal atau tebalnya masih 2,5 mm,
tegangan bagian tengahnya masih tinggi yaitu  1600  kg/cm 2 dan  bila  pipanya panjang  maka  akan  memudahkan terjadinya bending atau  tekuk  karena tegangannya masih tinggi, ditambah lagi dengan adanya beban temperatur, maka persoalannya  semakin  membahayakan struktur tersebut (ASME, 2012).
Untuk tabung yang dibuat dengan proses  pengerolan  panas  atau  dingin, sering  meninggalkan  tegangan  sisa akibat  proses  reduksi  dari  bahan  pipa tersebut (Roberts, 1983).
Hasil  mempertebal  dari  10  mm menjadi  20  mm  tetap  tidak  mengubah besarnya tegangan dan lokasi konsentrasi tegangan  tetapi  menambah  tegangan maksimum baru pada kedua sisi tabung yang  ditebalkan,  ini  berbahaya  walaupun tegangan  bagian  tengah  menjadi  lebih kecil lagi. Persoalan ini sering dilakukan dan  berguna  untuk  tabung  yang perbandingan panjang dan diameternya serta  perbandingan  diameter  dan  tebal sangat  besar  atau  untuk  menentukan jarak  antara  tumpuan yang  aman  pada pipa.  Pipa  yang  diameternya  kecil  akan kelihatan lebih ramping bila panjangnya sama (Ediwan, 2005, 2013).

## 6 KESIMPULAN
 Hasil analisa secara teoritis
menunjukkan  bahwa  tegangan  masih cukup tinggi pada bagian tengah untuk tabung yang cukup panjang dan tebal sama 2,5 mm untuk sepanjang tabung, tegangan  yang  terjadi  1600  kg/cm 2 dengan faktor keamanan 1.8.
 Untuk  menurunkan  tegangan  pada bagian  tengah  agar  tegangan bending dan buckling tidak terjadi maka bagian tengah  dipertebal,  sehingga  tegangan turun, contohnya ditebalkan menjadi 6 mm maka penurunan dari 1600 kg/cm2 menjadi 900 kg/cm 2 .
 Penebalan  yang  lebih  dari  20  mm menimbulkan  konsentrasi  tegangan baru di bagian tengah sehingga mem- bahayakan tabung dan tidak diizinkan
 Penebalan  bagian  tengah  maksimum 10  mm  agar  tidak  timbul  konsentrasi tegangan baru lagi.
 Mempertebal  bagian  tengah  atau membuat  ring  akan  menurunkan tegangan  di  bagian  tengah  tetapi ketebalan maksimum tidak boleh lebih besar  dari  10  mm  karena  akan menambah daerah konsentrasi tegangan.
 Kesimpulan akhir menunjukkan bahwa  tabung  berdiameter  122  mm dengan  tebal  2,5  mm  aman  dengan menyisakan  ketebalan  bagian  tengah maksium  6  mm  sehingga  didapatkan struktur  yang  ringan  sesuai  dengan perancangan.
 Roket  ini  sudah  dilakukan  uji  statik dan  uji  terbang  dan  menunjukkan hasil yang cukup memuaskan, seperti jangkauan yang lebih jauh dan belum pernah gagal pada bagian tabungnya.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan  terima  kasih  ditujukan kepada  rekan  peneliti  dan  teknisi struktur  dan  Bengkel  Fabrikasi  LAPAN Pustekroket  atas  kerjasama  yang  baik serta  gambar  teknik  dan  proses  dalam perancangan tabung roket RX-122.

## PERNYATAAN PENULIS
Menyatakan  bahwa  Tulisan  Ilmiah yang  akan  dipublikasikan  ini  adalah hasil karya sendiri dan bukan merupakan duplikat  sebagian  atau  seluruhnya  dari karya  orang  lain,  kecuali  yang  telah disebutkan sumbernya.
Pernyataan  ini  dibuat  dengan sebenar-benarnya  dan  secara  sadar serta tanggung jawab penulis

## DAFTAR RUJUKAN
ASME    B31.1,  2012. Power  Piping. New  York:
American Society of Mechanical
Engineers, New York.
ASME  B31.3,  2012. Process  Piping .    ASME-
American Society of Mechanical
Engineers, New York.
Chadwick,  R.,  1980. Developments  in  Design and Application of Extrusion Presses for Metal  Processing ,  Int.  Met.  Rev,  vol 25.no.3, 94-136.
Dieter,  G  E.,  1988. Mechanical  Metallurgy , McGraw Hill Book Co, New York.
Ediwan,  2005. Bursting  Test  Tabung  Berdiameter 12 Inchi t=12 mm dan 8 mm ,  Prosiding Seminar Nasional Iptek Dirgantara.
Ediwan,  2005. Penelitian  Penggunaan  Bahan
Baja Untuk Struktur Motor Roket, Jurnal
IPTEK Material (JIMAT) Diterbitkan oleh LAPAN.
Ediwan,  2005. Pengujian  Kekuatan  Bahan Tabung  Motor  Roket  Pada  Berbagai Temperatur , Prosiding Seminar Nasional  Iptek  Dirgantara    IX,  Vol.  2, Diterbitkan LAPAN.
Ediwan, 2005. Proses Pembuatan dan Pengujian Tabung  Dia  8”  Tebal  7  mm  Bahan  Api - 5L-X42,  Jurnal  Ilmu  dan  Rekayasa Teknologi Industri (JIRTI) Vol.12, Diterbitkan  Oleh  FTI  Universitas  Empu Tantular. Ediwan,  2012. Analisis  Hasil  Pengelasan Tabung  Berdiameter  300  mm  Tebal  8 mm, Prosiding Siptekgan XVI, Diterbitkan Oleh LAPAN.
Ediwan, 2013. Analysys of Various Mesh Effect To The Stress and Displ in Rocket Motor Tube RX 420 Due To Chamber Pressure . International  Seminar  of  Aerospace science  and  Tecknology  (ISAST),  ISBN 978-979-1458-74-0.  The  published by LAPAN 2013.
Parker  E.R., 1977.  Material  Missiles  and SpaceCraft, University Barkley California. Roark  and.  Young,  2002. Formulas for  Stress and Strain , McGraw-Hill,  New York. Roberts W.L., 1983. Hot Rolling of Steel , Marcel Dekker Inc, New York. Samuel  L.,  Hoya,  1984. ASME  Hand  Book Materials Properties , Mc Graw-Hill, New York.
Williams S.D. , 1992. Thermal Protection Materials,
NASA Reference Publication 1289.