## SELEKSI PEMILIHAN MATERIAL UNTUK TABUNG ROKET RX 420

## Elvis A. Sumaraw
Peneliti Pusat Teknologi Dirgantara Terapan, LAPAN e-mail : elvis.sumaraw@yahoo.com

## ABSTRACT
A  Calculation  to  select  the  material  being  used  for  RX  420  rocket  has  been conducted.  The  selection  is  applied  to  3  kinds  of  tube  material  i.e.  SS  17-7  PH  steel, ASTM A312 AISI TP304L steel and AISI 4130 steel. By inputing data of tensile strength material, strain acting on the tube, tube diameter and tube length; the size of the tube can be calculated. The thicker tube and the lightest tube are then selected to be used. From the calculation result of SS 17-7 PH steel material, the tube with the thick of 1,8 mm  (safety  factor,  k=2)  with  the  tube  weight  of  85,458  kg  are  the  most  convenient materials  applied;  due  to  the  thicker  (1,8mm)  and  the  lightest  (85,458  kg)  with  the tensile strength of 900 MPa. If ASTM A312 AISI TP304L steel material is used , then the tube  thick  proposed  is  2,8  mm,  with  the  tube  weight  of  131,7  kg.  If  AISI  4130  steel material is used, then the tube proposed is 3 mm, with the tube weight of 142,4 kg.
Key word: Material, Tube, Rocket

## ABSTRAK
Telah  dilakukan  perhitungan  untuk  memilih  material  yang  akan  digunakan untuk roket RX 420. Seleksi dilakukan terhadap 3 macam  material tabung yaitu baja SS 17-7 PH, baja ASTM A312 AISI TP304L, baja AISI 4130. Dengan masukan data kuat tarik  material,  tekanan  yang  dialami  tabung,  diameter  tabung  dan  panjang  tabung maka  dapat  dihitung  tebal  tabung  dan  berat  tabung  roket  yang  dibutuhkan.  Tebal tabung yang paling tipis dan ringan yang dipilih untuk digunakan.
Dari hasil perhitungan material baja SS 17-7 PH dengan tebal tabung disarankan 1,8 mm  (faktor  keamanan=k=2)  dan  berat  tabung  85,458  kg  adalah  material  yang  paling cocok  untuk  digunakan  karena  mempunyai  tebal  yang  paling  tipis  (1,8mm),  ringan (85,458kg)  dengan  kuat  tarik  material  900  Mpa.  Bila  digunakan  material  baja  ASTM A312 AISI TP 304L  maka tebal tabung yang disarankan 2,8 mm dengan berat tabung 131,7 kg. Bila digunakan material baja AISI 4130 maka tebal tabung yang disarankan 3 mm dengan berat tabung142,4 kg.
Kata kunci: Material, Tabung, Roket

## 1 PENDAHULUAN
Roket  RX  420 adalah  bagian  dari Roket  Pengorbit  Satelit  (RPS)  yang direncanakan  akan  dibuat  dengan  4 tingkat,  yaitu  tiga  tingkat  roket  RX  420 dan satu tingkat roket RX 320. Roket RX 320  telah  lebih  dahulu  diuji  terbang  di Pamengpeuk  (Garut)  pada  tanggal  19 Mei  2008  (Media  Dirgantara,  2008).
Roket RX 420 rencananya akan menjadi roket pendorong RPS.
Roket  RX  420  telah  sukses  diuji terbang  di  Pamengpeuk  pada  tanggal  2 Juli  2009  (Media  Drgantara,  2009). Dengan sudut elevasi 70 º , Roket RX 420 dapat  mencapai  ketinggian  53  km  dan jarak  tempuh  101  km.  Roket  ini mempunyai kecepatan 4,4 bilangan Mach.
Struktur  motor  roket  RX  420 merupakan  salah  satu  bagian  yang paling  penting  pada  roket,  berfungsi sebagai  ruang  bakar  yang  mengubah propelan  menjadi  energi  yang  meng- hasilkan  tekanan  tinggi  yang  akan mendorong  roket.  Untuk  memenuhi operasi  kondisi  kerja  tersebut  maka struktur  roket  harus  memiliki  sifat-sifat sebagai berikut:
 Stabil  pada  suhu  yang  cukup  tinggi tanpa mengakibatkan perubahan bentuk tabung roket.
 Mampu  menahan  tekanan  kerja  yang cukup tinggi yaitu ~ 40 atm.
 Harus  ringan  sehingga  energi  yang dibutuhkan  untuk  mendorong  roket dapat digunakan seoptimal mungkin.
 Mudah dipabrikasi (machining).
Pemilihan  material  tabung  RX 420  harus  mempertimbangkan  hal-hal yang  tersebut  di  atas,  sebagai  alternatif dapat dipilih 3 material yang ringan dan
kuat  yaitu:  Paduan  baja  SS  17-7  PH, baja ASTM A312, baja AISI TP304L.
Penelitian  ini  bertujuan  untuk mendapatkan material baja yang ringan, kuat, tahan terhadap tekanan tinggi dari pembakaran bahan bakar roket sehingga diperoleh  ketinggian  terbang  roket  RX 420 yang optimal.

## 2 ROKET RX 420
Roket  RX  420  merupakan  bagian dari  roket  RPS  diameter  420  mm  hasil rekayasa  LAPAN  yang  menggunakan material  tabung  roket  stainless  steel  SS 17-7PH.  Roket  ini  merupakan  roket terbesar yang pernah diterbangkan LAPAN.  Roket  ini  nantinya  merupakan bagian dari Roket Peluncur Satelit (RPS) yang rencananya akan diluncurkan pada tahun  2014.  Motor  roket  ini  mengguna- kan  propelan  HTPB  (Hidroxy  Terminated Poly  Butadiene)  sepanjang  4,5  m.  Data lengkap roket RX 420 dapat dilihat pada Tabel 2-1.

## Tabel 2-1: SPESIFIKASI ROKET RX 420 (TIM REKAYASA ROKET, 2009)
No. URAIAN RX 420 1. Misi Acceptance test 2. Panjang total 6200 mm 3. Diameter luar roket 420 mm 4. Berat total 1000 kg 5. Berat propelan 535   kg 6. Jenis propelan Composite 7. Grain propelan Konfigurasi ganda 8. Bahan tabung motor SS 17-7 PH 9. Thrust rata-rata 9625 kgf 10. Tekanan ruang bakar rata-rata 40 atm 11. Burning time 13 detik 12. Prediksi ketinggian 97,9  km (elevasi 70 o ) 13. Prediksi jarak jangkau 181,8  km (elevasi 70 o ) 14. Mass ratio - 15. Payload Processor 125 kg
Tebal tabung = 2,85 mm

## 3 METODOLOGI
Menghitung  ketebalan  dinding roket  dengan  masukan  tekanan  pem- bakaran  sebesar  40  atm.  Bahan  tabung adalah  baja  SS  17-7  PH,  baja  ASTM A312,  baja  AISI  TP  304L.  Kemudian hasil  perhitungan  ditabelkan  dengan tebal dan berat tabung yang dibutuhkan dihitung  dan  dianalisa.  Tebal  tabung yang  tipis  dan  berat  tabung  yang  ringan dipilih  sebagai  bahan  tabung  roket  RX 420  Pada  Gambar  3-1  diperlihatkan diagram alir perhitungan. Masukan data tekanan  ruang  bakar  sebesar  40  atm dan  kuat tarik  bahan  ( σ )  untuk  masing- masing bahan 900 MPa untuk bahan SS 17-7  PH,  555  MPa  untuk  bahan  ASTM A312  AISI  TP304L,  560,5  MPa  untuk bahan  AISI  4130  maka  tebal  tabung dapat  dihitung.  Masukan  data  tebal tabung  dan  berat  jenis  (density)  tabung masing-masing 8 gram/cm 3 untuk  bahan baja  SS  17-7  PH,  7,93  gram/cm 3 untuk bahan  baja  ASTM  A312  AISI  TP  304L, 7,93  gram/cm 3 untuk  bahan  baja  AISI 4130 maka berat tabung dapat dihitung.
Gambar 3-1: Diagram alir perhitungan

## 4 TABUNG ROKET
Tabung  roket    harus  mampu menahan  gas  panas  hasil  pembakaran roket  pada  temperatur  berkisar  antara 2000 º s.d 4000 º K (Davinas,1993). Tekanan ruang  bakar  diperoleh  dari  uji  statik sebesar  40  atm  (Tabel  3.1.).  Dengan bahan tabung baja SS 17-7 PH.
Guna menghindari terjadinya kerusakan pada struktur motor roket akibat pembakaran tersebut, bagian dalam dari dinding  ruang bakar perlu diberi material penahan  panas  (protektor  thermal). Sesuai dengan fungsinya material
tersebut terdiri dari 3 bagian yaitu: liner, inhibitor  dan  insulator  termal.  Liner berfungsi sebagai perekat antara propelan dengan insulator  thermal. Insulator  termal  (fiber-carbon  dan  resin epoksi)  berfungsi  sebagai  perekat  liner dengan  dinding  tabung    motor  roket. Inhibitor  digunakan  untuk  melapisi permukaan propelan yang tidak dikehendaki terjadinya pembakaran ujung  cap  dan  nosel    (Gambar  4-1). Berdasarkan  pengukuran  yang  pernah dilakukan  setelah  uji  statik  temperatur dinding  luar  tabung  <  100 º C,  hal  ini berarti sistem protektor thermal berfungsi  sangat  baik  namun  tekanan tinggi perlu diperhitungkan (40atm).
Kekuatan material tergantung pada:  komposisi  material,  proses  pem- buatan  dan  perlakuan  panas  yang diberikan setelah pembuatan. Karena itu ketiga  material  yang  diseleksi  perlu diketahui komposisi kimia yang dikandungnya.  Tabel  4-1,  Tabel  4-3, Tabel  4-5  memperlihatkan  komposisi kimia yang dikandung baja SS 17-7 PH, baja  AISI  4130  dan  baja  A312  TP304L. Tabel  4-1  memperlihatkan  komposisi baja SS 17-7 PH, baja ini dikenal dengan baja  Chrom  Nickel  termasuk  dalam kelompok  baja  ”high  alloy  steel”  (baja paduan  tinggi)  karena  jumlah  unsur- unsur  pemadu  diatas  8%.  Kode  PH  di belakang SS 17-7 mengandung arti baja ini  dikeraskan  dengan  perlakuan  panas precipitat  hardening.  Tabel  4-3  memper- lihatkan komposisi kandungan baja AISI 4130,  baja  ini  dikenal  dengan  baja Chrom-Molybden termasuk dalam kelompok  baja  karbon  rendah  (mild steel/low carbon steel). Tabel 4.5 memperlihatkan  komposisi  kandungan baja  A312  TP304L,  baja  ini  dikenal dengan  baja  paduan  tinggi  (high  alloy steel)  dengan  unsur  pemadu  utama Chrom dan Nickel. Tabel  4-2, Tabel 4-4, Tabel 4-6 memperlihatkan sifat mekanik dan sifat fisik material. Dari ketiga tabel ini  data  kuat  tarik  (tensile  strength)  dan berat  jenis  (density)  dari  masing-masing bahan baja SS 17-7 PH, baja AISI 4130, baja  A312  TP304L  diperlukan  untuk menghitung  tebal  tabung  dan  berat tabung.

## Gambar 4-1: Motor roket (Sutrisno, 2007)
4.1 Komposisi Kimia dan Sifat Mekanik Baja SS 17-7 PH Tabel 4-1: KOMPOSISI  KIMIA  BAJA  SS 17-7 PH (Rahardjo, 2005) UNSUR KOMPOSISI KIMIA (% wt) Al 1,2 Si 0,4 Cr 17 Mn 0,7 Ni 7 N 0,04
Tabel 4-2: SIFAT-SIFAT  MEKANIS  DAN SIFAT  BAHAN  BAJA  SS  17-7
PH  (www.ukfstainless. co.uk/ technical/physical.php, 2009) Tensile strength /Kuat tarik (MPa) 720-900 Hardness (VHN) 390 Modulus elastisitas (GPa) at 20 o C 200 Density (g/cm 3 ) 7,9-8,1 Melting temperature ( o C) 1400- 1500 Thermal conductivity (W/m.k at 20 o C) 12-15 Tabel 4-3: KOMPOSISI  KIMIA  BAJA  AISI 4130 (www.efunda.com/ material/alloy, 2010) UNSUR KOMPOSISI KIMIA (% wt) C 0,28-0,33 Mn 0,40-0,60 P 0,35(max) S 0,04 Si 0,15-0,30 Cr 0,80-1,10 Mo 0,15-0,25
Tabel 4-4: SIFAT-SIFAT  MEKANIK  DAN FISIK  BAJA  AISI  4130  (www. efunda.com/material/alloy, 2010) Tensile  strength/Kuat  tarik (MPa) 560,5 Hardness (HB) 156 Modulus elastisitas (GPa) at 20 o C 190-210 Density (g/cm 3 ) 7,7-8,03 Melting temperature ( o C) 1560 Thermal conductivity (W/m.K at 100 o C) 42,7 Tabel 4-5: KOMPOSISI KIMIA BAJA A312-TP 304L (www. chinghann.com.tw, 2010) UNSUR KOMPOSISI KIMIA (% wt) C 0,035 Si 0,75 Mn 2 Cr 18-20 Ni 8-13 S 0,03 P 0,04
Tabel 4-6: SIFAT-SIFAT  MEKANIK  DAN
FISIK  BAJA  A312-TP  304L (www.chinghann.com.tw, 2010) Tensile  strength  /Kuat  tarik (MPa) 555 Kekerasan (HB) 191 Kerapatan (g/cm 3 ) 7,93 Temperatur meleleh ( o C) 1560

## Gambar 4-2: Motor roket RX 420

## 5 PERHITUNGAN DAN HASIL
Pada  tabung  dan  cap  akan menerima  tegangan  tarik  pada  arah tangential  dan  lateral  akibat  adanya tekanan  gas  hasil  pembakaran  yang cukup  tinggi.  Pada  roket  RX  420 tekanannya  sebesar  40  atm  dengan diameter tabung 420 mm.
Tegangan keliling (circumferensial) atau  tegangan  tangential,  akan  diterima kulit/penampang  tabung  roket  sebesar (Rolfe, 1978):
t D P t 2 .   (5-1)
dimana:
t  = tegangan circumferensial
P  = tekanan gas hasil pembakaran propelan
t   = tebal dinding tabung
Berdasarkan persamaan 5-1, tebal tabung dapat dihitung.
Gambar 5-1: Tegangan  Circumferensial dan Tegangan   Longitudinal pada Tabung dan Cap
Tegangan  longitudinal,  akan  diterima Cap, sebesar:
t D P l 4 .   (5-2)
dimana:
l  = tegangan longitudinal t  = tebal dinding Cap

## 5.1 Baja SS 17-7 PH (Sumaraw, 2010)
Panjang tabung = 4500 mm Diameter tabung = 420 mm Berat jenis tabung (density)= 8 gram/cm 3 Tekanan gas pembakaran  = 40 atm= 40 propelan kg/cm 2
Kuat tarik ( σ u )= l  =900Mpa = 900 = 9170 kg/cm 2
mm 9 , 0 cm 0916 , 0 2 . D . P t l    
Tebal tabung teoritis = 0,9 mm
Mengingat  hal  tersebut  di  atas  maka faktor  keamanan,  k  =  2  (dipilih),  tebal tabung yang dipakai (t)= 2 x 9mm= 1,8 mm
Gambar 5-2: Selimut tabung
D
Volume selimut tabung  = luas selimut
tabung  x tebal tabung yang dipakai =10682,28 cm 3 Berat jenis tabung = (7,9-8,1) gram/cm 3 (Tabel 5-2) berat jenis tabung = 8 gram/cm 3 Berat tabung = volume tabung x berat jenis tabung = 85,458 kg

## 5.2 Bahan  Baja  ASTM  A312  AISI  TP
304L Dapat dihitung dengan masukan: Berat jenis tabung = (7,7-8,03)
gram/ cm 3 (Tabel 5-4) berat jenis tabung = 7,93 gram/cm 3
(density)
Tekanan gas pem- =40 atm40 kg/cm 2 bakaran propelan Kuat tarik ( σ u )
=  l  555  Mpa  =
56,57 kg/mm 2
Tebal tabung teoritis  = 1,4 mm Faktor keamanan, k  = 2,  tebal  tabung
yang  dipakai(t)= 2x1,4mm=2,8 mm Berat tabung
= 131,7 kg

## 5.3 Bahan Baja AISI 4130
Dapat dihitung dengan masukan:
Berat jenis tabung  = 7,93 gram/cm 3 (density) (Tabel 5-6)
Tekanan gas pem-  = 40 atm = 40 bakaran propelan     kg/cm 2
Kuat tarik ( σ u ) =  l  560,5 Mpa =
57,13 kg/mm 2
Tebal tabung teoritis = 1,5 mm
Faktor keamanan, k = 2  (dipilih),  tebal
tabung yang dipakai (t) = 3 mm Berat tabung = 142,4 kg
Hasil  perhitungan  berat  tabung  ditam- pilkan  pada  Tabel  5-1  dengan  faktor keamanan,  k  =2  untuk  masing-masing bahan tabung dan tebal tabung.
Dari  ketiga  perhitungan  tesebut  di  atas dimana untuk tabung-tabung.
 SS  17-7  PH:  dipilih BJ  tabung  =  8  gr/ cm 3 dan tebal tabung1,8 mm
 ASTM  A312  AISI  TP  304L:  dipilih  BJ tabung=  7.93  gr/cm 2 dan  tebal  tabung 2,8 mm
 AISI  4130:  dipilih  BJ  tabung  7.93  gr/ cm 3 dan tebal tabung 3 mm
Maka  akan  diperoleh  berat  tabung seperti diperlihatkan pada Tabel 5-1.

## Tabel 5-1: HASIL PERHITUNGAN TEBAL TABUNG DAN BERAT TABUNG
Bahan Tabung Tebal  Tabung (mm) Berat Tabung (kg) Teoritis Disarankan (k=2) SS 17-7 PH 0,9 1,8 85,458 ASTM A312 AISI TP304L 1,4 2,8 131,7 AISI 4130 1,5 3 142,4 k = faktor keamanan

## 6 PEMBAHASAN
Berdasarkan perhitungan dan analisa  yang  dilakukan  dengan  data masukan tekanan ruang bakar = 40 atm, kuat  tarik  bahan  tabung  SS  17-7  PH; ASTM  A312  AISI  304L;  AISI  4130, diameter tabung roket 420 mm, panjang tabung  4500mm.  Maka  dapat  dihitung tebal  tabung  roket  dan  berat  tabung roket, kemudian dimasukan dalam Tabel 5-1.
Jika  digunakan  material  SS  17-7 PH,  tebal  tabung  yang  disarankan  =  1,8 mm  (faktor  keamanan=k=2)  dan  berat tabung  =  85,458  kg  (Tabel  5-1).  Jika digunakan  material  ASTM  A312  AISI 304L,  tebal  tabung  yang  disarankan  = 2,8  mm  (faktor  keamanan=k=2)  dan berat tabung = 131,7 kg (Tabel 5-1). Jika digunakan  material  AISI  4130,  tebal tabung  yang  disarankan  =  3  mm  (faktor keamanan=k=2)  dan  berat  tabung  = 142,4 kg (Tabel 5-1).
Dari tabel hasil perhitungan kombinasi  tebal  tabung  1,8  mm  dan berat  tabung  86,458  kg  adalah  yang paling  sesuai  untuk  digunakan  pada roket RX 420.

## 7 KESIMPULAN
Berdasarkan analisa yang
dibahas  di  atas  maka  dapat  ditarik kesimpulan sebagai berikut:
- Bahan  baja  SS  17-7  PH  dengan  kuat tarik 900 Mpa. Tebal tabung = 0,9  mm Tebal  tabung  yang  disarankan  (k=2)  = 1,8 mm (aman).
- Berdasarkan  hasil  perhitungan  maka material  yang  cocok  untuk  digunakan pada  tabung  roket  RX  420  adalah material  SS  17-7  PH  karena  paling tipis (1,8 mm) dan ringan (85,458 kg).
Roket  RX  420  sudah  menggunakan material  baja  SS  17-7  ini  namun tebalnya  2,85  mm,  berat  135,3  kg. Material ini aman (2,85 mm > 1,8 mm) namun beratnya lebih besar dari berat tabung  yang  disarankan  (135,3  kg  > 85,458  kg).  Hal  ini  dapat  dimengerti karena sulit untuk mendapatkan
material  roket  high  strength  high pressure dengan dimensi dan spesifikasi  yang  diinginkan  karena proteksi  dan  embargo  dari  negara- negara produsen.

## DAFTAR RUJUKAN
Davinas, Alain, 1993. Solid Roket Propulsion Technology, 1 st edition, Pergamon Press, Oxford.
Media  Dirgantara,  2008.  Roket  Pengorbit Satelit  LAPAN  RPS  420,  volume  3 nomor2, Humasmagan LAPAN.
Media Dirgantara, 2009. Wahana
Terbang  Motor  RPS  420/320, volume  4  nomor  3,  Humasmagan LAPAN.
Raharjo,  M.  dan  Elvis  A.  Sumaraw, 2005. Pengaruh Temperatur Tinggi Terhadap Korosi Karena  Oksidasi Pada  Baja  Paduan  Cr  Ni  17-7, Prosiding  Siptekgan  IX  LAPAN, Serpong.
Rolfe,  Stanley  T.,  1978.  Fracture  and fatigue Control in Structures, Applications of Fracture Mechanics, Prentice-Hall,Inc, New
Yersey.
Sumaraw,  E.A.,  2010.  Baja  SS  17-7  PH Untuk  Bahan  Tabung  Roket  RX 420,  Seminar  Siptekgan  XIV, LAPAN, Serpong.

## Sutrisno, 2007. Analisis kegagalan Motor
Roket  Pada  Uji  Terbang  Roket  RX 1515.01.01,  Buku  Ilmiah”Energi Muatan  dan  Wahana  Antariksa, P.T. Massma Sikumbang, Jakarta. Tim  Rekayasa  Roket,  2009.  Laporan  Uji Terbang  Roket  2009,  Pustek- wagan, LAPAN, Jakarta.
www.efunda.com/material/alloy, diakses tgl  13  Maret  2010,    Properties  of Alloy Steel AISI 4130.
www.chinghann.com.tw,  diakses  tgl  13
Maret 2010, Stainless Steel Round Tube ASTM A312-TP 304L.
www.ukfstainless.co.uk/ukf/technical/ physical.php.  diakses  tgl  15  Juli 2009,  Physical  and  Properties  Cr Ni 17-7 PH.