Impuls spesifik

Impuls spesifik (biasanya disingkat Isp) adalah ukuran seberapa efektif sebuah mesin roket menggunakan propelan atau mesin jet menggunakan bahan bakarnya. Impuls spesifik dapat dihitung dengan berbagai cara yang berbeda dengan satuan yang berbeda pula. Impuls spesifik secara definisi berarti impuls total (atau perubahan momentum) yang dihasilkan per satuan massa propelan yang dikonsumsi. Secara dimensional, Isp setara dengan besar gaya dorong yang dihasilkan dibagi dengan laju aliran massa propelan atau laju aliran berat. Jika elemen propelan menggunakan satuan massa (kilogram, pon, atau slug), maka impuls spesifik akan memiliki satuan kecepatan. Jika elemen propelan menggunakan satuan berat (newton atau pon-force), maka impuls spesifik akan memiliki satuan waktu (detik). Mengalikan laju aliran dengan gravitasi standar (g0) akan mengubah impuls spesifik dari basis berat menjadi basis massa.

Sistem propulsi dengan impuls spesifik tinggi menggunakan massa propelan yang lebih efisien. Dalam kasus roket atau kendaraan lain yang menggunakan persamaan roket Tsiolkovsky, tingginya Isp berarti semakin sedikit propelan yang diperlukan untuk mencapai delta-v yang sama. Efektivitas ini kurang penting untuk pesawat jet yang menghasilkan gaya dorong menggunakan kekuatan aerodinamik, menggunakan udara luar untuk pembakaran, dan membawa muatan yang jauh lebih berat daripada massa propelan.

Impuls spesifik dapat mencakup kontribusi udara luar terhadap impuls yang dihasilkan untuk pembakaran dan pembuangan bersama dengan propelan sisa. Mesin jet menggunakan udara luar sehingga memiliki impuls spesifik yang jauh lebih tinggi daripada mesin roket. Impuls spesifik dari perhitungan massa propelan yang dihabiskan memiliki satuan jarak per waktu, yang mana merupakan bentuk dari kelajuan yang disebut "kelajuan buang efektif" (effective echaust velocity). Kelajuan ini lebih tinggi dari kelajuan buang sebenarnya (aktual) karena massa udara pembakaran tidak ikut diperhitungkan. Kecepatan gas buang aktual dan efektif bernilai sama pada mesin roket yang beroperasi di ruang hampa udara.

Impuls spesifik berbanding terbalik dengan konsumsi bahan bakar spesifik (specific fuel consumption, SFC) dengan hubungan Isp = 1/( go·SFC) untuk SFC yang memiliki satuan kg/(N·s) dan Isp = 3600/SFC untuk SFC dengan satuan lb/(lbf·jam).

Pertimbangan umum 
Jumlah propelan dapat diukur dalam satuan massa maupun berat. Jika satuan massa yang digunakan, impuls spesifik merupakan impuls per satuan massa yang berdasarkan analisis dimensional memiliki satuan kecepatan, khususnya kecepatan buang efektif. Karena sistem SI berbasis massa, jenis analisis ini biasanya dilakukan dalam satuan meter per detik. Jika sistem satuan berbasis gaya digunakan, impuls dibagi dengan berat propelan (berat adalah ukuran gaya), menghasilkan satuan waktu (detik).

Laju perubahan momentum roket (termasuk propelannya) per satuan waktu sama dengan gaya dorong (thrust). Semakin tinggi impuls spesifik, semakin sedikit propelan yang diperlukan untuk menghasilkan besar gaya dorong tertentu dalam waktu tertentu. Pengertian ini tidak bisa disamakan dengan konsep fisika efisiensi energi yang nilainya justru dapat berkurang ketika impuls spesifik meningkat. Hal ini dapat terjadi karena sistem propulsi yang memberikan impuls spesifik tinggi memerlukan energi tinggi untuk melakukannya.

Gaya dorong (thrust) dan impuls spesifik juga bukan hal yang sama. Thrust adalah gaya yang dihasilkan oleh mesin dan tergantung pada jumlah massa reaksi yang mengalir melalui mesin. Impuls spesifik mengukur impuls yang diproduksi per satuan propelan dan sebanding dengan kecepatan buang. Contohnya, bipropelan LH2/LOx memiliki Isp yang lebih tinggi dibandingkan bipropelan RP-1/LOx tetapi menghasilkan thrust yang lebih rendah. Hal ini disebabkan oleh kerapatan gas buang LH2/LOx yang lebih rendah meskipun memiliki kecepatan buang yang lebih tinggi (H2O vs CO2 dan H2O). Dalam banyak kasus, sistem propulsi dengan impuls spesifik sangat tinggi - beberapa pendorong ion mencapai Isp 10.000 detik - justru menghasilkan thrust yang rendah.

Untuk mesin roket kimia, massa propelan untuk perhitungan impuls spesifik mencakup massa bahan bakar dan oksidator. Mesin roket berat dengan impuls spesifik yang lebih tinggi mungkin tidak efektif dibandingkan mesin yang lebih ringan dengan impuls spesifik yang lebih rendah, terutama jika mesin yang lebih ringan memiliki rasio dorong-berat yang lebih tinggi. Ini menjadi alasan penting bagi sebagian besar desain roket untuk memiliki banyak tahapan. Tahap pertama dioptimalkan untuk dapat menghasilkan gaya dorong tinggi agar mampu mendorong tahap selanjutnya yang memiliki impuls spesifik yang lebih tinggi ke ketinggian di mana mereka dapat melakukan pembakaran lebih efisien.

Untuk mesin air-breathing, hanya massa bahan bakar yang masuk dalam perhitungan impuls spesifik sementara udara luar yang memasuki mesin tidak ikut dihitung. Hambatan udara dan ketidakmampuan mesin untuk menjaga impuls spesifik yang tinggi pada laju pembakaran cepat adalah alasan mengapa tidak semua propelan digunakan secepat mungkin.

Jika bukan karena hambatan udara dan pengurangan propelan selama penerbangan, impuls spesifik akan menjadi ukuran langsung dari efektivitas mesin dalam mengubah bobot atau massa propelan menjadi momentum ke depan.

Satuan 

Satuan yang paling umum digunakan untuk impuls spesifik adalah detik, karena nilainya selalu sama terlepas dari apakah perhitungan dilakukan dalam satuan SI, imperial, atau satuan lainnya. Hampir semua produsen mengutip kinerja mesin mereka dalam hitungan detik, dan satuan ini juga berguna untuk menentukan kinerja mesin pesawat.

Impuls spesifik dalam hitungan detik 
Satuan waktu detik untuk mengukur kinerja kombinasi propelan/mesin dapat dianggap sebagai "Berapa detik propelan ini dapat mempercepat massa awalnya sendiri pada kondisi 1 g". Semakin banyak hitungan detik untuk mempercepat massanya sendiri, semakin besar delta-V yang diberikannya ke seluruh sistem.

Impuls spesifik (impuls per satu berat di Bumi dari propelan) dalam hitungan detik dapat didefinisikan sebagai persamaan berikut:

 

dengan:

  adalah gaya dorong yang diperoleh dari mesin (gaya newton atau pound),
  adalah gravitasi standar, yang secara nominal berarti gravitasi di permukaan bumi (m/s2 atau ft/s2 ),
  adalah impuls spesifik yang diukur (detik),
  adalah laju aliran massa propelan yang dikeluarkan (kg/s atau slugs/s)

Isp dalam satuan detik adalah durasi bagi sebuah mesin roket untuk menghasilkan gaya dorong menggunakan propelan yang memiliki berat yang sama dengan gaya dorong mesin.

Peroketan 

Dalam teknologi roket, satu-satunya massa reaksi adalah propelan. Impuls spesifik didefinisikan sebagai dorongan yang terintegrasi dari waktu ke waktu per satuan berat-di-Bumi propelan:

 

dengan

  adalah impuls spesifik yang diukur dalam hitungan detik,
  adalah kecepatan buang rata-rata di sepanjang sumbu mesin (dalam ft/s atau m/s),
  adalah gravitasi standar (dalam ft/s2 atau m/s2 ).

Pada roket, impuls spesifik bervariasi dengan ketinggian karena pengaruh dari tekanan atmosfer. Impuls spesifik mencapai nilai maksimumnya ketika roket mencapai ruang hampa. Hal ini terjadi karena kecepatan gas buang bukan hanya sebuah fungsi dari tekanan ruang pembakaran, tetapi merupakan fungsi dari perbedaan antara interior dan eksterior ruang bakar.

Lihat pula 

 Mesin jet
 Impuls
 Propelan roket
 Roket propelan cair

Referensi

Pranala luar 

 RPA - Alat Desain untuk Analisis Mesin Rocket Cair
 Daftar Impuls Spesifik dari berbagai bahan bakar roket

Teknologi mesin
Mekanika klasik
Besaran fisika
Propulsi wahana antariksa
Propulsi roket