Roket propelan padat

Roket padat atau Roket berbahan bakar padat adalah sebuah roket dengan motor yang menggunakan propelan padat (bahan bakar/oksidator). Roket-roket awal adalah roket berbahan bakar bubuk mesiu, mereka digunakan oleh orang Tiongkok, India, Mongol dan Arab, dalam peperangan pada awal abad ke-13.^[1]

Semua roket menggunakan beberapa bentuk propelan padat atau bubuk sampai abad ke-20, ketika roket cair dan roket hibrida menawarkan alternatif yang lebih efisien dan terkendali. Roket padat masih digunakan saat ini dalam model roket dan aplikasi yang lebih besar untuk kesederhanaan dan kehandalan mereka.

Roket berbahan bakar padat dapat disimpan untuk waktu yang lama, dan hanya dapat digunakan dalam waktu singkat, mereka telah sering digunakan dalam aplikasi militer seperti rudal.

Casing

Casing dapat dibuat dari berbagai bahan. Karton digunakan untuk motor model bubuk hitam kecil, sedangkan aluminium digunakan untuk motor hobi berbahan bakar komposit yang lebih besar. Baja digunakan untuk penguat pesawat ulang-alik. Selubung epoksi grafit lilitan filamen digunakan untuk motor berperforma tinggi.

Selubung harus dirancang untuk menahan tekanan dan tekanan yang ditimbulkan oleh motor roket, mungkin pada suhu tinggi. Untuk desain, casing dianggap sebagai bejana tekan.

Untuk melindungi casing dari gas panas korosif, lapisan termal pengorbanan di bagian dalam casing sering diterapkan, yang akan mengikis untuk memperpanjang umur casing motor.

Nozzle

Desain konvergen-divergen mempercepat gas buang keluar dari nosel untuk menghasilkan daya dorong. Nosel harus dibuat dari bahan yang mampu menahan panas aliran gas pembakaran. Seringkali, bahan berbasis karbon tahan panas digunakan, seperti grafit amorf atau karbon-karbon.

Beberapa desain menyertakan kontrol arah knalpot. Hal ini dapat dicapai dengan gimballing nosel, seperti pada SRB Pesawat Ulang-alik, dengan menggunakan baling-baling jet di knalpot seperti pada roket V-2, atau dengan vektor dorong injeksi cair (LITV).

LITV terdiri dari menyuntikkan cairan ke dalam aliran pembuangan setelah tenggorokan nosel. Cairan kemudian menguap, dan dalam banyak kasus bereaksi secara kimia, menambahkan aliran massa ke satu sisi aliran pembuangan dan dengan demikian memberikan momen kendali. Misalnya, penguat padat Titan IIIC menyuntikkan nitrogen tetroksida untuk LITV; tank dapat dilihat di sisi roket antara panggung utama dan booster.

Tahap pertama Minuteman awal menggunakan motor tunggal dengan empat nozel gimball untuk memberikan kontrol pitch, yaw, dan roll.

Performance

Asap menyelimuti Launch Pad 39A di Kennedy Space Center NASA di Florida saat pesawat ulang-alik Endeavour lepas landas.

Motor tahap pertama propelan komposit amonium perklorat (APCP) yang dirancang dengan baik mungkin memiliki impuls spesifik vakum (Isp) setinggi 285,6 detik (2,801 km/s) (Titan IVB SRMU). Bandingkan dengan 339,3 detik (3,327 km/s) untuk mesin bipropelan RP1/LOX (RD-180)[20] dan 452,3 detik (4,436 km/s) untuk mesin bipropelan LH2/LOX (Blok II RS-25). Impuls spesifik tahap atas agak lebih besar: sebanyak 303,8 detik (2,979 km/s) untuk APCP (Orbus 6E), 359 detik (3,52 km/s) untuk RP1/LOX (RD-0124) dan 465,5 detik (4,565 km/s) untuk LH2/LOX (RL10B-2).

Fraksi propelan biasanya lebih tinggi untuk propelan padat tahap pertama (tidak tersegmentasi) dibandingkan tahap atas. Tahap pertama Castor 120 seberat 53.000 kilogram (117.000 lb) memiliki fraksi massa propelan sebesar 92,23% sedangkan tahap atas Castor 30 seberat 14.000 kilogram (31.000 lb) dikembangkan untuk Taurus II COTS (Commercial Off The Shelf) (Stasiun Luar Angkasa Internasional) dari Orbital Science pasokan ulang) kendaraan peluncuran memiliki fraksi propelan 91,3% dengan casing motor epoksi grafit 2,9%, nosel 2,4%, aktuator vektor penyala dan dorong, dan 3,4% perangkat keras non-motor termasuk hal-hal seperti dudukan muatan, adaptor antartahap, jalur kabel, instrumentasi, dll. Castor 120 dan Castor 30 masing-masing berdiameter 2,36 dan 2,34 meter (93 dan 92 in), dan berfungsi sebagai panggung pada kendaraan peluncuran komersial Athena IC dan IIC. Athena II empat tahap yang menggunakan Castor 120 sebagai tahap pertama dan kedua menjadi kendaraan peluncur pertama yang dikembangkan secara komersial untuk meluncurkan wahana penjelajah bulan (Lunar Prospector) pada tahun 1998.

Roket padat dapat memberikan daya dorong yang tinggi dengan biaya yang relatif rendah. Oleh karena itu, bahan padat telah digunakan sebagai tahap awal dalam roket (misalnya Pesawat Ulang-alik), dan menggunakan mesin impuls spesifik tinggi, terutama mesin berbahan bakar hidrogen yang lebih kecil, untuk tahap yang lebih tinggi. Selain itu, roket padat memiliki sejarah panjang sebagai tahap pendorong terakhir satelit karena kesederhanaan, keandalan, kekompakan, dan fraksi massanya yang cukup tinggi. Motor roket padat dengan putaran stabil terkadang ditambahkan ketika kecepatan ekstra diperlukan, seperti untuk misi ke komet atau tata surya bagian luar, karena spinner tidak memerlukan sistem panduan (pada tahap yang baru ditambahkan). Keluarga besar Thiokol yang sebagian besar terdiri dari motor ruang angkasa Star berbalut titanium telah banyak digunakan, terutama pada kendaraan peluncuran Delta dan sebagai tahap atas yang distabilkan putaran untuk meluncurkan satelit dari ruang kargo Pesawat Ulang-alik. Motor bintang memiliki fraksi propelan sebesar 94,6% tetapi struktur dan peralatan tambahan mengurangi fraksi massa pengoperasian sebesar 2% atau lebih.

Propelan roket padat berperforma lebih tinggi digunakan dalam rudal strategis besar (dibandingkan dengan kendaraan peluncuran komersial). HMX, C4H8N4(NO2)4, suatu nitramin dengan energi lebih besar daripada amonium perklorat, digunakan dalam propelan ICBM Penjaga Perdamaian dan merupakan bahan utama propelan NEPE-75 yang digunakan dalam Rudal Balistik Armada Trident II D-5. Karena bahaya ledakan maka propelan padat militer berenergi lebih tinggi yang mengandung HMX tidak digunakan dalam kendaraan peluncuran komersial kecuali jika LV adalah rudal balistik yang diadaptasi yang sudah mengandung propelan HMX (Minotaur IV dan V berdasarkan ICBM Penjaga Perdamaian yang sudah pensiun). Stasiun Senjata Udara Angkatan Laut di China Lake, California, mengembangkan senyawa baru, C6H6N6(NO2)6, yang disebut CL-20 (senyawa China Lake #20). Dibandingkan dengan HMX, CL-20 memiliki energi per massa 14% lebih banyak, energi per volume 20% lebih banyak, dan rasio oksigen terhadap bahan bakar lebih tinggi. Salah satu motivasi untuk pengembangan propelan padat militer dengan kepadatan energi yang sangat tinggi ini adalah untuk mencapai kemampuan ABM ekso-atmosfer di tengah-tengah dari rudal yang cukup kecil untuk dimasukkan ke dalam tabung peluncuran vertikal di bawah dek yang berbasis kapal dan dipasang di truk yang bergerak di udara. tabung peluncuran. Propelan CL-20 yang mematuhi undang-undang amunisi tidak sensitif (IM) Kongres tahun 2004 telah terbukti dan mungkin, seiring dengan turunnya biaya, cocok untuk digunakan pada kendaraan peluncuran komersial, dengan peningkatan kinerja yang sangat signifikan dibandingkan dengan bahan bakar padat APCP yang saat ini disukai. propelan. Dengan impuls spesifik 309 detik yang telah ditunjukkan oleh tahap kedua Peacekeeper yang menggunakan propelan HMX, energi propelan CL-20 yang lebih tinggi diharapkan dapat meningkatkan impuls spesifik menjadi sekitar 320 detik pada aplikasi ICBM atau kendaraan peluncuran tingkat atas yang serupa, tanpa bahaya ledakan. dari HMX.

Atribut yang menarik untuk penggunaan militer adalah kemampuan propelan roket padat untuk tetap dimuat di dalam roket untuk jangka waktu lama dan kemudian dapat diluncurkan dengan andal pada saat diperlukan.