Monopropelan

Monopropelan adalah propelan yang terdiri dari bahan kimia yang melepaskan energi melalui dekomposisi kimia eksotermik. Energi ikatan molekul monopropelan biasanya dilepaskan melalui penggunaan katalis. Ini dapat dibedakan dengan bipropelan yang melepaskan energi melalui reaksi kimia antara oksidator dan bahan bakar. Meskipun stabil dalam kondisi penyimpanan yang ditentukan, monopropelan terurai sangat cepat dalam kondisi tertentu lainnya untuk menghasilkan sejumlah besar gas berenergi (panas) untuk melakukan kerja mekanis. Meskipun deflagrant padat seperti nitrocellulose, propelan yang paling umum digunakan dalam senjata api, dapat dianggap sebagai monopropelan, istilah ini biasanya diperuntukkan bagi cairan dalam literatur teknik.[1][2] [3][4][5][6][7][8]

Tahap Atas Centaur III dengan 12 Pendorong Monopropelan Hidrazin

Penggunaan

Penggunaan monopropelan yang paling umum adalah pada motor roket monopropelan impuls rendah, seperti pendorong kendali reaksi, propelan yang biasa digunakan adalah hidrazin yang umumnya terurai dengan paparan pada lapisan katalis iridium (hidrazina dipanaskan terlebih dahulu untuk menjaga reaktan tetap cair). Penguraian ini menghasilkan semburan gas panas yang diinginkan dan dengan demikian daya dorong. Hidrogen peroksida telah digunakan sebagai sumber daya untuk pompa tangki propelan pada roket seperti V-2 Jerman pada Perang Dunia II dan Redstone Amerika Serikat. Hidrogen peroksida dilewatkan melalui jaring katalis platina, atau bersentuhan dengan manik-manik keramik yang diimpregnasi mangan dioksida, atau larutan permanganat Z-Stoff disuntikkan bersama, yang menyebabkan hidrogen peroksida terurai menjadi uap panas dan oksigen.

Monopropelan juga digunakan dalam beberapa sistem propulsi udara independen (AIP) untuk "bahan bakar" mesin resiprokal atau turbin di lingkungan tempat oksigen bebas tidak tersedia. Senjata yang ditujukan terutama untuk pertempuran antara kapal selam bertenaga nuklir umumnya termasuk dalam kategori ini. Propelan yang paling umum digunakan dalam kasus ini adalah propilen glikol dinitrat yang distabilkan (PGDN), yang sering disebut sebagai "bahan bakar Otto". Penggunaan potensial di masa depan untuk monopropelan yang tidak terkait langsung dengan propulsi adalah pada pembangkit listrik kompak dan berintensitas tinggi untuk lingkungan akuatik atau eksoatmosfer.

Penelitian secara singkat

Banyak penelitian telah dilakukan di AS pada tahun 1950-an dan 1960-an untuk mencoba menemukan monopropelan yang lebih baik dan lebih bertenaga. Sebagian besar peneliti sampai pada kesimpulan bahwa setiap zat tunggal yang mengandung cukup energi untuk bersaing dengan bipropelan akan terlalu tidak stabil untuk ditangani dengan aman dalam kondisi praktis. Dengan material baru, sistem kontrol, dan persyaratan untuk pendorong berkinerja tinggi, para insinyur saat ini sedang memeriksa ulang asumsi ini.

Banyak ester alkohol yang dinitrasi sebagian cocok untuk digunakan sebagai monopropelan. "Trimetilen glikol dinitrat" atau 1,3-propanadiol dinitrat adalah isomerik dengan PGDN, dan diproduksi sebagai produk sampingan fraksional dalam semua kondisi laboratorium kecuali yang paling menuntut; berat jenis yang sedikit lebih rendah (dan dengan demikian kepadatan energi) dari senyawa ini menentang penggunaannya, tetapi perbedaan kecil dalam kimia mungkin terbukti berguna di masa mendatang.

"Dinitrodiglikol" yang terkait, lebih tepat disebut dietilen glikol dinitrat dalam notasi modern, digunakan secara luas di Jerman pada Perang Dunia 2, baik sebagai monopropelan cair maupun koloidal dengan nitroselulosa sebagai propelan padat. Karakteristik senyawa ini yang diinginkan; cukup stabil, mudah diproduksi, dan memiliki kepadatan energi yang sangat tinggi; dirusak oleh titik beku yang tinggi (-11,5 derajat C) dan ekspansi termal yang nyata, keduanya menjadi masalah dalam pesawat ruang angkasa. "Dinitroklorohidrin" dan "tetranitrodigliserin" juga merupakan kandidat yang mungkin, meskipun tidak ada penggunaan saat ini yang diketahui. Polinitrat dari hidrokarbon aromatik dan rantai panjang selalu berupa padatan suhu ruangan, tetapi banyak yang larut dalam alkohol atau eter sederhana dalam proporsi tinggi, dan mungkin berguna dalam keadaan ini.

Hidrazin, etilen oksida, hidrogen peroksida (terutama dalam bentuk T-Stoff pada Perang Dunia II Jerman), dan nitromethane adalah monopropelan roket yang umum. Seperti yang telah disebutkan, impuls spesifik monopropelan lebih rendah daripada bipropelan dan dapat ditemukan dengan alat Air Force Chemical Equilibrium Specific Impulse Code.

Satu monopropelan baru yang sedang dikembangkan adalah nitrogen oksida, baik dalam bentuk murni maupun dalam bentuk campuran bahan bakar nitrogen oksida. Nitrous oksida menawarkan keuntungan karena dapat memberikan tekanan sendiri dan relatif tidak beracun, dengan impuls spesifik antara hidrogen peroksida dan hidrazin. Nitrous oksida menghasilkan oksigen setelah terurai, dan dapat dicampur dengan bahan bakar untuk membentuk campuran monopropelan dengan impuls spesifik hingga 325 detik, yang sebanding dengan bipropelan hipergolik. Pada tahun 2018, katalis logam mulia baru ditemukan untuk digunakan dengan nitrogen oksida - rhodium oksida pada bola alumina - yang lebih stabil pada suhu yang lebih tinggi daripada rhodium atau iridium murni.

Perbandingan langsung sifat fisik, kinerja, biaya, daya simpan, toksisitas, persyaratan penyimpanan, dan tindakan pelepasan tidak disengaja untuk hidrogen peroksida, hidroksilamonium nitrat (HAN), hidrazin, dan berbagai monopropelan gas dingin menunjukkan bahwa hidrazin adalah yang berkinerja paling tinggi dalam hal impuls spesifik. Namun, hidrazin juga merupakan yang paling mahal dan beracun. Selain itu, HAN dan hidrogen peroksida memiliki impuls densitas tertinggi (impuls total per satuan volume tertentu).

Roket monopropelan

Roket monopropelan (atau "roket monokimia") adalah roket yang menggunakan satu bahan kimia sebagai propelannya. Roket monopropelan umumnya digunakan sebagai roket kendali lintasan dan sikap kecil di satelit, tahap atas roket, wahana antariksa berawak, dan wahana antariksa.[9][10]

Roket monopropelan berbasis reaksi kimia

Roket monopropelan yang paling sederhana bergantung pada dekomposisi kimia dari propelan yang dapat disimpan setelah melewati lapisan katalis. Tenaga pendorong berasal dari gas bertekanan tinggi yang dihasilkan selama reaksi dekomposisi yang memungkinkan nosel roket untuk mempercepat gas untuk menghasilkan daya dorong.

Monopropelan yang paling umum digunakan adalah hidrazin (N2H4, atau H2N−NH2), suatu senyawa yang tidak stabil dalam kehadiran suatu katalis dan yang juga merupakan agen pereduksi yang kuat. Katalis yang paling umum adalah alumina granular (aluminium oksida, Al2O3) yang dilapisi dengan iridium. Granul berlapis ini biasanya berada di bawah label komersial Aerojet S-405 (sebelumnya dibuat oleh Shell) atau WC Heraeus H- KC12GA (sebelumnya dibuat oleh Kali Chemie). Tidak ada penyala dengan hidrazin. Aerojet S-405 adalah katalis spontan, yaitu, hidrazin terurai pada kontak dengan katalis. Penguraian tersebut sangat eksotermik dan menghasilkan gas 1.000 °C (1.830 °F) yang merupakan campuran nitrogen, hidrogen, dan amonia. Faktor pembatas utama roket monopropelan adalah masa pakainya, yang terutama bergantung pada masa pakai katalis. Katalis dapat mengalami keracunan katalitik dan atriisi katalitik yang mengakibatkan kegagalan katalis. Monopropelan lainnya adalah hidrogen peroksida, yang jika dimurnikan hingga konsentrasi 90% atau lebih tinggi, akan terurai sendiri pada suhu tinggi atau jika terdapat katalis.

Sebagian besar sistem roket monopropelan reaksi kimia terdiri dari tangki bahan bakar, biasanya bola titanium atau aluminium, dengan wadah karet etilena-propilena atau perangkat manajemen propelan tegangan permukaan yang diisi dengan bahan bakar. Tangki kemudian diberi tekanan dengan helium atau nitrogen, yang mendorong bahan bakar keluar ke motor. Sebuah pipa mengarah dari tangki ke katup poppet, dan kemudian ke ruang dekomposisi motor roket. Biasanya, satelit tidak hanya memiliki satu motor, tetapi dua hingga dua belas, masing-masing dengan katupnya sendiri.

Motor roket pengendali sikap untuk satelit dan wahana antariksa sering kali berukuran sangat kecil, berdiameter sekitar 25 mm (0,98 inci), dan dipasang dalam kelompok yang mengarah ke empat arah (dalam satu bidang).

Roket ditembakkan saat komputer mengirimkan arus searah melalui elektromagnet kecil yang membuka katup poppet. Penembakan sering kali sangat singkat, beberapa milidetik, dan — jika dioperasikan di udara — akan terdengar seperti kerikil yang dilempar ke tong sampah logam; jika berlangsung lama, akan mengeluarkan desisan yang menusuk.

Monopropelan reaksi kimia tidak seefisien beberapa teknologi propulsi lainnya. Insinyur memilih sistem monopropelan ketika kebutuhan akan kesederhanaan dan keandalan lebih besar daripada kebutuhan akan impuls yang tinggi. Jika sistem propulsi harus menghasilkan daya dorong dalam jumlah besar, atau memiliki impuls spesifik yang tinggi, seperti pada motor utama pesawat antariksa antarplanet, teknologi lain digunakan.

Sejarah roket monopropelan

Wahana Penelitian Pendaratan Bulan dengan 18 Pendorong Monopropelan Hidrogen Peroksida

Para perancang Soviet telah mulai bereksperimen dengan roket monopropelan sejak tahun 1933. Mereka percaya bahwa campuran monopropelan nitrogen tetroksida dengan bensin, atau toluena, dan minyak tanah akan menghasilkan sistem yang lebih sederhana; namun, mereka mengalami masalah dengan ledakan hebat dengan bahan bakar dan oksidator yang telah dicampur sebelumnya yang berfungsi sebagai monopropelan yang menyebabkan para perancang meninggalkan pendekatan ini.

Helmuth Walter adalah seorang insinyur Jerman dan pelopor awal roket monopropelan yang menggunakan hidrogen peroksida sebagai bahan bakar. Meskipun pekerjaan awalnya adalah pada propulsi kapal selam, semburan oksigen yang sama yang dihasilkan oleh pembakaran di turbin gas dapat diarahkan melalui nosel untuk menghasilkan daya dorong. Roket yang dikembangkan Walter digunakan dalam pesawat tempur Jerman ME-163 pada tahun 1944, pesawat pertama yang menembus 1000 km/jam (635 mph).

Setelah Perang Dunia Kedua, Inggris akan terus bereksperimen dengan monopropelan hidrogen peroksida. Mereka akan mengembangkan de Havilland Sprite, roket hidrogen peroksida yang dapat menghasilkan daya dorong 5000 lbf selama 16 detik. Roket yang tidak ditujukan untuk penerbangan luar angkasa ini akan memberikan kemampuan lepas landas yang panas dan tinggi bagi de Havilland Comet 1, pesawat jet komersial pertama.

Di Amerika Serikat, ketika NASA mulai mempelajari monopropelan di Laboratorium Propulsi Jet (JPL), sifat-sifat propelan yang ada menuntut pendorongnya menjadi sangat besar dan tidak praktis. Penambahan katalis dan propelan pemanas awal membuat pendorong tersebut lebih efisien, tetapi menimbulkan kekhawatiran mengenai keselamatan dan penanganan propelan berbahaya seperti hidrazin anhidrat. Namun, kesederhanaan pendorong yang dirancang berdasarkan monopropelan awal menawarkan banyak kesederhanaan dan pertama kali diuji pada tahun 1959 pada misi Able-4. Pengujian ini memungkinkan misi Ranger dan Mariner untuk menggunakan pendorong yang sama untuk manuver koreksi dan dalam penyisipan orbital Telstar, yang dianggap oleh Museum Dirgantara dan Udara Nasional sebagai satelit komunikasi paling signifikan di awal perlombaan antariksa.

Pada tahun 1964, NASA mulai menggunakan Wahana Penelitian Pendaratan Bulan untuk melatih astronot Apollo dalam mengemudikan Modul Ekskursi Bulan (LEM) menggunakan sistem kendali sikap yang terdiri dari 16 pendorong monopropelan hidrogen peroksida untuk mengarahkan LEM ke permukaan bulan.

Kendaraan tahap atas mulai menggunakan pendorong monopropelan sebagai perangkat kontrol yang nyaman pada awal tahun 1960-an ketika General Dynamics mengusulkan tahap atas Centaur ke Angkatan Udara Amerika Serikat yang versinya masih digunakan dalam roket Atlas dan Vulcan milik United Launch Alliance.

Perkembangan baru

NASA tengah mengembangkan sistem propulsi monopropelan baru untuk wahana antariksa kecil yang hemat biaya dengan persyaratan delta-v dalam kisaran 10–150 m/s. Sistem ini didasarkan pada campuran monopropelan hidroksilamonium nitrat (HAN)/air/bahan bakar yang sangat padat, ramah lingkungan, dan menjanjikan kinerja dan kesederhanaan yang baik.

Perusahaan EURENCO Bofors memproduksi LMP-103S sebagai pengganti hidrazin 1 banding 1 dengan melarutkan 65% amonium dinitramide, NH4N (NO2)2, dalam larutan air 35% metanol dan amonia. LMP-103S memiliki impuls spesifik 6% lebih tinggi dan densitas impuls 30% lebih tinggi daripada monopropelan hidrazin. Selain itu, hidrazin sangat beracun dan karsinogenik, sedangkan LMP-103S hanya cukup beracun. LMP-103S adalah Kelas 1.4S PBB yang memungkinkan untuk diangkut pada pesawat komersial, dan telah didemonstrasikan pada satelit Prisma pada tahun 2010. Penanganan khusus tidak diperlukan. LMP-103S dapat menggantikan hidrazin sebagai monopropelan yang paling umum digunakan.

Bahan monopropelan

Peroksida uji tinggi

Peroksida uji tinggi adalah Hidrogen peroksida pekat , dengan sekitar 2% hingga 30% air. Peroksida ini terurai menjadi uap dan oksigen saat melewati katalis. Peroksida ini secara historis digunakan untuk sistem kontrol reaksi, karena mudah disimpan. Peroksida ini sering digunakan untuk menggerakkan Turbopump , digunakan pada roket V2 , dan Soyuz modern .

Hidrazin

terurai secara energetik menjadi nitrogen, hidrogen, dan amonia (2N2H4 → N2 + H2 + 2NH3 ) dan paling banyak digunakan dalam wahana antariksa. (Penguraian amonia yang tidak teroksidasi bersifat endotermik dan akan menurunkan kinerja).

Dinitrogen oksida

terurai menjadi nitrogen dan oksigen.

Uap

bila dipanaskan secara eksternal akan memberikan I sp yang cukup sederhana hingga 190 detik, tergantung pada korosi material dan batas termal.

Propellant Comment Optimal expansion from
68.05 atm to 1 atm[butuh rujukan] 		Expansion from
68.05 atm to vacuum (0 atm)
(Areanozzle = 40:1)[butuh rujukan]
Ve Tc d C* Ve Tc d C*
Ammonium dinitramide (LMP-103S)[11] PRISMA mission (2010–2015)
5 S/Cs launched 2016[12] 		1608 1.24 1608 1.24
Hydrazine Common 883 1.01 883 1.01
Hydrogen peroxide Common 1610 1270 1.45 1040 1860 1270 1.45 1040
Hydroxylammonium nitrate (AF-M315E) 1893 1.46 1893 1.46
Nitromethane
Propellant Comment Ve Tc d C* Ve Tc d C*

Lihat pula

Referensi

  1. ^ Vere, Ray (1985). Aviation Fuels Technology. Macmillan Education UK. hlm. 223. ISBN 978-1-349-06904-0. 
  2. ^ RAND Corporation (1959). "Propellants". Dalam Horgan, M. J.; Palmatier, M. A.; Vogel, J. Space handbook: astronautics and its applications (Laporan teknis). United States Government Printing Office. hlm. 42–46. 86. 
  3. ^ "Resources". Rocket Motor Components, Inc. Diarsipkan dari versi asli tanggal January 14, 2012. 
  4. ^ [1] Diarsipkan September 28, 2009, di Wayback Machine.
  5. ^ Sutton 1992, p. 230
  6. ^ "Aerojet Bipropellant Engine Sets New Performance Record". Aerojet Rocketdyne. December 8, 2008. Diarsipkan dari versi asli tanggal March 7, 2017. Diakses tanggal July 13, 2014. 
  7. ^ Sutton 1992, pp. 307—309
  8. ^ RAND Corporation (1959). "Propulsion systems". Dalam Horgan, M. J.; Palmatier, M. A.; Vogel, J. Space handbook: astronautics and its applications (Laporan teknis). United States Government Printing Office. hlm. 31–41. 86. 
  9. ^ https://www.space-propulsion.com/spacecraft-propulsion/hydrazine-thrusters/index.html
  10. ^ https://www.l3harris.com/sites/default/files/2023-07/AJRD-LHX_Monopropellant_Rocket_Engines_SpecSheet_CMYK_061423_APPROVED.pdf
  11. ^ Anflo, K.; Moore, S.; King, P. Expanding the ADN-based Monopropellant Thruster Family. 23rd Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. SSC09-II-4. 
  12. ^ Dingertz, Wilhelm (10 October 2017). HPGP® - High Performance Green Propulsion (PDF). ECAPS: Polish - Swedish Space Industry Meeting. Diakses tanggal 14 December 2017. 
Wikimedia Commons memiliki media mengenai Monopropellants.