Revolusi pada Mach 10: Jet Hipersonik yang Didukung NASA Siap Mengubah Perjalanan Luar Angkasa

Studi Terowongan Angin Mengungkapkan Aliran Mesin Jet Hipersonik Dapat Dikendalikan Secara Optik

Para peneliti di Universitas Virginia tengah menjajaki potensi jet hipersonik untuk perjalanan luar angkasa, dengan menggunakan inovasi dalam kontrol mesin dan teknik penginderaan. Pekerjaan ini, yang didukung oleh NASAbertujuan untuk meningkatkan kinerja scramjet melalui sistem kontrol adaptif dan sensor optik, yang berpotensi menghasilkan kendaraan akses ruang angkasa yang lebih aman dan lebih efisien yang berfungsi seperti pesawat terbang.

Masa Depan Perjalanan Luar Angkasa: Jet Hipersonik

Bagaimana jika masa depan perjalanan luar angkasa tidak lagi seperti Starship berbasis roket milik House-X, tetapi lebih seperti “Hyper-X” milik NASA, pesawat jet hipersonik yang, 20 tahun lalu tahun ini, terbang lebih cepat daripada pesawat lain mana pun sebelum atau sesudahnya?

Pada tahun 2004, uji coba prototipe X-43A tanpa awak terakhir NASA merupakan tonggak sejarah dalam period terbaru pengembangan jet — lompatan dari ramjet ke scramjet yang lebih cepat dan lebih efisien. Uji coba terakhir, pada bulan November tahun itu, mencatat rekor kecepatan dunia yang sebelumnya hanya dapat dicapai oleh roket: Mach 10. Kecepatan tersebut setara dengan 10 kali kecepatan suara.

NASA mengumpulkan banyak information berguna dari pengujian tersebut, seperti yang dilakukan Angkatan Udara enam tahun kemudian dalam pengujian serupa pada X-51 Waverider, sebelum prototipe tersebut jatuh ke laut.

Meskipun pembuktian konsep hipersonik berhasil, teknologinya masih jauh dari kata operasional. Tantangannya adalah mencapai kendali mesin, karena teknologinya didasarkan pada pendekatan sensor yang sudah ada sejak puluhan tahun lalu.

Pesawat peluncur B-52B milik NASA meluncur ke lokasi uji coba di atas Samudra Pasifik sambil membawa wahana X-43A ketiga dan terakhir, yang terpasang pada roket Pegasus, pada tanggal 16 November 2004. Kredit: NASA / Carla Thomas

Terobosan dalam Kontrol Mesin Hipersonik

Namun, bulan ini membawa harapan bagi calon penerus seri X-Aircraft.

Sebagai bagian dari studi baru yang didanai NASA, para peneliti dari Sekolah Teknik dan Sains Terapan Universitas Virginia menerbitkan information pada jurnal edisi Juni Ilmu dan Teknologi Dirgantara yang menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa aliran udara dalam mesin jet pembakaran supersonik dapat dikontrol oleh sensor optik. Penemuan ini dapat menghasilkan stabilisasi pesawat jet hipersonik yang lebih efisien.

Selain itu, para peneliti berhasil mencapai kendali adaptif pada mesin scramjet, yang merupakan hal pertama lainnya untuk propulsi hipersonik. Sistem kendali mesin adaptif merespons perubahan dinamika untuk menjaga kinerja sistem secara keseluruhan tetap optimum.

“Salah satu prioritas kedirgantaraan nasional kita sejak tahun 1960-an adalah membangun pesawat satu tahap ke orbit yang terbang ke luar angkasa dari lepas landas horizontal seperti pesawat tradisional dan mendarat di darat seperti pesawat tradisional,” kata Profesor Christopher Goyne, direktur Laboratorium Penelitian Dirgantara UVA, tempat penelitian tersebut dilakukan.

“Saat ini, kerajinan yang paling canggih adalah RuangX Starship. Pesawat ini memiliki dua tahap, dengan peluncuran dan pendaratan vertikal. Namun, untuk mengoptimalkan keselamatan, kenyamanan, dan penggunaan ulang, komunitas kedirgantaraan ingin membangun sesuatu yang lebih mirip 737.”

Mahasiswa doktoral Max Chern mengamati lebih dekat pengaturan terowongan angin tempat para peneliti dari Fakultas Teknik dan Sains Terapan Universitas Virginia menunjukkan bahwa kontrol mesin scramjet mode ganda dapat dilakukan dengan sensor optik. Kredit: Wende Whitman, Teknik UVA

Goyne dan rekan peneliti, Chloe Dedic, seorang profesor madya Teknik UVA, meyakini sensor optik dapat menjadi bagian besar dari persamaan kontrol.

“Bagi kami, tampaknya logis jika sebuah pesawat terbang beroperasi pada kecepatan hipersonik Mach 5 dan lebih tinggi, mungkin lebih baik untuk menanamkan sensor yang bekerja lebih dekat dengan kecepatan cahaya daripada kecepatan suara,” kata Goyne.

Anggota tim lainnya adalah mahasiswa doktoral Max Chern, yang menjabat sebagai penulis pertama makalah tersebut, serta mantan mahasiswa pascasarjana Andrew Wanchek, mahasiswa doktoral Laurie Elkowitz, dan ilmuwan senior UVA Robert Rockwell. Pekerjaan tersebut didukung oleh hibah NASA ULI yang dipimpin oleh Universitas Purdue.

Meningkatkan Kinerja Mesin Scramjet

NASA telah lama berupaya mencegah sesuatu yang dapat terjadi pada mesin scramjet yang disebut “unstart”. Istilah ini menunjukkan perubahan aliran udara secara tiba-tiba. Nama tersebut berasal dari fasilitas pengujian khusus yang disebut terowongan angin supersonik, di mana “begin” berarti angin telah mencapai kondisi supersonik yang diinginkan.

UVA memiliki beberapa terowongan angin supersonik, termasuk Fasilitas Pembakaran Supersonik UVA, yang dapat mensimulasikan kondisi mesin untuk kendaraan hipersonik yang melaju dengan kecepatan lima kali kecepatan suara.

“Kami dapat menjalankan kondisi pengujian selama berjam-jam, yang memungkinkan kami bereksperimen dengan sensor aliran baru dan pendekatan kontrol pada geometri mesin yang realistis,” kata Dedic.

Goyne menjelaskan bahwa “scramjet,” kependekan dari supersonic combustion ramjet, dibangun di atas teknologi ramjet yang telah umum digunakan selama bertahun-tahun.

Gambar dinamika fluida komputasional dari pengujian Hyper-X asli menunjukkan mesin beroperasi pada Mach 7. Kredit: NASA

Ramjet pada dasarnya “menabrakkan” udara ke dalam mesin menggunakan gerakan maju pesawat untuk menghasilkan suhu dan tekanan yang dibutuhkan untuk membakar bahan bakar. Ramjet beroperasi dalam kisaran sekitar Mach 3 hingga Mach 6. Saat saluran masuk di bagian depan pesawat menyempit, kecepatan udara inside melambat hingga kecepatan subsonik dalam mesin pembakaran ramjet. Namun, pesawat itu sendiri tidak.

Scramjet sedikit berbeda. Meskipun juga “bernapas udara” dan memiliki pengaturan dasar yang sama, mereka perlu mempertahankan aliran udara tremendous cepat melalui mesin untuk mencapai kecepatan hipersonik.

“Jika sesuatu terjadi di dalam mesin hipersonik, dan kondisi subsonik tiba-tiba tercipta, itu akan menjadi tidak aktif,” kata Goyne. “Daya dorong akan tiba-tiba berkurang, dan mungkin sulit pada saat itu untuk memulai kembali saluran masuk.”

Menguji Mesin Scramjet Mode Ganda

Saat ini, seperti ramjet, mesin scramjet memerlukan peningkatan kecepatan agar dapat mencapai kecepatan yang cukup untuk dapat beroperasi. Peningkatan kecepatan ini dapat mencakup wahana yang dipasang di bagian bawah pesawat pengangkut serta pendorong roket.

Inovasi terbaru adalah pembakar scramjet mode ganda, yang merupakan jenis mesin yang diuji oleh proyek yang dipimpin UVA. Mesin ganda tersebut menyala dalam mode ramjet pada angka Mach yang lebih rendah, kemudian beralih untuk menerima aliran udara supersonik penuh di ruang pembakaran pada kecepatan yang melebihi Mach 5.

Mencegah mesin tidak menyala saat melakukan transisi adalah hal yang krusial.

Christopher Goyne, profesor dan direktur Laboratorium Penelitian Dirgantara UVA, dan Chloe Dedic, profesor asosiasi. Kredit: Wende Whitman, Teknik UVA

Angin yang masuk berinteraksi dengan dinding saluran masuk dalam bentuk serangkaian gelombang kejut yang dikenal sebagai “rangkaian kejut”. Secara tradisional, ujung terdepan gelombang tersebut, yang dapat merusak integritas pesawat, telah dikontrol oleh sensor tekanan. Mesin dapat menyesuaikan, misalnya, dengan merelokasi posisi rangkaian kejut.

Namun, tempat ujung terdepan rangkaian kejut berada dapat berubah dengan cepat jika gangguan penerbangan mengubah dinamika udara. Rangkaian kejut dapat menekan saluran masuk, sehingga menciptakan kondisi untuk tidak dapat memulai.

Jadi, “Jika Anda merasakan pada kecepatan suara, namun proses mesin bergerak lebih cepat daripada kecepatan suara, Anda tidak memiliki banyak waktu respons,” kata Goyne.

Ia dan rekan-rekannya bertanya-tanya apakah kemungkinan tidak menyalanya mesin dapat diprediksi dengan mengamati sifat-sifat nyala api mesin.

Merasakan Spektrum Api

Tim memutuskan untuk menggunakan sensor spektroskopi emisi optik untuk umpan balik yang dibutuhkan untuk mengendalikan tepi terdepan rangkaian kejut.

Tidak lagi terbatas pada informasi yang diperoleh di dinding mesin, seperti halnya sensor tekanan, sensor optik dapat mengidentifikasi perubahan halus baik di dalam mesin maupun di dalam jalur aliran. Alat ini menganalisis jumlah cahaya yang dipancarkan oleh suatu sumber — dalam hal ini, gasoline yang bereaksi di dalam ruang bakar scramjet — serta faktor-faktor lain, seperti lokasi api dan konten spektral.

“Cahaya yang dipancarkan oleh api di dalam mesin disebabkan oleh relaksasi molekul jenis yang tereksitasi selama proses pembakaran,” jelas Elkowitz, salah satu mahasiswa doktoral. “Spesies yang berbeda memancarkan cahaya pada energi atau warna yang berbeda, yang memberikan informasi baru tentang kondisi mesin yang tidak tertangkap oleh sensor tekanan.”

Mahasiswa doktoral bidang mekanika dan kedirgantaraan UVA Engineering saat ini, Laurie Elkowitz dan Max Chern, termasuk di antara anggota tim yang berpengaruh. Kredit: Wende Whitman, UVA Engineering

Demonstrasi tim di terowongan angin menunjukkan bahwa kendali mesin dapat bersifat prediktif dan adaptif, serta bertransisi dengan mulus antara fungsi scramjet dan ramjet.

Faktanya, uji terowongan angin adalah bukti pertama di dunia bahwa kontrol adaptif pada jenis mesin fungsi ganda ini dapat dicapai dengan sensor optik.

“Kami sangat gembira dapat menunjukkan peran sensor optik dalam pengendalian kendaraan hipersonik di masa mendatang,” kata penulis pertama Chern. “Kami terus menguji konfigurasi sensor sembari berupaya membuat prototipe yang mengoptimalkan quantity dan berat paket untuk lingkungan penerbangan.”

Membangun Menuju Masa Depan

Meskipun masih banyak pekerjaan yang harus diselesaikan, sensor optik mungkin menjadi komponen masa depan yang diyakini Goyne akan terwujud dalam masa hidupnya: perjalanan seperti pesawat ke luar angkasa dan kembali.

Scramjet mode ganda masih memerlukan semacam dorongan untuk membuat pesawat mencapai kecepatan minimal Mach 4. Namun, akan ada keamanan tambahan karena tidak bergantung secara eksklusif pada teknologi roket, yang memerlukan bahan bakar yang sangat mudah terbakar untuk dibawa bersama sejumlah besar oksidator kimia guna membakar bahan bakar.

Pengurangan berat itu akan memberikan lebih banyak ruang untuk penumpang dan muatan.

Pesawat serba guna semacam itu, yang akan meluncur kembali ke Bumi seperti yang pernah dilakukan pesawat ulang-alik, mungkin saja memberikan kombinasi splendid antara efisiensi biaya, keamanan, dan dapat digunakan kembali.

“Saya rasa itu mungkin,” kata Goyne. “Meskipun industri ruang angkasa komersial telah mampu menurunkan biaya melalui beberapa penggunaan ulang, mereka belum memanfaatkan operasi seperti pesawat terbang. Temuan kami berpotensi membangun sejarah Hyper-X yang terkenal dan membuat akses ruang angkasanya lebih aman daripada teknologi berbasis roket saat ini.”

Referensi: “Kontrol jalur aliran scramjet mode ganda menggunakan spektroskopi emisi optik” oleh Max Y. Chern, Andrew J. Wanchek, Laurie Elkowitz, Robert D. Rockwell, Chloe E. Dedic dan Christopher P. Goyne, 18 April 2024, Ilmu dan Teknologi Dirgantara.
DOI: 10.1016/j.ast.2024.109144