Merevisi Perjalanan Hipersonik dengan Mesin Detonasi Ram‑Rotor (RRDE)

Generasi Ketiga Propulsi Pesawat Terbang

Since the Wright brothers’ first flight, the central concept of mechanized flying has been compressing air to generate propulsion. This was first done with the ever‑larger propellers in WWI and WW2 planes.

Langkah selanjutnya adalah mesin jet, dengan pesawat bertenaga jet pertama, Heinkel He 178, yang diluncurkan pada tahun 1939. Pada mesin jet, bagian‑bagian yang bergerak memampatkan udara dan menyuntikkan bahan bakar untuk menciptakan efek pembakaran yang kuat, yang kemudian diarahkan ke turbin dan nosel jet untuk menghasilkan dorongan.

Sumber: Wikipedia

Hal ini kemudian ditingkatkan dengan ramjet, di mana gerakan pesawat menciptakan kompresi udara, memungkinkan kecepatan yang lebih tinggi. Pada kecepatan tertentu, bagian‑bagian yang bergerak pada turbojet akan bergerak terlalu cepat dan rusak. Pesawat pertama yang menggunakan ramjet adalah Leduc 0.10 pada tahun 1949.

Sumber: Tech Brief

Ada versi yang ditingkatkan dari ramjet, disebut scramjet (ramjet supersonik). Mesin ini tidak perlu memperlambat aliran udara masuk untuk pembakaran, melainkan mempertahankan aliran udara supersonik dan mencapai efisiensi bahan bakar yang lebih tinggi.

Scramjet pertama kali dikonsep pada tahun 1958 tetapi baru diuji pada tahun 2001 dalam X-43A milik NASA. Tiga tahun kemudian, pesawat eksperimental tersebut mencapai kecepatan Mach 6,8 (5.217 mph atau 8.396 km/j) dan Mach 9,6 (7.366 mph atau 11.854 km/j).

Hal ini mengesankan, tetapi teknologi jet mulai mencapai batasnya sampai batas tertentu, sama seperti baling‑baling awal abad ke‑20 tidak dapat melampaui kecepatan tertentu.

Inilah mengapa ilmuwan dan insinyur kini mencari konsep yang sepenuhnya berbeda: mesin detonasi berputar.

Mesin Detonasi Berputar

Dari sudut pandang termodinamika, detonasi lebih efisien dibandingkan deflagrasi (pembakaran klasik) yang lebih dikenal. Jadi, secara teoritis, detonasi dapat digunakan untuk membakar bahan bakar lebih efisien dan/atau mencapai kecepatan terbang yang lebih tinggi.

Tentu saja, ledakan jauh lebih sulit dimanfaatkan menjadi dorongan nyata pada mesin pesawat tanpa … meledak di tengah penerbangan.

Pada mesin detonasi berputar, hal ini dicapai dengan menciptakan gelombang detonasi yang menyebar secara terus‑menerus di sekitar ruang bakar berbentuk cincin. Karena detonasi terjadi pada frekuensi tinggi, ini menghasilkan dorongan yang hampir kontinu.

Sumber: Air Force Research Laboratory

Mesin semacam itu ditest secara sukses untuk pertama kalinya oleh NASA pada tahun 2020.

Jenis mesin ini diperkirakan hingga 25% lebih efisien dibandingkan mesin jet berbasis pembakaran “normal”. Mereka juga tidak memerlukan kompresor besar di hulu ruang bakar, yang menghemat berat secara signifikan, sehingga kemungkinan akan meningkatkan efisiensi keseluruhan pesawat lebih jauh.

Jenis mesin ini baru-baru ini menjadi mungkin berkat material canggih. Faktor pembatas utama adalah kemampuan material untuk menahan suhu ekstrem, aliran gelombang kejut yang tak henti‑hentinya, dan aliran kaya oksigen secara bersamaan.

Ramjet Detonasi?

Kekurangan serius mesin detonasi berputar adalah kinerjanya jauh kurang efisien pada tekanan atmosfer. Jadi, serupa dengan ramjet dan scramjet, mesin ini idealnya harus dipercepat ke kecepatan supersonik atau hipersonik terlebih dahulu sebelum diaktifkan.

Sekarang, konsep yang lebih maju lagi muncul, yaitu mesin detonasi ram‑rotor. Mesin ini dikembangkan oleh ilmuwan China yang bekerja di School of Aerospace Engineering, Universitas Tsinghua, Beijing. Mereka menerbitkan karya mereka di Chinese Journal of Aeronautics dengan judul “Primary Investigation on Ram‑Rotor Detonation Engine“.

Mesin Detonasi Ram‑Rotor (RRDE)

Ide utama RRDE adalah menstabilkan detonasi di dalam rotor berkecepatan tinggi. Saluran aliran memampatkan campuran udara‑bahan bakar ke kondisi ideal untuk detonasi, terlepas dari kecepatan masuknya.

Sumber: Chinese Journal of Aeronautics

Gelombang detonasi dipertahankan di tempat dengan menyeimbangkan kecepatan relatif aliran udara masuk dengan gas yang mengembang dan gelombang kejut yang keluar dari knalpot.

Melalui proses ini, gelombang detonasi tetap stasioner relatif terhadap bilah‑bilah.

Sumber: Chinese Journal of Aeronautics

Keunggulan RRDE

Fleksibilitas

Karena mesin dapat memodulasi kompresi udara, ia berperilaku lebih seperti turbojet klasik daripada ramjet, yang memerlukan kecepatan pesawat untuk melakukan kompresi udara.

Ini berarti bahwa RRDE dapat beroperasi pada semua kecepatan, dan dapat berfungsi sebagai mesin mandiri. Dalam hal ini, RRDE perlu dipasangkan dengan komponen masuk dan keluar yang sesuai, seperti diffuser yang dapat disesuaikan, vanes panduan, dan nosel, untuk memperluas rentang operasi stabil dan skenarionya.

Secara potensial, ia juga dapat digunakan bersamaan dengan turbojet, serupa dengan cara kebanyakan desain ramjet dan scramjet dibuat saat ini.

Mesin Pesawat Hipersonik

Secara definisi, gelombang detonasi bergerak lebih cepat daripada kecepatan suara, seringkali jauh lebih cepat. RRDE diperkirakan dapat menghasilkan gelombang detonasi stabil yang dapat mencapai angka Mach 4 hingga 6 relatif terhadap aliran masuk.

Ini dapat memungkinkan pesawat yang dilengkapi RRDE untuk mampu melakukan penerbangan hipersonik di atas Mach 5+ (3.836 mph / 6.174 km/j), dengan efisiensi yang jauh lebih tinggi dibandingkan mesin detonasi lainnya.

Efisiensi yang lebih tinggi tidak hanya mengurangi biaya bahan bakar tetapi juga memungkinkan jangkauan yang lebih jauh dengan bahan bakar yang sama. Atau kapasitas muatan yang lebih tinggi untuk jangkauan yang sama karena bahan bakar yang lebih ringan perlu dibawa.

Dari Teori ke Praktik

Sejauh ini, RRDE hanya ada sebagai desain dan telah membuktikan dirinya hanya dalam pengujian teoretis dan simulasi laboratorium.

Jadi masih ada jalan yang cukup panjang sebelum prototipe praktis, dan bahkan jalur yang lebih panjang menuju RRDE komersial yang diproduksi massal.

Hal ini akan mengharuskan penyelesaian masalah dunia nyata yang mungkin belum dipertimbangkan dalam simulasi. Misalnya, dibutuhkan waktu lama untuk mempertahankan gelombang detonasi dalam saluran cincin statis pada mesin detonasi berputar. Menjaga gelombang detonasi tetap stabil dalam rotor berkecepatan tinggi akan menjadi lebih sulit.

Tantangan dalam rekayasa dan metalurgi juga akan diharapkan, karena material yang digunakan harus sangat efisien.

Bilah‑bilah rotor harus cukup ringan untuk berputar cepat dan efisien, tetapi cukup kuat untuk menangani aliran udara masuk hipersonik … serta detonasi eksplosif yang konstan di antara bilah‑bilah.

Perusahaan Mesin Detonasi Berputar

Sejauh ini, sebagian besar penelitian yang dilakukan pada tipe mesin baru ini telah dilakukan oleh lembaga penelitian publik, kebanyakan agensi luar angkasa dan militer, termasuk NASA, Angkatan Udara AS, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Energomash Rusia, dll.

Namun ada satu perusahaan swasta yang menunjukkan kemampuannya membangun mesin detonasi berputar pada tahun 2023: General Electric (GE.TO ).

General Electric Aerospace adalah hasil pemecahan konglomerat GE menjadi 3 bagian pada tahun 2024: GE Aerospace (GE ), GE HealthCare (GEHC ), dan GE Vernova (energi) (GEV ).

Hal ini dilakukan untuk memfokuskan kembali perusahaan pada kompetensi inti, setelah beberapa dekade finansialisasi yang pada akhirnya terbukti memberikan dampak negatif bersih.

Perusahaan ini merupakan pemasok utama bagi industri aeronautika, dengan sekitar 3 miliar orang bepergian menggunakan teknologi GE Aerospace per tahun, dan sekitar 900.000 orang terbang dengan pesawat bertenaga GE pada setiap waktu (3 dari 4 penerbangan komersial). Hal ini dibangun atas serangkaian mesin untuk semua ukuran dan aplikasi pesawat.

Sumber: GE Aerospace

Dalam jangka panjang, rangkaian mesin ini diperkirakan akan digantikan oleh generasi baru dengan efisiensi bahan bakar yang lebih tinggi, dicapai melalui upaya R&D jangka panjang. Ini dapat berada dalam kisaran peningkatan efisiensi bahan bakar 10‑15% untuk pesawat sipil dan hingga 25% untuk pesawat militer.

Sumber: GE Aerospace

Selain mesin, perusahaan ini juga menawarkan teknologi silikon karbida untuk sistem tenaga listrik, dan avionik (elektronik dan komputer pesawat).

Perusahaan ini telah lama menjadi pemimpin dalam sistem propulsi pesawat. Secara jelas, kegiatannya didorong oleh sektor sipil (pendapatan $23,9 Miliar pada 2023), diikuti oleh segmen pertahanan ($9 Miliar).

70% dari pendapatan perusahaan berasal dari layanan, terutama pemeliharaan dan perbaikan mesin, menjadikannya sumber pendapatan yang sangat stabil.

Sumber: GE Aerospace

Perusahaan ini berinvestasi dalam teknologi masa depan untuk mempertahankan keunggulannya, terutama pencetakan 3D dengan GE Additive, satu‑satunya OEM (Original Equipment Manufacturer) dalam manufaktur aditif logam dengan solusi lengkap end‑to‑end.

Sumber: GE Aerospace

Mesin Detonasi Berputar GE

Seperti yang dibahas sebelumnya, GE juga berhasil melakukan uji rig ramjet dual‑mode hipersonik pertama di dunia (DMRJ) dengan pembakaran detonasi berputar (RDC) dalam aliran supersonik.

Hal ini dimungkinkan berkat keahlian GE dalam komposit matriks keramik (CMCs) suhu tinggi, elektronik daya silikon karbida, teknologi aditif, dan manajemen termal canggih.

“Hasil signifikan yang kami peroleh hingga saat ini memberi kami keyakinan bahwa kami bergerak ke arah yang tepat.

Tim telah bergerak sangat cepat, hanya memerlukan 12 bulan dari awal hingga selesai untuk demonstrasi DMRJ dengan RDC. Tim berada pada jalur yang tepat untuk mencapai tujuan mendemonstrasikan DMRJ lengkap dengan RDC secara skala tahun depan.”

Mark Rettig – Vice President & General Manager, Edison Works Business & Technology Development, GE Aerospace

Mesin hipersonik seperti ini mungkin pertama kali digunakan dalam aplikasi militer canggih, mulai dari pesawat tempur hingga misil. Namun kemungkinan besar akan masuk ke pesawat hipersonik sipil suatu hari, dan kehadiran GE di kedua pasar tersebut seharusnya membantu memanfaatkan teknologi yang sedang berkembang ini.

Secara keseluruhan, setelah periode panjang menjadi konglomerat tanpa arah dan berfokus pada rekayasa keuangan, tampaknya GE kembali berada di jalur yang tepat untuk menegaskan kembali dirinya sebagai pusat rekayasa dan manufaktur Amerika, pada saat re‑industrialisasi dan reshoring menjadi tren kuat.