II-1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Gaya-Gaya

advertisement
 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Gaya-Gaya pada pesawat terbang
Gaya-gaya utama yang berlaku pada pesawat terbang pada saat
terbang dalam keadaan lurus dan datar. Serta dalam keadaan kecepatan tetap
ialah:
1.
Weight
(gaya berat) yaitu merupakan gaya yang didapat dari
penjumlahan berat pesawat dan berat muatan pesawat itu sendiri. Weight
mengarah vertical kebawah melalui center of gravity dari pesawat.
2.
Thrust (gaya dorong) yaitu merupakan gaya yang dihasilkan oleh power
plant. Gaya ini berlawanan dengan gaya hambat, dan secara umum gaya
ini beraksi parallel dengan sumbu longitudinal.
3.
Lift (gaya angkat) yaitu gaya yang dihasilkan oleh efek dinamis dari
udara, dan beraksi tegak lurus terhadap angin relative melalui center of
pressure dari sayap.
4.
Drag (gaya hambat) merupakan gaya kebelakang. Disebabkan oleh
gangguan aliran udara oleh sayap, fuselage, dan objek-objek lain. Drag
kebalikan dari thrust, dan beraksi kebelakang parallel dengan arah angin
relatif (relative wind).
Gambar II. 1 Gaya-gaya yang bekerja pada pesawat
(modelairplane.cadblog.net)
II-1
II-2
2.1.1 Profil Drag
Profile drag merupakan gaya hambat yang disebabkan oleh
pergerakan benda padat dalam suatu medium fluida. Gaya hambat ini terdiri
dari:
1.
Form Drag yaitu merupakan gaya hambat yang timbul akibat bentuk
dari benda. Ukuran dan bentuk dari benda merupakan pertimbangan
utama. Form drag dapat diminimalisir dengan pembuatan bentuk benda
yang aerodinamis. Seperti contoh Gambar II.2.
Gambar II. 2 Contoh form drag pada berbagai bentuk
(www.centennialofflight.gov)
2.
Skin Friction Drag yaitu gaya hambat yang dikarenakan gesekan antara
aliran udara dengan permukaan benda (skin). Ketika aliran udara
melewati objek, molekul udara yang terdekat dengan permukaan
bergerak secara stasioner dengan permukaan. Semakin jauh dari
permukaan, molekul udara akan bergerak lebih cepat, hingga pada bagian
terluar lapisan udara, molekul tersebut akhirnya bergerak dengan
kecepatan yang sama dengan aliran udara relatif. Seperti gambar II.3
II-3
Gambar II. 3 Skin Friction Drag
(www.kasravi.com)
Pada pesawat terbang, profile drag tergolong cukup kecil. Sehingga
tidak begitu berpengaruh pada penerbangan. Namun profile drag tetap
merupakan bagian dari gaya hambat (drag). Sehingga dalam aerodinamika,
hal ini tetap diperhitungkan.
2.1.2 Induced Drag
Seperti yang kita ketahui bahwa tidak ada sistem mekanik yang bisa
100% efisien, apapun bentuknya dari sebuah sistem, maka sebuah usaha akan
memerlukan usaha tambahan yang akan diserap atau hilang dalam sistem
tersebut. Makin efisiensi sebuah sistem, makin sedikit kehilangan usaha
tambahan.
Induced drag atau gaya hambat imbas, merupakan gaya hambat yang
terjadi akibat adanya imbas terhadap gaya angkat. Pada dasarnya, gaya
hambat inilah yang berpengaruh besar terhadap penerbangan.
Sifat aerodinamik sayap dalam penerbangan yang datar menghasilkan
gaya angkat yang dibutuhkan, tapi ini hanya bisa didapat dengan beberapa
rugi-rugi yang harus dibayar, yaitu induced drag. Induced drag pasti ada
ketika sayap menghasilkan gaya angkat dan jenis drag ini dari produksi gaya
angkat. Konsekuensinya, drag ini selalu muncul pada saat gaya angkat
dihasilkan.
II-4
Sayap pesawat menghasilkan gaya angkat dengan menggunakan
energi dari aliran udara bebas. Ketika menghasilkan gaya angkat, tekanan
permukaan bawah sayap lebih besar dari permukaan atas.
Hasilnya udara akan cenderung untuk mengalir dari daerah tekanan
tinggi dari ujung sayap (wingtip) ke tengah kepada daerah yang bertekanan
rendah di atas sayap.
Di sekitar ujung sayap ada kecenderungan tekanan-tekanan ini untuk
menjadi seimbang, sama kuat, menghasilkan aliran lateral keluar dari bagian
bawah ke bagian atas sayap. Aliran lateral ini membuat kecepatan yang
berputar ke udara di ujung sayap dan mengalir ke belakang sayap. Maka
aliran di sekitar ujung sayap akan berbentuk dua vortex yang mengallir
(trailing) di belakang pada waktu sayap bergerak maju. Ketika pesawat dilihat
dari ekornya, vortex-vortex ini akan bersirkulasi kebalikan arah jarum jam di
sekitar ujung sayap kanan dan searah jarum jam di ujung sayap kiri.
Saat pesawat /sayap terbang di udara, pada bagian lower surface
terdapat udara bertekanan tinggi, dan pada bagian upper surface, terdapat
udara bertekanan rendah. Beda tekanan ini mengakibatkan terjadinya
“kebocoran” (leak) melalui tip sehingga membentuk aliran udara melingkar
seperti pusaran udara yang disebut wingtip vortex. Pada trailing edge sayap,
wingtip vortex seperti pada Gambar II.4 tersebut akan mengarah kebawah.
Peristiwa ini disebut downwash.
Gambar II. 4 Skema dari wing tip vortex
(Anderson, John D : 1984)
II-5
Efek downwash mengakibatkan adanya pergeseran sudut serang
(angle of attack). Sudut yang dihasilkan antara kecepatan freestream (V∞)
dengan angin relatif (relative wind) disebut sudut serang imbas (induced
angle of attack (αi)).
Akibat adanya sudut ini, arah gaya angkat (lift) pun bergeser
kebelakang, sehingga arah lift menjadi tegak lurus terhadap angin relatif.
Gaya yang ditimbulkan akibat pergeseran ini ialah induced drag. Untuk lebih
jelasnya, dapat terlihat pada Gambar II.5
Gambar II. 5 Induced Drag
(Anderson, John D : 1984)
Gambar II.5 menunjukan Induced drag yang dapat dihitung dengan
rumus:
Dimana Cl adalah koefisien lift, e adalah span efficiency dan AR
adalah Aspect ratio dari sayap.
II-6
Dimana b adalah jarak bentangan sayap (tip ke tip), dan S adalah luas
sayap.
Teori lift menunjukan bahwa induced drag yang optimum terjadi pada
distribusi eliptik lift dari tip ke tip. Faktor efisiensi sama dengan 1.0 untuk
edistribusi eliptik dan kurang dari 1.0 untuk distribusi lift yang lain. Jadi
penampang yang eliptikal memiliki induced drag yang kecil dibandingkan
bentuk sayap yang lain yang memiliki induced drag yang tinggi dibanding
sayap eliptikal.
2.2
Ground Effect
Ground effect merupakan fenomena ketika perangkat penghasil gaya
angkat (lift), seperti sayap, bergerak dengan sangat dekat terhadap permukaan
tanah. Hal ini menyebabkan adanya penambahan rasio antara lift dengan drag
(lift-to-drag ratio). Fenomena ini dapat menghasilkan penambahan efisiensi
aerodinamik pada benda yang terlibat.
Secara teori, saat pesawat / sayap terbang sangat dekat dengan
permukaan tanah, terjadi interupsi wingtip vortices serta downwash
dibelakang sayap terhadap permukaan. Semakin rendah pesawat tersebut
terbang, wingtip vortices menjadi semakin tak terbentuk. Hal ini
menyebabkan induced drag menurun.
Tentunya hal ini akan menyebabkan gaya dorong (thrust) yang
dibutuhkan menjadi lebih kecil dibandingkan dalam kondisi out of ground
effect.
II-7
Sehingga dapat diilustrasikan dengan kedua grafik berikut:
Gambar II. 6 Grafik Thrust Required VS Kecepatan
(Anderson, John D : 1984)
Gambar II. 7 Grafik CL VS AoA
(Anderson, John D : 1984)
Gambar II.6 menunjukkan bahwa pada kecepatan rendah, thrust yang
dibutuhkan dalam kondisi in-ground effect, lebih kecil dibandingkan pada
kondisi out-of ground effect .Namun, seiring bertambahnya kecepatan, thrust
yang dibutuhkan akan semakin sama besar.
Gambar II.7 menunjukkan bahwa dalam kondisi in-ground effect,
angle of attack yang sama besar dengan out-of ground effect akan
menghasilkan koefisien gaya angkat yang lebih besar.
II-8
Agar efeknya menjadi besar, sayap harus cukup dekat dengan tanah.
Seperti yang kita tahu, salah satu hasil langsung dari ground effect adalah
variasi dari induced drag dengan ketinggian sayap di atas tanah pada koefisien
lift yang konstan. Ketika sayap berada pada ketinggian sama dengan
rentangannya, pengurangan induced drag adalah hanya 1,4 persen. Namun,
ketika sayap berada
pada ketinggian sama dengan seperempat bentang
sayapnya, pengurangan induced drag adalah 23,5 persen, dan ketika sayap
berada pada ketinggian sama dengan sepersepuluh bentang sayapnya,
pengurangan induced drag sebesar 47,6 persen1. Dengan demikian,
pengurangan yang cukup besar pada induced drag akan terjadi hanya ketika
sayap sangat dekat dengan tanah. Karena variasi ini, ground effect yang
paling diarasakan diakui selama lepas landas atau sesaat sebelum touchdown
pada waktu mendarat.
Gambar II. 8 Ground Effect
(http://seaeagleinternational.com)
1
www.ilmuterbang.com
II-9
Selain itu, terbang dekat dengan ground akan menambah tekanan
udara pada lower surface sayap seperti Gambar II.8. Dalam hal ini, sudut
serang (AoA) yang dibutuhkan untuk menghasilkan jumlah gaya angkat
tertentu pun akan menjadi lebih kecil.
Pada dasarnya, ground effect terbagi menjadi dua pendekatan, yaitu
Chord Dominated Ground Effect dan Span Dominated Ground Effect.
2.2.1 Chord Dominated Ground Effect (CDGE)
Pada CDGE, parameter utama yang mempertimbangkannya ialah
rasio antara ketinggian (height) dengan chord. Hal ini disebut juga height- tochord ratio (h/c). Ketinggian di sini merupakan ketinggian antara permukaan
tanah dan airfoil atau sayap.
Penambahan gaya angkat disebabkan adanya pembentukan bantalan
udara (air cushion) yang diakibatkan oleh peningkatan tekanan statis saat
adanya penurunan ketinggian.
Gambar II. 9 Airfoil padakondisi out of ground (a) dan in ground effect (b)
(Junde, Jiang : 2006)
Pada Gambar II.9 terlihat perbeda anantara airfoil dengan kondisi
tidak berada dalam ground effect (a) dan airfoil yang berada dalam ground
effect (b). Secara teori, apabila ketinggian semakin mendekati 0, aliran udara
menjadi stagnan, dan menghasilkan tekanan static tertinggi.
II-10
2.2.2 Span Dominated Ground Effect (SDGE)
Dalam pendekatan SDGE, terdapat parameter lain yang dikenal
sebagai Height-to-Span ratio. Gaya hambat (drag) total adalah penjumlahan
antara Profile Drag dan Induced Drag. Pada SDGE, induced drag akan
berkurang karena pusaran udara (vortices) terbatasi oleh permukaan.
Sehingga, pada saat kekuatan vortex menurun, sayap akan seolah-olah
memiliki aspect ratio (AR) yang tinggi karena bentangan sayap (wingspan)
efektifnya bertambah, walaupun secara geometric tetap.
Gambar II. 10 Kekuatan vortex pada pesawat saat terbang dalam kondisi
yang berbeda.
(Junde, Jiang : 2006).
2.3
Sejarah Wing in Ground Effect Aircraft
Pada tahun 1920an, fenomena ground effect sudah dikenal, para pilot
menyadari bahwa jika mereka terbang rendah dekat dengan runway terasa
lebih efisien saat landing. Pada tahun 1934, US National Advisory Committee
for Aeronautics mengeluarkan memorandum 771,
Ground Effect on the Takeoff and Landing of Airplanes, yang
diterjemahkan dari hasil penelitian. Pada awalnya terbang dengan ketinggian
yang rendah sangat berbahaya karena tidak memiliki kebebasan untuk
bermanuver. Tetapi pada pesawat yang lebih besar dan terbang di air hal
tersebut diuji.
II-11
Pengujian-pengujian kecil dilakukan di Skandinavia dan Finlandia
sebelum perang dunia ke2. Pada tahun 1960an, atas kontribusi Rostislav
Alexeyev dari Uni Soviet dan German Alexander Lippisch menghasilkan
sebuah pesawat berbasis ground effect.
Alexeyev yang berlatarbelakang sebagai desainer kapal laut dan
Lippisch sebagai aeronautical engineer menghasilkan pesawat WIG yang
dikenal dengan Lippisch.
2.3.1 Wing in Ground Effect Aircraft
Wing in Ground Effect Aircraft (WIG) merupakan pesawat yang
memanfaatkan prinsip ground effect untuk terbang. WIG memiliki prinsip
yang hampir sama dengan hovercraft. Prinsip sederhananya, saat pesawat ini
terbang, pesawat ini seolah-olah seperti “ditopang” oleh udara.
Beberapa orang menyebutnya air cushion (bantalan udara). Sehingga,
pada saat terbang, penumpang akan merasa seperti melayang (floating),
terutama pada saat landing.
Pada awalnya, WIG selalu didesain hanya untuk terbang pada kondisi
ground effect. Setiap WIG tidak bisa melakukan free flight (terbang dengan
out of ground effect). Maka dari itu, WIG biasanya digunakan untuk
penerbangan jarak pendek dalam transportasi antar pulau. Namun, dalam
pengembangannya, beberapa WIG dapat menambah ketinggiannya hingga
diatas 150 m diatas permukaan.
Dewasa ini, International Maritime Organization membagi WIG
menjadi 3 tipe:
WIG Tipe A : merupakan pesawat yang tersertifikasi untuk operasi
hanya pada ground effect.
WIG Tipe B : merupakan pesawat yang tersertifikasi untuk operasi
diluar pengaruh ground effect namun tinggi terbang tidak lebih dari 150 m
diatas permukaan.
II-12
WIG Tipe C : merupakan pesawat yang tersertifikasi untuk operasi
diluar pengaruh ground effect dan dapat terbang lebih dari 150 m diatas
permukaan.
Ketiga tipe ini, dikhususkan untuk WIG dengan penumpang 12 orang
atau lebih.
Selain itu, WIG juga dapat terbagi menjadi 3 tipe berdasarkan
konfigurasi sayapnya yaitu Ekranoplan Wings, Tandem Wings, dan Inverted
Delta Wings.
2.3.1.1 Ram Wing
Merupakan konsep paling awal dalam pembuatan Wing In Ground
Effect Aircraft. Konfigurasi ini cenderung memiliki Aspect Ratio (AR) rendah
dengan penampang sayap yang mendekati bentuk persegi. Selain itu, pesawat
bertipe ini, memiliki horizontal stabilizer besar yang dipasang pada out of
ground, hal ini bertujuan untuk memberikan keseimbangan yang diperlukan.
Contoh pesawat yang menggunakan konfigurasi ini ialah µSky-1 seperti
Gambar II.11.
Gambar II. 11µSky-1
(www.se-technology.com)
II-13
2.3.1.2 Ekranoplan Wings
Pertama kali didesain oleh Rostislav Alexeyev. Sayap berjenis ini
cenderung lebih pendek dibandingkan sayap berjenis lain. Contoh WIG yang
menggunakan prinsip ekranoplan adalah Korabl Maket atau sering disebut
juga Caspian Sea Monster seperti Gambar II.12.
Gambar II. 12 Caspian Sea Monster
(Qihui, Lee : 2006)
2.3.1.3 Tandem Wings
Konfigurasi ini dikembangkan oleh orang Jerman bernama Gunther
Jörg. Konfigurasi ini menggunakan 2 buah sayap kecil yang dipasang dalam
satu baris. Konfigurasi jenis ini juga cukup baik dalam stabilitas, dan pesawat
yang menggunakan sayap jenis ini tidak membutuhkan horizontal stabilizer
lagi. Contoh pesawat yang memiliki konfigurasi ini ialah Skimmerfoil (Jorg
VI) seperti Gambar II.13.
II-14
Gambar II. 13 Jörg VI danJörg II
(www.se-technology.com)
2.3.1.4 Inverted Delta Wings
Dikembangkan oleh Alexander Lippisch. Sayap pesawat ini berbentuk
delta, namun dibalik. Beberapa eksperimen menyatakan bahwa WIG jenis ini
memiliki kestabilan yang lebih baik dibandingkan jenis lain. Contoh WIG
yang menggunakan sayap bertipe ini adalah Lippisch X-114, seperti pada
Gambar II.14.
Gambar II. 14 Lippisch X-114
(Junde, Jiang : 2006)
II-15
Kelebihan dari WIG ialah dapat memiliki efisiensi fuel yang lebih
besar, karena lift-induced drag yang dihasilkan cukup kecil dibandingkan
dengan pesawat out-of ground effect. Selain itu faktor keselamatan juga lebih
baik, karena pesawat terbang cukup dekat dengan air. Saat terjadi engine
failure pada saat penerbangan di atas permukaan air, pesawat dapat mendarat
dengan cukup aman.
Walau begitu, WIG tetap memiliki kekurangan. Cara menerbangkan
pesawat ini cukup sulit, terutama pada saat banking. Banking yang berlebihan
akan mengakibatkan ujung sayap berbenturan dengan air dan mengakibatkan
kecelakaan. Selain itu, sangat berbahaya apabila menerbangkan WIG pada
saat terjadi gelombang yang cukup tinggi.
2.4
Wind Tunnel
Wind tunnel atau terowongan angin adalah peralatan yang digunakan
untuk melakukan pengujian aerodinamik terhadap sebuah model.
Model ditempatkan di dalam seksi uji terowongan angin. Dengan
demikian ukuran model dibatasi ukuran seksi uji. Umumnya yang digunakan
adalah panjang bentangan sayap.
Dalam simulasi terowongan angin, model diasumsikan diam dan angin
bergerak dengan kecepatan tertentu. Sedang pada kondisi nyata pesawat
dianggap bergerak dan angin relatif diam. Itu sebabnya aliran udara dalam
seksi uji terowongan angin harus memenuhi persyaratan tertentu.
Semua wind tunnel dapat dibagi menjadi 2 tipe: open loop ( biasa
juga disebut“straight through”) seperti Gambar II.15 dan closed loop (bisa
juga disebut ”return flow”) seperti Gambar II.16. Sistem open loop
yaitudengan cara mengambil udara dari luar dan memasukaannya kedalam
tunnel dan melepaskannyakembali ke luar. Tetapi close loop melakukan
sirkulasi udara dengan udara yang sama, tanpa mengambilnya dari udara luar.
II-16
Gambar II. 15 Close Loop Wind Tunnel
(www.fi.edu)
Gambar II. 16 Open Loop Wind Tunnel
(www.fi.edu)
Salah satu syarat yang penting dalam melakukan percobaan-percobaan
dalam pengukuran aliran udara pada instalasi terowongan angin, adalah
mengetahui dengan cermat distribusi kecepatan udara dan arah aliran udara
didalan seksi uji.
Suatu benda yang mempunyai gerakan relatif terhadap udara
sekitarnya, akan mengalami gaya-gaya udara. Komponen gaya udara dalam
arah aliran udara dinamakan tahanan. Akibat adanya benda ini, karakteristik
aliran udara dimuka dan dibelakang benda tidak serupa. Setiap benda yang
berada dalam aliran udara akan mengalami gaya-gaya udara. Gaya-gaya udara
ini biasanya dibagi menjadi dua komponen, yaitu komponen yang bekerja
tegak lurus terhadap aliran udara dinamakan gaya angkat(lift), dan komponen
yang bekerja berlawanan dengan dengan aliran udara dinamakan (drag).
II-17
2.5
Airfoil
Airfoil adalah bentuk dari suatu sayap pesawat yang dapat
menghasilkan gaya angkat (lift) atau efek aerodinamika ketika melewati suatu
aliran udara. Airfoil merupakan bentuk dari potongan melintang sayap yang
dihasilkan oleh perpotongan tegak lurus sayap terhadap pesawat, dengan kata
lain airfoil merupakan bentuk sayap secara dua dimensi seperti pada Gambar
II.17.
Gambar II. 17 Airfoil
(www.copters.com)
Ketika melewati atau dilewati suatu aliran udara, disekitar penampang
airfoil akan terjadi perbedaan kecepatan aliran udara di atas sayap dan
dibawah sayap.
Kecepatan udara yang melewati permukaan atas sayap cenderung akan
lebih cepat daripada kecepatan udara yang melewati permukaan bagian
bawahs sayap. Perbedaan kecepatan ini akan memicu adanya perbedaan
tekanan udara di atas sayap dan di bawah sayap pesawat.
Karena kecepatan berbanding terballik dengan tekanan, maka tekanan
udara di atas sayap akan lebih kecil dibandingkan tekanan udara dibawah
sayap.
II-18
Karena tekanan bergerak dari tekanan kecil menuju ke tekanan yang
lebih besar, maka pesawat akan terangkat dan dapat terbang.tekana atau gaya
yang dapat mengangkat pesawat ini dinamakan lift.
Dari percobaan yang dilakukan di terowongan angin pada pesawat
dengan ukuran penuh, ditetapkan bahwa udara yang mengalir di sepanjang
permukaan sayap dengan sudut serang yang berbeda, ada daerah-daerah di
sepanjang permukaan yang tekanannya negatif, atau lebih kecil dari tekanan
atmosfer.
Tekanan negatif pada permukaan atas menciptakan gaya yang relatif
lebih besardi sayap dari pada yang disebabkan oleh tekanan positif yang
dihasilkan dari udara yang mengalir menuju sayap permukaan bawah. Pada
gambar dibawah ditunjukan tekanan di sepanjang airfoil untuk tiga macam
sudut serang yang berbeda.
Gambar II. 18 Distribusi Tekanan Untuk Sudut Serang Yang Berbeda
(http://panggih15.word)
II-19
Pada Gambar II.18 pada sudut serang yang besar pusat tekanan akan
bergerak maju, sementara pada sudut serang yang kecil pusat tekanan
cenderung bergerak kebelakang.
Sebuah airfoil yang streamline sempurna dan mempunyai tahanan
angin yang rendah, kadang-kadang tidak memiliki cukup daya angkat untuk
mengangkat pesaawt dari permukaan bumi.
Jadi pesawat modern memiliki airfoil yang rancangannya sangat
ekstrim, dengan bentuk berbeda berdasarkan untuk keperluan apa pesawat itu
dirancang.
Gambar II.19 memperlihatkan beberapa bentuk penampang airfoil.
Gambar II. 19 Bentuk Penampang Airfoil
(http://ma3naido.blogspot.com)
2.6
CATIA V5R19
Penulis menggunakan perangkat lunak (software) ini untuk mendesain
rancangan pesawat model ALPHA X-01. Computer Aided Three-dimensional
Interactive Application (CATIA) adalah multi platform CAD/CAM/CAE
perangkat lunak yang komersial yang dikembangkan oleh Dessault Systemes,
yang pada awalnya digunakan untuk merancang dam pengembangan jet
tempur Dessault’s Mirrage, dan setelah sukses dengan pengembangan
tersebut, CATIA digunakan diseluruh dunia.
II-20
Nama software ini pada awalnya CATI namun kemudian diganti
CATIA pada tahun 1981. Pada tahun 1996, versi terbaru CATIA dinamakan
sebagai CATIA V4 dengan maksud adalah porting dari satu sampai empat
sistem operasi Unix. Selanjutnya, pada 1998 versi keseluruhan ditulis ulang
oleh CATIA, dan CATIA V5 dirilis. Denngan dukungan UNIX, Windows NT,
dan Windows XP sejak 2001, CATIA V5 memimpin pengembangan solusi
untuk semua proses manufaktur dan desain.
Download