analisa karakteristik aerodinamika untuk kebutuhan

ANALISA KARAKTERISTIK AERODINAMIKA UNTUK KEBUTUHAN GAYA DORONG
TAKE OFF DAN CRUISE PADA HIGH SPEED FLYING TEST BED (HSFTB) LAPAN
Lintang Madi Sudiro (2106100130)
Jurusan Teknik Mesin FTI ITS,Surabaya 60111,email:[email protected]
Abstrak – Makalah ini membahas mengenai
High Speed Flying Test Bed (HSFTB) milik
LAPAN yang gagal melakukan take off ketika uji
pertama. HSFTB dibuat sebagai wahana
penelitian guna mendukung pembuatan Roket
Peluncur Satelit. Pada saat take off, HSFTB
menggunakan roket hingga pada cruise. Pada
saat cruise menjelajah menggunakan turbo jet.
LAPAN berencana menggunakan roket dan
turbo jet yang mempunyai gaya dorong sebesar
230 N. Dengan menggunakan bantuan program
MISDAT,didapatkan
nilai
karakteristik
aerodinamika yaitu koefisien gaya angkat,
koefisien gaya hambat, dan koefisien momen
turunan terhadap sudut serang. Dan kemudian
dianalisa dengan memvariasikan sudut serang
dan kecepatan dalam Mach number. Dari hasil
perhitungan dan simulasi terlihat bahwa
kebutuhan gaya dorong pada take off (climb)
bisa dipenuhi oleh roket yang digunakan
LAPAN jika HSFTB terbang dengan kecepatan
0.05 Mach dengan sudut serang 2˚.Sedangkan
untuk kecepatan 0.01 Mach saat take off, secara
perhitungan kebutuhan gaya dorong telah
terpenuhi tetapi tidak bisa terbang karena gaya
dorong tidak mampu melewati kecepatan stall
dari HSFTB. Pada saat cruise, turbo jet mampu
menerbangkan
wahana
dengan
variasi
kecepatan dan sudut serang lebih banyak dari
ketika take off(climb.).Gaya dorong yang
dibutuhkan wahana agar bisa melewati
kecepatan stall cukup kecil yaitu 5.95 N. Hal ini
dikarenakan ketika HSFTB terbang cruise,
bukan hanya gaya dorong yang berperan untuk
menjaga wahana tetap terbang, tetapi juga gaya
angkat dari sayap juga membantu.
Kata kunci : karakteristik aerodinamika,
MISDAT, high speed flying test bed,kecepatan
stall,take off,climb, cruise
1. HSFTB LAPAN
Pada gambar 2.1 meunjukkan gambar HSFTB
LAPAN. Desain dari wahana menyerupai
bentuk pesawat karen sayap yang dominan.
Berbeda dengan roket yang bergantung terhadap
gaya dorong saja, HSFTB mempunyai sayap
memiliki pengaruh untuk membangkitkan gaya
angkat.
Gambar 1.1 Bagian-bagian HSFTB
Lubrication
: approximately
synthetic Oil in the fuel
Maintenance interval : 25 hours
Tabel 1.1. Massa Komponen
Massa Komponen
Engine +
7.000
grams
Accessories
Servos +
1.500
grams
Batteries +
dudukan
Landing
1.500
grams
Gear
Fuselage + 5.000
grams
All
Mechanics
Part
Wing + All 2.000
grams
Mechanics
Part
Horizontal
600
grams
Tail
Vertical
300
grams
Tail
Fuel
2.000
grams
Parachute
2.000
grams
Payload
1.500
grams
Total
23.400
2. Tata Acuan Koordinat (TAK)
Gambar 2.1 Bagan TAK dan komponennya pada wahana
terbang
grams
HSFTB menggunakan roket pendorong pada
saat take off dan climb sedangkan untuk cruise
HSFTB menggunakan turbo jet. Masing-masing
spesifikasinya adalah sebagai berikut :
a. Roket
Thrust @ max. rpm 230 N
Thrust @ min. rpm 13 N
Fuel consumption @ max.rpm 640 gr/min.
b. Turbo jet [19]
Thrust
RPM
Weight
Diameter
RPM Range
RPM
Exhaust gas temp
Fuel consumption
power
Fuel
: 52 lbs @ 112.000
: 5 LB
: 5.12 inches
: 32.000 –
5%
112.000
: 580°C-690°C
: 24 oz per/min at full
: Jet A1, 1-K kerosene
Pada gambar 3.1 terlihat sebuah wahana terbang
dengan penjelasan berupa garis-garis.Garis-garis
ini mewakili tata acuan
koordinat
yang
terdapat pada wahana terbang. TAK Horisontal
diwakili oleh garis putus-putus bewarna
biru.TAK ini merupakan representasi TAK bumi
pada wahana. TAK horison lokal berpusat pada
pusat massa wahana. Sumbu x dan y TAK ini
selalu sejajar dengan bidang permukaan bumi.
Pada TAK Horisontal lokal, terdapat gaya berat
dari wahana terbang yang berpusat di cm (center
of mass) mengarah ke pusat bumi.
TAK benda pada gambar adalah pada garis
hijau. Koordinat ini sesuai dengan sumbu
longitudinal dari wahana terbang. Sumbu x dari
koordinat ini sejajar dengan garis longitudinal
wahana dan searah dengan arah nosecone
wahana. Sumbu z koordinat ini tegak lurus
dengan garis longitudinal dari wahana. Pada
koordinat ini, bekerja gaya dorong yang berasal
dari sistem propulsi.Gaya dorong ini mempunyai
vektor yang searah dengan sumbu x dari
koordinat.
TAK angin pada gambar adalah garis tebal
bewarna merah yang ditandai dengan huruf V.
Koordinat ini sesuai dengan arah angin yang
menabrak wahana terbang. Bila pada wind
tunnel, model wahana terbang adalah diam dan
angin yang bergerak. Tapi pada kenyataannya,
wahana terbang yang menabrak udara yang
diam. Jadi pada TAK ini, koordinat sesuai
dengan arah terbang wahana.Sumbu x pada
koordinat ini adalah arah terbang wahana yang
mempunyai nilai vektor positif dan sumbu z
pada koordinat ini tegak lurus dengan arah
terbang wahana. Pada TAK ini, bekerja gayagaya aerodinamika dimana gaya lift adalah gaya
yang arahnya tegak lurus dengan arah terbang
wahana, dan gaya hambat adalah gaya yang
sejajar dengan koordinat tetapi berlawanan arah
dengan arah terbang.
3. Gaya dan Momen
Secara umum, gaya-gaya pada pesawat udara
adalah gaya berat (W), gaya aerodinamik (Lift
dan Drag), dan juga gaya dorong dari propulsi
(Thrust). Masing-masing gaya akan dijelaskan
sebagai berikut
Gaya berat adalah gaya yang dimiliki semua
benda yang memiliki massa dikarenakan adanya
gravitasi bumi. Dalam hal ini adalah gravitasi
bumi ke pesawat. Gaya ini disimbolkan dengan
W. Gaya berat mempunyai persamaan sebagai
berikut :
(3-1)
W=m.g
Dimana :
m
= massa benda (kg)
g
= percepatan gravitasi (m/s2)
Gaya Dorong adalah gaya yang dihasilkan oleh
engine yang dalam hal ini adalah roket dan turbo
jet untuk membawa pesawat melakukan misi.
Gaya dorong ini mempunyai vektor arah yang
berlawanan arah dengan gaya hambat.
Gaya angkat melawan gaya dari weight yang
dihasilkan oleh adanya aliran fluida yang
mengelilingi airfoil yang mengakibatkan adanya
perbedaan tekanan di bagian atas dan bagian
bawah.
(3-2)
ρ
V
3
= Density udara (kg/m )
= Kecepatan Pesawat (m/s)
= Reference Area (m2)
= Coefficient of Lift
Gaya Hambat berasal dari udara yang menahan
laju benda yang bergerak. Udara ini sejatinya
memberikan gaya gesek ke permukaan benda,
karena benda yang bergerak dengan dorongan
thrust. Gaya hambat disimbolkan dengan D.
Gaya hambat mempunyai persamaan berikut :
(3-3)
Dimana :
ρ
V
= Density udara (kg/m3)
= Kecepatan Pesawat (m/s)
= Reference Area (m2)
= Coefficient of Drag
Gaya lift dan drag pada wahana terbang bertemu
pada titik yang sama yang disebut center of
pressure (cp). Bila cp berimpit dengan center of
mass (cm) yang merupakan titik pusat
keseimbangan dari pesawat maka momen
aerodinamika yang dihasilkan adalah nol. Bila
tidak berimpit, maka akan menghasilkan momen
aerodinamika.
4. Hasil dan Analisa
Ketika sesaat lepas take off (climb), untuk bisa
terbang minimal gaya angkat wahana lebih besar
dari berat wahana.
(4.1)
Dari persamaan di atas kemudian nilai gaya
angkat dijabarkan dengan persamaan (3.2) maka
akan didapatkan nilai V minimum yang gaya
dorong tidak boleh menghasilkan kecepatan
yang lebih rendah dari itu dan juga sudut serang
yang lebih besar dari nilai CLmax. Untuk bisa
terbang dan bergerak ke arah horizontal maka,
gaya dorong juga harus bisa melawan gaya
hambat yang dijabarkan dengan persamaan
sebagai berikut :
(4.2)
Tabel 4.1 Kebutuhan Thrust saat Take off
stall tertinggi adalah 5 m/s. Dengan mengambil
nilai terbesar berarti untuk nilai V stall
dibawahnya akan terpenuhi. Nilai V stall
tersebut kemudian dimasukkan ke dalam
persamaan gaya hambat
, maka
didapatkan nilai gaya dorong sebesar 110.87 N.
Ketika cruise , untuk bisa terbang gaya angkat
wahana harus dapat mengangkat gaya berat
wahana dengan persamaan sebagai berikut :
(4.3)
Pada table 4.1 tampak bahwa kebutuhan thrust
untuk HSFTB bervariasi sesuai dengan
perubahan kecepatan yang direpresentasikan
dengan bilangan Mach (baris pertama) dan sudut
serang (kolom pertama). Variasi besar
kebutuhan thrust ini tergantung dengan gaya
hambat yang terjadi pada wahana. Dari
, dengan nilai berat
persamaan
(W) yang tidak berubah terhadap variasi maka
perubahan nilai kebutuhan thrust bergantung
terhadap perubahan gaya hambat. Gaya hambat
Dari persamaan di atas kemudian nilai gaya
angkat dijabarkan dengan persamaan (2.7) maka
akan didapatkan nilai V minimum yang gaya
dorong tidak boleh menghasilkan kecepatan
yang lebih rendah dari itu dan juga sudut serang
yang lebih besar dari nilai CLmax. Untuk bisa
terbang dan menjelajah, gaya dorong juga harus
bisa melawan gaya hambat yang dijabarkan
dengan persamaan sebagai berikut :
(4.4)
Gambar 2.14 Vektor-vektor gaya ketika cruise
Tabel 4.2 Kebutuhan Thrust saat Cruise
sendiri dengan perumusan
bervariasi sesuai dengan berubahnya kecepatan
wahana dan koefisien hambatnya, dimana
asumsi untuk properties udara adalah sama.
Roket LAPAN mempunyai besar gaya dorong
adalah 230 N. Dengan nilai gaya dorong ini,
(nilai yang bercetak tebal dan miring). Untuk
kecepatan yang lebih tinggi, roket pendorong
tidak dapat melawan gaya hambat. Untuk
mengetahui kebutuhan gaya dorong minimal
yang diperlukan HSFTB untuk bisa terbang
maka dapat diketahui melalui kebutuhan gaya
dorong untuk bisa melewati kecepatan stallnya.
Menghitung nilai batas bawah kebutuhan gaya
dorong dapat didapatkan menggunakan nilai V
Pada tabel 4.2 tampak bahwa kebutuhan thrust
untuk HSFTB bervariasi sesuai dengan
perubahan kecepatan yang direpresentasikan
dengan bilangan Mach (baris pertama) dan sudut
serang (kolom pertama). Variasi besar
kebutuhan thrust ini tergantung dengan gaya
hambat yang terjadi pada wahana. Dari
, perubahan nilai kebutuhan
persamaan
thrust bergantung terhadap perubahan gaya
hambat. Gaya hambat sendiri dengan perumusan
bervariasi
sesuai
dengan
berubahnya kecepatan wahana dan koefisien
hambatnya, dimana asumsi untuk properties
udara adalah sama.
Ketika cruise, wahana menggunakan turbo jet
yang mempunyai gaya dorong sebesar 230
N.Melalui hasil perhitungan yang tampak di
tabel 4.8, ternyata gaya dorong turbo jet mampu
menerbangkan HSFTB pada kecepatan 0.01
Mach dan 0.05 Mach. Untuk mengetahui
kebutuhan gaya dorong minimal yang
diperlukan HSFTB untuk terbang cruise maka
dapat diketahui melalui kebutuhan gaya dorong
untuk bisa melewati kecepatan stallnya.
Menghitung nilai batas bawah kebutuhan gaya
dorong dapat didapatkan dengan melihat table
4.7. Nilai V stall tertinggi adalah 5.19 m/s.
Dengan mengambil nilai terbesar berarti untuk
nilai V stall dibawahnya akan terpenuhi. Nilai V
stall tersebut kemudian dimasukkan ke dalam
persamaan gaya hambat
, maka
didapatkan nilai gaya dorong sebesar 5.95 N.
Jadi pada cruise terdapat variasi kecepatan dan
sudut serang yang lebih banyak untuk
menerbangkan wahana. Hal ini dapat dilihat
pada nilai yang bercetak tebal dan miring pada
table.
7. Kesimpulan dan Saran
- Kemampuan roket pendorong HSFTB sebesar
230 N yang digunakan untuk take off dan climb
hanya bisa menerbangkan wahana dengan
kecepatan maksimal 0.05 Mach pada sudut
serang 2˚. Untuk kecepatan lebih dari 0.05 Mach
dengan sudut serang yang lebih besar gaya
dorong roket tidak mampu melawan gaya
hambat dari udara.
- Gaya dorong minimal yang dibutuhkan
HSFTB untuk bisa terbang adalah sebesar
110.87 N. Dengan gaya dorong ini, HSFTB
masih mampu melewati kecepatan stall nya.
- Gaya dorong dari turbo jet mampu
menerbangkan HSFTB dengan variasi kecepatan
0.01 hingga 0,05 M. Gaya dorong minimal yang
dibutuhkan agar dapat melewati kecepatan stall
adalah 5.95 N.
- HSFTB telah memenuhi kriteria kestabilan
statis pada interval sudut serang tertentu pada
kecepatan subsonik.Keadaan HSFTB ketika
berada pada wilayah supersonic, mempunyai
criteria kestabilan static yang lebih baik daripada
ketika berada di wilayah subsonik. Hal ini
terlihat dari nilai koefisien momen turunan
terhadap sudut serang yang bernilai negatif lebih
merata ketika berada di wilayah supersonik.
- Dibutuhkan roket pendorong dan turbo jet
dengan kemampuan gaya dorong yang lebih
besar untuk bisa menambah variasi pilihan
kecepatan terbang HSFTB dengan kecepatan di
wilayah subsonik.
Perlu dilakukan kajian terhadap HSFTB ketika
mengalami gangguan di udara. Perlu dilakukan
penelitian lagi terhadap HSFTB untuk gerak
lateral Dilakukan penelitian untuk optimasi
desain HSFTB agar mendapatkan kestabilan
statis yang lebih merata Penelitian lebih lanjut
untuk permodelan HSFTB untuk membuat
sistem control. Perlu dilakukan perbandingan
antara hasil perhitungan dengan simulator dan
hasil eksperimen.
[1]
[2]
[3]
DAFTAR PUSTAKA
Anderson, John David.1999. Aircraft
Performance and Design. The Mc GrawHill Companies Inc. USA.
B.Blake, William. 1998.Missile Datcom
User’s Manual-1997 Fortran 90
Revision.Air
Force
Research
Laboratory.Ohio.USA.
Ojha,
Shiva
Kumar.1934.Flight
Performance of Aircraft. American
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
Institute of Aeronautics and Astronautics
Inc.Washington DC.USA.
Roskam,Jan.2001.Airplane
Flight
Dynamics and Automatic Flight
Control Part 1.Design Analysis and
Reearch Corporation.Lawrence.Kansas.
Saarlas,Maido.2006.Aircraft
Performance.John Wiley and Sons
Inc.New Jersey.USA
Wibowo,
Singgih
Satrio.2002.Perhitungan Karakteristik
Aerodinamika dan Analisis Dinamika
dan Kestabilan Gerak Dua Dimensi
Pada Modus Longitudinal Roket RX
250 LAPAN.Tugas Akhir.Departemen
Teknik Penerbangan Fakultas Teknologi
Industri Institut Teknologi Bandung.
Sukhairi,Teuku
Ariessa.2009.Simulasi
Prestasi Take off dan Landing Pesawat
Sejenis Boeing 747 Menggunakan
Delphi.Tugas
Akhir.Jurusan
Teknik
Penerbangan Sekolah Tinggi Teknologi
Adisutjipto.Yogyakarta
Sutrisno.2008. Proses Produksi RX 550
menuju terwujudnya Roket Pengorbit
Satelit (RPS). Pusat Teknologi Wahana
Dirgantara LAPAN
Sembiring,Turah.2008.Penelitian
Prestasi Terbang Roket Sonda Satu
Tingkat RX-320. Pusat Teknologi
Wahana Dirgantara LAPAN.
Ginting,
Salam.,Sumartinah,Endang.Penelitian
Koefisien Aerodinamik Roket Kendali
RKX-180 mm.Pusat Teknologi Wahana
Dirgantara LAPAN
Marzocca,Pier.Performance and Flight
Mechanic.lecturer.Clarkson University
Stengel,Robert.2010.Aircraft
Flight
Dynamics. Lecturer.Princeton University
Widnall,S.2009.Dynamic
Fall.Lecturer.Massachusetts Institute of
Technology
[14] Newman,Dava.2004.Introduction
to
Aerospace and Design. Massachusetts
Institute of Technology
[15] Suparno,Supriyanto.2011.Komputasi
untuk Sains dan Teknik-Menggunakan
MATLAB-.Departemen
Fisika
MIPA
Universitas Indonesia.
[16] Annual
Report
LAPAN
BAB
1
(Pengembangan Roket Pengorbit Satelit)
[17] Sudiana,Oka. 2011.Laporan Uji Terbang
High Speed Flying Test Bed V2.Bidang
Kendali LAPAN
[18] ___, 2011, Geometry Airfoil NACA-0009,
[online],
(http://www.worldofkrauss.com/foils, 9
Oktober 2011)
[19] ___, 2011, Data Sheet JetCat 200-SX,
[online],
(http://www.jetcatusa.com/p200.html,di
akses tanggal 28 oktober 2011)
[20] Website NASA
[21] http://www.wikipedia.com