PERANCANGAN KAPAL SELAM TANPA AWAK (UNMANNED UNDERWATER VEHICLE/UUV) SEBAGAI SARANA OBSERVASI BAWAH LAUT

Transkripsi

1 PERANCANGAN KAPAL SELAM TANPA AWAK (UNMANNED UNDERWATER VEHICLE/UUV) SEBAGAI SARANA OBSERVASI BAWAH LAUT Ach Ali Sahir 1, Ali Munazid 2, Bagiyo Suwasono 3 Universitas Hang Tuah Surabaya Achali.sahir@hangtuah.ac.id ali.munazid@hangtuah.ac.id bagiyo.suwasono@hangtuah.ac.id Abstrak : Laut merupakan salah satu aset bagi suatu negara yang sangat penting,dari segi ekonomi,ilmu pengetahuan dan teknologi yang terutama bagi observasi bawah laut,kapal selam adalah salah satu sarana laut yang bergerak di bawah permukaan air laut/kedalaman laut. Fungsi yang terdapat di dalam kapal selam tanpa awak ini adalah di bidang segi pengetahuan dan teknologi,kapal selam pun bergerak ke arah yang lebih maju. Pada skripsi ini akan membahas Perancangan kapal selam tanpa awak (Unmanned Under Water Vehicle/UUV) sebagai sarana observasi bawah laut. Sesuai dengan teori Archimedes mengenai prinsip pengapungan, yang telah lama menjadi dasar teori dan pemikiran dunia perkapalan termasuk kapal selam.focus dalam penelitian ini terdapat pada perancangan bentuk kapal selam. hasil dari perancangan kapal selam ini akan di lakukan pemodelan dan simulasi dengan menggunakan software Ansys 14.5 dan Maxsurf Resistance untuk mengetahui kecocokan bentuk badan kapal selam yang di rancang dengan mengacu pada aliran fluida pada kapal,coefisien lift,coefisien drag dan tahanan pada badan kapal yang berdasarakan hukum bernouly dan newton II. Kata Kunci: Kapal Selam, UUV, Bernouly, Ansys, Maxsurf Resistance, Newton II, Achimedes Abstract: The sea is one of the assets for a very important country, in terms of economics, science and technology especially for underwater observation, the submarine is one of the marine facilities that move under the sea / ocean depth. The functions contained in these unmanned submarines are in the field of knowledge and technology, the submarine is moving in a more advanced direction. In this thesis will discuss "Unmanned Under Water Vehicle (UUV) design as a means of underwater observation". In accordance with Archimedes's theory of floatation, which has long been the basis of the theory and thinking of the shipping world including submarines. Focus in this research is on the design of submarine forms. The results of this submarine design will be modeled and simulated using the software Ansys 14.5 and Maxsurf Resistance to determine the suitability of the submarine body shape that is designed with reference to the flow of fluid on the ship, lift coefficient, drag coefficient and prisoner on ship based on The law of bernouly and newton II. Keywords: Submarine, UUV, Bernouly, Ansys, Maxsurf Resistance, Newton II, Archimedes 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Unmanned Underwater Vehicle (UUV) adalah kendaraan yang beroperasi di bawah permukaan air (kapal selam) tanpa awak. Tanpa awak didefinisikan operator yang mengendalikan kendaraan di bawah permukaan air (kapal selam) tidak berada di dalam kapal, namun kendali kapal di luar kapal (kendali jarak jauh).sejauh ini, pengembangan dan penggunaan kendaraan yang dikendalikan dari jarak jauh telah didominasi untuk kegiatan militer dan penelitian. C1-72 Ach Ali Sahir, Ali Munazid, Bagiyo Suwasono: Perancangan Kapal selam

2 Para ahli oseanografi mempelajari berbagai topik, termasuk organisme laut dan dinamika ekosistem; arus samudera, ombak, dan dinamika fluida geofisika; tektonik lempeng dan geologi dasar laut; dan aliran berbagai zat kimia dan sifat fisik didalam samudera dan pada batas-batasnya.. Saat ini observasi oseanografi dilakukan dengan cara insitu (survey langsung di laut). Kegiatan observasi di bawah permukaan laut merupakan observasi oseanografi yang sarat dengan resiko dan kecelakaan, dimana observasi tersebut dilakukan dengan menyelam ke dasar laut dibantu dengan beberapa alat survey dasar laut.dengan kemajuan teknologi dan sistem unmanned yang saat ini berkembang, observasi oseanografi dasar laut dapat diwakili dengan sebuah wahana benam tanpa awak, dengan wahana benam tersebut para ahli oseanografi dasar laut akan terbantu dalam observasi oseanografi dasar laut. Sistem penyelaman kapal selam saat ini yang berkembang ada beberapa sistem antara lain: 1) Sistem ballast yaitu dengan memasukkan dan mengeluarkan air, menyelam dengan memasukkan air kedalam tanki ballast dan mengapung dengan mengeluarkan air dalam tangki ballast. Sistem ini sering digunakan kapal selam yang besar, dari baja dan memiliki ruang ballast yang mampu untuk mengapung dan menyelam. 2) Sistem propeller adalah dengan pendorong propeller, yaitu memutar propeller sebagai gaya dorong. Propeller diarahkan ke bawah untuk mengapung dan diarahkan ke atas untuk menyelam. Sistem ini digunakan jika ukuran dan bentuknya tidak memungkinkan menggunakan ballast. Gambar - 1. Sistem Ballast Kapal Selam Gambar - 2. Sistem Propeller Kapal Selam Aerofoil adalah bentuk aerodinamik yang bertujuan untuk menghasilkan gaya angkat (lift force) yang besar dengan gaya hambat (drag force) yang sekecil mungkin. Ketika suatu aerofoil dilewati oleh aliran fluida maka karena adanya pengaruh interaksi antara aliran fluida dengan permukaan akan timbul variasi kecepatan dan tekanan disepanjang permukaan atas dan bawah serta bagian depan dan belakang. Perbedaan tekanan antara permukaan atas dan bawah menimbulkan gaya resultan yang arahnya Ach Ali Sahir, Ali Munazid, Bagiyo Suwasono: Perancangan Kapal selam C1-73

3 tegak lurus dengan arah datangnya aliran fluida, gaya ini disebut sebagai gaya angkat (lift force). Perbedaan tekanan antara bagian depan dan belakang akan menimbulkan gaya resultan yang arahnya searah dengan arah datangnya aliran fluida, gaya ini disebut sebagai gaya hambat (drag force). (Teddy N., 2008) 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan yang diharapkan dalam perancangan kapal selam tanpa awak ini bisa mendapatkan ukuran utama kapal, lines plan, general arrangement, dan bentuk badan kapal yang memiliki kemampuan menyelam di bawah permukaan lautdengan menggunakan system penyelaman dengan sayap (aerofoil) sebagai sarana observasi di bawah permukaan air laut, berfungsi sebagai alat pemetaan bawah laut, deteksi, wisata alam bawah laut, unutk menentukan ambang laut dan palung laut untuk menunjang kemajuan teknologi dan ilmu pengetahuan. II. METODE PENELITIAN 2.1 Diagram Alir Metode penelitian dalam perancangan Kapal Selam Tanpa Awak Unmanned Underwater Vehicle (UUV) Sebagai Sarana Observasi Bawah Laut sebagaimana diagram alir pada gambar-7 berikut : Mulai Perencanaan Awal (Mendata part dan komponen yang ada pada kapal selam pembnading) Data Part & Komponen (Dimensi, berat, spektek) Perencanaan Kapal (Ukuran utama kapal, Menghitung displasemen, space kapal, menentukan bentuk badan kapal, Power kapal,power listrik, System penggerak.) Hasil Perencanaan Kapal (Lines Plan, Gambar Hydrostatic, Bonjean, General Arrangement, Power kapal,power listrik.) Modeling & Flow Field Analysis (software ansys 14.5 dan maxsurf resistance) A B C1-74 Ach Ali Sahir, Ali Munazid, Bagiyo Suwasono: Perancangan Kapal selam

4 A B Modeling & Flow Field Analysis (software ansys 14.5 dan maxsurf resistance) Design? Tidak sesuai sesuai Analisa Hasil & Pembahasan (Data dari Ansys 14.5 & Maxsurf Resistance) Kesimpulan Selesai Gambar 3. Diagram alir proses penelitian III. HASIL DAN PEMBAHASAN Daftar part komponen : 1. Aki kering motor 2. Esc 3. Motor DC 4. Servo 5. Resiver Berdasarkan bentuk, ukuran part dan komponen yang ada pada kapal selam di dapat ukuran utama kapal sebagai berikut : - Panjang : 80 cm - Lebar : 10 cm - Tinggi : 9 cm - Wsa : M^2 - Volume Displ : M^3 Ach Ali Sahir, Ali Munazid, Bagiyo Suwasono: Perancangan Kapal selam C1-75

5 Perhitungan Berat Kapal : - W = WSA x Tebal Body + Berat Komponen = x = Kg Gambar-4. Desain Model Kapal Selam 3.1 Model Hydroplane (Foil) Dengan mengembangkan foil model seri NACA 2414, dirancang bentuk airfoil sebagai berikut: Gambar 5. Desain Model Hydroplan C1-76 Ach Ali Sahir, Ali Munazid, Bagiyo Suwasono: Perancangan Kapal selam

6 3.2 Gaya-gaya pada Model Gaya-gaya yang terjadi pada kapal selam yang arahnya (searah sumbu y), baik yang ditimbulkan oleh interaksi dengan air maupun berat model kapal selam itu sendiri adalah sebagai berikut : 1. Daya apug model kapal selam (D). 2. Gaya berat model kapal selam (W) 3. Diving force hydroplane bagian belakang (P2) 4. Diving force hydroplane bagian depan (P1) Gambar 6. Gaya-gaya vertikal pada Model Kapal Selam Daya Apung Model Menurut hukum Archimedes: Sebuah benda yang tercelup seluruhnya atau sebagian dari suatu fluida maka akan mendapatkan gaya ke atas (day apung) yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Ketika model kapal selam tercelup seluruhnya, maka daya apung model kapal selam ditentukan:. D = ρ. g. V... (8) Dimana : D : Daya berat (gaya ke model) model kapal selam (Kg) : Massa jenis ( 1 kg/m3) g : Percepatan gravitasi (9.8 m/s2) V : Volume model kapal selam (0,674 m3) maka besarnya daya apung model kapal selam adalah : W = 1 9, = Kg Gaya Berat Model Gaya berat model adalah berat badan model kapal beserta komponen yang ada misalnya sistem penggerak, sistem navigasi dll. Menurut hukum archimedes, maka gaya berat yang diakibatkan oleh komponen berat yang ada di model adalah sebesar gaya apung. D = W... (9) Dimana : D : Daya apung (gaya ke atas) model kapal selam (Kg) W : Berat model kapal ( kg) Maka besarnya Gaya berat model kapal selam adalah : W = D = Kg Ach Ali Sahir, Ali Munazid, Bagiyo Suwasono: Perancangan Kapal selam C1-77

7 3.3 Pemodelan dan Analisa kedalam model aliran Computation Fluid Dynamics Metode Computation Fluid Dynamics telah lama digunakan sebagai dasar alternative dalam dunia sains, khususnya dalam bidang teknologi perkapalan. Metode ini digunakan sebagai metode pendekatan untuk mengetahui karakteristik suatu hubungan suatu benda yang ber-interaksi dengan fluida (air, udara, dll) yaitu memecahkan partial differential equation dan persamaan integrasi lainya yang dihasilkan dari hasil diskritas benda konkinum, metode ini digunakan untuk mempermudah dalam memprediksi suatu system yang kompleks dalam analisa mekanika fluida dan perpindahan panas (heat transfer) atau tegangan-tegangan yang dialami suatu hubungan benda. Ada tahap-tahap yang perlu dilakukan saat melakukan pemodelan dan simulasi menggunakan Program Ansys 14.5, antara lain : a. Pemodelan Pemodelan seperti desain kapal outrigger 3D Autocad 2012, dilakukan export ke dalam bentuk file.sat, kemudian import file ke dalam Ansys 14.5, beberapa hal yang diperhatikan selain model 3D, adalah pemodelan box/ kolam uji sebagai model komputasi dari sebuah system yang akan dilakukan mengujian. Tahapan-tahapan tersebut seperti gambar dibahak ini. seperti langkah pada gambar berikut : Gambar- 7. Geometri pemodelan b. Pengaturan meshing Meshing adalah pembagian sebuah benda menjadi beberapa bagian-bagian kecil. Dalam metode elemen hingga ini atau biasa disebut diskritas, adalah hal ini dalam kegiatan penelitian atau simulasi yang berbasi elemen hingga. Jika meshing gagal, maka proses simulasi bida dikatakan tidak berjalan dengan baik. Meshing yang digunakan dalam penelitian ini yaitu menggunaka model cutcell, model tetrahedron adalah model banyak digunakan dalam finite element method model ini menggunakan pendekatan volume dalam pembagian diskritnya. Hasilnya seperti gambar 4. dibawah ini. C1-78 Ach Ali Sahir, Ali Munazid, Bagiyo Suwasono: Perancangan Kapal selam

8 Gambar- 8. Meshing c. Setup dan pengaturan kondisi uji Untuk metode running simulasi, menggunakan model aliran laminar/sederhana, dengan input data antara lain : - Kecepatan aliran uji : 20 m/s - Kondisi batas (boundary layer) beberapa data yang akan dilihat adalah : - Koefisien gaya tahanan (coefficient drag) - Koefisien gaya angkat (coefficient lift) - Gaya Residual Gambar -9. Proses simulasi Ach Ali Sahir, Ali Munazid, Bagiyo Suwasono: Perancangan Kapal selam C1-79

9 Model aliran yang terjadi tampak seperti gambar 6. Dibawah ini : Gambar 10. Model aliran model kapal. - Coefficient lift pada sudut 0 derajat kecepatan 1 m/s : Coefisien Lift VS Iteration Gambar 11. Coefficient lift Coefisien Lift VS Iteration - Coefficient Drag pada sudut 0 derajat kecepatan 0.5 m/s : Coefisien Drag VS Iteration Gambar -12. Coefficient drag Coefisien Drag VS Iteration C1-80 Ach Ali Sahir, Ali Munazid, Bagiyo Suwasono: Perancangan Kapal selam

10 Diving Force ( Kg ) Lift (gaya Angkat ) Seminar Nasional Kelautan XII 3.4 Diving Force Diving force adalah gaya gerak ke bawah yang dihasilkan oleh interaksi gerak fluida terhadap kapal selam. Seperti pada gambar-21 diatas diving force yang bekerja pada model kapal selam dapat dirumuskan : W= WSA x CL x V..() WSA = Badan Kapal yang tercelup air CL = Coefisien Lift ( Koefisien Gaya angkat ) V = Kecepatan Fluida W = x ( ) x 1 m/s = 4, Lift vs kecepatan Kecepatan sudut 0 derajat sudut 10 derajat sudut 20 derajat sudut 30 derajat Gambar -13.Kecepatan Lift tiap Sudut Diving force Kecepatan ( Knot ) sudut 0 derajat sudut 10 derajat sudut 20 derajat sudut 30 derajat Gambar -14, Diving Force Kapal Selam Ach Ali Sahir, Ali Munazid, Bagiyo Suwasono: Perancangan Kapal selam C1-81

11 Derajat Seminar Nasional Kelautan XII 3.5 Pembahasan Model kapal selam tenggelam adalah model dimana besarnya gaya ke bawah yaitu berat model ditambah diving force (W + Berat Kapal ) lebih besar dari pada daya apungnya (D) atau dapat dirumuskan W+P > D. Dengan kondisi tersebut dapat dilihat pada gambar-26, bahwa model dapat bergerak kebawah jika bergerak dengan menggerakkan flipnya dari Gaya ( KG ) Gambar -15, Perbandingan Hubungan D dan h dengan P dengan Derajat. IV. KESIMPULAN Dari hasil pembahasan, secara umum bentuk kapal selam dan penerapan AIRFOIL sebagai diving plane model kapal selam dapat diterapkan. Kemampuan untuk mencapai kedalaman penyelaman itu dipengaruhi oleh sudut flip pada Airfoil dan besarnya kecepatan model, semakin besar kecepatan dan sudut flip maka semakin besar kedalaman penyelaman yang dapat ditempuh. C1-82 Ach Ali Sahir, Ali Munazid, Bagiyo Suwasono: Perancangan Kapal selam

12 VII. DAFTAR PUSTAKA Munazid, A. Suwasono, B. Pengembangan Teknologi Remote Control (R/C)Boat Model High Speed di Indonesia. Prosiding Seminar Nasional Teknologi Produksi Kapal Kecil Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya, Kapal Selam. Diakses pada tanggal 9 Juni Munazid, A. Studi Parametric Hullform Design dalam Kaitan dengan Tahanan Kapal. Prosiding Seminar Nasional Kelautan VII Universitas Hang Tuah Surabaya, Tim PKM FT-UHT [2001]. Pengembangan Model Kapal Selam Dinamis Sebagai Sarana Observasi Ilmiah, Fakultas Teknik Universitas Hang Tuah. R.H. Dugdale A., Mekanika Fluida Edisi Ketiga. Diterjemahkan oleh Priambodo B. Penerbit Erlangga, Indonesia sebagai negara maritim terbesar di dunia. Diakses pada tanggal 6 Juni Teddy N., Sudarja, Pengaruh Lokasi Ketebalan Maksimum Airfoil Simetris Terhadap Koefisien Angkat Aerodinamisnya. Jurnal Ilmiah Semesta Teknika, Vol. 11, No ( ). Teddy N., Sudut Serang aerodynamic aerofoil Jurnal Ilmiah Semesta Teknika, Vol. 11, No ( ). Munazid, A. Suwasono, B. Pengembangan bentuk badan kapal selam tanpa awak ( UNMANNED UNDERWATER VEHICLE ) sebagai saran observasi bawah laut Ach Ali Sahir, Ali Munazid, Bagiyo Suwasono: Perancangan Kapal selam C1-83