BAB II TINJAUAN PUSTAKA. 2.1 Gaya-Gaya pada pesawat terbang

Transkripsi

1 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 (straight and level flight). Serta dalam keadaan kecepatan tetap ialah: 1. Weight (Gaya Berat / W), yaitu gaya yang didapat dari penjumlahan berat pesawat dan berat muatan pesawat itu sendiri. Weight merupakan vector yang mengarah vertikal ke bawah melalui center of gravity dari pesawat. 2. Thrust (Gaya Dorong / T), yaitu gaya yang dihasilkan oleh powerplant. Gaya ini berlawanan dengan gaya hambat, dan secara umum gaya ini beraksi paralel dengan sumbu longitudinal. 3. Lift (Gaya Angkat / L), yaitu gaya yang dihasilkan oleh efek dinamis dari udara, dan beraksi tegak lurus terhadap angin relatif melalui center of pressure dari sayap. 4. Drag (Gaya Hambat / D), yaitu gaya ke belakang. disebabkan oleh gangguan aliran udara oleh sayap, fuselage, dan objek-objek lain. Drag kebalikan dari thrust, dan beraksi kebelakang paralel dengan arah angin relatif (relative wind). Drag terdiri dari 2 komponen, yaitu Profile drag dan Induced Drag. Dimana koefisiennya dapat didefinisikan sebagai: (1) II-1

2 II-2 Dimana CD merupakan koefisien gaya hambat, CD p Adalah koefisien gaya hambat profile, dan CD i merupakan koefisien gaya hambat imbas. Gambar II. 1 Gaya-gaya yang bekerja pada pesawat (modelairplane.cadblog.net) Profile 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. Gambar II. 2 Contoh form drag pada berbagai bentuk (rotorhead8900.wordpress.com)

3 II-3 2. Skin Friction Drag yaitu gaya hambat yang diakibatkan oleh 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. Gambar II. 3 Skin Friction Drag ( Pada pesawat terbang, profile drag tergolong cukup kecil, maka tidak begitu berpengaruh pada penerbangan. Namun profile drag tetap merupakan bagian dari gaya hambat (drag). Sehingga dalam aerodinamika, hal ini tetap diperhitungkan Induced Drag Induced drag atau gaya hambat imbas, merupakan gaya hambat yang muncul akibat adanya imbasan terhadap gaya angkat. Pada dasarnya, gaya hambat inilah yang berpengaruh besar terhadap penerbangan, sehingga para desainer pesawat terbang selalu berusaha agar induced drag yang terjadi pada pesawat terbang menjadi seminimal mungkin.

4 II-4 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 tersebut akan mengarah kebawah. Peristiwa ini disebut downwash. Gambar II. 4 Skema dari wing tip vortex (Anderson, John D : 1984) 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 (α i )). Akibat adanya sudut ini, arah gaya angkat (lift) pun bergeser ke belakang, 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)

5 II-5 Koefisien Induced drag dapat dihitung dengan rumus: (2) Dimana C l adalah koefisien lift, e adalah span efficiency dan AR adalah Aspect ratio dari sayap. 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 peningkatan 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. Pada dasarnya, ground effect terbagi menjadi dua pendekatan, yaitu Chord Dominated Ground Effect dan Span Dominated Ground Effect Chord Dominated Ground Effect (CDGE) Pada CDGE, parameter utama yang dipertimbangkan 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

6 II-6 diakibatkan oleh peningkatan tekanan statis saat adanya penurunan ketinggian. Gambar II. 6 Airfoil pada kondisi out of ground (a) dan in ground effect (b) (Junde, Jiang : 2006) Pada Gambar II.6 terlihat perbedaan antara 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 statik tertinggi. Menurut Rozhdestvensky(2000) [1], Sebuah plat dengan span tak terhingga pada adanya ground effect ekstrim (h/c < 10%), C L dan C M dapat dinyatakan dengan rumus: (3) (4) Rumus (3) berlaku berlaku bila titik referensi momen terletak pada leading edge airfoil. Letak center of pressure (cp) dapat dinyatakan dengan: (5) Berbeda pada kondisi out of ground, center of pressure airfoil simetris terletak pada ¼ chord..

7 II 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) efektif nya bertambah, walaupun secara geometrik tetap. Dimana AR dapat didefinisikan: Dimana b merupakan panjang bentang sayap (wingspan) dan S merupakan luas sayap. (6) Gambar II. 7 Kekuatan vortex pada pesawat saat terbang dalam kondisi yang berbeda.(junde, Jiang : 2006). Berdasarkan rumus induced drag (2), Rozhdestvensky(2000) [1] menunjukkan bahwa hubungan ketinggian dengan Induced Drag ialah: (7)

8 II-8 Dari rumus (6) dapat ditunjukkan bahwa induced drag berkurang secara linear terhadap penurunan ketinggian. 2.3 Wing In Ground Effect Aircraft Wing in Ground Effect Aircraft (WIG) merupakan pesawat yang memanfaatkan prinsip ground effect untuk terbang. Prinsip WIG 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). Pada saat terbang, penumpang akan merasa seperti melayang (floating). 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 antarpulau. Namun, dalam pengembangannya, beberapa WIG dapat menambah ketinggian terbangnya. Dewasa ini, International Maritime Organization membagi WIG menjadi 3 tipe: WIG Tipe A : WIG Tipe B : WIG Tipe C : merupakan pesawat yang tersertifikasi untuk operasi hanya pada ground effect. merupakan pesawat yang tersertifikasi untuk operasi diluar pengaruh ground effect namun tinggi terbang tidak lebih dari 150 m diatas permukaan. merupakan pesawat yang tersertifikasi untuk operasi diluar pengaruh ground effect dan dapat terbang lebih dari 150 m diatas permukaan. atau lebih. Ketiga tipe ini, dikhususkan untuk WIG dengan penumpang 12 orang

9 II-9 Selain itu, WIG juga dapat terbagi menjadi 3 tipe berdasarkan konfigurasi sayapnya yaitu Ekranoplan Wings, Tandem Wings, dan Inverted Delta Wings 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. Pesawat yang menggunakan konfigurasi ini ialah µsky-1. Gambar II. 8 µsky-1 ( 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.

10 II-10 Gambar II. 9 Caspian Sea Monster (Qihui, Lee : 2006) 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). Gambar II. 10 Jörg VI dan Jörg II (

11 II 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. Gambar II. 11 Lippisch X-114 (Junde, Jiang : 2006) Keunggulan Wing In Ground Effect Aircraft Wing in ground effect aircraft memiliki keunggulan sebagai berikut: 1. Secara teori, wing in ground effect aircraft memiliki efisiensi fuel yang lebih besar, karena lift-induced drag yang dihasilkan cukup kecil dibandingkan pesawat out-of-ground effect. 2. Faktor keselamatan cukup baik, karena pesawat terbang cukup dekat dengan air, sehingga saat terjadi engine failure pada saat terbang, pesawat dapat mendarat dengan cukup aman. 3. Tidak memerlukan bandara untuk take off dan landing Kelemahan Wing In Ground Effect Aircraft Walaupun begitu, Wing in ground effect aircraft pun memiliki kelemahan. Diantaranya sebagai berikut:

12 II Cara menerbangkan pesawat cukup sulit, terutama apabila melakukan turning dan banking. Banking yang berlebihan akan mengakibatkan ujung sayap terbentur permukaan air. 2. Berbahaya apabila digunakan di laut / perairan pada saat terjadi gelombang yang cukup tinggi (untuk tipe A). 3. Sulit digunakan pada wilayah perairan yang ramai oleh kapal berkecepatan lambat. Hal ini dikhususkan pada pesawat yang beroperasi pada In Ground Effect. 2.4 CATIA CATIA (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application), merupakan sebuah program yang menyajikan CAD/CAM/CAE. Program ini dibuat dan dikembangkan oleh perusahaan Perancis yaitu Dassault Systemes. Program ini banyak digunakan dalam industry penerbangan, otomotif, serta industry-industri lainnya. Selain digunakan untuk desain dan styling, Software ini pun dapat melakukan analisis, simulasi produk, dan juga dihubungkan langsung dengan beberapa alat industri manufaktur. 2.5 NUMECA FINE /Open NUMECA FINE /Open merupakan sebuah perangkat lunak (software) CFD (Computational Fluid Dynamics) keluaran perusahaan Numeca International. Software ini digunakan untuk melakukan analisis terhadap benda yang dirancang, Baik gaya-gaya yang bekerja, hingga properti-properti lain yang berpengaruh terhadap benda tersebut. Selain itu, software ini juga dapat menyajikan berbagai simulasi pada produk yang dianalisis.