BAB II TINJAUAN PUSTAKA. menggunakan media udara. Pengertian pesawat terbang juga dapat diartikan

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pesawat Terbang Pesawat terbang adalah sebuah alat yang dibuat dan dalam penggunaannya menggunakan media udara. Pengertian pesawat terbang juga dapat diartikan sebagai benda-benda yang dapat terbang, baik benda tersebut lebih ringan daripada udara ataupun yang lebih berat daripada udara. Tentang bagaimana benda-benda tersebut dapat terbang tentunya ada suatu sifat tersendiri dari benda tersebut, sehingga dapat diterbangkan. Biasanya sifat tersebut dapat timbul sebagai akibat dari adanya udara, atau dapat diartikan pesawat dapat terbang di udara karena adanya udara [1]. Prinsip tentang benda-benda yang dapat bergerak atau gaya-gaya yang timbul akibat pergerakkan antara suatu benda dengan udara dipelajari di dalam Aerodinamika. Aero berasal dari bahasa Yunani artinya udara, pesawat terbang, atau penerbangan bahkan juga Ilmu Keudaraan (Ilmu Penerbangan). Dinamika berasal dari bahasa Yunani artinya kekuatan atau tenaga, ilmu yang menyelidiki benda-benda bergerak serta gaya yang menyebabkan gerakan benda tersebut. Jadi pengertian ilmu penerbangan (aerodinamika) berarti ilmu pengetahuan yang mempelajari tentang akibat-akibat yang ditimbulkan udara atau gas-gas lain yang bergerak Sejarah Pesawat Terbang Awal dari konsep penerbangan pada dasarnya merupakan imitasi dari burung yang memanfaatkan kepakan sayapnya. Leonardo da Vinci ( ) 4

2 telah membuat lusinan lukisan dari mesin-mesin terbang, kebanyakan dari lukisan tersebut berdasarkan konsep kepakan sayap. Detail dari lukisan tersebut menggambarkan sayap dan puli terhubung dengan pilot yang menggerakkan kepakan sayap tersbut. Keseluruhan dari konsep ini telah divonis merupakan suatu kesalahan karena kemampuan fisiologi yang luar biasa dari burung tidak akan pernah bisa ditandingi oleh manusia [1]. Meskipun sejarah merekam berbagai macam percobaan dengan konsep lebih ringan dari udara, Motngolfier bersaudara dari perancis, secara umum telah berhasil membangun sebuah balon udara yang pertama. Motngolfier merupakan pemilik pabrik peleburan kertas yang memiliki ketertarikan terhadap science. Pada tahun 1782, berawal dari mengamati kebakaran mereka berusaha untuk menangkap gas yang diproduksi oleh api dan memuatnya kedalam sebuah karung. Dimulai dengan memuatnya kedalam karung kecil yang terbuat dari sutera, mereka membakar kertas dan kayu dibagian bawah dari karung yang terbuka. Dan hasilnya karung tersebut naik ke atap rumah mereka. Mereka kemudian mencoba membakar kayu dan jerami dan mereka berpikir bahwa mereka telah menemukan gas dengan sifat-sifat misterius, mereka menyebutnya gas Montgolfier. Kejadian ini menarik perhatian France Science Academy yang diketuai oleh fisikawan muda bernama J.A.C. Charles yang kemudian meneliti gas ini dan menyatakan bahwa gas tersebut merupakan panas udara biasa yang tidak seefektif gas helium dalam memproduksi gaya angkat. Namun pengembangan berikutnya tentang balon udara semakin pesat pada dekade tersebut dengan mengikuti penerbangan balon udara pertama Montgolfier. Dan orang pertama yang terbang bersama balon udara adalah seorang ilmuan fisika Jean Francois 5

3 Pilatre yang menggabungkan gas Helium yang kemudian berakhir dengan tragedi meledaknya balon udara tersebut dan menewaskan dirinya, namun perkembangan balon udara akhirnya bisa menjadi alat transportasi udara yang pertama dan digunakan untuk transportasi perang masa itu. Konsep desain pertama yang menggunakan sayap tetap (fixed wing) untuk mengangkat dan permukaan lain untuk mengontrol serta adanya sistem propulsi adalah Sir George Cayley ( ) yang kemudian jenis penerbangan seperti ini disebut glider (pesawat terbang layang). Kemudian dengan meneruskan konsep dari Sir George Cayley, Otto Lilienthal mengembangkan kembali konsep tersebut dengan berdasarkan prinsip prinsip aliran fluida yang ia pelajari ketika kuliah di Departemen Teknik Mesin di Berlin Technical Academy. Otto menerbitkan sebuah buku dengan judul Bird Flight as the Basic of Aviation pada tahun Buku ini yang kemudian digunakan oleh Wright bersaudara, Orville dan Willbur Wright yang merupakan orang paling popular di dalam sejarah dunia penerbangan. Setelah mereka mempelajari konsep Otto Lilienthalm mereka kemudian membangun glider dengan berbagai macam percobaan dan pengembangan untuk memperoleh airfoil yang sesuai. Hingga akhirnya pada tahun 1902 dibangun pesawat pertama dengan tiga axis control dan menjadi sejarah pertama penerbangan dengan system control yang bermesin [1] Pembagian Katagori Dalam Pesawat Udara Pesawat Udara ini terbagi dalam beberapa katagori yaitu: a. Pesawat Udara Aerodinamis, yaitu pesawat udara yang lebih berat dari udara. Pesawat Udara Aerodinamis terdiri dari 2 kelompok yaitu pesawat 6

4 bermotor dan tidak bermotor. Yang bermotor terdiri dari bersayap tetap (fixed wing) dan sayap putar (rotary wing). Pesawat udara aerodinamis bermotor bersayap tetap terdiri dari pesawat terbang, kapal terbang dan amphibians. Yang bersayap putar terdiri dari helicopter dan gyrocopter. Pesawat udara aerodinamis tidak bermotor terdiri dari pesawat luncur, pesawat layang dan layang-layang. (a) (b) Gambar 2.1 (a) Fixed wing dan (b) Rotary Wing Sumber : Aircraft Design: A system Engginering Appropach Mekanisme Pesawat untuk Terbang Ada beberapa macam gaya yang bekerja pada benda-benda yang terbang di udara. Gaya-gaya aerodinamika ini meliputi gaya angkat (lift), gaya dorong (thrust), gaya berat (weight), dan gaya hambat udara (drag). Gaya-gaya inilah yang mempengaruhi profil terbang semua benda-benda di udara, mulai dari burung-burung yang bisa terbang mulus secara alami sampai pesawat terbang yang paling besar sekalipun. Jadi gaya-gaya yang sama bekerja juga pada pesawat model yang ukurannya mini ini. 7

5 Gambar 2.3 Gaya-gaya yang bekerja pada pesawat Sumber: Gaya hambat udara (drag) merupakan gaya yang disebabkan oleh molekul-molekul dan partikel-partikel di udara. Gaya ini dialami oleh benda yang bergerak di udara. Pada benda yang diam gaya hambat udara nol. Ketika benda mulai bergerak, gaya hambat udara ini mulai muncul yang arahnya berlawanan dengan arah gerak, bersifat menghambat gerakan (itu sebabnya gaya ini disebut gaya hambat udara). Semakin cepat benda bergerak semakin besar gaya hambat udara ini. Agar benda bisa terus bergerak maju saat terbang, diperlukan gaya yang bisa mengatasi hambatan udara tersebut, yaitu gaya dorong (thrust) yang dihasilkan oleh mesin. Supaya kita tidak perlu menghasilkan thrust yang terlalu besar (sehingga tidak ekonomis) kita harus mencari cara untuk mengurangi drag. Salah satu caranya adalah dengan menggunakan desain yang streamline (ramping) [2]. Supaya bisa terbang, kita perlu gaya yang bisa mengatasi gaya berat akibat tarikan gravitasi bumi. Gaya ke atas (lift) ini harus bisa melawan tarikan gravitasi bumi sehingga benda bisa terangkat dan mempertahankan posisinya di angkasa. Di sinilah tantangannya karena harus melawan gravitasi. Maka fisikawan 8

6 seperti Isaac Newton, Bernoulli, dan Coanda. Ketiganya bekerja sama menjawab tantangan ini Hukum Newton III Isaac Newton yang terkenal dengan ketiga persamaan geraknya menyumbangkan hukum III Newton tentang Aksi-Reaksi. Benjamin Crowell dalam bukunya Newtonian Physics mengatakan bahwa ketika objek A memberikan sebuah gaya kepada objek B, maka objek B juga harus memberikan sebuah gaya kepada objek A. Dua gaya tersebut besarnya sama dan dalam arah yang berlawanan. Dan dapat dituliskan secara singkat dengan rumus seperti berikut ini FA on B = - FB on A. Hukum inilah yang kemudian diterapkan pada kajian tentang aerodinamika pada airfoil sayap pesawat terbang. Sayap pesawat merupakan bagian terpenting dalam menghasilkan lift. Aliran udara terjadi diatas dan dibawah sayap pesawat. Partikel-partikel udara menabrak bagian bawah sayap pesawat. Partikel-partikel yang menabrak ini lalu dipantulkan ke bawah (ke arah tanah). Udara yang menghujani tanah ini merupakan gaya aksi. Dan kemudian tanah yang menerima gaya aksi ini pasti langsung memberikan gaya reaksi yang besarnya sama dengan gaya aksi tetapi berlawanan arah. 9

7 Gambar 2.4 Arah aliran fluida pada airfoil Sumber : Efek Coanda dan Hukum Bernoulli Untuk bagian atas sayap, ada proses lain yang juga menghasilkan aksi. Dalam hal ini terjadi penerapan hukum Bernoulli dan efek Coanda. Menurut Coanda, udara yang melewati permukaan lengkung akan mengalir sepanjang permukaan itu (dikenal sebagai Efek Coanda). Ini dibuktikan ketika kita meletakkan lilin menyala di depan sebuah botol. Ketika lilin ditiup dari belakang botol, aneh ternyata lilin didepan botol itu akan mati. Menurut Coanda hal ini disebabkan karena udara yang kita tiup mengalir mengikuti permukaan lengkung botol lalu meniup api lilin hingga mati. Seperti inilah udara yang melewati bagian atas sayap ini mirip udara yang bergerak sepanjang botol. Udara ini akan mengalir sepanjang permukaan atas sayap hingga mencapai ujung bawah sayap. Di ujung bawah sayap itu partikel-partikel udara bergerombol dan bertambah terus sampai akhirnya kelebihan berat dan berjatuhan dimana peristiwa ini disebut downwash. Siraman udara atau downwash ini juga merupakan komponen gaya aksi. Tanah yang menerima gaya aksi ini pasti langsung memberikan gaya reaksi yang 10

8 besarnya sama dengan gaya aksi tetapi berlawanan arah. Karena gaya aksinya menuju tanah (ke arah bawah), berarti gaya reaksinya ke arah atas. Gaya reaksi ini memberikan gaya angkat (lift) yang bisa mengangkat pesawat dan mengalahkan gaya berat akibat tarikan gravitasi bumi. Sumber gaya angkat (lift) yang lain adalah perbedaan tekanan udara dipermukaan atas dan dipermukaan bawah sayap, dimana terjadi penerapan Hukum Bernoulli disini. Untuk aliran inkompresibel, dimana ρ = konstan persamaan yang terjadi adalah : Persamaan diatas disebut dengan persamaan Bernoulli, yang mana P1 relatif terhadap V1 dan P2 relatif terhadap V2 pada sepanjang permukaan airfoil. Sewaktu udara akan mengalir di bagian atas sayap, tekanannya sebesar P1. Ketika udara melewati bagian bawah sayap, tekanan udara di daerah itu sebesar P2. Dari gambar 2.4 terlihat korelasi antara kecepatan fluida dan tekanan yang terjadi di permukaan atas dan permukaan bawah airfoil sayap pesawat. Kecepatan fluida di permukaan atas airfoil lebih tinggi jika dibandingkan engan kecepatan di permukaan bawah fluida, hal ini menyebabkan tekanan di permukaan atas airfoil lebih rendah dibandingkan dengan tekanan di permukaan bawah airfoil sihingga menghasilkan gaya angkat ( Lift ) yang digunanakan untuk mengangkat pesawat. Korelasi ini sesuai dengan Hukum Bernoulli Pergerakan Pesawat di Udara Pada dasarnya pesawat terbang mempunyai 3 sumbu pergerakan (x, y, dan z axis) seperti penjelasan dibawah ini : 11

9 a. Roll, yaitu pergerakan pesawat terhadap sumbu horisontal depan belakang yang mengakibatkan pesawat berguling kiri kanan (badan pesawat diam, sayap kiri kanan yg turun naik). b. Yaw, yaitu pergerakan pesawat terhadap sumbu vertikal yg menyebabkan hidung pesawat berubah arah kiri kanan (pesawat akan berbelok kiri kanan). c. Pitch, yaitu pergerakan pesawat terhadap sumbu horisontal yg tegak lurus terhadap sumbu roll yg menyebabkan hidung pesawat akan turun atau naik. Gambar 2.5 Arah pergerakan pesawat Sumber : Pesawat UAV Pesawat tanpa awak atau Pesawat nirawak ( Unmanned Aerial Vehicle atau disingkat UAV), adalah sebuah mesin terbang yang berfungsi dengan kendali jarak jauh oleh pilot atau mampu mengendalikan dirinya sendiri, menggunakan hukum aerodinamika untuk mengangkat dirinya, bisa digunakan kembali dan mampu membawa muatan baik senjata maupun muatan lainnya 12

10 Gambar 2.6 Pesawat model NVC USU (Dokumentasi) Bila berbicara mengenai masalah aerodinamika, maka dalam pikiran terlintas mengenai ilmu mekanika fluida, dimana disitu terdapat pembahasan mengenai dinamika fluida. Pada dasarnya ilmu aerodinamika adalah cabang dari ilmu mekanika fluida itu sendiri. Dalam ilmu aerodinamika ini ada pembahasan mengenai airfoil atau aerofoil. Untuk itu, pembahasan mengenai airfoil ini sangat perlu, adanya pembahasan yang lebih mendalam akan memudahkan mengetahui karakteristik sebuah airfoil. Sebenarnya aplikasi airfoil ini sangatlah banyak, sebagai contoh pada sayap pesawat, blade sebuah turbin, impeller pada sentrifugal pompa dan propeler turbin angin. Tekanan dan kecepatan adalah besaran dasar dalam konsep ilmu aerodinamika. Kedua parameter tersebut menjadi landasan konsep serta aplikasi aerodinamika. Fenomena gerakan fluida yang melewati sebuah benda kerap kali 13

11 menimbulkan suatu masalah dalam perancangan pada industri yang bergerak dalam bidang aerodinamika. 2.3 Sayap pada Pesawat Terbang Berdasarkan letak sayapnya, pesawat di bagi atas beberapa jenis, diantaranya : 1. Pesawat terbang parasol. Letak sayap berada di atas badan pesawat (fuselage) yang ditopang dengan 2 penyangga. Pesawat jenis ini dapat terbang dengan kecepatan yang sangat rendah sehingga sangat cocok untuk pilot dalam melakukan uji penerbangan. Tetapi pesawat jenis ini membutuhkan penyangga yang menopang sayap pesawat sehingga struktur dari pesawat ini sendri sangat rentan mengalami kerusakan apabila terjadi kecelakaan [3]. Gambar 2.7 Pesawat terbang parasol Sumber: 2. Pesawat terbang bersayap tinggi (high wing aircraft). Pemasangan sayap langsung di atas fuselage. Jenis pesawat ini biasa digunakan untuk pesawat dengan letak propeler depan (tractor). Hal ini disesuaikan agar aliran fliuda yang mengalir di fuselage akibat dorongan propeler tidak mengenai sayap. Hal ini bertujuan untuk mengurangi gaya hambat. Berikut ini adalah gambar pesawat bersayap tinggi [3]. 14

12 Gambar 2.8 Pesawat terbang bersayap tinggi Sumber: s_dhjjsdsuk/vopyzxvhmni/aaaaaaaaii0/ap72i3njmcu/s1600/c- 130E%2BHercules.JPG 3. Pesawat terbang bersayap tengah (mid wing aircraft) Pemasangan sayap berada ditengah-tengah fuselage. Pesawat jenis ini adalah jenis pesawat yang paling sering di jumpai. Pesawat ini dapat terbang dengan kecepatan rendah maupun tinggi. Berikut ini adalah gambar pesawat bersayap tengah [3]. Gambar 2.9 Pesawat terbang bersayap tengah (Dokumentasi) 15

13 4. Pesawat terbang bersayap bawah (low wing aircraft) Pemasangan sayap berada dibawah badan pesawat atau fuselage. Gambar 2.10 Pesawat terbang bersayap bawah Sumber : pg Pada penelitian ini pesawat model yang digunakan adalah jenis pesawat terbang model bersayap tinggi (high wing aircraft) Airfoil Airfoil atau aerofoil adalah suatu bentuk geometri yang apabila ditempatkan di suatu aliran fluida akan memproduksi gaya angkat (lift) lebih besar dari gaya hambat (drag). Pada airfoil terdapat bagian-bagian seperti berikut : a) Leading Edge adalah bagian yang paling depan dari sebuah airfoil. b) Trailing Edge adalah bagian yang paling belakang dari sebuah airfoil. c) Chamber line adalah garis yang membagi sama besar antara permukaan atas dan permukaan bawah dari airfoil mean chamber line. 16

14 d) Chord line adalah garis lurus yang menghubungkan leading edge dengan trailing edge. e) Chord (c) adalah jarak antara leading edge dengan trailling edge. f) Maksimum chamber adalah jarak maksimum antara mean chamber line dan chord line. Posisi maksimum chamber diukur dari leading edge dalam bentuk persentase chord. g) Maksimum thickness adalah jarak maksimum antara permukaan atas dan permukaan bawah airfoil yang juga diukur tegak lurus terhadap chord line. Gambar 2.11 Bagian-bagian airfoil Sumber : Ada beberapa tipe airfoil : a. Under Chamber Untuk pesawat yang lebih lambat (slow flyer), atau yang memiliki Reynolds Number rendah, lift tinggi pada kecepatan rendah dan hambatan juga tinggi. Gambar 2.12 Airfoil under chamber 17

15 b. Flat-Bottom Biasanya untuk trainer awal, memiliki lift coefficient (daya angkat) yang tinggi, pesawat lambat dan kemampuan manuver terbatas. Gambar 2.13 Airfoil flat bottom c. Semi-Simetris Untuk trainer lanjutan, pesawat lebih cepat, dan pesawat mulai dapat melakukan basic manuver. Gambar 2.14 Airfoil semi simetris 2.4 Koefisien Hambat dan Koefisien Angkat Koefisien hambat adalah suatu fungsi dari parameter tak berdimensi yang digunakan untuk mengukur hambatan atau tahanan suatu objek dalam lingkungan fluida seperti udara dan air [3]. Pada penggunaannya semakin kecil koefisien hambat objek, maka semakin kecil pula gaya hambat pada suatu objek dan efisiensi lebih aerodinamis Koefisien hambat dapat diketahui dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: Dimana: = Koefisen hambat /Drag 18

16 = Gaya hambat (N) = Massa jenis fluida (kg/m³) = Luas permukaan benda (m²) = Kecepatan fluida (m/s) Koefisien Angkat adalah sebuah fungsi dari parameter tak berdimensi yang menunjukkan besarnya gaya angkat yang bekerja pada suatu benda yang dialiri oleh fluida [3]. Koefisien angkat sangat dipengaruhi oleh bentuk benda. Koefisien angkat dapat diketahui dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: Dimana: = Koefisen angkat /Lift = Gaya angkat (N) = Massa jenis fluida (kg/m³) = Luas permukaan benda (m²) = Kecepatan fluida (m/s) Koefisien gaya angkat maksimum adalah harga tertinggi yang dihasilkan oleh sayap pada posisi sudut serang maksimum. Jika sudut serang maksimum dilewati, maka akan terjadi kehilangan koefisien gaya angkat yang disebut stall. 2.5 Sudut Stall (Sudut Serang Kritis) pada airfoil Pada umumnya peningkatan sudut serang sekecil apapun mengakibatkan peningkatan pada kemampuan angakat airfoil, tetapi pada saat mencapai sudut 19

17 tertentu airfoil akan kehilanggan kemampuan angkatnya, sudut ini disebut dengan sudut Stall atau sudut serang kritis pada airfoil [5]. Gambar 2.15 Sumber: Mechanics of Flights 11 th edition by A.C Kermode Sudut serang kritis adalah besrnya sudut serang dimana gaya angkat yang dihasilkan mencapai maximum, diatas sudut tersebut gaya angkat akan turun sedangkan hambatan udara (drag) akam membesar dengan cepat. Hal ini bisa terjadi karena aliran turbulent bertambah besar. Bandingkan aliran udara disekitar sayap pada sudut serang kecil, yaitu yang bisa terjadi pada waktu terbang lurus dan mendatar dan pada sudut serang yang besar. Bila sudut serang diperbesar, maka gaya angkat yang dihasilkan oleh airfoil akan makin membesar sampai pada suatu sudut serang tertentu. Batas ini disebut sudut serang kritis (critical anlge of attack). Sudut serang kritis sering disebut stalling angle. Bila sudut serang pesawat dibuat > dari critical angle of attack, maka gaya angkat semakin besar sedangkan hambatan udara (drag) juga akan membesar dengan cepat. Hal ini bisa terjadi karena aliran udara di permukaan atas sayap mengalami turbulansi yang menyebabkan pesawat stall (pesawat kehilangan gaya angkat) [5]. 20