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

II-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. 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-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


Gambar II. 7 Grafik CL VS AoA


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- to-

chord 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.

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

Documents

Transcript of BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Gaya-Gaya pada pesawat...