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 (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-2

Dimana CD merupakan koefisien gaya hambat, CDp Adalah

koefisien gaya hambat profile, dan CDi merupakan koefisien gaya

hambat imbas.

Gambar II. 1 Gaya-gaya yang bekerja pada pesawat (modelairplane.cadblog.net)

2.1.1 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)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 (www.kasravi.com)

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.

2.1.2 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 (αi)). 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)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-5

Koefisien Induced drag dapat dihitung dengan rumus:

(2)

Dimana Cl 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.

.

2.2.1 Chord Dominated Ground Effect (CDGE)

Pada CDGE, parameter utama yang dipertimbangkan 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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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%), CL dan CM 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.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-7

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)

efektif nya bertambah, walaupun secara geometrik tetap.

Dimana AR dapat didefinisikan:

(6)

Dimana b merupakan panjang bentang sayap (wingspan) dan S

merupakan luas sayap.

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)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 : 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.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-9

Selain itu, WIG juga dapat terbagi menjadi 3 tipe berdasarkan

konfigurasi sayapnya yaitu Ekranoplan Wings, Tandem Wings, dan Inverted

Delta Wings.

2.3.1 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. Pesawat yang menggunakan konfigurasi ini ialah µSky-1.

Gambar II. 8 µSky-1 (www.se-technology.com)

2.3.2 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-10

Gambar II. 9 Caspian Sea Monster (Qihui, Lee : 2006)

2.3.3 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).

Gambar II. 10 Jörg VI dan Jörg II (www.se-technology.com)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-11

2.3.4 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.

Gambar II. 11 Lippisch X-114 (Junde, Jiang : 2006)

2.3.5 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.

2.3.6 Kelemahan Wing In Ground Effect Aircraft

Walaupun begitu, Wing in ground effect aircraft pun memiliki

kelemahan. Diantaranya sebagai berikut:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-12

1. 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.