1029: T.S. Setiahardja HK-73

RANCANG BANGUN DAN UJI HIDRODINAMIKA SISTEM PROPULSITORPEDO SEBAGAI ALAT UTAMA SISTEM SENJATA BAWAH AIR :

METODA PENGUJIAN TAHANAN MODEL TORPEDO

Teddy S. Setiahardja

Pelaksana Teknis BPPH-BPPTJl. Hidrodinamika (Komplek ITS) Sukolilo, Surabaya 60112

Telepon (031) 5948060

e-Mail : teddy.setiahardja@bppt.go.id

Disajikan 29-30 Nop 2012

ABSTRAK

Alat utama sistem senjata bawah air yang umum digunakan oleh sebagian besar kapal-kapal angkatan laut di seluruhdunia tidak terkecuali TNI AL yang memiliki peran strategis dalam kelengkapan armada perang sebuah negara adalah tor-pedo. Torpedo merupakan senjata yang dapat ditembakkan dari kapal selam, kapal permukaan, maupun dari helikopter. Untukmemperkaya jumlah senjata dan amunisinya, selama ini TNI AL selalu melakukan pengadaan dengan cara membeli langsungdari luar negeri yang tentunya akan banyak permasalahan yang timbul, mulai dari keterbatasan anggaran hingga timbulnyaekonomi biaya tinggi. Hal ini ini juga mengurangi semangat kemandirian bangsa serta peningkatan inovasi karya bangsasendiri. Penelitian ini dilaksanakan dengan mengambil torpedo varian tipe MK 44 dan MK46 yang menjadi senjata standarNATO sebagai obyek penelitian dan pengembangan, sehingga rancang bangun dan uji hidrodinamika dilakukan terhadap ga-bungan tipe torpedo ini. Langkah-langkah penelitian yang dilakukan dimulai dengan melakukan pemilihan tipe dan ukurantorpedo, memprediksi aliran turbulent pada badan torpedo, pembuatan model badan torpedo, melakukan uji tahanan (resistancetest) badan torpedo, dan merancang sistem propulsi berupa model propeller. Perkiraan besar tenaga efektif yang akan dipasangpada prototipe torpedo akan diketahui melalui uji tahanan tersebut. Rancangan dan prototipe torpedo sebagai senjata bawah airyang dapat digunakan atau dipasang pada kapal selam yang saat ini juga dirancang oleh para peneliti di Indonesia, diharapkanakan menjadi sasaran akhir dari penelitian ini yang nantinya dapat diproduksi secara massal oleh industri senjata yang ada didalam negeri.

Kata Kunci: Alutsista, torpedo, kapal selam, resistance test

I. PENDAHULUANSebagai negara kepulauan terbesar di dunia yang

memiliki tentara nasional dengan kelengkapan persen-jataan handal yang sangat terbatas, Indonesia seringmenghadapi gangguan dan tantangan yang mengan-cam kedaulatan wilayah Negara Kesatuan RepublikIndonesia (NKRI), berupa klaim batas wilayah dankedaulatan pulau-pulau terluar dalam wilayah NKRIoleh negara tetangga, masalah ambang batas laut de-ngan negara tetangga, serta masuknya kapal-kapalpenangkap ikan negara asing ke wilayah perairan In-donesia.

Untuk mengatasi masalah yang mengancamkedaulatan wilayah NKRI tersebut, maka diper-lukan kelengkapan dan kehandalan alat utama sistemsenjata (alutsista) Tentara Nasional Indonesia (TNI),khususnya untuk Angkatan Laut. TNI AL yang saat

ini sudah dilengkapi dengan dua kapal selam danbeberapa kapal patroli dan kapal perusak, masih perlupenambahan armada kapal perangnya yang memi-liki persenjataan yang lengkap, termasuk rudal dantorpedo.

Dewasa ini sedang tumbuh kesadaran untuk lebihmandiri dalam pengadaan alutsista dan didorong olehkeputusan pemerintah menyelamatkan BUMN Indus-tri Strategis karena memiliki nilai penting bagi NKRI,khususnya dalam meningkatkan kemandirian perta-hanan dan keamanan, serta mendorong perkemban-gan industri manufaktur yang berbasis teknologi daninovasi tinggi. BUMN Industri Strategis diharapkanmampu melakukan investasi dan inovasi dalam rangkamenciptakan dan memproduksi produk baru alutsista,meningkatkan kualitas produk, daya saing dan ki-nerja usaha. Membangun konsolidasi dan sinergi antar

Prosiding InSINas 2012

HK-74 1029: T.S. Setiahardja

BUMN Industri Strategis, terutama dalam bidang pro-duksi, teknologi dan pengembangan SDM.

Seperti diketahui, selama ini Indonesia selalumelakukan pengadaan alutsista dengan cara membelilangsung dari luar negeri. Namun disadari setiap pro-ses pembelian tersebut akan menimbulkan biaya yangtidak sedikit (high cost) ditambah adanya biaya lain-lain(overhead cost) yang pada akhirnya cenderung menim-bulkan juga benih-benih korupsi.

Untuk itu semakin kuat keinginan bangsa untuklebih mandiri dengan melakukan pengembangan alut-sista didasari kemampuan SDM yang telah terdidikdan dengan diberi kesempatan dan fasilitas untukmelakukan penelitian dan pengembangan, sehinggamampu bersaing di kancah iptek persenjataan di duniainternasional.

Salah satu unsur penting dalam mewujudkan dayasaing bangsa adalah penguasaan ilmu pengetahuandan teknologi (iptek), oleh karena itu, pengembanganalat utama sistem senjata dirasakan semakin dibu-tuhkan. Dengan demikian iptek persenjataan dapatberperan lebih baik dalam pembangunan nasional yangberkelanjutan untuk mewujudkan kemandirian bangsa.

Salah satu unsur penting dalam mewujudkan dayasaing bangsa adalah penguasaan ilmu pengetahuandan teknologi (iptek), dengan didukung kemampuanSDM yang telah terdidik serta dengan diberinya ke-sempatan dan fasilitas untuk melakukan penelitian danpengembangan, maka pengembangan alat utama sis-tem senjata dirasakan semakin dibutuhkan. Dengandemikian iptek persenjataan dapat berperan lebih baikdalam pembangunan nasional yang berkelanjutan un-tuk mewujudkan kemandirian bangsa dan diharap-kan bangsa Indonesia mampu bersaing di kancah iptekpersenjataan di dunia internasional.

GAMBAR 1: Torpedo MK44

GAMBAR 2: Torpedo MK46

II. METODOLOGISeiring dengan berlangsungnya program penelitian

dan pengembang-an kapal selam 22 meter yang dilak-sanakan oleh Unit Pelaksana Teknis Balai Pengkajiandan Penelitian Hidrodinamika, BPPT, dimana programini termasuk dalam Bidang Prioritas Iptek di Kemente-rian Riset dan Teknologi, khususnya Riset Pengem-bangan Kapal Perang, maka penelitian ini difokuskandalam Riset Pengembangan Rudal. Dalam hal ini,torpedo sebagai senjata yang umumnya dimiliki ka-pal selam menjadi obyek penelitian untuk mendukungprogam penelitian kapal selam 22 meter tersebut. Seba-gai bahan obyek penelitian telah dipilih dan ditetapkantorpedo varian MK44 dan MK46 (GAMBAR 1dan GAM-BAR 2) sebagai acuan untuk dikembangkan atau diran-cang bangun ke dalam satu tipe baru khusus untuk di-aplikasikan pada kapal selam 22 meter.

Dalam penelitian jenis senjata torpedo ini ada bebe-rapa variabel dan parameter yang perlu diperhatikan,yaitu :

1. Gaya-gaya yang bekerja pada badan torpedo yangberbentuk silinder/tabung yang dilengkapi de-ngan rudder dan fin, baik yang lurus maupun yangterdefleksi.

2. Aliran fluida disekeliling badan torpedo yang tur-bulent yang menimbulkan gangguan, dapat dike-tahui dengan menggunakan program komputeratau CFD.

3. Sistem propulsi dalam bentuk propeller, dapat di-rancang berdasarkan pengujian tahanan (resistancetest).

4. Kecepatan, gaya dorong, dan torsi dapat diketahuimelalui pengujian propulsi (self propulsion test).

Variabel penting dalam menentukan kinerja hidrodi-namika dari torpedo adalah rasio panjang (L) terhadapdiameter (D) yang juga identik dengan bentuk lam-bung kapal selam. Dari banyak penelitianyang men-garah pada desain kapal selam pertama sebenarnya,yang optimum dipilih adalah rasio L/D = 7.7 Hal ini di-dasarkan pada variasi dua jenis tahanan berbeda, yangbersama-sama membuat tahanan total dari sebuah lam-bung yang sepenuhnya terbenam. Jenis pertama dise-but tahanan bentuk atau tahanan tekanan.

Tekanan bekerja tegak lurus terhadap setiap titik dipermukaan. Tekanan bervariasi sepanjang permukaandengan tekanan terbesar pada bagian hidung, titik stag-nasi, dimana aliran terbagi. Tekanan berkurang dimanaaliran berdekatan dan meningkat ketika aliran menye-bar (persamaan Bernoulli). Dalam cairan tanpa viskosi-tas tekanan tepat pada bagian ekor akan meningkat de-ngan nilai yang sama dengan tekanan pada titik stag-nasi pada bagian hidung; kemudian integral dari semua

Prosiding InSINas 2012

1029: T.S. Setiahardja HK-75

tekanan yang bekerja pada luasan elemen (gaya tekan)akan sama dengan nol.∮

ρdA = 0 (15)

Namun, cairan tidak memiliki viskositas dan sifatini akan meningkatkan gaya tangensial atau gesekanpada kulit. Lapisan batas, yang awalnya cukup tipis,menebal ke bagian ekor dan aliran tidak menyebar sele-bar yang akan terjadi pada cairan inviscid, yang menye-babkan terjadinya tahanan bentuk. Bentuk virtual darilambung diubah oleh lapisan batas dan dapat dievalu-asi, secara matematis, dengan hukum kontinuitas.

Kedua jenis tahanan, yang timbul dari gaya nor-mal dan gaya tangensial (tahanan bentuk dan gesekankulit) sama nilainya pada lambung ramping. Ketika ra-sio L/D meningkat, lambung akan menjadi lebih pan-jang dan lebih ramping, dan tahanan bentuk berkurang(GAMBAR 3).

GAMBAR 3: Komponen tahanan pada suatu lambung yang terbe-nam di air

Tahanan jenis kedua, tahanan gesek pada kulit se-banding dengan permukaan permukaan yang dibasahi,sehingga lambung yang kurus panjang akan memilikipermukaan yang lebih dibasahi daripada yang gemukpendek pada displasmen yang sama. Variasi dari duajenis tahanan dan penjumlahannya ketika diplot ter-hadap L/D untuk volume konstan diperlihatkan padaGAMBAR 4.

Jelas terlihat tahanan total minimum pada rasio L/Dsekitar 7 tapi kurvanya datar pada daerah ini. Tidak adayang benar-benar tepat minimum.

Hal diatas menganggap lambung kosong (bare hull)dan tidak memasukkan komponen fin, kontrol per-mukaan, dan gangguan tahanan ketika komponentersebut dipasang pada lambung, tonjolan ekstraseperti perlengkapan penarik dan lainnya yang mencip-takan fitur-fitur tahanan.

Parameter kedua, yang mempengaruhi tahanan lam-bung ramping, adalah koefisien prismatik, Cp. Pa-rameter ini menggambarkan jumlah volume di ujunglambung. Bentuk seperti kapal selam Collin misalnya,akan memiliki koefisien tinggi di bagian ujung (diperki-rakan lebih besar dari 0.8). Bentuk seperti kapal se-lam Albacore memiliki Cp sekitar 0.65. Bentuk ideal

GAMBAR 4: Komponen tahanan untuk bentuk volume konstan

adalah yang melibatkan diameter terus berubah sepan-jang lambungnya. Bagian haluan akan berbentuk ellipsdan bagian buritan berbentuk parabola.

GAMBAR 5: Bentuk lambung ideal

Untuk rancangan torpedo bentuk parallel midbodylebih tepat karena pada hull diperlukan ruangan-ruangan untuk menempatkan motor penggerak, bat-tery, hulu ledak, dan sensor.

Dalam rangka mencapai keberhasilan dalam peneli-tian ini, harus ada kejelasan metode (metodologi) yangmenjadi kerangka acuan dalam pelaksanaan peneli-tian. Kerangka ini berisi tahapan-tahapan yang dila-kukan untuk menyelesaikan permasalahan dari peneli-tian, dimulai dari identifikasi masalah sampai denganpenyusunan laporan, langkah-langkah dalam simulasinumerik CFD maupun Maxsurf, dan terakhir denganmenggunakan metode uji model fisik.

A. Metode Literatur dan DiskusiDalam melaksanakan kegiatan riset, metodologi

penelitian yang pertama digunakan adalah studi li-teratur baik melalui studi pustaka maupun browsing

Prosiding InSINas 2012

HK-76 1029: T.S. Setiahardja

internet dan diskusi non formal dengan pihak-pihakterkait. Pemahaman teori dasar mengenai torpedo dansegala aspek desain yang berhubungan dengan peneli-tian dikaji lewat studi literatur dari text book, laporanpenelitian sebelumnya, jurnal-jurnal dan juga literaturlain relevan untuk dijadikan acuan sebagai dasar teori.Selain itu data dan literatur yang diperoleh lewat in-ternet juga menjadi salah satu aspek yang cukup pen-ting sebagai sumber informasi up to date untuk menge-tahui perkembangan desain torpedo dan kapal selamyang paling mutakhir. Studi literatur juga dilakukanuntuk memperoleh gambaran lengkap tentang berba-gai hal mengenai torpedo, baik berkaitan dengan uku-ran utama, tenaga penggerak, muatan hulu ledak, danlain sebagainya. Koordinasi dengan instansi terkait di-lakukan untuk mendapatkan masukan-masukan yangberkaitan dengan kebutuhan dan kelengkapan sertafungsi torpedo sebagai senjata bawah air di kapal se-lam.

B. Metode numerikUntuk merancang bentuk lambung torpedo

berdasarkan parameter data torpedo pembanding,maka dilakukan pemilihan bentuk lambung torpedomodifikasi dari yang sudah ada dan banyak digunakansebagai senjata pada kapal-kapal selam di seluruhdunia. Dari data-data rancangan yang telah dipilihlangkah berikutnya adalah membuat gambar ran-cangan torpedo dalam format 2D maupun 3D untukdisimulasikan melalui CFD.

CFD memberikan hasil fisik yang realistik denganakurasi yang baik pada path simulasi dengan grid yangberhingga. Ada tiga sifat perhitungan finite volume,yaitu Conservativeness, Boundedness, dan Transportive-ness. Ketiganya dirancang menjadi bagian berhinggayang dapat menunjukaan keberhasilan simulasi CFD.Disamping itu, ketiganya umum digunakan seba-gai alternatif untuk konsep matematik yang akurat.Skema numerik memiliki sifat conservative-ness yangdapat mempertahankan kekekalan sifat-sifat fluida se-cara global untuk seluruh domain penyelesaian. Pen-dekatan volume hingga dapat menjamin tetap ber-langsungnya kekentalan property fluida CFD untuk se-tiap control volume. Proses aliran terdiri dari dua,yaitu konveksi dan difusi. Keduanya dapat dihitungpengaruh arahnya dengan bagian finite volume, yaitu

TABEL 1: Ukuran UtamaDeskripsi Nilai SatuanPanjang 2.59 mDiameter 324.0 mmBerat 234.8 kgKapasitas Angkut 44.5 kgKecepatan 28 knots

transportive-ness. Sedangkan boundedness dapat mem-pertahankan kestabilan suatu metode numerik.

Data yang diperoleh dari hasil simulasi diolah kem-bali melalui perhitungan-perhitungan yang kemudianhasilnya ditabulasikan dan dibuat grafik trend hubun-gan antar variabel-variabel rancangan. Setelah dilaku-kan analisa, dibuat kesimpulan untuk merangkum ke-seluruhan hasil penelitian.

C. Metode Uji Model Fisik di Kolam UjiUntuk memvalidasi hasil kajian hidrodinamika de-

ngan metode numerik maka perlu dilakukan uji modelfisik sehingga diperoleh data besar tahanan (resistance)yang lebih akurat yang digunakan untuk melakukanperhitungan tenaga penggerak yang akan dipakai padatorpedo. Uji hidrodinamika terhadap model fisik tor-pedo dilakukan dengan terlebih dahulu membuat gam-bar kerja dalam skala model terhadap data ukuran tor-pedo sebenarnya (full scale). Gambar kerja digunakandalam pembuatan model fisik. Selanjutnya denganmodel uji dilakukan uji tarik (towing test) untuk mengu-kur besar tahanan torpedo di dalam air. Pelaksanaan ujimodel fisik dilakukan di Laboratorium Hidrodinamika,UPT BPPH, BPPT, Surabaya, yaitu di tangki tarik (Tow-ing Tank).

III. HASIL DAN PEMBAHASANSecara umum kegiatan yang telah dilaksanakan

adalah sebagai berikut:

1. Telah dilakukan studi literatur dan pengolahandata serta koordinasi dengan instansi terkait dalamrangka mengumpulkan data pendukung, teoripendukung seperti perhitungan tahanan torpedo.

2. Tahap pembuatan konsep dan desain awal telah di-laksanakan, dan dipilih ukuran utama torpedo, se-bagai berikut :

1. Pembuatan desain dan gambar rencana garis (linesplan) lambung torpedo sudah selesai dan dihasil-kan gambar lines plan lambung torpedo dalam for-mat 2D maupun 3D.

1. Untuk dapat melakukan perhitungan dinamikaaliran (CFD) pada lambung torpedo, digunakanbentuk lambung 3D dengan profil fin dan rud-der menggunakan tipe NACA 10.0, gambar dibuatmenggunakan software gambar solid 3D dandikonversi ke dalam format IGS. Perhitungan flu-ida dinamik (CFD) sudah dilaksanakan.

2. Pembuatan desain propeller penggerak torpedotelah dilaksana-kan dengan menggunakan soft-ware desain propeller, hasilnya seperti pada GAM-BAR 8.

Prosiding InSINas 2012

1029: T.S. Setiahardja HK-77

GAMBAR 6: Desain torpedo

GAMBAR 7: Gambar torpedo 3D

GAMBAR 8: Gambar desain propeller

1. Perhitungan numerik tahanan dan power peng-gerak torpedo di permukaan air telah selesai dilak-sanakan.

2. Pengujian tahanan model torpedo telah dilak-sanakan di kolam uji tarik (Towing Tank) pada duakondisi sarat air dan variasi kecepatan tertentu

GAMBAR 9: Propeller depan & belakang, 3D

(6∼12 knot). Data tahanan hasil pengujian tercan-tum pada TABEL 2. Dan diplot sebagai grafik sepertipada GAMBAR 10.

GAMBAR 10: Grafik tahanan model torpedo

Seluruh aktivitas selama pengujian tahanan direkamdan dibuat foto dokumentasi (GAMBAR 11).

GAMBAR 11: Foto Pengujian model torpedo

Prosiding InSINas 2012

HK-78 1029: T.S. Setiahardja

TABEL 2: Nilai tahanan hasil pengujian model pada draft berbeda

1. Analisa terhadap hasil desain torpedo didasarkanpada studi numerik dan uji fisik model torpedotelah dilakukan.

IV. KESIMPULANDari kegiatan yang sudah dilaksana-kan sampai de-

ngan bulan Nopember 2012 dapat dibuat kesimpulan,sebagai berikut:

1. Simulasi bentuk lambung torpedo melalui perhi-tungan dinamika fluida (CFD) memberikan keyak-inan bentuk lambung yang dipilih sudah tepat,sehingga gambar desain dapat digunakan untukmembuat atau membangun model maupun pro-totipe lambung torpedo.

2. Hasil pengujian tahanan terhadap model torpedomenunjukkan bahwa nilai tahanan yang diper-oleh tidak jauh berbeda dari perkiraan yang dihi-tung secara numerik mengguna-kan software. Iniberarti berdasarkan nilai tahanan model torpedoyang diuji pada permukaan air adalah tahananterbesar, sehingga dapat digunakan sebagai acuanuntuk menghitung tenaga penggerak untuk sistempropulsi yang digunakan.

3. Secara umum target atau sasaran dari kegiatan risetinsentif ini terpenuhi walau tidak tertutup masihadanya sedikit kekurangan disana-sini, dan diha-rapkan kekurangan ini dapat dipenuhi pada kegi-atan riset insentif lanjutan di tahun kedua (tahun2013).

Untuk mengatasi kendala-kendala yang biasa terjadipada kegiatan penelitian, maka saran-saran berikut da-pat dilakukan :

1. Dukungan administrasi dan pencairan dana padaakhir-akhir kegiatan diharapkan segera dipercepatagar tidak ada kendala masalah dana di akhir-akhirpenyelesaian kegiatan.

2. Dibutuhkan konsentrasi penuh dalam melak-sanakan kegiatan serta ditumbuhkan motivasi de-ngan adanya batasan waktu penyerahan laporanhasil kegiatan.

3. Penelitian lanjutan perlu dilakukan untuk menda-patkan hasil rancang bangun ke dalam bentuk pro-totipe dengan melibatkan beberapa bidang ilmulainnya seperti material, elektronika, instrumen-tasi, selain bidang perkapalan.

Prosiding InSINas 2012

1029: T.S. Setiahardja HK-79

DAFTAR PUSTAKA[1] Edward V. Lewis, editor, Principles of Naval Archi-

tecture, Second Revision, Society of Naval Architectsand Marine Engineers, third edition, 1989.

[2] Arnold M. Kuethe, Chuen-Yen Chow, Foundation ofAero-dynamics, Bases of Aerodynamic Design, FourthEdition, John Wiley & Sons, 1986.

[3] E.W. Jolie, A Brief History of U.S. Navy Torpedo De-velopment, OP 353W (TD 5436), NUSC TechnicalDocument 5436, Weapons Systems Department,Naval Underwater Systems Center, Newport Lab-oratory, 1978.

[4] D.A. Jones, D.B. Clarke, I.B. Brayshaw, JL. Barillon,and B. Anderson, The Calculation of HydrodynamicCoefficients for Underwater Vehicles, DSTO PlatformSciences Laboratory, 2007.

[5] Kam W. Ng, Undersea Weapon Design and Opti-mization, Paper presented at the RTO AVT Sym-posium on “Reduction of Military Vehicle AcquisitionTime and Cost through Advanced Modelling and Vir-tual Simulation”, held in Paris, France, 22-25 April2002, and published in RTO-MP-089.

Prosiding InSINas 2012