Analisa Karakterisitik Aerodinamika Pengaruh Sirip Terhadap Airfoil Sayap Pesawat UAV USU Menggunakan Metode Computational Fluid Dynamic SOLIDWORKS
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.
2.1.1 Sejarah Pesawat Terbang
Awal dari konsep penerbangan pada dasarnya merupakan imitasi dari
burung yang memanfaatkan kepakan sayapnya. Leonardo da Vinci (1452-1519)
4
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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 (17731857) 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 1889. 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].
2.1.2 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
Universitas Sumatera Utara
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
2.1.3 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
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Gaya-gaya yang bekerja pada pesawat
Sumber: https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/Images/forces.jpg
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4 Arah aliran fluida pada airfoil
Sumber : http://beendemic.blogspot.co.id/2011/02/membuat-pesawat-mini.html
•
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
Universitas Sumatera Utara
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.
2.1.4 Pergerakan Pesawat di Udara
Pada dasarnya pesawat terbang mempunyai 3 sumbu pergerakan (x, y, dan z
axis) seperti penjelasan dibawah ini :
11
Universitas Sumatera Utara
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 : https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/Images/rotations
2.2 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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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: http://www.planefax.com/radar/Douglas---1----O-46.jpg
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
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Pesawat terbang bersayap tinggi
Sumber: http://1.bp.blogspot.com/s_dHjjSDSuk/VOpYzxVhMNI/AAAAAAAAIi0/Ap72I3NjMCU/s1600/C130E%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
Universitas Sumatera Utara
4. Pesawat terbang bersayap bawah (low wing aircraft)
Pemasangan sayap berada dibawah badan pesawat atau fuselage.
Gambar 2.10 Pesawat terbang bersayap bawah
Sumber :
http://img.bhs4.com/ec/c/ecc1106904adc0901049554881e118ab601dde11_large.j
pg
Pada penelitian ini pesawat model yang digunakan adalah jenis pesawat
terbang model bersayap tinggi (high wing aircraft).
2.3.1 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
Universitas Sumatera Utara
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 : http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Fluids/imgflu/airfoilb
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
= 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
Universitas Sumatera Utara
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 11th 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
Universitas Sumatera Utara
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.
2.1.1 Sejarah Pesawat Terbang
Awal dari konsep penerbangan pada dasarnya merupakan imitasi dari
burung yang memanfaatkan kepakan sayapnya. Leonardo da Vinci (1452-1519)
4
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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 (17731857) 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 1889. 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].
2.1.2 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
Universitas Sumatera Utara
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
2.1.3 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
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Gaya-gaya yang bekerja pada pesawat
Sumber: https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/Images/forces.jpg
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4 Arah aliran fluida pada airfoil
Sumber : http://beendemic.blogspot.co.id/2011/02/membuat-pesawat-mini.html
•
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
Universitas Sumatera Utara
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.
2.1.4 Pergerakan Pesawat di Udara
Pada dasarnya pesawat terbang mempunyai 3 sumbu pergerakan (x, y, dan z
axis) seperti penjelasan dibawah ini :
11
Universitas Sumatera Utara
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 : https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/Images/rotations
2.2 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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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: http://www.planefax.com/radar/Douglas---1----O-46.jpg
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
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Pesawat terbang bersayap tinggi
Sumber: http://1.bp.blogspot.com/s_dHjjSDSuk/VOpYzxVhMNI/AAAAAAAAIi0/Ap72I3NjMCU/s1600/C130E%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
Universitas Sumatera Utara
4. Pesawat terbang bersayap bawah (low wing aircraft)
Pemasangan sayap berada dibawah badan pesawat atau fuselage.
Gambar 2.10 Pesawat terbang bersayap bawah
Sumber :
http://img.bhs4.com/ec/c/ecc1106904adc0901049554881e118ab601dde11_large.j
pg
Pada penelitian ini pesawat model yang digunakan adalah jenis pesawat
terbang model bersayap tinggi (high wing aircraft).
2.3.1 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
Universitas Sumatera Utara
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 : http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Fluids/imgflu/airfoilb
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
= 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
Universitas Sumatera Utara
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 11th 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
Universitas Sumatera Utara