DESAIN DAN UJI HIDRODINAMIKA KAPAL SELAM MINI BERBOBOT
133 TON
Erwandi1,∗, Marx Jefferson2, Cahyadi Sugeng Jati S.1, Dwi Wahyudi1, dan Nurwidhi1
1UPT Balai Pengkajian dan Penelitian Hidrodinamika (BPPH)
Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT)
Jl. Hidrodinamika BPPT Kompleks Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60112 Telepon (031) 3948060, Fax. (031) 3948066 2PT. PAL Indonesia Ujung Surabaya Telepon (031) 7695041/42 ∗ e-Mail: [email protected] Disajikan 29-30 Nop 2012
ABSTRAK
Penelitian tentang kinerja kapal selam di dalam air, terutama dalam kaitannya dengan gaya-gaya hidrodinamika saat kapal selam bergerak dan bermanuver, belum pernah dilakukan di Indonesia. Melalui riset insentif nasional (INSINAS) ini dilakukan serangkaian pengkajian dan penelitian kinerja hidrodinamika kapal selam saat menyelam di dalam air maupun bergerak di per-mukaan air. Manfaat dari penelitian ini adalah dapat diketahuinya data-data besaran dan pengaruh gaya-gaya hidrodinamika yang bekerja pada kapal selam. Data-data tersebut dapat digunakan untuk merancang alat propulsi kapal selam berupa propeller dan besarnya daya mesin yang dibutuhkan oleh kapal selam untuk bergerak dengan kecepatan tertentu dan untuk merancang kemudi maupun alat kontrol kapal selam untuk melakukan gerak manuver. Kapal selam yang diuji adalah kapal selam mini hasil rancangan UPT BPPH dan Dinas Penelitian dan Pengembangan TNI-AL dengan bobot 133 ton saat menyelam. Panjang kapal selam mini adalah 22 m. Untuk mencapai tujuan penelitian dua cara pendekatan ditempuh untuk mengetahui karakter-istik gaya-gaya yang bekerja di kapal selam mini. Cara pertama adalah dengan melakukan analisa aliran di sekeliling badan kapal selam mini secara simulasi numerik menggunakan perangkat lunak Computational Fluid Dynamic (CFD). Cara kedua adalah melakukan uji model fisik kapal selam mini dengan skala 1:7 di kolam uji tarik (towing tank) dan di kolam manuver (maneuvering Ocean Basin) milik UPT BPPH BPPT. Uji model terdiri dari uji resistensi. Berdasarkan uji resistensi dapat di-rancang bentuk propeller. Berdasarkan model propeller dilakukan uji propeller open water. Berikutnya dilakukan uji propulsion yakni uji dimana kapal selam dilengkapi dengan tenaga penggerak propeller hasil rancangan berdasarkan uji resistensi. Terakhir dilakukan uji maneuver turning circle di kolam manuver untuk mengetahui besarnya tactical diameter gerak putar kapal selam saat kemudi diputar maksimum 35◦ke kiri maupun ke kanan.
Kata Kunci: Kapal selam mini, uji hidrodinamika, UPT BPPH, resistensi test, propulsion test, manuver test, propeller open
water test
I.
PENDAHULUAN
Salah satu alutsista laut yang strategis dan sarat de-ngan muatan teknologi tinggi, serta mempunyai efek psikologis yang tinggi terhadap lawan adalah kapal se-lam. Telah diketahui, bahwa selama ini pengadaan alut-sista kapal selam dilakukan dengan cara membeli lang-sung dari luar negeri. Namun sejalan dengan program Komite Kebijakan Industri Pertahanan yang Undang-Undang baru saja disahkan oleh DPR tahun 2012 ini, maka proses pembelian 3 kapal selam di Korea Sela-tan harus diiringi dengan proses Transfer of Technol-ogy kapal selam. Untuk mendukung program
terse-but maka dilakukan penelitian tentang kapal selam di UPT BPPH sejak tahun 2007 bersama Dinas Penelitian dan Pengembangan TNI-AL. Sayang program terse-but sempat terhenti selama 2 tahun karena adalah kri-sis ekonomi tahun 2008. Dengan dukungan Kemente-rian Riset dan Teknologi dan KementeKemente-rian Pertahanan, maka tahun 2010 penelitian dimulai lagi.
Wilayah Indonesia yang berupa laut sebagian be-sar bersifat perairan litoral. Bahkan 50% lebih laut In-donesia mempunyai kedalaman rata-rata di bawah 100 m. Dengan sifat perairan seperti itu maka kapal se-lam yang cocok untuk wilayah Indonesia adalah kapal
Untuk mendapatkan data-data variabel-variabel dan parameter-parameter gerak kapal selam mini yang diinginkan maka ditempuh dua cara penyelesaian masalah yang klasik dan lazim digunakan dalam bidang hidrodinamika yakni: simulasi numerik dengan Computational Fluid Dynamics (CFD) dan uji hidro-dinamika model fisik dengan skala tertentu dengan menggunakan prinsip kesamaan berdasarkan bilangan Froude (Froude number).[1–3] Uji hidrodinamika di-lakukan di tanki uji tarik (towing tank) dan di tanki manuver dan gelombang UPT BPPH BPPT.[4]
TABEL1: Ukuran utama kapal selam mini
Panjang total 22.0 m Diameter 3.0 m Draft 2.6 m Bobot (displacement) permukaan terbenam 111 133 ton ton
GAMBAR1: Bentuk kapal selam mini
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Analisa Numerik Aliran Fluida di Sekeliling Badan Kapal Selam Mini
Analisa numerik dengan menggunakan perangkat Computational Fluid Dynamic (CFD) dilakukan untuk mengevaluasi karakteristik aliran di sekeliling badan kapal selam mini. Evaluasi meliputi desain bentuk
GAMBAR2: Distribusi kecepatan aliran fluida di sekeliling badan
kapal selam
Aliran fluida turbulen yang disebabkan oleh fin dan hydroplane terlihat secara nyata terjadi dan menerus sampai jauh di belakang badan kapal selam. Aliran ini juga ternyata berpengaruh pada distribusi kecepatan aliran di piringan propeller.GAMBAR3memperlihatkan distribusi kecepatan aliran di piringan propeller. Dis-tribusi terganggu terutama di bagian atas piringan pro-peller.
B. Uji resistensi
Untuk uji hidrodinamika, maka sebuah model fisik dibuat dengan skala 1:7 di Ship Model Workshop UPT BPPH. Model tersebut kemudian diuji tarik untuk men-dapatkan besarnya gaya resistensinya di tangki uji tarik (towing tank).GAMBAR4(a) danGAMBAR4(b) memper-lihatkan foto saat model di tarik baik di permukaan air maupun terbenam 2 meter. Untuk melakukan uji resistensi dalam kondisi terbenam maka sebuah pe-megang khusus dan sebuah load cell dirancang un-tuk memegang model. Pemegang khusus tersebut di-bungkus dengan foil tipis. Gaya resistensi badan ka-pal selam didapat dengan cara melakukan penguran-gan antara total gaya badan kapal selam termasuk foil dengan gaya yang disebabkan oleh foil saja.
Gaya resistensi di permukaan air ternyata jauh lebih besar dibandingkan dengan gaya resistensi kapal selam dalam kondisi terbenam. Hal ini normal karena gaya resistensi di permukaan air tidak hanya gaya friksi saya seperti dalam kondisi terbenam, tetapi juga ada gaya gelombang. GAMBAR5(a) menunjukkan hasil pengu-kuran gaya resistensi di permukaan air. Ada fenom-ena punuk (hump) di sekitar Froude Number Fn =
GAMBAR3: Distribusi kecepatan di piringan propeller
0.3. GAMBAR5(b) menunjukkan hasil uji gaya resistensi model kapal selam 2 meter di bawah permukaan air.
Evaluasi hasil uji resistensi menyimpulkan bahwa kecepatan dinas kapal selam mini adalah 6.5 knots di permukaan air bila menggunakan mesin diesel. Se-dangkan kecepatan dalam kondisi terbenam diren-canakan lebih besar dari 6.5 knots. Kecepatan ini bergantung pada kapasitas daya motor yang akan di-pasang dalam kapal selam. Bila perlu kecepatan terse-but juga dapat mengatasi tahanan punuk pada per-mukaan bila tiba-tiba kapal selam harus muncul secara tiba-tiba dari kedalaman ke permukaan air.
C. Perancangan Propeller
Berdasarkan data wake dari simulasi numerik de-ngan CFD dan hasil uji resistensi, dapat dirancang 2 buah propeller 7 daun high skew. Karena tiadanya pus-taka yang membahas tentang perancangan propeller kapal selam maka untuk pendekatan pertama digu-nakan desain propeller berdasarkan data Wageningen B-series untuk propeller yang pertama. Sedangkan pro-peller kedua didesain dengan lebih rasional dengan menggunakan metode panel vortex lattice dan pro-peller lifting line theory. GAMBAR6menunjukkan lay-out gambar daun propeller dilihat dari samping, pro-jected area, dan expanded area. GAMBAR7(a) menun-jukkan gambar 3D dari GAMBAR6. Propeller tersebut kemudian dibuat modelnya di Mechanical Workshop
(a)
(b)
GAMBAR4: (a) Uji resistensi permukaan air (b) uji resistensi
kon-disi terbenam
UPT BPPH dengan skala 1 : 7.GAMBAR7(b) memperli-hatkan foto model propeller pertama.
Untuk mengetahui besarnya daya dorong propeller (thrust), torsi, dan efisiensi propeller maka perlu dila-kukan uji propeller open water. Uji ini diladila-kukan untuk mengetahui karakteristik propeller tanpa badan kapal. Uji ini dilakukan di tangki uji tarik (towing tank) UPT BPPH. Foto uji propeller open water dapat dilihat pada
GAMBAR8. Contoh hasil uji propeller open water disa-jikan pada GAMBAR9. Dari GAMBAR9 terlihat bahwa efisiensi propeller sekitar 0.5 pada advance speed (J) 0.5. Hal ini menunjukkan bahwa kinerja propeller tidak sesuai dengan yang diharapkan.
Berdasarkan hasil uji open water maka dilakukan modifikasi dan desain propeller yang baru. Modifikasi ini dimaksudkan untuk menambah efisiensi propeller. Potongan-potongan foil pada daun propeller didesain ulang menggunakan metode panel vortex lattice dan diperiksa dengan propeller lifting line theory. Lay-out desain propeller yang kedua ini diperlihatkan pada
(a)
(b)
GAMBAR 5: Hasil uji resistensi (a) di permukaan (b) 2 meter di
bawah permukaan
GAMBAR6: Layout projected dan expanded area daun propeller
GAMBAR10.
D. Uji Manuver Gerak Melingkar
Untuk mengetahui kemampuan gerak manuver ka-pal selam maka dilakukan uji manuver gerak mel-ingkar. Uji ini seharusnya dilakukan di tangki uji tarik dengan menggunakan alat yang dinamakan planar mo-tion mechanism (PMM) baik secara vertikal dan hori-zontal. Model dipegang dengan PMM (uji captive) dan dipaksa untuk bergerak naik turun atau ke kiri dan ke
GAMBAR8: Uji propeller open water
GAMBAR9: Kinerja propeller di open water
kanan.[3] Pada saat digerakkan seperti itu diukur
gaya-gaya yang bekerja pada kapal selam. Namun karena UPT BPPH tidak memiliki PMM maka pengujian di-lakukan dengan metode free running. Model berg-erak tanpa dipegang. Gberg-eraknya dipantau dengan video kamera. Tentu saja yang terukur adalah aspek kine-matik gerak kapal selam. Sedangkan aspek dinamis
GAMBAR10: Second designed propeller
yang berkaitan dengan gaya-gaya yang bekerja pada kapal selam tidak terukur.
Uji manuver gerak melingkar dilakukan di tangki manuver dan gelombang (maneuvering and Offshore Basin) UPT BPPH. GAMBAR11 menunjukkan foto saat model bergerak melingkar berlawanan arah jarum jam. Pada saat pengujian kemudi kapal digerakkan ke kanan dan ke kiri sebesar 35◦. Gerak kapal kemudian dipan-tau dan ditangkap dengan alat ukur QUALYSIS motion capture.
GAMBAR11: Uji manuver gerak melingkar
Contoh hasil lintasan gerak kapal selam selama melakukan gerak melingkar diperlihatkan pada GAM
-BAR12. Besarnya diameter taktis (tactical diameter) adalah 11.235 m untuk gerak melingkar searah jarum jam dan 11.045 m saat berlawanan arah jarum jam. Untuk gerak melingkar tersebut model kapal selam memerlukan waktu selama 42 detik searah jarum jam dan 41 detik bila berlawan arah jarum jam.
IV.
KESIMPULAN
Penelitian untuk mengetahui dan mengerti kinerja hidrodinamika kapal selam telah dilakukan di UPT BPPH. Penelitian tersebut meliputi simulasi dan analisa
GAMBAR12: Lintasan gerak kapal selam pada uji manuver gerak
melingkar
numerik dengan menggunakan CFD dan melakukan serangkaian pengujian hidrodinamika dengan meng-gunakan model fisik. Uji hidrodinamika meliputi uji re-sistensi, uji propeller open water, uji gerak mandiri, dan uji manuver gerak melingkar. Data hasil uji resistensi menunjukkan kinerja kapal selam baik di permukaan maupun dalam kondisi terbenam. Dua rancangan pro-peller 7 daun telah dihasilkan berdasarkan data CFD dan data uji resistensi. Data karakteristik daya dorong (thrust), torsi, dan efisiensi propeller telah diuji dengan uji propeller open water. Uji manuver dilakukan de-ngan teknik free running. Gerak lintasan model di-tangkap dengan menggunakan kamera dan didapatkan data berupa besarnya diameter taktis, pengurangan ke-cepatan, dan durasi selama bergerak melingkar.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Bettle, M.C., Gerber, A.G., & Watt,G.D., Unsteady Analysis of the Six DOF Motion of Buoyantly Ris-ing Submarine, Computers and Fluids, 38, pp. 1833-1849, 2009. (Journal)
[2] Mackay, M., The Standard Submarine Model: a Survey of Static Hydrodynamic Experiments and Semi empirical Predictions, Defence R&D, TR 2003-079, 2003. (Technical Report)
[3] Lee, S.W., Hwang, H. S., Ryu, C.M., Kim, H. I., Sin, S. M., A Development of 3000-ton Class Sub-marine and the Study on Its Hydrodynamic Per-formances, Proceeding of the Thirteenth (2003) In-ternational Offshore and Polar Engineering
