ANALISA KARAKTERISTIK AERODINAMIKA UNTUK KEBUTUHAN GAYA DORONG TAKE OFF DAN CRUISE PADA HIGH SPEED FLYING TEST BED (HSFTB) LAPAN
Lintang Madi Sudiro (2106100130)
Jurusan Teknik Mesin FTI ITS,Surabaya 60111,email:lintangm49@gmail.com Abstrak – Makalah ini membahas mengenai
High Speed Flying Test Bed (HSFTB) milik LAPAN yang gagal melakukan take off ketika uji pertama. HSFTB dibuat sebagai wahana penelitian guna mendukung pembuatan Roket Peluncur Satelit. Pada saat take off, HSFTB menggunakan roket hingga pada cruise. Pada saat cruise menjelajah menggunakan turbo jet. LAPAN berencana menggunakan roket dan turbo jet yang mempunyai gaya dorong sebesar 230 N. Dengan menggunakan bantuan program MISDAT,didapatkan nilai karakteristik aerodinamika yaitu koefisien gaya angkat, koefisien gaya hambat, dan koefisien momen turunan terhadap sudut serang. Dan kemudian dianalisa dengan memvariasikan sudut serang dan kecepatan dalam Mach number. Dari hasil perhitungan dan simulasi terlihat bahwa kebutuhan gaya dorong pada take off (climb) bisa dipenuhi oleh roket yang digunakan LAPAN jika HSFTB terbang dengan kecepatan 0.05 Mach dengan sudut serang 2˚.Sedangkan untuk kecepatan 0.01 Mach saat take off, secara perhitungan kebutuhan gaya dorong telah terpenuhi tetapi tidak bisa terbang karena gaya dorong tidak mampu melewati kecepatan stall dari HSFTB. Pada saat cruise, turbo jet mampu menerbangkan wahana dengan variasi kecepatan dan sudut serang lebih banyak dari ketika take off(climb.).Gaya dorong yang dibutuhkan wahana agar bisa melewati kecepatan stall cukup kecil yaitu 5.95 N. Hal ini dikarenakan ketika HSFTB terbang cruise, bukan hanya gaya dorong yang berperan untuk menjaga wahana tetap terbang, tetapi juga gaya angkat dari sayap juga membantu.
Kata kunci : karakteristik aerodinamika, MISDAT, high speed flying test bed,kecepatan stall,take off,climb, cruise
1. HSFTB LAPAN
Pada gambar 2.1 meunjukkan gambar HSFTB LAPAN. Desain dari wahana menyerupai bentuk pesawat karen sayap yang dominan. Berbeda dengan roket yang bergantung terhadap gaya dorong saja, HSFTB mempunyai sayap memiliki pengaruh untuk membangkitkan gaya angkat.
Tabel 1.1. Massa Komponen Massa Komponen Engine + Accessories 7.000 grams Servos + Batteries + dudukan 1.500 grams Landing Gear 1.500 grams Fuselage + All Mechanics Part 5.000 grams Wing + All Mechanics Part 2.000 grams Horizontal Tail 600 grams Vertical Tail 300 grams Fuel 2.000 grams Parachute 2.000 grams Payload 1.500 grams Total 23.400 grams
HSFTB menggunakan roket pendorong pada saat take off dan climb sedangkan untuk cruise HSFTB menggunakan turbo jet. Masing-masing spesifikasinya adalah sebagai berikut :
a. Roket
Thrust @ max. rpm 230 N Thrust @ min. rpm 13 N
Fuel consumption @ max.rpm 640 gr/min. b. Turbo jet [19] Thrust : 52 lbs @ 112.000 RPM Weight : 5 LB Diameter : 5.12 inches RPM Range : 32.000 – 112.000 RPM
Exhaust gas temp : 580°C-690°C
Fuel consumption : 24 oz per/min at full power
Fuel : Jet A1, 1-K kerosene
Lubrication : approximately 5%
synthetic Oil in the fuel
Maintenance interval : 25 hours
2. Tata Acuan Koordinat (TAK)
Gambar 2.1 Bagan TAK dan komponennya pada wahana terbang
Pada gambar 3.1 terlihat sebuah wahana terbang dengan penjelasan berupa garis-garis.Garis-garis ini mewakili tata acuan koordinat yang terdapat pada wahana terbang. TAK Horisontal diwakili oleh garis putus-putus bewarna biru.TAK ini merupakan representasi TAK bumi pada wahana. TAK horison lokal berpusat pada pusat massa wahana. Sumbu x dan y TAK ini selalu sejajar dengan bidang permukaan bumi. Pada TAK Horisontal lokal, terdapat gaya berat dari wahana terbang yang berpusat di cm (center of mass) mengarah ke pusat bumi.
TAK benda pada gambar adalah pada garis hijau. Koordinat ini sesuai dengan sumbu longitudinal dari wahana terbang. Sumbu x dari koordinat ini sejajar dengan garis longitudinal wahana dan searah dengan arah nosecone wahana. Sumbu z koordinat ini tegak lurus dengan garis longitudinal dari wahana. Pada koordinat ini, bekerja gaya dorong yang berasal dari sistem propulsi.Gaya dorong ini mempunyai vektor yang searah dengan sumbu x dari koordinat.
TAK angin pada gambar adalah garis tebal bewarna merah yang ditandai dengan huruf V. Koordinat ini sesuai dengan arah angin yang menabrak wahana terbang. Bila pada wind tunnel, model wahana terbang adalah diam dan angin yang bergerak. Tapi pada kenyataannya, wahana terbang yang menabrak udara yang diam. Jadi pada TAK ini, koordinat sesuai
dengan arah terbang wahana.Sumbu x pada koordinat ini adalah arah terbang wahana yang mempunyai nilai vektor positif dan sumbu z pada koordinat ini tegak lurus dengan arah terbang wahana. Pada TAK ini, bekerja gaya-gaya aerodinamika dimana gaya-gaya lift adalah gaya-gaya yang arahnya tegak lurus dengan arah terbang wahana, dan gaya hambat adalah gaya yang sejajar dengan koordinat tetapi berlawanan arah dengan arah terbang.
3. Gaya dan Momen
Secara umum, gaya-gaya pada pesawat udara adalah gaya berat (W), gaya aerodinamik (Lift dan Drag), dan juga gaya dorong dari propulsi (Thrust). Masing-masing gaya akan dijelaskan sebagai berikut
Gaya berat adalah gaya yang dimiliki semua benda yang memiliki massa dikarenakan adanya gravitasi bumi. Dalam hal ini adalah gravitasi bumi ke pesawat. Gaya ini disimbolkan dengan W. Gaya berat mempunyai persamaan sebagai berikut :
W=m.g (3-1)
Dimana :
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
Gaya Dorong adalah gaya yang dihasilkan oleh engine yang dalam hal ini adalah roket dan turbo jet untuk membawa pesawat melakukan misi. Gaya dorong ini mempunyai vektor arah yang berlawanan arah dengan gaya hambat.
Gaya angkat melawan gaya dari weight yang dihasilkan oleh adanya aliran fluida yang mengelilingi airfoil yang mengakibatkan adanya perbedaan tekanan di bagian atas dan bagian bawah. (3-2) ρ = Density udara (kg/m3) V = Kecepatan Pesawat (m/s) = Reference Area (m2) = Coefficient of Lift
Gaya Hambat berasal dari udara yang menahan laju benda yang bergerak. Udara ini sejatinya memberikan gaya gesek ke permukaan benda, karena benda yang bergerak dengan dorongan thrust. Gaya hambat disimbolkan dengan D. Gaya hambat mempunyai persamaan berikut :
(3-3) Dimana : ρ = Density udara (kg/m3) V = Kecepatan Pesawat (m/s) = Reference Area (m2) = Coefficient of Drag
Gaya lift dan drag pada wahana terbang bertemu pada titik yang sama yang disebut center of
pressure (cp). Bila cp berimpit dengan center of mass (cm) yang merupakan titik pusat
keseimbangan dari pesawat maka momen aerodinamika yang dihasilkan adalah nol. Bila tidak berimpit, maka akan menghasilkan momen aerodinamika.
4. Hasil dan Analisa
Ketika sesaat lepas take off (climb), untuk bisa terbang minimal gaya angkat wahana lebih besar dari berat wahana.
(4.1)
Dari persamaan di atas kemudian nilai gaya angkat dijabarkan dengan persamaan (3.2) maka akan didapatkan nilai V minimum yang gaya dorong tidak boleh menghasilkan kecepatan yang lebih rendah dari itu dan juga sudut serang yang lebih besar dari nilai CLmax. Untuk bisa
terbang dan bergerak ke arah horizontal maka, gaya dorong juga harus bisa melawan gaya hambat yang dijabarkan dengan persamaan sebagai berikut :
Tabel 4.1 Kebutuhan Thrust saat Take off
Pada table 4.1 tampak bahwa kebutuhan thrust untuk HSFTB bervariasi sesuai dengan perubahan kecepatan yang direpresentasikan dengan bilangan Mach (baris pertama) dan sudut serang (kolom pertama). Variasi besar kebutuhan thrust ini tergantung dengan gaya hambat yang terjadi pada wahana. Dari persamaan , dengan nilai berat (W) yang tidak berubah terhadap variasi maka perubahan nilai kebutuhan thrust bergantung terhadap perubahan gaya hambat. Gaya hambat sendiri dengan perumusan
bervariasi sesuai dengan berubahnya kecepatan wahana dan koefisien hambatnya, dimana asumsi untuk properties udara adalah sama. Roket LAPAN mempunyai besar gaya dorong adalah 230 N. Dengan nilai gaya dorong ini, (nilai yang bercetak tebal dan miring). Untuk kecepatan yang lebih tinggi, roket pendorong tidak dapat melawan gaya hambat. Untuk mengetahui kebutuhan gaya dorong minimal yang diperlukan HSFTB untuk bisa terbang maka dapat diketahui melalui kebutuhan gaya dorong untuk bisa melewati kecepatan stallnya. Menghitung nilai batas bawah kebutuhan gaya dorong dapat didapatkan menggunakan nilai V
stall tertinggi adalah 5 m/s. Dengan mengambil nilai terbesar berarti untuk nilai V stall dibawahnya akan terpenuhi. Nilai V stall tersebut kemudian dimasukkan ke dalam
persamaan gaya hambat , maka
didapatkan nilai gaya dorong sebesar 110.87 N. Ketika cruise , untuk bisa terbang gaya angkat wahana harus dapat mengangkat gaya berat wahana dengan persamaan sebagai berikut :
(4.3)
Dari persamaan di atas kemudian nilai gaya angkat dijabarkan dengan persamaan (2.7) maka akan didapatkan nilai V minimum yang gaya dorong tidak boleh menghasilkan kecepatan yang lebih rendah dari itu dan juga sudut serang yang lebih besar dari nilai CLmax. Untuk bisa
terbang dan menjelajah, gaya dorong juga harus bisa melawan gaya hambat yang dijabarkan dengan persamaan sebagai berikut :
(4.4)
Gambar 2.14 Vektor-vektor gaya ketika cruise Tabel 4.2 Kebutuhan Thrust saat Cruise
Pada tabel 4.2 tampak bahwa kebutuhan thrust untuk HSFTB bervariasi sesuai dengan perubahan kecepatan yang direpresentasikan dengan bilangan Mach (baris pertama) dan sudut serang (kolom pertama). Variasi besar
kebutuhan thrust ini tergantung dengan gaya hambat yang terjadi pada wahana. Dari persamaan , perubahan nilai kebutuhan thrust bergantung terhadap perubahan gaya hambat. Gaya hambat sendiri dengan perumusan
bervariasi sesuai dengan berubahnya kecepatan wahana dan koefisien hambatnya, dimana asumsi untuk properties udara adalah sama.
Ketika cruise, wahana menggunakan turbo jet yang mempunyai gaya dorong sebesar 230 N.Melalui hasil perhitungan yang tampak di tabel 4.8, ternyata gaya dorong turbo jet mampu menerbangkan HSFTB pada kecepatan 0.01 Mach dan 0.05 Mach. Untuk mengetahui kebutuhan gaya dorong minimal yang diperlukan HSFTB untuk terbang cruise maka dapat diketahui melalui kebutuhan gaya dorong untuk bisa melewati kecepatan stallnya. Menghitung nilai batas bawah kebutuhan gaya dorong dapat didapatkan dengan melihat table 4.7. Nilai V stall tertinggi adalah 5.19 m/s. Dengan mengambil nilai terbesar berarti untuk nilai V stall dibawahnya akan terpenuhi. Nilai V stall tersebut kemudian dimasukkan ke dalam
persamaan gaya hambat , maka
didapatkan nilai gaya dorong sebesar 5.95 N. Jadi pada cruise terdapat variasi kecepatan dan sudut serang yang lebih banyak untuk menerbangkan wahana. Hal ini dapat dilihat pada nilai yang bercetak tebal dan miring pada table.
7. Kesimpulan dan Saran
- Kemampuan roket pendorong HSFTB sebesar 230 N yang digunakan untuk take off dan climb hanya bisa menerbangkan wahana dengan kecepatan maksimal 0.05 Mach pada sudut serang 2˚. Untuk kecepatan lebih dari 0.05 Mach dengan sudut serang yang lebih besar gaya dorong roket tidak mampu melawan gaya hambat dari udara.
- Gaya dorong minimal yang dibutuhkan HSFTB untuk bisa terbang adalah sebesar 110.87 N. Dengan gaya dorong ini, HSFTB masih mampu melewati kecepatan stall nya. - Gaya dorong dari turbo jet mampu menerbangkan HSFTB dengan variasi kecepatan 0.01 hingga 0,05 M. Gaya dorong minimal yang dibutuhkan agar dapat melewati kecepatan stall adalah 5.95 N.
- HSFTB telah memenuhi kriteria kestabilan statis pada interval sudut serang tertentu pada kecepatan subsonik.Keadaan HSFTB ketika berada pada wilayah supersonic, mempunyai criteria kestabilan static yang lebih baik daripada ketika berada di wilayah subsonik. Hal ini terlihat dari nilai koefisien momen turunan terhadap sudut serang yang bernilai negatif lebih merata ketika berada di wilayah supersonik. - Dibutuhkan roket pendorong dan turbo jet dengan kemampuan gaya dorong yang lebih besar untuk bisa menambah variasi pilihan kecepatan terbang HSFTB dengan kecepatan di wilayah subsonik.
Perlu dilakukan kajian terhadap HSFTB ketika mengalami gangguan di udara. Perlu dilakukan penelitian lagi terhadap HSFTB untuk gerak lateral Dilakukan penelitian untuk optimasi desain HSFTB agar mendapatkan kestabilan statis yang lebih merata Penelitian lebih lanjut untuk permodelan HSFTB untuk membuat sistem control. Perlu dilakukan perbandingan antara hasil perhitungan dengan simulator dan hasil eksperimen.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Anderson, John David.1999. Aircraft
Performance and Design. The Mc
Graw-Hill Companies Inc. USA.
[2] B.Blake, William. 1998.Missile Datcom
User’s Manual-1997 Fortran 90 Revision.Air Force Research Laboratory.Ohio.USA.
[3] Ojha, Shiva Kumar.1934.Flight
Institute of Aeronautics and Astronautics Inc.Washington DC.USA.
[4] Roskam,Jan.2001.Airplane Flight Dynamics and Automatic Flight Control Part 1.Design Analysis and
Reearch Corporation.Lawrence.Kansas. [5] Saarlas,Maido.2006.Aircraft
Performance.John Wiley and Sons
Inc.New Jersey.USA
[6] Wibowo, Singgih
Satrio.2002.Perhitungan Karakteristik
Aerodinamika dan Analisis Dinamika dan Kestabilan Gerak Dua Dimensi Pada Modus Longitudinal Roket RX 250 LAPAN.Tugas Akhir.Departemen
Teknik Penerbangan Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Bandung. [7] Sukhairi,Teuku Ariessa.2009.Simulasi
Prestasi Take off dan Landing Pesawat Sejenis Boeing 747 Menggunakan
Delphi.Tugas Akhir.Jurusan Teknik Penerbangan Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto.Yogyakarta
[8] Sutrisno.2008. Proses Produksi RX 550
menuju terwujudnya Roket Pengorbit Satelit (RPS). Pusat Teknologi Wahana
Dirgantara LAPAN
[9] Sembiring,Turah.2008.Penelitian
Prestasi Terbang Roket Sonda Satu Tingkat RX-320. Pusat Teknologi
Wahana Dirgantara LAPAN. [10] Ginting,
Salam.,Sumartinah,Endang.Penelitian
Koefisien Aerodinamik Roket Kendali RKX-180 mm.Pusat Teknologi Wahana
Dirgantara LAPAN
[11] Marzocca,Pier.Performance and Flight Mechanic.lecturer.Clarkson University [12] Stengel,Robert.2010.Aircraft Flight
Dynamics. Lecturer.Princeton University
[13] Widnall,S.2009.Dynamic
Fall.Lecturer.Massachusetts Institute of
Technology
[14] Newman,Dava.2004.Introduction to Aerospace and Design. Massachusetts
Institute of Technology
[15] Suparno,Supriyanto.2011.Komputasi
untuk Sains dan Teknik-Menggunakan MATLAB-.Departemen Fisika MIPA Universitas Indonesia.
[16] Annual Report LAPAN BAB 1 (Pengembangan Roket Pengorbit Satelit)
[17] Sudiana,Oka. 2011.Laporan Uji Terbang
High Speed Flying Test Bed V2.Bidang
Kendali LAPAN
[18] ___, 2011, Geometry Airfoil NACA-0009, [online],
(http://www.worldofkrauss.com/foils, 9
Oktober 2011)
[19] ___, 2011, Data Sheet JetCat 200-SX, [online],
(http://www.jetcatusa.com/p200.html,di
akses tanggal 28 oktober 2011)
[20] Website NASA