PERANCANGAN DAN ANALISIS SPAR PESAWAT TANPA AWAK UNTUK PEMASANGAN PELUNCUR ROKET LAU-68 (SEVENTUBE)
(DESIGN AND ANALYSIS SPAR OF U AV FOR MOUNTING ROCKET LAUNCHER LAU-68 (SEVEN TUBE))
Hakiki
Bidang Kendali dan Telemetri Pusat Teknologi Roket - LAPAN
Abstract
At the early stage development of Unmanned Aerial Vehicle (UAV), its functions were limited for intelligence mission, maritime patrol, geographic observation and aerial photographic. The next phase of UAV development is to arm the vehicle with suitable ofarmament. One of armament that available and compatible to instali is 2.75 in (70mm) FFAR (fin foided air rocket) which also use a rocket launcher LAU-68 (seven tubesj.Designing of spa r of UAV wing has done i n this research, where rocket launcher mounted. This design is specialized for medium- altitude long-endurance (MALE) purpose. The configuration of spar is determined based on wing airfoil UAV' while profile of spar cap using the L type and empiric equation Thin Web Beam for geometry of spar. Material of spar used to be AI-7075 type (aluminum alloy). Value of safety factor obtained 1.96 (front spar cap) and 1.8 (back spar). Analyze of spar were so neat cruise condition. So that, its results is useful for design wing reference future.
Keywords: wing, spar, UAV, rocket launcher, rocket
1.
PENDAHULUAN
Pada awal perkembangan pengoperasian pesawat terbang tanpa awak (UAV), umumnya masih digunakan untuk misi-misi seperti patroli maritim, pengawasan perbatasan, penentuan sasaran tembak dalam latihan perang, dan kebutuhan akan informasi intelijen yang dapat diperoleh dengan resiko sekecil mungkin. Upaya selanjutnya adalah menjadikan wahana ini sebagai pesawat yang mampu membawa sejumlah armament, seperti senjata mesin (machine gun), bomb cluster, dan misil (missile). Pemanfaatan pemasangan sejumlah armament digunakan untuk menggantikan pesawat tempur atau bomber dalam misi penyerangan musuh. Dampak embargo senjata yang dilakukan pihak asing yang akan memperlemah Pertahanan dan Keamanan wilayah NKRI, maka perlu terobosan baru di bidang teknologi persenjataan.
Penelitian ini merupakan perancangan lanjut " Perancangan Awal medium-altitude long-endurance (MALE) UAV"[1]. UAV ini merupakan wahana yang akan dipersenjatai dengan rocket launcher LAU-68 (seven-tube)[2]. Rocketlauncher ini memakai jenis missile FFAR
[fin folded air rocket) ukuran 2.75 inch (70 mm). Pemasangan rocket launcher dilakukan dengan menggunakan bomb rack jenis MA-4A [2]. Sedangkan pemasangan bomb rack ke spar dilakukan dengan menggunakan pylon.
Rocket launcher yang dipasang mempengaruhi kondisi terbang UAV secara keseluruhan, ditinjau berdasarkan aspek aerodinamika, struktur dan kestabilan adalah, sebagai berikut : a) akan mengalami perubahan karakteristik koefisien gaya angkat dan gaya hambat sayap sehingga menimbulkan gangguan kestabilan pesawat , b) akan menimbulkan gangguan pada struktur sayap, seperti spar, yang akan mengalami kelelahan (fatige), sehingga dapat menyebabkan kegagalan struktur (failure).
Dalam perancangan spar, beban yang diterima sebagian besar berasal dari distribusi gaya angkat dan momen. Spar yang dirancang harus memiliki kekuatan yang dapat menahan sebagian besar gaya- gaya dan momen tersebut. Pada Gambar 1-2, konfigurasi umum spar terdiri dari sparcap, sparwebdan stiffener. Sporcap merupakan salah satu bagian struktur yang sangat penting dalam perancangan pemasangan rocketlauncher.
Gambar 1-1 :MALE-UAV[lj
spar stiflcrtcT
Sparcap section dihubungkan dengan spar web yang diperkuat dengan penguat (stiffener) yang dikenal dengan nama thin web beam[3,4,7]. Tipe sparcap yang cocok untuk pemasangan rocket launcher adalah profil berbentuk L [3]. Pada bagian ini merupakan tempat pemasangan penyangga (pylon). Pylon ini akan digunakan untuk mengaitkan rocketlauncherke pesawat dengan menggunakan bomb rac/r.Penentuan tebal sparweb hanya dilakukan pada sayap bagian tengah. Karena pada sayap bagian tengah (centerwing) akan menerima beban yang lebih besar dibandingkan dengan sayap bagian luar (outerwing).
Analisis kekuatan sparcap dilakukan dengan pendekatan distribusi tegangan dan persamaan defleksi pada beam. Harga inersia sparcopdiperoleh berdasarkan kesimetrisan antara sparcap atas dan bawah. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan dimensi spar dan menganalisis hasil rancangan sporpada kondisi terbang jelajah.
2. METODE PENELITIAN
Penentuan Dimensi spar dilakukan dengan menggunakan persamaan-persamaan empirik yang dikenal dengan Persamaan Empirik Thin Web Beam [3].
Dimensi sparcap diperoleh dari persamaan luas penampang berikut ini [3]:
/Wmax adalah momen lentur maksimum, aan0wadalah batas
tegangan maksimum yang diperbolehkan, bnacadalah jarak antar netral
Gambar 2-1: Konfigurasi sparcap
Spar web adalah pelat tipis yang menghubungkan antara dua buah spar cap bagian atas dan bawah sehingga membentuk struktur spar. Untuk memperkuat struktur spar web digunakan stiffener vertikal.Stiffener ini diletakkan pada bagian sisi luar spar. Fungsi spar stiffener untuk menjaga agar tidak terjadi shearwrinkles yang akan menyebabkan terjadinya buckfing dan gerakan relatif antara masing- masing spar cap[3].
Ukuran tebal spar web dapat diturunkan dari persamaan tegangan geser[3] berikut ini:
Sehingga beban geser persatuan panjang pada spar web adalah sebagai berikut :3)
TWeb adalah tegangan geser pada spar web, -adalah beban geser
persatuan panjang, V'adalah gaya lintang, 4web adalah luas penampang
' spar web, bwet adalah lebar spar web, tweb adalah tebal sparweb.
Gambar 2-2 merupakan grafik tegangan geser terhadap tebal sparweb.
(2)
Gambar 2-3 : Penentuan tebal sparweb [3]
Dimensi spar stiffener diperoleh dari persamaan luas penam- pang (cross section) stiffener[3] yang dinyatakan sebagai berikut: Astf adalah luas stiffener, S^adalah jarak antar spar stiffener,tweb adalah
(4)
tebal spar web,k adalah rasio antara luas penampang spar stiffener dengan luas spar web antar spar stiffener, (asumsi, k = 0.4)[3].
Analisis kekuatan spar cap dihitung dengan pendekatan distribusi tegangan pada beam dapat dinyatakan sebagai berikut [3,5]:
„
[x)=
-mi
,
5,
M{x) adalah distribusi momen sepanjang x pada batang,/ adalah momen area inersia penampang batang, y adalah jarak netral axis ke ujung pelat.
Pada Gambar 2-5 merupakan bentuk profil spar yang dirancang yang disesuaikan dengan profil airfoil Kennedy-Marsden [1,10] seperti Gambar 2-6 agar memudahkan dalam penempelan skin dan pemotongan rib.
spar belakang spar depan
Gambar 2-5 : Konfigurasi profil spar
Gambar 2-6 : Airfoil Kennedy-Marsden[ 1]
Distribusi gaya angkat pesawat sebagian besar diperoleh dari sayap. Gambar 2-7, Gambar 2-8, dan Gambar 2-9 menggambarkan distribusi gaya angkat, gaya lintang dan momen lentur disepanjang setengah bentangan sayap (semispan) pada kondisi terbang jelajah ' (cruise) dengan tinggi terbang 5000 m dan kecepatan terbang 155 km/jam [1,9]. Gaya angkat maksimum terjadi di pangkal sayap sebesar
868 N. Gaya lintang maksimum terjadi pada pangkal sayap sebesar 5645 N. Besar momen lentur maksimum adalah 18346 Nm [4,9].
Gambar 2-7 : Distribusi gaya angkat disepanjang semispan sayap
Gambar 2-8 : Distribusi gaya lintang disepanjang semispan sayap
y (m)
Gambar 2-9 : Distribusi momen lentur di sepanjang semispan sayap
M !_
219
Ukuran besar beban yang dapat ditahan oleh struktur pesawat dinyatakan dalam load factor. Untuk jenis pesawat bomber dirancang dengan load factor sama dengan 2 14,5,7,9]. Ukuran dimensi dan pemilihan material spar ditentukan berdasarkan perbandingan antara failure load (batas beban minimum yang menyebabkan kegagalan struktur) dan allowable load (batas beban maksimum yang diperbolehkan selama pembebanan), yang dikenal dengan nama safety factor. Pada pemilihan harga safety factor melibatkan pertimbangan berat dan biaya. Harga safety factor yang digunakan adalah 1,5 [4,5,7,9].
Material yang dipilih berdasarkan pertimbangan kemudahan pembuatan dan pemasahgan paku keling {rivet), selain tiga kriteria utama yaitu kuat, ringan dan kaku. Material yang dipilih adalah alumunium tipe AI-7075 dengan spesifikasi Yield strength = 537 Mpa, Modulus ofelasticity = 71 GPa dan Density = 2800 kg/m* [8]. Material ini dipilih karena merupakan salah satu material yang paling kuat dalam kelompok alumunium alloy. Batas tegangan maksimum (aan0w )
yang diperbolehkan dalam perancangan spar adalah 358 Mpa [8].
Distribusi gaya lintang dan momen lentur yang dipilih merupakan besaran masukan maksimum yang diperoleh berdasarkan pertimbangan load factor. Besar gaya lintang dan momen lentur maksimum, berturut-turut, adalah 11290 N dan 36692 Nm.
2.
HASIL DAN PEMBAHASAN
'
Dimensi profil spar cap ditentukan berdasarkan syarat luas penampang pada persamaan 1. Dari data-data berikut ini : momen lentur maksimum, Mmax= 36692/4 = 9173 N.m (untuk masing-masing
spar cap), jarak antar netral axis pada spar cap (pada Gambar 2-1) spar depan 0,13 m dan spar belakang, 0,11 m serta oan0w = 358 MPa,
sehingga diperoleh luas penampang spar copmasing-masing pada spar depan dan belakang adalah 197,1 mm2 dan.232,94 mm2, sehingga luas
penampang pada profil spar cap yang dipilih adalah Acap = 232.94 mm2.
Pemilihan ini berdasarkan luas penampang yang terbesar. Untuk harga bcap dipilih adalah 40 mm. Harga ini dipilih berdasarkan pertimbangan
tempat pemasangan baut pylon ke spar cop.Untuk radius fillet pada profil spar cap yang dipilih adalah Rcap = 3,175 mm [3,4,5,8]. Sehingga
tebal spar cap yang diperoleh adalah 2,997 mm. Dalam perancangan ini tebal spar cap yang dipilih adalah, tcap = 3 mm. Pada sparcap bagian
depan, profil sparcap membentuk sudut 23,36° dan pada bagian belakang masing-masing membentuk sudut 17,43° dan 9,93°. Bentuk profil sparcap yang dimodifikasi , dari profil L, bertujuan mengikuti penampang airfoil dan memudahkan pemasangan kulit sayap[skin).
Gambar 3-1: Dimensi profil spar cap Gambar 3-1 a dan c, merupakan profil sparcap pada spar depan, sedangkan Gambar 3-1 b dan d, merupakan profil spar cap pada spar belakang. Dimensi profil sparcap ini digunakan pada sayap bagian luar {outer wing).Pa6a spar cap bagian bawah (spar depan dan belakang) akan diberi lubang untuk tempat pemasangan baut, tempat dimana py/ondiakaitkan k espar.
Besar gaya lintang yang diterima oleh masing-masing spar web, adalah V = 5645 N. Jika harga lebar spar web depan dan belakang yang dipilih adalah, bweb = 160 mm dan 140 mm. Pemilihan ini berdasarkan
letak spar pada airfoil.Teba\ spar webyang diperoleh, adalah spar webbagian depan, beban geser persatuan panjang pada sparweb depan adalah 35281,25 N/m (202 Ib/in), berdasarkan tegangan geser persatuan panjang ini, tebal sparwebbagian depan dan bagian belakang berturut-turutadalah 0,378 mm dan 0,41 mm. Pada Gambar 3-2 merupakan tebal sparweb yang dipilih dengan ukuran 0,5 mm.
Gambar 3-2 : Dimensi profil spar web
Sebelum menentukan dimensi profil sparstiffener, jarak antar sparstiffener diasumsikan adalah 254 mm (10 in) [3]. Dari persamaan 4, maka syarat luas minimum sparstiffener adalah 50,8 mm2.
Berdasarkan pertimbangan pemasanganr/Vet, diameter rivet yang dipilihberdasarkan Ultimate Single Shear Load [3,4] yang paling besar adalah 4,7625 mm ( 3/16 in), maka harga lebar profil yang dipilih adalah bstf = 20 mn\
Gambar 3-3 : Dimensi profil sparstiffener
Untuk radius f Ulet (Z?^) dapat dipilih berdasarkan standar umum yang dipakai pada perancangan profil thinwebbeam yaitu 3,175 mm
(Vs
in) dan 1,5875 mm (Visin). Untuk penampang yang tidak terlalu besar, radius fillet yang dipilih adalah 1,5875 mm. Sehingga tebal sparstiffener (tstf) diperoleh berdasarkan syarat luas minimum adalah1,2986 mm. Dalam perancangan ini dipilih harga- = 1,3 mm. Profil sparstiffener seperti terlihat pada Gambar 3-3 a.
Pada sparstiffener terdapat pemotongan pada masing-masing ujungnya. Hal ini dilakukan untuk menyesuaikan bentuk penampang airfoil sehingga memudahkan pembentukan airfoil pada leading edge. Besarnya potongan tergantung dengan kontur airfoil (seperti yang terlihat pada Gambar 3-3 b. Pada bagian spar depan, ukuran sudut potongan masing-masing adalah 53° dan 79°, sedangkan pada spar bagian belakang, masing-masing adalah 73° dan 80°.
Pemasangan sparstiffener pada sayap bagian luar dapat dilakukan dengan dimensi profil yang sama, tetapi dengan tinggi yang disesuaikan terhadap konfigurasi sayap bagian luar untuk segmen- segmen tertentu. Pertimbangan ini dilakukan karena sayap bagian luar berbentuk taper serta tebal sayap pada wingtip lebih kecil dari wingroot.
Gambar 3-4 : Konfigurasi struktur sayap yang dirancang
Konfigurasi sayap yang dirancang seperti yang terlihat pada Gambar 3-4. Luas spar copdepan pada cap atas dan bawah adalah 235 mm2 dan 233 mm2. Jika jarak antara netral axis spar terhadap masing-
masing sporcopadalah 77,33 mm dan 71;51 mm, sehingga tegangan maksimumya adalah273 MPa. Luas sparcopbelakang pada cap atas dan bawah adalah 235 mm2 dan 233 mm2. Jika jarak antara netral axis spar
terhadap masing-masing sporcopadalah 65,77 mm dan 66,23 mm, sehingga tegangan maksimumnya adalah 297,. MPa. Pada awal perancangan safety factor yang dipilih adalah 1,5. Setelah dirancang, harga safety factor yang diperoleh adalah 1,96 (spar depan) dan 1,8 (spar belakang). Kekuatan struktur ditinjau berdasarkan harga safety factor dimana harga safety factorspar yang dirancang lebih tinggi dari pemilihan harga safety factor awal.
Analisis defleksi maksimum spar (tanpa sparweb dan sparstiffener) diprediksi dengan pendekatan persamaan defleksi [5].
Besar momen inersia luas penampang [5] adalah 5,643xl0'6m4,
sehingga diperoleh defleksi maksimum sparcap adalah 0.16 m seperti pada Gambar 3-5. Nilai defleksi sparcap 16 cm relatif cukup kecil dibandingkan panjang semispan sayap [5,9].
4. KESIMPULAN
\
Dimensi spar cap dirancang dengan lebar penampang 40 mm dan tebal penampang 3 mm. Pada sparcap bagian depan, profil sparcap membentuk sudut 23,36° dan pada bagian belakang masing- masing membentuk sudut 17,43° dan 9,93°, sedangkan radius fillet pada sparcap adalah 3,175 mm. Untuk tebal sparweb adalah 0,5 mm. Lebar dan tebal penampang stiffener berturut-turut adalah 20 mm dan 1,3 mm, sedangkan radius fillet adalah 3,175 mm.
Besar tegangan maksimum pada material spar akibat beban statik adalah 273 MPa dan 297 MPa. Harga ini masih di bawah batas tegangan maksimum(aa[|0W) yaitu 358 MPa, dan masih jauh di bawah
batas deformasi plastik {yield strength) material AI-7075. Struktur yang dirancang memenuhi standar kekuatan material yang ditinjau berdasarkan safety factor dan ukuran kekakuan struktur (defleksi).
Harga safety factor yang diperoleh adalah 1,96 (spar depan) dan 1,8 [spar belakang). Defleksi maksimum spar cap adalah 16 cm. Dengan demikian, struktur spar yang dirancang cukup kuat menahan gaya angkat pesawat.
PERNYATAAN PENULIS
Isi makalah ini sepenuhnya merupakan tanggung jawab penulis.
DAFTAR PUSTAKA
1. Sucahyo, Gunawan, 2000, Perancangan Awal Pesawat MALE-UAV, Laporan Tugas Sarjana, Departemen Teknik Penerbangan, ITB, Bandung
2. —, 1997, Dinas Penelitian dan Pengembangan AU, Laporan Pelaksanaan Kegiatan Pengkajian dan Pembuatan Intervalometer Launcher LAU-68, Bandung
3. Anderson, H. Newton, 1941, ircraft Layoi/t and Detail Design, McGraw-Hill, New York
4. Niu, Michael C.Y., 1988, Airframe Structural Design, Conmilit Press Ltd, Hong Kong
5. Craig, Roy Jr., 1996, Mechanics of Materials, John Wiley , New York
6. Spotts, M.F., 1985, Design of Machine Element, Prentice-Hall Inc., New Jersey
7. Roskam, Jan. 1983, Aircraft Design, Part IV, London
8. Ichsan S.P., Diktat Kuliah Material Pesawat, Teknik Penerbangan, ITB
9. Kamil Sulaeman, Diktat Kuliah Beban Pesawat, Teknik Penerbangan, ITB
10. —, Airfoil Tools, http://airfoiltools.com/airfoil/details? airfoil= kenmar-il, Diakses tanggal 30 November 2013
H
![Gambar 2-3 : Penentuan tebal sparweb [3]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3820736.2481229/6.639.120.518.112.471/gambar-penentuan-tebal-sparweb.webp)
