Tantangan dalam merancang kapal selam adalah bagaimana kapal selam tersebut dapat menyelam, mengapung dan beroperasi sesuai rencana. Pemasangan sayap berbentuk foil sebagai sistem penyelaman yang memberikan gaya ke bawah pada kapal selam (dive plan) memungkinkan kapal selam untuk menyelam. Selain bentuk foil, kemampuan menyelam juga bergantung pada sudut kemiringan dan kecepatan kapal selam (Munazid, 2015). Sistem ini sering digunakan pada kapal selam berukuran besar, terbuat dari baja dan memiliki ruang pemberat yang dapat mengapung dan menyelam.
Dengan daya ke bawah menegak dan beberapa daya yang disebabkan oleh interaksi bentuk airfoil dengan aliran bendalir, ia membolehkan kapal selam menyelam, berlegar dan bergerak di bawah air.
Rumusan Masalah
Seperti pergerakan pesawat terbang yang terbang dan melayang dengan bantuan sayap, tersedia ide sistem penyelaman dan pengapungan kapal selam tentang bagaimana mengembangkan suatu bentuk kapal selam yang mampu menyelam, melayang dan bermanuver di dalam air. Dengan sistem penyelaman yang menggunakan prinsip aerofoil seperti airfoil pada umumnya, yang digunakan pada kapal selam terbalik (berbeda dengan pesawat terbang), dan menggunakan teori perencanaan kapal, kami merancang kapal selam tanpa awak sebagai alat observasi.
Tujuan
Berdasarkan beberapa fenomena sebagaimana disebutkan di atas, tantangan bagi perencana kapal selam adalah bagaimana menerapkan teori aerofoil. Dari segi yang kami lakukan untuk membuat desain secara umum, kami lakukan terlebih dahulu, studi awal untuk mendapatkan data berat dan dimensi dari komponen yang digunakan pada kapal selam, kemudian dilakukan perhitungan dari komponen tersebut untuk mendapatkan ukuran dan bentuk kapal selam, berdasarkan hasil tersebut kami melakukan perencanaan dan membuat kapal selam, setelah kapal selam siap maka dilakukan uji coba dan beberapa pengujian misalnya kepadatan, kecepatan manuver, dll.
Manfaat
Perencanaan Kapal
Pada dasarnya perancang kapal mempertimbangkan keselamatan kapal, kinerja kapal, dan geometri kapal ketika merancang, meskipun hal-hal tersebut bukanlah keputusan eksklusif. Oleh karena itu, perencana memasukkan faktor keselamatan, kinerja dan geometri kapal yang kompleks dalam desainnya (Tawekal,.
Geometri Aerofoil
Yang menonjol dari lini kamera utama adalah bagian tepi depan dan belakang. Titik pusat lingkaran terletak bersinggungan dengan garis kamera utama yang melewati tepi depan.
Gaya Aerodinamik pada Aerofoil
Banyak usaha telah dilakukan untuk menggerakkan sudut maksimum ke hadapan untuk meningkatkan daya angkat. Camber, bentuk garisan kamber purata dan taburan ketebalan aerofoil sebahagian besarnya menentukan daya angkat dan ciri momen aerofoil. Aerofoil dipasang pada sudut serangan tertentu untuk tujuan menukar magnitud daya angkat yang dihasilkan dan arah daya yang terhasil mengikut keperluan.
Benda yang dicelupkan ke dalam suatu aliran fluida (benda terendam) akan mengalami gaya-gaya akibat interaksi fluida dengan benda, gaya-gaya yang timbul dari interaksi fluida dan benda tersebut berupa gaya-gaya normal. Pada aliran horizontal jika dilihat dari sudut pandang dua dimensi, gaya yang tegak lurus arah aliran disebut gaya angkat, sedangkan gaya yang searah aliran disebut gaya hambat. Dalam konsep aerodinamis, gaya angkat diartikan sebagai gaya mekanik yang arahnya normal ke atas pada suatu benda akibat pengaruh tekanan fluida, sehingga gaya normal ke bawah akibat tekanan fluida disebut gaya angkat negatif.
Berdasarkan hukum Bernoully, hal ini akan mengakibatkan tekanan yang lebih besar pada permukaan bawah dan lebih sedikit pada permukaan atas, sehingga timbul gaya angkat. Untuk menganalisis gaya angkat dan gaya hambat yang bekerja pada sayap (foil), dapat dinyatakan dalam koefisien sebagai berikut. Gaya-gaya yang bekerja searah kapal selam (searah sumbu y), baik dari interaksi dengan air maupun dari berat model kapal selam itu sendiri, adalah sebagai berikut.
Oseanografi
Model gravitasi adalah bobot model kapal dan komponen yang ada, misalnya sistem propulsi, sistem navigasi, dan lain-lain. Menurut hukum Archimedes, gaya gravitasi yang ditimbulkan oleh komponen berat pada model sama dengan gaya apung. Ahli kelautan mempelajari berbagai topik, termasuk organisme laut dan dinamika ekosistem; arus laut, gelombang dan dinamika fluida geofisika;.
Oseanologi terdiri dari dua kata, yaitu oceanos (laut) dan logos (ilmu) yang secara sederhana dapat diartikan sebagai ilmu yang mempelajari tentang laut. Sedangkan oseanografi merupakan bagian dari ilmu kebumian yang mempelajari tentang lautan, samudera dan isinya serta isinya sampai dengan kerak samudera. Thomson (Skotlandia) dan John Murray (Kanada). Istilah Oseanografi digunakan oleh mereka dalam laporan yang diedit oleh Murray. Murray kemudian menjadi pemimpin dalam studi sedimen laut selanjutnya. Keberhasilan ekspedisi Challenger dan pentingnya ilmu kelautan dalam pelayaran/pelayaran maritim, perikanan, kabel bawah laut dan kajian iklim akhirnya membuat banyak negara melakukan ekspedisi.
Pada dasarnya semua jenis Computational Fluid Dynamics (CFD), merupakan alat yang prosesnya menggunakan persamaan dasar dinamika fluida yaitu: persamaan Navier-Stokes, kontinuitas, momentum dan energi. Computational Fluid Dynamics (CFD) merupakan pendekatan ketiga dalam kajian dan pengembangan bidang dinamika fluida selain pendekatan teoritis dan eksperimental murni. Permasalahan yang ada harus digambarkan dalam software CFD dengan mendeskripsikan model yang akan dianalisis, sifat-sifat fluida di sekitar model dan juga mendefinisikan kondisi batas.
Kerangka Konseptual
Hipotesis
Rancangan Penelitian
Tempat Penelitian
Alur Penelitian
Mission Requirement
Motor listrik merupakan suatu alat/perangkat elektromagnetik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik, dalam hal ini energi mekanik yang dihasilkan adalah energi putaran yang digunakan untuk memutar baling-baling kapal. Motor servo merupakan motor dengan sistem umpan balik tertutup dimana posisi motor akan diinformasikan kembali ke rangkaian kendali motor servo. Sedangkan sudut sumbu motor servo diatur berdasarkan lebar pulsa yang dikirimkan melalui pin sinyal kabel motor.
Lay Out Sistem Kapal
Perencanaan awal merupakan proses perencanaan untuk menentukan kapasitas, bobot apung/berat kapal. Penentuan ini didasarkan pada komponen yang ada dan data operasional kapal yang diperoleh dari persyaratan misi di atas. Perpindahan adalah berat air yang dipindahkan akibat volume benda yang dicelupkan ke dalam air/berat apung kapal selam. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa berat kapal dan berbagai komponen yang ada di dalam kapal adalah 4.140 kg, seperti terlihat pada Tabel 5.
Sumber tenaga listrik untuk menyuplai listrik pada komponen kapal selam adalah baterai dengan tegangan 12 volt dan arus 6 Ah. Dalam proses simulasi disimulasikan variasi sudut datang dan variasi kecepatan aliran. Berdasarkan gambar di atas, nilai koefisien apung (Cl) menunjukkan bahwa pada sudut datang 0o sampai 30o Cl bernilai minus, yaitu pada kondisi tersebut terdapat gaya ke bawah yang menyebabkan kapal selam bergerak. ke bawah (menyelam).
Dengan hasil tersebut maka untuk perancangan kapal selam layout sirip/sayap menggunakan airfoil NACA 2414 seperti diatas.
Ship Design
Coefficient of Lift Foil NACA 2414
Penataan umum merupakan tahap perencanaan kapal yang mendefinisikan ruang, menentukan batas setiap ruang, memilih dan menempatkan peralatan dalam batas ruang, dan menentukan ruang aman pada setiap komponen kapal. Penentuan koefisien apung dan koefisien drag kapal dilakukan dengan memodelkan kapal selam berdasarkan desain awal, pemodelan tersebut menggabungkan model kapal dengan foil NACA 2414. Hasil simulasi model kapal selam menggunakan Ansys diperoleh besarnya koefisien daya apung (Cl) dan koefisien drag (CD).
Downforce adalah gaya yang terjadi akibat foil/sayap bergerak melalui aliran fluida, Gaya ini memberikan gaya ke atas jika besarnya positif, sedangkan jika besarnya negatif akan memberikan gaya ke bawah.
Coefficient of Lift Kapal Selam
Coefficient of Drag Kapal Selam
Gaya drag merupakan gaya yang diakibatkan oleh gerak maju kapal, dimana gaya tersebut berlawanan dengan gerak maju kapal, yang dalam pelayaran lebih dikenal dengan istilah tarikan kapal.
Diving Force Kapal Selam
Drag Force Kapal Selam
Gaya-gaya Pada Kapal Selam
Pada perancangan kapal selam ini yang menggunakan sirip/sayap foil NACA 2414 sebagai alat selamnya, gaya selam (gerakan vertikal atas dan bawah) diperoleh dengan menggerakkan sirip dari gulungan dan mengendalikan kecepatan kapal selam. Untuk mengetahui kemampuan menyelam suatu kapal selam dapat dilakukan dengan menganalisis mekanika statik dan diagram gaya bebas.Tentu saja perlu diketahui vektor gaya yang bekerja pada kapal selam khususnya vektor gaya vertikal.
Daya Apung Kapal Selam
Karekteristik Penyelaman Kapal
Ciri-ciri penyelaman merupakan gambaran kondisi teknis penyelaman kapal, atau bisa dikatakan kemampuan kapal selam dalam mencapai kedalaman penyelaman. Dengan menghubungkan daya apung kapal selam pada setiap kedalaman dan gaya ke bawah kapal (gaya gravitasi dan gaya selam) pada setiap kondisi sudut balik. Kemampuan kapal selam dalam menggunakan sayap/foil sebagai sistem penyelamannya dipengaruhi oleh kecepatan kapal selam dan sudut kemiringan foil, dimana semakin besar kecepatan dan sudut foil maka kemampuan kapal selam tersebut semakin dalam.
Dari gambar diatas terlihat kedalaman penyelaman yang terjadi, dimana kedalaman penyelaman dapat ditentukan oleh sudut dan kecepatan kapal. Misalnya dengan kecepatan 1 m/s dan sudut balik sirip 30o, berdasarkan grafik diperoleh kedalaman 0,940795 m atau gaya dorong 7,137 Kg. Sedangkan pergerakan kapal selam ke atas dapat dilakukan dengan cara mengurangi kecepatan atau kapal tidak bergerak (diam), pada kondisi ini gaya selam kapal selam tidak ada, sehingga yang terjadi hanya gaya gravitasi saja, sehingga kapal selam akan mengambang atau bergerak ke permukaan. .
Kesimpulan
Saran
M., 2005, “Analisis Kemiringan Sudut Dihedral Sayap Lippisch Akibat Ground Effect Menggunakan Metode CFD”, Jurnal Teknologi Mesin Bangunan Laut, Vol. “Pengembangan Kendaraan Bawah Air Tak Berawak Sebagai Sarana Pengamatan Oseanografi,” Laporan Penelitian Dosen – LPPM Universitas Hang Tuah Surabaya. Munazid, A., Winarno, A., dan Taufiqurrohman, M., “Perencanaan Kapal Ikan Bertenaga Surya Fotovoltaik Untuk Kawasan Perikanan Perairan Brondong Lamongan” Prosiding Seminar Nasional Peluang, Tantangan dan Prospek Transportasi Laut di Indonesia, Jilid 1, 5 Desember 2007, ITATS Surabaya.
Jurnal Kapal "Pengembangan Foil NACA Seri 2412 sebagai Sistem Penyelaman Model Kapal Selam", jilid 12 nr. 2, 23 Juni 2015, UNDIP Semarang. Semin, Bambang T., Yulianto D., 2005, “Analisis Pengaruh Taper Ratio Terhadap Lift Coefisien dan Drag Coefisien Terhadap Ground Effect”, Jurnal Teknologi Permesinan Bangunan Laut, Vol. Winarno, A., Munazid, A.og Taufiqurrohman, M., “Perencanaan Model Kapal Selam Dinamis Sebagai Sarana Pengamatan Bawah Air” Prosiding Seminar Nasional Peluang, Tantangan dan Prospek Transportasi Laut di Indonesia, mengikat 1, 5 desember 2007, ITATS Surabaya.
2008, “Peranan Hidrodinamika Dalam Bidang Perancangan Kapal dan Kehidupan Sehari-hari” Pidato pengukuhan Guru Besar Hidrodinamika Kapal pada Fakultas Teknologi Kelautan Institut Sepuluh Nopember Surabaya, 4 Juni 2008.
BIODATA PERSONALIAN PENELITIAN
