Bab 1 Struktur Pesawat Udara Menurut definisi FAA (Badan Penerbangan Amerika Serikat) di FAR (Federal Aviation Regulation) saat ini yang juga diadopsi oleh Indonesian CASR (Civil Aviation Safety Regulation), Part 1, Definition and Abbreviations, aircraft adalah sebuah perangkat yang digunakan atau dimaksudkan untuk digunakan dalam penerbangan. Kategori aircraft untuk sertifikasi penerbangnya dalam hal ini adalah airplane, rotorcraft, lighterthan-air, powered lift, dan glider. Part 1 tersebut juga mendefinisikan airplane/ pesawat terbang sebagai: digerakkan mesin, sayap tetap yang lebih berat dari udara, dalam penerbangannya ditahan oleh reaksi dinamis dari udara yang berlawanan arah dengan sayapnya. Bab ini menyediakan sedikit pengenalan terhadap pesawat terbang (airplane) dan komponen-komponen utamanya. KOMPONEN UTAMA Meskipun pesawat terbang dirancang untuk berbagai keperluan, kebanyakan mempunyai komponen utama yang sama satu dengan lainnya. Karakter utama dari sebuah pesawat terbang ditentukan oleh tujuan awal rancangannya. Kebanyakan struktur pesawat terdiri dari fuselage (badan pesawat), sayap, empennage (bagian belakang), roda pendaratan, dan mesin.
Komponen Utama Pesawat Udara
•
FUSELAGE Yang dimaksud dengan Fuselage adalah kabin dan atau kokpit, yang berisi kursi untuk penumpangnya
dan pengendali pesawat. Sebagai tambahan, fuselage juga bisa terdiri dari ruang kargo dan titik-titik penghubung bagi komponen utama pesawat yang lainnya. Beberapa pesawat menggunakan struktur open truss. Fuselage dengan tipe open truss terbentuk dari tabung baja atau aluminium. Kekuatan dan kepadatan didapat dari pengelasan tabung-tabung secara bersama yang membentuk bangun segitiga yang disebut trusses.
Warren Truss Konstruksi dari Warren truss membuat bentuk sarang dengan batang-batang longerons, juga batang diagonal dan vertikal. Untuk mengurangi berat maka pesawat kecil menggunakan tabung aluminium alloy yang di rivet atau di sekrup menjadi satu bagian dengan bagian yang berhadapan membentuk kerangka. Setelah teknologi berkembang, perancang pesawat mulai melapisi batang-batang truss untuk membuat pesawat lebih streamline, dan meningkatkan kinerja. Awalnya dengan menggunakan kain fabric, yang dapat membengkokkan logam yang ringan seperti aluminium. Dalam beberapa keadaan, kulit luar dapat mendukung semua atau sebagian dari beban yang ditanggung oleh pesawat. Sebagian besar pesawat modern menggunakan struktur kulit yang diketatkan (stressed) yang dikenal dengan nama konstruksi monocoque atau semi-monocoque. Rancangan monocoque menggunakan kulit (logam) yang diketatkan untuk menanggung semua beban (load). Ini adalah struktur yang sangat kuat tapi tidak bisa mentoleransi kerusakan berupa goresan atau penyok (berubah/deformasi). Karakteristik ini dapat dijelaskan dengan menggunakan kaleng aluminium tipis minuman ringan. Kita dapat menekan kaleng tersebut dengan kuat tanpa merusak kaleng. Tapi kalau kaleng tersebut sudah penyok sedikit saja, maka akan lebih mudah untuk membengkokkannya.
Konstruksi Monocoque Konstruksi monocoque yang sebenarnya terdiri dari kulit, former (pembentuk) dan bulkhead (penahan).
Former dan bulkhead memberi bentuk pada fuselage. Karena tidak ada kerangka maka kulit haruslah cukup kuat untuk menjaga kepadatan/kekuatan fuselage. Jadi, masalah yang cukup penting dalam konstruksi monocoque adalah menjaga konstruksi agar cukup kuat sementara berat juga harus diperhatikan agar tidak melebihi batasan. Karena batasan inilah maka struktur semi-monocoque digunakan di banyak pesawat masa kini. Sistem semi-monocoque menggunakan sub-struktur dimana kulit pesawat ditempelkan. Sub-struktur ini, yang terdiri dari bulkhead dan/atau former terbuat dari berbagai ukuran dan kerangka, memperkuat kulit pesawat dengan menyerap sebagian dari gaya beban dari fuselage. Bagian utama dari fuselage juga termasuk titik sambungan sayap dan sebuah firewall.
Konstruksi Semi-monocoque Pada pesawat bermesin tunggal, mesinnya biasanya disambungkan di depan fuselage. Ada pembatas tahan-api di antara bagian belakang mesin dengan kokpit atau kabin untuk melindungi penerbang dan penumpangnya dari api akibat kecelakaan. Pembatas inilah yang disebut dengan firewall dan biasanya dibuat dari material tahan panas seperti baja.
•
SAYAP Sayap adalah airfoil yang disambungkan di masing-masing sisi fuselage dan merupakan permukaan
yang mengangkat pesawat di udara. Terdapat berbagai macam rancangan sayap, ukuran dan bentuk yang digunakan oleh pabrik pesawat. Setiap rancangan sayap memenuhi kebutuhan dari kinerja yang diharapkan untuk rancangan pesawat tertentu. Bagaimana sayap dapat membuat gaya angkat (lift) akan diterangkan di bab terkait. Sayap dapat dipasang di posisi atas, tengah atau bawah dari fuselage. Rancangan ini disebut high-, middan low-wing. Jumlah sayap juga berbeda-beda. Pesawat terbang dengan satu set sayap disebut monoplane, sedangkan pesawat terbang dengan dua set sayap disebut biplane.
Monoplane dan biplane Banyak pesawat dengan sayap di atas (high-wing) mempunyai tiang penahan di luar atau disebut dengan wing-strut yang menyerap beban penerbangan dan pendaratan dari strut ke struktur fuselage. Karena biasanya wing-strut ini tersambung di tengah sayap, tipe struktur sayap ini disebut semi-cantilever. Beberapa high-wing dan sebagian besar low-wing mempunyai rancangan full-cantilever yang dirancang untuk menahan beban tanpa tambahan strut di luarnya. Struktur utama dari bagian sayap adalah spar, rib dan stringer. Semua itu kemudian diperkuat oleh truss, Ibeam, tabung atau perangkat lain termasuk kulit pesawat. Rib menentukan bentuk dan ketebalan dari sayap (airfoil). Pada sebagian besar pesawat modern, tanki bahan bakar biasanya adalah bagian dari struktur sayap atau tangki yang fleksibel yang dipasang di dalam sayap.
Komponen sayap Di sisi belakang atau trailing edge dari sayap, ada 2 tipe permukaan pengendali (control surface) yang disebut aileron dan flap. Aileron (kemudi guling) biasanya dimulai dari tengah-tengah sayap ke ujung luar sayap (wingtip) dan bekerja dengan gerakan yang berlawanan untuk membuat gaya aerodinamis yang membuat pesawat untuk berguling ke kiri atau ke kanan. Sedangkan flap biasanya dari dekat fuselage ke arah luar sampai tengah-tengah sayap. Flap biasanya sama rata dengan permukaan sayap pada waktu pesawat sedang menjelajah. Pada waktu diturunkan, flap bergerak dengan arah yang sama ke bawah untuk menambah gaya angkat sayap pada waktu lepas landas dan mendarat.
•
EMPENNAGE Nama yang benar untuk bagian ekor dari pesawat adalah empennage. Empennage terdiri dari seluruh
ekor pesawat, termasuk permukaan yang tetap/diam seperti vertical stabilizer dan horizontal stabilizer. Sedangkan permukaan yang bergerak termasuk rudder, elevator, dan satu atau lebih trim tab.
Komponen Empennage
Tipe kedua dari rancangan empennage tidak membutuhkan elevator. Tapi merupakan satu kesatuan dari horizontal stabilizer yang dapat berputar di pusat engselnya. Tipe ini disebut stabilator dan digerakkan dengan menggunakan batang kemudi, seperti halnya jika kita menggerakkan elevator. Sebagai contoh, jika kita menarik batang kemudi, maka stabilator akan berputar sehingga bagian belakang (trailing edge) akan terangkat. Hal ini menyebabkan beban aerodinamis di ekor dan menyebabkan hidung pesawat bergerak naik. Stabilator mempunyai anti-servo tab yang terpasang di trailing edge. Anti-servo tab bergerak dengan gerakan yang sama dengan trailing edge dari stabilator . Anti-servo tab juga berfngsi sebagai trim tab untuk mengurangi beban tekanan pada kemudi dan membantu stabilator untuk tetap pada posisi yang diinginkan.
Komponen Stabilator
•
RUDDER Rudder tersambung di bagian belakang dari vertical stabilizer. Selama penerbangan, rudder digunakan
untuk menggerakkan hidung pesawat ke kanan dan ke kiri. Rudder digunakan bersama dengan aileron untuk belok selama penerbangan. Sedangkan elevator yang terpasang di bagian belakang horizontal stabilizer digunakan untuk menggerakkan hidung pesawat naik dan turun selama penerbangan. Trim tab berukuran kecil dan bagian yang dapat digerakkan dari trailing edge-nya kemudi. Trim tab yang dapat digerakkan dari kokpit mengurangi tekanan pada kemudi. Trim tab dapat terpasang pada aileron, rudder dan/atau elevator.
•
LANDING GEAR Landing gear/ roda pesawat adalah penopang utama pesawat pada waktu parkir, taxi (bergerak di
darat), lepas landas atau pada waktu mendarat. Tipe paling umum dari landing gear terdiri dari roda, tapi pesawat terbang juga dapat dipasangi float (pelampung) untuk beroperasi di atas air atau ski, untuk mendarat di salju. Landing gear terdiri dari 3 roda, dua roda utama dan roda ketiga yang bisa berada di depan atau di belakang pesawat. Landing gear yang memakai roda dibelakang disebut conventional wheel. Pesawat terbang dengan conventional wheel juga kadang-kadang disebut dengan pesawat tailwheel. Jika roda ketiga bertempat di hidung pesawat, ini disebut nosewheel, dan rancangannya disebut tricycle gear. Nosewheel atau tailwheel yang dapat dikemudikan membuat pesawat dapat dikendalikan pada waktu beroperasi di darat.
Landing Gear
•
POWER PLANT Power plant biasanya termasuk mesin dan baling-baling. Fungsi utama dari mesin adalah menyediakan
tenaga untuk memutar baling-baling. Mesin juga menghasilkan tenaga listrik, sumber vakum untuk beberapa instrumen pesawat, dan di sebagian besar pesawat bermesin tunggal, menyediakan pemanas untuk penerbang dan penumpangnya. Mesin ditutup oleh cowling atau di beberapa pesawat dikelilingi oleh nacelle. Maksud dari cowling atau nacelle adalah untuk membuat streamline aliran udara yang mengalir di sekitar mesin dan membantu mendinginkan mesin dengan mengalirkan udara di sekitar silinder. Baling-baling, yang terpasang di depan mesin, mengubah putaran mesin menjadi gaya yang bergerak ke depan yang disebut thrust yang membantu menggerakkan pesawat melewati udara.
Power Plant
Bab 2 Prinsip Penerbangan •
STRUKTUR ATMOSFIR Atmosfir tempat dimana sebuah penerbangan dilakukan adalah gumpalan udara yang mengelilingi bumi
dan melekat di permukaannya. Jumlah udaranya juga sebanyak jumlah daratan dan lautan. Tapi, bagaimanapun, udara berbeda dari daratan dan lautan karena terdiri dari campuran banyak gas. Udara memiliki massa, berat dan bentuk yang tak tetap. Udara seperti halnya fluida lain, mempunyai kemampuan untuk mengalir dan berubah bentuk ketika harus menyeimbangkan perbedaan tekanan yang kecil sekalipun, karena kurangnya kohesi molekul. Sebagai contoh, gas akan memenuhi sebuah bejana tempat dia ditaruh, mengembang atau mengkerut untuk menyesuaikan bentuknya dengan dibatasi oleh bentuk bejana tersebut. Atmosfir terdiri dari 78 persen nitrogen, 21 persen oksigen dan 1 persen gas-gas yang lainnya, seperti argon dan helium. Karena beberapa unsur lebih berat dari yang lainnya, maka ada kecenderungan alami bagi unsur yang lebih berat seperti oksigen untuk berada di permukaan bumi, sedangkan unsur yang lebih ringan akan terangkat ke bagian yang lebih tinggi. Hal ini menerangkan mengapa sebagian besar oksigen berada di bawah ketinggian 35000 kaki. Karena udara memiliki massa dan berat, maka ia disebut benda, dan sebagai sebuah benda maka ia akan bereaksi pada hukumhukum fisik seperti halnya benda gas yang lain. Karena memiliki berat di permukaan bumi, maka udara memberikan tekanan ratarata 14.7 pon (lbs) pada setiap inci persegi, atau 22,92 inci dari air raksa- tapi karena ketebalannya terbatas, makin tinggi makin berkurang udara di atas. Karena alasan ini maka berat atmosfir di ketinggian 18000 kaki hanyalah setengah dari beratnya di permukaan laut. Tekanan Atmosfir Meskipun banyak sekali macamnya tekanan, diskusi ini terutama berisi tentang tekanan atmosfir. Tekanan atmosfir ini adalah faktor penting dari perubahan cuaca, membantu mengangkat pesawat, dan menggerakkan beberapa instrumen penerbangan penting dalam pesawat udara. Instrumen-instrumen ini adalah altimeter (penunjuk ketinggian), indikator airspeed (kecepatan udara), indikator rate-of-climb (kecepatan menanjak), dan penunjuk tekanan manifold. Meskipun udara sangat ringan, tapi memiliki massa dan dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Maka, udara juga seperti halnya benda lain, memiliki berat dan memiliki gaya. Karena udara merupakan zat cair, maka gaya yang dimilikinya bekerja secara sama-rata ke semua arah, dan efek gayanya pada udara disebut tekanan (pressure). Pada kondisi baku di permukaan laut, rata-rata tekanan yang diterima pada tubuh manusia oleh atmosfir adalah sekitar 14,7 pon/inci. Kepadatan udara mempunyai efek yang berarti pada kemampuan pesawat terbang. Jika
udara berkurang kepadatannya maka akan berakibat berkurangnya: 1. tenaga, karena mesin mendapatkan udara yang lebih sedikit, 2. thrust (gaya dorong) karena efisiensi baling-baling menjadi berkurang pada udara tipis, 3. lift (gaya angkat) karena udara tipis memberikan gaya yang lebih sedikit pada airfoil. Efek tekanan pada kepadatan udara Karena udara adalah gas, maka dapat ditekan atau dikembangkan. Pada waktu udara ditekan, jumlah udara yang lebih banyak dapat menempati sebuah volume. Sebaliknya pada waktu tekanan di sebuah volume udara berkurang, udara mengembang dan menempati tempat yang lebih besar. Maka, sejumlah udara pada tekanan yang lebih rendah berisi udara dengan massa yang lebih rendah. Dengan kata lain, kepadatannya berkurang. Pada kenyataannya kepadatan adalah berbanding lurus secara proporsional dengan tekanan. Jika tekanan bertambah dua kali maka kepadatan akan bertambah dua kali, dan jika tekanan dikurangi maka kepadatan juga akan berkurang. Hal ini benar hanya jika pada suhu yang tetap. Efek suhu pada kepadatan udara Efek dari bertambahnya suhu pada sebuah benda adalah berkurangnya kepadatan. Sebaliknya, berkurangnya suhu menambah kepadatan. Maka, kepadatan udara berubah-ubah secara terbalik dengan perubahan suhu. Pernyataan ini hanya benar pada nilai tekanan yang konstan. Di atmosfir, suhu dan tekanan, keduanya berkurang sesuai dengan bertambahnya ketinggian, dan memiliki efek dengan kepadatan udara. Bagaimanapun, jatuhnya tekanan pada ketinggian yang bertambah, mempunyai efek yang dominan. Kepadatan juga dapat diperkirakan menurun jika ketinggian bertambah. Efek kelembaban udara Pada paragraf sebelumnya diasumsikan bahwa udara kering sempurna. Pada kenyataannya, udara tidak pernah benar-benar kering. Sejumlah kecil uap air terdapat dalam atmosfir hampir dapat diabaikan pada kondisi-kondisi tertentu, tapi pada kondisi yang lain kelembaban udara dapat menjadi faktor penting pada kinerja pesawat udara. Uap air lebih ringan dari udara, konsekwensinya, udara basah lebih ringan daripada udara kering. Udara basah paling ringan atau paling renggang pada waktu, - dengan kondisi tertentu-, mengandung jumlah maksimum uap air. Makin tinggi suhu, makin banyak jumlah uap air yang dapat dibawa oleh udara. Ketika membandingkan dua massa udara yang berbeda, yang pertama hangat dan basah (keduanya cenderung meringankan udara) dan kedua adalah dingin dan kering (keduanya memperberat udara), contoh yang pertama pasti lebih renggang dari yang kedua. Tekanan, suhu, dan kelembaban mempunyai pengaruh besar pada kinerja pesawat terbang, karena efek mereka pada kepadatan udara.
•
HUKUM NEWTON TENTANG GERAK DAN GAYA
Pada abad ke 17, seorang filosof dan ahli matematika, Sir Isaac Newton, mengemukakan 3 hukum dasar tentang gerak. Memang pada saat itu dia tidak memikirkan tentang pesawat terbang, tapi semua yang kita tahu tentang gerakan mengacu pada tiga hukum dasarnya. Hukum ini, yang disebut hukum Newton adalah sebagai
berikut: Hukum pertama Newton: Sebuah benda yang diam akan tetap diam, dan sebuah benda yang bergerak akan cenderung tetap bergerak dengan kecepatan dan arah yang sama. Dengan sederhana, secara alami, tak ada yang mulai atau berhenti bergerak sampai ada gaya dari luar benda tersebut yang menyebabkan benda tersebut bergerak atau berhenti bergerak. Sebuah pesawat yang parkir di ramp akan tetap diam sampai ada sebuah gaya yang cukup untuk melawan inersia diberikan pada pesawat tersebut. Begitu pesawat tersebut bergerak, maka inersia yang dimiliki menjaga pesawat agar tetap bergerak, tergantung juga dari bermacam-macam gaya yang bekerja pada pesawat tersebut. Gaya-gaya tersebut mungkin menambah gerakan pesawat, atau memperlambat atau mengubah arah pesawat. Hukum kedua Newton mengatakan, jika sebuah benda diberikan aksi oleh sebuah gaya yang konstan, hasilnya adalah akselerasi kebalikan yang proporsional dengan massa benda tersebut dan searah dengan gaya yang diberikan. (Dalam bahasa sederhananya: Percepatan sebuah benda yang diberi gaya adalah sebanding dengan besar gaya dan berbanding terbalik dengan massa benda. Editor). Yang sedang dibahas di sini adalah faktor-faktor yang terlibat dalam mengatasi Hukum Newton yang pertama, hukum inersia. Hukum ini meliputi kedua perubahan yaitu arah dan kecepatan, termasuk mulai bergerak dari posisi diam (akselerasi positif) dan berhenti dari posisi bergerak (akselerasi negatif atau deselerasi). Hukum ketiga Newton menyatakan bahwa: ketika sebuah benda memberikan gaya pada benda lain, benda kedua akan memberikan gaya pada benda pertama, dengan sebuah gaya dengan kekuatan yang sama tapi berbeda arah. Senapan yang terhentak ke belakang pada waktu ditembakkan adalah contoh yang jelas dari hukum Newton yang ketiga ini. Perenang lomba yang menekan tembok kolam renang pada waktu berbalik, atau seorang balita yang belajar berjalan adalah fenomena yang diterangkan oleh hukum ini. Pada sebuah pesawat, baling-baling bergerak dan menekan udara ke belakang, akibatnya udara menekan baling-baling (juga pesawatnya) pada arah yang berlawanan- ke depan. Pada sebuah pesawat jet, mesin menghembus tekanan udara panas ke belakang, gaya yang sama dan dengan arah kebalikannya menekan kembali mesin dan menekan pesawat ke depan. Gerakan dari semua kendaraan adalah gambaran yang jelas dari hukum ketiga Newton.
•
EFEK MAGNUS Penjelasan tentang gaya angkat (lift) dapat dijelaskan dengan melihat pada sebuah silinder yang
berputar di aliran udara. Kecepatan lokal di dekat silinder adalah terdiri dari kecepatan aliran udara dan kecepatan putaran silinder, yang berkurang jika jaraknya makin jauh dari silinder. Pada sebuah silinder yang berputar dengan bagian atas bergerak searah dengan aliran udara, maka kecepatan udara setempat di bagian atas akan lebih cepat dari pada di bagian bawah.
Seperti terlihat dalam gambar, di titik “A”, sebuah titik stagnasi terbentuk di mana
aliran
udara
yang
mengenai
permukaan terpisah, sebagian ke atas dan sebagian ke bawah. Titik stagnasi yang lain adalah titik “B” ketika kedua aliran udara bergabung dan melanjutkan dengan
kecepatan
Sekarang
kita
yang
memiliki
sama.
'upwash'
di
depan silinder berputar tersebut dan 'downwash' di belakang. Perbedaan kecepatan di permukaan melibatkan perbedaan tekanan, dengan tekanan yang lebih rendah di atas dibandingkan dengan tekanan yang ada di bawah. Daerah bertekanan rendah mengakibatkan
gaya
ke
atas
yang
dikenal dengan “Efek Magnus”. Sirkulasi udara yang disebabkan secara mekanis menggambarkan hubungan antara sirkulasi dan gaya angkat (lift). Sebuah airfoil dengan angle of attack yang positif membentuk sirkulasi udara pada waktu ujung sayap belakang (trailing edge) yang tajam memaksa titik stagnasi di belakang “trailing edge” sedangkan
titik
stagnasi
depan di bawah “leading edge” (ujung sayap bagian depan).
•
PRINSIP TEKANAN BERNOULLI Setengah abad setelah Sir Newton memaparkan hukumnya, Daniel Bernoulli, seorang ahli matematika
dari Swiss, menerangkan bagaimana tekanan dari sebuah fluida yang bergerak (cairan ataupun gas) berubahubah sesuai dengan kecepatan dari gerakan. Secara khusus, dia menyatakan bahwa pertambahan kecepatan atau aliran akan menyebabkan pengurangan dari tekanan fluida tersebut. Hal inilah yang terjadi pada udara yang lewat di atas sayap pesawat yang melengkung. Sebuah analogi yang tepat bisa dibuat dari air yang mengalir melewati selang air. Air yang mengalir melalui selang dengan garis tengah (diameter) yang tetap (konstan) akan mendesak dengan tekanan yang sama di seluruh selang, tapi kalau diameter sebagian dari selang ditambah atau dikurangi, maka hal tersebut akan mengubah tekanan dari air di titik tersebut. Jika misalnya selang tersebut ditekan dengan jari di satu tempat, maka akan membatasi daerah yang dialiri oleh air. Dengan asumsi volume yang sama dari air mengalir melalui bagian selang yang ditekan tersebut pada perioda waktu yang sama sebelum selang ditekan, maka kecepatan aliran air akan bertambah di titik tersebut. Maka jika ada bagian dari selang yang mengkerut, maka hal tersebut tidak hanya menambah kecepatan aliran tapi juga mengurangi tekanan di titik tersebut. Hasil yang sama dapat dihasilkan jika sebuah benda padat dengan bentuk yang streamline (airfoil) dikenakan pada selang tersebut. Prinsip yang sama ini adalah dasar dari pengukuran kecepatan udara (aliran fluida) dan untuk analisa kemampuan airfoil untuk membuat daya angkat. Sebuah aplikasi praktis dari teori Bernoulli adalah tabung venturi. Tabung venturi mempunyai saluran masuk yang menyempit di lehernya (titik yang mengkerut) dan sebuah saluran keluar yang diameternya membesar di belakangnya. Diameter saluran masuk sama dengan diameter saluran keluar. Di lehernya, aliran udara menjadi semakin cepat dan tekanan berkurang, di saluran keluar, aliran udara melambat dan tekanan bertambah. Jika udara dianggap sebagai sebuah benda dan disetujui bahwa udara mengikuti hukum di atas maka kita dapat mulai melihat bagaimana dan kenapa sebuah sayap pesawat dapat menghasilkan daya angkat sewaktu sayap pesawat tersebut bergerak melalui udara.
•
RANCANGAN AIRFOIL
Di bagian yang menerangkan penemuan Newton dan Bernoulli, sudah dibahas secara umum pertanyaan bagaimana sebuah sayap pesawat dapat menerbangkan pesawat yang lebih berat daripada udara. Mungkin keterangannya dapat disederhanakan dengan konsep dasar yang menyatakan bahwa daya angkat (lift) adalah hasil dari aliran fluida (udara) di sekitar sebuah airfoil – atau dalam bahasa sehari-hari. Hasil dari airfoil (sayap) yang bergerak (dengan cara apapun) di udara. Karena airfoil yang menghasilkan gaya dengan gerakannya melalui udara, diskusi dan keterangan dari struktur airfoil ini, seperti halnya beberapa materi yang diterangkan pada diskusi awal mengenai teori Newton dan Bernoulli akan dipaparkan juga. Sebuah struktur airfoil dirancang untuk mendapat reaksi pada permukaannya dari udara yang mengalir melalui sebuah struktur. Udara beraksi dengan berbagai cara ketika diberikan tekanan dan kecepatan yang berbeda-beda, tapi diskusi akan dibatasi pada bagian yang sangat cukup penting bagi penerbang dalam penerbangan, yaitu airfoil yang dirancang untuk menghasilkan gaya angkat. Dengan melihat pada bentuk airfoil yang umum, seperti potongan sayap, kita dapat melihat beberapa karakteristik rancangan yang jelas . Perhatikan bahwa ada perbedaan kurva dari bagian atas dan bagian bawah dari permukaan airfoil (kurva ini disebut camber). Camber dari permukaan atas lebih melengkung dibandingkan dengan permukaan bawah, yang biasanya adalah lebih datar.
Pada gambar di atas perhatikan bahwa ada dua bentuk ekstrim dari airfoil juga berbeda dalam penampilannya. Ujung yang menghadap ke arah depan yang dinamakan leading edge, dan bundar, sedangkan ujung yang lain yang disebut trailing edge, cukup sempit dan meruncing. Sebuah garis referensi yang biasanya digunakan untuk membahas airfoil adalah chord line, sebuah garis lurus yang digambar melalui bentuk airfoil dan meghubungkan ujung dari leading dan trailing edge. Jarak dari chord line ini ke bagian atas permukaan dan bagian bawah permukaan sayap menunjukkan besarnya camber bagian atas dan camber bagian bawah. Sebuah garis referensi yang lain digambar dari leading edge sampai trailing edge disebut garis camber rata-rata (mean camber line).Garis rata-rata ini adalah jarak yang sama antara semua titik dari garis permukaan/ kontur sayap. Konstruksi sayap, untuk mendapatkan aksi gaya yang lebih besar dari beratnya, dilakukan dengan membentuk sayap sedemikian rupa sehingga mengambil keuntungan dari reaksi udara terhadap hukum fisika
tertentu dan juga membuat dua aksi dari massa udara, yaitu: tekanan secara positif aksi daya angkat dari aliran udara di bawah sayap dan tekanan negatif dari aksi aliran udara di atas sayap. Ketika aliran udara menabrak permukaan bawah sayap yang relatif datar sewaktu pesawat didongakkan dengan sudut tertentu, maka udara akan dipaksa untuk bergerak ke bawah dan menghasilkan reaksi ke atas dengan gaya angkat positif, di saat yang sama aliran udara yang menabrak bagian atas dari lengkungan leading edge sayap akan dibelokkan ke atas. Dengan kata lain, sebuah bentuk sayap yang membuat aksi pada udara dan menekannya ke bawah akan membuat reaksi yang sama dari udara, yang menekan sayap ke atas. Jika sayap dibentuk sedemikian rupa sehingga menghasilkan daya angkat (lift) yang lebih besar dari berat pesawat itu sendiri, pesawat itu akan terbang. Bagaimanapun, jika semua daya angkat yang dibutuhkan bisa didapatkan dari membelokkan udara oleh permukaan bagian bawah sayap, maka sebuah pesawat hanya membutuhkan sebuah sayap yang datar seperti sebuah layangan. Hal ini, tentunya, bukanlah hal yang benar, dalam beberapa kondisi, aliran udara yang kacau yang bersirkulasi di trailing edge dari sayap dapat mengakibatkan pesawat kehilangan daya angkat dan kecepatan. Keseimbangan dari daya angkat yang dibutuhkan untuk mendukung pesawat datang dari aliran udara di atas sayap. Inilah kuncinya penerbangan. Kenyataan bahwa sebagian besar daya angkat adalah hasil dari aliran udara di atas sayap, harus benar-benar dipahami untuk meneruskan pelajaran penerbangan ini. Tidak akan ada akurat atau membuat lebih mudah, untuk membuat persentase daya angkat yang dibangkitkan oleh bagian atas airfoil dibandingkan dengan yang didapat dari bagian bawah airfoil. Hal ini karena tidak ada nilai konstan dan akan bervariasi, bukan hanya karena kondisi penerbangan, tapi juga karena berbagai rancangan sayap. Harus dimengerti bahwa airfoil yang berbeda akan mempunyai karakteristik yang berbeda pula. Beriburibu airfoil telah di tes di terowongan angin dan di penerbangan yang sesungguhnya, tapi tak ada sebuah pun airfoil yang bisa dipakai di semua kebutuhan penerbangan. Berat, kecepatan dan keperluan dari setiap pesawat akan membedakan bentuk bangun dari airfoil tersebut. Sudah dipelajari bertahun-tahun yang lalu, bahwa airfoil yang paling efisien untuk memproduksi daya angkat adalah bentuk cekung di permukaan bawah sayap. Kemudian diketahui bahwa rancangan ini mengorbankan terlalu banyak kecepatan ketika membuat daya angkat, dan tidak cocok untuk penerbangan dengan kecepatan tinggi. Juga menarik untuk dicatat, bahwa pada waktu melalui perjalanan waktu ilmu rekayasa, jet terbaru dengan kecepatan tinggi dapat mengambil keuntungan dari karakteristik daya angkat yang tinggi dari cekungan airfoil. Leading edge (Krueger) flaps dan trailing edge (Fowler) flaps ketika dikeluarkan dari struktur dasar sayap, secara harfiah mengubah bentuk airfoil kembali pada bentuk klasik cekung, yang membuat daya angkat lebih pada kecepatan rendah. Di lain sisi, sebuah airfoil yang streamline sempurna dan mempunyai tahanan angin yang rendah, kadang-kadang tidak memiliki cukup daya angkat untuk mengangkat pesawat dari permukaan bumi. Jadi pesawat modern memiliki airfoil yang rancangannya sangat ekstrim, dengan bentuk berbeda berdasarkan untuk keperluan apa pesawat itu dirancang. Gambar berikut memperlihatkan beberapa bentuk airfoil.
•
TEKANAN RENDAH DI ATAS PERMUKAAN AIRFOIL Di terowongan angin atau pada sebuah penerbangan, sebuah airfoil secara sederhana
adalah sebuah objek streamline yang disisipkan pada aliran udara yang bergerak. Jika airfoilnya berbentuk tetesan air maka perubahan kecepatan dan tekanan dari aliran udara yang melewati bagian atas dan bawah akan sama di kedua sisi. Tapi kalau bentuk tetesan air itu dipotong di tengah dengan sama rata, hasilnya adalah sebuah bentuk sederhana airfoil (sayap). Jika airfoil itu dinaikkan (mendongak) maka aliran udara akan menabrak dengan sebuah sudut tertentu (angle of attack), molekul udara yang bergerak melewati permukaan atas akan dipaksa untuk bergerak dengan kecepatan yang lebih tinggi dibandingkan dengan molekul udara yang bergerak di bawah airfoil, hal ini karena molekul di atas harus menjalani jarak yang lebih jauh karena lengkungan dari permukaan yang di atas. Pertambahan kecepatan ini mengurangi tekanan di atas airfoil. Prinsip Bernoulli sendiri tidak menjelaskan tentang distribusi tekanan di atas permukaan airfoil. Diskusi tentang pengaruh momentum dari udara pada waktu mengalir melalui kurva yang berbeda-beda di dekat airfoil akan dikemukakan. Momentum adalah resistansi dari sebuah benda yang bergerak ketika arah dan besar gerakannya diubah. Ketika setiap benda dipaksa untuk bergerak dalam gerakan melingkar, benda tersebut akan memberikan reaksi resistansi dengan arah keluar yang berlawanan dengan pusat putaran. Ini disebut
•
GAYA SENTRIPUGAL
Ketika partikel udara bergerak dengan arah melengkung AB, gaya sentrifugal cenderung membuangnya ke arah panah antara A dan B, sehingga, menyebabkan udara untuk mendesak lebih dari tekanan normal di leading edge-nya airfoil. Tapi setelah partikel udara melewati titik B (titik berbalik arah dari arah lengkungan/kurva) gaya sentrifugal cenderung untuk membuang partikel pada arah panah antara B dan C (menyebabkan berkurangnya tekanan pada airfoil). Efek ini berlaku sampai partikel udara mencapai titik C, titik kedua berbalik arah dari lengkungan aliran udara. Kembali lagi, gaya sentrifugal dibalikkan dan partikel udara cenderung untuk memberi sedikit lebih tekanan dari normal pada trailing edge dari airfoil tersebut, sebagaimana digambarkan dengan panah pendek antara C dan D.
Maka dari itu, tekanan udara dari permukaan bagian atas airfoil disebarkan sehingga tekanan lebih besar di leading edge daripada tekanan atmosfir sekitarnya, menyebabkan tahanan yang kuat pada gerakan ke depan, tapi tekanan udara lebih sedikit daripada tekanan atmosfir sekitarnya di sebagian besar permukaan atas (B ke C). Seperti terlihat pada penggunaan teori Bernoulli pada sebuah bejana venturi, pertambahan kecepatan udara pada bagian atas dari airfoil menyebabkan turunnya tekanan. Tekanan yang turun ini adalah salah satu komponen dari total daya angkat. Tapi adalah sebuah kesalahan untuk berasumsi bahwa perbedaan tekanan antara permukaan bagian atas dan bagian bawah tersebut adalah satu-satunya hasil total dari produksi daya angkat. Kita juga harus ingat bahwa turunnya tekanan berhubungan dengan downwash, gaya turun ke belakang yang mengalir dari permukaan atas dari sayap. Seperti terlihat dari diskusi sebelumnya yang berhubungan dengan aksi dinamis dari udara pada saat udara mengenai permukaan bawah dari sayap, reaksinya dari aliran ke belakang dan ke bawah menghasilkan gaya ke atas dan ke depan pada sayap. Reaksi yang sama berlaku pada aliran udara melewati permukaan atas airfoil seperti yang terjadi dibawahnya, dan hukum Newton ketiga kembali dalam gambaran.
•
TEKANAN TINGGI DI BAWAH AIRFOIL Dalam bagian tentang hukum Newton yang berlaku pada gaya angkat, juga telah
didiskusikan bagaimana sejumlah daya angkat dihasilkan oleh kondisi tekanan di bawah sayap. Karena sifat udara yang mengalir di bawah sayap, sebuah tekanan positif dihasilkan,
terutama pada angle of attack yang tinggi. Tapi ada aspek lain dari aliran udara ini yang harus dipelajari. Pada sebuah titik di dekat leading edge, aliran udara pada hakekatnya sebenarnya berhenti (stagnation point) dan dengan bertahap kecepatannya akan bertambah. Di titik yang sama di trailing edge, kembali lagi aliran udara itu mencapai kecepatan yang sama dengan kecepatan aliran udara di permukaan atasnya. Sesuai dengan prinsip Bernoulli, ketika aliran udara makin pelan di bawah sayap, sebuah tekanan positif ke atas terjadi menekan sayap, jika kecepatan fluida berkurang, tekanan harus bertambah. Pada dasarnya, hal ini hanyalah “memperkuat tekanan positif” karena kejadian ini menambah perbedaan tekanan antara permukaan atas dan bawah dari airfoil, sehingga menambah total daya angkat dibandingkan jika tidak ada penambahan tekanan di bagian bawah permukaan. Kedua prinsip Bernoulli dan hukum Newton bekerja jika daya angkat diproduksi oleh sebuah airfoil. Aliran fluida atau dalam hal ini aliran udara adalah dasar dari penerbangan sebuah pesawat terbang dan merupakan produksi dari kecepatan pesawat terbang tersebut. Kecepatan dari pesawat sangat penting untuk penerbang karena hal tersebut mempengaruhi gaya angkat dan gaya tahanan (drag) dari pesawat. Penerbang menggunakan kecepatan pesawat (airspeed) untuk terbang dengan sudut melayang (glide angle) yang minimum, pada waktu terbang (endurance) yang maksimum, dan untuk sejumlah gerakan manuver penerbangan. Airspeed adalah kecepatan dari pesawat relatif terhadap massa udara tempat pesawat tersebut terbang.
•
PENYEBARAN TEKANAN Dari percobaan yang dilakukan pada model di terowongan angin dan pada pesawat
sebenarnya, telah diketahui bahwa pada waktu udara mengalir sepanjang permukaan dari sebuah sayap dengan angle of attack yang berbeda-beda, maka ditemukan bagian-bagian sepanjang permukaan di mana tekanannya adalah negatif atau kurang dari tekanan atmosfir dan juga bagian-bagian dengan tekanan positif atau lebih besar dari tekanan atmosfir. Tekanan negatif pada permukaan atas sayap membuat gaya yang lebih besar dari pada tekanan positif yang mengenai permukaan bawah sayap. Gambar di bawah menunjukkan penyebaran tekanan sepanjang airfoil pada 3 angle of attack yang berbeda-beda. Pada umumnya, pada angle of attack yang besar, pusat tekanan (Center of Pressure) pindah ke depan sedangkan pada angle of attack yang kecil pusat tekanan berpindah ke bagian belakang. Dalam rancangan struktur sayap, pergeseran pusat tekanan ini sangat penting, karena mempengaruhi posisi beban udara yang ditanggung oleh sayap pada keadaan angle of attack yang kecil dan angle of attack yang besar.
Keseimbangan aerodinamis dan kemampuan kendali diatur oleh perbedaan dari pusat tekanan. Pusat tekanan ditentukn oleh perhitungan dan percobaan di terowongan angin dengan cara memberikan angle of attack yang berbeda-beda pada airfoil di sepanjang jangkauan kerja normal. Pada waktu angle of attack diubah, karakteristik penyebaran tekanan juga berubah. Gaya tekanan positif (+) dan negatif (–) dijumlahkan pada setiap nilai angle of attack dan didapat resultan hasilnya. Total resultan tekanan diperlihatkan oleh vektor resultan gaya pada gambar di bawah.
Tujuan dari penerapan vektor gaya ini adalah istilah “pusat tekanan” atau “Center of Pressure” (CP). Pada nilai tertentu dari angle of attack, CP adalah titik di mana gaya resultan menyeberangi chord line. Titik ini dinyatakan dalam persentase chord dari airfoil tersebut. Sebuah CP pada 30% dari sebuah chord yang panjangnya 60 inci adalah 18 inci dari bagian belakang ujung sayap (trailing edge). Maka akan terlihat bahwa seorang perancang pesawat akan menempatkan sayap sehingga pusat tekanan (CP) akan berada pada Center of Gravity (CG), pesawat akan selalu seimbang. Kesulitan akan timbul karena lokasi dari CP akan berubah sesuai dengan angle of attack dari pesawat tersebut.
Pada sikap (attitude) pesawat yang normal, jika angle of attack ditambah maka CP bergerak maju ke depan dan jika angle of attack dikurangi CP akan bergerak mundur ke belakang. Karena Center of Gravity adalah titik yang tetap pada tempatnya, maka telah terbukti bahwa pada saat angle of attack bertambah, Center of Lift (CL) bergerak maju di depan Center of Gravity, membuat gaya yang cenderung menaikkan hidung pesawat atau cenderung menaikkan angle of attack ke nilai yang lebih tinggi. Di sisi lain, jika angle of attack
dikurangi, Center of Lift (CL) bergerak ke belakang dan cenderung banyak mengurangi angle of attack. Di sini terlihat, bahwa airfoil yang umum adalah tidak stabil (unstable) dan sebuah alat tambahan seperti permukaan ekor yang horisontal, perlu ditambahkan untuk membuat pesawat seimbang secara longitudinal. Keseimbangan pesawat dalam sebuah penerbangan bergantung pada posisi relatif Center of Gravity (CG) dan Center of Pressure (CP) dari airfoil. Pengalaman telah memperlihatkan bahwa pesawat dengan Center of Gravity di sekitar 20 persen dari chord sayap dapat dibuat untuk menyeimbangkan pesawat dan terbang dengan memuaskan. Sayap yang meruncing (tapered) mewakili berbagai macam bentuk chord sayap sepanjang sayap (wing span). Hal yang lain kemudian menjadi penting untuk menentukan dari beberapa bentuk chord bagaimana menyatakan titik keseimbangan. Chord ini yang dikenal dengan Mean Aerodynamic Chord (MAC), biasanya didefinisikan sebagai chord dari sayap khayalan yang untapered, yang akan mempunyai karakteristik Center of Pressure yang sama seperti sayap sebenarnya. Muatan pesawat dan penyebaran berat juga mempengaruhi Center of Gravity dan menyebabkan gaya tambahan yang pada gilirannya mempengaruhi keseimbangan pesawat.
Bab 3a Aerodinamika Penerbangan
Gaya-gaya yang bekerja pada pesawat terbang Dari beberapa hal, bagusnya kinerja penerbang dalam sebuah penerbangan bergantung pada kemampuan untuk merencanakan dan berkordinasi dengan penggunaan tenaga (power) dan kendali pesawat untuk mengubah gaya dari gaya dorong (thrust), gaya tahan (drag), gaya angkat (lift) dan berat pesawat (weight). Keseimbangan dari gaya-gaya tersebutlah yang harus dikendalikan oleh penerbang. Makin baik pemahaman dari gaya-gaya dan cara mengendalikannya, makin baik pula ketrampilan seorang penerbang. Berikut ini hal-hal yang mendefinisikan gaya-gaya tersebut dalam sebuah penerbangan yang lurus dan datar, tidak berakselerasi (stright and level, unaccelerated).
•
Thrust, adalah gaya dorong, yang dihasilkan oleh mesin (powerplant)/baling-baling. Gaya ini kebalikan dari gaya tahan (drag). Sebagai aturan umum, thrust beraksi paralel dengan sumbu longitudinal. Tapi sebenarnya hal ini tidak selalu terjadi, seperti yang akan dijelaskan kemudian.
•
Drag, adalah gaya ke belakang, menarik mundur, dan disebabkan oleh gangguan aliran udara oleh sayap, fuselage, dan objek-objek lain. Drag kebalikan dari thrust, dan beraksi kebelakang paralel dengan arah angin relatif (relative wind).
•
Weight, gaya berat adalah kombinasi berat dari muatan pesawat itu sendiri, awak pesawat, bahan bakar, dan kargo atau bagasi. Weight menarik pesawat ke bawah karena gaya gravitasi. Weight
melawan lift (gaya angkat) dan beraksi secara vertikal ke bawah melalui center of gravity dari pesawat.
•
Lift, (gaya angkat) melawan gaya dari weight, dan dihasilkan oleh efek dinamis dari udara yang beraksi di sayap, dan beraksi tegak lurus pada arah penerbangan melalui center of lift dari sayap. Pada penerbangan yang stabil, jumlah dari gaya yang saling berlawanan adalah sama dengan nol.
Tidak akan ada ketidakseimbangan dalam penerbangan yang stabil dan lurus (Hukum ketiga Newton). Hal ini berlaku pada penerbangan yang mendatar atau mendaki atau menurun. Hal ini tidak sama dengan mengatakan seluruh keempat gaya adalah sama. Secara sederhana semua gaya yang berlawanan adalah sama besar dan membatalkan efek dari masing-masing gaya. Seringkali hubungan antara keempat gaya ini diterangkan dengan salah atau digambarkan dengan sedemikian rupa sehingga menjadi kurang jelas. Perhatikan gambar berikut sebagai contoh. Pada ilustrasi di bagian atas, nilai dari semua vektor gaya terlihat sama. Keterangan biasa pada umumnya akan mengatakan (tanpa menyatakan bahwa thrust dan drag tidak sama nilainya dengan weight dan lift) bahwa thrust sama dengan drag
dan
lift
sama
dengan
weight
seperti
yang
diperlihatkan di ilustrasi di bawah. Pada dasarnya ini adalah pernyataan yang benar yang harus
benar-benar
dimengerti
atau
akan
memberi
pengertian yang menyesatkan. Harus dimengerti bahwa dalam penerbangan yang lurus dan mendatar (straight and level),-tidak berakselerasi-, adalah benar gaya lift/weight yang saling berlawanan adalah sama, tapi kedua gaya itu juga lebih besar dari gaya berlawanan thrust/drag yang juga sama nilainya diantara keduanya, bukan dibandingkan dengan lift/weight. Untuk kebenarannya, harus dikatakan bahwa dalam keadaan stabil (steady):
1. Jumlah gaya ke atas (tidak hanya lift) sama dengan jumlah gaya ke bawah (tidak hanya weight) 2. Jumlah gaya dorong (tidak hanya thrust) sama dengan jumlah gaya ke belakang (tidak hanya drag) Perbaikan dari rumus lama yang mengatakan “thrust sama dengan drag dan lift sama dengan weight” ini juga mempertimbangkan fakta bahwa dalam climb/terbang mendaki, sebagian gaya thrust juga diarahkan ke atas, beraksi seperti gaya lift, dan sebagian gaya weight, karena arahnya yang ke belakang juga beraksi sebagai drag. Pada waktu melayang turun (glide) sebagian vektor gaya weight diarahkan ke depan, beraksi seperti gaya thrust. Dengan kata lain, jika kapan pun arah pesawat tidak horisontal maka lift, weight, thrust dan drag akan terbagi menjadi dua komponen.
Diskusi
dari
konsep
sebelumnya
sering
diabaikan dalam teks, buku-buku atau manual aeronautika. Alasannya bukan karena tidak ada konsekwensinya,
tapi
karena
mengabaikan
diskusi ini maka ide utama dari hal gaya-gaya aerodinamika
yang
bekerja
pada
sebuah
pesawat yang terbang dapat disampaikan tanpa harus
mendalami
aerodinamika.
teknisnya Dalam
seorang
ahli
kenyataannya
mempertimbangkan hanya terbang datar/level flight, dan mendaki secara normal dan meluncur dengan mantap/steady, tetaplah benar bahwa gaya angkat sayap adalah gaya ke atas yang penting, dan berat/weight adalah gaya ke bawah yang sangat penting. Seringnya, kesulitan yang dihadapi pada saat menerangkan gaya yang bekerja pada pesawat udara adalah masalah bahasa dan artinya. Contohnya, penerbang telah lama mempercayai bahwa pesawat mendaki karena kelebihan gaya angkat (excess lift). Hal ini tidak benar jika seseorang hanya memikirkan hubungannya dengan sayap saja. Tapi bagaimanapun hal ini benar, jika gaya angkat adalah penjumlahan total dari semua “gaya ke atas”. Tetapi ketika merujuk ke “gaya angkat dari thrust” definisi yang sebelumnya telah dibuat untuk gaya-gaya ini tidak berlaku lagi dan membuat lebih sulit. Hal yang tidak tepat dalam bahasa ini telah menjadi alasan untuk menggunakannya sebagai argumen, terutama dalam sektor akademik, bukannya untuk membuatnya lebih mudah sebagai penjelasan pada prinsip-prinsip dasar penerbangan. Meskipun gaya-gaya yang bekerja pada pesawat terbang telah ditetapkan, masih diperlukan sebuah diskusi yang lebih detil tentang bagaimana penerbang menggunakannya untuk memproduksi penerbangan yang terkendali.
THRUST Sebelum pesawat mulai bergerak, thrust harus digunakan. Pesawat akan tetap bergerak dan bertambah kecepatannya sampai thrust dan drag menjadi sama besar. Untuk menjaga kecepatan yang tetap maka thrust dan drag harus tetap sama, seperti halnya lift dan weight harus sama untuk mempertahankan ketinggian yang tetap dari pesawat. Jika dalam penerbangan yang datar (level), gaya thrust dikurangi, maka pesawat akan melambat. Selama thrust lebih kecil dari drag, maka pesawat akan terus melambat sampai kecepatan pesawat (airspeed) tidak sanggup lagi menahan pesawat di udara. Sebaliknya jika tenaga mesin ditambah, thrust akan menjadi lebih besar dari drag, pesawat terus menambah kecepatannya. Ketika drag sama dengan thrust, pesawat akan terbang dengan kecepatan yang tetap.
Terbang straight dan level (lurus dan datar) dapat dipertahankan mulai dari terbang dengan kecepatan rendah sampai dengan kecepatan tinggi. Penerbang harus mengatur angle of attack dan thrust dalam semua jangkauan kecepatan (speed regim) jika pesawat harus ditahan di ketinggian tertentu (level flight).
Secara kasar jangkauan kecepatan ini dapat dikelompokkan dalam 3 daerah (regim), kecepatan rendah (low-speed), menjelajah (cruising flight), dan kecepatan tinggi (high-speed). Angle of attack haruslah cukup tinggi untuk menambah gaya angkat ketika kecepatannya rendah jika keseimbangan antara gaya angkat dan gaya berat harus dipertahankan. Gambar di bawah. Jika thrust dikurangi dan kecepatan berkurang maka gaya angkat akan lebih kecil dari berat/weight dan pesawat akan mulai turun dari ketinggiannya. Untuk menjaga ketinggian penerbang dapat menambah angle of attack sebesar yang diperlukan untuk menghasilkan gaya angkat yang sama dengan berat/weight dari pesawat, dan waktu pesawat mulai terbang lebih lambat pesawat akan mempertahankan ketinggiannya jika penerbang memberikan thrust dan angle of attack yang sesuai. Ada keadaan menarik dalam penerbangan straight & level dalam kecepatan rendah,-relatif terhadap equilibrium gaya-gaya-, dengan keadaan hidung pesawat yang lebih tinggi, ada komponen vertikal dari thrust yang membantu mendukung pesawat. Untuk satu hal, beban di sayap cenderung untuk kurang dari yang diperkirakan. Kebanyakan penerbang akan mengetahui pesawat akan stall, -jika keadaan gaya yang lain adalah sama-, pada saat kecepatannya menjadi lebih rendah biarpun dengan power on (tenaga mesin) dibandingkan dengan power off (tenaga mesin idle)(Aliran udara melalui sayap dari baling-baling juga membantu). Bagaimanapun jika analisa kita hanya dibatasi dengan 4 gaya pada definisi umum yang “biasa”, seseorang bisa mengatakan bahwa pada straight & level slow speed, thrust adalah sama dengan drag dan lift sama dengan weight. Pada waktu straight & level flight ketika thrust ditambahkan dan kecepatan bertambah, maka angle of attack harus dikurangi. Karena itu, jika perubahan dilakukan dengan kordinasi yang benar, maka pesawat akan tetap berada di ketinggian yang sama, tapi dengan kecepatan yang lebih besar jika hubungan antara thrust dan angle of attack disesuaikan. Jika angle of attack tidak disesuaikan (dikurangi) dengan pertambahan thrust maka pesawat akan mendaki (climb). Tapi dengan mengurangi angle of attack, lift berubah, membuatnya sama dengan weight, dan jika dikerjakan dengan benar maka pesawat akan tetap dalam level flight (tidak mengubah ketinggian). Penerbangan yang datar (level flight) dengan sudut angle of attack yang sedikit negatif adalah mungkin dalam kecepatan yang sangat tinggi. Ini buktinya, bahwa level flight dapat dilakukan dengan berapa pun angle of attack
di antara sudut stall dan sudut yang relatif negatif pada kecepatan yang sangat tinggi.
DRAG Drag atau hambatan dalam penerbangan terdiri dari dua jenis: parasite drag dan induced drag. Yang pertama disebut parasite drag karena tidak ada fungsinya sama sekali untuk membantu pesawat untuk dapat terbang, sedangkan yang kedua disebut induced karena dihasilkan atau terbuat dari hasil kerja sayap yang membuat gaya angkat (lift). Parasite drag sendiri terdiri dari dua komponen
1. form drag, yang terjadi karena gangguan pada aliran udara melalui badan pesawat, dan 2. skin friction, hambatan dari gesekan dengan kulit pesawat. Dari kedua jenis parasite drag, form drag adalah yang paling mudah untuk dikurangi pada waktu merancang sebuah pesawat. Secara umum, makin streamline bentuk pesawat maka akan menghasilkan bentuk yang mengurangi parasite drag. Skin friction adalah jenis parasite drag yang paling sullit untuk dikurangi. Tidak ada permukaan yang halus secara sempurna. Bahkan permukaan yang dibuat dengan mesin pada waktu diperiksa menggunakan alat/kaca pembesar, mempunyai permukaan kasar yang tidak rata. Permukaan yang kasar ini akan membelokkan aliran streamline udara pada permukaan, menghasilkan hamatan pada aliran yang lancar. Skin friction ini bisa dikurangi dengan memakai cat/finish glossy yang rata dan mengurangi kepala rivet yang menyembul keluar, permukaan yang kasar dan tidak rata. Ada satu lagi elemen yang harus ditambahkan pada waktu membahas tentang parasite drag waktu merancang pesawat. Parasite drag menggabungkan efek dari form drag dan skin friction. Gabungan ini disebut interference drag. Jika dua benda diletakkan bersebelahan, maka turbulensi yang terjadi bisa mencapai 50-200 persen lebih besar dibandingkan jika kedua benda tersebut ditest secara terpisah. Tiga elemen ini, form drag, skin friction dan interference drag semua dihitung untuk menentukan parasite drag pada sebuah pesawat. Bentuk sebuah objek adalah faktor yang penting dalam parasite drag. Juga, Indicated Airspeed (kecepatan yang ditunjukkan oleh indikator) adalah sama pentingnya ketika kita berbicara tentang parasite drag. Drag pada sebuah objek yang berdiri pada posisi yang tetap, relatif terhadap aliran udara yang diberikan, akan bertambah secara kuadrat dari kecepatan udaranya. Menambah kecepatan dua kali akan menambah drag empat kali, menambah kecepatan tiga kali akan menambah drag sembilan kali. Hubungan ini hanya berlaku pada kecepatan subsonik, di bawah kecepatan suara. Pada kecepatan yang sangat tinggi, rasio profil drag yang biasanya bertambah sejalan dengan pertambahan kecepatan, ternyata akan bertambah dengan lebih cepat lagi. Jenis dasar kedua dari drag adalah induced drag. Seperti kita ketahui dalam fisika bahwa tidak ada sistem mekanik yang bisa 100 persen efisien. Maksudnya, apapun bentuknya dari sebuah sistem, maka sebuah usaha akan memerlukan usaha tambahan yang akan diserap atau hilang dalam sistem tersebut. Makin efisien
sebuah sistem, makin sedikit kehilangan usaha ini. Sifat aerodinamik sayap dalam penerbangan yang datar menghasilkan gaya angkat yang dibutuhkan, tapi ini hanya bisa didapat dengan beberapa penalti yang harus dibayar, yaitu induced drag. Induced drag pasti ada ketika sayap menghasilkan gaya angkat dan faktanya jenis drag ini tidak bisa dipisahkan dari produksi gaya angkat. Konsekwensinya, drag ini selalu muncul pada saat gaya angkat dihasilkan. Sayap pesawat menghasilkan gaya angkat dengan menggunakan energi dari aliran udara bebas. Ketika menghasilkan gaya angkat, tekanan di permukaan bawah sayap lebih besar dari di permukaan atas. Hasilnya udara akan cenderung untuk mengalir dari dari daerah tekanan tinggi dari ujung sayap (wingtip) ke tengah kepada daerah tekanan rendah di atas sayap. Di sekitar ujung sayap ada kecenderungan tekanan-tekanan ini untuk menjadi seimbang, sama kuat, menghasilkan aliran lateral keluar dari bagian bawah ke bagian atas sayap. Aliran lateral ini membuat kecepatan yang berputar ke udara di ujung sayap dan mengalir ke belakang sayap. Maka aliran di sekitar ujung sayap akan berbentuk dua vortex yang mengalir (trailing) di belakang pada waktu sayap bergerak maju. Ketika pesawat dilihat dari ekornya, votex-vortex ini akan bersirkulasi kebalikan arah jarum jam di sekitar ujung sayap kanan dan searah jarum jam di ujung sayap kiri. Harus diingat arah dari putaran vortex-vortex ini yang bisa dilihat bahwa mereka menghasilkan aliran udara ke atas setelah melewati ujung sayap, dan aliran udara ke bawah di belakang trailing edge dari sayap. Aliran udara ke bawah ini sama sekali tidak dibutuhkan untuk menghasilkan gaya angkat. Inilah sumber induced drag. Makin besar ukuran dan kekuatan vortex-vortex ini dan pada gilirannya komponen aliran udara ke bawah dari aliran udara yang melewati sayap, makin besar efek dari induced drag. Aliran udara ke bawah di atas ujung sayap ini mempunyai efek yang sama dengan membelokkan vektor gaya angkat ke belakang; karena itu gaya angkat akan agak berbelok ke belakang sejajar dengan arah udara (relatif wind) dan menghasilkan komponen lift yang arahnya ke belakang. Inilah induced drag. Juga harus diingat untuk membuat tekanan negatif yang lebih besar di atas sayap, ujung depan sayap dapat diangkat untuk mendapatkan angle of attack yang lebih besar. Juga jika sebuah sayap yang asimetri mempunyai angle of attack nol, maka tidak akan ada perbedaan tekanan dan tidak ada aliran udara ke bawah, maka tidak ada induced drag. Pada kasus apapun, jika angle of attack bertambah maka induced drag akan bertambah secara proporsional. Cara lain untuk menyatakan hal ini, makin kecil kecepatan pesawat makin besar angle of attack yang dibutuhkan untuk menghasilkan gaya angkat yang sama dengan berat pesawat dan konsekwensinya makin besar induced drag ini. Besarnya induced drag ini bervariasi berbanding terbalik dengan kuadrat kecepatan pesawat. Dari diskusi ini, dapat diketahui parasite drag bertambah sebanding dengan kecepatan kuadrat, dan induced drag
bervariasi berbanding terbalik dengan kuadrat kecepatan pesawat. Dapat dilihat pula bahwa jika kecepatan berkurang mendekati kecepatan stall, total drag akan menjadi besar sekali karena induced drag naik secara tajam. Sama juga bila pesawat mendekati kecepatan maksimumnya, total drag akan menjadi besar karena parasite drag naik secara tajam. Seperti pada gambar berikut, pada beberapa kecepatan total drag menjadi maksimum. Hal ini sangat penting untuk mendapatkan maksimum ketahanan dan jarak tempuh pesawat udara. Pada saat drag pada besaran minimumnya, tenaga yang dibutuhkan untuk melawan drag juga minimum. Untuk mengerti efek dari lift dan drag di sebuah pesawat udara pada sebuah penerbangan keduanya harus digabungkan dan rasio lift/drag harus diperhatikan. Dengan data-data lift dan drag yang tersedia pada bermacam-macam kecepatan pada saat pesawat terbang datar dan tidak berakselerasi, proporsi CL (Coefficient of Lift) dan CD (Coefficient of Drag) dapat dihitung pada setiap angle of attack tertentu. Hasil plotting untuk rasio lift/drag (L/D) pada angle of attack tertentu menunjukkan bahwa L/D bertambah ke maksimum kemudian berkurang pada koefisien lift dan angle of attack yang lebih besar seperti terlihat pada gambar. Perhatikan bahwa maksimum rasio lift/drag (L/D max) terjadi pada angle of attack dan koefisien yang tertentu. Jika pesawat beroperasi pada penerbangan yang stabil pada L/D max, maka total drag adalah minimum. Angle of attack apapun yang lebih kecil atau lebih besar dari yang ada di L/D max akan mengurangi rasio lift/drag dan konsekwensinya menambah total drag dari gaya angkat yang diberikan pada pesawat.
Lokasi dari center of gravity (CG) ditentukan oleh rancangan umum pada masing-masing jenis pesawat. Perancang pesawat menentukan sejauh apa center of pressure (CP) akan bergerak. Kemudian mereka akan menentukan center of gravity di depan center of pressure (CP) untuk kecepatan penerbangan yang terkait untuk membuat momen yang cukup untuk mempertahankan equilibrium penerbangan. Konfigurasi dari pesawat juga mempunyai efek yang besar pada rasio lift/drag. Sebuah pesawat layang dengan kinerja yang tinggi mungkin
mempunyai rasio lift/drag yang sangat besar. Pesawat tempur supersonik mungkin punya lift/drag yang kecil pada penerbangan subsonik tapi yang menyebabkan hal ini adalah konfigurasi pesawat yang dibutuhkan pada saat terbang supersonik (dan L/D yang besar pada saat terbang dengan Mach number yang tinggi).
WEIGHT Gravitasi adalah gaya tarik yang menarik semua benda ke pusat bumi. Center of gravity(CG) bisa dikatakan sebagai titik di mana semua berat pesawat terpusat. Pesawat akan seimbang di keadaan/attitude apapun jika pesawat terbang ditahan tepat di titik center of gravity. Center of gravity juga adalah sesuatu yang sangat penting karena posisinya sangat berpengaruh pada kestabilan sebuah pesawat terbang. Posisi dari center of gravity ditentukan oleh rancangan umum dari setiap pesawat terbang. Perancang pesawat menentukan seberapa jauh center of pressure (CP) akan berpindah. Kemudian mereka akan menjadikan titik center of gravity di depan center of pressure untuk kecepatan tertentu dari pesawat untuk mendapatkan kemampuan yang cukup untuk mengembalikan keadaan penerbangan yang equilibrium. Weight mempunyai hubungan yang tetap dengan lift, dan thrust bersama drag. Hubungannya sederhana, tapi penting untuk mengerti aerodinamika penerbangan. Lift adalah gaya ke atas pada sayap yang beraksi tegak lurus pada arah angin relatif (relatif wind). Lift diperlukan untuk meniadakan berat pesawat (weight, yang disebabkan oleh gaya tarik bumi yang beraksi pada massa pesawat). Gaya berat (weight) ini
beraksi ke bawah melalui center of gravity pesawat. Pada penerbangan yang datar dan stabil, ketika gaya angkat sama dengan weight, maka pesawat dalam keadaan equilibrium dan tidak mendapatkan atau mkehilangan ketinggian. Jika lift berkurang dibandingkan dengan weight maka pesawat akan kehilangan ketinggian. Ketika lift lebih besar dari weight maka ketinggian pesawat akan bertambah.
LIFT Penerbang dapat mengendalikan lift. Jika penerbang menggerakkan roda kemudi ke depan atau belakang, maka angle of attack akan berubah. Jika angle of attack bertambah maka lift akan bertambah (jika faktor lain tetap konstan). Ketika pesawat mencapai angle of attack yang maksimum, maka lift akan hilang dengan cepat. Ini yang disebut dengan stalling angle of attack atau burble point. Sebelum melangkah lebih lanjut dengan lift dan bagaimana lift bisa dikendalikan, kita harus menyelipkan tentang kecepatan. Bentuk dari sayap tidak bisa efektif kecuali sayap terus menerus “menyerang” udara baru. Jika pesawat harus tetap melayang, maka pesawat itu harus tetap bergerak. Lift sebanding dengan kuadrat dari kecepatan pesawat. Sebagai contoh, jika sebuah pesawat bergerak pada kecepatan 200 knots mempunyai lift empat kali lipat jika pesawat tersebut terbang pada kecepatan 100 knots, dengan syarat angle of attack dan faktor lain tetap konstan. Dalam keadaan sebenarnya, pesawat tidak dapat terus menerus bergerak secara datar di sebuah ketinggian dan menjaga angle of attack yang sama jika kecepatan ditambah. Lift akan bertambah dan pesawat akan menanjak sebagai hasil dari pertambahan gaya angkat. Untuk menjaga agar lift dan weight menjadi sama, dan menjaga pesawat dalam keadaan lurus dan datar (straight and level) dalam keadaan equilibrium maka lift harus dikurangi pada saat kecepatannya ditambah. Normalnya hal ini dilakukan dengan mengurangi angle of attack, yaitu menurunkan hidung pesawat. Sebaliknya, pada waktu pesawat dilambatkan, kecepatan yang berkurang membutuhkan pertambahan angle of attack untuk menjaga lift yang cukup untuk menahan pesawat. Ada batasan sebanyak apa angle of attack bisa ditambah untuk menghindari stall. Kesimpulannya, bahwa untuk setiap angle of attack ada kecepatan/indicated airspeed tertentu untuk menjaga ketinggian dalam penerbangan yang mantap/steady, tidak berakselerasi pada saat semua faktor dalam keadaan konstan. (Ingat bahwa ini hanya benar pada saat terbang dengan mempertahankan ketinggian “level flight”) Karena sebuah airfoil akan selalu stall pada angle of attack yang sama, jika berat ditambahkan maka lift harus ditambah dan satu-satunya metode untuk melakukannya adalah dengan menaikkan kecepatan jika angle of attack ditahan pada nilai tertentu tepat di bawah “critical”/stalling angle of attack. Lift dan drag juga berubah-ubah sesuai dengan kerapatan udara (density). Kerapatan udara dipengaruhi oleh beberapa faktor: tekanan, suhu, dan kelembaban. Ingat, pada ketinggian 18000 kaki, kerapatan udara hanyalah setengah dari kerapatan udara di permukaan laut. Jadi untuk menjaga lift di ketinggian yang lebih
tinggi sebuah pesawat harus terbang dengan kecepatan sebenarnya (true airspeed) yang lebih tinggi pada nilai angle of attack berapa pun. Lebih jauh lagi, udara yang lebih hangat akan kurang kerapatannya dibandingkan dengan udara dingin, dan udara lembab akan kurang kerapatannya dibandingkan dengan udara kering. Maka pada waktu udara panas dan lembab (humid) sebuah pesawat harus terbang dengan true airspeed yang lebih besar dengan angle of attack tertentu yang diberikan dibandingkan dengan terbang pada waktu udara dingin dan kering. Jika faktor kerapatan berkurang dan total lift harus sama dengan total weight pada penerbangan tersebut, maka salah satu faktor harus ditambahkan. Faktor yang biasanya ditambahkan adalah kecepatan atau angle of attack, karena dua hal ini dapat dikendalikan langsung oleh penerbang. Harus disadari juga bahwa lift berubah langsung terhadap wing area/lebar sayap, asal tidak ada perubahan pada bentuk luas sayap/planform. Jika sayap memiliki proporsi yang sama dan bagian airfoil, sebuah sayap dengan luas 200 kaki persegi membuat lift dua kali pada angle of attack yang sama dibandingkan dengan sayap yang memiliki luas 100 kaki persegi. Seperti dapat dilihat dua faktor utama dari cara pandang penerbang yang dapat dikendalikan langsung dan akurat adalah lift dan kecepatan. Tentu penerbang juga dapat mengatur kerapatan udara dengan mengubah ketinggian terbang dan dapat mengendalikan luas sayap jika pesawat memiliki flaps dengan tipe yang dapat memperluas sayap. Tapi pada situasi umumnya, penerbang hanya mengendalikan lift dan kecepatan untuk menggerakkan pesawat. Cntohnya pada penerbangan straight & level, menjelajah pada ketinggian yang tetap, ketinggian dijaga dengan mengatur lift untuk mencocokkannya dengan kecepatan pesawat atau kecepatan jelajah, ketika menjaga keadaan equilibrium sewaktu lift sama dengan weight. Pada waktu melakukan approach untuk mendarat dan penerbang ingin mendapatkan kecepatan yang selambat mungkin, maka perlu untuk menambahkan lift ke maksimum untuk menjaga lift sama dengan weight dari pesawat tersebut.
