Desain sayap pesawat terbang

PRODUK/JASA TENSOR

Secara prinsip, pesawat dapat terbang karena sayapnya yang menghasilkan gaya angkat. Prinsip pembentukan gaya angkat dapat terjadi karena “hisapan” udara ke atas akibat bentuk airfoil yang didesain sedemikianrupa (simak selengkapnya di sini). Pembentukan gaya angkat dapat juga diakibatkan karena sudut serang yang semakin tinggi menghasilkan reaksi ke atas yang makin besar, namun juga diikuti dengan penambahan gaya hambat, yang diistilahkan dengan induced drag.

Untuk menentukan ukuran sayap, hal pertama kali yang harus kita pahami adalah hubungan antara luas permukaan sayap dengan gaya angkat itu sendiri, yang dirumuskan dengan persamaan:

Dimana :

L = gaya angkat (Newton)

rho = massa jenis udara (Kg/m3)

CL = lift coefficient

v = kecepatan terbang (m/s)

A = luasan sayap (m2)

Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa gaya angkat berbanding lurus dengan kuadrat dari kecepatan terbang, artinya, ketika pesawat bergerak dua kali lebih cepat, maka gaya angkat akan bertambah empat kali lipat. Kemudian, semakin besar luas penampang sayap, maka akan semakin besar pula gaya angkat, namun luas yang semakin besar tentunya akan menambah berat pesawat, yang mana menjadikan kebutuhan gaya angkat yang semakin besar lagi. Kemudian, CL atau coefficient of lift dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu sudut serang, bentuk serta bilangan reynolds yang pada dasarnya ditentukan saat pemilihan airfoil.

Secara teori (2D), nilai CL hanya ditentukan oleh desain dari airfoil dan dikalikan dengan luas penampangnya (tidak tergantung dari bentuk penampangnya itu sendiri). Namun, kenyataanya efek bentuk (planform) sayap itu sendiri sangat berpengaruh pada karakteristik aliran secara 3D sehingga mempengaruhi nilai CL, dan harus diperhitungkan dalam perhitungan luas. Berikut adalah beberapa parameter yang berperan dalam desain planform sayap pesawat terbang:

nomenklatur planform sayap pesawat terbang

ASPECT RATIO

Aspect ratio adalah perbandingan antara span dengan chord sayap, artinya, semakin panjang sayap dengan lebar yang sama maka aspect ratio akan semakin besar. Pemilihan aspect ratio ini penting untuk misi yang dilakukan pesawat, aspect ratio yang tinggi digunakan untuk pesawat yang stabil, relatif berkecepatan rendah serta membutuhkan endurance (daya tahan) yang lama, karena semakin besar aspect ratio, induced drag akan semakin kecil. Kemudian, aspect ratio yang kecil biasa digunakan untuk pesawat dengan manuver ekstrim, relatif kecepatan tinggi dan tidak membutuhkan endurance yang lama, selain keuntungan kelincahan dari sayap pendek (aspect ratio rendah), kekuatan dan kekakuan struktur juga menjadikan alasan kenapa sayap pendek ideal untuk manuver ekstrim.

Induced drag yang dimaksud dari penjelasan di atas adalah karena efek “kebocoran” aliran dari bagian bawah sayap ke bagian atas sayap yang terjadi pada ujung sayap. Kita tahu bahwa untuk menghasilkan gaya angkat, bagian bawah sayap memiliki tekanan yang lebih tinggi daripada bagian atas, dan kita ketahui juga bahwa udara mengalir dari tekanan tinggi ke tekanan rendah. Kebocoran dari bagian bawah ke bagian atas pada bagian ujung (tip) sayap ini menghasilkan pola aliran yang berputar, atau dikenal dengan tip vortex.

tip-vortex-without-winglet-e1616380459801

ilustrasi tip vortex dengan CFD

Untuk menanggulangi efek tersebut dapat juga digunakan winglet; pelajari selengkapnya di sini.

Adapun persamaan yang digunakan untuk menghitung aspect ratio adalah sebagai berikut:

AR = b/c

AR = b^2/A

dengan:

AR = Aspect ratio

b = wing span (m)

c = chord rata-rata (m)

A = luas penampang (m2)

TAPER RATIO

Taper ratio adalah perbandingan dari chord tip terhadap chord root, semakin tirus bentuk sayap, maka taper ratio semakin rendah. Taper ratio bernilai 1 berarti sayap berbentuk kotak (rectangular). Secara matematis didefinisikan sebagai berikut:

TR = Ctip/Croot

Dengan:

TR = taper ratio

Ctip = chord pada tip (m)

Croot = chord pada root (m)

Taper ratio memiliki efek pada berat sayap, semakin rendah taper ratio, maka berat sayap dapat diminimalisir, serta pemilihan taper ratio menentukan efisiensi sayap karena efek induced drag. Berikut adalah grafik hubungan antara taper ratio dengan induced drag factor:

Perhitungan-perhitungan di atas sangatlah tergantung dari detail 3D dari sayap, sehingga pada akhirnya perhitungan nilai CL dan CD akhir dihitung menggunakan eksperimen atau metode yang saat ini cukup banyak digunakan adalah menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) karena fleksibilitas, kecepatan, dan biayanya yang relatif lebih rendah dibandingkan dengan eksperimen wind tunnel.

By Caesar Wiratama