Login

Daftar

Friday, 18 April, 2014

Sistem Stabilitas dan Kendali Pesawat Terbang

Oleh: Kang Igun

Stabilitas dan Kendali Pesawat Terbang
Pesawat adalah benda 3 dimensi dan pergerakannya didalam ruang 3 dimensi sangat rumit. Bila pesawat dianggap sebagai sebuah titik masa yang terletak dititik pusat gravitasinya, maka studi tentang pergerakannya dapat disederhanakan. Sebuah sistem koordinat Kartesian dapat dirumuskan terpaku disebuah ruang, dengan 3 sumbu yang saling tegak lurus satu dengan yang lain, diberi simbol x, y dan z. Gerak translasi titik massa tersebut kemudian dapat dipelajari dengan mempertimbangkan kondisi kesetimbangan gaya diarah masing-masing garis sumbu tadi. Tetapi dalam kenyataan pesawat adalah sebuah benda 3 dimensi yang berbentuk rumit, yang bisa bergerak rotasi (gerak putar) disamping bergerak translasi (gerak tanpa putaran). Pergerakan pesawat diatmosfer bumi melibatkan gaya-gaya aerodinamika, yang besarannya tergantung pada gerakan pesawat itu sendiri. Itulah  sebabnya mengapa analisa pergerakan pesawat secara umum menjadi sangat rumit. Untuk mengurangi kerumitan masalah, kita harus merumuskan sistem koordinat yang bergerak dan berputar relatif terhadap sebuah kerangka acuan yang terpaku diruang, dan kemudian menganalisa pergerakan pesawat pada saat tertentu, bukan pergerakannya dengan waktu yang jelas sangat rumit.
Ekuilibrium (kesetimbangan) gaya hanya melibatkan massa dari komponen2 pesawat, yang tidak tergantung pada sistem koordinat yang digunakan. Disisi lain ekuilibrium momen untuk gerak rotasi melibatkan atau membutuhkan informasi tentang momen inersia dari komponen2 pesawat, yang besarannya sangat tergantung pada sistem koordinat (sistem sumbu) yang dipilih. Hitungan momen inersia itu sangat rumit secara umum, tetapi dapat disederhanakan apabila benda yang dipelajari memiliki sebuah sumbu simetri. Analisa pergerakan pesawat dapat lebih mudah dilakukan dengan memilih sumbu simetri itu sebagai salah satu sumbu utama dalam sistem koordinat Kartesian yang dipilih. Titik pusat sistem koordinat selalu dipilih berada dititik pusat gravitasi benda walaupun kerangka acuan yang digunakan dapat dipilih dengan beberapa cara. Sebuah sistem koordinat yang terpaku pada sebuah benda dan bergerak dengan benda itu, disebut sistem koordinat benda (body axes system). Sumbu-x positif dipilih sepanjang garis acuan badan pesawat (fuselage reference line atau FRL) dengan arah dari ekor menuju kehidung pesawat. Sumbu-y, yang tegak lurus pada sumbu-x dibidang datar, dipilih bertanda positif kearah sayap kanan. Sumbu-z yang tegak lurus pada sumbu-x dan sumbu-y ditentukan berdasarkan aturan tangan kanan, yaitu ibu jari searah dengan sumbu-z positif apabila jari2 yang lain memberikan arah putaran dari arah sumbu-x ke arah sumbu-y. Jadi untuk system sumbu yang dijelaskan diatas, arah sumbu-z positif adalah arah kebawah, bukan keatas! Aturan tangan kanan ini sangat penting dan selalu digunakan dalam menentukan apakah sebuah arah disebut positif atau negatif.
Dari segi ilmu aerodinamika kita tahu bahwa hitungan gaya2 aerodinamika, yaitu lift (gaya angkat) dan drag (gaya hambat), dapat dilakukan dengan lebih mudah, apabila sistem koordinat yang dirumuskan adalah yang terpaku relatif terhadap arah angin, yang biasanya searah dengan garis horizontal dan bertanda positif dari kiri kekanan. Sistem koordinat yang terpaku relatif pada arah angin ini tentu saja dikenal sebagai sistem koordinat angin, yang tidak selalu harus mengacu pada arah yang sama dengan arah sumbu di sistem koordinat benda.
Sebuah sistem koordinat lainnya juga dapat dipilih, yang terpaku pada benda, tetapi arah sumbu-x nya selalu dipilih berlawanan dengan arah angin atau searah dengan gerak benda., bukan searah dengan FRL (arah garis acuan badan pesawat dari ekor ke hidung). Sistem koordinat ini disebut sistem koordinat stabilitas, dan sistem koordinat inilah yang selalu digunakan dalam menganalisa masalah-masalah stabilitas dan kendali (stability and control) pesawat.
Perhatikan bahwa dalam kenyataan pesawat memiliki sebuah bidang simetri kiri kanan, yaitu bidang vertikal yang membelah pesawat menjadi 2 bagian yang masing2 adalah bayangan simetri cermin satu dari yang lain. Bidang ini selalu dirumuskan sebagai bidang x-z dalam sistem koordinat stabilitas (yang merupakan kasus khusus dari sistem koordinat benda), tetapi arah-x positif searah gerak pesawat atau berlawanan arah dengan arah angin, dan bukan searah dengan garis acuan FRL. Pergerakan pesawat dibidang simetri ini disebut gerak longitudinal, yang terdiri dari gerak translasi arah sumbu-x dan arah sumbu-z, ditambah dengan gerak rotasi seputar sumbu-y. Gerak putar seputar sumbu-y tentu saja mengubah sudut angguk (pitch attitude) pesawat, jadi disebut gerak angguk, sedangkan dalam gerak rotasi, sumbu-y dikenal sebagai sumbu angguk atau pitch axis.
Disamping gerak translasi arah x atau arah z, pesawat bisa juga bergerak translasi arah sumbu-y. Pesawat bisa juga bergerak rotasi seputar sumbu-x dan sumbu-z. Pergerakan translasi arah y disebut gerak samping (side slip) dan merupakan gerak yang harus dilakukan supaya pesawat bisa belok, bukan hanya sekedar mampu bergerak lurus ke depan. Untuk bergerak kearah samping, pesawat harus digulingkan dan sayap pesawat membentuk sudut guling (bank angle) dengan arah horizontal. Arah lift (gaya angkat) dengan demikian membentuk sudut guling dengan arah vertikal keatas, jadi memiliki komponen arah kesamping. Komponen lift arah ke samping inilah yang menggerakan pesawat dengan gerak translasi arah samping atau side slip itu tadi. Jadi gerak rotasi seputar sumbu-x dan gerak translasi arah samping itu terkait sangat erat, dan dikenal sebagai gerak lateral. Gerak putar seputar sumbu-x itu dikenal sebagai putaran guling atau roll. Saat bergerak samping, sirip ekor tegak pesawat akan kena dorongan angin. Misalnya saja pesawat bergerak samping kekanan, maka angin akan mendorong sirip tegak kearah kiri, sehingga moncong pesawat akan berputar kekanan. Gerakan rotasi seputar sumbu-z ini disebut gerak directional yang membelokkan moncong pesawat ke arah gerak belok yang diinginkan, bukannya sekedar gerak samping tergelincir saja. Jadi gerak lateral itu terkait cukup erat dengan gerak directional, dan biasanya pergerakan ini disebut gerak lateral-directional, yang dipelajari sebagai satu kesatuan. Gerak putar seputar sumbu-z ini dikenal sebagai putaran geleng atau yaw.
Perhatikan bahwa pergerakan umum pesawat telah kita bagi menjadi 2 bagian yang tidak terkait satu sama lain, yaitu gerak longitudinal dan gerak lateral-directional. Kenyataan ini sangat membantu dalam menyederhanakan masalah, dimana masalah stabilitas dan kendali secara umum dapat dibagi menjadi 2 bagian, yang masing2nya dapat dipelajari sendiri tanpa harus mempertimbangkan masalah yang lain.
Dengan demikian masalah gerak pesawat dapat dipelajari menjadi Pergerakan Longitudinal, dan Pergerakan Lateral-Directional.
Gerak Longitudinal melibatkan 2 persamaan atur tentang ekuilibrium gaya, yaitu arah x dan arah z, dan 1 persamaan atur ekuilibrium momen diseputar sumbu-y. Gerak Lateral Directional melibatkan 1 persamaan atur ekuilibrium gaya arah y, dan 2 persamaan atur ekuilibrium momen yaitu seputar sumbu x dan sumbu z. Dipandang dari segi kendali, pilot dapat mengatur gerak angguk dengan menggerakkan permukaan kendali elevator, yang bila diputar keatas akan membuat pesawat mendongak (mengangguk keatas) Gerak geleng dapat diatur dengan menggerakkan permukaan kendali rudder, sedangkan gerak putar guling diatur oleh permukaan kendali aileron. Dengan memecah masalah stabilitas dan kendali pergerakan pesawat, jumlah persamaan yang harus diselesaikan secara serentak dapat dikurangi menjadi hanya separo saja. Dipandang dari segi penyelesaian sistem persamaan simultan, hal tersebut jelas sangat membantu mengurangi jumlah hitungan yang harus dilakukan. Walaupun hitungan dalam masalah dinamika terbang dikerjakan dengan bantuan komputer, memecah masalah menjadi 2 bagian yang lebih kecil tetap bermanfaat, karena lama waktu mesin yang dibutuhkan untuk menyelesaikan sebuah sistem persamaan simultan dapat diperkecil, jauh lebih kecil dari sekedar separo untuk hitungan seluruh sistem persamaan kalau tidak dipecah menjadi 2 bagian.
Disamping itu dari segi pekerjaan pilot, pemisahan gerak longitudinal dari pergerakan lateral-directional berarti bahwa pilot tidak perlu memikirkan dampak pada gerak longitudinal saat dia menerapkan rudder dan aileron, dan sebaliknya kalau dia ingin mengubah sudut angguk pesawat dia hanya perlu menerapkan elevator saja.
Dibawah ini disampaikan beberapa gambar yang membantu mempermudah pengertian masalah.


Sistem Koordinat Sumbu Acuan Pesawat
Untuk membantu dan memudahkan upaya penayangan semua gaya dan momen yang beraksi pada pesawat, kita perlu menentukan sebuah sistem sumbu yang saling tegak lurus satu dengan yang lain dengan titik pusat sumbu berada di titik pusat gravitasi atau titik pusat massa.
Gambar di atas menunjukkan sebuah sistem konvensional berbasis aturan tangan kanan.
Sumbu-x disebut sumbu longitudinal dan berada dibidang simetri, searah FRL (fuselage reference line) atau garis badan pesawat dari ekor kearah hidung. Momen seputar sumbu-x disebut Momen Guling (rolling moment) dan diberi simbol L. Arah positf momen ditentukan berdasarkan aturan tangan kanan.
Jadi bila pandangan kita adalah dari ekor menuju hidung pesawat maka momen guling positif terlihat searah putaran jarum jam. Sumbu lain yang berada di bidang simetri arah vertikal dan tegak lurus pada sumbu-x adalah sumbu-z yang arah positifnya adalah kebawah. Momen seputar sumbu-z disebut Momen Geleng (yawing moment) dan diberi simbol N. Putaran positif momen geleng sesuai aturan tangan kanan adalah searah putaran jarum jam bila pandangan kita adalah dari atas melihat ke pesawat yang berada dibawah. Sumbu-y (sumbu lateral) atau sumbu yang tegak lurus pada sumbu simetri ditentukan berarah positif kearah kanan menuju keujung sayap kanan dari ujung sayap kiri. Momen seputar sumbu-y disebut Momen Angguk (pitching moment) dan bertanda positif bila memutar hidung pesawat mendongak keatas dan negatif bila membuat pesawat menunduk kebawah. Momen ini diberi simbol M dan arah positif atau negatif putarannya seperti dijelaskan sebelumnya juga sesuai dengan aturan tangan kanan.

Sumber : Stabilitas dan Kendali dalam Pergerakan Pesawat
AuthorHadi Winarto

Artikel Terkait

Tidak ada komentar untuk artikel ini

Silakan atau untuk kirim komentar