Terowongan angin (wind tunnel)

Wind Tunnel atau terowongan angin adalah peralatan yang digunakan untuk melakukan pengujian aerodinamik terhadap sebuah model (umumnya pesawat). Model ditempatkan di dalam seksi uji terowongan angin. Dengan demikian ukuran model dibatasi ukuran seksi uji. Umumnya dimensi yang digunakan adalah panjang bentangan sayap. Jika seksi uji memiliki ukuran 4 m x 3 m x 15 m dan blockage 98% maka bentang sayap maksimum yang mampu masuk dalam seksi uji terowongan angin itu adalah 3.5 m. Dalam simulasi terowongan angin, model diasumsikan diam dan angin bergerak dengan kecepatan tertentu. Sedang pada kondisi nyata pesawat dianggap bergerak dan angin relatif diam. Itu sebabnya aliran udara dalam seksi uji terowongan angin harus memenuhi persyaratan tertentu. Antara lain angin yang bergerak dalam seksi uji harus homogen secara lateral, longitudinal dan vertikal, baik kecepatan, tekanan statik, angularitas dan intensitas turbulensinya. Oleh karena itu kecepatan angin homogen yang mampu dihasilkan di seksi uji terowongan angin juga menjadi salah satu ukuran kinerja terowongan angin. Untuk terowongan angin kecepatan rendah umumnya mampu menghasilkan kecepatan terendah 5 m/s dan tertinggi 80 m/s.  Perlu dicatat bahwa sifat aerodinamis dari sebuah objek tidak tetap sama untuk model skala. Itu sebabnya konstruksi terowongan angin relatif rumit. Terdiri dari beberapa bagian yang masing-masingnya dirancang untuk menghasilkan kondisi angin di seksi uji.                                                                        Instalasi model dalam seksi uji pun macam-macam, ada yang menggunakan single strut yang menghubungkan model dengan timbangan, biasanya dipasang pada badan pesawat. Atau double strut yang dipasang pada kedua sayap sedemikian rupa sehingga model dapat digerakkan dalam 2 sumbu geraknya, yaitu sumbu lateral dan vertikal. Timbangan atau biasa disebut (internal/external) balance akan membaca gaya dan momen reaksi model akibat udara yang mengalir di sekitarnya. Gaya dan momen ini nantinya dinormalisasi terhadap referensi area model dan aliran udara terowongan angin, sehingga didapatkan beberapa besaran tak berdimensi seperti CL (lift coefficient) CD (drag coeff.) Cm (pitching momen) CN (yawing momen) Cl (rolling momen) CY (side force coeff.). Koefisien-koefisien ini kemudian ditampilkan dalam bentuk kurva CL-alpha, Drag Polar, CY-betha, dan lain-lain. Biasanya bidang-bidang kendali model, seperti aileron, flap, elevator, dll bisa dirubah posisinya, sehingga didapatkan harga koefisien dalam turunan gerak bidang-bidang kendali tersebut. Kurva ini kemudian akan digunakan untuk menganalisa hasil perancangan apakah sudah sesuai dengan tujuan desain, atau modifikasi seperti apa yang harusnya dilakukan.

Sayap tirus

Sayap  dan horizontal stabilator pesawat terbang ada kalanya dibuat tirus (Taper) yaitu penampang sayap.Pada pangkalnya lebih besar dari pada ujungnya. Sayap tirus bisa kombinasi atau salah satu dari tirus pada permukaan atau tirus pada ketebalan. Tirus pada ketebalan telah dibahas sebelumnya, ole karena itu yang kita bahas di sini hanyalah tirus pada permukaan. Disebut tirus bila panjang tali busur pada pangkal sayap (Root chord = Rc ) >tali busur pada ujung sayap (tip chord=Tc) Tapper ratio ( adalah perbandingan antara tip chord dengan root chord. = Ct/Cr.   

 Karakteristik sayap tirus (swep back wing)

a.       Rectangular,  , turbulen diawali dari trailing edge bagian root

b.      Moderate tapper ratio,  turbulen diawali dari trailing edge bagian tengah

c.       Low tapper ratio, .Turbulen diawali dari trailing edge dekat tip

d.      Pointed tip, .Turbulen diawali dari trailing edge bagian tip

e.       Sweepback, turbulen diawali dari trailing edge bagian tip

Turbulence tersebut  harus  terjadi  ada baiknya  kalau di awali dari trailing edge bagian pangkal (root). Sebab jika kejadian tersebut di awali dari  trailing edge pada bagian wing tip, aileron menjadi tidak bekerja  secara efektif jika diperlukan. Perhatikan gambar, dari mana anak panah berawal dari   situlah mulai terjadinya turbulence, dan di daerah itu pula penghasil coefisient lift maksimum yang terbesar. Dari gambar juga terlihat bahwa apabila tapper ratio semakin kecil, maka asal mulainya turbulence semakin dekat dengan wing tip. Oleh karena itu perlu diusahakan  bahwa memperkecil induced drag adalah sangat diperlukan dalam penerbangan. 

Bentuk ujung airfoil

Bentuk ujung airfoil adalah:

a. Persegi empat (rectangular)

b. Elip

c. Positif raked

d. Negatif raket

Positif raked bila leading edge lebih pendek dari pada trailing edge, sebaliknya bila leading edge,

sebaliknya bila leading edge lebih panjang dari pada trailing edge disebut negatif raked. dibandingkan dengan ujung sayap persegi empat, ketiga ujung yang lain di samping mempunyai Cl dan Cl/Cd lebih besar sedang Cd relatif lebih kecil.

Karakteristik Airfoil

Gaya angkat pada airfoil bergantung pada koefisien gaya angkat yang dihasilkan oleh airfoil tersebut. Koefisien gaya angkat (cl) dipengaruhi oleh desain bentuk camber dari airfoil. cl yang dihasilkan oleh suatu airfoil bervariasi secara linear dengan sudut serang (α) tertentu. Kemiringan garis ditandai dengan a(0) yang disebut lift slope. Pada daerah ini aliran udara bergerak dengan mulus dan masih menempel pada hampir seluruh permukaan airfoil. Dengan bertambah besarnya α, aliran udara cenderung untuk separasi dari permukaan atas airfoil, membentuk ulakan besar “dead air” di belakang airfoil. Pada aliran separasi ini, aliran urdara berputar dan sebagian aliran bergerak ke arah yang berlawanan dengan aliran freestream disebut juga reversed flow. Aliran yang berpisah merupakan efek dari viskositas. Konsekuensi dari perpisahan aliran pada α tinggi adalah pengurangan gaya angkat atau cl dan bertambah besarnya gaya hambat akibat pressure drag, kondisi ini disebut kondisi stall. Harga maksimum dari cl berada pada tepat sebelum kondisi stall yang dilambangkan dengan max cl . max cl merupakan aspek paling penting dari performa airfoil, karena menentukan kecepatan stall pesawat udara khususnya saat fasa terbang kritis yaitu terbang tinggal landas dan mendarat.

Gaya dan momen pada aerodinamika ditentukan oleh perbedaan tekanan antara permukaan atas (upper surface) dengan permukaan bawah (lower surface). Perbedaan tekanan ini akan menghasilkan resultan gaya aerodinamika yang berkaitan dengan bentuk dan sudut serang airfoil. Resultan gara aerodinamika (R) dapat diuraikan dalam dua komponen yaitu gaya angkat (lift) dan gaya hambat (drag).Lift (L) adalah komponen resultan (R) yang arahya tegak lurus terhadap vektor kecepatan aliran udara, sedangkanDrag (D) adalah komponen resultan (R) yang arahnya sejajar dengan vektor kecepatan aliran udara.

Aerodynamic centre:

 Sebuah titik dalam airfoil, yang secara teoritis dianggap titik tekan seakan-akan tetap tempatnya, walaupun sudut serang berubah-ubah besarnya.

Pada kenyataannya titik tekan dipengaruhi oleh besar kecilnya angle of attack. Dengan kata lain angle of attack berubah maka CP akan berubah kedudukannya. Dengan perubahan angle of attack, beasr liftnya berubah, beasrnya drag berubah dan kedudukan CP berubah.

Dengan demikian :

Perubahan angle of attack akan merubah besarnya lift dan letak CP

Perubahan angle of attack akan hanya merubah beasrnya lift saja sedangkan CP dunaggap tetap

Netral lift line

Netral lift line : sebuah garis lurus yang sejajar

dengan aliran udara, dimana airfoil tersebut

 tidak menghasikna gaya angkat.

Apabila leading edge wing down, sedangkan

letak trailling nya tetap seperti semula

(terhadap aliran udara), sehingga airfoil tersebut

 tidak menghasilkan lift sama halnya ketika kita

letakkan plat datar atau airfoil yang simetris yang

 sejajar dengan aliran udara

WAS IN dan WASH OUT

Wash in ialah sudut pasang sayap angle of incidence) makin ke ujung (wing tip) makin besar

Wash out ialah sudut pasang sayap angle of incidence) makin ke ujung (wing tip) makin kecil

Wash inatau wash out ada yang dilaksanakan bersama-sama pada satu pesawat terbang atau sendiri-sendiri, misalnya sayap kanan wash out sedang sayap kiri wash in atau sayap kanan wash out  sedang sayap kiri normal. Selain untuk mengatasi puntiran akibat perputaran baling-baling (propeller torque), wash out dapat digunakan untuk menghindari stall pada wingbila  sudut pasang di ujung sayap lebih besar dari pada pada pangkal sayap. 
Selain untuk mengatasi puntiran akibat perputaran baling- baling (propeller torque),

Sudut pasang sayap (angle of incident)

      Sudut pasang sayap atau angle of insidence ( ) adalah sudut yang dibentuk oleh chord line dengan sumbu horizontal (longitudinal axis) pesawat terbang. Kadang-kadang sudut pasang sayap padap angkal sayap dibuat berbeda dengan ujung sayap. Bila semakin ke ujung sudutnya makin kecil, dinamakan wash out. Kebalikanya adalah wash in sudut pasang di ujung sayap lebih besar dari pada pada pangkal sayap

Sudut serang mutlak

 Sudut serang mutlak (absolute angle of attack) adalah sudut serang sebuah airfoil diukur dari kedudukan zero lift angle. Pada sudut tertentu dengan aliran udara, airfoil tidak menghasilkan gaya angkat karena kecepatan aliran udara yang melewati permukaan atas permukaan bawah airfoil adalah sama sehingga tekananyapun sama. Untuk airfoil yang simetris harga zero lift angle = 0

Sudut Serang Kritis

        Sudut  serang kritis adalah besrnya sudut serang dimana gaya angkat yang dihasilkan mencapai maximum, diatas sudut tersebut gaya angkat akan turun sedangkan hambatan udara (drag) akam membesar dengan cepat. Hal ini bisa terjadi karena aliran turbulent bertambah besar. Bandingkanlah aliran udara disekitar sayap pada sudut serang kecil, yaitu yang bisa terjadi pada waktu terbang lurus dan mendatar dan pada sudut serang yang besar.Bila sudut serang diperbesar, maka gaya angkat yang dihasilkan oleh airfoil akan makin membesar sampai pada suatu sudut serang tertentu. Batas ini disebut sudut serang kritis (critical anlge of  attack). Sudut serang kritis sering disebut stalling angle. Bila sudut serang   pesawat  dibuat > dari critical angle of attack, maka gaya angkat semakin besar sedangkan hambatan udara (drag) juga akan membesar dengan cepat. Hal ini bisa terjadi karena aliran udara di permukaan atas sayap mengalami turbulence yang menyebabkan pesawat stall (pesawat kehilangan gaya angkat

Sudut serang (angle of attack)

Sudut serang (  adalahsudut yang dibentuk oleh chord line dengan arah aliran udara (relative wind). Hubungan antara sudut serang dengan perubahan tekanan disekitar airfoil yang menghasilkan lift. udara dialirkan sejajar dengan permukaan  sebuah bola , terlihat tidak ada perbedaan kecepatan dan tekanan antara bagian atas dan bawah bola. Namun jika aliran udara tersebut diarahkan sedikit kearah atas, penambahan kecepatan bagian atas lebih besar, dan pengurangan tekanan statis bagian atas juga lebih besar dibandingkan dengan bagian bawah permukaan bola

Camber

Camber adalah perbandingan antara  jarak permukaan atas atau bawah ke tali busur dengan panjang tali busur.Bila jarak yang dimaksud terletak diatas tali busur, perbandingan disebut camber positif atau camber atas (upper camber) sebaliknya negative atau camber bawah (lower camber) bila di bawah tali busur. Pada gambar dibawah ini yang dimaksud dengan camber atas adalah : a/b, b/c, dan d/c,   Sedangkan e/c, f/c dan g/e disebut camber bawah 

Thickness ratio

thickness ratio adalah perbandingan antara tebal maximum dan panjang tali busur sebuah airfoil. Pada gambar 4-10  menunjukkan sebuah sayap dengan tebal dan panjang tali busur mengecil dari pangkal root) ke ujung (tip), tetapi thickness ratio tetap. 

Mean aerodynamic chord ( MAC )

Mean aerodynamic chord sebuah aerfoil adalah tali busur dari aerfoil imajiner berbentuk empat ersegi panjang yang apabila bergerak diudara akan menghasilkan gaya yang sama dengan aerfoil yang dimaksud.

Tali busur (Chord Line)

Tali busur (chord line) adalah sebuah garis lurus yang menghubungkan kedua ujung  sebuah airfoil dari leading edge sampai trailing edge . Tali busur ini sangat penting bagipesawat, artinya dalam menentukan sudut aliran udara terhadap airfoil.

Mean chamber line

Mean camber line atau biasa disebut mean line adalah sebuah garis yang merupakan titik-titik yang sama jauhnya terhadap permukaan atas dan bawah sebuah airfoil. Mean line berupa garis lurus pada airfoil simetris dan berupa garis lengkung pada airfoil tidak simetris

Trailing edge

Trailing edge adalah bagian paling belakang sebuah airfoil. Trailing edge sayap yaitu

seluruh bagian yang paling belakang dari sayap tersebut dari pangkal sampai ujung.

Leading edge

 Leading edge adalah bagian yang paling depan dari sebuah airfoil dari pangkal sampai ujung. .

Leading edge aerodinamik adalah titik potong antara radius leading edge dengan tali busur. Jadi leading edge aerodinamik adalah sebuah titik.

Pengertian airfoil

Airfoil adalah suatu permukaan yang di rencanakan mampu bereaksi dari gerakan udara yang melewatinya. Jadi dapat kita katakan setiap bagian pesawat terbang yang dapat merubah perlawanan udara menjadi gaya yang berguna untuk terbang seperti sayap, propeller, kemudi guling ( aileron),kemudi  arah (rudder),  kemudi tinggi ( elevator), blade kompresor dan turbindan lain lain yang direncankan untuk memperoleh reaksi udara bila bidang tersebut bergerak di udaradisebut airfoil.Pada gambar 4.2 diperlihatkan sebuah airfoil simetris. Bila aliran udara dibuat sejajar dengan tali busur (chord)  ia tidak akan menghasilkan reaksi (gaya angkat) karena tekanan udara dari atas dan bawah sayap sama besar. 

Vortices Pada Helikopter

            Helikopter yang sedang melakukan Hover (terbang diam) juga menghasilkan Downwash (pusaran angin ke bawah) dari Main Rotor (baling-baling utama) yang sama dengan Vortices dari sayap pesawat. Penerbang pesawat kecil harus menghindari helikopter

Wing Tip Vortices (Vortex)

Di ujung luar sayap, vortex ini membentuk pusaran yang berputar cukup cepat. Vortex-vortex (vortices) ini juga mengakibatkan Drag (daya yang berlawanan dengan Lift dan menekan pesawat ke bawah) yang disebut Induced Drag. Makin besar lift yang dihasilkan makin besar Induced Drag  yang terjadi begitu pula dengan Vortices di ujung sayap ini (Wingtip Vortices).

Kekuatan Wingtip Vortices  ini berbanding lurus dengan berat pesawat dan berbanding terbalik dengan Wing Span (rentang sayap dari ujung ke ujung) serta kecepatan pesawat. Makin kecil kecepatan pesawat makin besar Angle of Attacknya (sudur serang yang dibentuk oleh sayap pesawat terhadap garis horizontal) dan makin besarWingtip Vortices-nya. Hasilnya Wingtip Vortices ini makin besar pada saat pesawat terbang dengan kecepatan rendah dan memerlukan Lift yang besar yaitu saat lepas landas, mendaki (Climb), dan mendarat. Wingtip vortices tidak dapat dihilangkan, tapi yang dapat diusahakan adalah memperkecil pengaruhnya; yaitu dengan cara memperpanjang sayap (memperbesar aspect ratio) serta membuat ujung sayap berbentuk tirus (tappered) 

Pengertian vorteks

Vortices atau vorteks yaitu pusaran udara yang melewati sayap selama penerbangan yang ditunjukan oleh asap. Vorteks adalah salah satu dari banyak fenomena yang berhubungan dengan kajian aerodinamika. Vortex tercipta oleh beda tekanan antara permukaan atas dan bawah sayap. Udara bertekanan tinggi di bawah permukaan bawah sayap bergerak di sekitar ujung sayap ke daerah bertekanan rendah pada permukaan atas dan menghasilkan vortex.

Profil drag (induced drag)

Profil drag atau sering disebut dengan induced drag adalahhambatan terhadap gaya angkat yang dihasilkan pada bagian-bagian yang menghasilkan lift. Artinya jika induced drag makin besar maka gaya angkat semakin berkurang.

. Pada saat pesawat terbang sayap menghasilkan lift karena tekanan dari bawah sayap lebih besar dibandingkan tekanan di atas sayap. Dibawah sayap tekanannya positif (> dari tekanan udara di altitude), sementara tekanan di atas sayap negatif (< tekanan di altitude), hal ini mengakibatkan ada udara mengalir (berputar) dari bawah menuju atas sayap pada daerah wing tip. Udara yang berputar pada ujung sayap ini disebut wing tip vortex. Selanjutnya wing tip vortex ini menekan ujung sayap ke bawah. Udara yang menekan ujung sayap ke bawah ini disebut INDUCED DRAG. Semakin besar induced drag maka gaya angkat pesawat semakin berkurang.

                Cara cara memperkecil induced drag yang dapat dilakukan oleh pabrik pembuat pesawat terbang adalah:

a. Memperbesar Aspek Ratio (AR)

b. Memperkecil Tapper Ratio

c. Membuat wing tip up ward (wing let)

d. Membuat  ujung sayap tirus

e. Membuat ujung sayap berupa titik (pointed tip wing)

f.  Menambah kecepatan pesawat

Parasit drag

     Parasite drag adalah hambatan yang terjadi pada seluruh bagian bagian pesawat yang menyebabkan kecepatan pesawat berkurang.

Parasite drag terdiri atas:

a.       Form drag

b.      Skin friction drag

c.       Interference drag

a). Form drag (Hambatan bentuk)

Hambatan bentuk adalah

hambatan udara yang mengalir

 yang ditimbulkan oleh bentuk

 benda yang dilaluinya