Pesawat: Hasil Kompromi Optimasi

Desember 20, 2006

Pernah kah terpikir oleh Anda, ketika anda terbang dengan pesawat, pada ketinggian puluhan ribu feet, Anda hanya dilindungi oleh “dinding” pesawat yang tebalnya tidak lebih dari setengah centimeter? Mungkin hanya 2 atau 3 milimeter! Padalal ia harus menahan beban tekanan udara, dimana tekanan di dalam kabin lebih besar dari tekanan diluar sana. Analoginya, bagaikan balon yang ditiup. Percayakah Anda bahwa pesawat yang Anda tumpangi, yang begitu besar, memiliki sayap yang disambungkan ke fuselage (badan pesawat) hanya dengan dua buah pin atau pasak yang masing-masing diameternya tidak lebih dari 10 centimeter? Untuk pesawat 50 penumpang, mungkin saja hanya sebesar ibu jari kaki Anda.Rancang bangun pesawat terbang memang bukan hal yang sederhana.

Aloha Airlines

Aloha Airlines Flight 243, April 1988. Mengalami kegagalan struktur dengan terkelupasnya skin fuselage akibat retak merambat yang tak terlihat. Berhasil melakukan pendaratan darurat. Tak ada penumpang yang meninggal, tapi seorang pramugari tewas terlempar di udara.

Setidaknya IPTN butuh waktu tidak kurang dari 10 tahun mulai dari prelimenary desain hingga menerbangkan N-250 dan sertifikasi (yang belum selesai, dan dihentikan). Tidak berbeda jauh dengan Boeing dan Airbus mungkin. Pesawat terbang merupakan produk kompromi yang tak ada henti. Ada dua tantangan terbesar dalam rancang bangun pesawat udara. Pertama, lingkungan fisik penerbangan yang banyak janisnya, bervariasi, serta asing terhadap kondisi linkungan sehari-hari di darat. Kedua, persyaratan rancang yang saling kontradiktif antara satu dengan lainnya, sehingga dibutuhkan kompromi optimasi yang sangat ketat.

 

Kompromi Optimasi

Ya, kompromi optimasi yang sangat ketat! Pesawat udara didesain dengan berat seringan mungkin agar menperoleh energi terbang sebesar mungkin. Tapi masalahnya, bukanlah hal yang mudah mendapatkan struktur yang ringan tetapi kuat. Padahal dibutuhkan kekutan struktur yang cukup kuat untuk menahan beban aerodinamik, gravitasi, dan inersial. Geometri vs struktur: untuk mendapatkan gaya angkat (lift) yang besar maka geometri sayap harus seluas mungkin. Namun, konsekuensi dari luas sayap yang besar adalah struktur yang menjadi elastis. Padahal, untuk memperoleh kekuatan struktur yang cukup besar, kekakuan struktur juga harus besar. Selain itu, letak titik berat struktur dan titik tangkap gaya aerodinamik umumnya tidak berada pada sati titik. Kembali dilakukan kompromi optomasi agar konfigurasi letak keduanya mendukung prestasi dan mekanika terbang pesawat secara umum. Dan masih banyak lagi kompromi optimasi lainnya, seperti kecepatan vs gaya hambat, jangkauan terbang vs berat bahan bakar, serta kestabilan vs momen dan gaya alami.

Mungkin agak ngeri jika tahu bahwa dinding pesawat yang Anda tumpangi hanya setebal 2 milimeter. Tetapi itu lah kenyataannya. Pesawat dirancang tidak hanya harus kuat, tapi juga harus ringan agar dapat terbang. Kita memang tidak terbiasa dengan angka safety factor yang rendah. Jika suatu jembatan dibangun dengan safety factor 5, maka mungkin pesawat hanya dirancang dengan safety factor 1.5 atau bahkan kurang dari itu. Artinya, jika di jembatan tertulis beban maksimum yang diperbolehkan 100 ton, maka sebenarnya jembatan itu masih aman jika diberi beban 5 kali lipat dari itu atau 500 ton. Tetapi tidak dengan pesawat terbang.

Namun, percaya saja, engineer yang mambuat pesawat udara tentu tidak sembarangan. Berbagai pengujian tentu telah dilakukan. Nikmati saja penerbangan Anda, sekedar melirik pramugari cantik mungkin dapat sedikit meredakan ketegangan Anda saat terbang.:-P


Diffusion Bonding and Super Plastic Forming

Desember 12, 2006

Diffusion bonding adalah suatu mekanisme penyambungan logam maupun paduan logam pada keadaan padat untuk mendapatkan ikatan pada tingkat atomik. Ikatan yang terbentuk ini merupakan hasil dari bersatunya kedua permukaan yang terjadi karena ada deformasi plastis lokal pada temperatur tinggi. Deformasi plastis ini memicu interdifusi di lapisan permukaan dari kedua material yang digabungkan.

Mekanisme dari diffusion bonding :

diffusion bonding (1)
(a) Terbentuk titik kontak awal antara kedua bahan.

Diffusion Bonding (2)
(b) Terjadi deformasi plastis lokal dan creep, memicu berkurangnya rongga.

Diffusion Bonding (3)
(c) Deformasi dan creep selesai, masih ada rongga dengan lapisan kontaminan yang sangat tipis.

Diffusion Bonding (4)
(d) Berlanjutnya difusi vacancy, hilangnya lapisan oksida, masih ada beberapa rongga kecil.

Diffusion Bonding (5)
(e) Diffusion bonding selesai.

Super Plastic Forming

Super Plastic Forming adalah suatu proses yang didesain untuk material lembaran dimana ductility ditingkatkan sehingga elongasinya meningkat beberapa ratus persen.

Komponen tanpa SPF
(a) Komponen kompleks dengan penyambungan konvensional

Komponen hasil SPF
(b)Komponen yang dibuat dengan Super Plastic Forming.

Super Plastic Forming and Diffusion Bonding (SPF/DB) merupakan suatu teknik pemrosesan material yang dikembangkan dan banyak dipakai pada industri dirgantara. Proses ini  diterapkan pada titanium dan paduannya, dimana material ini menunjukan sifat superplastik pada kondisi temperatur tinggi dan tekanan tertentu. Kondisi temperatur dan tekanan yang dimaksud disini adalah kondisi yang dibutuhkan atom untuk berikatan. Sehinnga, dua proses ini (SPF dan DB) dapat dikombinasikan dalam satu operasi pabrikasi (manufaktur) yang bersamaan atau pun berurutan.

Proses SPF/DB digunakan untuk memproduksi struktur sandwich kaku untuk komponen airframe atau chord yang lebar dan blade turbin untuk mesin pesawat udara. Keuntungannya adalah, dengan proses SPF/DB kita dapat membuat komponen dengan bentuk kompleks secara lebih cepat dan efisien. Selain itu, jika dibandingkan dengan teknologi konvensional, maka metode ini dapat memberikan kontribusi saving cost hingga 20-30 %.

Aplikasi khusus dari produk SPF/DB antara lain:

  1. Titanium alloy, Civil Aircraft.
  2. Antara lain digunakan pada komponen temperatur tinggi disekitar mesin atau yang berhubungan langsung dengan udara panas, seperti : panel pylon, panel nacelle, dan wing access panels. Selain itu juga pada fan blades mesin jet.

  3. Titanium alloy, Military Aircraft.
  4. Antara lain digunakan pada komponen temperatur tinggi disekitar mesin seperti heat shields. Selain itu juga pada komponen aerodinamic yang menahan beban tinggi seperti leading edge dan foreplanes.


Retrogression and Reaging (RRA) Treatment

Desember 12, 2006

Retrogression and reaging (RRA) adalah suatu cara baru perlakuan panas (heat treatment) yang diterapkan pada paduan aluminium yang mengalami precipitation hardening. RRA ini dapat dilakukan pada paduan aluminium kekuatan tinggi seri 7xxx ( Al-Mg-Zn-Cu ).Perlakuan panas T6 bermasalah pada tahanan retak akibat tegangan di lingkungan korosi (stress-corosion-cracking/SCC resistance). Untuk meningkatkan tahanan SCC diperlukan perlakuan panas T7x. Namun, sayangnya perlakuan panas T7x ini mengakibatkan turunnya kekuatan antara 10 hingga 15 persen. Untuk mengatasi permasalahan ini maka RRA adalah solusinya. Hasil yang diperoleh dari metode RRA adalah kombinasi antara kekuatan dan tahanan SCC yang baik tanpa mengurangi sifat kekuatan bahan yang diperoleh dari T6 heat treatment.

Langkah-langkah retrogression and reaging (RRA) adalah sebagai berikut :

  1. Solution heat treatmment pada suhu 470°C
  2. Quenching pada temperatur ruang
  3. Artificial aging  selama 24 jam pada temperatur 120°C
  4. Retrogression, yaitu pemanasan singkat (sekitar 5 menit) pada temperatu tinggi (200-280 °C)
  5. Re-aging seperti pada T6, yaitu dengan temperatur 120°C selama 24 jam.

RRA heat treatment saat ini dipakai dalam pengembangan beberapa paduan aluminium, antara lain adalah seri 7150 dan 7055. Kedua paduan ini memiliki banyak aplikasi pada struktur pesawat udara. Contohnya adalah struktur upper wing Boeing-777 yang dibuat dari lempengan aluminium 7055-T7751 dan ekstrusi T77511.


Aluminum Alloy for Aerostructure

Desember 7, 2006

Paduan aluminium merupakan material utama yang saat ini digunakan industri pesawat terbang komersial. Aluminium dipilih karena memiliki sifat ringan dan kekuatannya dapat dibentuk dengan cara dipadu dengan unsur lain. Permasalahan yang dihadapi adalah pemilihan jenis unsur apa yang akan dipadu dengan aluminium untuk mendapatkan karakteristik material yang dibutuhkan. Unsur paduan yang ditambahkan dan perlakuan panas (heat treatment) yang diberikan pada aluminium selama pemrosesan sangat mempengaruhi sifat paduan aluminium yang dihasilkan.

Awalnya paduan aluminium dikembangkan dengan tujuan mendapatkan material yang kuat dan ringan. Namun, seiring dengan berkembangnya kebutuhan struktur pesawat udara komersial dengan ukuran yang semakin besar, material yang dibutuhkan tidak hanya kuat dan ringan saja. Dewasa ini paduan aluminium dikembangkan untuk mendapatkan material yang kuat, ringan, usia pakai yang lama, biaya produksi rendah, toleransi kegagalan tinggi, dan tahanan korosi yang baik.

Sekitar tahun 1900 duralium, paduan aluminium dengan tembaga, magnesium, dan mangan, petama kali diperkenalkan di Jerman. Jenis ini merupakan paduan aluninium yang dapat diberi perlakuan panas (heat treatment) dan menghasilkan kombinasi kekuatan dan keuletan yang baik. Saat ini paduan ini dikenal dengan nama aluminium 2017-T4. Pesawat udara yang pertama kali memakai struktur rangka aluminium adalah Junkers F13 yang diproduksi di Jerman pada tahun 1920 dan kemudian disusul Douglas DC3 yang memakai aluminium 2024-T3. Keunggulan aluminium 2024-T3 adalah memiliki tahanan fatik yang lebih baik dari versi sejenisnya.

Selama Perang Dunia II, Paduan Aluminium dengan dengan kekuatan tinggi diperkenalkan. Paduan ini disebut aluminium 7075-T6 yang merupakan paduan aluminium, seng, magnesium, dan timah. Karena kekuatannya yang tinggi, paduan ini banyak dipakai pada struktur pesawat tempur saat itu. Versi modifikasinya, alumunium 7178-T6, berhasil dikembangkan dan diterapkan pada pesawat terbang komersial Boeing-707. Namun, pemakain aluminium 7178-T6 ini tidak dilanjutkan oleh Boeing karena bermasalah pada daya tahan dan toleransi kegagalan.

Boeing 777-200

Boeing-777 merupakan pesawat udara komersial terbesar dengan dua mesin propulsi yang menggunakan material struktur utama dari aluminium. Sekitar 70 persen struktur Boeing-777 dibuat dari material paduan aluminium. Struktur upper wing Boeing-777 dibuat dari lempengan dan ekstrusi aluminium 7055-T7751. Paduan ini dipilih karena memiliki kekuataan dan tahanan retak yang lebih baik dari aluminium 7150-T7. Sedangkan struktur fuselage dibuat dari aluminium 2524-T3 yang merupakan modifikasi dari aluminium 2024-T3. modofikasi ini dilakukan untuk meningkatkan tahanan retak (fracture toughness) dan kemampuan menghambat kelelahan struktur akibat pertumbuhan retak (fatigue crack growth resistance). Pengembangan paduan aluminium untuk struktur Boeing-777 ini dilakukan oleh Alcoa.


Bagaimana Pesawat Udara Bisa Terbang

Desember 6, 2006

Secara kodrati manusia diciptakan untuk hidup di darat. Manusia tidak memiliki alat gerak yang bisa digunakan untuk terbang. Namun, burung-burung yang dapat terbang bebas di angkasa telah memberi inspirasi bagi manusia untuk menjelajah lebih jauh dari habitatnya. Kemampuan untuk terbang bebas di angkasa menjadi suatu simbol kebebasan dan lepas dari belenggu gravitasi.

Pada awalnya manusia menganggap bahwa untuk bisa terbang maka kita harus melakukannya sebagaimana burung terbang. Dan satu-satunya cara adalah dengan mengepakkan sayap seperti halnya burung. Atas dasar itu lah kemudian bermunculan para peloncat-peloncat menara dengan desain sayap yang mereka ciptakan sendiri. Mereka tidak hanya satu, tapi puluhan, dengan satu mimpi yang sama: terbang. Namun malang, tak ada satupun yang berhasil. Bahkan lebih banyak yang justru menemui ajal.

Orang sekaliber Leonardo da Vinci pun ikut terbawa oleh euforia impian terbang. Da Vinci pernah manciptakan suatu desain mesin terbang yang disebut ornitopter. Meskipun bukan alat yang berhasil membuat manusia dapat terbang, namun saya sangat kagum dengan desain ini. Berbeda dengan para peloncat menara, da Vinci tidak lah bodoh. Sebelum desainnya direalisasikan, ia segera meyadari bahwa tidak mungkin manusia -dengan tenaga yang dimilikinya- bisa melakukan pengendalian, mengepakkan sayap, dan navigasi dalam waktu bersamaan. Banyak waktu yang ia curahkan untuk sekedar mempelajari bagaimana burung-burung terbang.

Suatu pernyataan da Vinci yang begitu visioner adalah metode separasi. Sekitar 1500 tahun yang lalu da Vinci telah mengemukakan bahwa untuk bisa terbang cukuplah dilakukan dengan sayap tetap dan memberinya gaya dorong. Hal ini didasari dari hasil pengamatannya dari teknik burung untuk terbang. Menurutnya, sayap burung terdiri dari dua bagian yang memiliki fungsi masing-masing. Bagian pangkal sayap burung yang relatif tetap (fixed) berfungsi membangkitkan gaya angkat. Sedangkan bagian ujung sayap burung berfungsi untuk mengepak dan membangkitkan gaya dorong. Separasi gaya menjadi gaya angkat dan gaya dorong inilah yang sampai sekarang dipakai untuk menciptakan mesin terbang.

Lalu bagaimana pesawat udara dapat terbang? Adalah suatu yang salah jika kita berfikir bahwa mesin (engine) lah menyebabkan pesawat dapat terbang. Pada dasarnya, sayap lah yang memberi gaya angkat yang dibutuhkan untuk terbang, sedangkan engine hanya memberi gaya dorong (thrust) untuk bengerak maju. Jadi, kesimpulan mudahnya adalah bahwa pesawat udara (bukan pesawat antarikasa) dapat terbang karena memiliki sayap.

Pertanyaan selanjutnya, bagaimana gaya angkat (lift) dapat terbangkit di sayap? Secara mudah dapat dijelaskan bahwa gaya angkat terbangkitkan karena ada perbedaan tekanan di permukaan atas dan permukaan bawah sayap. Bentuk airfoil sayap diciptakan sedemikian rupa agar tercipta karakteristik aliran yang sesuai dengan keinginan. Singkatnya, gaya angkat akan ada jika tekanan dibawah permukaan sayap lebih tinggi dari tekanan diatas permukaan sayap. Perbedaan tekanan ini dapat terjadi karena perbedaan kecepatan aliran udara diatas dan dibawah permukaan sayap. Sesuai hukum Bernoulli semakin cepat kecepatan aliran maka tekanannya makin rendah. Besarnya gaya angkat yang dibangkitkan berbanding lurus dengan Luas permukaan sayap, kerapatan udara, kuadrat kecepatan, dan koefisien gaya angkat.

Jadi, untuk pesawat udara, engine berfungsi memberikan gaya dorong agar pesawat dapat bergerak maju. Akibat gerak maju pesawat maka terjadi gerakan relatif udara di permukaan sayap. Dengan bentuk geometri airfoil tertentu dan sudut serang sayap (angel of attack) tertentu maka akan menghasilkan suatu karakteristik aliran udara dipermukaan sayap yang kemudian akan menciptakan beda tekanan dipermukaan atas dan permukaan bawah sayap yang kemudian membangkitkan gaya angkat yang dibutuhkan untuk terbang.


Body of Knowledge of Aeronautics

Desember 3, 2006

Aeronautics adalah cabang ilmu yang mempelajari, meneliti dan mengembangkan masalah-masalah penerbangaan udara. Yang dimaksud penerbangan udara disini adalah penerbangan didalam atmosfer bumi. Sedangkan bidang kerekayasaannya mempelajari rancang bangun dan operasi suatu wahana terbang (flight vehicle).

Perkembangan ilmu teknik penerbangan untuk mencapai suatu pemahaman tentang rahasia dan teknik terbang,serta bagaimana mendesain suatu mesin terbang telah melahirkan beberapa kelompok disiplin ilmu baru. Kelompok bidang keahlian yang menjadi inti ilmu teknik penerbangan tersebut adalah:

Aerodinamika
Dikenal sebagai The Shape of Flight atau yang mementukan bentuk untuk terbang. Aerodinamika adalah cabang ilmu teknik penerbangan yang mempelajari, meneliti dan mengembangkan karakteristik aliran udara disekitar permukaan benda, dengan bentuk tertentu, untuk mengetahui distribusi tekanan dan gaya angkat serta momen yang dibangkitkannya.Subjek dari ilmu ini adalah mekanika fluida, aerodinamika inkompresibel, aerodinamika kompresibel, aerodinamika pesawat terbang, aerodinamika propulsi, dan aerodinamika supersonik.

Material dan Struktur Ringan
Dikenal sebagai The Strength of Flight atau yang mementukan kekuatan untuk terbang. Bidang keahlian ini menmpelajari, meneliti dan mengembangkan struktur dan kostruksi pesawat serta material yang sesuai untuk mendapatkan kekuatan yang dibutuhkan untuk terbang. Hal yang menjadi perhatian kelompok keahlian ini meliputi material pesawat, statika,dinamika dan kinematika, kekuatan struktur, elastisitas dan beban pesawat, getaran dan dinamika struktur, mekanika keretakan dan kelelahan, dan perawatan struktur.

Mekanika Terbang
Juga disebut The Motion of Flight atau yang menetukan gerak terbang. Ilmu mekanika terbang mempelajari tentang karakteristik gerak dan kestabilan serta keterkendaliannya (stability and controllability) dari wahana terbang di ruang dimensi tiga dengan enam derajat kebebasan gerak. Subjek ilmu ini meliputi: fisika bumi dan dirgantara, prestasi terbang, dinamika terbang, teori kendali, kendali terbang,  navigasi dan panduan terbang, serta estimasi dan dentifikasi parameter terbang.

Prestasi Propulsi
Sering disebut sebagai The Power of Flight atau yang menentukan daya untuk terbang. disiplin ilmu ini mempelajari, meneliti, dan mengembangkan prestasi
propulsi pesawat terbang yang meliputi dua hal. Pertama, besarnya gaya dorong (thrust) yang dihasilkanserta variasinya terhadap kecepatan, temperatur, dan tinggi
terbang. Kedua, massa bahan bakar yang diperluakan serta laju pemakaiannya untuk setiap satuan gaya dorong yang diperoleh. Bebrapa subjek bidang ini adalah prestasi dan sistem propulsi, dinamika sistem propulsi serta aerodinamika inlet dan necelle.

Sistem Pesawat Udara
Merupakan ilmu yang mempelajari sistem-sistem dasar yang dibutuhkan agar persyaratan aerodinamika, struktur ringan dan propulsi dapat bekerja sesuai hukum mekanika terbang. Subjek bidang keahlian ini meliputi dinamika sistem, sistem dasar pesawat udara, sistem dasar daya fluida, sistem mekanikal dan hidraulik, sistem avionika (aviation electronic) dan instrumentasi, serta sistem menopang kehidupan (life support system).

Referensi: Prof. Ir. Said D. Jenie Sc.D