Latar Belakang dibuatnya Pesawat terbang

PERANCANGAN KAPAL UDARA (AIRSHIP)
UNTUK VIDEO-MONITORING DARI UDARA
Oleh : Lettu Sus Achmat Joing, Puslitbang Indhan Balitbang Dephan
________________________________________
LATAR BELAKANG
Dengan semakin padatnya kondisi lalu-lintas jalan raya, terutama di kota-kota besar di Indonesia, seringkali menyebabkan terjadinya kemacetan-kemacetan di beberapa tempat terutama pada jam-jam tertentu. Apalagi akhir-akhir ini ditambah dengan semakin maraknya aksi-aksi unjuk-rasa dari berbagai elemen masyarakat, akan semakin menambah terjadinya kemacetan lalu-lintas tersebut. Satu-satunya wahana yang sekarang ini dipunyai dan digunakan oleh aparat kepolisian lalu-lintas untuk melakukan monitoring kondisi lalu lintas dari udara adalah dengan helikopter. Namun karena jumlahnya terbatas dan biaya operasionalnya cukup tinggi, maka penggunaan helikopter inipun sering dibatasi untuk saat-saat tertentu saja. Penggunaan wahana jenis lain untuk monitoring dari udara, sebagai alternatif dari penggunaan pesawat helikopter ini, merupakan suatu hal yang sudah lama menarik para peneliti dan inovator teknologi kedirgantaraan. Salah satu jenis wahana yang bisa digunakan untuk memenuhi keperluan monitoring dari udara tersebut dan harganya relatif cukup murah adalah Kapal Udara (Airship).
Kapal udara merupakan pesawat bermesin yang lebih ringan daripada pesawat terbang. Kapal udara ini memperoleh gaya angkat dari adanya gas (umumnya digunakan Helium) yang memberikan gaya angkat / apung. Untuk gerakan maju digunakan suatu engine, yang berfungsi juga untuk mengontrol arah gerakan kapal udara tersebut.
Secara khusus penelitian yang akan dilakukan bertujuan untuk mendapatkan hasil rancangan kapal udara yang optimal, semurah mungkin, mudah diproduksi di dalam negeri, dan dapat digunakan untuk membawa muatan (payload) berupa wireless video-camera guna monitoring dari udara pada ketinggian tertentu, seperti misalnya kondisi trafik / lalu-lintas jalan raya, kumpulan manusia, monitoring daerah banjir, patroli pantai dan sebagainya. Di samping itu, kapal udara juga bisa dimanfaatkan untuk membawa kamera photo guna pemotretan dari udara, membawa iklan suatu produk industri, patroli pantai / laut dan sebagainya. Untuk jangka panjangnya, diharapkan hasil penelitian ini bisa dikembangkan untuk membuat rancangan kapal udara berukuran yang lebih besar, sehingga dapat digunakan untuk keperluan transportasi yang lebih berat, seperti angkutan penumpang, barang dan sebagainya.

TUJUAN
Tujuannya adalah sebagai berikut :
• Mengenal pengembangan rancangan kapal udara yang dapat digunakan untuk video-monitoring atau pemotretan dari udara pada ketinggian tertentu, disertai pembuatan prototip kapal udara dengan mempertimbangkan kemudahan untuk dapat diproduksi di dalam negeri.serta mudah untuk dirakit dengan pemakaian bahan yang tersedia di pasar.
• Memberikan kontribusi dalam pengembangan rancang-bangun kapal udara sebagai wahana alternatif untuk transportasi penumpang atau barang, maupun untuk misi-misi lainnya.

LANDASAN TEORI
Suatu kapal udara dapat terangkat / mengapung di udara karena adanya gaya angkat yang diperoleh dari gas (umumnya helium) yang diisikan ke dalam envelope kapal udara tersebut. Untuk menghasilkan gerakan maju di sini diperlukan 2 (dua) buah engine, yang sekaligus berfungsi juga untuk melakukan pengendalian gerakan naik, turun dan jelajah.
Besarnya MTOW (Maximum Take-Off Weight) dari kapal udara dapat dihitung dari berat udara yang dipindahkan oleh kapal udara tersebut, dan dapat ditulis sebagai : 1

MTOW= rud . Vol. g (Newton) (II.2-1)

di mana :
Vol= Volume envelop kapal udara (m3) g = gravitasi (m/det2)
rud = pud / (Rud.Tud) (kg/m3)
Rud= R / Mud (J/kgoK)
R = konstanta gas universal
Mud= berat molekul udara
Tud = To – h.B (oK)
B = faktor penurunan temperatur
h = ketinggian tempat dari permukaan laut (sea level)
(Pa) (II.2-2)

Dengan asumsi Tgas = Tud, berat gas yang diisikan ke dalan kapal udara dapat dihitung sebagai :
Wgas= Volgas .rgas g (Newton) (II.2-3)

di mana :
Volgas= Volume gas yang diisikan ke dalam kapal udara (m3)
(kg/m3) (II.2-4)
(J/kgoK) (II.2-5)

Besarnya harga W (Wempty + payload) dapat dihitung sebagai :

W = MTOW-Wgas (Newton) (II.2-6)

Dengan mengetahui besarnya Wempty dari struktur kapal udara, maka besarnya berat payload yang dapat dibawa oleh kapal udara dapat ditentukan.
Untuk menganalisis kekuatan struktur komponen dari kapal udara, seperti envelope, sirip stabilizer, dan gondola, dapat dilakukan dengan membuat pemodelan FEM (Finite Element Methods) dari masing-masing komponen tersebut. Kemudian dengan bantuan perangkat lunak Nastran versi Windows, analisis stress statik pada struktur komponen kapal udara dapat dilakukan.

Kondisi stabilitas statik kapal udara, baik dalam arah longitudinal maupun lateral, dapat dianalisis dengan memperhitungkan momen yang terjadi, yaitu kestabilan–tukik (pitching moment), kestabilan-toleh (yawing moment) dan kestabilan-guling (rolling moment), terhadap pusat gaya apung (center of buoyancy). Kestabilan statik kapal udara adalah respons kapal udara terhadap gangguan sesaat. Kapal udara dikatakan stabil apabila respons yang terjadi cenderung mengurangi atau meniadakan gangguan. Hal ini dapat diketahui dari harga turunan (derivative) momen terhadap sudut serang, sudut toleh dan sudut guling (dM/da, dM/db, dan dM/df) adalah negatif. Di sini komponen kapal udara yang sangat menentukan kondisi stabilitas statik yaitu sirip stabilizer dan posisi penempatan gondola pada envelope.
ANALISIS KEKUATAN STRUKTUR GONDOLA DENGAN BAHAN KOMPOSIT
Untuk analisis kekuatan struktur gondola dengan bahan komposit dengan Metoda Elemen Hingga (FEM), di sini pada struktur gondola diambil tipe elemen “membrane” atau pelat tipis. Untuk dapat melakukan analisis tegangan, elemen membrane atau pelat tipis dapat diasumsikan sebagai elemen 2- dimensi, seperti terlihat dalam Gambar-3.
Gambar-1 :
Elemen segiempat 2-dimensi

Pada elemen segiempat yang isotropis dengan nodal-nodal 1, 2, 3 dan 4, besarnya perpindahan nodal dapat dinyatakan sebagai : 3
(III- 1)
Fungsi dari perpindahan (displacement) elemen segiempat ini dapat dituliskan sebagai :
(III-2)
di mana fungsi bentuk diberikan oleh :
(III-3)
(III-4)
(III-5)
(III-6)
h - tinggi elemen segiempat
b - lebar elemen segiempat

Regangan elemen untuk kondisi 2- dimensi dinyatakan dengan :
(III-7)
Dengan menggunakan pers.(III-2) ke dalam pers.(III-7) serta turunan u dan v, regangan dapat dinyatakan oleh :
(III-8)
di mana :
{d} - matriks perpindahan nodal pada pers.(III-1)
(III-9)

Besarnya gaya pada nodal-nodal elemen dalam bentuk matriks dapat dituliskan sebagai :

(III-10)

di mana :
{d} - matriks perpindahan nodal- nodal dari pers.(III-1)
[k] - matriks kekakuan elemen yang besarnya dapat dituliskan sebagai
(III-11)
[D] - matriks tegangan/regangan
t - tebal elemen
[B]T - transpose dari matriks [B] pers.(III-9)

Matrik tegangan /regangan (stress / strain matrix) dapat diberikan oleh : (III-12)

di mana :
E - modulus elastisitas bahan
n - rasio Poisson

Dari pers.(III-10), dapat dihitung besarnya tegangan von Mises dengan membagi besarnya gaya yang terjadi {f} dengan luas elemen.

Dalam perancangan suatu komponen harus dipastikan bahwa tegangan yang terjadi masih di bawah kekuatan material. Salah satu kriteria kegagalan yang sering dipakai dalam perancangan komponen mekanik adalah Kriteria Von Mises. Untuk tegangan biaksial, tegangan menurut kriteria Von Mises adalah : 4

(III-14)

di mana :
(III-15)
(III-16) (III-17)
Berdasarkan hasil analisis tegangan Von Mises ini maka faktor keamanan dapat dicari dengan menggunakan persamaan :
(III-18)

Struktur gondola akan menahan beban antara lain : - berat kedua ducted propeller dan engine (diperkirakan 52 Newton), tangki + bahan bakar (15 Newton), payload (29.6 Newton), dan berat dari strukturnya sendiri. Diperkirakan berat keseluruhan beban adalah 96.6 Newtons. Besarnya beban karena thrust dari engine 166.7 Newton per engine. Struktur gondola di sini dipilih bentuk monocoque dan terbuat dari bahan fiberglass (GFRP) dengan 6 lapis dengan tebal masing-masing 5 mm, agar mendapatkan konstruksi yang seringan mungkin. Pemodelan FEM struktur gondola adalah seperti yang ditunjukkan dalam Gambar-2. Hasil analisis stress pada struktur gondola terlihat dalam Gambar-3.


SISTEM DAYA DENGAN ELECTRIC ENGINE
Fungsi sistem daya bagi wahana Kapal Udara adalah untuk memberikan gaya dorong (thrust) serta kendali directional (yaw) dan longitudinal (pitch) pada waktu gerakan manuver dari airship, yaitu climb, cruising, descent dan belok. Dua buah unit sistem daya akan dipasang pada sisi kiri dan kanan Kapal Udara. Di sini fungsi sistem daya akan dibagi menjadi tiga bagian :
a) Penggerak (driver)
b) Thrust provider
c) Kendali sikap (attitude) Kapal Udara

Untuk penggerak ada dua macam tipe yang mungkin dipakai pada Kapal Udara yakni fuel engine dan electric engine. Khusus untuk misi Kapal Udara melakukan aerial fotografi mengharuskan sistem daya harus bisa mengakomodasi hovering (berada pada lokasi yang tetap untuk sementara waktu). Kelebihan dan kekurangan dari masing-masing sistem yang menjadi basis dari pemilihannya ditabulasikan sebagai berikut :
Penggunaan fuel-engine akan lebih mudah dilakukan karena fuel engine ini sangat mudah diperoleh di pasaran. Namun beberapa kelemahan sistem fuel engine yang sering ditemui adalah kadang-kadang untuk start-nya agak rewel, penyetelan engine harus baik dan optimal, kalau engine mati dalam keadaan terbang tidak bisa distart di atas, dan pemakaian bahan bakarnya memerlukan biaya yang terus-menerus. Sedangkan untuk penggunaan electric-engine, battery yang digunakan dapat di charge ulang sehingga lebih hemat biaya operasionalnya. Juga, selama terbang engine dapat dimatikan dan dihidupkan kembali secara remote. Untuk men-start engine tidak memerlukan peralatan khusus. Hanya saja kelemahan dari electric-engine ini adalah harganya cukup mahal serta berat keseluruhan sistem akan lebih besar dibandingkan dengan fuel engine.
Untuk mengoperasikan sistem daya tersebut di atas, diperlukan rancangan modul kendali yang tepat, terintegrasi dan biaya yang semurah mungkin. Pada tahap awal di sini akan dilakukan dengan controlled by remote. Sistem kendali Kapal Udara akan bersifat pasif. Artinya, seluruh gerak Kapal Udara dikendalikan oleh remote control, dan monitor diberikan oleh GPS (Global Positioning System) sebagai penentu koordinat secara real time. Untuk remote control di sini akan digunakan Radio Control yang biasa dipakai untuk pesawat aeromodeling dengan 8 channel.
Selain itu juga terdapat muatan standard yang berisi processor pengatur output data koordinat Kapal Udara dan daya battery. Monitor terhadap daya battery ini diperlukan untuk menghindari kehilangan kontrol akibat daya battery yang habis ketika mengudara.

PAYLOAD / MUATAN KAPAL UDARA
Untuk dapat melakukan video-monitoring dari udara muatan yang perlu dibawa adalah berupa Wireless Video Camera, yang dipasang pada suatu dudukan yang dapat diputar (Tilt System). Kamera ini umumnya diletakkan pada tempat khusus yang disediakan di envelope (di depan Gondola). Untuk dapat diterima di layer monitor TV di bawah, hasil pengambilan gambar digital video dan audio dipancarkan melalui sebuah Transmitter khusus yang mempunyai jangkauan cukup jauh (1-3 km). Oleh karena Transmitter ini akan dibawa terbang, maka diperlukan suatu Transmitter yang sekecil dan seringan mungkin namun mempunyai kemampuan daya pancar yang tinggi. Kemudian dengan melalui sebuah Receiver khusus, gambar hasil pengambilan wireless video-camera ini dapat diterima, dan langsung dapat dilihat pada layer monitor TV biasa. Gambar-5 memperlihatkan salah satu contoh sistem Wireless Video-Camera yang bisa dipasang pada Kapal Udara beserta Transmitter dan Receiver serta monitor TV

Rancangan Dudukan Tilt System untuk Video Camera
Agar Video Camera dapat mengambil gambar pada berbagai posisi, kamera perlu mempunyai rangka dudukan yang dapat memutar posisi kamera sampai dengan 360o dalam arah yawing dan 90o dalam arah pitching

Untuk dapat memutar posisi dudukan kamera sampai 360o arah yawing akan digunakan suatu motor servo yang dapat memutar 360o dengan ukuran beban 1-3 kg dan transmisi roda dengan belt. Sedangkan untuk memutar dudukan kamera dalam arah pitching 90o akan digunakan motor servo dengan ukuran 0.7-1 kg dan transmisi linkage. Kedua motor servo ini dikendalikan secara remote dengan menggunakan 2 channel dari Radio Control.

Transmitter VS-1230
Suatu Transmitter yang digunakan untuk memancarkan hasil pengambilan gambar video dan suara (audio) di sini adalah Transmitter VS-1230, dengan spesifikasi sebagai berikut pada Gambar-7 :
Dengan berat hanya 200 gr dan jarak pancaran sampai dengan 10.000 m (outdoor), Transmitter VS-1230 ini cocok sekali untuk penggunaan wireless video camera yang dibawa terbang dengan Kapal Udara. Gambar-7 menunjukkan Transmitter VS-1230 yang digunakan dalam system wireless video-camera ini yang dapat dibeli di pasaran.

Receiver VR-1204
Untuk dapat menerima gambar video dan audio yang dipancarkan dari Transmitter VS-1230 di sini akan digunakan sebuah Receiver VR-1204, dengan spesifikasi sebagai berikut pada Gambar-8 :
Receiver VR-1204 ini mampu menerima signal dari gambar digital video dan audio dengan frekuensi tinggi (1080 – 1200 MHz). Kemudian untuk melihat hasil penerimaan gambar dan suara yang diterima, Receiver tersebut dihubungkan langsung dengan sebuah monitor pesawat TV biasa atau CCTV monitor, sehingga gambar dan suara secara langsung dapat dilihat di layar monitor ataupun direkam dengan alat perekam video (VHS). Gambar-8 menunjukkan Receiver VR-1204 yang digunakan dalam system wireless video camera ini yang dapat dibeli di pasaran.

Payload/Muatan Kamera Foto Digital
Pemotretan udara dapat dilakukan dengan memasang suatu Kamera Foto Digital yang diletakkan pada dudukan tilt system atau dudukan kamera yang manual (besarnya sudut posisi kamera diatur
secara manual). Kamera Foto Digital pada dudukan manual yang akan digunakan adalah seperti yang terlihat dalam Gambar-9.
Untuk melakukan pemotretan, push button pengambilan gambar dari kamera dapat dilakukan secara remote dengan menggunakan salah satu channel dari Radio Control, yang akan menggerakkan motor servo yang dipasang pada dudukan kamera.

KESIMPULAN
Dari hasil perancangan Kapal Udara (Airship) untuk Video Monitoring dari udara dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Dalam perancangan Kapal Udara untuk video monitoring dari udara ini tipe Kapal Udara LPN-01 yang dipilih adalah remotely controlled non-rigid helium airship yang akan mampu membawa beban payload sebesar 30 – 36 Newtons. Kapal Udara dirancang mempunyai dimensi panjang L = 8,5 m dan diameter D = 2,2 m, sehingga diperoleh volume envelope sebesar 20 m3. Perhitungan MTOW (Maximum Take Off Weight) dengan bahan gas Helium diperoleh sebesar 227,13 Newtons pada sea level dan 221,01 Newtons pada ketinggian 300 m.
2. Dari analisis stress dengan menggunakan perangkat lunak Nastran MSCN4V45 versi Windows pada struktur Envelope, Fin Stabilizer, Rudder dan Gondola menunjukkan bahwa bahan masih cukup aman terhadap beban yang terjadi. Dari hasil analisis kekuatan struktur Gondola dari bahan komposit menunjukkan bahwa bahan GFRP cukup aman terhadap pembebanan yang terjadi akibat gaya dorong engines (masing-masing 166,7 newton), berat kedua ducted propeller dan engines (diperkirakan 52 Newton), tangki + bahan bakar (15 Newton), payload (29.6 Newton), dan berat dari strukturnya sendiri. Tegangan statik maksimum terjadi pada daerah perekatan lapisan 3-4 dari ke-6 lapisan fiberglass yang ada.
3. Perhitungan stabilisasi statik pada Kapal Udara yang diambil untuk kecepatan terbang sampai dengan V = 42,6 km/h menunjukkan harga derivative dari momen tukik (pitching moment) terhadap sudut serang, momen toleh (yawing moment) terhadap sudut toleh, dan momen guling (rolling moment) terhadap sudut guling semua berharga negatif, berarti Kapal Udara cukup mempunyai kestabilan statik terhadap gangguan yang terjadi.
4. Dalam perancangan Kapal Udara untuk video monitoring dari udara ini tipe Kapal Udara LPN-02 yang mampu membawa beban payload sebesar 31 – 50 Newtons. Kapal Udara dirancang mempunyai dimensi panjang L = 9,0 m dan diameter D = 2,4 m, sehingga diperoleh volume envelope sebesar 26,60 m3. Perhitungan MTOW (Maximum Take Off Weight) dengan bahan gas Helium diperoleh sebesar 302 Newtons pada sea level dan 293 Newtons pada ketinggian 300 m. Sampai saat ini pembuatan sirip baru dengan ukuran yang lebih besar masih dalam taraf penyelesaian.

Footnote
1 Pepper,D.W.,and Heinrich, J.C., “The Finite Element Method : Basic Concepts and Applications”, Hemisphere Publishing Co., Washington-Philadelphia-London, 1992.
2 Cook,R.D., Malkus,D.S., and Plesha,M.I., “Concepts and Application of Finite Element Analysis”, 3rd Edition, John Wiley & Sons Inc., New York – USA, 1984.
3 I.Nyoman Oka Y. dan Mahardi Sadono, “Perancangan Awal Balon Udara”, Tugas Perancangan Pesawat, Teknik Penerbangan ITB, 1992
4 Logan,D.L., “A First Course in the Finite Element Methods”, 2nd Edition, PWS-KENT Publishing Co., Boston, 1992.
5 Huebuer, Kenneth,H.,”The Finite Element Methods for Engineers”, John Wiley & Sons Inc., New York, 1974.
6 ”MSC/Nastran for Windows, Installation and Application Manual”, Version 4.5, The Mac.Neal Schwendler Co., 1998.
7 Roland Escher, “RC Airship F A Q”,. 1995 – 2000, www.MyAirship.com
8 John and Carol Piri, “Parts and Accessories”, July, 2000, jpiri@ridgecrest.ca.us, www.MyAirship.com
9 Airship untuk pengawasan (monitoring) dari udara, LAPAN, 2004.