Mekanika Terbang

MEKANIKA TERBANG (FLIGHT MECHANICS)

Bagi rekan-rekan yang awam di dunia penerbangan mungkin mendengar mekanika terbang ini agak asing. Kalau mesin pesawat,struktur pesawat,radio pesawat lebih familiar,tetapi untuk mekanika terbang akan terdengar asing bagi yang belum memahami ilmu yang satu ini. Sama seperti ilmu mekanika pada umumnya,ilmu mekanika terbagi dua yaitu kinematika dan dinamika. Ilmu kinematika adalah ilmu yang mempelajari sifat gerak benda tanpa memperhatikan penyebabnya,kalau dinamika mempelajari sifat gerak benda dengan melihat sumber atau penyebab kenapa benda itu bergerak. Itu tadi adalah ilmu mekanika secara umum. Sekarang kita akan belajar bagaimana ilmu mekanika terlibat dalam penerbangan khususnya gerak pesawat terbang. Dalam mekanika terbang,lebih banyak membahas dalam aspek dinamikanya. Itu kenapa mahasiswa teknik penerbangan mendapatkan mata kuliah dinamika terbang selama menempuh kuliah teknik penerbangan. Lalu ilmu turunan apa saja yang akan kita pelajari pada mekani katerbang?. Sebelum mempelajari mekanika terbang,seperti biasa saya akan memberika beberapa rujukan buku yang digunakan. Pada ilmu mekanika terbang ini,bukunya sangat banyak dan saya memberi 12 buku untuk rekan-rekan pilih sebagai bahan belajar atau menyusun skripsi.

Pada pembelajaran tentang mekanika terbang ini,saya membagi menjadi sub pembelajaran yaitu dinamika terbang (flight dynamics), stabilitas & control pesawat (aircraft stability & control),dan prestasi terbang (aircraft performance). Untuk buku-buku yang bisa rekan-rekan pelajari pada sub materi tersebut adalah :

1. Dinamika Terbang ( Flight Dynamics)

• Airplane Flight Dynamics and Automatic Control System Part I dan II,Jan Roskam
• Fundamentals of Airplane Flight Mechanics,David G Hull
• Flight Dynamics Principles, M.V.Cook
• Introduction to Flight mechanics,Steven L Morris
• Mechanics of Flight,Warren F Philips
• Mechanics of Flight,R.H Barnard
• Flight Mechanics and Modelling Analysis,Jitendra R Raol
• Introduction to Aircraft Flight Mechanics,Thomas R

2. Stabilitas dan Kontrol Pesawat (Aircraft STability & Control)

• Flight Stability and Automatic Control System,Robert C Nelson
• Dynamics of Flight Stability and Control,Bernard Etkin

3. Prestasi Terbang (Aircraft Performance )

• Airplane Aerodynamics and Performance,Jan Roskam
• Aircraft Permormance Maido Saarlas

1. DINAMIKA TERBANG

Dinamika terbang adalah salah satu cabang ilmu mekanika terbang yaitu ilmu yang mempelajari tentang pergerakan pesawat terbang dengan memperhatikan penyebab pergerakan pesawat serta respon yang terjadi akibat input atau perlakuan yang diberikan kepada pesawat terbang. Ilmu ini bisa dikatakan sebagai ilmu tunggal di teknik penerbangan yang menjadi identitas bagi pembeda antara teknik penerbangan dengan ilmu-ilmu teknik yang lain. Ketika kita berbicara propulsi atau mesin jet,teknik mesin juga mempelajari mesin jet atau gas turbine engine untuk pembangkit listrik. Ketika kita bicara ilmu navigasi,teknik perkapalan juga mempelajari navigasi. Ketika kita belajar mekanika terbang,sudah pasti ilmu ini hanya ada tunggal di teknik penerbangan untuk aplikasinya. Kita tidak akan menemui ilmu applied flight mechanics selain di jurusan teknik penerbangan. Untuk mempelajari mekanika terbang,rekan-rekan harus kuat dalam materi matematika dan fisika. Materi matematika yang dibutuhkan dan wajib antara lain matriks,suku banyak (polynomial),dan vektor. Untuk fisika,materi wajib untuk mempelajari mekanika terbang ini adalah momen inersia,dinamika partikel,vektor,GLB dan GLBB.

Rekan-rekan yang sering mendengar pesawat sukhoi mampu terbang dengan macnuver cobra dan sebagainya harus mengetahui alasan ilmiahnya kenapa pesawat tersebut bisa seperti itu. Dengan ilmu dinamika terbang inilah jawaban kenapa pesawat sukhoi bisa terbang dengan macnuver cobra. Sebelum belajar lebih jauh tentang dinamika terbang,kita harus mempelajari enam derajat kebebasan atau pola gerak pesawat antara lain pitch,roll,dan yaw.

A. Pitch ( Pitch Up & Pitch Down )

Pitch adalah gerak pesawat yang mengacu pada sumbu lateral. Pitch dibagi dua yaitu pitch up dan pitch down. Bidang kendali untuk menggerakkan pesawat untuk pitch up atau down adalah elevator dan alat kendalinya di kokpit disebut stick. Stick setiap pesawat berbeda-beda. Airbus lebih banyak berada di samping kanan dan kiri pilot,Boeing terletak di depan pilot,dan sebagainya. Untuk menggerakkan pesawat supaya pitch up atau menaikkan pesawat supaya terbang,maka stick ditarik kebelakang dan sebaliknya jika pesawat ingin diturunkan maka harus melakukan gerakan pitch down dengan memajukan stick ke depan.

contoh stick di kokpit pesawat terbang

contoh elevator di pesawat

Gambar di atas adalah contoh elevator pada pesawat terbang. terdapat dua jenis elevator yaitu full elevator dan elevator yang terletak pada horizontal stabilizer. Full elevator kebanyakan ada pada pesawat tempur karena pesawat tempur adalah pesawat yang lebih banyak bergerak dan melakukan macnuver daripada pesawat kargo atau pesawat transport.

B. Roll ( Roll Kanan & Roll Kiri )

Roll adalah gerak pesawat yang mengacu pada sumbu longitudinal. Roll pada pesawat dibagi menjadi dua yaitu roll kanan dan roll kiri. Bidang kendali untuk melakukan roll pada pesawat adalah aileron yang terletak pada sayap pesawat. Untuk alat kendalinya dilakukan dengan stick. Untuk melakukan roll kanan,maka pilot harus mengarahkan sticknya ke kanan dan sebaliknya jika roll kiri,maka pilot akan menggerakkan stick ke kiri.

contoh stick di kokpit

contoh aileron di sayap pesawat

Gambar diatas adalah contoh stick pesawat dan aileron pesawat. Untuk pesawat penumpang atau pesawat berbedan besar,terdapat aileron pembantu yang berukuran lebih kecil yang juga berfungsi sebagai flap yaitu flaperon.

3. Yaw ( Yaw Kanan dan Yaw Kiri )

Yaw adalah gerak pesawat yang mengacu pada sumbu vertikal. Yaw pada pesawat dibagi menjadi dua yaitu yaw kanan dan yaw kiri. Bidang kemudi untuk melakukan yaw pada pesawat adalah rudder ,berbentuk tegak yang sering rekan-rekan bilang ekor pesawat. Alat kendali untuk menggerakkan rudder ini tidak menggunakan stick tetapi alat untuk menggerakkan rudder adalah pedal yang di injak dengan kaki terletak dibagian bawah kokpit. Untuk yaw kanan,pilot harus menginjak pedal sebelah kanan dan sebaliknya untuk yaw ke kiri,pilot harus menginjak pedal sebelah kiri.

contoh pedal di kokpit pesawat

contoh rudder di pesawat

Gambar di atas adalah contoh pedal dan rudder pada pesawat terbang. Pada pesawat terdapat dua pedal kanan dan kiri untuk melakukan yaw kanan dan kiri. Jika rekan-rekan sudah mempelajari dasar dari gerak pesawat,maka kita selanjutnya belajar tentang dinamika terbang secara ilmiah atau matematis.

Persamaan gerak pesawat merupakan sebuah sistem yang berarti ada input dan outputnya. Ketika belajar dinamika terbang,berarti sama saja kita mempelajari alur sebuah gerak pesawat. Secara sederhana, gerak pesawat dimulai dari input-proses—output. Bayangkan saja pelajaran biologi ketika kita melakukan gerak secara sadar bukan gerak refleks. Urutan mekanisme gerak manusia dimulai dari rangsangan-saraf sensorik-otak-saraf motorik-respon alat tubuh. Jadi ketika kita akan melihat ular, sistem kerjanya adalah ular-mata melihat ular-mata mengirim sinyal ke otak-otak mengirim sinyal ke tangan-tangan memberi respon berupa memukul ular. Sekarang kita kembali ke pesawat. Gerak pesawat tidak ada yang tidak sengaja. Semua gerak pesawat adalah gerak yang dibuat oleh pilot sebagai input dan gerak pesawat sebagai responnya.

Pada diagram alir di atas terlihat urutan dari sebuah gerak pesawat yaitu pilot-alat kendali-pesawat-respon pesawat-tugas atau misi. Gambar garis putus-putus berupa panah ke kiri disebut sebagai feedback atau umpan balik. Terdapat dua feedback yaitu dari respon pesawat ke pilot dan dari misi atau tugas ke pilot yang artinya bahwa setelah pesawat diberi input dan diberi perlakuan,maka pesawat akan mengirim feedback ke pilot baik feedback bagimana cara membawa pesawatnya dan juga feedback tentang misi yang dijalankan pesawat. Kenapa dalam setiap pergerakan pesawat membutuhkan feedback? Karena,tanpa adanya feedback,pilot tidak akan dapat mengetahui apa yang harus dilakukan setelahnya. Feedback ini dibagi menjadi dua yaitu postif dan negatif. Bayangkan rekan-rekan membuka warung makan,jika masakan enak maka pelanggan akan memberi feedback positif,jika tidak enak maka pelanggan akan memberi feedback negatif. 

Variabel gerak pesawat atau faktor-faktor yang mempengaruhi gerak pesawat secara matematis dibgi menjadi dua yaitu saat trimmed equilibrium dan saat perturbed. Trimmed equilibrium atau equilibrium berarti pesawat tersebut terbang dengan kesetimbangan dan perturbed berarti pesawat tersebut terbang dengan gangguan. 

Rekan-rekan ingat lagi pelajaran vektor dan koordinat cartesius di SMA. Pesawat ini adalah kendaraan yang geraknya dibilang paling luwes ke segala arah sama seperti kapal selam yang di air,berbeda dengan mobil dan kapal laut yang geraknya dibatasi oleh aspal dan kapal laut dengan air. Hal itu menandakan bahwa,pesawat terbang ini juga adalah kendaraan yang bisa dikatakan gangguan geraknya ada banyak datang dari segala arah. Gambarannya, pesawat sudah lurus kedepan,tetapi kena angin dari samping, nanti sudah lurus ke samping kena lagi gangguan dari bawah dan itu kenapa sistem kontrol dan kestabilan pesawat merupakan hal yang sangat penting dalam pembuatan pesawat terbang. 

Pada gambar diatas,terdapat aircraft axis atau sumbu gerak pesawat seperti rekan-rekan belajar koordinat cartesius x,y,dan z. sumbu gerak pesawat adalah nilai mutlak tidak bisa diubah-ubah,hanya besarannya saja yang bisa berubah karena gerak pesawat. Itu kenapa pada gerak equilibrium dan perturbed semuanya sama. Lalu,ada lagi gaya atau force. Gaya atau force ini berbeda antara gerak setimbang atau equilibrium dengan gerak perturbed yang terkena gangguan. Semua komponen gaya pada gerak setimbang adalah nol (ingat-ingat rumus hukum newton pertama) dan untuk gerak perturbed,komponen gayanya memiliki nilai X,Y,dan Z. Untuk pengaruh moment gaya,sama dengan gaya,yaitu untuk gerak equilibrium semua moment nol karena gaya yang bekerja adalah nol ( ingat rumus momen gaya = F . d ),sedangkan untuk gerak perturbed atau gerak dengan gangguan moment gayanya memiliki nilai. Untuk kecepatan linier atau kecepatan pada gerak lurus baik equilibrium dan perturbed sama-sama memiliki nilai. Untuk kecepatan anguler atau kecepatan saat gerak melingkar,pada gerak equilibrium adalah nol karena saat berada pada titik kesetimbangan pesawat,tidak terjadi proses rotasi baik pada saat pitch,roll,dan yaw,sehingga kecepatan anguler atau omeganya nol,kalau yang gerak perturbed jelas tidak nol karena saat ada gangguan,gerak pesawat menjadi bergeser dari kesetimbangannya yang artinya ada gerak rotasi juga di dalamnya. 

Sekarang rekan-rekan sudah punya bayangan,terutama mahasiswa teknik penerbangan yang akan mengambil konsentrasi mekanika terbang,jadi sudah harus mempersiapkan ilmu vektor,diagram cartesius,gaya,momen gaya,matriks,dan lain-lain. Sekarang,karena kita tahu bahwa pesawat bergerak pada enam sumbu kebebasan yaitu roll kanan,roll kiri,pitch up,pitch down,yaw kanan,dan yaw kiri,maka sesuai diagram cartesius tiga dimensi,gerak pesawat juga bisa berada pada posisi yang bermacam-macam,bisa di x negatif,bisa di y positif,bisa di z negatif,dan lain-lain. Dalam masalah tersebut,kita harus mengetahui ketika pesawat pitch up,maka dia positif atau negatif,ketika yaw kiri dia positif atau negatif. Hal tersebut dapat dipelajari dari aspek kontrol aerodinamikanya. Rekan-rekan ingat kembali pelajaran diagram cartesius,kalau x sebelah kanan adalah x positif dan y atas adalah y positif,sedangkan y bawah adalah y negatif. Teori itu juga yang dipakai pada gerak pesawat terbang ketika bergerak dari posisi kesetimbangannya. Untuk lebih jelasnya,rekan-rekan lihat gambar dibawah ini. Gambar dibawah ini adalah gambar dimana saya main game MIG-29 Fulcrum yang saya simulasikan pesawatnya pitch up dan pitch down,roll kanan dan roll kiri,dan lain-lain.

Aspek kontrol saat roll

• Gaya positif ( + ) saat stick pesawat digerakkan ke kanan : Berarti,aileron kanan naik dan aileron kiri turun sehingga menyebabkan pesawat roll ke kanan.
• Gaya negatif ( - ) saat stick digerakkan ke kiri : Berarti,aileron kiri naik dan aileron kanan turun sehingga menyebabkan pesawat roll ke kiri.

Aspek kontrol saat pitch

• Gaya positif ( + ) saat stick ditarik kebelakang : Berarti trailing edge elevator atau bagian sisi belakang elevator naik ke atas sehingga menyebabkan pesawat pitch up atau terangkat.
• Gaya negatif ( - ) saat stick didorong kedepan : Berarti trailing edge elevator atau bagian sisi belakang elevator turun kebawah sehingga menyebabkan pesawat pitch down atau turun.

Aspek kontrol saat yaw

• Gaya positif ( + ) saat pedal kanan diinjak: Berarti trailing edge rudder atau bagian sisi belakang rudder bergerak ke kanan sehingga menyebabkan pesawat yaw ke kanan.
• Gaya negatif ( - ) saat pedal kiri diinjak: Berarti trailing edge rudder atau bagian sisi belakang rudder bergerak ke kiri sehingga menyebabkan pesawat yaw kiri.

Dari kesimpulan pergerakan di atas adalah,arah gaya respon pada pesawat berbanding terbalik dengan arah gaya pada bidang kemudi pesawat. Respon yang dimaksud adalah gerak pesawat setelah diberi perlakuan atau diberi input. Arah gaya respon pada pesawat mengikuti hukum cartesius dimana x pada sisi kanan dari titik kesetimbangan yaitu nol koma nol ( 0,0 ) adalah positif ,sedangkan x pada sisi kiri negatif. Sama seperti sumbu y yang positif terletak di atas dan yang negatif terletak di bawah. Untuk arah gaya bidang kemudi seperti aileron,rudder,dan elevator berbending terbalik dngan arah gaya pada respon pesawat. Kalau pesawat naik ke atas berarti positif,tetapi untuk elevatornya yang bagian trailing edgenya ke atas menjadi negatif.