Kenapa sayap pesawat tempur terlekuk?

Pernah bertanya kenapa sayap pesawat tempur didesain lebih langsing (kelihatan lebih pendek, lebih lebar, lebih terlekuk dengan sudut lekuk yang besar dan kadang posisinya terletak di belakang) dibanding pesawat penumpang biasa?

Gambar 1. Newest Swedish-made Brazilian Gripen Jet Fighter

Gambar 2. Pesawat umum

Kita bisa berpendapat kalau alasan penampilan yang keren mendukung harga jual yang tinggi. Tentu saja itu benar, tetapi tahukah anda bahwa ada alasan yang sangat vital dibalik desain ini ? Anda tentunya langsung menebak kecepatan pesawat adalah penentunya. Anda benar ! tetapi apa kaitannya antara kecepatan tempuh dengan bentuk sayap ? Mari didiskusikan.

Fungsi utama sayap adalah, tentunya, memberikan daya angkat untuk keseluruhan berat pesawat. Jika kita belah sebuah sayap, maka terlihat penampang sayap seperti gambar 3 berikut ini. Anda tentunya langsung mengenali bentuk aerodinamis ini seperti penampang sayap burung atau hewan terbang lainnya. Profil sayap ini disebut Eng :airfoil atau Fr :Profile d’aile.

Bagi para mahasiswa atau insinyur pesawat, bentuk ini dikenal sebagai profil NACA (National Advisory Committee for Aeronautics). Tiap profil NACA memiliki nomor istimewa yang melambangkan ukuran desain tertentu, mis : NACA 2412 (2%c ketebalan camber,  40%c posisi camber maksimum dari ujung depan, dan 12%c ketebalan dengan c=panjang chord). Dengan angka-angka ini, maka tiap profil bisa direpresentasikan dengan persamaan matematik agar lebih mudah dianalisa lebih jauh.

Rahasia profil inilah yang memberikan daya angkat pesawat, selain ditambah dengan faktor sudut kemiring atau sudut serang (Eng :angle of Attack, Fr :l’angle d’attaque). Mari kita analogikan jika anda adalah sebuah massa udara yang sangat kecil yang berjalan disepanjang profil ini dari pangkal profil sampai ujung akhir. Anda bertemu dengan teman ada (yang sekecil massa udara juga) di pangkal dan berjanji padanya akan tiba bersamaan dengan dia di ujung profil. Lalu anda menempuh jalur profil atas (yang lebih lengkung) dan teman anda di profil bawah. Karena janji tersebut dan kesalahan pemilihan jalur, anda harus berlari untuk mengimbangi waktu tiba yang anda janjikan –(kecepatan lebih tinggi). Sekarang bayangkan ada kerumunan orang yang padat berlari bersama anda dan teman anda. Proporsi jumlah orang yang lari di profil atas dan bawah sama, sehingga ada lebih banyak ruang kosong di profil atas dibanding bawah. Hal ini menyebabkan orang-orang di bagian bawah terdorong-dorong satu sama lain. Dorongan (istilah fisika :tekanan) bagian bawah lebih besar dari dorongan bagian atas. Karena perbandingan dorongan/tekanan ini cukup besar (akibat ketebalan profil), maka si profil akan terdorong ke arah atas (gaya angkat ke atas). Dari sini disimpulkan bahwa masa udara di atas profil kecepatannya lebih tinggi dan tekanannya lebih rendah, sedangkan di bawah kecepatannya rendah dengan tekanan tinggi. Perbedaan tekanan persatuan luas menyebabkan gaya angkat sayap.

Gaya angkat Cl dan Gaya hambat Cd

Selain adanya gaya angkat (Eng :Lift, Fr : La portance) ada juga efek hambat (Eng : Drag, Fr : La trainée) dari profil. Gaya angkat biasa direpresentasikan dengan Koefisien Gaya angkat biasa disingkat Cl dan untuk gaya hambat Cd. Grafik Cl dan Cd bisa dilihat di gambar 5. Seiring meningkatnya kemiringan sudut serang (disini diwakili dengan notasi a), Cl bertambah begitu pula dengan Cd namun setelah sudut tertentu (pada Cl maximal), Cl turun drastis. Ini keadaan yang disebut Stall dimana gaya angkat hilang sedangkan gaya hambat terus naik dan bisa menyebabkan pesawat jatuh.

Gambar 5

Gambar 6

Kecepatan – Mach

Anda tentu pernah dengar istilah Mach yang diberikan dari nama seorang fisikawan Austria-Ceko, Enrst Mach. Mach number merupakan perbandingan antara kecepatan aliran terhadap sayap di udara terhadap kecepatan rambat suara di udara (medium/fluida yang sama). Dari definisi ini, jenis kecepatan bisa dibagi berdasarkan Mach number (M).

• M<<1 kecepatan pesawat jauh kecil dari kecepatan rambat suara (hiposonik)
• M<1 kecepatan pesawat lebih kecil dari kecepatan rambat suara (subsonik)
• M=1 kecepatan pesawat sama dengan kecepatan rambat suara (sonik atau transonik)
• M>1 kecepatan pesawat lebih besar dari kecepatan rambat suara (supersonik)

Beberapa orang mendefinisikan M>5 sebagai hipersonik (Eng :hypersonic), kecepatan yang baru hanya dimiliki oleh pesawat ulang alik yang masuk ke bumi melewati atmosfer. Hipersonik ini menyebabkan permukaan pesawat ulang alik mengalami suhu yang sangat tinggi. Kebanyakan pesawat tempur memiliki Mach supersonik. Jenis pesawat komersial Concorde buatan perancis yang biasa melayani rute Paris-New York atau London-New York memiliki kecepatan 2,02M.

Kemunculan “Shock

Pada aliran subsonik (M<0,8) visualisasi alirannya adalah sebagai berikut :

Gambar 7

Jika kita menambah kecepatannya sedikit lagi, maka akan muncul suatu zona kecil berbentuk saku (gambar 8). Di adalam zona lokal ini, kecepatannya lebih tinggi daripada sekelilingnya. Bayangkan sebuah partikel udara  yang melewati zona ini. Awalnya dia berkecepatan 0,9M, lalu dia melewati keadaan transisi yang tiba-tiba dan kecepatannya naik lebih dari kecepatan suara. Keadaan tiba-tiba ini disebut (Eng : Shock, Fr : Choc). Setelah beberapa saat, partikel ini lalu mengalami penurunan kecepatan lagi secara tiba-tiba dan keluar dari zona lokal ini.

Gambar 8

Setelah kita tambah lagi kecepatannya, zona lokal tadi pindah menuju pangkal. Namun kali ini zona lokalnya memiliki kecepatan lebih rendah dari sekelilingnya. Terbentuklah suatu shock berbentuk busur di depan profil sayap. Selain itu, terbentuk pula shock berbentuk ekor ikan di ujung akhir (Eng : Trailing Edge) namun lebih lemah dari shock busur.

Gambar 9

Setelah memasuki tahap kecepatan Supersonik, mari kita bayangkan sebuah ujung pesawat tempur berbentuk kerucut (gambar 10). Shock berbentuk busur di pangkal kerucut mendekati pangkal kerucut. Ini disebut Shock Wave atau dikenal dengan (Eng : Oblique shock wave). Perlu dicatat bahwa setelah Oblique shock, kecepatan tetap supersonik. Ada lagi istilah expansion wave, keadaan dimana terbentuk sekumpulan shock lemah yang menyebabkan tekanan turun secara bertahap.

Gambar 10

Pada kecepatan hipersonik, Oblique shock wave menjadi lebih terlekuk ke dalam dan mendekati badan kerucut. Ini terjadi pada pesawat ulang alik yang memasuki atmosfer. Jika Mach menjadi sangat tinggi, shock ini menjadi sangat tipis dan pada lapisan shock ini suhunya sangat tinggi hingga menyebabkan molekul oksigen dan nitrogen di atmosfer terpisah. Modul Apollo yang kembali dari bulan kecepatannya mencapai Mach 36.

Gambar 11

Bisa kita bayangkan apa yang terjadi jika sayap ataupun badan pesawat menyentuh shock ? tentu saja akan hancur. Gambar 12 merupakan foto simulasi terbentuknya shock pada model dari pesawat Concorde. Jejak putih adalah shock. Disini bisa kita lihat bahwa pada beberapa lekukan badan pesawat yang drastis dapat menyebabkan terbentuknya shock.

Gambar 12

Nah….sekarang anda tahu kenapa pesawat berkecepatan tinggi sayapnya lebih terlekuk ke dalam. Hal ini agar semua badan pesawat tidak melewati batas shock atau istilah teknisnya berada di dalam Cone of Mach.

Kalau dipikir lebih dalam lagi, semakin dia terlekuk ke dalam, maka kita hanya bisa membuat sayap dengan batas panjang tertentu (pendek ?). Hal ini tentunya akan mengurangi gaya angkat pesawat. Lalu apa yang kita lakukan ? tentu saja ! memperlebar sayap hingga ke belakang untuk menambah daya angkat ! Voila !

Reference :

http://www.onera.fr

http://www.centennialofflight.gov

Anderson, J.D. Fundamental of Aerodynamics. McGraw-Hill. 2007.

Thanks to Aerodynamics course in ENSAM and My professor.

Catatan : Penjelasan lebih teknis mengenai keutamaan desain sayap pesawat untuk lebih terlekuk adalah karena faktor dari vektor normal kecepatan. Terlekuknya vektor normal kecepatan yang dirasakan oleh sayap berbeda dari vektor kecepatan pesawat (arah datang aliran). Karena keadaan ini, kemiringan grafik Cl yang dirasakan sayap ikut berubah. Seorang Aerodynamicist dari Jerman merumuskan faktor koreksi sudut serang Helmbold yang diambil dari namanya. Penjelasan teknis disertai dengan kalkulus dan vektor.