Stabilitas dan Kendali Pesawat Terbang
Pesawat adalah benda 3 dimensi dan
pergerakannya didalam ruang 3 dimensi sangat rumit. Bila pesawat
dianggap sebagai sebuah titik masa yang terletak dititik pusat
gravitasinya, maka studi tentang pergerakannya dapat disederhanakan.
Sebuah sistem
koordinat Kartesian dapat dirumuskan terpaku disebuah ruang, dengan 3
sumbu yang saling tegak lurus satu dengan yang lain, diberi simbol x, y
dan z. Gerak translasi titik massa tersebut kemudian dapat dipelajari
dengan mempertimbangkan kondisi kesetimbangan gaya diarah masing-masing
garis sumbu tadi. Tetapi dalam kenyataan pesawat adalah sebuah benda 3
dimensi yang berbentuk rumit, yang bisa bergerak rotasi (gerak putar)
disamping bergerak translasi (gerak tanpa putaran). Pergerakan pesawat
diatmosfer bumi melibatkan gaya-gaya aerodinamika, yang besarannya
tergantung pada gerakan pesawat itu sendiri. Itulah sebabnya mengapa
analisa pergerakan pesawat secara umum menjadi sangat rumit. Untuk
mengurangi kerumitan masalah, kita harus merumuskan sistem koordinat
yang bergerak dan berputar relatif terhadap sebuah kerangka acuan yang
terpaku diruang, dan kemudian menganalisa pergerakan pesawat pada saat
tertentu, bukan pergerakannya dengan waktu yang jelas sangat rumit.
Ekuilibrium (kesetimbangan) gaya hanya
melibatkan massa dari komponen2 pesawat, yang tidak tergantung pada
sistem koordinat yang digunakan. Disisi lain ekuilibrium momen untuk
gerak rotasi melibatkan atau membutuhkan informasi tentang momen inersia
dari komponen2 pesawat, yang besarannya sangat tergantung pada sistem
koordinat (sistem sumbu) yang dipilih. Hitungan momen inersia itu sangat
rumit secara umum, tetapi dapat disederhanakan apabila benda yang
dipelajari memiliki sebuah sumbu simetri. Analisa pergerakan pesawat
dapat lebih mudah dilakukan dengan memilih sumbu simetri itu sebagai
salah satu sumbu utama dalam sistem koordinat Kartesian yang dipilih.
Titik pusat sistem koordinat selalu dipilih berada dititik pusat
gravitasi benda walaupun kerangka acuan yang digunakan dapat dipilih
dengan beberapa cara. Sebuah sistem koordinat yang terpaku pada sebuah
benda dan bergerak dengan benda itu, disebut sistem koordinat benda
(body axes system). Sumbu-x positif dipilih sepanjang garis acuan badan
pesawat (fuselage reference line atau FRL) dengan arah dari ekor menuju
kehidung pesawat. Sumbu-y, yang tegak lurus pada sumbu-x dibidang datar,
dipilih bertanda positif kearah sayap kanan. Sumbu-z yang tegak lurus
pada sumbu-x dan sumbu-y ditentukan berdasarkan aturan tangan kanan,
yaitu ibu jari searah dengan sumbu-z positif apabila jari2 yang lain
memberikan arah putaran dari arah sumbu-x ke arah sumbu-y. Jadi untuk
system sumbu yang dijelaskan diatas, arah sumbu-z positif adalah arah
kebawah, bukan keatas! Aturan tangan kanan ini sangat penting dan selalu
digunakan dalam menentukan apakah sebuah arah disebut positif atau
negatif.
Dari segi ilmu aerodinamika kita tahu
bahwa hitungan gaya2 aerodinamika, yaitu lift (gaya angkat) dan drag
(gaya hambat), dapat dilakukan dengan lebih mudah, apabila sistem
koordinat yang dirumuskan adalah yang terpaku relatif terhadap arah
angin, yang biasanya searah dengan garis horizontal
dan bertanda positif dari kiri kekanan. Sistem koordinat yang terpaku
relatif pada arah angin ini tentu saja dikenal sebagai sistem koordinat
angin, yang tidak selalu harus mengacu pada arah yang sama dengan arah
sumbu di sistem koordinat benda.
Sebuah sistem koordinat lainnya juga
dapat dipilih, yang terpaku pada benda, tetapi arah sumbu-x nya selalu
dipilih berlawanan dengan arah angin atau searah dengan gerak benda.,
bukan searah dengan FRL (arah garis acuan badan pesawat dari ekor ke
hidung). Sistem koordinat ini
disebut sistem koordinat stabilitas, dan sistem koordinat inilah yang
selalu digunakan dalam menganalisa masalah-masalah stabilitas dan
kendali (stability and control) pesawat.
Perhatikan bahwa dalam kenyataan
pesawat memiliki sebuah bidang simetri kiri kanan, yaitu bidang vertikal
yang membelah pesawat menjadi 2 bagian yang masing2 adalah bayangan
simetri cermin satu dari yang lain. Bidang ini selalu dirumuskan sebagai
bidang x-z dalam sistem koordinat stabilitas (yang merupakan kasus
khusus dari sistem koordinat benda), tetapi arah-x positif searah gerak
pesawat atau berlawanan arah dengan arah angin, dan bukan searah dengan
garis acuan FRL. Pergerakan pesawat dibidang simetri ini disebut gerak
longitudinal, yang terdiri dari gerak translasi arah sumbu-x dan arah
sumbu-z, ditambah dengan gerak rotasi seputar sumbu-y. Gerak putar
seputar sumbu-y tentu saja mengubah sudut angguk (pitch attitude)
pesawat, jadi disebut gerak angguk, sedangkan dalam gerak rotasi,
sumbu-y dikenal sebagai sumbu angguk atau pitch axis.
Disamping gerak translasi arah x atau
arah z, pesawat bisa juga bergerak translasi arah sumbu-y. Pesawat bisa
juga bergerak rotasi seputar sumbu-x dan sumbu-z. Pergerakan translasi
arah y disebut gerak samping (side slip) dan merupakan gerak yang harus
dilakukan supaya pesawat bisa belok, bukan hanya sekedar mampu bergerak
lurus ke depan. Untuk bergerak kearah samping, pesawat harus digulingkan
dan sayap pesawat membentuk sudut guling (bank angle) dengan arah
horizontal. Arah lift (gaya angkat) dengan demikian membentuk sudut
guling dengan arah vertikal keatas, jadi memiliki komponen arah
kesamping. Komponen lift arah ke samping inilah yang menggerakan pesawat
dengan gerak translasi arah samping atau side slip itu tadi. Jadi gerak
rotasi seputar sumbu-x dan gerak translasi arah samping itu terkait
sangat erat, dan dikenal sebagai gerak lateral. Gerak putar seputar
sumbu-x itu dikenal sebagai putaran guling atau roll. Saat bergerak
samping, sirip ekor tegak pesawat akan kena dorongan angin. Misalnya
saja pesawat bergerak samping kekanan, maka angin akan mendorong sirip
tegak kearah kiri, sehingga moncong pesawat akan berputar kekanan.
Gerakan rotasi seputar sumbu-z ini disebut gerak directional yang
membelokkan moncong pesawat ke arah gerak belok yang diinginkan,
bukannya sekedar gerak samping tergelincir saja. Jadi gerak lateral itu
terkait cukup erat dengan gerak directional, dan biasanya pergerakan ini
disebut gerak lateral-directional, yang dipelajari sebagai satu
kesatuan. Gerak putar seputar sumbu-z ini dikenal sebagai putaran geleng
atau yaw.
Perhatikan bahwa pergerakan umum
pesawat telah kita bagi menjadi 2 bagian yang tidak terkait satu sama
lain, yaitu gerak longitudinal dan gerak lateral-directional. Kenyataan
ini sangat membantu dalam menyederhanakan masalah, dimana masalah
stabilitas dan kendali secara umum dapat dibagi menjadi 2 bagian, yang
masing2nya dapat dipelajari sendiri tanpa harus mempertimbangkan masalah
yang lain.
Dengan demikian masalah gerak pesawat dapat dipelajari menjadi Pergerakan Longitudinal, dan Pergerakan Lateral-Directional.
Gerak Longitudinal melibatkan 2
persamaan atur tentang ekuilibrium gaya, yaitu arah x dan arah z, dan 1
persamaan atur ekuilibrium momen diseputar sumbu-y. Gerak Lateral
Directional melibatkan 1 persamaan atur ekuilibrium gaya arah y, dan 2
persamaan atur ekuilibrium momen yaitu seputar sumbu x dan sumbu
z. Dipandang dari segi kendali, pilot dapat mengatur gerak angguk dengan
menggerakkan permukaan kendali elevator, yang bila diputar keatas akan
membuat pesawat mendongak (mengangguk keatas) Gerak geleng dapat diatur
dengan menggerakkan permukaan kendali rudder, sedangkan gerak putar
guling diatur oleh permukaan kendali aileron. Dengan memecah masalah
stabilitas dan kendali pergerakan pesawat, jumlah persamaan yang harus
diselesaikan secara serentak dapat dikurangi menjadi hanya separo saja.
Dipandang dari segi penyelesaian sistem persamaan simultan, hal tersebut
jelas sangat membantu mengurangi jumlah hitungan yang harus dilakukan.
Walaupun hitungan dalam masalah dinamika terbang dikerjakan dengan
bantuan komputer, memecah masalah menjadi 2 bagian yang lebih kecil
tetap bermanfaat, karena lama waktu mesin yang dibutuhkan untuk
menyelesaikan sebuah sistem persamaan simultan dapat diperkecil, jauh
lebih kecil dari sekedar separo untuk hitungan seluruh sistem persamaan
kalau tidak dipecah menjadi 2 bagian.
Disamping itu dari segi pekerjaan
pilot, pemisahan gerak longitudinal dari pergerakan lateral-directional
berarti bahwa pilot tidak perlu memikirkan dampak pada gerak
longitudinal saat dia menerapkan rudder dan aileron, dan sebaliknya
kalau dia ingin mengubah sudut angguk pesawat dia hanya perlu menerapkan
elevator saja.
Dibawah ini disampaikan beberapa gambar yang membantu mempermudah pengertian masalah.
Sistem Koordinat Sumbu Acuan Pesawat
Untuk membantu dan memudahkan upaya
penayangan semua gaya dan momen yang beraksi pada pesawat, kita perlu
menentukan sebuah sistem sumbu yang saling tegak lurus satu dengan yang lain dengan titik pusat sumbu berada di titik pusat gravitasi atau titik pusat massa.
Gambar di atas menunjukkan sebuah sistem konvensional berbasis aturan tangan kanan.
Sumbu-x disebut sumbu longitudinal dan
berada dibidang simetri, searah FRL (fuselage reference line) atau
garis badan pesawat dari ekor kearah hidung. Momen seputar sumbu-x
disebut Momen Guling (rolling moment) dan diberi simbol L. Arah positf
momen ditentukan berdasarkan aturan tangan kanan.
Jadi bila pandangan kita adalah dari
ekor menuju hidung pesawat maka momen guling positif terlihat searah
putaran jarum jam. Sumbu lain yang berada di bidang simetri arah
vertikal dan tegak lurus pada sumbu-x adalah sumbu-z yang arah
positifnya adalah kebawah. Momen seputar sumbu-z disebut Momen Geleng
(yawing moment) dan diberi simbol N. Putaran positif momen geleng sesuai
aturan tangan kanan adalah searah putaran jarum jam bila pandangan kita
adalah dari atas melihat ke pesawat yang berada dibawah. Sumbu-y (sumbu
lateral) atau sumbu yang tegak lurus pada sumbu simetri ditentukan
berarah positif kearah kanan menuju keujung sayap kanan dari ujung sayap
kiri. Momen seputar sumbu-y disebut Momen Angguk (pitching moment) dan
bertanda positif bila memutar hidung pesawat mendongak keatas dan
negatif bila membuat pesawat menunduk kebawah. Momen ini diberi simbol M
dan arah positif atau negatif putarannya seperti dijelaskan sebelumnya
juga sesuai dengan aturan tangan kanan.
Sumber : Stabilitas dan Kendali dalam Pergerakan Pesawat
AuthorHadi Winarto
Sumber : Stabilitas dan Kendali dalam Pergerakan Pesawat
AuthorHadi Winarto
