Bagaimana benda bermassa besar dapat terbang di udara..?
Pesawat terbang memanfaatkan dua gaya, gaya angkat (lift) dan gaya dorong (thrust), yang memungkinkan pesawat dapat melakukan take off d
an terb
a
ng di udara.
Terdapat beberapa faktor yang menyebabkan pesawat dapat terbang, diantaranya :
Sayap
Sebuah pesawat memerlukan gaya angkat atau lift y
an
g di butuhkan untuk terbang. Lift dihasilkan oleh permukaan suatu sayap (wing) y
ang berbentuk airfoil.
Bentuk penampang airfoil pada suatu sayap pesawat terbang
Gaya angkat terjadi karena adanya aliran udara yang
melewati bagian atas dan bagian bawah di sekitar airfoil. Pada saat terbang, aliran udara yang melew
ati bagian atas airfoil akan memiliki kecepatan yang lebih besar daripada kecepatan ali
ran udara yang melewati bagian bawah dari airfoil. Maka, pada permukaan bawa
h
airfoil akan memiliki tekanan yang lebih besar daripada permukaan di atas. Perbedaan tekanan pada bagian atas dan bawah inilah yang menyebabkan terjadinya gaya an
gkat atau lift p
ada sayap pesawat. Oleh karena tekanan berpindah dari daerah yang ber
tekanan besar
menuju ke daerah yang bertekanan kecil, maka tekanan pada bagian bawah airfoil akan bergerak
men
uju bagian atas airfoil sehingga tercipta gaya angkat pada sayap pe
sawat. Gaya angkat inilah yang membuat pesawat dapat t
erban
g dan melayang bebas di udara.
Distribusi aliran udara dan tekanan di sekitar penampang airfoil
Untuk bergerak ke depan (baik di darat maupun di udara), pesawat memerlukan daya dorong yang di hasilkan oleh tenaga penggerak atau yang bias
a di sebut dengan mesin (engine). Daya dorong yang nantinya di hasilkan oleh engine ini biasa di sebut dengan
thrust.
Terdapat beberapa jenis engine dari pesawat, diantaranya :
- Piston Engine
- Turbojet Engine
- Turboporop Engine
- Turbofan Engine
- Turboshaft Engine
Piston Engine
Piston engine atau biasa di sebut dengan mesin torak, merupakan mesin yang menggunakan piston (torak) sebagai tenaga penggerak. Piston yang bergerak naik turun di hubungkan dengan crankshaft melalui connecting rod untuk memutar propeller atau baling-baling. Piston dapat bergerak naik turun karena adanya pembakaran antara campuran udara dengan bahan bakar (fuel) di dalam ruang bakar (combustion chamber). Pembakaran di dalam combustion chamber menghasilkan expansion gas panas yang dapat menggerakkan piston bergerak naik turun.
Skema dari suatu piston engine
Pesawat yang menggunakan mesin piston umumnya menggunakan propeller sebagai tenaga pendorong untuk menghasulkan thrust. Bentuk penampang dari propeller itu sendiri sama seperti sayap, yaitu juga berbentuk airfoil. Sehingga pada saat propeller berputar maka akan menghasilkan gaya dorong atau thrust sehingga pesawat dapat bergerak ke depan. Pesawat dengan mesin piston ini merupakan jenis pesawat ringan atau biasa di sebut dengan light aircraft. Pesawat ini mempunyai daya jelajah yang kecil dan ketinggian terbang yang tidak terlalu tinggi.
Pesawat dengan mesin piston dan propeller
Pada dasarnya, prinsip kerja dari semua engine pesawat sama. Yaitu memanfaatkan energi pembakaran antara campuran bahan bakar dengan udara yang menghasilkan expansion gas yang terjadi di dalam ruang bakar cc (combustion chamber).
Dinamakan turbojet engine karena mesin ini menggunakan turbin dalam membangkitkan tenaga, dan jet yang artinya semburan/pancaran. Yaitu semburan hasil pembakaran di dalam cc keluar menuju turbin dan memutar turbin, lalu turbin memutar compressor dan menggerakkan komponen engine lainnya.
Gambar Turbojet Engine
Proses kerja turbojet engine
Pertama-tama udara masuk melalui intake menuju kompresor untuk di kompresi untuk dinaikkan tekananya, kemudian udara bertekanan masuk ke dalam combustion chamber (cc) untuk di campur dengan bahan bakar lalu kemudian di bakar dengan menggunakan igniter (sparkplug). Pembakaran di dalam cc menghasilkan ledakan atau expansion gas yang sangat besar dengan suhu pembakaran yang sangat tinggi yang keluar dari ruang cc menuju turbin. Expansion gas yang berupa gas panas keluar memutar tubin, lalu compressor yang terhubung dengan tubin melalui as atau shaft juga ikut berputar untuk kembali menghisap udara dingin masuk ke inlet, dan proses ini akan terjadi secara terus menerus selama engine hidup secara kontinu. Gas panas hasil pembakaran sebagian keluar melalui nozzle (exhaust), gas yang keluar inilah yang di gunakan oleh pesawat sebagai daya dorong atau thrust.
Turboprop Engine
Prinsip kerja dari Turboprop engine sama dengan proses kerja dari turbojet engine. Yang membedakannya adalah terdapat propeller pada engine ini. Propeller terhubung dengan turbin dan compressor melalui shaft.
Turboprop engine
Sama dengan turboprop, prinsip kerja turbofan sama dengan turbojet engine. Perbedaannya adalah pada turbofan engine terdapat fan di depan compressor. Fan berfungsi untuk menghisap udara masuk ke dalam compressor.
Turbofan engine
Prinsip kerja dari turboshaft engine juga hampir sama deng an turbojet engine. Engine ini di gunakan pada helikopter. Pada turboshaft engine, terdapat shaft yang terhubung dengan turbin. Shaft ini menghubungkan ke main rotor atau baling-baling pada helikopter. Rotor pada helikopter mempunyai penampang berbentuk airfoil.
Turboshaft engine
Untuk menggerakkan pesawat (berbelok, menukik, dan rolling atau berbalik), seorang pilot memerlukan bidang kendali atau control surface .
Primary control surface
Primary control surface atau bidang kendali utama adalah bidang kendali pesawat yang dapat mengatur pergerakan pesawat pada saat terbang di udara.
Aileron, elevator, dan rudder merupakan bidang kendali utama pada pesawat.
1). Aileron terletak pada sayap, digunakan pesawat pada saat melakukan rolling (berbalik) di udara dan pergerakannya berada pada sumbu longitudinal pesawat, aileron dikendalikan dengan menggunakan stick control yang berada pada cockpit.
2). Elevator terletak pada bagian ekor (empenage) atau bagian horizontal stabilizer, digunakan pesawat untuk melakukan piching (mengangguk) dan pergerakannya pada sumbu lateral pesawat, elevator di kendalikan dengan menggunakan stick control yang berada di ruangan cockpit.
3). Rudder terletak di pada bagian ekor tepatnya di bagian vertical stabilizer, di gunakan pesawat untuk melakukan yawing (berbelok) diudara dan pergerakannya pada sumbu vertical pesawat, rudder di kendalikan dengan menggunakan rudder pedal yang terletak pada ruang cockpit.
Turbofan merupakan salah satu jenis dari jet engine. Kita tahu jet engine terbagi atas 3 jenis : turbojet,turboprop dan turbofan. Keistimewaan dari turbofan adalah jenis ini merupakan penyempurnaan dari turbojet dan turboprop. Kelemahan dari turbojet adalah boros bahan bakar,walau dalam soal tenaga lebih besar dibandingkan dengan jenis lain. Karena itu jenis ini cocok untuk dipakai pada pesawat tempur. Untuk turboprop,jenis ini mempunyai kelemahan yaitu tidak mampu mensupport high speed dan high altitude,hanya mencapai 25.000feet saja. Dan turbofan ini lah yang bisa menjawab semua requirment dari airlines yaitu: irit bahan bakar,mempunyai tenaga dorong yang besar.
Prinsip kerja turbofan adalah airflow(udara) masuk kedalam blade (low pressure compresor) atau kita sebut LPC dan dikompres kembali oleh blade yang lebih kecil ukurannya (high pressure compresor) atau kita sebut HPC,masuk ke ruang pembakaran (combustion chamber) dan diberi ignition sampai suhu atau temperatur tinggi baru lah disemprot oleh fuel. Karena terjadi pembakaran maka berubahlah energi kimia menjadi energi dorong. Energi dorong yang dihasilkan ini mendorong high pressure turbin (HPT) yang terhubung langsung dengan HPC sehingga HPC dapat berputar kembali. Energi dorong tersebut juga mendorong low pressure turbin (LPT) yang terhubung langsung dengan LPC. Dan sisa nya merupakan tenaga dorong pesawat. Jadi prinsip kerja turbofan dapat disederhanakan sebagai berikut :
Berbeda dengan motor bakar yang mempunyai 4step (langkah) atau 2step (langkah) pembakaran. Turbofan melakukan beberapa step TAPI dalam 1 WAKTU. Dan perbedaan dengan motor bakar adalah jika dalam motor bakar ruang pembakaran (combustion chamber) sudah di isi oleh campuran (mix) air dan fuel BARU diberi ignition (pengapian) sehingga terjadi pembakaran. Kalau di Turbofan ini,combustion chamber hanya di isi udara bertekanan tinggi saja. Karena tekanan tinggi maka temperatur tinggi dan diberi ignition,BARU di semprotkan fuel sehingga terjadi pembakaran.
Untuk gaya dorong (thrust) pesawat yang dihasilkan oleh pembakaran,sebenarnya hanya 15%-25% saja. Gaya dorong pesawat yang terbesar justru pada KIPAS (blade) atau LPC sebesar 75-85% yang digerak oleh LPT (seperti dijelaskan diatas). Karena itu Fan/blade/LPT dibungkus oleh casting,sehingga aliran udara (airflow) lebih terpusat mengalir kebelakang. Itulah alasan mengapa Turbofan lebih hemat bahan bakar dibanding dengan jenis lainnya. Dan pada saat engine berada kondisi HIGH SPEED,turbofan HANYA membutuhkan sedikit penambahan throttle untuk dapat menghasilkan thrust yang besar.