Yuk berkontribusi, menjadi akselerator IPTEK anak bangsa !

Breaking News

Prinsip Dasar Fisika Dalam Perancangan Mesin Supersonik yang Lebih Cepat dari Kecepatan Suara

Teknologi Transportasi udara saat ini begitu canggih, terciptanya pesawat Jet Supersoni, roket dan teknologi transportasi udara lainnya membuktikan bahwa rasa ketidakpuasan manusia belum selesai sebanding dengan pengetahuan akan fisika yang dimiliki manusia yang terus bertambah. Semua perancangan transportasi udara ini tidak lepas dari prinsip-prinsip dasar fisika.

Manusia diberikan akal budi dan manusia ditempatkan di alam semesta oleh TUHAN sehingga manusia memperoleh pengetahuan dari alam semesta melalui pembelajaran akan fenomena alam dan makhluk hidup. Sehingga lahirlah ilmu Sains. Kita hidup didunia dan beraktivitas menerapkan prinsip ilmu Sains. Berjalan, berlari, mengangkat, melompat menggunakan penerapan ilmu Sains, Makanan yang telah kita makan dapat menjadi sebuah seumber energi dikarenakan ada proses biologis didalam tubuh kita.

Pengetahuan manusia semakin bertambah sehingga manusia mulai memikirkan cara agar melintasi udara, sehingga lahirlah pesawat. Diakibatkan rasa ketidakpuasan manusia akan teknologi pesawat, tercipta pesawat Jet berkecepatan lebih dari kecepatan suara (343 meter/detik setara 667 knot), untuk mengoptimalkan fungsi kecepatan pesawat. Belum puas dengan pesawat Supersonik, lahirlah pesawat jet Hipersonik yang katanya 5 kali melebihi kecepatan suara (bayangkan ketika kita berada didalamnya pasti kita sudah mabuk pesawat), yang katanya pesawat hipersonik bisa menempuh perjalanan dari Jakarta sampai Tokyo sekitar 90 menit.

Ilmu Teknik khususnya teknik mesin tidak akan bisa lepas dari prinsip fisika, begitupula  ilmu teknik yang lainnya yang berakar dari prinsip dasar fisika yang diterapkan ke teknologi yang ada sampai sekarang. Sebuah mesin dirancang dan bekerja menggunakan prinsip fisika bahkan jika ditambah dengan kendali elektronis sekalipun kendali elektronis adalah penerapan prinsip fisika listrik, penggunaan bahan bakar pada mesin menerpapkan prinsip fisika untuk energi. Sehingga wajar perencanaan mesin Pesawaat Jet tidak lepas dari prinsip fisika. Jangan lupa bahwa seorang insinyurtidak akan ada jika tanpa adanya seorang fisikawan.

Inilah prinsip kerja mesin Jet dan perancangannya.

Mesin yang dipakai untuk mesin jet adalah mesin Scarmjet (Supersonic Combustion Ramjet) yang telah dirancang khusus untuk menghasilkan tenaga pendorong yang dapat mmemungkinkan pesawat meluncur pada kecepatan super ini. Pesawat ini mempunyai kecepatan mencapai Mach 10. Mach 10 adalah standar ukuran kecepatan pesawat  yang aadalah rasio perbandingan kecepatan pesawat terhadap kecepatan suara. Mach 10 menandakan sebuah pesawat mempunyai kecepatan mencapai 10 kali lebih cepat dari kecepatan suara.

Mesin Ramjet dan Scramjet  merupakan mesin yang memanfaatkan udara sekitar sehingga tidak memerlukan bahan oksidator dalam jumlah melimpah seperti pesawat konvensional. mesin pesawat sebenarnya merupakan mesin yang mengaplikasikan Hukum Ketiga Newton tentang Aksi-Reaksi. menurut Newton, setiap aksi selalu mendapat reaksi yang besarnya sama tetapi pada arah berlawanan (mirip hukum tabur-tuai, apa yang kita tabur atau apa aksi yang kita tabur, pada akhirnya akan ada reaksi yang harus dituai dari aksi yang kita tabur). Mesin ini mengeluarkan aksi sehingga mesin tersebut mendapat reaksi yang besarnya sama dengan aksi yang dihasilkan tadi, tetapi pada arah berlawanan. Desain  bentuk badan sayap pesawat juga mempengaruhi besarnya gaya aksi yang dihasilkan. Pesawat bisa terangkat dan meluncur dengan kecepatan sangat tinggi karena adanya gaya reaksi yang didapat pesawat. Mesin mengeluarkan aksi dengan cara menyemprotkan sejumlah massa gas bertekanan tinggi. Gas ini yang disemprotkan keluar dan merupakan hasil pembakaran bahan bakar cair atau padat. Mula-mula bahan bakar beserta oksidator cair dimasukkan kedalam ruang pembakaran, kemudian oksidator cair membakar bahan bakar hidrogen atau hidrokarbon (proses pembakaran mempercepat massa bahan bakar sehingga mengubah fasa bahan bakar dari cair atau padat menjadi gas bertekanan tinggi). massa gas yang dihasilkan sama dengan massa bahan bakar yang dibakar (tanpa ada penguranga selama pembakaran, yang berubah hanya fasanya saja). Gas yang dihasilkan ini memiliki tekanan tinggi, dan juga memiliki kecepatan yang sangat tinggi. Aliran gas ini kemudian melalui mulut pipa (exhaust) yang semakin menambah kecepatan keluarannya. Bahan bakar dan oksidator cair yang dibutuhkan tidak sedikit sehingga menambah berat pesawat sehingga memperbesar biaya yang harus dikeluarkan untuk mengoperasikan mesin yang bisa menghasilkann gaya yang semakin besar (agar bisa melawan gaya tarik gravitasi) sehingga kcepatan maksimum yang bisa dicapai semakin kecil. ini berarti untuk meningkatkan kecepatan maksimum yang dicapai, bahan bakar dan oksidator cair harus ditambah agar menghasilkan gaya yang lebih besar. Tetapi penambahan ini juga berakibat pada semakin bertambahnya berat total. Walaupun secara total kecepatan maksimalnya bisa ditingkatkan, biaya yang harus dikeluarkan sangat besar. Karena itulah pada pesawar hipersonik, mesin yang digunakan adalah air-breathing engine.

pada dasarnya air-breathing engine mirip dengan mesi turbojet tetapi tanpa penambahan komponen yang aktif bergerak misalnya kipas. keunggulan dari pesawat yang menggunakan mesin scramjet ini terletak pada penggunaan bahan oksidatornya. pesawat ini tidak memerlukan bahan oksidator (oksigen) seperti pesawat atau roket konvensional. Udara sekitar (Udara Ambien) adalah bahan oksidator yang melimpah di alam dan gratis dan dimanfaatkan oleh mesin ini. Selama diudara, mesin pesawat "mnghisap" atau "menghirup" oksigen yang terkandung di udara sehingga oksigen itu bisa digunakan untuk membakar bahan bakar. (ingat jaga lingkungan sekitar, jangan lupa budayakan menanam pohon karena pohon adalah penyedia oksigen dan mesin saja membutuhkan oksigen apalagi makhluk hidup).

Gambar proses kerja mesin Scramjet (Sumber: tulisan Prof. Yohanes Surya)

Pada gambar, mesin scramjet menyedot udara di atmosfer saat sedang melaju pada kecepatan hipersonik. Udara ini kemudian dikompresi dan kecepatannya sedikit diturunkan (berbeda dengan mesin ramjet biasa yang menurunkan kecepatan udara smapai kecepatan subsonik yang berkisar   ) sampai mencapai rasio takanan yang cukup tekanan yang cukup tinggi untuk proses pembakaran. Setelah melewati ruang kompresi (pemampatan udara), udara bertemu dengan bahan bakar yang tersedia. Oksigen dalam udara langsung membakarnya sehingga terbentuk gas panas yang dikeluarkan melalui exhaust.  Gas panas berkecepatan tinggi ini merupakan komponen aksi, sama seperti mesin roket biasa. Adanya aksi ini menyebabkan mesin pesawat mendapatkan reaksi yang besarnya sama dengan gaya aksinya sehingga pesawat bisa melaju kedepan. prinsip kerj a ini agaknya mirip dengan prinsip kerja mesin 2-tak dan 4-tak.

proses penghisapan udara dari atmosfer hanya terjadi saat pesawat sedang melaju pada kecepatan hipersonik karena mesinnya sama sekali tidak memiliki kipas yang bisa menyedot udara. Jika kecepatannya kurang (beda tekannanya tidak cukup tinggi) udara yang dihisap masuk ke mesin akan tertarik keluar lagi ke atmosfer. hal ini sangat berbahaya dan dapat menghancurkan pesawat.Ini berarti pesawat harus dibantu dengan roket konvensional saat lepas landas. Roket membawa pesawat hingga mencapai kecepatan hipersonik, kemudian roket dilepaskan dan mesin scramjet mulai bekerja menyedot udara sehingga bisa bergerak sendiri.

badan pesawat dirancang khusus untuk mendukung sistem propulsinya (sistem yang digunakan untuk menghasilkan gaya dorong yang pada kapal digunakan perpindahan kapal selama diatas air). Bagian bawah pesawat didesain sedemikian rupa sehigga bagian depannya membantu proses penyedotan udara ke mesin dan bagian belakangnya membantu proses ekspansi (mempercepat) gas keluaran sehingga pesawat emndapatkan gaya dorong (thrust) yang semakin besar. Dengan demikian udara yang masuk ke mesin sudah mulai mengalami kompresi dan perlambatan saat mengalir di permukaan bawah bagian depan pesawat.

Selain desain mesin dan badan pesawat, masih ada hal penting lainnya yang harus diperhatikan supaya pesawat hipersonik ini dapat melaju dengan mulus tanpa gangguan. salah satunya adalah besarnya angle of attack (sudut antara permukaan sayap dengan aris horizontal) Angle of attack  ini harus presisi agar turbulensi udara yang terjadi (di bagian belakang sayap) dapat membantu laju pesawat, tetapi tidak terlalu tinggi sehingga bisa mengacaukan kendali pesawat saat meluncur pada kecepatan ultra tinggi. semakin tinggi ekcepatannya maka semakin sensitif pesawat sehingga semakin rentan terhadap kemungkinan slip dan hilang kendali.

Pesawat ini hipersonik ini direncanakan digunakan dalam misi luar nagkasa. karena pesawat ini lebih ringan (karena tidak membawa bahan oksidator) sehingga biaya yang dibutuhkan dapat ditekan. Kecepatannya memungkinkan mencapai lokasi lebih jauh dari pesawat konvensional. Pesawat ini lebih aman, lebih fleksibel, lebih murah untuk mengirmmkan astronot ke luar angkasa. NASA (National Aeronautics and Aerospace) yang optimis akan hal ini mulai mengujicobakan prototype pesawat hipersonik buatan mereka tahun 1951 dengan nama X-7 dengan kecepatan maksimum Mach 4,31. Terbaru pada 2018 NASA mengujicobakan pesawat X-59QueSST buatan Lockheed Martin sebgaai manufaktur. Sedangkan paling baaru diujicobakan oleh USAF (United States of Army Force) atau Angkatan udara Amerika yang mengujicobakan  X-61A buatan Dynetics.

Video cara kerja mesin scramjet:

Video peluncuran pesawat Hipersonik

Sumber Gambar Utama

Free Images

Sumber gambar dan artikel:

Tulisan Prof. Yohanes Surya Ph. D di ilmuterbang.com | Kompas | Wikipedia 1, 2, 3

ARTIKEL TERKAIT

Profile Kontributor

Dhanang H. L. Rohi

Universitas Nusa Cendana

Kupang NTT

“In God I Trust, and keep Moving Forward”