BAB IV HIGHT LIFT DEVICES

Pengenalan

4.1       Pesawat terbang yang sedang melakukan unjuk kerja pada kecepatan rendah, misalnya saat pendaratan (landing) atau tinggal landas (take off), sangat memerlukan harga  yang tinggi guna mempertahankan gaya angkat untuk mengimbangi berat pesawat.  Sebagian besar pesawat konvensional kecepatan rendah, mempunyai koefisien gaya angkat maksimum sekitar 1.4 atau 1.5. Jika menginginkan kecepatan stall yang rendah, maka harus dapat diperoleh koefisien gaya angkat maksimum  yang lebih tinggi.  Salah satu cara peningkatan  adalah dengan memperbesar camber, namun cara ini akan meningkatkan harga gaya seret (drag).  Suatu cara untuk mengatasi persoalan tersebut adalah dengan menggunakan suatu alat yang dikelompokkan sebagai high lift devices (alat mempertinggi gaya angkat).  Alat-alat yang termasuk dalam high lift devices ini dapat mengubah karakteristik airfoil, yaitu memperbesar  pada saat dibutuhkan terutama bila beroprasi pada kecepatan rendah. Alat mempertinggi gaya angkat pada dasarnya bekerja dengan tiga prinsip:

a.       Mengubah geometri airfoil, sehingga memperbesar ukuran camber.

b.      Merubah luas sayap.

c.       Mengendalikan lapis batas (boundary layer) dengan energi tambahan.

Dari alat-alat tersebut, ada yang bekerja dengan dua atau tiga prinsip sekaligus, yaitu selain mengubah geometri juga merubah luas sayap atau mengendalikan lapis batas. Alat mempertinggi gaya angkat antara lain : leading edge flap, trailing edge flap, leading edge slot, boundary layer blowing, boundary layer suction dan jet flap.

4.2       Flap.    Flap adalah yaitu bagian sayap berbentuk bidang yang terpasang di sayap bagian belakang (trailing edge),  yang bisa digerakkan pada posisi netral dan turun (down) dengan bantuan engsel.   Kegunaan flap sebagai  penambah gaya angkat dihasilkan dari keberadaan flap pada sayap yang akan mengubah geometri airfoil, sehingga dapat menghasilkan koefisien gaya angkat maksimum (C_Lmax)  yang lebih tinggi.

Koefisien gaya angkat (lift coefficient) adalah parameter tanpa dimensi yang berperan dalam menentukan besarnya gaya angkat sayap dan merupakan fungsi dari angle of attack (α ), yang dinyatakan dengan formula :

L    =  0.5 ρ V² S C_L 

Dimana L =  lift

              ρ =  density

             V  =  kecepatan

            CL = koefisien lift     

Koefisien gaya angkat maksimum adalah harga  C_Lmax  tertinggi yang dihasilkan oleh sayap pada posisi angle of attack maksimum.  Jika angle of attack maksimum dilewati, maka akan terjadi kehilangan koefisien gaya angkat yang berarti sayap mengalami kehilangan gaya angkat yang disebut stall. Harga C_Lmax merupakan faktor penting dari kinerja airfoil, karena menentukan besarnya kecepatan stall pesawat.  Kecepatan stall adalah kecepatan yang dicapai pada posisi C_Lmax .  Pada saat terbang straight and level (terbang lurus dan datar), lift (L) sama dengan berat pesawat, sehingga :

 CL_max

L    =  W =  0.5 ρ V² S C_L  , sehingga :

           

Atau kecepatan stall :

 

Semakin tinggi nilai C_Lmax maka semakin rendah harga V_stal,  yang berarti pesawat bisa terbang dengan kecepatan lebih rendah, namun tetap aman (tidak stall).   Dengan demikian penggunaan flap dibutuhkan pada saat kecepatan pesawat rendah, misalnya pada saat take off ataupun landing.   Pada saat take off, agar pesawat segera airborn, maka dibutuhkan gaya angkat yang cukup untuk mengangkat berat pesawat, dengan cara menaikkan harga CL_max yaitu dengan menurunkan flap.  Sedangkan pada saat mendarat,  yang dibutuhkan adalah kecepatan yang serendah mungkin namun tetap aman,  yaitu dengan cara menambah CL_max sehingga kecepatan stall bisa serendah mungkin.  Kecepatan yang makin rendah pada saat mendarat, akan menghasilkan jarak pendaratan yang lebih pendek.      

 

4.2       Trailling Edge Flap. Flap trailing edge berupa bidang yang dipasang pada trailing edge sayap dengan bantuan engsel, sehingga flap bisa melakukan defleksi turun. Defleksi flap inilah yang akan mengubah besar camber sayap, sehingga akan meningkatkan besarnya koefisien gaya angkat. Beberapa jenis flap trailing edge antara lain plain flap, split flap, slooted flap, dan fowler flap.

a.         Plain Flap.   Dengan terjadinya defleksi flap ke bawah, akan menambah camber airfoil sayap seperti pada gambar 4-1. Selain itu flap juga akan mengurangi sudut serang tanpa menghasilkan gaya angkat (zerolift angle of attack), tanpa mempengaruhi besarnya slope dari kurva.   Dengan demikian pada setiap penambahan sudut serang sampai pada sudut serang stall (stalling angle), koefisien gaya angkat  akan bertambah secara konstan. Namun pertambahan sudut serang efektif agak lebih besar, sehingga dengan defleksi flap akan mengurangi besar sudut serang stall. Hal ini disebabkan bahwa pada penggunaan flap, separasi aliran akan terjadi lebih awal pada bagian belakang bidang flap. Kurva  dan sudut serang pada saat flap terdefleksi ke bawah dibanding dengan saat posisi netral dapat dilihat pada gambar 4.2.

        Gambar 4-1: Plain Flap 

Penambahan  biasanya lebih kecil dari penambahan   pada sudut serang yang lebih rendah. Hal ini akibat berkurangnya sudut serang stall pada saat flap defleksi. Karena itu penambahan  sangat penting diketahui, karena mempengaruhi besarnya pengurangan sudut serang stall.

 

          Gambar 4-2 :  Kurva CL vs α

Pengurangan sudut serang stall saat flap terdefleksi ke bawah sangat menguntungkan, karena juga mengurangi besarnya sudut serang saat tinggal landas ataupun mendarat, sehingga pandangan (visibilitas) pilot akan lebih baik.

Pengaruh defleksi flap terhadap distribusi tekanan pada airfoil dapat dilihat pada gambar 3.3. Dari gambar terlihat bahwa defleksi flap tidak hanya berpengaruh pada distribusi tekanan pada bagian airfoil belakang dimana flap terpasang, namun juga bagian depan airfoil. Tetapi penambahan gaya angkat total lebih banyak terjadi pada airfoil bagian belakang, sehingga koefisien tekanan  ikut bergeser ke belakang.  Bergesernya  akan menimbulkan momen yang membuat gerakan hidung ke bawah (nose-down), sehingga pilot harus melakukan koreksi pada setiap defleksi flap.

Bertambahnya camber efektif karena defleksi flap akan menambah koefisien gaya seret. Bertambahnya gaya seret akan memberikan efek pengereman yang sangat

                    Gambar 4-4 : Pengaruh defleksi flap terhadap distribusi tekanan

menguntungkan pada saat proses pendaratan, karena dapat melakukan landing approach dengan slope yang lebih terjal dan memperpendek landasan pendaratan.

b.       Split Flap.  Pada split flap, hanya bagian permukaan bawah belakang airfoil yang bergerak, sehingga geometri bagian atas tidak berubah saat flap berdefleksi.  Secara garis besar pengaruh defleksi flap terhadap penambahan CL sama dengan jenis plain.

 

              Gambar 4-5 :  Split flap

Namun karena perubahan camber kurang berpengaruh pada permukaan airfoil bagian atas, maka separasi pada permukaan atas airfoil bagian belakang hanya akan terjadi pada sudut serang yang lebih tinggi dari pada jenis plain. Dengan demikian untuk kerja split flap pada sudut serang tinggi lebih baik dari pada jenis plain. Tetapi pada sudut serang kecil, akan terjadi wake pada daerah di belakang flap yang terdefleksi, sehingga akan mengurangi unjuk kerja airfoil. Tetapi hal ini tidak menimbulkan masalah, karena tujuan pemakaian flap adalah untuk menciptakan unjuk kerja airfoil yang baik pada sudut serang yang tinggi.

c.       Slotted Flap.   Slotted flap mempunyai celah terbuka antara flap dan sayap bila flap sedang terdefleksi seperti gambar 4-5. Udara bertekanan lebih tinggi akan mengalir dari bawah sayap ke permukaan atas flap. Aliran ini merupakan tambahan energi yang akan mencegah terjadinya separasi aliran udara.

                  Gambar 4-5 :  Slotted flap

Disamping itu jenis flap ini juga sebagai pengubah besar camber seperti halnya jenis plain. Karena slotted flap bekerja dengan prinsip kombinasi antara pengubah geometri sayap dan pengendali lapis batas, maka penambahan koefisien gaya angkat lebih besar dari pada jenis plain ataupun split. Kemudian pengaruh slotted yang mencegah terjadinya separasi, akan menghasilkan penambahan gaya seret yang lebih kecil.

 

                                Gambar  4-6 : Fowler flap

d.       Fowler Flap.   Fowler flap selain bekerja seperti jenis slotted, defleksi flap ke bawah juga mengakibatkan penambahan luas efektif dan camber sayap. Dengan demikian flap jenis fowler sebagai penambah gaya angkat, bekerja dengan tiga prinsip yaitu memperbesar camber, mengontrol lapis batas dan menambah luas sayap. Penambahan luas sayap dihasilkan oleh kerja flap yang bergeser ke bawah seperti gambar 4-6.

Dengan penambahan luas efektif sayap serta pengaruh slotted dan pembesaran camber, maka fowler flap menghasilkan penambahan koefisien gaya angkat yang paling besar dari jenis flap trailing edge lainya. Perbandingan pertambahan koefisien gaya angkat antara fowler flap dengan jenis flap trailing edge lainya terlihat pada kurva gambar 4-7.

                  Gambar  4-7 :  Kurva CL vs α fowler flap

4.3       Leading Edge Slot.   Leading edge slot adalah salah satu alat mempertinggi gaya angkat dengan cara mengendalikan lapis batas. Leading edge slot terdiri dari airfoil kecil yang disebut slat, terpasang di depan leading edge sehingga membentuk celah ( slot ) dengan leading edge pada sayap. Dengan slot ini akan mengalir udara yang bertekanan tinggi pada permukaan bawah ke permukaan atas sayap. Aliran udara ini merupakan energi tambahan guna mencegah terjadinya separasi aliran.  Pada sudut serang rendah, pemakaian leading edge slot tidak terlalu berpengaruh karena belum ada kecenderungan terjadi separasi. Tetapi dengan sudut serang yang semakin tinggi, kecenderungan terjadinya separasi aliran terhambat sehingga koefisian gaya angkat bertambah terus, dan

stall terjadi pada sudut serang yang lebih tinggi dari pada tanpa slot. Kurva koefisien gaya angkat versus sudut serang antara sayap tanpa flap (bare wing) dengan sayap dengan leading edge slot, terlihat pada gambar 4-9.

           Gambar 4-8 : Leading edge flap

Dengan pemakaian slot, sudut serang stall bisa meningkat dari 15 sampai 25 derajat, dan koefisien gaya angkat maksimum (CL_max) bisa bertambah 60%.

                        Gambar 4-9 :  Kurva CL versus α untuk leading edge slot

Pada flap leading slot, terjadinya momen akibat bergesernya Cp ke belakang sangat kecil. Demikian pula gaya seret yang ditimbulkan airfoil pada sudut serang tinggi dan kecepatan rendah, juga berharga sangat kecil.

Meskipun pemakaian leading edge slot, menghasilkan CL_max yang lebih besar dari pada trailing edge flap namun ada beberapa kerugian :

a.          Pada kecepatan rendah dan sudut serang tinggi gaya seret sangat kecil, sehingga tidak menguntungkan untuk proses pendaratan.

b.         Pada sudut serang rendah dan kecepatan tinggi, slat di depan leading edge cenderung merusak aliran udara di atas sayap sehingga meningkatkan gaya seret.

c.         CL_max tercapai hanya saat sudut serang tinggi, sehingga posisi pesawat saat lepas landas ataupun mendarat sangat tegak. Posisi ini akan memperburuk pandangan ( visibilitas ) pilot.

Guna mengurangi kerugian tersebut, diciptakan slot otomatis di mana pada sudut serang tinggi akan terbuka, sedang pada sudut serang rendah alat tertarik ke airfoil sehingga slot akan tertutup.

4.4       Leading Edge Flap.  Flap jenis leading edge menghasilkan penambahan gaya angkat dengan cara mencegah terjadinya separasi.   Sebagian pesawat supersonic menggunakan leading edge dengan kelengkungan kecil.  Pada sudut serang yang sedang, aliran sekitar leading edge akan membelok dengan tiba–tiba. Akibatnya akan menimbulkan daerah separasi di belakang leading edge, yang disebut ulakan (separation bubble) seperti yang terlihat pada gambar 4-10a. Dengan penambahan sudut serang, ulakan melebar ke belakang sehingga mengakibatkan stall yang kuat.  Separasi ulakan dapat dicegah dengan penambahan camber pada leading edge seperti gambar 4-10b.

Dengan penambahan camber pada leading edge, aliran akan menjadi streamline dan terjadinya stall bisa dihambat.  Tetapi cara ini cenderung menambah gaya seret pada sudut serang rendah. Karena itu dipasanglah flap pada leading edge seperti pada gambar 4-10c. 

    

                                              a                                                      b

                                                                        c

                                         Gambar 4 -10 :  Leading edge flap

Leading edge flap bisa didefleksi ke bawah pada saat sudut serang tinggi dan bisa dinetralkan pada saat sudut serang rendah.  Karena pada sudut serang rendah flap pada kedudukan netral, maka slope airfoil dengan flap leading edge berimpit dengan slope sayap polos (bare wing) seperti kurva gambar 4-12.

                                 Gambar 4-11 :  Kurva CL versus α untuk leading edge slot

4.5       Boundary Layer Blowing.   Prinsip kerja boundary layer blowing sama dengan leading edge slot. Udara dengan kecepatan tinggi dihembuskan ke lapis batas melalui celah kecil (slit) pada permukaan atas airfoil seperti gambar 4-12a.  Hembusan ini merupakan energi tambahan guna mencegah terjadinya separasi. Karena udara yang dihembuskan berkecepatan lebih tinggi dibanding leading edge slot ataupun leading edge flap, maka boundary layer blowing bekerja lebih efektif sebagai pengendali lapis batas.

                                         a

     b

                                               Gambar 4-12 : Boundary layer blowing

Dengan cara ini stall bisa dihambat sampai sudut serang cukup tinggi. Hembusan udara di atas permukaan sayap akan memberikan percepatan aliran, sehingga menghasilkan penambahan CL yang lebih tinggi pada setiap peningkatan sudut serang. Slit yang ditempatkan dekat hidung airfoil, memberikan hembusan yang pengaruhnya dirasakan pada seluruh permukaan airfoil.

Slit ada juga yang ditempatkan di depan plain flap, dengan tujuan mencegah terjadinya separasi pada permukaan flap.  Alat ini bisa disebut blown flap seperti pada gambar 4-12b. Blown Flap lebih menguntungkan karena dengan penempatan slit pada hidung flap, maka kekuatan hembusan dapat mencapai bagian belakang airfoil dimana separasi bisa terjadi.

4.6       Boundary Layer Suction.   Prinsip kerja alat ini adalah menghisap aliran udara lemah pada lapis batas guna mencegah terjadinya separasi. Penghisapan ini dilakukan oleh sederetan lubang–lubang pada seluruh permukaan atas sayap, seperti terlihat pada gambar 4-13.

Gambar 4-13 :  Boundary layer suction

Selain mencegah separasi, penghisapan lapis batas juga dapat mempertahankan agar aliran udara tetap laminar. Karena itu penghisapan lapis batas menjadi perhatian perhatian khusus untuk perencanaan sayap yang menghasilkan gaya seret rendah.

4.7       Jet Flap.  Jet flap berupa tiupan udara berkecepatan tinggi dari celah kecil pada trailing edge sayap. Tiupan udara ini dibelokkan ke bawah dan terbagi dalam aliran atas dan bawah, sehingga membentuk bidang semburan udara yang pengaruhnya sama dengan hasil kerja trailing edge flap yang cukup besar. Pengaruh ini disebabkan oleh komponen ke bawah dari momentum tiupan udara. Dari percobaan membuktikan, bahwa jet flap menghasilkan koefisien gaya angkat yang sangat tinggi.  Guna membedakan istilah jenis –jenis flap yang lain (flap mekanis) yang bisa disebut “unpowered flap”, jenis jet flap disebut “powered flap”.

                              Gambar 4-13 : Jet flap