RANCANG BANGUN DAN UJI HIDRODINAMIKA SISTEM PROPULSI

mampu bersaing di kancah iptek persenjataan di dunia ... ini termasuk dalam Bidang Prioritas Iptek di Kemente- ... tahui perkembangan desain torpedo d...
34 downloads 391 Views 1MB Size
Download PDF
Love PNG Images
1029: T.S. Setiahardja

HK-73

RANCANG BANGUN DAN UJI HIDRODINAMIKA SISTEM PROPULSI TORPEDO SEBAGAI ALAT UTAMA SISTEM SENJATA BAWAH AIR : METODA PENGUJIAN TAHANAN MODEL TORPEDO Teddy S. Setiahardja Pelaksana Teknis BPPH-BPPT Jl. Hidrodinamika (Komplek ITS) Sukolilo, Surabaya 60112 Telepon (031) 5948060 e-Mail : [email protected]

Disajikan 29-30 Nop 2012

ABSTRAK Alat utama sistem senjata bawah air yang umum digunakan oleh sebagian besar kapal-kapal angkatan laut di seluruh dunia tidak terkecuali TNI AL yang memiliki peran strategis dalam kelengkapan armada perang sebuah negara adalah torpedo. Torpedo merupakan senjata yang dapat ditembakkan dari kapal selam, kapal permukaan, maupun dari helikopter. Untuk memperkaya jumlah senjata dan amunisinya, selama ini TNI AL selalu melakukan pengadaan dengan cara membeli langsung dari luar negeri yang tentunya akan banyak permasalahan yang timbul, mulai dari keterbatasan anggaran hingga timbulnya ekonomi biaya tinggi. Hal ini ini juga mengurangi semangat kemandirian bangsa serta peningkatan inovasi karya bangsa sendiri. Penelitian ini dilaksanakan dengan mengambil torpedo varian tipe MK 44 dan MK46 yang menjadi senjata standar NATO sebagai obyek penelitian dan pengembangan, sehingga rancang bangun dan uji hidrodinamika dilakukan terhadap gabungan tipe torpedo ini. Langkah-langkah penelitian yang dilakukan dimulai dengan melakukan pemilihan tipe dan ukuran torpedo, memprediksi aliran turbulent pada badan torpedo, pembuatan model badan torpedo, melakukan uji tahanan (resistance test) badan torpedo, dan merancang sistem propulsi berupa model propeller. Perkiraan besar tenaga efektif yang akan dipasang pada prototipe torpedo akan diketahui melalui uji tahanan tersebut. Rancangan dan prototipe torpedo sebagai senjata bawah air yang dapat digunakan atau dipasang pada kapal selam yang saat ini juga dirancang oleh para peneliti di Indonesia, diharapkan akan menjadi sasaran akhir dari penelitian ini yang nantinya dapat diproduksi secara massal oleh industri senjata yang ada di dalam negeri. Kata Kunci: Alutsista, torpedo, kapal selam, resistance test

I.

PENDAHULUAN

Sebagai negara kepulauan terbesar di dunia yang memiliki tentara nasional dengan kelengkapan persenjataan handal yang sangat terbatas, Indonesia sering menghadapi gangguan dan tantangan yang mengancam kedaulatan wilayah Negara Kesatuan Republik Indonesia (NKRI), berupa klaim batas wilayah dan kedaulatan pulau-pulau terluar dalam wilayah NKRI oleh negara tetangga, masalah ambang batas laut dengan negara tetangga, serta masuknya kapal-kapal penangkap ikan negara asing ke wilayah perairan Indonesia. Untuk mengatasi masalah yang mengancam kedaulatan wilayah NKRI tersebut, maka diperlukan kelengkapan dan kehandalan alat utama sistem senjata (alutsista) Tentara Nasional Indonesia (TNI), khususnya untuk Angkatan Laut. TNI AL yang saat

ini sudah dilengkapi dengan dua kapal selam dan beberapa kapal patroli dan kapal perusak, masih perlu penambahan armada kapal perangnya yang memiliki persenjataan yang lengkap, termasuk rudal dan torpedo. Dewasa ini sedang tumbuh kesadaran untuk lebih mandiri dalam pengadaan alutsista dan didorong oleh keputusan pemerintah menyelamatkan BUMN Industri Strategis karena memiliki nilai penting bagi NKRI, khususnya dalam meningkatkan kemandirian pertahanan dan keamanan, serta mendorong perkembangan industri manufaktur yang berbasis teknologi dan inovasi tinggi. BUMN Industri Strategis diharapkan mampu melakukan investasi dan inovasi dalam rangka menciptakan dan memproduksi produk baru alutsista, meningkatkan kualitas produk, daya saing dan kinerja usaha. Membangun konsolidasi dan sinergi antar Prosiding InSINas 2012

1029: T.S. Setiahardja

HK-74 BUMN Industri Strategis, terutama dalam bidang produksi, teknologi dan pengembangan SDM. Seperti diketahui, selama ini Indonesia selalu melakukan pengadaan alutsista dengan cara membeli langsung dari luar negeri. Namun disadari setiap proses pembelian tersebut akan menimbulkan biaya yang tidak sedikit (high cost) ditambah adanya biaya lain-lain (overhead cost) yang pada akhirnya cenderung menimbulkan juga benih-benih korupsi. Untuk itu semakin kuat keinginan bangsa untuk lebih mandiri dengan melakukan pengembangan alutsista didasari kemampuan SDM yang telah terdidik dan dengan diberi kesempatan dan fasilitas untuk melakukan penelitian dan pengembangan, sehingga mampu bersaing di kancah iptek persenjataan di dunia internasional. Salah satu unsur penting dalam mewujudkan daya saing bangsa adalah penguasaan ilmu pengetahuan dan teknologi (iptek), oleh karena itu, pengembangan alat utama sistem senjata dirasakan semakin dibutuhkan. Dengan demikian iptek persenjataan dapat berperan lebih baik dalam pembangunan nasional yang berkelanjutan untuk mewujudkan kemandirian bangsa. Salah satu unsur penting dalam mewujudkan daya saing bangsa adalah penguasaan ilmu pengetahuan dan teknologi (iptek), dengan didukung kemampuan SDM yang telah terdidik serta dengan diberinya kesempatan dan fasilitas untuk melakukan penelitian dan pengembangan, maka pengembangan alat utama sistem senjata dirasakan semakin dibutuhkan. Dengan demikian iptek persenjataan dapat berperan lebih baik dalam pembangunan nasional yang berkelanjutan untuk mewujudkan kemandirian bangsa dan diharapkan bangsa Indonesia mampu bersaing di kancah iptek persenjataan di dunia internasional.

G AMBAR 1: Torpedo MK44

G AMBAR 2: Torpedo MK46

II.

METODOLOGI

Seiring dengan berlangsungnya program penelitian dan pengembang-an kapal selam 22 meter yang dilaksanakan oleh Unit Pelaksana Teknis Balai Pengkajian dan Penelitian Hidrodinamika, BPPT, dimana program ini termasuk dalam Bidang Prioritas Iptek di Kementerian Riset dan Teknologi, khususnya Riset Pengembangan Kapal Perang, maka penelitian ini difokuskan dalam Riset Pengembangan Rudal. Dalam hal ini, torpedo sebagai senjata yang umumnya dimiliki kapal selam menjadi obyek penelitian untuk mendukung progam penelitian kapal selam 22 meter tersebut. Sebagai bahan obyek penelitian telah dipilih dan ditetapkan torpedo varian MK44 dan MK46 (G AMBAR 1dan G AM BAR 2 ) sebagai acuan untuk dikembangkan atau dirancang bangun ke dalam satu tipe baru khusus untuk diaplikasikan pada kapal selam 22 meter. Dalam penelitian jenis senjata torpedo ini ada beberapa variabel dan parameter yang perlu diperhatikan, yaitu : 1. Gaya-gaya yang bekerja pada badan torpedo yang berbentuk silinder/tabung yang dilengkapi dengan rudder dan fin, baik yang lurus maupun yang terdefleksi. 2. Aliran fluida disekeliling badan torpedo yang turbulent yang menimbulkan gangguan, dapat diketahui dengan menggunakan program komputer atau CFD. 3. Sistem propulsi dalam bentuk propeller, dapat dirancang berdasarkan pengujian tahanan (resistance test). 4. Kecepatan, gaya dorong, dan torsi dapat diketahui melalui pengujian propulsi (self propulsion test). Variabel penting dalam menentukan kinerja hidrodinamika dari torpedo adalah rasio panjang (L) terhadap diameter (D) yang juga identik dengan bentuk lambung kapal selam. Dari banyak penelitianyang mengarah pada desain kapal selam pertama sebenarnya, yang optimum dipilih adalah rasio L/D = 7.7 Hal ini didasarkan pada variasi dua jenis tahanan berbeda, yang bersama-sama membuat tahanan total dari sebuah lambung yang sepenuhnya terbenam. Jenis pertama disebut tahanan bentuk atau tahanan tekanan. Tekanan bekerja tegak lurus terhadap setiap titik di permukaan. Tekanan bervariasi sepanjang permukaan dengan tekanan terbesar pada bagian hidung, titik stagnasi, dimana aliran terbagi. Tekanan berkurang dimana aliran berdekatan dan meningkat ketika aliran menyebar (persamaan Bernoulli). Dalam cairan tanpa viskositas tekanan tepat pada bagian ekor akan meningkat dengan nilai yang sama dengan tekanan pada titik stagnasi pada bagian hidung; kemudian integral dari semua Prosiding InSINas 2012

1029: T.S. Setiahardja

HK-75

tekanan yang bekerja pada luasan elemen (gaya tekan) akan sama dengan nol. I ρdA = 0 (15) Namun, cairan tidak memiliki viskositas dan sifat ini akan meningkatkan gaya tangensial atau gesekan pada kulit. Lapisan batas, yang awalnya cukup tipis, menebal ke bagian ekor dan aliran tidak menyebar selebar yang akan terjadi pada cairan inviscid, yang menyebabkan terjadinya tahanan bentuk. Bentuk virtual dari lambung diubah oleh lapisan batas dan dapat dievaluasi, secara matematis, dengan hukum kontinuitas. Kedua jenis tahanan, yang timbul dari gaya normal dan gaya tangensial (tahanan bentuk dan gesekan kulit) sama nilainya pada lambung ramping. Ketika rasio L/D meningkat, lambung akan menjadi lebih panjang dan lebih ramping, dan tahanan bentuk berkurang (G AMBAR 3).

G AMBAR 4: Komponen tahanan untuk bentuk volume konstan

adalah yang melibatkan diameter terus berubah sepanjang lambungnya. Bagian haluan akan berbentuk ellips dan bagian buritan berbentuk parabola.

G AMBAR 3: Komponen tahanan pada suatu lambung yang terbenam di air

Tahanan jenis kedua, tahanan gesek pada kulit sebanding dengan permukaan permukaan yang dibasahi, sehingga lambung yang kurus panjang akan memiliki permukaan yang lebih dibasahi daripada yang gemuk pendek pada displasmen yang sama. Variasi dari dua jenis tahanan dan penjumlahannya ketika diplot terhadap L/D untuk volume konstan diperlihatkan pada G AMBAR 4. Jelas terlihat tahanan total minimum pada rasio L/D sekitar 7 tapi kurvanya datar pada daerah ini. Tidak ada yang benar-benar tepat minimum. Hal diatas menganggap lambung kosong (bare hull) dan tidak memasukkan komponen fin, kontrol permukaan, dan gangguan tahanan ketika komponen tersebut dipasang pada lambung, tonjolan ekstra seperti perlengkapan penarik dan lainnya yang menciptakan fitur-fitur tahanan. Parameter kedua, yang mempengaruhi tahanan lambung ramping, adalah koefisien prismatik, Cp. Parameter ini menggambarkan jumlah volume di ujung lambung. Bentuk seperti kapal selam Collin misalnya, akan memiliki koefisien tinggi di bagian ujung (diperkirakan lebih besar dari 0.8). Bentuk seperti kapal selam Albacore memiliki Cp sekitar 0.65. Bentuk ideal

G AMBAR 5: Bentuk lambung ideal

Untuk rancangan torpedo bentuk parallel midbody lebih tepat karena pada hull diperlukan ruanganruangan untuk menempatkan motor penggerak, battery, hulu ledak, dan sensor. Dalam rangka mencapai keberhasilan dalam penelitian ini, harus ada kejelasan metode (metodologi) yang menjadi kerangka acuan dalam pelaksanaan penelitian. Kerangka ini berisi tahapan-tahapan yang dilakukan untuk menyelesaikan permasalahan dari penelitian, dimulai dari identifikasi masalah sampai dengan penyusunan laporan, langkah-langkah dalam simulasi numerik CFD maupun Maxsurf, dan terakhir dengan menggunakan metode uji model fisik. A. Metode Literatur dan Diskusi Dalam melaksanakan kegiatan riset, metodologi penelitian yang pertama digunakan adalah studi literatur baik melalui studi pustaka maupun browsing Prosiding InSINas 2012

1029: T.S. Setiahardja

HK-76 internet dan diskusi non formal dengan pihak-pihak terkait. Pemahaman teori dasar mengenai torpedo dan segala aspek desain yang berhubungan dengan penelitian dikaji lewat studi literatur dari text book, laporan penelitian sebelumnya, jurnal-jurnal dan juga literatur lain relevan untuk dijadikan acuan sebagai dasar teori. Selain itu data dan literatur yang diperoleh lewat internet juga menjadi salah satu aspek yang cukup penting sebagai sumber informasi up to date untuk mengetahui perkembangan desain torpedo dan kapal selam yang paling mutakhir. Studi literatur juga dilakukan untuk memperoleh gambaran lengkap tentang berbagai hal mengenai torpedo, baik berkaitan dengan ukuran utama, tenaga penggerak, muatan hulu ledak, dan lain sebagainya. Koordinasi dengan instansi terkait dilakukan untuk mendapatkan masukan-masukan yang berkaitan dengan kebutuhan dan kelengkapan serta fungsi torpedo sebagai senjata bawah air di kapal selam. B.

Metode numerik Untuk merancang bentuk lambung torpedo berdasarkan parameter data torpedo pembanding, maka dilakukan pemilihan bentuk lambung torpedo modifikasi dari yang sudah ada dan banyak digunakan sebagai senjata pada kapal-kapal selam di seluruh dunia. Dari data-data rancangan yang telah dipilih langkah berikutnya adalah membuat gambar rancangan torpedo dalam format 2D maupun 3D untuk disimulasikan melalui CFD. CFD memberikan hasil fisik yang realistik dengan akurasi yang baik pada path simulasi dengan grid yang berhingga. Ada tiga sifat perhitungan finite volume, yaitu Conservativeness, Boundedness, dan Transportiveness. Ketiganya dirancang menjadi bagian berhingga yang dapat menunjukaan keberhasilan simulasi CFD. Disamping itu, ketiganya umum digunakan sebagai alternatif untuk konsep matematik yang akurat. Skema numerik memiliki sifat conservative-ness yang dapat mempertahankan kekekalan sifat-sifat fluida secara global untuk seluruh domain penyelesaian. Pendekatan volume hingga dapat menjamin tetap berlangsungnya kekentalan property fluida CFD untuk setiap control volume. Proses aliran terdiri dari dua, yaitu konveksi dan difusi. Keduanya dapat dihitung pengaruh arahnya dengan bagian finite volume, yaitu TABEL 1: Ukuran Utama

Deskripsi Panjang Diameter Berat Kapasitas Angkut Kecepatan

Nilai 2.59 324.0 234.8 44.5 28

Satuan m mm kg kg knots

transportive-ness. Sedangkan boundedness dapat mempertahankan kestabilan suatu metode numerik. Data yang diperoleh dari hasil simulasi diolah kembali melalui perhitungan-perhitungan yang kemudian hasilnya ditabulasikan dan dibuat grafik trend hubungan antar variabel-variabel rancangan. Setelah dilakukan analisa, dibuat kesimpulan untuk merangkum keseluruhan hasil penelitian. C.

Metode Uji Model Fisik di Kolam Uji Untuk memvalidasi hasil kajian hidrodinamika dengan metode numerik maka perlu dilakukan uji model fisik sehingga diperoleh data besar tahanan (resistance) yang lebih akurat yang digunakan untuk melakukan perhitungan tenaga penggerak yang akan dipakai pada torpedo. Uji hidrodinamika terhadap model fisik torpedo dilakukan dengan terlebih dahulu membuat gambar kerja dalam skala model terhadap data ukuran torpedo sebenarnya (full scale). Gambar kerja digunakan dalam pembuatan model fisik. Selanjutnya dengan model uji dilakukan uji tarik (towing test) untuk mengukur besar tahanan torpedo di dalam air. Pelaksanaan uji model fisik dilakukan di Laboratorium Hidrodinamika, UPT BPPH, BPPT, Surabaya, yaitu di tangki tarik (Towing Tank).

III.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Secara umum kegiatan yang telah dilaksanakan adalah sebagai berikut: 1. Telah dilakukan studi literatur dan pengolahan data serta koordinasi dengan instansi terkait dalam rangka mengumpulkan data pendukung, teori pendukung seperti perhitungan tahanan torpedo. 2. Tahap pembuatan konsep dan desain awal telah dilaksanakan, dan dipilih ukuran utama torpedo, sebagai berikut : 1. Pembuatan desain dan gambar rencana garis (lines plan) lambung torpedo sudah selesai dan dihasilkan gambar lines plan lambung torpedo dalam format 2D maupun 3D. 1. Untuk dapat melakukan perhitungan dinamika aliran (CFD) pada lambung torpedo, digunakan bentuk lambung 3D dengan profil fin dan rudder menggunakan tipe NACA 10.0, gambar dibuat menggunakan software gambar solid 3D dan dikonversi ke dalam format IGS. Perhitungan fluida dinamik (CFD) sudah dilaksanakan. 2. Pembuatan desain propeller penggerak torpedo telah dilaksana-kan dengan menggunakan software desain propeller, hasilnya seperti pada G AM BAR 8 . Prosiding InSINas 2012

1029: T.S. Setiahardja

HK-77

G AMBAR 9: Propeller depan & belakang, 3D

(6∼12 knot). Data tahanan hasil pengujian tercantum pada TABEL 2. Dan diplot sebagai grafik seperti pada G AMBAR 10. G AMBAR 6: Desain torpedo

G AMBAR 7: Gambar torpedo 3D

G AMBAR 10: Grafik tahanan model torpedo

Seluruh aktivitas selama pengujian tahanan direkam dan dibuat foto dokumentasi (G AMBAR 11).

G AMBAR 8: Gambar desain propeller

1. Perhitungan numerik tahanan dan power penggerak torpedo di permukaan air telah selesai dilaksanakan. 2. Pengujian tahanan model torpedo telah dilaksanakan di kolam uji tarik (Towing Tank) pada dua kondisi sarat air dan variasi kecepatan tertentu

G AMBAR 11: Foto Pengujian model torpedo

Prosiding InSINas 2012

1029: T.S. Setiahardja

HK-78 TABEL 2: Nilai tahanan hasil pengujian model pada draft berbeda

1. Analisa terhadap hasil desain torpedo didasarkan pada studi numerik dan uji fisik model torpedo telah dilakukan.

IV.

KESIMPULAN

Dari kegiatan yang sudah dilaksana-kan sampai dengan bulan Nopember 2012 dapat dibuat kesimpulan, sebagai berikut: 1. Simulasi bentuk lambung torpedo melalui perhitungan dinamika fluida (CFD) memberikan keyakinan bentuk lambung yang dipilih sudah tepat, sehingga gambar desain dapat digunakan untuk membuat atau membangun model maupun prototipe lambung torpedo. 2. Hasil pengujian tahanan terhadap model torpedo menunjukkan bahwa nilai tahanan yang diperoleh tidak jauh berbeda dari perkiraan yang dihitung secara numerik mengguna-kan software. Ini berarti berdasarkan nilai tahanan model torpedo yang diuji pada permukaan air adalah tahanan terbesar, sehingga dapat digunakan sebagai acuan untuk menghitung tenaga penggerak untuk sistem propulsi yang digunakan.

3. Secara umum target atau sasaran dari kegiatan riset insentif ini terpenuhi walau tidak tertutup masih adanya sedikit kekurangan disana-sini, dan diharapkan kekurangan ini dapat dipenuhi pada kegiatan riset insentif lanjutan di tahun kedua (tahun 2013). Untuk mengatasi kendala-kendala yang biasa terjadi pada kegiatan penelitian, maka saran-saran berikut dapat dilakukan : 1. Dukungan administrasi dan pencairan dana pada akhir-akhir kegiatan diharapkan segera dipercepat agar tidak ada kendala masalah dana di akhir-akhir penyelesaian kegiatan. 2. Dibutuhkan konsentrasi penuh dalam melaksanakan kegiatan serta ditumbuhkan motivasi dengan adanya batasan waktu penyerahan laporan hasil kegiatan. 3. Penelitian lanjutan perlu dilakukan untuk mendapatkan hasil rancang bangun ke dalam bentuk prototipe dengan melibatkan beberapa bidang ilmu lainnya seperti material, elektronika, instrumentasi, selain bidang perkapalan. Prosiding InSINas 2012

1029: T.S. Setiahardja

HK-79

DAFTAR PUSTAKA [1] Edward V. Lewis, editor, Principles of Naval Architecture, Second Revision, Society of Naval Architects and Marine Engineers, third edition, 1989. [2] Arnold M. Kuethe, Chuen-Yen Chow, Foundation of Aero-dynamics, Bases of Aerodynamic Design, Fourth Edition, John Wiley & Sons, 1986. [3] E.W. Jolie, A Brief History of U.S. Navy Torpedo Development, OP 353W (TD 5436), NUSC Technical Document 5436, Weapons Systems Department, Naval Underwater Systems Center, Newport Laboratory, 1978. [4] D.A. Jones, D.B. Clarke, I.B. Brayshaw, JL. Barillon, and B. Anderson, The Calculation of Hydrodynamic Coefficients for Underwater Vehicles, DSTO Platform Sciences Laboratory, 2007. [5] Kam W. Ng, Undersea Weapon Design and Optimization, Paper presented at the RTO AVT Symposium on “Reduction of Military Vehicle Acquisition Time and Cost through Advanced Modelling and Virtual Simulation”, held in Paris, France, 22-25 April 2002, and published in RTO-MP-089.

Prosiding InSINas 2012