Prinsip Fisika Dasar pada Pembuatan Pesawat Hipersonik yang Melaju Lebih Cepat dari Kecepatan Suara

Pesawat Hipersonik

Dalam beberapa tahun terakhir para insiyur dan ilmuwan telah membuat pesawat terbang yang kecepatannya melebihi kecepatan suara, atau dalam industri aviasi dikenal dengan Pesawat Supersonik. Pesawat Supersonik adalah sebuah pesawat jet yang memiliki kecepatan melebihi kecepatan suara yaitu sekitar 343 m/s (disebut Mach 1). Tidak hanya sampai pesawat supersonik, lahirlah pesawat jet jenis Hipersonik yang memiliki kecepatan diatas Mach 5 (setara dengan 1.715 m/s atau 6.174 km/jam) di udara. Satu hal yang menjadi pertanyaan sebagian besar kalangan masyarakat, bagaimana bisa terjadi? Berikut penjelasan sederhana yang akan penulis jelaskan, khususnya dari sudut pandang ilmu fisika.

blank
Gambar 1. Pesawat Supersonik Lockheed SR-71 produksi USAF yang memiliki kecepatan Mach 3.3

Bidang keilmuan teknik dan rekayasa (engineering) khususnya teknik dirgantara tidak akan bisa lepas dari prinsip fisika, begitupula ilmu teknik lainnya yang berakar dari prinsip dasar fisika yang diterapkan ke teknologi yang ada sampai sekarang. Sebagai contoh, ketika pesawat mulai terbang di udara, molekul udara yang berada di dekatnya ikut memengaruhi kecepatan pesawat. Karena itu, dalam pembuatan pesawat perlu memerhatikan prinsip aerodinamika agar pesawat dapat melaju maksimal tanpa memengaruhi kecepatannya.

Figure 7-8. Forces acting on a rotating propeller.
Gambar 2. Gaya yang bekerja pada baling-baling dipengaruhi oleh faktor aerodinamika.

Sebuah mesin dirancang dan bekerja menggunakan prinsip fisika, sekalipun ditambah dengan sistem kendali elektronik prinsip fisika listrik juga diterapkan, serta penggunaan bahan bakar pada mesin menerapkan prinsip fisika untuk energi. Sehingga wajar perancangan mesin Pesawat Jet tidak lepas dari prinsip fisika. Selain itu, terdapat fenomena Hukum Newton yang akan sangat mempengaruhi cara melaju pesawat jet tipe Hipersonik ini.

Jenis mesin yang dipakai untuk mesin jet adalah Mesin Scramjet (Supersonic Combustion Ramjet) yang telah dirancang khusus untuk menghasilkan tenaga pendorong yang dapat memungkinkan pesawat meluncur pada kecepatan yang sangat tinggi. Pesawat dengan mesin scramjet ini mempunyai kecepatan antara Mach 5 sampai Mach 12. Seperti yang sudah dijelaskan diatas, Mach adalah satuan yang menyatakan kecepatan suara merambat di udara. Dengan demikian, satuan Mach 10 menandakan sebuah pesawat mempunyai kecepatan mencapai 10 kali lebih cepat dari kecepatan suara.

blank
Gambar 3.  Sebuah mesin jet turbofan untuk pesawat supersonik F-15 Eagle di Pangkalan Udara Robins, Georgia, Amerika Serikat. https://id.wikipedia.org/wiki/Mesin_jet

Apa itu Mesin Scramjet?

Mesin Scramjet merupakan mesin yang memanfaatkan udara sekitar sehingga tidak memerlukan bahan oksidator dalam jumlah besar untuk bahan bakar, seperti pesawat konvensional. Mesin pesawat sebenarnya merupakan mesin yang mengaplikasikan Hukum III Newton tentang Aksi-Reaksi. Menurut Newton, setiap aksi selalu mendapat reaksi yang besarnya sama tetapi pada arah berlawanan. 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 tersebut mengeluarkan aksi, berupa gaya tolak dengan cara menyemprotkan sejumlah massa gas bertekanan tinggi. Secara sederhana, prinsip kerja mesin scramjet terbagi menjadi 4 tahapan, yaitu Suck, Squeeze, Bang dan Blow. Berikut penjelasan ringkas dari keempat tahapan tersebut.

  1. Suck, Proses ketika mesin scramjet menghirup udara dari depan melalui air breathing inlet
  2. Squeeze, proses mengkompresi udara dengan menaikkan tekanan udara yang telah terhirup
  3. Bang, proses pencampuran udara dengan bahan bakar lalu dilakukan proses pembakaran (combusti├│n) menjadi fuel panas
  4. Blow, proses meniup udara yang sudah bersatu keluar untuk menghasilkan gaya dorongan mesin
blank
Gambar 4. Bagian penampang dalam dari Mesin Scramjet

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 daya tarik dari gaya gravitasi) sehingga kecepatan 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.

Keunggulan Pesawat Hipersonik

Keunggulan dari pesawat yang menggunakan mesin scramjet ini terletak pada penggunaan bahan oksidatornya, sehingga pesawat ini tidak memerlukan bahan oksidator (oksigen) seperti pesawat konvensional. Udara sekitar (Air Ambien) adalah bahan oksidator yang melimpah di alam dan gratis dan dimanfaatkan oleh mesin ini. Selama di udara, mesin pesawat akan secara otomatis menghisap oksigen yang terkandung di udara sehingga oksigen itu bisa digunakan untuk membakar bahan bakar yang membuat kecepatan maksimal terjadi. Walaupun secara total kecepatan maksimalnya bisa ditingkatkan, biaya yang harus dikeluarkan sangat besar. Karena itulah pada pesawat hipersonik, mesin yang digunakan adalah jenis air-breathing engine, yang dapat menyerap udara bertekanan tinggi pada lingkungan sekitar tanpa merusak struktur penampang badan pesawat.

Selain desain badan pesawat, mesin scramjet, dan sayap, terdapat hal penting lainnya yang harus diperhatikan supaya pesawat hipersonik ini dapat melaju dengan mulus tanpa gangguan, salah satunya adalah mengatur 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 super tinggi. Semakin tinggi kecepatannya maka membuat gesekan udara bertekanan tinggi lebih sering dengan badan pesawat, sehingga semakin rentan terhadap kemungkinan slip dan hilang kendali.

Baca juga:

Kegunaan Pesawat Hipersonik di ranah industri dan komersial

Pesawat hipersonik yang sudah dibuat rata-rata dipergunakan untuk misi luar angkasa, seperti pesawat buatan NASA (National Aeronautics and Space Administration) yang telah membuat pesawat supersonik pertama bernama X-7 dengan kecepatan maksimum Mach 4,31 pada tahun 1951 hingga pesawat supersonik pengebom nuklir bernama PAK-DA yang dimiliki oleh Rusia. Terbaru pada 2019 NASA bekerjama dengan USAF (United States of Army Force) mengujicobakan pesawat X-59QueSST buatan Lockheed Martin sebgaai manufaktur yang direncanakan akan mengudara pada tahun 2021, seperti yang dilansir stratolaunch.

Namun pesawat hipersonik inipun direncanakan juga akan diproduksi untuk kebutuhan komersial. Dilansasir oleh World Economic Forum dan CNN, sebuah perusahaan startup bernama Hermeus, sedang merencanakan proyek megah bersama Boeing dan Virgin Group membuat pesawat hipersonik yang dirancang memiliki kecepatan lebih dari Mach 3 dalam waktu satu dekade mendatang. Bila hal ini nantinya terwujud, maka penerbangan jarak jauh seperti New York ke London atau Jakarta ke Tokyo bisa ditempuh hanya dengan waktu 90 menit saja!

Boeing says its hypersonic plane could be used for commercial or military purposes.
Gambar 5. Ilustrasi pesawat supersonik yang akan dibuat oleh Boeing bersama Hermeus

Bahkan perusahaan Boom, salah satu industri manufaktur aviasi di Amerika Serikat telah mendapat pendanaan lebih dari US$140 juta untuk mengembangan pesawat mereka, Overture. Pesawat ini akan terbang dengan kecepatan mencapai Mach 2,2, sekitar 10 persen lebih cepat dari pesawat supersonik Concorde yang telah beroperasi. Namun, sedikit lebih lambat dari pesawat yang akan dikembangkan Hermeus yang akan memiliki kecepatan Mach 3.

Meskipun masih dalam tahap perencanaan dan pengembangan, tentu perkembangan teknologi pesawat jet hipersonik adalah salah satu teknologi yang sangat dinantikan kehadirannya di masa yang akan datang. Semoga dalam beberapa tahun mendatang, pesawat-pesawat ini bisa segera diselesaikan dan kita bisa menikmatinya.

REFERENSI

[1] Introduction to Hypersonic aircraft: lifting re-entry and launch. A Theme issue published by the Royal Society

https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.1999.0423

[2] US successfully flies its newest hypersonic missile on B-52 bomber, Lockheed-Martin says

https://www.cnbc.com/2019/06/17/us-air-force-successfully-flies-its-newest-hypersonic-missile-on-its-mighty-b-52-bomber.html

[3] What Flies at Supersonic Speeds?

https://www.nasa.gov/audience/forstudents/5-8/features/nasa-knows/what-is-supersonic-flight-58.html

[4] Stratolaunch reveals updated fleet, including two hypersonic aircraft and a space plane

Stratolaunch reveals updated fleet, including two hypersonic aircraft and a space plane

[5] Pesawat Hipersonik Bisa Tempuh Jakarta-Tokyo dalam 90 Menit

https://www.cnnindonesia.com/teknologi/20190514084951-199-394644/pesawat-hipersonik-bisa-tempuh-jakarta-tokyo-dalam-90-menit

Nafiys Ismail
Artikel Berhubungan:

Sponsor Warstek.com:

4 tanggapan pada “Prinsip Fisika Dasar pada Pembuatan Pesawat Hipersonik yang Melaju Lebih Cepat dari Kecepatan Suara”

  1. mohon ketikan referensi yang jelas mas, soalnya tulisan anda sama dan mungkin anda juga kutip dari sini:

    http://www.ilmuterbang.com/artikel-mainmenu-29/teori-penerbangan-mainmenu-68/385-lebih-cepat-dari-suara
    https://www.anakteknik.co.id/a/DhanRohi/Prinsip-Dasar-Fisika-Dalam-Perancangan-Mesin-Supersonik-yang-Lebih-Cepat-dari-Kecepatan-Suara

    tapi anda tidak masukkan kedua link ini sebagai referensi, padahal di link nomor 2, penulisnya mengutip dari link yang ke-1 karena memang referensi di link nomor 2 berasal dari link no.1, tapi tulisan anda yang mirip dengan dua link diatas tidak anda masukkan kedua link sebagai daftar pustaka atau referensi. Judul tulisan mas juga mirip dengan artikel di link ke-2 dan isinya hampir mirip dngan link no.1 dan no.2

    tulisannya mas bagus sekali, hanya saja mohon lengkapi referensinya, anda kan mahasiswa, harusnya sudah paham soal pengutipan.

    maaf ini sebagai saran. mohon untuk diedit supaya kelihatan lebih ilmiah dalam hal pengutipan. supaya tidak ada salah paham dengan penulis artikel link nomor 1 dan 2.

    1. Halo mas D. Sebelumnya saya ucapkan terima kasih banyak atas remindernya terkait pengutipan ini. Benar bahwa saya sempat membaca website tersebut di web dan akun LINE tapi sudah cukup lama, jadi saya belum cek artikel dari webnya lagi hingga hari ini.

      Setelah saya lihat kembali saya rasa ada sedikit kesalahan dalam referensi tersebut, dan memang betul saya mengubah hampir dari separuh konten isinya dengan referensi baru saya yg disebutkan diatas, tapi tidak apa-apa saya akan masukan karena itu menjadi bagian referensi saya. Saya ucapkan mohon maaf karena kesalahan saya ini, bukan maksud untuk melakukan plagiarisme atau mengindahkan dua website diatas. Sekali lagi saya ucapkan terima kasih Mas D atas feedbacknya. Semoga saya bisa belajar banyak dari tulisan anda dan barangkali bisa berkolaborasi untuk kedepannya.

  2. Baik mas…tidak apa, saya juga kebetulan masih mahasiswa juga jadi pada saat pengerjaan artikeldi link no.2, saya agak kesulitan karena saya dari teknik elektro yang hanya tau fisika dasar. Tapi saya coba banyak baca referensi dan jadikan apa yang saya baca sebagai referensi (sebenarnya banyak, tpi hanya sedikit yang dimasukkan karena, referensi lain hanya sebagai bahan bacaan bukan mengutip).

    Hanya saja referensi dicantumkan, kita mengutip dari orang, dan menghormati penulis link no.1 dan untuk memenuhi kaidah ilmiah saja kan.

    Sebenarnya di tulisan saya link no.2 tulisan saya masih berantakan sekali. Bahkab sekarang masih agak berantakan. Hanya sekarang lagi skripsi jadi ditinggalin dulu menulisnya

    Semangat mas untuk penulisan artikelnya, jangan lelah berkarya memberikan pengetahuan.
    mungkin suatu saat kita bisa kerjasama.

Yuk Ajukan Pertanyaaan atau Komentar