Abstrak—HYDROCONTEST  merupakan  perlombaan  kapal cepat dan efisien antar mahasiswa di tingkat internasional dalam format  race  menggunakan  kapal  yang  didesain,  diteliti,  dan diproduksi  sendiri  oleh  para  mahasiswa.  Perlombaan  ini mendorong  para  peserta  untuk  berinovasi  dalam  menghasilkan kapal  dengan  performa  keseluruhan  yang  baik  dari  segi hambatan,  propulsi,  maneuvering,  dan  efisinesi  sistem  elektrik. Melihat  iklim  riset  dalam  perlombaan  dan  berdasarkan pengalaman/keikutsertaan tim HYDRONE ITS dalam HYDROCONTEST  2017,  dilakukan  proses  desain  kapal  yang akan  digunakan  tim HYDRONE ITS dalam HYDROCONTEST 2018 dimana dalam proses desain ini juga dilakukan analisa CFD pada 3 variasi bentuk haluan kapal dan optimisasi sistem propulsi (pitch  propeller  dan  RPM)  agar  kapal  memiliki  kecepatan  dan endurance  yang  optimal.  Dari  proses  penelitian  ini,  diperoleh desain  kapal  monohull  dengan  haluan  berupa  axe  bow  dengan estimasi kecepatan maksimal 5.25 m/s dan jumlah jarak tempuh maksimum 24 lap lintasan tanpa mengisi ulang baterai.
Kata Kunci—Kapal Cepat, Hambatan, CFD, Propulsi, Optimisasi.

## I. PENDAHULUAN
YDROCONTEST  merupakan  perlombaan  kapal  cepat dan efisien antar mahasiswa di tingkat internasional yang diadakan  sejak  tahun  2014  dan  diikuti  oleh  puluhan  tim mahasiswa  dari  belasan  negara.  Adapun  tujuan  utama  dari perlombaan  ini  adalah  untuk  mengajak  para  pelajar  turut berpartisipasi  dalam  mengembangkan  inovasi  yang  dapat diterapkan  pada  dunia  perkapalan.  Format  perlombaan  yang diadakan  oleh  HYDROS  Foundation  ini  berupa race menggunakan  kapal  yang  didesain,  diteliti,  dan  diproduksi sendiri  oleh  para  mahasiswa.  Konsep  dan  desain  kapal  yang digunakan oleh setiap peserta adalah sebebas-bebasnya selama tidak  melebihi  batasan  ukuran  maksimal  serta  menggunakan baterai  dan  motor  penggerak  yang  disediakan  penyelenggara perlombaan.
Perlombaan ini pertama kali diikuti oleh tim HYDRONE ITS pada  tahun  2017  dengan  menggunakan  kapal  berupa displacement catamaran untuk mengikuti kategori perlombaan Lightweight Race dan Long-Distance Race serta kapal trimaran untuk  mengikuti  kategori  perlombaan Heavyweight  Race . Peringkat  yang  diperoleh  pada  saat  itu  (dari  23  tim)  adalah peringkat  10  untuk  kategori Lightweight  Race ,  peringkat  14 untuk  kategori Heavyweight  Race ,  dan  peringkat  15  untuk kategori Long-Distance  Race. Kegagalan  sistem  elektrik  dan kebocoran kapal dilaporkan sebagai kendala utama tim selama perlombaan berlangsung [1].
Gambar  1.  Kapal displacement  catamaran tim  HYDRONE  ITS  pada HYDROCONTEST 2017.
Berdasarkan  pengalaman  pada  keikutsertaan  tersebut, terdapat banyak evaluasi dan rencana pengembangan agar tim dapat  bersaing  dengan  performa  yang  lebih  baik  di keikutsertaan berikutnya. Evaluasi dan rencana pengembangan ini  meliputi  pengembangan  desain  lambung  kapal  yang  lebih efisien, peningkatan efisiensi sistem propulsi, perbaikan sistem steering gear agar kapal memiliki maneuvering yang lebih baik, peningkatan  kualitas  produksi  kapal,  serta  perbaikan  sistem elektrik.  Melihat  banyaknya  aspek  yang  harus  dikembangkan oleh  tim  serta  manfaat  dari  perlombaan  HYDROCONTEST sendiri,  penulis  merasa  bahwa event ini  dapat menjadi  sarana untuk mengembangkan  desain  kapal  yang  efisien, melakukan penelitian,  serta  turut  berkontribusi  dalam  pengembangan  tim HYDRONE ITS (penulis masih merupakan bagian dari tim saat Jurnal ini dibuat).
Dalam jurnal ini, akan didesain kapal yang akan digunakan untuk  kategori  perlombaan Lightweight  Race dan Long- Distance Race (satu kapal untuk dua kategori perlombaan) yang akan digunakan tim HYDRONE ITS pada HYDROCONTEST 2018. Dalam pengerjaan jurnal ini, terus dilakukan komunikasi antara  penulis  dan  tim  HYDRONE  ITS  untuk  menghasilkan desain  kapal  dengan  performa  yang  optimal  dan  memastikan adanya  sinergi  antara  proses  desain  dan  proses  produksi mengingat keduanya dilakukan secara beriringan.

## II. TINJAUAN PUSTAKA

## A. Peraturan Perlombaan
Perlombaan dibagi menjadi tiga kategori perlombaan yaitu Lightweight Race, Heavyweight Race, dan Long-Distance Race . Setiap tim diperbolehkan membuat maksimal 2 kapal untuk mengikuti ketiga kategori tersebut. Dalam jurnal ini, kapal yang didesain akan digunakan untuk kategori Lightweight

## Desain Fast Displacement Ship untuk Lomba Kapal Cepat pada HYDROCONTEST
Pieter Mario Fernandez , Wasis Dwi Aryawan, dan Gita Marina Ahadyanti Departemen Teknik Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
e-mail : wasis@na.its.ac.id
H
Race dan Long-Distance Race . Kedua kategori ini dibedakan pada objektif perlombaan dan panjang lintasannya seperti yang dapat dilihat pada Tabel 1. Tidak ada batasan terkait desain kapal selain ukuran maksimal  kapal.  Dalam  perlombaan  ini,  setiap  tim  akan menggunakan motor (1400 Watt) dan baterai yang sama yang telah disediakan panitia.

## B. Data Hasil Perlombaan Pada HYDROCONTEST 2017
Berdasarkan data yang dikumpulkan tim HYDRONE ITS pada HYDROCONTEST 2017, kapal tercepat dalam kategori Lightweight-Race memiliki waktu tercepat sekitar 45 detik untuk menyelesaikan lintasan sepanjang 600 meter (kecepatan rata-rata sekitar 4.5 m/s) sementara jumlah lap terbanyak yang ditempuh adalah 22 lap untuk panjang lintasan 400 meter. Tipe kapal yang berada di peringkat 4 besar kedua kategori ini terdiri dari kapal hydrofoil , displacement monohull , dan displacement catamaran seperti yang dapat dilihat pada Tabel 2 dan Tabel 3.
Tabel 1. Perbandingan Kategori Perlombaan Aspek Kategori Perlombaan Lightweight Race Long-Distance Race Objektif Kapal menyelesaikan lintasan dengan waktu tercepat. Kapal menempuh lintasan dalam waktu 60 menit dengan jumlah lap terbanyak tanpa
mengisi ulang baterai
Muatan Dua buah balok beban (masing-masing 10 kg). Setiap balok beban berukuran 50 cm x 12 cm x 10 cm. Panjang Lintasan 600 m 400 m Tabel 2. Tipe kapal pada peringkat 4 besar kategori Lightweight Race. Peringkat Nama Tim Negara Tipe Kapal 1 HEIA-FR Swiss Hydrofoiled Trimaran 2 Belgrade Serbia Displacement Monohull 3 HEIG-VD Swiss Hydrofoiled Monohull 4 Athens Yunani Displacement Monohull Tabel 3.
Tipe kapal pada peringkat 4 besar kategori Long-distance Race. Peringkat Nama Tim Negara Tipe Kapal 1 Hydrometra Kolombia Displacement Catamaran 2 Southampton UK Displacement Monohull 3 HEIA-FR Swiss Displacement Monohull 4 Belgrade Serbia Displacement Monohull
C. Evaluasi Kapal Pada HYDROCONTEST 2017
1) Berat Kapal
Kapal memiliki lambung yang terlalu berat sehingga LWT kapal  mencapai  28  kg,  padahal  berat  kapal  akan berpengaruh  pada length-displacement  ratio yang  akan berpengaruh pada hambatan kapal [2].
2) Bentuk Haluan dan Buritan Bentuk haluan hanya mengikuti bentuk haluan konvensional dan tidak didesain khusus untuk mengurangi hambatan.  Kapal  juga  memiliki  sarat  yang  terlalu  tinggi pada bagian transom sehingga terjadi turbulensi di belakang transom [3].
3) Trim
Akibat posisi thrust line propeller cukup jauh di bawah titik berat  kapal,  kapal  mengalami trim saat propeller menghasilkan thrust . Trim berpengaruh  pada  hambatan kapal [4] dan efisiensi sistem propulsi [5].

## 4) Sistem Propulsi
Tidak dilakukan optimisasi sistem propulsi sehingga kapal cukup cepat kehabisan daya.

## 5) Navigasi
Kapal  tidak  dilengkapi  dengan  sistem FPV ( First  Person View )  sehingga driver kesulitan  menavigasi  kapal  saat posisi kapal jauh dari driver .

## III. METODOLOGI
Metodologi  desain  kapal  dapat  dilihat  pada  diagram  alir (Gambar 2).
Gambar 2. Diagram alir proses desain kapal.

## IV. ANALISA TEKNIS

## A. Menentukan Konsep Kapal
Penentuan konsep kapal dilakukan dengan melihat tipe kapal pada hasil perlombaan di tahun sebelumnya. Dikarenakan kapal akan digunakan pada dua kategori sekaligus, maka konsep kapal yang digunakan adalah displacement monohull melihat tipe kapal tersebut cukup mendominasi baik pada peringkat teratas kategori Lightweight Race dan Long-Distance Race ( Tabel 2 dan
Tabel 3).

## B. Desain dan Variasi Bentuk Lambung Kapal
Model awal kapal mereferensi pada seri MARIN Fast Displacement Hull Form [6] dimana kapal merupakan slender monohull dengan round bilge dan transom stern . Kapal didesain memiliki sarat yang kecil pada bagian transom agar tidak terjadi turbulensi pada aliran air di belakang kapal. Kapal tidak memiliki parallel middle body untuk memaksimalkan length of enterance dan length of run sehingga dapat mereduksi wave making resistance [7]. Bentuk sisi lambung kapal di atas permukaan air dibuat lurus atau tidak melengkung pada arah transversal untuk memudahkan proses produksi. Dalam jurnal ini
dibuat tiga variasi model dengan bentuk haluan yang berbeda-beda, yaitu conventional bow , vertical bow , dan axe bow . Perbandingan ukuran utama pada ketiga variasi model dapat dilihat pada
Tabel 4.
Gambar 3. Variasi model lambung kapaL dengan conventional bow (kiri atas), vertical bow (kanan atas), dan axe bow (bawah).
Gambar 4. Visualisasi gelombang yang dihasilkan kapal pada model conventional bow (kiri atas), vertical bow (kanan atas), dan axe bow (bawah).
Tabel 4. Ukuran utama variasi model.
Conventional Bow Vertical Bow Axe Bow LOA 2.20 m 2.20 m 2.20 m LWL 2.07 m 2.20 m 2.20 m B 0.4 m 0.4 m 0.4 m T 0.105 cm 0.1 cm 0.135 cm H 0.3 m 0.3 m 0.335 m Cb 0.418 0.419 0.316 Disp. 36 kg 36 kg 36 kg

## C. Analisa CFD
Untuk  memilih  desain  lambung  yang  akan  digunakan  dari ketiga variasi model yang telah dibuat, dilakukan analisa CFD untuk  membandingkan  besar  hambatan  lambung  kapal. Perbandingan hambatan tidak menggunakan rumus pendekatan dikarenakan ketiga model memiliki ukuran utama dan koefisien yang  hampir  serupa.  Selain  untuk  membandingkan  hambatan kapal,  lewat  analisa CFD juga  dapat  dilakukan  visualisasi gelombang  dan  aliran  fluida  di  sekitar  lambung  kapal  yang dapat berguna untuk pengambilan keputusan desain selanjutnya seperti modifikasi  bentuk lambung  dan  pemosisian propeller . Dari  analisa  ini,  didapati  bahwa  model axe  bow memiliki hambatan  terkecil  dibanding  dua  variasi  model  lainnya. Beberapa  penelitian  terdahulu  juga  menyebutkan  modifikasi haluan  dari  bentuk  konvensional  menjadi axe  bow
mengakibatkan pengurangan hambatan kapal dan peningkatan seakeeping [8][9].
Tabel 5. Perbandingan hambatan variasi model. Speed (m/s) Fn Conventional Bow Resistance (N) Vertical Bow Resistance (N) Axe Bow Resistance (N) 0 0.00 0 0 0 2.5 0.54 37.31 37.20 32.29 5 1.08 72.33 65.10 64.81 7.5 1.61 124.36 118.84 110.55

## D. Pemilihan Panjang Kapal yang Optimal
Setelah  mendapatkan  bentuk  lambung  yang  memiliki hambatan terkecil dari hasil analisa CFD, dibuat variasi panjang kapal  untuk  dianalisa  hambatannya  dengan  hipotesa  bahwa kapal yang lebih panjang dengan DWT yang sama cenderung memiliki hambatan  yang  lebih  kecil  [10].  Model  divariasikan menjadi 3 varian dengan panjang 1.9 meter (-30 cm dari desain awal), 2.2 meter (+0 cm dari desain awal), dan 2.5 meter (+30 cm  dari  desain  awal).  Sarat  dari  tiap  model  mengikuti displacement masing-masing yang sedikit berbeda dari desain awal karena perubahan luas surface lambung yang berdampak pada perubahan berat lambung.
Hasil  analisa  hambatan  menunjukkan  bahwa  model  kapal yang  lebih  panjang  memiliki  hambatan  yang  lebih  kecil. Meskipun  demikian,  penambahan  panjang  dari  ukuran  awal (2.2  meter  menjadi  2.5  meter)  hanya  berdampak  pada pengurangan  hambatan  yang  tidak  begitu  signifikan  sehingga panjang  yang  digunakan  tetap  2.2  meter  agar  kapal  memiliki dimensi  yang  minimal  dan  memudahkan  proses  pengiriman kapal ke lokasi perlombaan.
Gambar  5.  Perbandingan  hambatan  model  dengan  variasi  panjang.
Gambar 6. Lines plan kapal.

## E. Desain Sistem Propulsi
Sistem  propulsi  yang  digunakan  pada  desain  kapal  ini merupakan podded  azimuth  propulsion dimana pod dapat berotasi pada sumbu vertikal untuk mengubah arah thrust dan membelokkan  kapal  tanpa  menggunakan  kemudi.  Meskipun demikian,  penyangga pod yang  berbentuk foil juga  dapat berfungsi  sebagai  kemudi  saat  kapal  meluncur  tanpa
menghasilkan thrust . Kapal dengan sistem azimuth propulsion memiliki kemampuan maneuvering yang lebih baik dibanding sistem fixed propulsion dan kemudi [11].
Kecepatan  aliran  air  di  sekitar  lambung  kapal  pada  arah memanjang dapat divisualisasikan dengan simulasi CFD agar propeller dapat  diposisikan  dimana  kecepatan  aliran  air maksimum (di luar daerah wake ) sehingga tidak menyebabkan penurunan efisiensi propeller [12]. Aliran air dengan kecepatan sama dengan kecepatan kapal (Vs) diindikasikan dengan warna biru  tua  sementara  warna  lainnya  (di  bawah  permukaan  air) mengindikasikan perlambatan kecepatan fluida akibat interaksi fluida  dengan  lambung  kapal  ( Gambar  7 ). Propeller tidak diposisikan  lebih  jauh  ke  bawah  karena  dapat  menyebabkan kapal mengalami trim saat propeller menghasilkan thrust . Salah satu fitur unggulan dari desain kapal ini adalah sistem pendinginan  komponen  elektrik  tanpa  menggunakan  pompa sehingga  dapat  menghemat  pemakaian  listrik  yang  akan berpengaruh pada endurance kapal dalam Long-Distance Race. Dengan  memanfaatkan  prinsip  Bernoulli,  air  akan  masuk melalui inlet yang terletak di sisi bawah lambung kapal ketika kapal mulai bergerak, mendinginkan sistem, dan keluar melalui outlet di transom kapal.  Tidak  dibutuhkan  kecepatan  yang tinggi agar sistem ini dapat bekerja karena bagian tertinggi dari sistem berdekatan dengan permukaan air (sistem memiliki head yang kecil).

## F. Optimisasi Propulsi
Propulsi  merupakan  salah  satu  faktor  yang  sangat berpengaruh  pada  performa  kapal  dalam  perlombaan. Optimisasi  propulsi  dilakukan  untuk  menentukan pitch propeller dan RPM motor  agar  kapal  memiliki  kecepatan maksimum  pada Lightweight  Race dan  memiliki endurance maksimum pada Long-Distance Race.
Gambar 7. Visualisasi kecepatan aliran air dan pemosisian propeller dari tampak samping.
Gambar 8. Desain sistem propulsi.
Optimisasi  yang  dilakukan  merupakan  Optimisasi  Global dengan  metode Exhaustive  Search pada  3  variasi pitch dan pengujian pada RPM 0 – 3000 menggunakan data open water test  propeller yang  diolah  bersama  data  hambatan  kapal  dari analisa CFD .  Terdapat  sedikit  keterbatasan  dalam  proses optimisasi ini dikarenakan data open water test (grafik KT, KQ, dan  J)  yang  diperoleh  tidak  meliputi  bentuk  grafik  secara menyeluruh atau hanya pada range J tertentu saja.
Berdasarkan  hasil  optimisasi,  dengan pitch dan RPM yang optimum, kapal akan memiliki kecepatan maksimum 5.25 m/s pada Lightweight  Race dan endurance 24 lap pada Long- Distance Race ( Gambar 9 dan Gambar 10 ).

## G. Model 3D
Pembuatan  Model  3D  dilakukan  tidak  hanya  untuk visualisasi kapal melainkan juga untuk menentukan pemosisian komponen kapal dan untuk perhitungan titik berat. Model 3D juga  dapat  diproyeksi  menjadi  gambar  2  dimensi  sehingga mempermudah proses pembuatan general arrangement .
Gambar 9.  Pengaruh RPM propeller terhadap kecepatan kapal  pada 3  variasi pitch propeller .
Gambar 10. Pengaruh RPM propeller terhadap jumlah lap yang dapat ditempuh kapal pada 3 variasi pitch propeller.
Gambar 11. Model 3D.

## H. Stabilitas
Kapal  didesain  memiliki  titik  berat  serendah  mungkin dengan cara memosiskan beban dan komponen elektrik di titik terendah kapal ( Gambar 11 ) dengan harapan kapal akan memiliki stabilitas  yang  baik.  Meskipun  dimensi lambung  kapal  cukup tinggi,  berat  lambung  hanya  sekitar  17%  dari displacement sehingga kapal justru memiliki nilai GZ yang besar pada sudut heel yang  ekstrim.  Kurva  GZ  kapal  ( Gambar  12 )  menunjukkan kapal  memiliki  GZ  maksimum  pada  sudut heel 99  derajat. Pengecekan  pada  lambung  kapal  yang  telah  diproduksi mennjukkan  kapal  kembali  ke  posisi upright dengan  cukup cepat setelah dimiringkan pada berbagai sudut heel ( Gambar 13 ).
Gambar 12. Kurva GZ kapal.
Gambar 13. Pengecekan kebocoran dan pengujian stabilitas kapal.
Gambar 14. Kapal dalam proses produksi.

## I. Produksi Kapal
Kapal  diproduksi  oleh  tim  HYDRONE  ITS  untuk dilombakan  pada  HYDROCONTEST  2018.  Berat  kapal diperkirakan akan sesuai atau lebih ringan dari berat desain (16
kg). Belum sempat dilakukan trial saat jurnal ini dibuat namun belum terdapat kendala dalam proses produksi sehingga kapal sesuai dengan desain.

## V. KESIMPULAN
Berdasarkan proses desain kapal ini, maka kesimpulan yang dapat diambil adalah:
1. Dihasilkan  desain fast  displacement  ship dengan  tipe slender monohull.
2. Berdasarkan  hasil  simulasi CFD ,  varian  lambung  kapal dengan bentuk haluan berupa axe bow memiliki hambatan terkecil dibanding conventional bow dan vertical bow .
3. Tanpa mengubah payload , lebar, dan tinggi kapal, semakin panjang  kapal  maka  kapal  akan  cenderung  memiliki hambatan total yang lebih kecil.
4. Sistem  propulsi  merupakan podded  azimuth  propulsion dengan  strut  penyangga pod yang  juga  dapat  berfungsi sebagai kemudi saat propeller sedang tidak menghasilkan thrust .  Kapal  tidak  menggunakan  pompa  untuk  sistem pendinginan  komponen  elektrik  untuk  menghemat penggunaan listrik saat Long-Distance Race.
5. Berdasarkan  hasil  optimisasi pitch propeller dan RPM motor,  kapal  dapat  mencapai  kecepatan  maksimum  5.25 m/s dalam Lightweight Race dan menempuh 24 lap dalam Long-Distance Race.
6. Kapal  memiliki stabilitas yang  baik  karena  memiliki dimensi lambung yang cukup tinggi namun titik berat yang sangat rendah.
7. Kapal  diproduksi  oleh  tim  HYDRONE  ITS  untuk dilombakan  dalam  HYDROCONTEST  2018.  Belum  ada kendala  mayor  selama  proses  produksi  dan  kapal  sesuai dengan desain yang dibuat.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] HYDRONE  ITS,  “Laporan  Pertanggungjawaban  Batharasurya
Hydrone ITS: HYDROCONTEST 2017,” Surabaya, 2017.
[2] A. Molland, J. Wellicome, and P. Couser, “Resistance Experiments on  A  Systematic  Series  of  High  Speed  Displacement  Catamarans Forms:  Variation  of  Length-Displacement  Ratio  and  Breadth- Draught Ratio,” Southampton, 1994.
[3] M.  Haase,  J.  Binns,  G.  Thomas,  and  N.  Bose,  “Wave-piercing Catamaran Transom Stern Ventilation Process.” 2015.
[4] F.  D.  Luca  and  C.  Pensa,  “The  Naples  Warped  Hard  Chine  Hulls Systematic Series,” Naples, Italy, 2017.
[5] M. Islam, B. Veitch, A. Akinturk, N. Bose, and P. Liu, “Experiments with Podded Propulsors in Static Azimuthing Conditions,” 2007.
[6] MARIN, “The MARIN Systematic Series Fast Displacement Hulls.”
[7]
A.  Papanikolaou, Ship  Design:  Methodologies  of  Preliminary Design . Springer, 2014. [8]
J. Keuning, S. Toxopeus, and J. Pinkster, “The Effect of Bowshape on the Seakeeping Performance of a Fast Monohull,” 1997.
[9] R. Dahna, “Analisis Alternatif Hull Form Self-Propelled Barge Untuk Meningkatkan Performa Hidrodinamika,” Surabaya, 2018.
[10] J.  Keuning  and  J.  Pinkster,  “Optimisation  of  thé  seakeeping behaviour  of  a  fast  monohull,”  in ProceedIngs  of  the  Third International Conference on Fast Sea TransportatIon , 1995.
[11] R. Pakaste, “Experience with Azipod Propulsion Systems on Board Marine Vessels,” ABB Rev. , 1999.
[12] H. Sid’qon, “Kajian Bentuk Stern Hull  Kapal Shallow Draft  Untuk Meningkatkan Performance Kapal,” Surabaya, 2015.
0 5 10 15 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 G Z (c m ) Heel Angle