## Kajian Pemodelan Kemudi Kapal Pengawas Tanpa Awak

## Naufal Abdurrahman, Sapto Wiratno Satoto, Hardi Radesha
Program Studi Teknik Mesin Politeknik Negeri Batam Parkway Street, Batam Centre, Batam 29461, Indonesia E-mail: abdurrahman@polibatam.ac.id

## Abstrak
Kapal  pengawas  tanpa  awak  pada  kondisi  operasionalnya  dituntut  untuk  bergerak  cepat  dan mampu bermanuver dengan lihai.  Sistem kemudi adalah salah satu di antara alat mekanis yang dipakai untuk menentukan kemampuan maneuver kapal dan mengarahkan kapal ke lokasi atau tujuan tertentu. Beberapa hal yang mempengaruhi kelincahan maneuver kapal pada permukaan air  adalah  bentuk  lambung  serta  kesesuaian  daun  kemudi  dengan  bentuk  lambungnya.  Daun kemudi yang tidak sesuai untuk ukuran kapal tertentu memberikan pengaruh yang sangat besar terhadap kapal tersebut pada saat berlayar. Penelitian ini bertujuan untuk memodelkan sistem kemudi  yang  optimal  sesuai  dengan  bentuk  lambung  kapal  pengawas  tanpa  awak  sehingga mampu mendukung performa operasi kapal. Pendekatan perancangan model dibagi menajdi tiga tahapan proses, yaitu: concept design, initial design dan detailed design.
Kata kunci : Kapal pengawas, desain kemudi

## Abstract
Unmanned  surveillance  vessels  on  operational  conditions  required  to  move  quickly  and  to maneuver skillfully. The steering system is one of the mechanical devices used to determine and to able the vessel maneuvering and directed to a specific location or destination. Some things that affect agility maneuver the vessel on the water surface is form of the hull and rudder conformity with the shape of hull. Leaves the wheel is not suitable for a particular vessel size provide an enormous influence on the vessel at the time of sailing. This study aims to model the optimal steering  system  according  to  the  shape  of  unmanned  surveillance’s  hull  so  as  to  support  the operation  of  the  vessel's  performance.  An  advanced  approach  to  the  design  of  the  model  is divided three stage process, i.e: concept design, initial design and detailed design.
Keywords: Surveillance vessel, rudder design

## Pendahuluan
Perkembangan  teknologi  pada  zaman sekarang  mengalami  perkembangan  pesat pada  semua  sisi  kehidupan  manusia.  Salah satunya  dibidang  teknologi  kelautan.  Kapal tanpa  awak  menjadi  topik  yang  banyak diperbincangkan  karena  dapat  membantu operasional  kapal  pada  kondisi  yang  kurang ramah  terhadap  manusia  maupun  pada
kondisi  tertentu  misalnya  pengawasan  dan pengamatan  daerah  teritorial  laut  perbatasan maupun  daerah  perairan  di  pedalaman. Negara Indonesia yang terdiri dari kepulauan memerlukan  armada  yang  bisa  mengawasi kawasan dari kemungkinan pencurian sumber daya laut dan intervensi pihak asing lainnya. Kapal  pengawas  tanpa  awak  pada  kondisi operasionalnya dituntut untuk bergerak cepat
Article History Received 14 August 2015 Accepted 15 September 2015
Jurnal Integrasi vol. 7, no. 2, 2015, 136-142 ISSN: 2085-3858 (print version)
dan mampu bermanuver dengan lihai. Sistem kemudi  adalah  salah  satu  di  antara  alat mekanis yang dipakai untuk menentukan dan dan  mempengaruhi  kemampuan  maneuver kapal serta mengarahkan kapal ke lokasi atau tujuan  tertentu.  Kelincahan  pengemudian kapal  (olah  gerak  kapal)  dipengaruhi  oleh bentuk  lambung  (bentuk  buritan),  tenaga baling-baling,  bentuk  dan  ukuran  daun kemudi,  kemiringan  kapal  pada  waktu berbelok  maupun  kondisi  peletakan  muatan kapal. Daun kemudi yang tidak sesuai untuk ukuran  kapal  tertentu  memberikan  pengaruh yang  sangat  besar  terhadap  kapal  tersebut pada  saat  berlayar.  Daun  dan  motor penggerak kemudi lah yang memberikan arah pada  saat  kapal  akan  berbelok  atau maneuvering dan  memberikan balance atau keseimbangan pada saat kapal bergerak lurus [1] .
Kapal  mempunyai  enam  derajat  kebebasan pada 3 sumbu ordinat x,y dan z yaitu surge, sway,  heave,  roll,  pitch  dan  yaw seperti ditunjukkan pada Gambar 1 [2] .
Gambar 1. Derajat kebebasan pada kapal
Secara  prinsip,  motor  penggerak  kemudi kapal  sangat  dipengaruhi  oleh  perancangan badan  kapal,  sistem  propulsi  dan  sistem kemudi.  Sejumlah  elemen  tersebut  secara langsung  memberi  pengaruh  terhadap gaya-gaya  dan  momen  hidrodinamika  yang bekerja pada daun kemudi. Hal lain yang juga bisa berpengaruh adalah akibat kondisi daun kemudi  yang  terlalu  besar,  sehingga  terjadi
ketidaksesuaian  antara  mesin  penggerak kemudi  dengan  kemudi  tersebut  pada  saat kapal dibelokkan.
Perancangan  kemudi  tidak  mempunyai sistematika baku yang menjadi standar acuan perancangan  karena  masih  sedikit  penelitian yang  membahas  tentang  hal  tersebut [3] . Perbedaan  sistem  perancangan  bergantung pada kemampuan dan fasilitas yang ada untuk melakukan proses perancangan.
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mendesain sebuah  sistem  kemudi  yang  optimal  untuk operasional  kapal  pengawas  tanpa  awak. Sehingga  diharapkan  sistem  kemudi  yang akan  dipasang  pada  kapal  sesuai  dengan kaidah  yang  patut  dalam  hal  perancangan kapal. Perancangan badan kapal untuk kapal pengawas  tanpa  awak  yang  dimaksud penelitian ini dilakukan oleh penelitian lain.

## Metodologi Penelitian
Penelitian  dibagi  menjadi  beberapa  sub  fase yang  saling  berkaitan  untuk  memetakan proses  penelitian.  Gambar  2  menampilkan fase- fase penelitian yang dilakukan, meliputi concept  design,  initial  design  dan  detailed design.  Concept  design  membahas  tentang penentuan ukuran utama kapal,  pemeriksaan hullform factor , penghitungan luasan
penampang  kemudi,  penilaian  kesesuaian proses concept design ,  mengasumsikan  nilai tuning index dan following index .
Initial  design  meliputi  proses  menentukan tipe profik kemudi, menentukan ordinary dan performance  rudder,  menetukan  dimensi kemudi, memeriksa rudder design criteria. Detailed  design  merupakan  tahapan  akhir proses perencanaan model kemudi yang berisi penentuan  bentuk  kemudi,  penghitungan besaran gaya pada kemudi, torsi kemudi dan menghitung ketebalan blade kemudi.

## Gambar 2. Metode penelitian

## Hasil dan Pembahasan
Proses pemodelan sistem kemudi pada kapal pengawas  tanpa  awak  yang  menjadi  pokok penelitian  dibagi  menjadi  3  tahap  proses, yaitu concept design, initial design dan detail design  dimana  satu  tahap  dengan  tahap selanjutnya saling berkaitan [3] .
1. Concept Design
Proses  concept  design  kemudi  merupakan tahap  yang  penting  karena  menjadi  acuan untuk langkah berikutnya. Proses ini meliputi beberapa langkah yang dilakukan, yaitu:

## 1.a.  Menentukan ukuran utama kapal
Penentuan ukuran utama kapal merefleksikan keputusan  untuk  mengoptimasi  kebutuhan sistem  kapal  secara  umum.  Kapal  pengawas yang  dirancang  mempunyai  dimensi  utama yang ditampilkan pada Tabel 1. Besaran nilai ukuran  utama  tersebut  dipertimbangkan  dari berbagai  faktor  yang  melatar  belakangi konsep  perancangan  kapal  seperti  tinggi gelombang air serta kedalaman perairan yang menjadi daerah operasional kapal, kebutuhan pengguna kapal atau yang biasa disebut user requirements . Tabel 1. Dimensi Utama Kapal Loa 0,70 m Lwl 0,66 m Breadth 0,24 m Height 0,075 m
T(draft) 0,035 m Vservice 10 kts Capacity 0,0029 t No. of propeller blade 4 Dia. Of propeller (0,7*T) 0.02 m

## 1.b. Memeriksa hullform factor
Hullform  factor  mengindikasikan  rasio perbandingan  antar  faktor  yang  membentuk bodi kapal, seperti waterline, midship section dan  balok  dengan  dimensi  sesuai  dengan ukuran  utama  kapal.  Tabel  2  menunjukkan besaran  faktor  koefisien  balok,  koefisien midship, koefisien waterline dari perhitungan hidrostatik  badan  kapal  pengawas  yang tercelup di dalam air menggunakan perangkat lunak Hullspeed.
Tabel 2. Hullform factor Cb 0,94 Cwl 1,00 Cm 1,00

## 1.c. Menghitung luasan kemudi
Luasan  kemudi  berperan  penting  dalam mempengaruhi  kemampuan  kapal  untuk belok/ maneuver. Salah satu metode yang bisa digunakan untuk menentukan luasan kemudi adalah  metode  DnV [3] yang  persamaannya seperti dibawah ini:
𝐴 𝑅 𝐿.𝑇 = 0.01 + 0.5. ( 𝐶 𝑏 𝐿 𝐵 ⁄ ) 2 (1)
Dimana, A R = luasan area. Dari perhitungan formula (1) didapatkan nilai A R = 0,15 m 2 . 1.d. Menilai  kesesuaian  proses  concept design
Luasan  kemudi  yang  dihasilkan  dari perhitungan  nilainya  dibandingkan  dengan owner  requirements.  Owner  requirement ditentukan dengan mempertimbangkan harga dan  kepatutan  ukuran  kemudi  pada  kapal. Concept design dicek kembali dengan standar dari biro klasifikasi.

## 1.e. Asumsi  nilai  K  (turning  index),  T (following index)
Nilai K dan T diasumsikan untuk mengevaluasi  kemampuan turning kapal sebagai tahapan terakhir pada concept design.
K  menunjukkan  kecenderungan turning velocity ,  T  menunjukkan  kecendurungan turning angle velocity. Ketika kapal melakukan  putaran  pada  sudut  10 o (δ1),  20 o
(δ2), 30 o (δ3) dan kecepatan sudut 0.4 o /detik, 0.6 o /detik  dan  0.8 o /  detik,  Kecepatan  sudut adalah hasil perkalian sudut kemudi. 0.4 o /detik = K 1 δ 1 = K 1 * 10 o , K 1 = 0.04/detik 0.6 o /detik = K 2 δ 2 = K 2 * 10 o , K 2 = 0.03/detik    (2) 0.8 o /detik = K 3 δ 3 = K 3 * 10 o , K 3 = 0.027/detik Persamaan  (2)  menunjukkan  K  ( turning index )  merupakan  kecepatan  sudut  putaran, perkalian dari besaran sudut kemudi. Nilai K divariasikan dengan ukuran sudut kemudi dan beban  tetap  pada  kapal  yang  sama.  K  bisa diasumsikan  dari  ukuran  kapal  dan  sudut kemudi yang digunakan. Semakin besar sudut kemudi  menyebabkan  semakin  besarnya hambatan  ketika  berputar.  Selain  itu,  kapal membutuhkan  waktu  untuk  berputar,  tidak seketika  setelah  berputarnya  kemudi.  Pada permulaan waktu berputarnya kemudi, kecepatan  putar  yang  pelan  menyebabkan kesulitan  untuk  mengetahui  beloknya  kapal. Seiring  berjalannya  waktu,  kecepatan  sudut yang  terakumulasi  menjadi  semakin  besar sehingga memudahkan proses putaran. Waktu yang dibutuhkan disebut T ( following index ). 2. Initial Design Proses  initial  design  merupakan  hasil perwujudan dari concept design. Jadi, proses ini berisi hal yang bisa diuji dan dibandingkan dalam masalah ekonomis maupun bentuk dan dimensi kemudi. Initial design
diklasifikasikan  dengan  menentukan  profil kemudi, model kemudi, dimensi, kriteria dan perkiraan kapasitas steering gear.

## 2.a. Menentukan tipe profil kemudi

## Gambar 31. Klasifikasi profil kemudi
Gambar 3 menunjukkan beberapa klasifikasi profil  kemudi.  Tipe  kemudi  yang  dipilih adalah  tipe  NACA  yang  mana  tidak  terlalu membutuhkan specific  user  requierement maupun  dari  hasil  maneuver  test.  NACA mempunyai  bentuk  penampang  yang  kecil sehingga memperkecil nilai hambatan namun memiliki kekuatan yang menopang strukturnya.  Tipe  kemudi  dibagi  berdasar basis  profil  dan  desain,  disisi  lain  harus sederhana  dan  mempunyai  unjuk  kerja  yang baik.

## Gambar 42. Klasifikasi model kemudi
Terdapat  empat  model  kemudi  menurut Becker rudder standard, yaitu: fullspade, KSR (King  Support  Rudder),  Herus  support  dan semi  spade  sebagaimana  ditunjukkan  pada Gambar  4.  Kemudi  fullspade  terdiri  dari movable part dan tidak  memiliki horn . Pada tipe  ini,  berat  tumpuan  pada  kemudi  sebesar berat  kemudi itu sendiri yang tertumpu pada satu  poros.  Tipe  fullspade  digunakan  pada banyak  kapal  besar  karena  dapat  mencegah gap cavitation.
Tipe  KSR  didukung  oleh  poros  yang  besar karena  hal  tersebut  mengurangi fatigue dan bending moment . Tipe Herus didesain secara umum  pada  kapal  besar  dengan  kecepatan lambat  seperti  bulk  carrier  dan  tanker  yang mana bisa meningkatkan efisiensi
hidrodinamis.  Selanjutnya  tipe  kemudi semi
spade yang  terdiri  dari  rudder horn , pintle , dan semi spade blade .  Tipe  terakhir  ini menjadi  pertimbangan  untuk  dipasang  pada kapal pengawas yang menjadi objek penelitian. 2.b. Menentukan ordinary dan performance rudder
Ordinary  rudder  mempunyai  beberapa  tipe, yaitu  single  plate,  NACA  series,  flat  side, mixed  dan  hollow.  Gambar  5  menunjukkan nilai koefisien Kc untuk ordinary rudder [2].
Gambar 5. Nilai Kc untuk ordinary rudder
Bentuk  penampang  bisa  ditentukan  dari koefisien Kc berdasarkan bentuk penampang. Ordinary  rudder  mempunyai  beberapa  jenis tipe  seperti  single  plate,  NACA  series,  flat side,  mix  dan  hollow.  Kapal  pengawas direncanakan  menggunakan  tipe  NACA dengan nilai ahead 11 dan astern 0,80.

## Gambar 6. Nilai Kc untuk performance rudder
Gambar  6  menunjukkan  nilai  Kc  untuk performance rudder fish tail, flap dan steering nozzle pada kondisi ahead dan astern.

## 2.c. Menentukan dimensi kemudi
Aspek  rasio  dan  balance  rasio  merupakan kunci  untuk  menentukan  dimensi  kemudi, seperti divisualkan pada
Gambar 7. Aspek rasio untuk dimensi kemudi
Aspek rasion daun kemudi ditunjukkan pada Gambar 7 dimana notasi ‘a’ merupakan nilai minimum  tip  clearance.  Aturan  klasifikasi DnV menunjukkan persamaan (3) berikut: Min. tip clearance = a ≥ 0,2 R (m) (3) Dimana a= jarak 0,7 R; R = radius baling- baling
Nilai  R=  0,012  m,  sehingga  a  ≥  0,2  R  = 0,0024.
‘b’ harus didesain tidak boleh melebihi akhir bulk-head. Ketika diperlukan untuk pelepasan baling-baling,  ‘c’  dikandung  maksud  untuk mencegah kerusakan. Ketika kapal melakukan  pengedokan,  jarak  ‘d’  dari  Base line ke kemudi memberikan jarak aman yang memadai.
2.d. Memeriksa rudder design criteria

## Gambar 8.  Desain Criteria Kemudi
Hal  yang perlu diperiksa adalah jarak antara kemudi  dan  propeller,  jarak  antara  hull bottom dan kemudi seperti ditunjukkan pada Gambar  8.  Tetapi  yang  jadi  acuan  pertama
adalah  jarak  antara  kemudi  dan  propeller sebaiknya terletak dibelakang propeller. Pada Gambar 7, interval ‘a’ dan ‘b’ semakin besar, maka  getaran  semakin  kecil  dan  performa propulsi semakin baik.
𝑎 ≥ 0,2𝑅 (4) 𝑏 ≥ (0,7 − 0,04𝑍)𝑅 (5) 𝑐 ≥ (0,48 − 0,02𝑍)𝑅 (6) Dimana,
R  =  diameter  propeller/2;  Z  = jumlah daun kemudi Sehingga,
𝑎 ≥ 0,0024 𝑚 𝑏 ≥ 0,0013 m
𝑐 ≥ 0.0057 𝑚
3. Detail Design
Proses  detail  design  mencakup  penentuan layout struktur kemudi, bentuk dan kepastian dimensi  kemudi  yang  terpasang.  Jika informasi yang didapatkan pada initial design terdapat  kesalahan,  maka  proses  perlu diulang. Proses detail design dapat diringkas pada  proses  mementukan  dimensi,  struktur kemudi,  luasan  kemudi  dan  bentuk  kemudi. Kemudian  bisa  dilanjutkan  pada  proses penanganan  kavitasi,  uji  kecepatan  dan performa maneuver kapal.
3.a. Menentukan dimensi/ bentuk kemudi Profil/ bentuk kemudi telah dipertimbangkan sebelumnya pada tahap initial  design. Tahap selanjutnya,  jarak  antara  COG  (Center  of Gravity)  kemudi  dan  AP  harus  disesuaikan paling kecil. Bentuk kemudi didesain dengan mempertimbangkan  massa  struktur  kemudi tanpa  menimbulkan  tekanan  yang  berlebih sehingga mengakibatkan sebaran beban yang terlalu  banyak  pada  struktur  buritan  kapal. Rules DnV menunjukkan minimum projected area pada persamaan (7)
𝐴 ≥ 𝑑𝐿 100 (1 + 25 ( 𝐵 𝐿 ) 2 ) (7)
Dimana,  A  =  movable  rudder  vertical projected area; L = panjang kapal; B = lebar kapal;  d  =  sarat  kapal.  Dari  persamaan  (7) didapatkan nilai A ≥ 3,5 cm 2 .

## 3.b. Menghitung gaya kemudi
Gaya kemudi dipengaruhi oleh banyak faktor yang  mempengaruhinya,  seperti  ditampilkan pada Gambar 9 [4]

## Gambar 9. Gaya Pada Kemudi
Dimana  C=panjang  chord,  e  =  center  of pressure; F = total gaya; N = gaya normal; T = gaya  tangensial;  D  =  gaya  drag;  α  =  sudut attack;  V  =  kecepatan;  t  =  max.  blade thickness.
Nilai  gaya  kemudi  (F)  ditetapkan  dari persamaan  (8)  yang  dirujuk  dari  aturan klasifikasi (CSS, 2006).
F=132*K 1 *K 2 *K 3 *A*V d 2 [N]  (8) Dimana  F  =  gaya  kemudi;  V d =  kecepatan kapal;
K 1 = koefisien aspect ratio Λ
= Λ+2 3 ; dimana Λ tidak lebih besar dari 2
Λ  = ℎ 𝑚 2 𝐴 𝑡 h m = rata – rata tinggi rudder blade A t = movable rudder  area + area of rudder horn
K 2 = koefisien tipe dan profil kemudi = 1,1  ahead; 0,8  astern untuk tipe NACA K 3 = koefisien lokasi kemudi = 0,8 untuk dibelakang propeller F  = 132*K 1 *K 2 *K 3 *A*V d 2 [N]
= 132*0,6*1,1*0,8*0,00035*10 2 = 2.44 N

## 3.c. Menghitung torsi kemudi
Nilai  torsi  kemudi  ditentukan  dengan menggunakan persamaan (9) [7] T = FR [Nm] (9)
Dimana R  = (e-s) = C(μ − β) C  = A/h m μ  = koefisien kondisi astern dengan (0,66) β  = A r /A  =  0,3  dari  posisi  lebar  kemudi NACA A r =  porsi  luasan  rudder  blade  didepan center line Jadi, R  = 0.035(0,66-0.3) = 0,0126 T  = 2,44 * 0,0126 = 0,03 Nm
3.d. Menghitung ketebalan blade kemudi Struktur  blade  kemudi  harus  mampu  scara efektif  meneruskan  gaya  pada  kemudi. Ketebalan  sisi,  atas  dan  alas  tidak  boleh kurang  dari  nilai  hasil  perhitungan  pada persamaan (10)
𝑡 𝑠 = 5,5ℎ 𝑠 𝜑√𝑑 + 𝐹 𝐴 ∗ 10 −4 + 2,5 [mm]  (10)
Dimana ℎ 𝑠 adalah sisi terpendek web kemudi dan ℎ 𝑙 sisi  terpanjangnya.  Nilai  φ  diambil  1 jika ℎ 𝑠 /ℎ 𝑙 ≥ 2,5
φ = √1,1 − 0,5 ( ℎ 𝑙 ℎ 𝑠 ) 2 = √1,1 − 0,5 ( 0,005 0,005 ) 2 = 0,6 t s = 5,5 ∗ 5 ∗ 10 −2 ∗ 0,6√3,5 ∗ 10 −2 + 2,4 3,5∗10 −4 ∗ 10 −4 + 2,5
= 2,52 mm
Ketebalan  plat  bawah  kemudi  tidak  boleh kurang  dari  2,52  mm.  Untuk  pelat  sisi  tidak boleh lebih dari 0,7*t s = 1,76 mm

## Kesimpulan
Penelitian tentang sistem kemudi untuk kapal pengawas  pada  tahap  awal  yang  sudah dilakukan  dapat  disimpulkan  bahwa  model kemudi  yang  dirancang  dengan  pendekatan
empiris concept  design,  initial  design dan detailed design untuk kapal pengawas dengan mempertimbangkan  aspek  teknis  spesifikasi adalah model NACA yang mana tidak terlalu membutuhkan specific  user  requirement maupun  dari  hasil  maneuver  test.  NACA mempunyai  bentuk  penampang  yang  kecil sehingga memperkecil nilai hambatan namun memiliki kekuatan yang menopang strukturnya  sehingga  bisa  tetap  mendukung kinerja operasional kapal pengawas.
Saran  untuk  penelitian  lanjutan  mengenai sistem  kemudi  untuk  kapal  pengawas  perlu analisa  mengenai  kekuatan  struktur  kemudi dan  analisa  aliran  fluida  yang  mengenai struktrur kemudi untuk mengetahui interaksi antara keduanya.

## Acknowledgement
Tim peneliti menyampaikan terima kasih dan perhargaan  kepada  Pusat  Penelitian  dan Pengabdian  Masyarakat  Politeknik  Negeri Batam  atas  bantuan  hibah  penelitian  untuk menyelesaikan penelitian ini.
Referensi [1] Baharuddin. 2013. “Studi Motor Penggerak Kemudi KMP. Sultan Muhrum Setelah  Mengalami  Perubahan  Dimensi Daun Kemudi. Jurnal Riset dan Teknologi Kelautan (JRTK) Vol. 11, No. 1, Januari – Juni 2013
[2] T. I . Fossen. 1994. Guidance and control of ocean vehicles. John Wiley & Sons Ltd.
[3] Kim, Hyun-Jun, et. al. 2012. “A Proposal on  Standard  Rudder  Device  Design Procedure  by  Investigation  of  Rudder Design  Process  at  Major  Korean Shipyards”. Journal of Marine Science and Technology Vol. 20, No. 4m pp. 450-458
[4] Degu,  Yonas  Mitiku.  2014.  Redesigning the  Rudder  for  Nigat  Boat.  The international  Journal  of  Engineering  and Science Vol. 3, issue 1, pages 1-9