Jabarkan Drag dari Pesawat terbang

Drag atau hambatan dalam penerbangan terdiri dari dua jenis: parasite drag dan induced drag. Yang pertama disebut parasite drag karena tidak ada fungsinya sama sekali untuk membantu pesawat untuk dapat terbang, sedangkan yang kedua disebut induced karena dihasilkan atau terbuat dari hasil kerja sayap yang membuat gaya angkat (lift).

Parasite drag sendiri terdiri dari dua komponen

form drag, yang terjadi karena gangguan pada aliran udara melalui badan pesawat, dan

skin friction, hambatan dari gesekan dengan kulit pesawat.

Dari kedua jenis parasite drag, form drag adalah yang paling mudah untuk dikurangi pada waktu merancang sebuah pesawat. Secara umum, makin streamline bentuk pesawat maka akan menghasilkan bentuk yang mengurangi parasite drag.

Skin friction adalah jenis parasite drag yang paling sullit untuk dikurangi. Tidak ada permukaan yang halus secara sempurna. Bahkan permukaan yang dibuat dengan mesin pada waktu diperiksa menggunakan alat/kaca pembesar, mempunyai permukaan kasar yang tidak rata. Permukaan yang kasar ini akan membelokkan aliran streamline udara pada permukaan, menghasilkan hamatan pada aliran yang lancar. Skin friction ini bisa dikurangi dengan memakai cat/finish glossy yang rata dan mengurangi kepala rivet yang menyembul keluar, permukaan yang kasar dan tidak rata.

Ada satu lagi elemen yang harus ditambahkan pada waktu membahas tentang parasite drag waktu merancang pesawat. Parasite drag menggabungkan efek dari form drag dan skin friction. Gabungan ini disebut interference drag. Jika dua benda diletakkan bersebelahan, maka turbulensi yang terjadi bisa mencapai 50-200 persen lebih besar dibandingkan jika kedua benda tersebut ditest secara terpisah.

Tiga elemen ini, form drag, skin friction dan interference drag semua dihitung untuk menentukan parasite drag pada sebuah pesawat.

Bentuk sebuah objek adalah faktor yang penting dalam parasite drag. Juga, Indicated Airspeed (kecepatan yang ditunjukkan oleh indikator) adalah sama pentingnya ketika kita berbicara tentang parasite drag.

Drag pada sebuah objek yang berdiri pada posisi yang tetap, relatif terhadap aliran udara yang diberikan, akan bertambah secara kuadrat dari kecepatan udaranya. Menambah kecepatan dua kali akan menambah drag empat kali, menambah kecepatan tiga kali akan menambah drag sembilan kali. Hubungan ini hanya berlaku pada kecepatan subsonik, di bawah kecepatan suara. Pada kecepatan yang sangat tinggi, rasio profil drag yang biasanya bertambah sejalan dengan pertambahan kecepatan, ternyata akan bertambah dengan lebih cepat lagi.

Jenis dasar kedua dari drag adalah induced drag. Seperti kita ketahui dalam fisika bahwa tidak ada sistem mekanik yang bisa 100 persen efisien. Maksudnya, apapun bentuknya dari sebuah sistem, maka sebuah usaha akan memerlukan usaha tambahan yang akan diserap atau hilang dalam sistem tersebut. Makin efisien sebuah sistem, makin sedikit kehilangan usaha ini.

Sifat aerodinamik sayap dalam penerbangan yang datar menghasilkan gaya angkat yang dibutuhkan, tetapi ini hanya bisa didapat dengan beberapa penalti yang harus dibayar, yaitu induced drag. Induced drag pasti ada ketika sayap menghasilkan gaya angkat dan faktanya jenis drag ini tidak bisa dipisahkan dari produksi gaya angkat. Konsekwensinya, drag ini selalu muncul pada saat gaya angkat dihasilkan. Sayap pesawat menghasilkan gaya angkat dengan menggunakan energi dari aliran udara bebas. Ketika menghasilkan gaya angkat, tekanan di permukaan bawah sayap lebih besar dari di permukaan atas. Hasilnya udara akan cenderung untuk mengalir dari daerah tekanan tinggi dari ujung sayap (wingtip) ke tengah kepada daerah tekanan rendah di atas sayap. Di sekitar ujung sayap ada kecenderungan tekanan-tekanan ini untuk menjadi seimbang, sama kuat, menghasilkan aliran lateral keluar dari bagian bawah ke bagian atas sayap. Aliran lateral ini membuat kecepatan yang berputar ke udara di ujung sayap dan mengalir ke belakang sayap. Maka aliran di sekitar ujung sayap akan berbentuk dua vortex yang mengalir (trailing) di belakang pada waktu sayap bergerak maju.

Ketika pesawat dilihat dari ekornya, votex-vortex ini akan bersirkulasi kebalikan arah jarum jam di sekitar ujung sayap kanan dan searah jarum jam di ujung sayap kiri.

Harus diingat arah dari putaran vortex-vortex ini yang bisa dilihat bahwa mereka menghasilkan aliran udara ke atas setelah melewati ujung sayap, dan aliran udara ke bawah di belakang trailing edge dari sayap. Aliran udara ke bawah ini sama sekali tidak dibutuhkan untuk menghasilkan gaya angkat. Inilah sumber induced drag. Makin besar ukuran dan kekuatan vortex-vortex ini dan pada gilirannya komponen aliran udara ke bawah dari aliran udara yang melewati sayap, makin besar efek dari induced drag. Aliran udara ke bawah di atas ujung sayap ini mempunyai efek yang sama dengan membelokkan vektor gaya angkat ke belakang; karena itu gaya angkat akan agak berbelok ke belakang sejajar dengan arah udara (relatif wind) dan menghasilkan komponen lift yang arahnya ke belakang. Inilah induced drag.

Juga harus diingat untuk membuat tekanan negatif yang lebih besar di atas sayap, ujung depan sayap dapat diangkat untuk mendapatkan angle of attack yang lebih besar. Juga jika sebuah sayap yang asimetri mempunyai angle of attack nol, maka tidak akan ada perbedaan tekanan dan tidak ada aliran udara ke bawah, maka tidak ada induced drag. Pada kasus apapun, jika angle of attack bertambah maka induced drag akan bertambah secara proporsional.

Vortex di ujung sayap (wingtip vortex)

Cara lain untuk menyatakan hal ini, makin kecil kecepatan pesawat makin besar angle of attack yang dibutuhkan untuk menghasilkan gaya angkat yang sama dengan berat pesawat dan konsekwensinya makin besar induced drag ini. Besarnya induced drag ini bervariasi berbanding terbalik dengan kuadrat kecepatan pesawat.

Dari diskusi ini, dapat diketahui parasite drag bertambah sebanding dengan kecepatan kuadrat, dan induced drag bervariasi berbanding terbalik dengan kuadrat kecepatan pesawat. Dapat dilihat pula bahwa jika kecepatan berkurang mendekati kecepatan stall, total drag akan menjadi besar sekali karena induced drag naik secara tajam. Sama juga bila pesawat mendekati kecepatan maksimumnya, total drag akan menjadi besar karena parasite drag naik secara tajam. Seperti pada gambar berikut, pada beberapa kecepatan total drag menjadi maksimum. Hal ini sangat penting untuk mendapatkan maksimum ketahanan dan jarak tempuh pesawat udara. Pada saat drag pada besaran minimumnya, tenaga yang dibutuhkan untuk melawan drag juga minimum.

Untuk mengerti efek dari lift dan drag di sebuah pesawat udara pada sebuah penerbangan keduanya harus digabungkan dan rasio lift/drag harus diperhatikan.

Dengan data-data lift dan drag yang tersedia pada bermacam-macam kecepatan pada saat pesawat terbang datar dan tidak berakselerasi, proporsi CL (Coefficient of Lift) dan CD (Coefficient of Drag) dapat dihitung pada setiap angle of attack tertentu. Hasil plotting untuk rasio lift/drag (L/D) pada angle of attack tertentu menunjukkan bahwa L/D bertambah ke maksimum kemudian berkurang pada koefisien lift dan angle of attack yang lebih besar seperti terlihat pada gambar. Perhatikan bahwa maksimum rasio lift/drag (L/D max) terjadi pada angle of attack dan koefisien yang tertentu. Jika pesawat beroperasi pada penerbangan yang stabil pada L/D max, maka total drag adalah minimum. Angle of attack apapun yang lebih kecil atau lebih besar dari yang ada di L/D max akan mengurangi rasio lift/drag dan konsekwensinya menambah total drag dari gaya angkat yang diberikan pada pesawat.

Lokasi dari center of gravity (CG) ditentukan oleh rancangan umum pada masing-masing jenis pesawat. Perancang pesawat menentukan sejauh apa center of pressure (CP) akan bergerak. Kemudian mereka akan menentukan center of gravity di depan center of pressure (CP) untuk kecepatan penerbangan yang terkait untuk membuat momen yang cukup untuk mempertahankan equilibrium penerbangan. Konfigurasi dari pesawat juga mempunyai efek yang besar pada rasio lift/drag.

Sebuah pesawat layang dengan kinerja yang tinggi mungkin mempunyai rasio lift/drag yang sangat besar. Pesawat tempur supersonik mungkin punya lift/drag yang kecil pada penerbangan subsonik tetapi yang menyebabkan hal ini adalah konfigurasi pesawat yang dibutuhkan pada saat terbang supersonik (dan L/D yang besar pada saat terbang dengan Mach number yang tinggi).