BAB II KONSEP RANCANGAN SISTEM PROPULSI HYBRID

BAB II KONSEP RANCANGAN SISTEM PROPULSI HYBRID

2.1

Perkembangan Sistem Propulsi

Manusia telah memimpikan untuk dapat terbang semenjak pertama kali mereka memandang ke angkasa dan menyaksikan burung terbang. Usaha-usaha awal yang dilakukan untuk menaklukan angkasa itu seringkali menemui kendala dan bahkan hanya menghasilkan kegagalan demi kegagalan. Penyebab utama kegagalan ini bukan hanya dikarenakan oleh rancangan dari airfoil maupun sayap benda yang diujikan, atau dengan kata lain dalam aspek pembangkitan gaya-gaya aerodinamika dari wahana terbang tersebut, tetapi juga karena keterbatasan teknologi yang digunakan untuk menghasilkan sumber dari tenaga yang dibutuhkan untuk mempertahankan kondisi terbang. Pada masa-masa terakhir pada abad ke-19, beberapa penelitian dan pengembangan dilakukan untuk menciptakan suatu sistem yang mampu memenuhi kebutuhan akan daya untuk mengoperasikan komponen-komponen pada mesin kerja. Penemuan sistem pembangkit daya untuk aviasi pada awalnya merupakan hasil dari penjabaran prinsip-prinsip yang digunakan dalam rancangan mesin dengan ruang bakar internal (internal combustion-engine) sebagai sumber suplai daya. Semenjak mesin dengan ruang bakar internal (internal combustionengine) ini beroperasi dengan baik, berbagai tipe mesin ini mulai dikembangkan dan dirancang. Hasilnya, banyak yang dapat digunakan pada pesawat maupun kendaraan bermotor, namun tidak sedikit pula yang mengalami kegagalan. Kegagalan ini seringkali disebabkan oleh rendahnya tingkat efisiensi, kelemahan dependability (kelemahan sifat material yang kurang mampu bertahan dalm kondisi operasional), mahalnya biaya pengoperasian, keterbatasan berat yang mampu dibebankan, dan berbagai defisiensi-defisiensi lainnya. Perkembangan mesin dengan ruang bakar internal (internal combustionengine) maju sangat pesat pada abad ke-19. Pada tahun 1820, Reverend W. Cecil merancang mesin ini untuk pertama kalinya pada suatu seminarnya sebelum adanya Cambridge Philosophical Society di Inggris. Mesin temuannya ini

9


beroperasi dengan menggunakan campuran hidrogen dan udara. Pada tahun 1838 penemu asal Inggris, William Barnett, menciptakan mesin gas dengan silinder tunggal yang memiliki ruang bakar pada bagian atas dan bagian bawah dari piston. Tidak seperti mesin bakar modern seperti sekarang ini yang membakar bahan bakarnya yang berupa cairan, mesin ini membakar bahan bakar yang berupa gas. Untuk aplikasi pada dunia penerbangan mesin yang pertama kali digunakan adalah mesin hasil rancangan Wright bersaudara bersama mekaniknya, Charles Taylor, pada penerbangan pertama pada 17 Desember 1903. Mesin yang digunakan pada penerbangan ini memiliki spesifikasi : Water cooling, empat silinder, 12 horsepower (8,94 kW), berat 180 pounds (82 kg), dan bahan terbuat dari paduan besi tuang dan alumunium alloy, dan dipicu oleh tegangan magnet yang tinggi (ref. [3]). Perkembangan teknologi pada hampir setiap bidang ilmu pengetahuan di dunia merupakan suatu paradigma yang merupakan konsekuensi dari berkembangnya ide dan inovasi dari para ahli dan peneliti ilmu pengetahuan di seluruh pelosok dunia. Tidak semua ide dan inovasi tersebut memiliki potensi untuk dapat diaplikasikan ke dalam suatu bentuk produk, yang sejatinya merupakan hasil nyata dari pemikiran dan penuangan konsep serta sketsa kasar atas teori dasar yang digunakan untuk mengembangkan suatu advance technology yang bermanfaat bagi kemajuan suatu bidang ilmu tertentu dengan berbagai manfaat baru yang ditawarkan dalam teknologi baru yang akan dikembangkan, baik untuk kalangan industri, konsumen , maupun kelestarian alam semesta.

” Scientists discover the world that exists; engineers create the world that never was ”. Theodore von Karman, aerospace engineer. Paradigma diatas adalah salah satu motivator sekaligus alasan utama bagi para peneliti untuk selalu melakukan inovasi teknologi dalam berbagai aspek keilmuan. Untuk melakukan suatu inovasi baru, seorang engineer dituntut untuk tidak hanya memiliki kreativitas dalam berpikir, tetapi juga secara bertahap mampu menuangkan ide-ide dan hasil pemikirannya tersebut ke dalam suatu bentuk yang


lebih nyata dan aplikatif sehingga bermanfaat bagi kemajuan peradaban manusia. Salah satu langkah awal dalam upaya melakukan suatu inovasi adalah dengan melakukan suatu tahap yang dikenal dengan istilah design step atau tahap desain. Komplektisitas dalam tahap desain untuk berbagai inovasi pada bidang-bidang ilmu yang berbeda sangatlah bervariasi. Untuk itu perlu dilakukan suatu proses segmentasi untuk lebih menyederhanakan langkah-langkah desain untuk suatu inovasi yang akan dilakukan. Sebagai seorang calon engineer S-1, pada kesempatan studi Tugas Akhir inilah penulis memiliki kesempatan untuk menggabungkan kemampuan dalam berpikir kreatif dan inovatif dengan mengaplikasikan pengetahuan dan ilmu-ilmu dasar yang selaras yang penulis dapatkan selama menjalani perkuliahan. Pengantar deskripsi dari objek yang akan dijadikan fokus penelitian, akan coba dipaparkan oleh penulis selanjutnya.

2.2

Teori Dasar Sistem Propulsi Hybrid

Sistem propulsi hybrid untuk pesawat ini secara garis besar terdiri dari dua kereta daya penghasil tenaga (powertrain), yaitu piston engine dan electric motor system. Pada sub-bab selanjutnya penulis akan sedikit me-review spesifikasi umum serta teori dasar dari kedua jenis kereta daya penghasil gaya gerak pada sistem propulsi hybrid ini. 2.2.1

Piston Engine

Pada umumnya, tipe mesin piston sebagai kereta penghasil gaya dorong pada wahana terbang berkerja dengan prinsip four-stroke-five-event-cycle yang dikembangkan oleh August Otto di Jerman. Prinsip ini terdiri dari 2 stroke ke arah atas dan 2 stroke ke arah bawah dari piston serta proses pemantikan (ignition event). Komponen dasar penghasil gaya dari mesin gasoline ini antara lain adalah silinder, piston, connecting rod, dan crankshaft. Batas atas dari gerakan yang dilakukan oleh piston dalam silinder disebut top dead center, sedangkan batas bawahnya dikenal dengan nama bottom dead center. Diameter bagian dalam dari silinder disebut bore (ref. [2]).


Mekanisme prinsip four-stroke-five-event-cycle : •

Intake stroke Gerakan piston dari top dead center dengan katup intake dalam keadaan terbuka dan katup exhaust dalam keadaan tertutup. Piston bergerak ke arah bawah dan pada saat yang bersamaan campuran dari udara dan bahan bakar (fuel) dari carburetor masuk ke dalam silinder.

•

Compression stroke Kedua katup intake dan exhaust dalam keadaan tertutup. Piston bergerak dari bottom dead center ke arah atas dan menekan (compressed) campuran udara dan bahan bakar (fuel) di dalam silinder. menuju ke top dead center.

•

Power stroke Gerakan piston ke arah top dead center beberapa derajat sebelum piston mencapai top dead center akibat ignition event (menghasilkan tekanan maksimum pada jarak tersebut) yang menghasilkan gaya thermal (heat) dan tekan (pressure) yang menyebabkan piston tertekan ke arah bawah. Gerakan ini menyebabkan cranckshaft berotasi dan menggerakkan flywheel atau propeller yang dikendalikan oleh mesin.

•

Exhaust stroke Katup exhaust terbuka beberapa saat sebelum piston mencapai bottom dead center, gas buangan hasil pembakaran keluar melalui katup exhaust tersebut. Ketika piston kembali bergerak ke arah atas sesaat sebelum mencapai top dead center, katup intake kembali terbuka (katup exhaust tertutup pada saat piston mencapai top dead center). Power Calculation

•

Piston displacement : hasil kali antara luas dari area cross-section silinder bore dengan total jarak yang ditempuh oleh piston selama satu stroke penuh.

•

Compression ratio : rasio dari volume ruang dalam silinder pada saat piston berada di bagian bawah dari stroke dengan volume ruang dalam silinder pada saat piston berada di bagian atas dari stroke.

•

Brake horsepower (bhp) : besar horsepower aktual yang dihasilkan oleh mesin pada propeller (ref. [2]).


Komponen utama mesin piston •

Silinder : Silinder dari internal combustion engine mengkonversikan energi panas kimia dari bahan bakar (fuel) menjadi energi mekanik dan mentransmisikannya ke rotating crankshaft melalui piston dan connecting rod. Dalam proses pembangkitan tenaga (power) dari bahan bakar, silinder memanfaatkan mekanisme pembakaran fuel, gerakan piston, tutup-buka katup-katup, dan gerakan mekanik dari rangkaian connecting rod.

•

Piston : Suatu komponen yang bergerak ke atas dan ke bawah di dalam silinder yang menghantarkan gaya yang dihasilkan oleh proses pembakaran dan ekspansi gas di dalam silinder ke engine crankshaft melalui connecting rod.

•

Connecting Rod Assembly : Penghantar gaya dari piston menuju engine crankshaft.

•

Crankshaft : Komponen berupa susunan shaft-shaft yang berfungsi mentransformasikan gerak reprocating dari piston dan connecting rod menjadi gerak rotasi untuk memutar propeller (ref. [2]). Dengan menggunakan asumsi umum untuk sistem propulsi pada wahana

terbang serta analisis performa pada saat kondisi terbang jelajah (cruise) menggunakan iterasi data-data dari UAV yang telah ada (span, chord, weight, speed, etc.), pemilihan type mesin piston dapat ditentukan melalui kebutuhan daya yang diperlukan oleh UAV setelah tahap estimasi perhitungan prestasi terbang yang diasumsikan (sesuai dengan asumsi-asumsi yang ada) serta ketersediaan mesin piston-propeller yang tersedia di pasaran. 2.2.2

Electric Motor System

Karakteristik dari sistem motor listrik penghasil tenaga untuk menggerakkan propeller pada sistem propulsi yang akan dirancang harus memenuhi persyaratan – persyaratan yang antara lain (ref. [4]) : •

Tidak kasar (ruggedness)

•

Rasio torque-to-inertia (Te/J) yang tinggi; Te/J yang besar akan menghasilkan kemampuan akselerasi yang baik.


•

Kemampuan torsi puncak (peak torque capability) yang tinggi, sekitar 200 sampai 300% dari level continuous torque.

•

Rasio power-to-weight (Pe/w) yang baik.

•

Kemampuan operasi pada kecepatan tinggi (high-speed operation), dan mudah dikendalikan.

•

Acoustic noise yang rendah, electromagnetic interference (EMI) yang rendah, serta biaya maintenance dan harga yang murah.

•

Daerah operasi constant power yang panjang.

Motor drive components Secara umum, dari berbagai sumber referensi dan studi parametrik, motor listrik sebagai salah satu komponen penghasil daya untuk sistem propulsi pada kendaraan hybrid terdiri dari komponen-komponen unik utama, yaitu (ref. [4]) : 1. Electric Drive Components Sebuah perangkat motor listrik terdiri dari sebuah power electronic converter dan suatu sistem kendali penghubung. Power electronic converter terdiri dari suatu perangkat solid-state yang berfungsi menangani aliran power terbesar dari sumber tenaga ke terminal-terminal input motor. Sistem kontrol mengolah input perintah dan informasi feedback untuk membangkitkan sinyalsinyal perubahan untuk power converter semikonduktor. Electric drive components ini antara lain terdiri dari :

Power Converter Power converter merupakan piranti DC sebagai penyedia arus bagi motor DC atau piranti AC sebagai penyedia arus bagi motor AC. Perbedaan utama dari kedua jenis power converter ini adalah dari kebutuhan akan perangkat mesin switched reluctance (SR). Suatu power converter terdiri dari suatu perangkat high-power fast-acting semiconductor seperti bipolar junction transistor (BJT), metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), insulated gate bipolar transistor (IGBT), silicon-controlled rectifier or thyristor (SCR), gate turn-off SCR (GTO), dan MOS controlled thyristor (MCT). Perangkat solid-state ini dikonfigurasikan berdasarkan fungsinya dalam topografi


suatu circuit sebagai tombol elektronik on-off untuk meng-konversi suplai dari tegangan yang tetap menjadi persediaan tegangan serta frekuensi yang bervariasi untuk keperluan motor listrik. Seluruh komponen dalam piranti ini memiliki sebuah control input gate atau pusat pengendalian yang melalui perangkat tersebut, dimana perintah di-generate oleh pengendali tersebut. Perkembangan teknologi dan penelitian pada bidang ilmu semikonduktor pada dua dekade terakhir memungkinkan berkembang dan terciptanya suatu perangkat DC-DC dan DC-AC power electronic converter yang handal, efisien, dan compact..

Drive Controller Drive controller menjalankan subsistem piranti motor dari sistem propulsi kendaraan hybrid. Sistem kendali dari perangkat ini adalah suatu komponen kendali lokal yang terletak didalam sistem kendali kendaraan. Sistem kendali kendaraan mengirimkan perintah kebutuhan akan torsi pada drive controller yang kemudian dikirimkan menggunakan algoritma kontrol internal. Fungsi utama dari drive controller adalah mengatur serta mengolah informasi dari sistem untuk mengendalikan aliran tenaga menuju kereta penggerak (drivetrain). Drive controller juga berfungsi untuk menerima sinyal-sinyal perintah serta feedback, mengolahnya sesuai dengan kriteria yang dibutuhkan, seperti maksimalisasi efisiensi, dan meng-generate sinyal-sinyal switch untuk power device dari converter. Sistem kendali masa kini cenderung berbasiskan teknologi digital daripada sistem analog yang mana memberikan kelebihan dalam proses pengolahan data algoritma yang kompleks dalam waktu yang relatif lebih cepat. Sistem ini biasanya merupakan sitem tempel (embedded system) dalam suatu perangkat, dimana digunakan microprocessor-microprocessor dan processor- processor sinyal digital untuk pengolahan sinyal-sinyal. Sistem ini juga berhubungan langsung dengan sirkuit-sirkuit yang terdiri dari converter- converter AC/DC maupun DC/AC yang mana dibutuhkan


sebagai sarana komunikasi antara processor dengan komponen-komponen lain di dalam sistem. 2. Power Electronic Switches Sebuah electronic switch adalah suatu alat yang dapat mengubah konfigurasi dari suatu electric circuit dengan mengganti kondisi on-off maupun off-on circuit tersebut. Suatu power electronic switch terdiri dari komponen-komponen sebagai berikut :

Diode

Power Transistor

Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (Power MOSFET)

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

3. DC Drives Piranti DC pada sistem propulsi hybrid terdiri atas DC converter dan motor permanent magnet (PM). Jenis-jenis DC converter yang digunakan antara lain adalah DC-choppers, resonant converters, atau push-pull converters.

Permanent Magnet Motor (PM Motor) Jenis umum dari motor magnet permanen yang digunakan pada sistem propulsi hybrid adalah PM synchronous motor. Motor magnet permanen memiliki magnet-magnet pada bagian rotornya.

Gambar 3. Permanent Magnet Electric Motor

4. AC Motor Drives

AC Inverter


5. Transmission Components

Electronic Control Unit (ECU)

Transaxle Unit atau sistem transmisi lainnya.

Secara aplikatif, komponen-komponen penyusun utama sistem propulsi hybrid ini diwakili oleh part-part sebagai berikut :

: Sumber dan penyimpan energi.

Baterai

Beberapa jenis baterai yang sesuai untuk electric vehicle : o Lead-acid (Pb-acid) o Nickel-metal-hydrine (NiMH) o Li-polymer o Nickel-Cadmium (NiCd)

Compounds Lead-acid (Pb-acid) Li-polymer Nickel-metal-hydrine (NiMH) Nickel-Cadmium (NiCd)

Specific Power W/kg 150 – 400 350

Specific Energy W.h/kg 35 - 50 150 - 200

Life Cycle

Efficiency

Hour 500 – 1000 1000

% 80 70

Estimated Cost US$ / kWh 100 - 150 150

200 – 300

60 - 80

1000 - 2000

70

200 - 350

100 – 150

30 - 50

1000 - 2000

75

250 - 350

Tabel 1. Perbandingan beberapa jenis baterai

Tabel 1 diatas menunjukkan perbandingan beberapa jenis baterai yang dapat digunakan sebagai dasar pemilihan baterai dan fuel cell untuk sistem propulsi hybrid didasarkan pada beberapa kriteria yang diambil dari beberapa kelebihan juga kekurangan jenis dan tipe baterai (ref. [4]).

Transaxle

:

- Power Split Device : Memisahkan tenaga dari mesin menjadi rute ; mekanikal dan kelistrikan. - Motor Generator

: Memutar bidang kontrol mekanik pembangkit gaya dorong (propeller).

Inverter

: Mengubah listrik DC dari baterai menjadi listrik AC

untuk menggerakkan motor atau mengubah dari AC ke DC untuk mengisi ulang baterai.


Kabel power : Menghubungkan voltase antara baterai, inverter, dan motor generator.

Mekanisme konfigurasi dan pengombinasian komponen-komponen motor listrik dapat ditentukan melalui pemilihan komponen-komponen utama yang dibutuhkan serta pertimbangan berat sistem motor listrik yang akan digunakan. Untuk mendapatkan power output dari electric motor sebesar sesuai dengan kebutuhan dari sistem propulsi yang akan dirancang, dibutuhkan spesifikasi baterai yang memadai sebagai sumber energi penggerak motor listrik. Sebagai parameter referensi yang aplikatif, digunakan baterai dari jenis nickel-metalhydride (NiMH) yang telah digunakan pada kendaraan hybrid Toyota Prius. Pemilihan baterai NiMH ini karena keunggulan jenis baterai ini dibanding jenis-jenis baterai lainnya, diantaranya yaitu kuantitas daya serap yang tinggi terhadap gas hidrogen untuk membentuk senyawa metal-hydride pada berbagai tekanan maupun temperatur, yang juga berarti penyimpanan energi dalam baterai yang lebih besar. Lebih jauh lagi dapat diartikan bahwa kemampuan senyawa metal-hydride dalam menyerap dan melepaskan hidrogen berulang kali adalah jauh lebih baik dibandingkan dengan jenis-jenis baterai lainnya. Beberapa kelebihan lain baterai jenis ini seperti yang dijelaskan pada ref. [4] adalah : -

Umur yang lebih lama (longer lifetime).

-

Dapat didaur ulang (recyleable).

-

Aman (safe and tolerant).

-

Spesific power yang lebih tinggi (250 W/kg). Tenaga yang dihasilkan oleh perpaduan gerak mekanikal sistem yang

dihasilkan oleh engine piston dan motor listrik diolah pada komponen unik khusus yaitu tranxasle. Pada unit tranxasle hybrid yang terdiri dari 2 buah motor generator dilakukan tahap pemisahan sumber tenaga (dari mesin atau dari motor listrik, atau kombinasi dari keduanya) yang dihubungkan via planetary gear. Mekanisme penggerakkan propeller memanfaatkan tenaga dari motor listrik dapat diaplikasikan dengan menggunakan rantai penggerak dan planet gear. Suplai daya untuk motor listrik dari baterai dapat diestimasi melalui penentuan besar voltase dari baterai.


2.3

Konsep Desain

Conceptual design atau konsep rancangan/desain adalah suatu tahap yang paling awal dilakukan oleh para engineers dalam rangka merancang suatu inovasi produk baru ataupun sekedar memperbaiki dan atau meningkatkan performa produk yang telah ada. Beberapa langkah pemikiran yang dilakukan pada tahap conceptual design ini yang diharapkan mampu menggambarkan definisi maupun tujuan dari tahap ini antara lain sebagai berikut : Evaluasi konsep-konsep yang telah ada. Engineers harus memiliki pengetahuan yang cukup tentang konsep yang akan diusung dalam inovasi yang dilakukannya serta apa yang menjadi fokus dari konsep tersebut. Penentuan sasaran-sasaran performa yang diinginkan. Engineers harus mampu memperkirakan batasan-batasan sasaran dari hasil akhir produk inovasi tersebut, apakah konsep tersebut dapat berkerja sesuai dengan fungsinya dan memenuhi persyaratan yang telah ditentukan sebelumnya. Pemilihan konsep yang diinginkan. Seperti apa wujud dari hasil akhir konsep tersebut. (ref. [5])

Tahapan Konsep Desain Pada umumnya, konsep desain untuk aplikasi pada objek aerospace terdiri atas pertimbangan-pertimbangan pada bidang aerodinamika, estimasi berat, gaya hambat, kestabilan, keseimbangan serta endurance (daya tahan) yang mengacu pada kebutuhan kondisi terbang yang ditentukan. Pada tahap ini, dilakukan suatu penelitian desain yang disederhanakan terhadap konsep produk yang telah ada. Estimasi Berat Wahana Pembangkitan gaya angkat yang memadai sebagai kompensasi dari berat pesawat adalah langkah awal dalam merancang suatu wahana terbang. Hal ini menunjukkan betapa pentingnya tahap estimasi berat dalam tahap desain. Untuk sistem propulsi yang akan dirancang pada Tugas Akhir ini, perancang menentukan berat UAV sebesar 2450 N (250 kg). Angka ini didapat dari hasil


studi literasi dari beberapa tipe UAV yang telah ada (data pada tabel 2) dengan pertimbangan

UAV-UAV

tersebut

memiliki

kemiripan

karakteristik-

karakteristik dimensi maupun prestasi. Spesifikasi Desain Sistem Karena pada Tugas Akhir ini konsep rancangan yang akan dilakukan dikonsentrasikan pada sistem propulsi wahana terbang, maka perlu dilakukan suatu konsep desain yang lebih spesifik, yaitu desain sistem propulsi. Secara umum, validasi rancangan dari suatu sistem propulsi wahana terbang dihasilkan melalui pertimbangan aspek-aspek (ref. [4]): o Penelitian dan pemilihan sistem serta prediksi prestasi. o Pemilihan propeller/mempelajari rancangan dan karakteristik prestasi. o Engine control, "fuel" (baterai, kapasitas, berat, dll.), dan instalasi. Kondisi Terbang yang Dibutuhkan Langkah selanjutnya adalah menentukan suatu kondisi yang dapat dipenuhi oleh spesifikasi sistem yang akan dirancang, dengan tujuan memberi batasan solusi dalam tahapan rancangan konseptual dari sistem yang akan dibuat. Unmanned Aerial Vehicles (UAV) yang akan dijadikan sebagai wahana acuan pengaplikasian sistem propulsi hybrid ini diasumsikan adalah dari jenis low subsonic UAV yang memiliki kecepatan terbang desain pada kondisi terbang jelajah (cruise) sekitar 40 m/s (pada ketinggian 10000 ft atau 3048 m ) dengan asumsi perhitungan rate of climb dan gaya hambat (drag) tidak dimasukkan dalam perkiraan awal gaya dorong dari sistem propulsi yang akan dirancang. Argumentasi Penerapan Konsep Dalam studi kasus pengimplementasian teknologi sistem propulsi hybrid pada bidang aerospace, perancang perlu menentukan wahana yang akan dijadikan sasaran aplikasi dari sistem ini. Alangkah baiknya apabila wahana udara yang akan dipilih adalah merupakan suatu wahana yang paling sederhana, baik itu ditinjau dari segi teknis (kompleksitas struktur, flight control, serta sistem-sistem) maupun non-teknis (cost and maintenance), namun tetap mewakili karakteristik-karakteristik dasar dari wahana udara. Hal


ini secara tidak langsung akan juga menyederhanakan design concept awal hybrid propulsion system. Berdasarkan pertimbangan tersebut, sistem propulsi dari UAV adalah suatu pilihan wahana udara yang memiliki kesamaan karakteristik yang paling banyak dengan pesawat udara. Wahana terbang UAV dipilih karena merupakan suatu wahana yang paling sederhana, baik itu ditinjau dari segi teknis (kompleksitas struktur, flight control, serta sistem-sistem) maupun non-teknis (cost and maintenance), namun tetap mewakili karakteristik-karakteristik dasar dari wahana terbang. Sistem propulsi pada UAV pun tidak jauh berbeda dengan pesawat udara, bahkan untuk beberapa hal jauh lebih sederhana. Pada UAV yang akan dijadikan objek aplikasi sistem propulsi hybrid ini ada beberapa batasan karakteristik yang akan terjelaskan melalui asumsi-asumsi selanjutnya.

Langkah-langkah Konsep Desain Konsep desain untuk sistem propulsi dapat disederhanakan menjadi beberapa langkah untuk lebih memudahkan proses desain ini. Langkah-langkah tersebut antara lain adalah (ref. [4]): 1. Menentukan kebutuhan power dan energy untuk unit propulsi melalui spesifikasi kondisi pengoperasian dan akselerasi yang telah ditentukan. 2. Level desain komponen-komponen (unit propulsi, sumber energi, dan auxilaries); motor listrik untuk EV, atau kombinasinya dengan mesin konvensional. 3. Tahap desain unit propulsi : a. Menentukan gaya yang dibutuhkan untuk mengakselerasikan wahana ke kecepatan cruise (Vc) dalam waktu tertentu dan untuk mengerakkan wahana pada suatu kecepatan cruise (Vc) yang tetap dan pada kecepatan maksimum (Vmax) pada suatu pilihan slope tertentu. b. Menentukan kebutuhan tenaga tarik listrik (tractive power) ; untuk menentukan power dari motor listrik dalam unit propulsi. 4. Desain dan pemilihan sumber energi (spesific energy & power, operating life, cost and parameters/characteristic; practical capacity > theoretical).


5. Penentuan komponen-komponen (electric motor, generator , etc) 6. Desain konfigurasi sistem (system configuration) 7. Analisis pencapaian sasaran-sasaran (prestasi dan efisiensi) 8. Analisis biaya/harga (opsional). Hybrid System Design Mission specifications

Conceptual design

System Layout design

No

System characteristic analysis

Specification achieved

Yes Gambar 4. Diagram alir rancangan sistem hybrid (ref. [7]

2.4

Analisis Awal Konsep Rancangan Dimension and Weight

Model/type

Length (meter)

Span (meter)

Diameter (meter)

Weight (N)

Raven Scorpion100 RQ-2B /Pioneer RQ-5A /Hunter Sperwer /Ugglan Hy-X UAV

3,2 3,6

3,6 4,9

0,5

3380,5 1957,1

4,2

5,1

0,3

7,01

8,84

3,5 4,8

Power

Performance Max. celing (meter)

Endurance (hour)

22 52

30,87 61,68

3 3

96540 130329

49,9 77,33

4572 4572

2001,6

26

51,40

5.5

185035

59,1

4572

-

7117,1

112

36,01

12

125000

41,16

4572

4,3

-

2935,7

70

58,11

6

201125

69,45

5182

6

0,35

2450

20

43

4

200000

60

4572

Tabel 2. Literatur UAV-UAV Pembanding

Range (meter)

Max. speed (m/s)

Vc (m/s)

hp


Tabel 2 diatas adalah tabel yang menunjukkan data dari beberapa tipe/jenis UAV yang telah ada di pasaran yang didapat dari referensi di internet (ref. [10]). Dari tabel diatas dipilih suatu konfigurasi UAV baru yang merujuk dari beberapa tipe UAV diatas yang memiliki beberapa persamaan konfigurasi. Konfigurasi UAV baru ini kemudian akan digunakan untuk perhitungan awal (initial estimation) untuk kebutuhan power dari sistem propulsi yang akan dirancang. Perkiraan awal dimensi dan prestasi untuk menghitung kebutuhan power ( Pr ) pada kondisi terbang jelajah 3048 m : • Span (b)

=~6m

• Gross Weight (W) = ~ 2450 N ; dimana g = 9,8 m/s2 • Cruise speed (Vc)

= ~ 43 m/s

• Air density ( ρ )

= 0,909 kg/m3 (pada 3048 m)

• Wing chord (c)

= 0,7 m

(asumsi-asumsi berdasarkan pada pendekatan dimensional) = b × c = 6 m × 0.7 m = 4,2 m2

• Wing Area (S)

• Aspect Ratio (AR) =

b2 (5,8 m) 2 = = 8,2857 S 4, 06 m 2

2

Pr = W

W 2 CD ; S ρ CL3

(eq. 9.2-6 ref [1])

Pada saat cruise : L = W =

¾ CL =

W 1 ρ Vc 2 S C L → C L = 1 2 ρ Vc 2 S 2

2450 N 1 (0,909 kg / m3 ) (43 m / s ) 2 (4, 06 m 2 ) 2

= 0,7181 (flaps up)

2

C D = C Do +

CL ; π AR e

(eq. 9.2-6 ref [1])

where:

CDo = zero lift drag coefficient = ~ 0,042 (dari kurva Cl Vs Cd untuk pesawat low subsonic ; figure 4.4-2 ref [1] ) AR

= wing aspect ratio (

b2 ) = 8,2857 S


e

= oswald’s efficiency factor = 0,8 (diasumsikan); π = 3.14

¾ CD = 0, 042 +

(0, 7181) 2 = 0,0668 3,14 × 8, 2857 × 0,8

(Nilai dari CD and CL diatas adalah sesuai dengan contoh kasus pada kurva lift-drag polar; figure 4.3-2 ref [1] )

sehingga didapatkan : Pr = 2450 N

2450 N 2 (0,0748) 2 = 9,7998 × 10 3 Watt 2 3 3 4, 06 m 0.909 kg / m (0,7181)

= 9,799 kW = 13,141 hp sehingga, hasil perhitungan dari kebutuhan power pada saat kondisi terbang jelajah adalah :

Pr = 9,8 kW = 13,14 hp Perhitungan ketersediaan power/power available (Pa) berdasarkan kebutuhan power pada saat kondisi terbang jelajah diberikan dalam hubungan dalam persamaan sebagai berikut:

Prcruise =

70 × Pavailable 100

Pavailable =

sehingga :

100 100 × Prcruise = × 13,14 = 18, 771 hp 70 70

Power available (Pa) > Power Required (Pr) Pa ~ 20 hp (14,914 kW) → initial estimation

(dengan perkiraan power loss akibat mekanisme transmisi adalah ± 5 % dari power total) Kombinasi Power dari Sistem Propulsi ( Ptot )

Ptotal = Pengine + Pem

dimana :

Pengine = Piston engine power [Watt] Pem

= Electric motor power [Watt]

(ref. [4])

Kebutuhan Mesin Piston

Engine yang digunakan sebagai kereta daya utama pada sistem propulsi hybridUAV ini adalah tipe piston engine yang bekerja memanfaatkan siklus 4-langkah


(4-stroke cycle). Tipe engine ini dapat bekerja sebagai sistem tunggal maupun disinergikan dengan power yang dihasilkan oleh motor listrik untuk menggerakkan propeller dan menghasilkan gaya dorong. Efisiensi total proses propulsi didapat dari hasil kali antara rasio power available dan shaft brake power (n j) dengan efisiensi thermalnya(n th) yaitu :

ηtot = η j ×ηth =

T V Pbr ; dimana : Pbr m f H

T = Thrust [W] V

= velocity [m/s]

Pbr

= power output aktual

mf

= fuel flow rate

H

= altitude [m]

(eq. 6.2-14 ref [1])

Dengan menggunakan asumsi umum untuk sistem propulsi pada wahana terbang, maka dapat diambil sebagai estimasi awal bahwa besarnya ηtot untuk piston engine adalah sebesar ± 85% dari total power output.

2.5

Design Requirements and Objectives

Beberapa kelebihan yang dapat ditawarkan oleh aplikasi sistem propulsi hybrid dalam bidang aerospace engineering antara lain adalah : •

Power yang tersedia lebih besar.

•

Efisiensi mesin/energi yang lebih tinggi.

•

Efisiensi bahan bakar yang lebih tinggi.

•

Peningkatan prestasi.

•

Sumber energi alternatif.

Poin-poin diatas bisa digunakan sebagai acuan dasar dalam merancang suatu spesifikasi dari suatu konsep sistem propulsi hybrid untuk aerospace vehicle. Sebagai langkah awal dalam merancang suatu produk, maka diperlukan suatu spesifikasi khusus dari produk yang akan dirancang, batasan-batasan serta target yang ingin dicapai dari perancangan produk tersebut. Selain sebagai salah satu referensi spesifikasi dari produk, hal-hal tersebut diatas yang secara ilmiah lebih dikenal dengan nama Design Review & Objectives (DR&O). DR&O juga adalah salah satu aspek penting yang harus selalu disertakan dalam perancangan suatu produk baru sebagai tolak ukur keberhasilan dari produk yang akan dirancang.


Vehicle purpose

Low subsonic UAV

Gross Weight

2450 N (250 kg)

Cruise Speed

40-45 m/s (78-88 knot)

Energy Source

Fuel and batteries

Power

Internal Combustion Engine

15 kW (~ 20,11 hp)

Electric Motor

15 kW (~ 20,11 hp)

o

Operating Temperature

below 90 C

Operating RPM(for shaft power)

below 5000 rpm

Maximum Operating Altitude

10000 ft (~ 3048 m)

System’s Endurance

4 hours (influenced by availability of fuel tank capacity)

Electric Efficiency

80 % Internal Combustion Engine

System Weight Electric Motor

± 20 – 40 kg depend on the selection of piston engine ± 25 kg (with battery module) based on Toyota’s Prius Hybrid Synergy Drive weight

Tabel 3. Design Requirements and Objectives

Setelah mempelajari teori dasar sistem propulsi hybrid dan melakukan suatu studi parametrik komponen-komponen penyusunnya, serta menyusun suatu DR&O dari sistem propulsi hybrid untuk UAV yang akan dirancang, untuk selanjutnya akan dilakukan suatu tahap perancangan sistem propulsi hybrid untuk UAV berdasarkan data-data maupun hasil perhitungan dari bab ini. Proses perancangan serta hal-hal lain yang korelatif dengannya akan dijelaskan pada bab setelah ini.

BAB II KONSEP RANCANGAN SISTEM PROPULSI HYBRID

Recommend Documents