Aeroelastisitas
Aeroelastisitas adalah cabang ilmu fisika dan teknik yang mempelajari interaksi antara gaya inersia, elastis, dan aerodinamis yang terjadi ketika sebuah benda elastis terpapar pada aliran fluida. Studi tentang aeroelastisitas dapat diklasifikasikan secara luas ke dalam dua bidang: aeroelastisitas statis yang berhubungan dengan respons statis atau kondisi tunak suatu benda elastis terhadap aliran fluida, dan aeroelastisitas dinamis yang berhubungan dengan respons dinamis (biasanya getaran) benda tersebut.
Pesawat terbang rentan terhadap efek aeroelastisitas karena pesawat harus ringan sekaligus menahan beban aerodinamis yang besar. Pesawat terbang dirancang untuk menghindari masalah aeroelastik berikut ini:
- divergensi di mana gaya aerodinamis meningkatkan putaran sayap yang selanjutnya meningkatkan gaya;
- pembalikan kontrol di mana aktivasi kontrol menghasilkan momen aerodinamis berlawanan yang mengurangi, atau dalam kasus ekstrim membalikkan, efektivitas kontrol; dan
- flutter, yaitu getaran tak terkendali yang dapat menyebabkan kerusakan pesawat.
Masalah aeroelastisitas dapat dicegah dengan menyesuaikan massa, kekakuan, atau aerodinamika struktur yang dapat ditentukan dan diverifikasi melalui penggunaan perhitungan, uji getaran di darat, dan uji coba flutter penerbangan. Flutter pada permukaan kontrol biasanya dihilangkan dengan penempatan keseimbangan massa yang cermat.
Sintesis aeroelastisitas dengan termodinamika dikenal sebagai aerotermoelastisitas, dan sintesisnya dengan teori kontrol dikenal sebagai aeroservoelastisitas.
Sejarah
Kegagalan kedua pesawat prototipe Samuel Langley di Potomac disebabkan oleh efek aeroelastik (khususnya, divergensi torsional). Karya ilmiah awal tentang subjek ini adalah Teori Stabilitas Pesawat Terbang Kaku yang diterbitkan pada tahun 1906 oleh George Bryan. Masalah divergensi torsional mengganggu pesawat pada Perang Dunia Pertama dan sebagian besar diselesaikan dengan coba-coba dan pengerasan sayap secara ad hoc. Kasus pertama yang tercatat dan didokumentasikan tentang flutter pada pesawat terbang adalah yang terjadi pada pesawat pengebom Handley Page O/400 selama penerbangan pada tahun 1916, ketika pesawat tersebut mengalami osilasi ekor yang hebat, yang menyebabkan distorsi ekstrem pada badan pesawat bagian belakang dan elevatornya bergerak asimetris.
Meskipun pesawat mendarat dengan selamat, dalam penyelidikan selanjutnya, F. W. Lanchester dimintai pendapatnya. Salah satu rekomendasinya adalah elevator kiri dan kanan harus dihubungkan secara kaku oleh poros kaku, yang kemudian menjadi persyaratan desain. Selain itu, National Physical Laboratory (NPL) diminta untuk menyelidiki fenomena ini secara teoritis, yang kemudian dilakukan oleh Leonard Bairstow dan Arthur Fage.
Pada tahun 1926, Hans Reissner mempublikasikan teori divergensi sayap, yang mengarah pada penelitian teoritis lebih lanjut tentang subjek ini. Istilah aeroelastisitas itu sendiri diciptakan oleh Harold Roxbee Cox dan Alfred Pugsley di Royal Aircraft Establishment (RAE), Farnborough pada awal tahun 1930-an.
Aeroelastisitas statis
Pada pesawat terbang, dua efek aeroelastisitas statis yang signifikan dapat terjadi. Divergensi adalah fenomena di mana putaran elastis sayap tiba-tiba menjadi tidak terbatas secara teoritis, biasanya menyebabkan sayap gagal. Pembalikan kontrol adalah fenomena yang hanya terjadi pada sayap dengan aileron atau permukaan kontrol lainnya, di mana permukaan kontrol ini membalikkan fungsi normalnya (misalnya, arah putaran yang terkait dengan momen aileron yang diberikan dibalik).
Divergensi
Divergensi terjadi ketika permukaan pengangkat membelok di bawah beban aerodinamis ke arah yang selanjutnya meningkatkan daya angkat dalam loop umpan balik positif. Peningkatan daya angkat akan membelokkan struktur lebih jauh, yang pada akhirnya membawa struktur ke titik divergensi. Tidak seperti flutter, yang merupakan masalah aeroelastik lainnya, alih-alih osilasi yang tidak beraturan, divergensi menyebabkan permukaan pengangkatan bergerak ke arah yang sama dan ketika sampai pada titik divergensi, struktur berubah bentuk.
Persamaan untuk divergensi balok sederhana
Pembalikan kontrol
Pembalikan permukaan kontrol adalah hilangnya (atau pembalikan) respons yang diharapkan dari permukaan kontrol, karena deformasi permukaan pengangkat utama. Untuk model sederhana (misalnya aileron tunggal pada balok Euler-Bernoulli), kecepatan pembalikan kontrol dapat diturunkan secara analitis seperti pada divergensi torsional. Pembalikan kontrol dapat digunakan untuk keuntungan aerodinamis, dan merupakan bagian dari desain rotor servo-flap Kaman.
Aeroelastisitas dinamis
Aeroelastisitas dinamis mempelajari interaksi antara gaya aerodinamis, elastis, dan inersia. Contoh fenomena aeroelastisitas dinamis adalah:
Flutter
Flutter adalah ketidakstabilan dinamis dari struktur elastis dalam aliran fluida, yang disebabkan oleh umpan balik positif antara defleksi tubuh dan gaya yang diberikan oleh aliran fluida. Dalam sistem linier, "titik flutter" adalah titik di mana struktur mengalami gerakan harmonik sederhana-redaman neto nol-dan penurunan redaman neto lebih lanjut akan mengakibatkan osilasi sendiri dan akhirnya kegagalan. "Peredaman bersih" dapat dipahami sebagai jumlah redaman positif alami struktur dan redaman negatif gaya aerodinamis. Flutter dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis: flutter keras, di mana redaman bersih berkurang sangat tiba-tiba, sangat dekat dengan titik flutter; dan flutter lunak, di mana redaman bersih berkurang secara bertahap.
Di dalam air, rasio massa inersia pitch foil terhadap massa silinder pembatas fluida umumnya terlalu rendah untuk terjadinya flutter biner, seperti yang ditunjukkan oleh solusi eksplisit dari penentu stabilitas pitch dan heave flutter yang paling sederhana.
Pada struktur yang kompleks di mana aerodinamika dan sifat mekanis struktur tidak sepenuhnya dipahami, flutter hanya dapat diabaikan melalui pengujian yang mendetail. Bahkan, mengubah distribusi massa pesawat atau kekakuan salah satu komponen dapat menyebabkan flutter pada komponen aerodinamis yang tampaknya tidak terkait. Pada tingkat yang paling ringan, hal ini dapat muncul sebagai "dengungan" pada struktur pesawat, tetapi pada tingkat yang paling parah, hal ini dapat berkembang secara tidak terkendali dengan kecepatan tinggi dan menyebabkan kerusakan serius pada pesawat atau menyebabkan kehancurannya, seperti pada Northwest Airlines Penerbangan 2 pada tahun 1938, Braniff Penerbangan 542 pada tahun 1959, atau purwarupa pesawat tempur VL Myrsky milik Finlandia di awal tahun 1940-an. Yang terkenal, Tacoma Narrows Bridge yang asli hancur akibat aeroelastik yang berkibar.
Aeroservoelastisitas
Dalam beberapa kasus, sistem kontrol otomatis telah didemonstrasikan untuk membantu mencegah atau membatasi getaran struktural yang berhubungan dengan flutter.
Kibasan pusaran baling-baling
Propeller whirl flutter adalah kasus khusus flutter yang melibatkan efek aerodinamis dan inersia dari baling-baling yang berputar dan kekakuan struktur nacelle yang mendukung. Ketidakstabilan dinamis dapat terjadi yang melibatkan derajat kebebasan pitch dan yaw baling-baling dan penyangga mesin yang menyebabkan presesi baling-baling yang tidak stabil. Kegagalan penyangga mesin menyebabkan whirl flutter yang terjadi pada dua pesawat Lockheed L-188 Electra, pada tahun 1959 di Braniff Penerbangan 542 dan sekali lagi pada tahun 1960 di Northwest Orient Airlines Penerbangan 710.
Aeroelastisitas transonik
Aliran sangat tidak linier pada rezim transonik, didominasi oleh gelombang kejut yang bergerak. Menghindari flutter merupakan misi yang sangat penting bagi pesawat yang terbang pada kecepatan transonik. Peran gelombang kejut pertama kali dianalisis oleh Holt Ashley. Fenomena yang berdampak pada stabilitas pesawat yang dikenal sebagai "transonic dip", di mana kecepatan flutter dapat mendekati kecepatan terbang, dilaporkan pada bulan Mei 1976 oleh Farmer dan Hanson dari Langley Research Center.
Buffeting
Buffeting adalah ketidakstabilan frekuensi tinggi, yang disebabkan oleh pemisahan aliran udara atau osilasi gelombang kejut dari satu objek yang menghantam objek lainnya. Hal ini disebabkan oleh dorongan beban yang meningkat secara tiba-tiba. Ini adalah getaran paksa acak. Umumnya hal ini memengaruhi unit ekor struktur pesawat karena aliran udara di bagian hilir sayap.
Metode untuk deteksi buffet adalah:
- Diagram koefisien tekanan
- Perbedaan tekanan pada trailing edge
- Menghitung pemisahan dari trailing edge berdasarkan angka Mach
- Divergensi fluktuasi gaya normal
Prediksi dan penyembuhan
Pada periode 1950-1970, AGARD mengembangkan Manual tentang Aeroelastisitas yang merinci proses yang digunakan dalam memecahkan dan memverifikasi masalah aeroelastisitas bersama dengan contoh standar yang dapat digunakan untuk menguji solusi numerik.
Aeroelastisitas tidak hanya melibatkan beban aerodinamis eksternal dan perubahannya, tetapi juga karakteristik struktural, redaman, dan massa pesawat. Prediksi melibatkan pembuatan model matematis pesawat sebagai serangkaian massa yang dihubungkan oleh pegas dan peredam yang disetel untuk mewakili karakteristik dinamis struktur pesawat. Model ini juga mencakup rincian gaya aerodinamis yang diterapkan dan bagaimana gaya-gaya tersebut bervariasi.
Model ini dapat digunakan untuk memprediksi margin flutter dan, jika perlu, menguji perbaikan terhadap potensi masalah. Perubahan kecil yang dipilih secara hati-hati pada distribusi massa dan kekakuan struktur lokal dapat sangat efektif dalam memecahkan masalah aeroelastik.
Metode untuk memprediksi flutter pada struktur linier meliputi metode-p, metode-k dan metode p-k.
Untuk sistem nonlinier, flutter biasanya diinterpretasikan sebagai osilasi siklus batas (LCO), dan metode-metode dari studi sistem dinamik dapat digunakan untuk menentukan kecepatan di mana flutter akan terjadi.
Disadur dari: en.wikipedia.org