0026: Erwandi dkk.
HK-1
DESAIN DAN UJI HIDRODINAMIKA KAPAL SELAM MINI BERBOBOT 133 TON Erwandi1,∗ , Marx Jefferson2 , Cahyadi Sugeng Jati S.1 , Dwi Wahyudi1 , dan Nurwidhi1 1
UPT Balai Pengkajian dan Penelitian Hidrodinamika (BPPH) Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT) Jl. Hidrodinamika BPPT Kompleks Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60112 Telepon (031) 3948060, Fax. (031) 3948066 2 PT. PAL Indonesia Ujung Surabaya Telepon (031) 7695041/42 ∗
e-Mail:
[email protected]
Disajikan 29-30 Nop 2012
ABSTRAK Penelitian tentang kinerja kapal selam di dalam air, terutama dalam kaitannya dengan gaya-gaya hidrodinamika saat kapal selam bergerak dan bermanuver, belum pernah dilakukan di Indonesia. Melalui riset insentif nasional (INSINAS) ini dilakukan serangkaian pengkajian dan penelitian kinerja hidrodinamika kapal selam saat menyelam di dalam air maupun bergerak di permukaan air. Manfaat dari penelitian ini adalah dapat diketahuinya data-data besaran dan pengaruh gaya-gaya hidrodinamika yang bekerja pada kapal selam. Data-data tersebut dapat digunakan untuk merancang alat propulsi kapal selam berupa propeller dan besarnya daya mesin yang dibutuhkan oleh kapal selam untuk bergerak dengan kecepatan tertentu dan untuk merancang kemudi maupun alat kontrol kapal selam untuk melakukan gerak manuver. Kapal selam yang diuji adalah kapal selam mini hasil rancangan UPT BPPH dan Dinas Penelitian dan Pengembangan TNI-AL dengan bobot 133 ton saat menyelam. Panjang kapal selam mini adalah 22 m. Untuk mencapai tujuan penelitian dua cara pendekatan ditempuh untuk mengetahui karakteristik gaya-gaya yang bekerja di kapal selam mini. Cara pertama adalah dengan melakukan analisa aliran di sekeliling badan kapal selam mini secara simulasi numerik menggunakan perangkat lunak Computational Fluid Dynamic (CFD). Cara kedua adalah melakukan uji model fisik kapal selam mini dengan skala 1:7 di kolam uji tarik (towing tank) dan di kolam manuver (maneuvering Ocean Basin) milik UPT BPPH BPPT. Uji model terdiri dari uji resistensi. Berdasarkan uji resistensi dapat dirancang bentuk propeller. Berdasarkan model propeller dilakukan uji propeller open water. Berikutnya dilakukan uji propulsion yakni uji dimana kapal selam dilengkapi dengan tenaga penggerak propeller hasil rancangan berdasarkan uji resistensi. Terakhir dilakukan uji maneuver turning circle di kolam manuver untuk mengetahui besarnya tactical diameter gerak putar kapal selam saat kemudi diputar maksimum 35◦ ke kiri maupun ke kanan. Kata Kunci: Kapal selam mini, uji hidrodinamika, UPT BPPH, resistensi test, propulsion test, manuver test, propeller open water test
I.
PENDAHULUAN
Salah satu alutsista laut yang strategis dan sarat dengan muatan teknologi tinggi, serta mempunyai efek psikologis yang tinggi terhadap lawan adalah kapal selam. Telah diketahui, bahwa selama ini pengadaan alutsista kapal selam dilakukan dengan cara membeli langsung dari luar negeri. Namun sejalan dengan program Komite Kebijakan Industri Pertahanan yang UndangUndang baru saja disahkan oleh DPR tahun 2012 ini, maka proses pembelian 3 kapal selam di Korea Selatan harus diiringi dengan proses Transfer of Technology kapal selam. Untuk mendukung program terse-
but maka dilakukan penelitian tentang kapal selam di UPT BPPH sejak tahun 2007 bersama Dinas Penelitian dan Pengembangan TNI-AL. Sayang program tersebut sempat terhenti selama 2 tahun karena adalah krisis ekonomi tahun 2008. Dengan dukungan Kementerian Riset dan Teknologi dan Kementerian Pertahanan, maka tahun 2010 penelitian dimulai lagi. Wilayah Indonesia yang berupa laut sebagian besar bersifat perairan litoral. Bahkan 50% lebih laut Indonesia mempunyai kedalaman rata-rata di bawah 100 m. Dengan sifat perairan seperti itu maka kapal selam yang cocok untuk wilayah Indonesia adalah kapal
Prosiding InSINas 2012
0026: Erwandi dkk.
HK-2 selam berukuran kecil, dengan tujuan agar sulit dideteksi saat melakukan tugas-tugas khusus. Data-data kapal selam mini tersebut ditampilkan dalam TABEL 1. G AMBAR 1 menunjukkan gambar perspektif kapal selam mini. Tujuan penelitian desain dan uji hidrodinamika kapal selam ini adalah untuk memprediksi aliran turbulent sebagai sumber noise, melakukan uji resistensi, merancang propeller, memprediksinya besarnya tenaga mesin yang akan dipasang pada prototipe kapal, mendesain fin dan kemudi, dan mengetahui karakteristik manuver kapal selam.
II.
badan kapal selam, distribusi kecepatan aliran di sekeliling badan kapal selam mini, kecepatan aliran di piringan propeller (propeller disk) tempat kerja propeller, yang berguna untuk proses desain propeller, dan gaya tahanan/resistensi. G AMBAR 2 menunjukkan contoh hasil simulasi distribusi kecepatan aliran di sekeliling badan kapal selam.
METODOLOGI
Untuk mendapatkan data-data variabel-variabel dan parameter-parameter gerak kapal selam mini yang diinginkan maka ditempuh dua cara penyelesaian masalah yang klasik dan lazim digunakan dalam bidang hidrodinamika yakni: simulasi numerik dengan Computational Fluid Dynamics (CFD) dan uji hidrodinamika model fisik dengan skala tertentu dengan menggunakan prinsip kesamaan berdasarkan bilangan Froude (Froude number).[1–3] Uji hidrodinamika dilakukan di tanki uji tarik (towing tank) dan di tanki manuver dan gelombang UPT BPPH BPPT.[4] TABEL 1: Ukuran utama kapal selam mini
Panjang total Diameter Draft Bobot (displacement)
permukaan terbenam
22.0 3.0 2.6 111 133
m m m ton ton
G AMBAR 2: Distribusi kecepatan aliran fluida di sekeliling badan kapal selam
Aliran fluida turbulen yang disebabkan oleh fin dan hydroplane terlihat secara nyata terjadi dan menerus sampai jauh di belakang badan kapal selam. Aliran ini juga ternyata berpengaruh pada distribusi kecepatan aliran di piringan propeller. G AMBAR 3 memperlihatkan distribusi kecepatan aliran di piringan propeller. Distribusi terganggu terutama di bagian atas piringan propeller. B.
G AMBAR 1: Bentuk kapal selam mini
III. A.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisa Numerik Aliran Fluida di Sekeliling Badan Kapal Selam Mini Analisa numerik dengan menggunakan perangkat Computational Fluid Dynamic (CFD) dilakukan untuk mengevaluasi karakteristik aliran di sekeliling badan kapal selam mini. Evaluasi meliputi desain bentuk
Uji resistensi Untuk uji hidrodinamika, maka sebuah model fisik dibuat dengan skala 1:7 di Ship Model Workshop UPT BPPH. Model tersebut kemudian diuji tarik untuk mendapatkan besarnya gaya resistensinya di tangki uji tarik (towing tank). G AMBAR 4(a) dan G AMBAR 4(b) memperlihatkan foto saat model di tarik baik di permukaan air maupun terbenam 2 meter. Untuk melakukan uji resistensi dalam kondisi terbenam maka sebuah pemegang khusus dan sebuah load cell dirancang untuk memegang model. Pemegang khusus tersebut dibungkus dengan foil tipis. Gaya resistensi badan kapal selam didapat dengan cara melakukan pengurangan antara total gaya badan kapal selam termasuk foil dengan gaya yang disebabkan oleh foil saja. Gaya resistensi di permukaan air ternyata jauh lebih besar dibandingkan dengan gaya resistensi kapal selam dalam kondisi terbenam. Hal ini normal karena gaya resistensi di permukaan air tidak hanya gaya friksi saya seperti dalam kondisi terbenam, tetapi juga ada gaya gelombang. G AMBAR 5(a) menunjukkan hasil pengukuran gaya resistensi di permukaan air. Ada fenomena punuk (hump) di sekitar Froude Number Fn = Prosiding InSINas 2012
0026: Erwandi dkk.
HK-3
(a)
G AMBAR 3: Distribusi kecepatan di piringan propeller
0.3. G AMBAR 5(b) menunjukkan hasil uji gaya resistensi model kapal selam 2 meter di bawah permukaan air. Evaluasi hasil uji resistensi menyimpulkan bahwa kecepatan dinas kapal selam mini adalah 6.5 knots di permukaan air bila menggunakan mesin diesel. Sedangkan kecepatan dalam kondisi terbenam direncanakan lebih besar dari 6.5 knots. Kecepatan ini bergantung pada kapasitas daya motor yang akan dipasang dalam kapal selam. Bila perlu kecepatan tersebut juga dapat mengatasi tahanan punuk pada permukaan bila tiba-tiba kapal selam harus muncul secara tiba-tiba dari kedalaman ke permukaan air. C.
Perancangan Propeller Berdasarkan data wake dari simulasi numerik dengan CFD dan hasil uji resistensi, dapat dirancang 2 buah propeller 7 daun high skew. Karena tiadanya pustaka yang membahas tentang perancangan propeller kapal selam maka untuk pendekatan pertama digunakan desain propeller berdasarkan data Wageningen B-series untuk propeller yang pertama. Sedangkan propeller kedua didesain dengan lebih rasional dengan menggunakan metode panel vortex lattice dan propeller lifting line theory. G AMBAR 6 menunjukkan layout gambar daun propeller dilihat dari samping, projected area, dan expanded area. G AMBAR 7(a) menunjukkan gambar 3D dari G AMBAR 6. Propeller tersebut kemudian dibuat modelnya di Mechanical Workshop
(b) G AMBAR 4: (a) Uji resistensi permukaan air (b) uji resistensi kondisi terbenam
UPT BPPH dengan skala 1 : 7. G AMBAR 7 (b) memperlihatkan foto model propeller pertama. Untuk mengetahui besarnya daya dorong propeller (thrust), torsi, dan efisiensi propeller maka perlu dilakukan uji propeller open water. Uji ini dilakukan untuk mengetahui karakteristik propeller tanpa badan kapal. Uji ini dilakukan di tangki uji tarik (towing tank) UPT BPPH. Foto uji propeller open water dapat dilihat pada G AMBAR 8. Contoh hasil uji propeller open water disajikan pada G AMBAR 9. Dari G AMBAR 9 terlihat bahwa efisiensi propeller sekitar 0.5 pada advance speed (J) 0.5. Hal ini menunjukkan bahwa kinerja propeller tidak sesuai dengan yang diharapkan. Berdasarkan hasil uji open water maka dilakukan modifikasi dan desain propeller yang baru. Modifikasi ini dimaksudkan untuk menambah efisiensi propeller. Potongan-potongan foil pada daun propeller didesain ulang menggunakan metode panel vortex lattice dan diperiksa dengan propeller lifting line theory. Layout desain propeller yang kedua ini diperlihatkan pada Prosiding InSINas 2012
0026: Erwandi dkk.
HK-4
(a)
(b)
G AMBAR 7: (a) Gambar 3D propeller (b) foto model propeller
(a)
G AMBAR 8: Uji propeller open water
(b) G AMBAR 5: Hasil uji resistensi (a) di permukaan (b) 2 meter di bawah permukaan
G AMBAR 6: Layout projected dan expanded area daun propeller
G AMBAR 10.
D. Uji Manuver Gerak Melingkar Untuk mengetahui kemampuan gerak manuver kapal selam maka dilakukan uji manuver gerak melingkar. Uji ini seharusnya dilakukan di tangki uji tarik dengan menggunakan alat yang dinamakan planar motion mechanism (PMM) baik secara vertikal dan horizontal. Model dipegang dengan PMM (uji captive) dan dipaksa untuk bergerak naik turun atau ke kiri dan ke
G AMBAR 9: Kinerja propeller di open water
kanan.[3] Pada saat digerakkan seperti itu diukur gayagaya yang bekerja pada kapal selam. Namun karena UPT BPPH tidak memiliki PMM maka pengujian dilakukan dengan metode free running. Model bergerak tanpa dipegang. Geraknya dipantau dengan video kamera. Tentu saja yang terukur adalah aspek kinematik gerak kapal selam. Sedangkan aspek dinamis Prosiding InSINas 2012
0026: Erwandi dkk.
HK-5
G AMBAR 10: Second designed propeller
yang berkaitan dengan gaya-gaya yang bekerja pada kapal selam tidak terukur. Uji manuver gerak melingkar dilakukan di tangki manuver dan gelombang (maneuvering and Offshore Basin) UPT BPPH. G AMBAR 11 menunjukkan foto saat model bergerak melingkar berlawanan arah jarum jam. Pada saat pengujian kemudi kapal digerakkan ke kanan dan ke kiri sebesar 35◦ . Gerak kapal kemudian dipantau dan ditangkap dengan alat ukur QUALYSIS motion capture.
G AMBAR 11: Uji manuver gerak melingkar
G AMBAR 12: Lintasan gerak kapal selam pada uji manuver gerak melingkar
numerik dengan menggunakan CFD dan melakukan serangkaian pengujian hidrodinamika dengan menggunakan model fisik. Uji hidrodinamika meliputi uji resistensi, uji propeller open water, uji gerak mandiri, dan uji manuver gerak melingkar. Data hasil uji resistensi menunjukkan kinerja kapal selam baik di permukaan maupun dalam kondisi terbenam. Dua rancangan propeller 7 daun telah dihasilkan berdasarkan data CFD dan data uji resistensi. Data karakteristik daya dorong (thrust), torsi, dan efisiensi propeller telah diuji dengan uji propeller open water. Uji manuver dilakukan dengan teknik free running. Gerak lintasan model ditangkap dengan menggunakan kamera dan didapatkan data berupa besarnya diameter taktis, pengurangan kecepatan, dan durasi selama bergerak melingkar.
DAFTAR PUSTAKA Contoh hasil lintasan gerak kapal selam selama melakukan gerak melingkar diperlihatkan pada G AM BAR 12 . Besarnya diameter taktis (tactical diameter) adalah 11.235 m untuk gerak melingkar searah jarum jam dan 11.045 m saat berlawanan arah jarum jam. Untuk gerak melingkar tersebut model kapal selam memerlukan waktu selama 42 detik searah jarum jam dan 41 detik bila berlawan arah jarum jam.
IV.
KESIMPULAN
Penelitian untuk mengetahui dan mengerti kinerja hidrodinamika kapal selam telah dilakukan di UPT BPPH. Penelitian tersebut meliputi simulasi dan analisa
[1] Bettle, M.C., Gerber, A.G., & Watt,G.D., Unsteady Analysis of the Six DOF Motion of Buoyantly Rising Submarine, Computers and Fluids, 38, pp. 1833-1849, 2009. (Journal) [2] Mackay, M., The Standard Submarine Model: a Survey of Static Hydrodynamic Experiments and Semi empirical Predictions, Defence R&D, TR 2003-079, 2003. (Technical Report) [3] Lee, S.W., Hwang, H. S., Ryu, C.M., Kim, H. I., Sin, S. M., A Development of 3000-ton Class Submarine and the Study on Its Hydrodynamic Performances, Proceeding of the Thirteenth (2003) International Offshore and Polar Engineering ConProsiding InSINas 2012
HK-6
0026: Erwandi dkk.
ference Honolulu Hawaii, USA May 2003. (Conference Proceedings). [4] Erwandi, Arief, T.S., Mintarso, C.S.J., The Study on Hydrodynamic Performances of IHL-MiniSubmarine, Proceeding of ”The Second International Conference on Port, Coastal, and Offshore Engineering (2nd ICPCO)” Bandung, 12-13 November 2012(Conference Proceedings).
Prosiding InSINas 2012
