Sistem Pengondisian Udara Pesawat Terbang

Selain memerhatikan aspek keamanan pada pesawat, penerbangan juga harus memerhatikan aspek keselamatan pada manusia. Salah satunya, udara dalam kabin. Hal ini berkaitan dengan karakteristik udara seperti suhu, tekanan, dan temperatur udara dalam kabin pada saat terbang yang, tanpa kontrol buatan, tidak akan normal untuk manusia seperti saat berada di permukaan bumi. Untuk itulah diperlukan sistem pengatur kondisi lingkungan pada pesawat, dalam hal ini sistem pengondisian udara. Tulisan ini dimuat di sini.

Sistem pengondisian udara pesawat terbang (AC) tersusun atas beberapa peralatan (penukar panas, fan, kompresor, katup, dan lain-lain) yang menyuplai dan mendistribusi udara segar ke dalam kabin dan kompartemen untuk ventilasi, presurisasi, dan kontrol temperatur. Terdapat dua macam mesin AC yang digunakan pada pesawat terbang: mesin siklus uap dan mesin siklus udara. Umumnya, mesin siklus udara lebih banyak digunakan karena lebih ringan dan lebih andal.

Mesin siklus udara ini beroperasi pada siklus pendinginan lup terbuka Brayton seperti siklus daya Brayton untuk enjin turbin gas. Udara bertekanan tinggi yang diambil dari kompresor enjin turbin gas didinginkan pada suatu penukar panas menggunakan udara ambien sebagai pendingin. Kemudian udara panas tadi direfrigerasi secara ekspansi dalam turbin. Ekspansi tersebut menghasilkan daya pada poros turbin yang kemudian diserap oleh fan udara ambien dan atau kompresor.

Konfigurasi yang mungkin dari mesin siklus udara mencakup siklus sederhana (turbin -- fan pada satu poros), bootstrap dua roda (turbin -- kompresor seporos tapi tetap ada fan), tiga roda (turbin -- kompresor -- fan seporos), dan empat roda (turbin -- turbin -- kompresor -- fan seporos dual spool). Masing-masing konfigurasi mesin tersebut memiliki cara kerja yang berbeda sehingga menghasilkan kelebihan dan kekurangan tersendiri.

AC Siklus Sederhana

Pada AC siklus sederhana, udara panas bertekanan tinggi (ram air) diambil dari keluaran aliran enjin lalu dialirkan melalui penukar panas dan sebagian dari energi panasnya dibuang ke arus udara dingin yang diperoleh dari udara ambien (bleed air). Udara dingin ini mengalir melalui penukar panas akibat energi tekanan yang ditingkatkan oleh fan baik saat pesawat berada di tanah atau terbang dengan kecepatan rendah.

Untuk penerbangan kecepatan tinggi, udara dingin tersebut dikenai gaya di dalam sistem melalui tekanan impak. Fan dipasang pada akhir garis aliran guna menghindari peningkatan temperatur sebelum udara mengalir melalui penukar panas. Setelah meninggalkan penukar panas, udara bertekanan berekspansi dalam turbin. Selama proses ekspansi, energi panas dan tekanan dikonversi pada poros daya turbin.

Sebagian daya ini diserap oleh fan dan sebagian lagi didisipasi sebagai energi friksi pada dudukan mesin. Kontrol temperatur udara keluaran AC dilakukan menggunakan katup lewatan (bypass valve), yang menyimpangkan sebagian udara bertekanan sebelum mencapai penukar panas. Udara panas ini lalu dicampur dengan udara dari keluaran turbin lalu mengalir melalui pemisah air bertekanan rendah, dimana 60 sampai 80 persen kelembapan dihilangkan sebelum masuk ke kabin.

AC Siklus Bootstrap Dua Roda

Sumber : Dokumentasi Penulis

Pada sistem bootstrap dua roda, terdapat tambahan berupa dua tahap penukar panas (primer dan sekunder) dan kompresor. Sedangkan pada sistem tiga roda, ditambah lagi dengan pemulih panas (penukar panas regenerative) dan kondensor. Sementara pada sistem empat roda, mirip dengan sistem tiga roda, tetapi menggunakan dua turbin sehingga terdapat dual spool.

Pada sistem dua roda, udara ambien (bleed air) dilewatkan kompresor pertama yang dapat menggunakan kompresor enjin utama, kompresor unit pembantu daya (APU), atau kompresor berpenggerak elektrik, menyesuaikan dengan kondisi terbang dan tipe pesawat. Kemudian, udara panas bertekanan tinggi (ram air) dilewatkan kompresor dan didinginkan dalam penukar panas primer primer dengan membuang panasnya ke udara dingin dari udara ambien yang disebut sebelumnya.

Selanjutnya, udara hasil pendinginan pertama pada penukar panas primer tersebut dilewatkan ke penukar panas sekunder. Saat itu, udara panas disedot lagi dan saat melewati penukar panas sekunder, telah terdapat udara hasil pendinginan pertama yang lebih dingin sehingga terjadi pendinginan kedua. Udara hasil pendinginan kedua lalu mengalir melalui penukar panas primer sehingga terjadi pendinginan selanjutnya. Proses tersebut diulang agar pendinginan lebih optimal.

Udara hasil pendinginan lanjut tersebut dilewatkan kembali melalui penukar panas sekunder tapi kemudian dialirkan menuju turbin sehingga mengalami refrigerasi secara ekspansi. Ekspansi tersebut menghasilkan daya yang sebagian dikonversi ke poros putar untuk memutar kompresor dan sebagian lagi menjadi friksi. Udara hasil refrigerasi secara ekspansi kemudian dilewatkan pemisah air untuk mengatur kelembapan untuk sebelum dimasukkan ke dalam kabin.

Sebelum dilewatkan pemisah air, udara hasil ekspansi dapat terlebih dahulu diberikan kontrol temperatur jika diperlukan dengan menggunakan ruang pencampuran memanfaatkan katup pengatur suhu yang menyimpangkan udara dingin dari ambien sebelum memasuki penukar panas primer. Selanjutnya udara hasil campuran ini mengalami proses yang sama sampai kabin.

AC Siklus Tiga Roda

Sumber : Dokumentasi Penulis

Pada sistem tiga roda, udara dingin dari udara ambien diambil menggunakan fan melewati penukar panas sekunder dan primer. Sebagian udara panas dari kompresor mesin (atau APU dan tipe lain seperti di atas) dilewatkan melalui penukar panas primer sehingga terjadi pendinginan pertama di sana. Sebagian udara panas tersebut melewati fan sehingga menghasilkan daya untuk menyedot udara dingin tadi.

Hasil pendinginan pertama kemudian dilewatkan kompresor lalu dilewatkan penukar panas sekunder sehinga terjadi pendinginan yang berulang seperti pada sistem dua roda. Sebagian udara hasil pendinginan lanjut pada penukar panas sekunder kemudian dilewatkan pemulih panas sebelum dilewatkan turbin untuk refrigerasi secara ekspansi. Sebagian lagi langsung dibawa menuju kondenser untuk menjadi pengatur temperatur menggunakan katup pengatur.

Sementara, udara hasil refrigerasi secara ekspansi pada turbin juga dimasukkan ke dalam kondenser untuk dicampurkan guna mengatur kelembapan dan temperatur sebelum dimasukkan ke pemisah air.

Setelah melalui pemisah air, udara dikenakan proses yang berulang dari pemulih panas hingga kondensor untuk hasil yang lebih optimal sebelum dimasukkan ke dalam kabin. Pada sistem empat roda, tidak jauh berbeda, hanya saja digunakan dua turbin (satu untuk fan, satu untuk kompresor).

Penggunaan masing-masing sistem tesebut dipengaruhi oleh kapasitas kabin penumpang. Semakin besar kabin, pendinginan yang diperlukan semakin besar sehingga sistem bootstrap dengan lebih banyak 'roda' diperlukan. Penggunaan masing-masing sistem tersebut dapat diketahui pada tabel berikut. Dapat dilihat bahwa pesawat tertentu memiliki kabin (dan otomatis kapasitas penumpang) lebih besar dengan angka seri lebih besar (B777 dan A380 masing-masing lebih besar dari B737-400 dan A340).

Sumber : Slide Kuliah Dosen Penulis

Selain itu, desain sistem pengondisian udara harus memerhatikan persyaratan kelaikan udara yang diterbitkan oleh lembaga-lembaga sertifikasi penerbangan seperti FAA agar pesawat dapat beredar di pasar. Kelaikan tersebut memberikan seumlah batasan pada besar karakteristik udara tertentu yang terdapat dalam kabin. Persyaratan-persyaratan kelaikan tersebut sebagian telah dibahas pada tulisan sebelumnya. Dan sisanya insya Allah akan dibahas pada tulisan lain di masa mendatang.