Pesawat terbang merupakan moda transportasi massal tercepat saat ini. Pengembangan teknologi penerbangan sampai saat ini adalah sangat menakjubkan. Begitu banyak teknologi tinggi (hi-tech) yang telah diaplikasikan pada pesawat terbang.
Salah satu bagian yang sangat penting pada suatu pesawat terbang adalah mesin pendorongnya, untuk pesawat terbang dengan kecepatan subsonic, Mach Number < 1 (kebanyakan pesawat jet penumpangkomersial) maka mesin turbofan-lah yang menjadi pilihan utama saat ini. Para engineer pun terus mengembangkan teknologi mesin turbofan ini agar bisa dihasilkan mesin yang lebih efisien, hemat bahan bakar, tingkat emisi gas buang yang lebih rendah dan tingkat kebisingan yang lebih rendah.
Beberapa pengembangan mesin pesawat terbang ini akan diuraikan pada beberapa tulisan. Untuk awalnya akan dimulai dengan membedah sedikit tentang sejarah singkat dan prinsip dasar mesin pesawat terbang ini.
Bila kita di Indonesia masih disibukan dengan hal-hal non teknis, seperti masalah politik, masalah birokrasi, masalah hukum/aturan dan sebagainya, sebaliknya para engineer bidang penerbangan di negara-negara belahan dunia lain, Seperti di USA, Eropa, Asia (beberapa contoh: China, Malaysia, Korea Selatan, Singapur danJepang) sudah melangkah sangat jauh ke depan untuk memikirkan pengembangan teknik terbaik yang dapat meningkatkan kemampuan mesin pesawat terbang ini. Sebagaimana diketahui mesin ini jugalah sebagai salah satu komponen utama yang dapat mempengaruhi biaya operasional termasuk harga tiket suatu penerbangan. Semakin efisien mesin maka akan semakin irit BBM pula, yang akhirnya biaya bahan bakar ini akan berkurang drastis, harga tiket pun akan ikut turun.
Beberapa perusahaan produsen teknologi penerbangan dan beberapa universitas jurusan teknik di beberapa negara Eropa, Asia dan USA bekerja sama untuk meningkatkan performa mesin pesawat terbang ini. Target mereka sangat ambisius tapi dapat memberikan pengaruh besar pada performa pesawat terbang di masa depan. Seperti target tahun 2020 kelompok kerja sama di Eropa ACARE (Advisory Council of Aeronautic Research in Europe), yaitu mengurangi tingkat kebisingan 50%, mengurangi emisi NOx 80%, mengurangi emisi CO250%, mengurangi konsumsi bahan bakar 20%, mengurangi biaya operasional dan percepatan produksi mesin dari mulai pengembangan sampai tersedia di market hanya membutuhkan waktu setengah dari waktu yang dibutuhkan saat ini. Pengembangan ini didasarkan pada mesin yang diproduksi sekitar tahun 2000.
Beberapa kelompok kerja sama pengembangan teknologi ini antara lain: ANTLE (Affordable Near-Term Low Emissions), EEFAE (Efficient & Environmentally Friendly Aero-Engine), CLEAN (Component Validator of Environmentally Friendly Aero-Engine), CLAIRE (Clean Air Engine), NEWAC (New Aero Engine Core Concepts), DREAM (valiDation of Radical Engine Architecture systeMs), CLEANSKY, SAGE (Sustainable And Green Engines), SILENCER (Significantly Lower Community Exposure to Aircraft Noise), VITAL (Environmentally Friendly Engine) dan sebagainya dengan beragam tujuan untuk meningkatkan kinerja mesin pendorong masa depan.
Prinsip dasar mesin pesawat terbang adalah sangat sederhana, yaitu bermula dari mesin turbojet yang terdiri dari komponen utama:
- *Intake untuk saluran masuk udara;
- *Kompressor untuk mengkompresikan udara yang dihisap mesin;
- *Ruang bakar untuk membakar campuran udara dan bahan bakar sehingga temperaturnya meningkat dengan siklus kerja Brayton (pembakaran pada tekanan konstan);
- *Turbin untuk mengubah energi aliran udara menjadi energi mekanis untuk menggerakan kompresor;
- *Nozzle/Exhaust untuk mengalirkan aliran udara berkecepatan tinggi (jet) keluar mesin yang selanjutnya menghasilkan gaya dorong untuk menggerakan pesawat terbang.
Pada perkembangannya, ditambahkan sejumlah turbin tekanan rendah untuk menggerakan baling-baling (turbo-propeller) maupun fan (turbofan).
[caption id="attachment_351652" align="aligncenter" width="519" caption="Turbojet"][/caption]
Ada beberapa tipe mesin pendorong pesawat terbang, bergantung pada kecepatan jelajah pesawat tersebut, yaitu mesin turbo-shaft untuk helikopter (sebagian masih ada yang menggunakan mesin piston), mesin baling-baling yang ditenagai mesin piston ataupun mesin turbin gas (turbo-prop), mesin turbojet dan mesin turbofan. Tulisan ini hanya akan membahas tentang mesin turbofan yang paling banyak digunakan pada pesawat komersial kargo dan penumpang.
Pada masa mendatang sekitar setelah tahun 2025 dunia penerbangan akan banyak membutuhkan pesawat ukuran sedang single-aisle, sekelas Boeing 737 dan Airbus A320 untuk menggantikan pesawat yang telah menua ataupun menambah jumlah pesawat baru. Selain itu juga muncul beberapa pendatang baru seperti Bombardier’s CSeries, Mitsubishi’s MRJ90 and Comac’s C919. Pesawat-pesawat ini akan menggunakan mesin turbofan, yang sekarang sedang gencar-gencarnya dikembangkan agar lebih ekonomis dan efisien agar bisa memenuhi peraturan lingkungan yang semakin ketat di masa depan (kebisingan dan emisi gas buang).
[caption id="attachment_351722" align="aligncenter" width="494" caption="Contoh pesawat single-aisle Airbus A320"]
Pada awal munculnya era pesawat terbang jet komersial sekitar era 1950-an, mesin pendorong yang diaplikasikan adalah jenis turbojet murni. Mesin ini sangat boros bahan bakar, emisi gas buang berbahaya yang tinggi dan sangat bising. Kemudian berangsur-angsur dimulai era mesin turbofan, dimulai dari low bypass turbofan (BPR/The Bypass Ratio antara 1 dan 2) sampai saat ini very high bypass turbofan (BPR>12), yang semakin efisien, semakin berkurang emisi gas buang berbahayanya dan tingkat kebisingan yang semakin rendah, serta biaya operasional yang semakin murah. Pada dasarnya mesin turbofan adalah modifikasi dari mesin turbojet, dengan penambahan turbin tekanan rendah, fan dan selubung saluran bypass di keliling mesin inti (core engine) untuk meningkatkan jumlah massa aliran udara.
[caption id="attachment_351720" align="aligncenter" width="351" caption="Mesin turbojet (tanpa selubung saluran bypass)"]
[caption id="attachment_351654" align="aligncenter" width="364" caption="Low bypass turbofan"]
[caption id="attachment_351657" align="aligncenter" width="600" caption="High bypass ratio turbofan"]
[caption id="attachment_351719" align="aligncenter" width="490" caption="Mesin turbofan (sumber: Mike James Media)"]
Gaya dorong mesin pesawat terbang secara sederhana dapat dihitung:
F = ms . (Vjet – V pesawat) ,
Dengan, F = Gaya dorong pesawat (N);
ms = kapasitas massa aliran udara (kg/detik);
Vjet = Kecepatan aliran udara keluar mesin (m/detik);
V pesawat = Kecepatan pesawat (m/detik).
Dari persamaan ini jelas untuk menambah gaya dorong mesin bisa dengan 2 cara, yaitu menambah kapasitas massa aliran udara atau menambah kecepatan aliran udara keluar mesin. Jumlah bahan bakar yang dibutuhkan berbanding lurus dengan VJet kuadrat, maka penambahan Vjet yang kecil sekalipun akan membutuhkan sejumlah bahan bakar yang besar, yang berarti peningkatan emisi gas buang CO2 (karbon dioksida). Karena itu untuk menghasilkan gaya dorong dengan penghematan bahan bakar pada kecepatan subsonic adalah lebih baik menambah jumlah kapasitas massa aliran udara. Hal ini mungkin dicapai dengan pemakaian mesin turbofan di mana ms dapat ditingkatkan secara drastis danVjet diturunkan.
Itulah yang membedakan antara mesin turbojet murni dan mesin turbofan. Mesin turbojet akan membutuhkan bahan bakar yang jauh lebih banyak dibandingkan dengan mesin turbofan berkekuatan sama. Semakin besar bypass ratio mesin turbofan, maka akan semakin hemat bahan bakar. Selain itu mesin turbofan juga lebih rendah emisi gas buang dan tingkat kebisingannya.
Sedangkan efisiensi total mesin turbofan dapat dicapai dengan 2 cara: meningkatkan kinerja mesin inti (layaknya mesin turbojet) dan meningkatkan kapasitas aliran massa udara. Secara sederhana efisiensi total mesin dapat dituliskan dengan persamaan berikut:
ntotal = npropulsion · nthermal
npropulsion ini dapat dicapai dengan peningkatan bypass ratio dan nthermal dapat dicapai dengan peningkatan kinerja mesin inti.
Bagaimana cara meningkatkan efisiensi total (ntotal) ini? Hal ini dapat diusahakan dengan banyak cara, yang telah diupayakan melalui kelompok kerjasama pengembangan teknologi yang telah disebutkan sebelumnya, dan akan dibahas pada tulisan-tulisan berikutnya.
