Desain Pesawat (Bagian 1): Membuka Horizon Baru dalam Rekayasa Penerbangan

Di antara jurusan rekayasa paling sulit di seluruh dunia, rekayasa penerbangan dan aeronautika bermakna berada di puncak daftar. Setiap insinyur yang membaca artikel ini mungkin familiar dengan siklus desain biasa yang terlibat dalam desain produk apa pun, tetapi adalah tingkat kerumitan yang diperlukan di bidang penerbangan yang membuatnya begitu tantangan.

Desain pesawat modern menghadapi tantangan operasional, lingkungan, dan keuangan yang ketat. Perubahan paradigma massal sedang terlihat dalam cara sistem kompleks dirancang dan cara menghindari kekurangan desain seperti dalam kasus Boeing 737 Max terbaru. Dalam artikel ini, kita akan membahas alur siklus desain pesawat modern dan kasus di mana menggunakan jasa produsen prototipe untuk pengujian skala dapat menyelamatkan hari.

Jelajahi lebih banyak detail tentang industrial design prototyping di sini.

Siklus Desain Pesawat Modern

Setiap perancang yang membaca artikel ini mungkin familiar dengan tiga tahap desain dasar yaitu Konseptual, Awal dan Rinci. Namun, persaingan sengit di antara pemain pasar dengan harapan tinggi dari pelanggan berarti perusahaan harus berinovasi secara luar biasa dalam tahap desain untuk memenuhi kriteria yang beragam. Mari kita bahas siklus desain pesawat berdasarkan biaya siklus hidup dengan bantuan diagram berikut.

Seperti yang Anda lihat, tiga tahap pertama sebelum tahap produksi menyumbang 95% dari seluruh biaya. Di antara tiga tahap awal, yang paling penting adalah Fase 1 yaitu Perencanaan dan Desain Konseptual. Oleh karena itu, mari kita fokus pada fase pertama secara detail diikuti oleh dua lainnya.

Perencanaan dan Desain Konseptual

Langkah awal ditandai oleh studi kelayakan yang menentukan apakah persyaratan dapat terpenuhi dengan teknologi yang ada atau tidak. Selain itu, studi kelayakan juga membantu mengoptimalkan jalur untuk proyek i.e. desain ulang penuh yang berarti risiko dan biaya tertinggi atau adopsi/modifikasi desain yang ada. Setelah itu, tahap desain konseptual dimulai. Setiap perancang pesawat sangat mengenal model Raymer dan Roskam dan seperti yang mereka gariskan, tahap desain konseptual melibatkan menjawab pertanyaan dasar berikut:

• Apakah itu akan bekerja?
• Bagaimana penampilannya?
• Apa persyaratannya?
• Bagaimana mengoptimalkan tradeoff?
• Bagaimana mengoptimalkan bobot dan biaya?

Tujuan akhir dari tahap desain konseptual adalah untuk mengidentifikasi dan menyiapkan konsep desain yang feasible dan optimal untuk penyempurnaan lebih lanjut. Fase ini melibatkan menciptakan, mempelajari, dan memeriksa berbagai konsep desain, semuanya dengan pengetahuan minimal tentang hasil eksperimental dan data terbatas mengenai praktikalitas desain. Grafik di bawah paragraf ini menggambarkan rentang ketidakpastian yang lebih besar selama tahap konseptual dibandingkan dengan tahap lanjutan. Menambah ini, sebesar 65 persen dari biaya siklus hidup terjadi pada tahap ini berarti setiap perubahan pada desain dasar di kemudian hari berarti pengurangan pendapatan keseluruhan dan perpanjangan batas waktu.

Dilema yang sering dihadapi di tahap desain konseptual adalah memulai program desain tanpa merumuskan secara jelas serangkaian persyaratan yang harus dipenuhi. Merumuskan persyaratan pasar dan membuat pelanggan menyatakan ekspektasi mereka secara eksplisit sangat penting. Penyempurnaan persyaratan di tahap lebih akhir menghasilkan pendekatan yang tidak ekonomis dan tidak efisien dan siklus desain semacam ini memiliki implikasi parah terhadap biaya siklus hidup yang terjadi. Dalam kasus desain pesawat, ada beberapa set persyaratan dan ekspektasi yang sering bertentangan yang ditetapkan oleh pelanggan. Set sistem pesawat yang beragam dan kompleks berdasarkan berbagai bagian pesawat misalnya sayap, mesin, fuselage, roda landasan, ekor, dan canard berarti banyak tantangan.

Menangani ini adalah seni yang tersendiri dan itulah sebabnya keputusan semacam ini dipromosikan menggunakan teknik seperti Multiple Attribute Decision Making (MADM). Dengan bantuan teknik semacam ini, pertimbangan implisit dimainkan, dan pengambilan keputusan bergerak dari pendekatan deterministik tunggal ke pendekatan dinamis dan parametrik. Selain itu, teknik seperti Multidisciplinary Analysis and Design Optimization adalah vital untuk memenuhi serangkaian batasan yang rumit dalam lingkungan semacam ini. Teknik ini telah diuraikan dalam diagram berikut yang menggambarkan interaksi antara berbagai jurusan aeronautika.

Mengenai ketidakpastian di tahap desain konseptual seperti diuraikan sebelumnya, metode yang didirikan didasarkan pada teori probabilitas dan metode desain. Metode ini melibatkan penggunaan Probability Density Functions (PDFs) dan Cumulative Distribution Functions (CDFs) untuk setiap batasan desain. Data untuk beberapa batasan desain kemudian digambar bersama-sama dan dianalisis. Data kumulatif ini memberikan perancang wawasan yang jelas tentang wilayah desain dan apakah dia perlu melonggarkan batasan apa atau memperkenalkan teknologi apa untuk kebaikan keseluruhan dari siklus desain.

Singkatnya, perancang menciptakan hubungan antara variabel masukan dan keluaran sambil mempertimbangkan variabilitas faktor masukan.

Desain Awal

Tahap ini sangat kritis untuk menentukan ukuran berbagai faktor desain untuk konsep yang difinalkan di fase pertama. Ini memerlukan studi dan analisis mendalam dari interaksi disiplin ilmu antara berbagai sistem dan subsistem pesawat. Misalnya, konsep aeroelasticity adalah kombinasi mekanika struktural dan aerodinamika.

Di era rekayasa modern saat ini, tahap desain awal juga mencakup pertimbangan seperti keandalan, kemampuan pemeliharaan, stabilitas, dan kontrol, keamanan, dan ekonomi. Sekarang kita akan membahas dengan lebih detail tantangan yang ada di tahap desain ini dan cara optimal untuk menghadapinya.

Pemodelan yang canggih, kompleks, dan akurat memerlukan penggunaan algoritma numerik lanjutan misalnya Computational Fluid Dynamics dan Finite Element Analysis. Namun, biaya komputasi yang sangat tinggi berarti tantangan lain bagi perancang. Diagram berikut secara gamblang menggambarkan tradeoff yang terlibat dalam memilih alat fidelitas tinggi versus menggunakan simulasi sederhana.

Beralih ke alat yang kompleks dan fidelitas tinggi tidak hanya berarti biaya komputasi yang lebih tinggi tetapi juga ada tantangan untuk menangani berbagai variabel, seringkali berjumlah ratusan, dan ketergantungan mereka pula. Oleh karena itu, waktu yang signifikan dihabiskan untuk mengidentifikasi dan memetakan lingkungan simulasi. （Cerita belum berakhir!!!）

Jika Anda masih tertarik dengan konten, silakan baca Aircraft Design (Bagian 2): Memperluas Cakupan. Terima kasih.