Ketika pesawat terbang pada angle-of-attack (AoA) yang besar, banyak fenomena aerodinamis yang tidak lazim ditemukan ketika pesawat terbang pada AoA normal. Tidak seperti ketika sedang terbang pada AoA yang kecil, fenomena-fenomena ini sifatnya nonlinear.
Gambar 1: Lift Coefficient Curve
Gambar 2: Flow Separation
Gambar 1 adalah plot lift curve tipikal dari suatu airfoil. Ketika pesawat sedang terbang di sekitar stall angle-of-attack, karakteristik lift force yang dihasilkan oleh airfoil ini tidak lagi linear. Pada daerah ini, aliran udara di sekitar sayap mulai berpisah (flow separation - lihat Gambar 2), namun kadang-kadang masih akan kembali menempel di belakang sayap (flow reattachment). Sering kali, aliran udara di sayap kiri dan kanan pesawat juga tidak simetris sehingga menyebabkan adanya perbedaan lift yang dihasilkan oleh sayap. Ini menimbulkan rolling moment yang sering dikenal dengan stall buffeting.
Untuk meningkatkan kemampuan maneuver pesawat tempur modern, flight envelope ini harus dikembangkan. Pesawat-pesawat ini harus bisa terbang tidak hanya di daerah linear tetapi juga di daerah nonlinear ini. Dengan demikian, interaksi dari aliran udara yang tidak simetris terhadap dinamika gerak pesawat yang selama ini tidak perlu di pertimbangkan di masa lalu, kini menjadi sangat penting. Salah satu bentuk interaksi ini adalah fenomena wing rock.
Gambar 3: Roll Motion
Wing rock adalah suatu gerakan osilasi yang didominasi oleh rotasi di sumbu roll . Fenomena ini banyak diamati pada pesawat dengan sayap delta atau pada pesawat dengan angka aspect ratio yang rendah. Gerakan osilasi ini muncul secara otomatis akibat fenomena-fenomena aerodinamis nonlinear pada rolling moment, misalnya flow separationdan reattachment yang terjadi secara periodis pada sayap pesawat, vortex breakdown, dll. Adanya fenomena wing rock ini sangat membatasi maneuver pesawat (misalnya pada maneuver point-and-shoot) dan dapat mengakibatkan konsekuensi fatal.
Gambar 4: Point-and-Shoot Maneuver
Secara matematis, wing rock ini adalah fenomena nonlinear berbentuk limit cycle pada phase hyperplane (lihat Gambar 5). Ukuran derajat keparahan (level of severity) fenomena wing rock ditentukan oleh amplitudo osilasinya dan pada frekuensi gerakannya. Untuk dapat mengontrol dan meredam gerakan ini, perlu dilakukan pemodelan secara akurat mengenai fenomena ini.
Persamaan gerak pesawat pada kondisi trim didasarkan pada premis bhawa suku-suku nonlinear dan higher-order terms dapat diabaikan. Namun, momen aerodinamis nonlinear pada persamaan gerak pesawat ini tidak dapat diabaikan lagi ketika pesawat mulai terbang di wilayah nonlinear.
Gambar 5: Limit Cycle
Ada beberapa penyebab yang mungkin dari fenomena wing rock ini. Salah satu hasil eksperimental menggunakan model sayap delta (delta wing) yang dibatasi gerakannya pada sumbu-x (roll axis, 1 degree-of-freedom model) menunjukkan bahwa wing rock dipicu oleh aliran udara yang tidak simetris. Selain itu, beberapa literatur juga telah menunjukkan adanya hysteresis di momen aerodynamis di sumbu roll, yaw maupun pitch juga dapat menyebabkan wing rock. Hysteresis ini timbul karena vortex yang tidak simetris di sayap kiri dan kanan, vortex burst ataupun flow separation dan reattachment yang sifatnya periodik. Karena adanya hysteresis, momen yang dihasilkan tidak hanya bergantung pada variabel gerakan seperti AoA, sideslip angle ataupun laju spin, tetapi juga bergantung pada arah dari perubahan variabel-variable tersebut.
Pemekaran flight envelope ke regio nonlinear ini hanya dapat dilakukan apabila dinamika gerak pesawat di daerah tersebut dapat kita mengerti. Dengan demikian suatu stability augmentation system dapat dirancang untuk mengatasi hal-hal yang tidak diinginkan dan mempertahankan flying quality. Oleh karena itu, pemodelan dinamika pesawat di daerah ini adalah hal yang tidak dapat dipisahkan dari proses desain ini.
Referensi
1. Go, T. H. and Lie, F. A. P.,
Analysis of Wing Rock due to Rolling Moment Hysteresis, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 31, No. 4, 2008,
http://www.aiaa.org/content.cfm?pageid=406&gTable=jaPaper&gid=33216
