WINGTIP VORTICES (vortex-vortex di ujung sayap)

Aksi dari airfoil yang memberi gaya angkat pada pesawat juga menyebabkan drag. Sudah kita ketahui bahwa ketika sayap diterbangkan dengan angle of attack yang positif, ada perbedaan tekanan antara permukaan sayap atas dan permukaan sayap bawah, juga bahwa tekanan di atas sayap lebih kecil dari tekanan atmosfir dan tekanan di bawah sayap lebih besar atau sama dengan tekanan atmosfir.

Karena udara selalu bergerak dari tekanan yang tinggi ke tekanan yang rendah dan arah dari tahanan yang lebih kecil ke arah ujung sayap, maka ada arah gerakan udara di bawah sayap yang arahnya keluar dari badan pesawat (fuselage) ke sekitar ujung sayap. Aliran ini menghasilkan “tumpahan” di ujung sayap dan membuat putaran udara yang disebut “vortex”.

Pada waktu yang sama, udara di bagian atas permukaan sayap memiliki kecenderungan untuk mengalir ke arah fuselage dan keluar dari trailing edge. Aliran udara ini juga membentuk vortex di bagian dalam trailing edge sayap, tapi karena badan pesawat membatasi aliran udara ke dalam, vortex ini kurang signifikan. Konsekwensinya, penyimpangan dari arah aliran paling besar ada di ujung sayap (wingtip) di mana ada aliran paling kuat secara lateral yang tidak tertahan. Ketika udara berputar ke atas di sekitar wingtip, aliran tersebut bergabung dengan downwash  dari sayap yang membentuk trailing vortex yang berputar cepat.

Vortex-vortex ini menambah drag karena energinya dipakai untuk membuat turbulensi udara.

Hal ini dapat dilihat kemudian bahwa kapanpun sayap membuat lift maka induced drag akan terjadi dan juga vortex di wingtip.

Ketika lift bertambah dengan pertambahan angle of attack, induced drag juga bertambah. Hal ini terjadi karena angle of attack bertambah dan terjadi perbedaan tekanan yang lebih besar di antara bagian atas dan bawah sayap dan aliran udara lateral yang lebih besar. Konsekwensinya adalah, kejadian di atas menyebabkan vortex yang berbahaya ini akan terjadi, dan menghasilkan turbulensi yang lebih besar dan juga induced drag yang lebih besar.

Intensitas atau kekuatan dari vortex yang ada di wingtip adalah sebanding dengan berat pesawat dan berbanding terbalik dengan wingspan dan kecepatan pesawat. Makin berat dan makin pelan sebuah pesawat, maka makin besar angle of attacknya dan makin kuat wingtip vorticesnya. Karena itu, pesawat akan menghasilkan wingtip vortices dengan kekuatan maksimum pada waktu ada dalam fase lepas landas, climb (menanjak) dan mendarat. 

GROUND EFFECT

Pesawat dapat diterbangkan dengan ketinggian sedikit di atas daratan atau air dengan kecepatan yang lebih pelan daripada yang dibutuhkan untuk menerbangkannya di ketinggian yang lebih tinggi. Ini adalah hasil dari sebuah fenomena yang diketahui oleh penerbang biarpun tidak dimengerti bahkan oleh beberapa penerbang yang berpengalaman.

Ketika sebuah pesawat yang terbang beberapa kaki tingginya dari permukaan bumi, maka sebuah perbedaan terjadi dalam bentuk 3 dimensi di sekitar pesawat karena komponen vertikal dari aliran udara di sekeliling sayap tertahan oleh permukaan tanah. Hal ini mengubah arah semburan udara dari sayap yang ke atas (upwash), ke bawah (downwash ) dan vortex dari wingtip.

Ground effect mengubah aliran udara. Efek ini yang terjadi karena adanya permukaan tanah/air disebut “ground effect”. “Ground effect” terjadi karena gangguan dari permukaan tanah atau air terhadap pola aliran udara di sekitar pesawat yang terbang.

Karakter aerodinamik dari permukaan ekor dan badan pesawat (fuselage) diubah oleh ground effect, sedangkan efek yang paling prinsip karena jarak yang dekat dengan permukaan adalah perubahan karakter aerodinamik dari sayap. Ketika sayap mengalami ground effect dan dijaga pada lift coefficient tertentu, maka ada konsekwensi penurunan dari upwash, downwash dan vortex di wingtip.

Induceddrag adalah hasil dari kerja sayap yang mempertahankan pesawar dan sayap mengangkat pesawat dengan cara sederhana mengalihkan aliran udara ke bawah. Benar bahwa tekanan yang berkurang pada bagian atas dari airfoil adalah esensi dari lift, tapi ada juga satu hal yang mempunyai kontribusi seluruh efek menekan massa udara ke bawah. Makin banyak downwash , maka makin kuat sayap menekan massa udara ke bawah.

Pada jumlah angle of attack yang tinggi induced drag juga tinggi dan karena hal ini berhubungan dengan kecepatan terbang yang rendah/pelan (lower) maka bisa dikatakan bahwa induced drag mendominasi di kecepatan rendah.

Bagaimanapun pengurangan vortex di ujung sayap (wingtip) karena ground effects mengubah distribusi lift sepanjang sayap dan mengurangi angle of attack dan induced drag.

Maka dari itu sayap hanya membutuhkan angle of attack yang lebih kecil dalam ground effect untuk menghasilkan koefisien gaya angkat/ lift yang sama atau jika angle of attack yang sama dipertahankan maka koefisien lift akan bertambah.

Ground effect juga akan mengubah thrust yang dibutuhkan sesuai dengan kecepatan. Karena induced drag mendominasi di kecepatan rendah, pengurangan induced drag karena ground effect akan menyebabkan perubahan thrust yang dibutuhkan secara berarti (parasite + induced drag) pada kecepatan rendah.

Ground effect mengubah drag dan lift. Pengurangan pada aliran induksi (induced flow) karena ground effect menyebabkan pengurangan yang berarti pada induced drag tapi tidak ada efek langsung dengan parasite drag. Hasil dari pengurangan induced drag adalah thrust yang dibutuhkan pada kecepatan rendah akan berkurang.

Karena perbedaan pada upwash, downwash  dan vortex di ujung sayap maka mungkin akan ada perubahan dalam error/ kesalahan karena posisi (instalasi) pada sistem kecepatan (airspeed) yang berhubungan dengan ground effect. Pada kejadian-kejadian biasanya ground effect akan menyebabkan pertambahan pada tekanan lokal/ local pressure di static source dan menghasilkan penunjukkan yang lebih kecil pada indikator kecepatan dan ketinggian. Juga pesawat bisa lepas landas pada kecepatan yang lebih rendah yang ditunjukkan indikator (indicated airspeed) daripada yang dibutuhkan pada keadaan normal.

Untuk mendapatkan hasil terbesar dari ground effect maka sayap harus berada cukup dekat dengan permukaan. Salah satu hasil langsung dari ground effect adalah variasi dari induced drag karena ketinggian sayap di atas permukaan pada koefisien lift yang konstan.

Pada waktu ketinggian sayap sama dengan panjangnya maka pengurangan induced drag hanyalah 1.4%. Tapi pada waktu ketinggian hanya ¼ dari panjang sayap, maka pengurangan induced drag adalah 23.5% dan ketika sayap berada pada ketinggian 1/10 dari panjang sayapnya, maka pengurangan induced drag mencapai 47.6%. Jadi pengurangan yang besar hanya terjadi pada saat sayap berada sangat dekat dengan permukaan. Karena variasi ini maka ground effect biasanya dirasakan ketika lepas landas atau sesaat sebelum menyentuh landasan pada waktu mendarat.

Pada fase lepas landas, ground effect menghasilkan beberapa hubungan yang penting. Pesawat yang meninggalkan ground effect mengalami hal kebalikan dari pesawat yang memasuki ground effect pada waktu mendarat, yaitu, pesawat yang meninggalkan ground effect akan:

• memerlukan tambahan angle of attack untuk menjaga koefisien lift yang sama
• mengalami pertambahan induced drag dan thrust yang dibutuhkan
• mengalami pengurangan pada stabilitas dan momentum perubahan hidung pesawat ke atas (nose up)
• menghasilkan pengurangan tekanan pada sumber static (static source) dan penambahan pada kecepatan pesawat.

Efek-efek umum ini seharusnya mengingatkan pada kemungkinan bahaya jika lepas landas sebelum mencapai kecepatan yang direkomendasikan untuk lepas landas (take offspeed). Karena pengurangan drag pada ground effect maka pesawat sepertinya sanggup untuk take off di bawah take offspeed.

Tapi pada waktu pesawat naik meninggalkan ground effect dengan kecepatan yang tidak cukup, maka makin besar induced drag akan menghasilkan kinerja mendaki yang marjinal (pas-pasan).

Pada kondisi ekstrim seperti gross weight yang besar, density altitude yang tinggi dan suhu yang tinggi, maka kurangnya kecepatan pada waktu take off memungkinkan pesawat untuk lepas landas tapi tidak memungkinkan pesawat untuk lepas dari ground effect. Pada kejadian ini mungkin pesawat awalnya lepas landas dengan kecepatan minim dan kemudian kembali ke landasan. Pada kejadian ini sangat penting untuk tidak memaksa pesawat untuk lepas landas dengan kecepatan yang minim, kecepatan yang direkomendasikan oleh pabrik pesawat adalah kecepatan yang dibutuhkan untuk mendapatkan kinerja menanjak yang memadai. Karena alasan inilah maka climb/menanjak yang sudah jelas harus terjadi sebelum menaikkan roda pendaratan/flaps.

Pada fase pendaratan, efek dari dekatnya permukaan ini juga harus dimengerti dan diwaspadai. Jika pesawat dibawa ke permukaan tanah dengan angle of attack yang konstan, pesawat akan mengalami penambahan koefisien lift dan pengurangan thrust dibutuhkan. Kemudian, efek mengapung/“floating” mungkin terjadi. Karena pengurangan drag dan perlambatan dengan “power off” dalam ground effect, kelebihan kecepatan pada waktu melakukan “flare” akan menjadi tambahan jarak karena “float”. Pada waktu pesawat mendekati titik pendaratan/ “touch down”, ground effect akan terasa pada waktu ketinggian pesawat kurang dari panjang sayap. Pada fase final dari “approach” ketika pesawat dekat dengan permukaan, diperlukan pengurangan setting power atau pengurangan thrust untuk membuat pesawat naik di atas glide path yang diinginkan.