Pesawat Lebih Elektrik (More Electric Aircraft)
Teknologi pesawat terbang telah berkembang pesat. Di era 1950-1960an, "Fly by wire" kala itu mungkin masih merupakan konsep semata. Tidak terbayangkan pastinya, flight surface control mampu dikendalikan secara elektronik oleh komputer-komputer. Demikian juga pengoperasian mesin pesawat, yang kini secara cerdas dikendalikan oleh Engine Electronic Control (EEC): sedemikian rupa sehingga pengaturan mesin benar-benar terintegrasi dengan fase terbang pesawat, kondisi cuaca, maupun rencana penerbangan (flight plan) yang diberikan oleh pilot sebelum terbang.
Generasi kita kini telah terbiasa menaiki pesawat yang sebenarnya dikendalikan autopilot, dari pesawat sekecil A320-200 (dan NEO series yang baru saja melengkapi armada meskapai Citilink), hingga pesawat trans-kontinental sebesar B777-300-ER. Kemudahan-kemudahan seperti itu, selain dirasakan secara langsung oleh pilot dan kopilot, tentu telah memungkinkan kita melakukan penerbangan-penerbangan yang semakin aman dan jauh. What's next? Pesawat yang dapat lepas landas sendiri?
Mungkin tidak sejauh itu, dan mungkin anda juga masih awam dengan istilah yang akan saya sebutkan, "More Electric Aircraft". Ya, pesawat terbang (yang) lebih elektrik dan elektronik. Patut disayangkan memang, perkembangan pesawat terbang belum dapat menyamai moda transportasi darat yang kini sudah semakin elektrik, bila tidak ingin dikatakan "All-Electric". Pesawat terbang memang patut iri, karena daya gerak yang dibutuhkan oleh KRL tidaklah sebesar pesawat. Sehingga, cukuplah motor listrik yang digerakkan dan dikendalikan oleh VVVF (Variable Voltage Variable Frequency) Inverter.
Pesawat terbang? Mungkin anda pernah melihat Airbus E-Fan, dimana pesawat terbang ini benar-bear diaktuasikan oleh motor listrik, yang ditenagai oleh baterai. Tetapi, pesawat ini masihlah prototype: pun anda tidak akan dapat menemukan kelas bisnis maupun ekonomi, karena pesawat ini hanya berpenumpang maksimal dua orang, dan waktu jelajahnya dibatasi satu jam terbang saja.
Apa yang membatasi pesawat terbang sehingga tidak dapat benar-benar ditenagai oleh listrik? Kepadatan daya (power density) listrik patut diakui masih lebih rendah ketimbang energi berbasis bahan bakar fossil. Kontributornya, belum ada sistem penyimpanan energi listrik yang benar-benar efisien, kompak, dan ringan. Lihatlah aki motor yang hanya mampu menyuplai daya secara terbatas. Sekarang bayangkan, berapa banyak baterai yang dibutuhkan untuk pesawat penumpang sekelas ATR72 saja. Berat? Jelas.
Lantas, bagaimana dengan konsep pesawat lebih elektrik? Terjemahan lebih sederhana untuk konsep ini adalah, mensubstitusi penggerak-penggerak non-propulsif (bukan penggerak pesawat), menjadi berbasiskan tenaga elektrik. Sebagaimana yang kita ketahui, sistem penggerak non-propulsif pada pesawat dapat kita bagi menjadi empat: hidrolik, pneumatik, mekanik, dan elektrik. Pada bagian selanjutnya, penulis akan menjelaskan system hidrolik, pneumatik, dan elektrik: bagaimana konsep pesawat lebih elektrik dapat mengubah paradigma kita terhadap sistem pesawat konvensional.
Hidrolik
Sistem hidrolik menjadi sistem utama yang menggerakkan kendali pada pesawat: aileron, rudder, elevator, spoiler, slat, dan flap. Hulu dari sistem hidrolik ini adalah engine driven pump. Kemudian, untuk satu sistem hidrolik saja, pipa-pipa terbentang lebar: engine nacelles, firewall, pylons, lalu ke wheel-well, sayap, tail section, hingga ke depan ke arah nose, yang terdiri dari lajur bertekanan (pressurized lines) dan lajur balik (return lines), case drain, pumps, dan reservoir system. Membawa pipa-pipa bertekanan ini, diterpa perubahan suhu yang ekstrim, ditambah getaran-getaran mekanik, tidak heran apabila kelak kebocoran dapat terjadi (dan dapat menyusahkan juga).
Pada pesawat lebih elektrik, lajur pipa-pipa hidrolik ini akan dikurangi, dengan penggunaan Electro-Hydrostatic Actuator (EHA), atau Electrical Back-up Hydraulic Actuator (EBHA). EHA juga dapat dikatakan sebagai "Self-actuated electric hydraulic block": blok aktuator hidrolik akan diaktuasikan oleh pompa listrik (kemudian mengatur aliran hidrolik), alih-alih dikendalikan oleh servovalve yang mengatur aliran hidrolik. Ilustrasi primary flight control system actuators pada A380-series berikut akan lebih menjelaskan:
Lebih sedikit hydraulic supply & return line, secara intuisif menjadikan sistem EHA mampu mengeliminir permasalahan kebocoran, mengurangi berat pesawat, dan kompleksitas sistem tubing hidrolik. Adapun pada system EBHA, kita dapat mengeliminir system hidrolik ketiga, menyubstitusikannya dengan electrical backup system (bisa dalam bentuk electrical-driven pump yang menggerakkan setiap blok hidrolik).
Pneumatik
Mesin pesawat terbang konvensional biasanya melakukan “tapping” engine bleed air, sebagai sumber daya pneumatik utama. Daya pneumatik ini, kemudian diutilisasi untuk aircraft pressurization, mengatur suhu di dalam pesawat, serta digunakan untuk engine cowl anti-ice protection. APU juga mengutilisasi daya pneumatik, untuk proses starting engine (melalui air turbine starter). Logikanya sederhana: udara yang dihisap mesin pesawat di “tapping” sebagian, lalu masuk ke Intermediate Port dan High Pressure Bleed Port (tergantung flight phase). Kemudian, tekanannya diatur oleh Pressure Regulating Valve (PRV), dan suhunya diatur oleh Pre-Cooler (dengan udara pendinginnya bersumber dari Fan Air.
Desain seperti ini, tentu saja menurunkan efisiensi mesin pesawat untuk menghantarkan thrust. Apakah ada cara lain? Boeing melalui B787 “Dreamliner” Series telah membuktikan kemungkinan hal ini, melalui aristektur “No-Bleed Architecture” pada mesin pesawatnya. Semua fungsi “Bleeding” diminimalisir, terbatas hanya untuk engine cowl anti-icing, dan pressurization hydraulics reservoir. Fungsi-fungsi lainnya telah “dielektrifikasi”. Bagaimana dengan air turbine starter dari APU ke Engine? Fungsi ini juga tidak luput dari elektrifikasi.
Fungsi cabin pressurization & air conditioning (selanjutnya disebut Environmental Control System – ECS) dilakukan oleh kompresor listrik, dengan udara yang diambil dari katup-katup cabin air inlets. Dengan kompresor listrik yang mudah dikendalikan, tekanan udara yang diinginkan pun dapat diatur persis sesuai dengan kebutuhan, tidak bergantung dari beban mesin pesawat pada beragam flight phase. Selain meminimalisir tekanan udara berlebih yang (pada waktu tertentu) harus dibuang sia-sia keluar, hal ini dapat menjamin beban mesin pesawat benar-benar fokus dalam menghasilkan thrust (minimum thrust tidak dipengaruhi oleh kewajiban engine untuk melakukan aircraft pressurization) yang lebih efisien.
Elektrikal
Selain sebagai konsekuensi dari elektrifikasi pada sistem hidrolik dan pneumatik (bertambahnya beban elektrikal), konsep pesawat lebih elektrik dirasa perlu untuk meningkatkan efisiensi dari sistem elektrikal yang telah ada pada pesawat terbang. Salah satu studi kasusnya adalah di A380-Series yang telah menerapkan Variable frequency generator (VFG) sebagai main electrical power drive, menggantikan Integrated Drive Generator (IDG). VFG adalah salah satu perbaikan major dari kelistrikan pesawat konvensional, dengan menihilkan fungsi pengatur frekuensi secara mekanik yang biasa kita temukan di CSD maupun IDG. Fungsi pengaturan frekuensi kini sepenuhnya diambil alih oleh rangkaian elektronika daya di dalam VFG ini. Tanpa moving parts yang rumit, jelas VFG lebih unggul dalam weight saving, maintainability dan reliability, ketimbang IDG konvensional.
Bagaimana dengan B787-Series? Boeing melangkah lebih jauh lagi, yakni menambahkan jaringan daya dengan tegangan nominal 235 VAC 115 Hz, dan 270 VDC, sebagai konsekuensi dari ekspansi beban elektrikal. Mengapa 270 VDC? Level tegangan yang lebih tinggi, berarti untuk beban daya yang sama, diperlukan arus yang lebih kecil. Artinya, luas penampang kabel tentu saja lebih kecil, selain dari tingkat isolasi kabel yang diperlukan tentu lebih rendah. Alasan ini cukup wajar, mengingat beban 270 VDC di B787-Series ini dipasrahi tugas yang berat dan berkarakteristik fluktuatif, seperti pompa hidrolik, kompresor untuk sistem ECS, serta untuk engine starting. Detail dapat dilihat sebagai berikut:
Seiring dengan semakin ekstensif nya penggunaan beban elektrikal pada pesawat, maka dibutuhkan pula sistem manajemen daya yang dapat mengakomodir kompleksitas ini. Pada B787-Series, E/E Bay dipecah pada dua lokasi, yakni forward E/E bay dan aft E/E bay. Untuk fungsi kendali, maka pada beberapa titik beban di pesawat ini juga dilengkapi dengan Remote Power Distribution Unit (RPDU). Dengan terdistribusinya sektor-sektor beban yang dikendalikan oleh masing-masing RPDU ini, serta dipecahnya E/E bay menjadi dua lokasi, maka pengkabelan yang semula panjang (dari satu E/E bay ke beban lalu kembali ke satu E/E bay lagi) dapat dibuat menjadi lebih ringkas dan lebih rapih. Lagi-lagi, manfaat weight saving dapat kita lihat pada konsep pesawat lebih elektrik ini. Ilustrasi berikut akan menjelaskan perbedaan sistem elektrikal pada sistem konvensional dengan yang terdapat di B787-Series:
Kesimpulan
Konsep pesawat lebih elektrik sebenarnya bukan merupakan konsep yang baru. Teori-teori penunjangnya telah lama dibahas sebelum satu per satu diimplementasikan pada pesawat. Akan tetapi, implementasi konsep ini bukan tanpa tantangan yang berarti:
Generasi kita kini telah terbiasa menaiki pesawat yang sebenarnya dikendalikan autopilot, dari pesawat sekecil A320-200 (dan NEO series yang baru saja melengkapi armada meskapai Citilink), hingga pesawat trans-kontinental sebesar B777-300-ER. Kemudahan-kemudahan seperti itu, selain dirasakan secara langsung oleh pilot dan kopilot, tentu telah memungkinkan kita melakukan penerbangan-penerbangan yang semakin aman dan jauh. What's next? Pesawat yang dapat lepas landas sendiri?
Mungkin tidak sejauh itu, dan mungkin anda juga masih awam dengan istilah yang akan saya sebutkan, "More Electric Aircraft". Ya, pesawat terbang (yang) lebih elektrik dan elektronik. Patut disayangkan memang, perkembangan pesawat terbang belum dapat menyamai moda transportasi darat yang kini sudah semakin elektrik, bila tidak ingin dikatakan "All-Electric". Pesawat terbang memang patut iri, karena daya gerak yang dibutuhkan oleh KRL tidaklah sebesar pesawat. Sehingga, cukuplah motor listrik yang digerakkan dan dikendalikan oleh VVVF (Variable Voltage Variable Frequency) Inverter.
Pesawat terbang? Mungkin anda pernah melihat Airbus E-Fan, dimana pesawat terbang ini benar-bear diaktuasikan oleh motor listrik, yang ditenagai oleh baterai. Tetapi, pesawat ini masihlah prototype: pun anda tidak akan dapat menemukan kelas bisnis maupun ekonomi, karena pesawat ini hanya berpenumpang maksimal dua orang, dan waktu jelajahnya dibatasi satu jam terbang saja.
Gambar 1: Airbus E-Fan
Apa yang membatasi pesawat terbang sehingga tidak dapat benar-benar ditenagai oleh listrik? Kepadatan daya (power density) listrik patut diakui masih lebih rendah ketimbang energi berbasis bahan bakar fossil. Kontributornya, belum ada sistem penyimpanan energi listrik yang benar-benar efisien, kompak, dan ringan. Lihatlah aki motor yang hanya mampu menyuplai daya secara terbatas. Sekarang bayangkan, berapa banyak baterai yang dibutuhkan untuk pesawat penumpang sekelas ATR72 saja. Berat? Jelas.
Lantas, bagaimana dengan konsep pesawat lebih elektrik? Terjemahan lebih sederhana untuk konsep ini adalah, mensubstitusi penggerak-penggerak non-propulsif (bukan penggerak pesawat), menjadi berbasiskan tenaga elektrik. Sebagaimana yang kita ketahui, sistem penggerak non-propulsif pada pesawat dapat kita bagi menjadi empat: hidrolik, pneumatik, mekanik, dan elektrik. Pada bagian selanjutnya, penulis akan menjelaskan system hidrolik, pneumatik, dan elektrik: bagaimana konsep pesawat lebih elektrik dapat mengubah paradigma kita terhadap sistem pesawat konvensional.
Hidrolik
Sistem hidrolik menjadi sistem utama yang menggerakkan kendali pada pesawat: aileron, rudder, elevator, spoiler, slat, dan flap. Hulu dari sistem hidrolik ini adalah engine driven pump. Kemudian, untuk satu sistem hidrolik saja, pipa-pipa terbentang lebar: engine nacelles, firewall, pylons, lalu ke wheel-well, sayap, tail section, hingga ke depan ke arah nose, yang terdiri dari lajur bertekanan (pressurized lines) dan lajur balik (return lines), case drain, pumps, dan reservoir system. Membawa pipa-pipa bertekanan ini, diterpa perubahan suhu yang ekstrim, ditambah getaran-getaran mekanik, tidak heran apabila kelak kebocoran dapat terjadi (dan dapat menyusahkan juga).
Pada pesawat lebih elektrik, lajur pipa-pipa hidrolik ini akan dikurangi, dengan penggunaan Electro-Hydrostatic Actuator (EHA), atau Electrical Back-up Hydraulic Actuator (EBHA). EHA juga dapat dikatakan sebagai "Self-actuated electric hydraulic block": blok aktuator hidrolik akan diaktuasikan oleh pompa listrik (kemudian mengatur aliran hidrolik), alih-alih dikendalikan oleh servovalve yang mengatur aliran hidrolik. Ilustrasi primary flight control system actuators pada A380-series berikut akan lebih menjelaskan:
Gambar 2: Servokontrol Konvensional, EHA, dan EBHA
Lebih sedikit hydraulic supply & return line, secara intuisif menjadikan sistem EHA mampu mengeliminir permasalahan kebocoran, mengurangi berat pesawat, dan kompleksitas sistem tubing hidrolik. Adapun pada system EBHA, kita dapat mengeliminir system hidrolik ketiga, menyubstitusikannya dengan electrical backup system (bisa dalam bentuk electrical-driven pump yang menggerakkan setiap blok hidrolik).
Gambar 3: Sistem Hidrolik pada A380-Series
Gambar 4: Sistem Hidrolik pada B787-Series
Pneumatik
Mesin pesawat terbang konvensional biasanya melakukan “tapping” engine bleed air, sebagai sumber daya pneumatik utama. Daya pneumatik ini, kemudian diutilisasi untuk aircraft pressurization, mengatur suhu di dalam pesawat, serta digunakan untuk engine cowl anti-ice protection. APU juga mengutilisasi daya pneumatik, untuk proses starting engine (melalui air turbine starter). Logikanya sederhana: udara yang dihisap mesin pesawat di “tapping” sebagian, lalu masuk ke Intermediate Port dan High Pressure Bleed Port (tergantung flight phase). Kemudian, tekanannya diatur oleh Pressure Regulating Valve (PRV), dan suhunya diatur oleh Pre-Cooler (dengan udara pendinginnya bersumber dari Fan Air.
Desain seperti ini, tentu saja menurunkan efisiensi mesin pesawat untuk menghantarkan thrust. Apakah ada cara lain? Boeing melalui B787 “Dreamliner” Series telah membuktikan kemungkinan hal ini, melalui aristektur “No-Bleed Architecture” pada mesin pesawatnya. Semua fungsi “Bleeding” diminimalisir, terbatas hanya untuk engine cowl anti-icing, dan pressurization hydraulics reservoir. Fungsi-fungsi lainnya telah “dielektrifikasi”. Bagaimana dengan air turbine starter dari APU ke Engine? Fungsi ini juga tidak luput dari elektrifikasi.
Gambar 5: Sistem Bleed Air Konvensional
Gambar 6: Sistem Bleed Air Lebih Elektrik
Gambar 7: Perbandingan Engine Konvensional (Kiri) dan Bleedless (Kanan)
Fungsi cabin pressurization & air conditioning (selanjutnya disebut Environmental Control System – ECS) dilakukan oleh kompresor listrik, dengan udara yang diambil dari katup-katup cabin air inlets. Dengan kompresor listrik yang mudah dikendalikan, tekanan udara yang diinginkan pun dapat diatur persis sesuai dengan kebutuhan, tidak bergantung dari beban mesin pesawat pada beragam flight phase. Selain meminimalisir tekanan udara berlebih yang (pada waktu tertentu) harus dibuang sia-sia keluar, hal ini dapat menjamin beban mesin pesawat benar-benar fokus dalam menghasilkan thrust (minimum thrust tidak dipengaruhi oleh kewajiban engine untuk melakukan aircraft pressurization) yang lebih efisien.
Elektrikal
Selain sebagai konsekuensi dari elektrifikasi pada sistem hidrolik dan pneumatik (bertambahnya beban elektrikal), konsep pesawat lebih elektrik dirasa perlu untuk meningkatkan efisiensi dari sistem elektrikal yang telah ada pada pesawat terbang. Salah satu studi kasusnya adalah di A380-Series yang telah menerapkan Variable frequency generator (VFG) sebagai main electrical power drive, menggantikan Integrated Drive Generator (IDG). VFG adalah salah satu perbaikan major dari kelistrikan pesawat konvensional, dengan menihilkan fungsi pengatur frekuensi secara mekanik yang biasa kita temukan di CSD maupun IDG. Fungsi pengaturan frekuensi kini sepenuhnya diambil alih oleh rangkaian elektronika daya di dalam VFG ini. Tanpa moving parts yang rumit, jelas VFG lebih unggul dalam weight saving, maintainability dan reliability, ketimbang IDG konvensional.
Bagaimana dengan B787-Series? Boeing melangkah lebih jauh lagi, yakni menambahkan jaringan daya dengan tegangan nominal 235 VAC 115 Hz, dan 270 VDC, sebagai konsekuensi dari ekspansi beban elektrikal. Mengapa 270 VDC? Level tegangan yang lebih tinggi, berarti untuk beban daya yang sama, diperlukan arus yang lebih kecil. Artinya, luas penampang kabel tentu saja lebih kecil, selain dari tingkat isolasi kabel yang diperlukan tentu lebih rendah. Alasan ini cukup wajar, mengingat beban 270 VDC di B787-Series ini dipasrahi tugas yang berat dan berkarakteristik fluktuatif, seperti pompa hidrolik, kompresor untuk sistem ECS, serta untuk engine starting. Detail dapat dilihat sebagai berikut:
Gambar 8: Sistem Elektrikal pada B787-Series
Seiring dengan semakin ekstensif nya penggunaan beban elektrikal pada pesawat, maka dibutuhkan pula sistem manajemen daya yang dapat mengakomodir kompleksitas ini. Pada B787-Series, E/E Bay dipecah pada dua lokasi, yakni forward E/E bay dan aft E/E bay. Untuk fungsi kendali, maka pada beberapa titik beban di pesawat ini juga dilengkapi dengan Remote Power Distribution Unit (RPDU). Dengan terdistribusinya sektor-sektor beban yang dikendalikan oleh masing-masing RPDU ini, serta dipecahnya E/E bay menjadi dua lokasi, maka pengkabelan yang semula panjang (dari satu E/E bay ke beban lalu kembali ke satu E/E bay lagi) dapat dibuat menjadi lebih ringkas dan lebih rapih. Lagi-lagi, manfaat weight saving dapat kita lihat pada konsep pesawat lebih elektrik ini. Ilustrasi berikut akan menjelaskan perbedaan sistem elektrikal pada sistem konvensional dengan yang terdapat di B787-Series:
Gambar 9: Perbedaan Sistem Elektrikal Konvensional dengan B787-Series
Kesimpulan
Konsep pesawat lebih elektrik sebenarnya bukan merupakan konsep yang baru. Teori-teori penunjangnya telah lama dibahas sebelum satu per satu diimplementasikan pada pesawat. Akan tetapi, implementasi konsep ini bukan tanpa tantangan yang berarti:
- Sistem elektrikal relatif memiliki “hidden failure mode” (dan cenderung intermittent fault) yang sulit diambil root-cause nya: software issue, solder joint crack, electromagnetic interference, power quality, thermal dissipation issue, dan lain-lain.
- Kerapatan daya hidrolik, pada beberapa aspek, masih lebih tinggi ketimbang yang dibangkitkan oleh motor elektrik.
- Teknologi ini masih perlu diuji oleh waktu, tidak seperti sistem mekanik, hidrolik, dan pneumatik yang telah lebih lama teruji, terutama di sistem pesawat.
Comments
Post a Comment