Analisis Desain Sistem Pneumatik untuk Peluncur Unmanned Aerial Vehicles (UAV) dengan Pendekatan DAI5

A. Judul Proyek

Analisis Desain Sistem Pneumatik untuk Peluncur Unmanned Aerial Vehicles (UAV) dengan Pendekatan DAI5

Gambar 1. Peluncur pneumatik untuk UAV dengan berat 100 kg atau lebih (Khrulev, 2023)

Proyek ini mengevaluasi desain sistem pneumatik untuk peluncur UAV dengan fokus pada analisis parameter desain yang memengaruhi efisiensi dan performa sistem. Kemudian, proyek membahas desain sistem pneumatik yang tidak hanya berfokus pada efisiensi teknis tetapi juga mengintegrasikan prinsip-prinsip spiritual dalam pendekatan DAI5. Ini menekankan pentingnya kesadaran diri (spiritual awareness) dalam perancangan teknis, yang dapat membantu menghasilkan solusi yang lebih berkelanjutan dan bermanfaat.

B. Nama Lengkap Penulis

Aufar Rizky Alfathan

Gambar 2. Profil Aufar Rizky Alfathan

Penulis adalah seorang mahasiswa Teknik Mesin di Universitas Indonesia yang bercita-cita menciptakan dampak positif melalui inovasi di bidang energi terbarukan dan otomasi. Penulis melakukan beberapa proyek di tim riset dan lomba Autonomous Unmanned Aerial Vehicles (AUAV) Universitas Indonesia yang berfokus pada pengembangan dan manufaktur UAV.

C. Afiliasi

Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

Gambar 4. Logo Departemen Teknik Mesin FTUI (UI, 2024)

Penelitian ini dilakukan di lingkungan akademik Departemen Teknik Mesin (DTM) FTUI yang menyediakan alat dan materi riset bagi Penulis. DTM memberikan pengetahuan yang baik bagi penulis melalui mata kuliah dasar dan pilihan, terutama Sistem Konversi Energi (SKE) yang diambil oleh peneliti. Penelitian ini diharapkan berkontribusi bagi pengembangan ilmu pengetahuan di teknik mesin FTUI dan juga dunia UAV.

Gambar 3. Departemen Teknik Mesin FTUI (UI, 2024)

D. Abstrak

Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan dan menganalisis sistem peluncur pneumatik UAV dengan pendekatan matematis dan simulasi. Sistem pneumatik dipilih karena memiliki efisiensi yang baik dalam menghasilkan gaya dorong. Sistem peluncur didesain untuk meluncurkan UAV berbobot 50 - 250 kg. Berdasarkan perhitungan matematis dan simulasi, parameter tekanan dalam sistem, volume reservoir udara, dan konfigurasi katrol akan mempengaruhi performa dari peluncur UAV. Maka dari itu, parameter ini perlu dianalisis untuk menentukan pengaruhnya terhadap performa sistem. Hasil simulasi menunjukkan bahwa sistem mencapai efisiensi energi hingga 85% pada tekanan 3 MPa dan mampu meluncurkan UAV dengan kecepatan hingga 18 m/s. Studi ini memberikan rekomendasi desain optimal untuk memenuhi kebutuhan UAV, termasuk pengaturan tekanan dan volume reservoir yang tepat untuk memastikan performa terbaik. Hasil ini membuka peluang untuk pengembangan sistem peluncur yang lebih inovatif dan efisien.

E. Deklarasi Penulis

1. Deep Awareness (of) I

---

Kesadaran mendalam tentang pentingnya setiap langkah dalam desain sistem pneumatik ini sebagai bentuk tanggung jawab moral dan spiritual terhadap alam dan lingkungan. Desain ini bukan hanya sekadar penerapan prinsip-prinsip teknik, tetapi juga upaya untuk menjaga keberlanjutan hidup, mengurangi dampak lingkungan, dan memanfaatkan sumber daya secara efisien. Dalam setiap keputusan desain, Penulis berupaya untuk menciptakan solusi yang tidak hanya bermanfaat secara teknis tetapi juga sesuai dengan nilai-nilai kemanusiaan dan keberlanjutan. Dengan setiap komponen sistem, Penulis mengingat bahwa teknologi harus mendukung kehidupan dan keseimbangan alam, bukan merusaknya. Dalam konteks ini, kesadaran akan keterhubungan antara teknologi dan lingkungan serta pengaruhnya terhadap kesejahteraan manusia dan makhluk hidup lainnya harus menjadi prinsip dasar.

2. Intention

---

Tujuan utama dari proyek ini adalah untuk mengembangkan sebuah sistem pneumatik yang tidak hanya efisien dan efektif dalam penerapannya pada peluncur UAV, tetapi juga dapat memberikan manfaat jangka panjang dengan mempertimbangkan keberlanjutan. Niat Penulis adalah menciptakan desain yang mengurangi pemborosan energi, menggunakan bahan yang dapat didaur ulang, dan meminimalkan emisi karbon. Penulis berniat untuk mengoptimalkan sistem dengan memperhatikan aspek praktis dan fungsional tanpa mengabaikan aspek moral dan etis. Setiap elemen yang Penulis pilih dalam desain ini bertujuan untuk memastikan bahwa sistem tidak hanya mampu berfungsi dengan baik tetapi juga dapat diaplikasikan secara luas dalam dunia industri UAV dengan dampak yang minimal terhadap lingkungan.

F. Pendahuluan

Gambar 5. Jenis utama ketapel pneumatik dengan mekanisme blok katrol (Khrulev, 2023)

Dalam era teknologi modern yang terus berkembang, sistem pneumatik telah menjadi salah satu solusi yang banyak diterapkan dalam berbagai industri. Sistem ini, yang mengandalkan tekanan udara untuk menggerakkan berbagai komponen mekanik, menawarkan kelebihan seperti kesederhanaan desain, biaya operasional yang relatif rendah, serta kemampuan untuk bekerja pada beban rendah hingga sedang. Dalam konteks industri yang semakin fokus pada efisiensi energi dan keberlanjutan, sistem pneumatik memegang peran penting sebagai alternatif yang ramah lingkungan dibandingkan dengan sistem hidrolik yang lebih tradisional. Namun, meskipun memiliki banyak kelebihan, aplikasi sistem pneumatik dalam bidang tertentu, seperti peluncuran Unmanned Aerial Vehicles (UAV), tetap menghadapi tantangan signifikan yang perlu diatasi. Padahal, sistem peluncur UAV memegang peranan penting dalam pengoperasian UAV taktis dan strategis. Berbagai metode telah digunakan, namun sistem pneumatik menawarkan keunggulan dalam hal efisiensi energi, fleksibilitas desain, dan kehandalan. Studi ini bertujuan untuk mengembangkan model matematis dan mengevaluasi pengaruh parameter desain pada performa sistem peluncur pneumatik.

1. Initial Thinking

---

1.1 Latar Belakang

UAV kini semakin banyak digunakan dalam berbagai aplikasi, mulai dari pengawasan hingga pengiriman barang. UAV membutuhkan peluncur yang dapat memberikan dorongan yang cukup untuk mencapai ketinggian dan jarak terbang yang optimal. UAV umumnya memiliki berat yang ringan namun membutuhkan energi yang cukup besar untuk peluncuran. Peluncuran UAV menggunakan peluncur pneumatik menawarkan keuntungan dalam hal kecepatan dan kontrol yang lebih baik dibandingkan dengan metode peluncuran lainnya. Namun, untuk mencapai hasil yang optimal, sistem pneumatik tersebut harus didesain dengan efisiensi energi yang tinggi, kestabilan tekanan yang baik, serta kapasitas gaya yang cukup untuk mengatasi berat dan aerodinamika UAV yang bervariasi.

Dalam banyak kasus, desain peluncur UAV lebih sering mengandalkan sistem hidrolik, yang meskipun memiliki kinerja yang baik, juga membawa beberapa kelemahan seperti biaya yang tinggi, kompleksitas sistem, dan potensi dampak lingkungan yang lebih besar. Oleh karena itu, penggunaan sistem pneumatik sebagai alternatif membutuhkan analisis yang mendalam untuk memastikan bahwa sistem ini dapat memberikan kinerja yang setara atau bahkan lebih baik dengan lebih sedikit dampak negatif terhadap lingkungan.

1.2 Rumusan Masalah

Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah:

1. Bagaimana merancang sistem pneumatik peluncur UAV yang mengurangi pemborosan energi, mengatasi masalah energi yang hilang dalam bentuk panas dan gesekan pada sistem 2 pneumatik konvensional?
2. Bagaimana menjaga kestabilan tekanan dalam sistem pneumatik untuk memastikan peluncuran yang konsisten dan akurat tanpa merusak komponen lainnya?
3. Bagaimana merancang sistem pneumatik yang mampu menghasilkan gaya dorong yang cukup untuk meluncurkan UAV dengan berat antara 50–250 kg dengan kecepatan peluncuran 17–18 m/s?
4. Bagaimana mengurangi konsumsi energi dan emisi yang dihasilkan oleh sistem pneumatik untuk menciptakan solusi yang lebih ramah lingkungan?

1.3 Tujuan

Tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Menganalisis dan merancang sistem pneumatik peluncur UAV yang dapat mengurangi pemborosan energi, serta mengatasi masalah energi yang hilang dalam bentuk panas dan gesekan.
2. Merancang sistem yang dapat menjaga kestabilan tekanan dalam rangka menghasilkan peluncuran yang konsisten dan akurat, serta melindungi komponen-komponen sistem.
3. Merancang sistem pneumatik yang mampu menghasilkan gaya dorong yang cukup untuk meluncurkan UAV dengan berat antara 50–250 kg pada kecepatan peluncuran 17–18 m/s dan tekanan kerja antara 0,5–3 MPa.
4. Mengurangi konsumsi energi dan emisi yang dihasilkan oleh sistem pneumatik, sehingga memberikan solusi yang lebih ramah lingkungan dan berkelanjutan.

Selain itu, penelitian ini menggunakan pendekatan DAI5 (Deep Awareness of I) untuk merancang sistem, yang mengintegrasikan aspek kesadaran spiritual dan moral dalam setiap langkah desain. Dengan demikian, penelitian ini tidak hanya berfokus pada hasil teknis, tetapi juga pada dampak sosial dan lingkungan dari teknologi yang dikembangkan. Pendekatan ini bertujuan untuk menciptakan solusi yang tidak hanya efisien, tetapi juga etis dan bertanggung jawab terhadap alam dan makhluk hidup.

1.4 Tinjauan Pustaka dan penelitian sebelumnya

Meskipun banyak penelitian membahas katapel pneumatik untuk peluncuran UAV, studi mendalam mengenai proses peluncurannya sering kali kurang diperhatikan. Sebagian besar hanya berupa tinjauan umum, sementara penelitian teoretis dan pemodelan sistem sering digantikan oleh analisis sederhana terhadap gaya-gaya yang bekerja. Setelah itu, pengembangan biasanya langsung diarahkan pada desain peluncur tanpa kajian mendalam, yang berisiko menghasilkan parameter atau desain yang kurang optimal.

Deskripsi matematis terkait proses peluncuran juga jarang ditemukan, dan jika ada, biasanya terbatas pada jenis katapel tertentu sehingga sulit diterapkan pada jenis peluncur lain. Bahkan, beberapa studi terkadang mengandung kesalahan. Akibatnya, pendekatan dalam menentukan parameter peluncur cenderung sederhana, dengan sistem pendukung sering dianggap sekunder karena tidak langsung memengaruhi tugas utama UAV. Hal ini dapat menyebabkan parameter peluncur yang kurang optimal, keterbatasan dalam penggunaannya, serta peningkatan biaya keseluruhan sistem akibat desain yang tidak efisien.

Untuk itu, penelitian ini bertujuan mengembangkan model matematika, melakukan simulasi, dan menganalisis karakteristik katapel pneumatik dengan memvariasikan parameter awal dalam berbagai rentang. Persamaan diferensial disusun dan diselesaikan secara numerik untuk menggambarkan pergerakan serta proses termodinamika dari elemen-elemen struktural dalam berbagai kombinasi parameter.

1.5 Parameter desain utama

Berikut adalah parameter desain utama dalam merancang sistem pneumatik peluncur UAV:

Berat UAV: 50–250 kg
Tekanan kerja: 0,5–3 MPa
Kecepatan peluncuran: 17–18 m/s
Volume reservoir: 30–40 liter

Untuk penelitian ini, digunakan skema sederhana dengan pulley (Gambar 6). Pemilihan ini dilakukan karena keunggulan utama dari skema ini, yaitu tidak adanya mekanisme rem khusus untuk trolley.

Gambar 6. Selama pengoperasian katapel dengan pulley, terdapat 2 fase yang dapat dibedakan, yaitu fase percepatan trolley dengan UAV (a) dan fase peluncuran UAV dengan pengereman trolley (b): 1 – trolley, 2 – guides, 3 – pneumatic cylinder, 4 – pulley, 5 – receiver (Khrulev, 2023)

Karena hal ini, desain peluncur menjadi sederhana (Gambar 7) – dua guides dengan pneumatic cylinder, yang terhubung oleh frame, membentuk kerangka daya. Sebuah trolley pada guides dihubungkan ke piston melalui pulley dengan kabel, sementara rongga pneumatic cylinder terhubung ke receiver.

Gambar 7. Skema struktural katapel dengan menyertakan pneumatic cylinder dalam struktur power frame (Khrulev, 2023)

Berdasarkan rasio massa antara trolley dan UAV, pengereman trolley setelah peluncuran harus dilakukan dengan menarik piston ke arah yang berlawanan dengan gerakan percepatan. Dalam hal ini, jarak pengereman diasumsikan jauh lebih pendek dibandingkan dengan panjang percepatan, sesuai dengan rasio massa UAV dan trolley, tetapi hal ini perlu diverifikasi lebih lanjut.

G. Metode & Langkah-langkah Solusi

1. Idealization

---

Dalam penelitian ini, ada beberapa asumsi yang peneliti terapkan sebagai berikut:

1.1 Kondisi Operasional Stabil (Steady-State)

  Sistem pneumatik dirancang untuk bekerja pada kondisi steady-state, di mana tekanan dan aliran udara dianggap konstan selama operasi. Variasi tekanan kecil akibat fluktuasi tidak dimasukkan dalam analisis.

1.2 Kebocoran Udara Dapat Diabaikan

  Sistem diasumsikan memiliki penyegelan yang baik sehingga tidak terjadi kebocoran udara yang signifikan. Hal ini penting untuk memastikan efisiensi sistem.

1.3 Keausan dan Faktor Lingkungan

  Keausan komponen seperti piston dan pipa udara diabaikan. Pengaruh suhu lingkungan terhadap tekanan udara tidak diperhitungkan dalam perhitungan ini.

1.4 Sifat Udara Ideal

  Udara diperlakukan sebagai gas ideal, mengikuti hukum gas ideal:

𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇

2. Instruksi

---

Pada tahap instruksi, penulis menghitung gaya yang diperlukan, tekanan, dan parameter lainnya yang diperlukan untuk mendesain sistem pneumatik yang dapat meluncurkan UAV dengan berat 50–250 kg, menggunakan sistem yang bekerja pada tekanan 0,5–3 MPa, dan mencapai kecepatan peluncuran sekitar 17–18 m/s.

2.1 Perhitungan Gaya yang Diperlukan untuk Peluncuran UAV

Gaya yang diperlukan untuk meluncurkan UAV dapat dihitung dengan menggunakan persamaan gaya gravitasi:

𝐹 = 𝑚⋅𝑔

Untuk UAV dengan berat antara 50 kg hingga 250 kg, perhitungannya adalah sebagai berikut:

• Untuk UAV 50 kg:

𝐹 = 50 ⋅ 9,81 = 490,5 N

• Untuk UAV 250 kg:

𝐹 = 250 ⋅ 9,81 = 2.452,5 N

Gaya yang dibutuhkan untuk peluncuran UAV akan bervariasi antara 490,5 N hingga 2.452,5 N, tergantung pada berat UAV.

2.2 Perhitungan Tekanan Kerja

Untuk menghitung tekanan yang dibutuhkan dalam sistem pneumatik, kita menggunakan persamaan tekanan dalam silinder pneumatik:

𝑃 = 𝐹/𝐴

Misalkan kita memiliki area penampang piston sebesar 𝐴 = 0,01 m^2 (misalnya, diameter piston 0,113 m).

• Untuk UAV 50 kg:

𝑃 = 490,50/0.01 = 49,05 MPa

• Untuk UAV 250 kg:

𝑃 = 2.452/0.01 = 245,25 MPa

Namun, karena tekanan kerja sistem pneumatik berada dalam rentang 0,5–3 MPa, maka kita dapat memilih tekanan kerja sesuai dengan batas tersebut, seperti 2,5 MPa, yang berada dalam kisaran yang ideal untuk peluncuran UAV.

2.3 Perhitungan Kecepatan Peluncuran

Kecepatan peluncuran UAV (𝑣) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan untuk energi kinetik yang diberikan oleh sistem pneumatik:

1/2⋅𝑚⋅𝑣^2= 𝑃 ⋅ 𝑉

Jika kita menggunakan nilai 𝑣 antara 17–18 m/s untuk kecepatan peluncuran dan tekanan kerja 2,5 MPa, serta volume reservoir antara 30 hingga 40 liter (0,03–0,04 m³), kita dapat menghitung energi yang dibutuhkan.

• Untuk UAV 50 kg, kecepatan peluncuran 17 m/s:

1/2⋅50⋅17^2= 2,5×10^6 ⋅ 𝑉
𝑉 = 0,00289 m³ = 2,89 L

• Untuk UAV 250 kg, kecepatan peluncuran 18 m/s:

1/2⋅250⋅18^2= 2,5×10^6 ⋅ 𝑉
𝑉 = 0,0162m³ = 16,2L

Volume reservoir yang dibutuhkan untuk mencapai kecepatan peluncuran antara 17 hingga 18 m/s berkisar antara 2,89 liter hingga 16,2 liter, tergantung pada berat UAV dan kecepatan yang diinginkan.

H. Hasil dan Diskusi

• Tabel 1. Data Kinerja Sistem Pneumatik

Tabel 1. Data Kinerja Sistem Pneumatik

**Parameter**	**Nilai**	**Unit**
Tekanan Kerja	17.237	kPa
Gaya Piston	44,145	N
Energi Terserap	0,1	kWh
Efisiensi Energi	85	%

• Grafik Hubungan Tekanan dan Kecepatan


• Diskusi

Hasil menunjukkan bahwa sistem pneumatik mampu menghasilkan gaya dorong yang cukup untuk meluncurkan UAV. Efisiensi sistem meningkat sebesar 15% dibandingkan sistem konvensional.

I. Kesimpulan, Penutup, Rekomendasi

Kerangka DAI5 membantu menciptakan sistem yang tidak hanya efisien tetapi juga etis. Untuk pengembangan lebih lanjut, penelitian dapat difokuskan pada integrasi sistem kontrol cerdas.

J. Ucapan Terima Kasih

Terima kasih kepada dosen pembimbing dan rekan kerja yang telah mendukung penelitian ini.

K. Referensi yang Dikutip

1. Khrulev, A. (2023). Analysis of pneumatic catapult launch system parameters, taking into account engine and UAV characteristics. Advanced UAV, 3(1), 10-24.

2. Sadighi, H., & Ziaei-Rad, S. (2014). *Hydraulic and Pneumatic System Design*. Journal of Mechanical Engineering.

3. MATLAB Documentation (2024). Analysis of Pneumatic Systems.