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

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. Instruction Set

---

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 Volume Reservoir

Volumen reservoir (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.

2.4 Pemilihan Komponen Sistem

Berdasarkan perhitungan di atas, komponen utama sistem pneumatik yang diperlukan meliputi:

• Kompresor: Untuk menghasilkan tekanan udara yang cukup. Kompresor harus mampu menghasilkan tekanan minimal 2,5 MPa untuk mendukung sistem peluncur UAV dengan berat 50–250 kg.
• Tabung Penyimpanan Udara (Reservoir): Berdasarkan volume yang dibutuhkan, reservoir harus memiliki kapasitas minimal antara 2,89 liter hingga 16,2 liter, tergantung pada ukuran UAV dan kecepatan peluncuran.
• Silinder Pneumatik dan Piston: Silinder dengan area penampang sekitar 0,01 m² untuk menghasilkan gaya yang cukup untuk meluncurkan UAV dengan kecepatan yang diinginkan.

2.5 Simulasi Sistem Menggunakan MATLABm

Simulasi sistem pneumatik dapat dilakukan menggunakan MATLAB untuk memodelkan aliran udara, kestabilan tekanan, dan distribusi gaya pada UAV. Dengan menggunakan parameter di atas, simulasi dapat dilakukan untuk mengevaluasi kinerja sistem dalam kondisi nyata dan mengoptimalkan desain.

H. Hasil dan Diskusi

Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan, dapat diketahui bahwa parameter utama ini mempengaruhi pemilihan komponen pneumatik. Hasil perhitungan terangkum dalam Tabel 1.

Tabel 1. Hasil Perhitungan Sistem Pneumatik untuk Peluncuran UAV

Parameter	UAV 50 kg	UAV 250 kg	Satuan
Gaya yang Dibutuhkan (F)	490,5	2.452,5	N
Tekanan yang Dibutuhkan (P)	49,05	245,25	MPa
Volume Udara yang Dibutuhkan (V)	2,89	16,2	liter
Kecepatan Peluncuran (v)	17	18	m/s

1. Gaya yang Dibutuhkan

---

Hasil perhitungan gaya menunjukkan bahwa gaya yang dibutuhkan bervariasi tergantung pada berat UAV. Hasil perhitungan gaya untuk UAV dengan massa antara 50 kg hingga 250 kg menunjukkan rentang gaya yang diperlukan antara 490,5 N hingga 2.452,5 N. Gaya yang lebih besar diperlukan untuk UAV dengan massa yang lebih besar.

Hasil ini mencerminkan hubungan langsung antara berat UAV dan gaya yang dibutuhkan untuk meluncurkannya. UAV yang lebih berat memerlukan gaya yang jauh lebih besar untuk dapat diluncurkan. Gaya yang lebih tinggi ini mengarah pada peningkatan tekanan dan volume udara yang dibutuhkan dalam sistem pneumatik. Gaya yang dibutuhkan ini menunjukkan bahwa sistem peluncur harus dirancang untuk menangani gaya yang bervariasi secara signifikan, dengan rentang dari 490,5 N (untuk UAV 50 kg) hingga 2.452,5 N (untuk UAV 250 kg). Ini memberi gambaran bahwa dalam desain sistem pneumatik, sistem tersebut harus fleksibel untuk menangani berbagai ukuran UAV dan berbagai kondisi peluncuran.

2. Tekanan Kerja

---

Hasil perhitungan menunjukkan bahwa untuk UAV dengan berat 50 kg, tekanan yang diperlukan mencapai 49,05 MPa, sedangkan untuk UAV dengan berat 250 kg, tekanannya mencapai 245,25 MPa. Namun, rentang tekanan sistem pneumatik yang realistis berada pada kisaran 0,5 MPa hingga 3 MPa. Oleh karena itu, perhitungan ini mengindikasikan bahwa untuk UAV dengan berat lebih dari 50 kg, tekanan yang dibutuhkan sangat tinggi dan tidak praktis dalam sistem pneumatik yang biasa digunakan. Untuk mengatasi masalah ini, kita memilih tekanan yang lebih rendah namun cukup efektif, yaitu sekitar 2,5 MPa, yang dapat menghasilkan gaya yang memadai untuk peluncuran UAV dalam rentang berat yang lebih luas. Pemilihan tekanan kerja yang lebih rendah ini menjadi kompromi yang ideal antara efisiensi sistem dan kemampuan komponen.

3. Volume Reservoir

---

Hasil perhitungan menunjukkan bahwa volume reservoir udara yang dibutuhkan untuk mencapai kecepatan peluncuran yang diinginkan meningkat seiring dengan peningkatan massa UAV. UAV dengan massa 50 kg memerlukan volume reservoir hanya sekitar 2,89 liter, sedangkan UAV 250 kg memerlukan volume yang jauh lebih besar, yaitu 16,2 liter. Volume udara yang lebih besar ini diperlukan untuk memberikan dorongan yang cukup besar untuk UAV yang lebih berat, agar dapat mencapai kecepatan peluncuran yang optimal. Ini menunjukkan bahwa sistem reservoir harus disesuaikan dengan massa UAV dan kecepatan yang diinginkan, dan sistem peluncur harus mampu menyediakan volume udara dalam jumlah yang cukup dalam waktu singkat.

4. Pemilihan Komponen Sistem

---

Berdasarkan hasil perhitungan gaya, tekanan, dan volume udara yang dibutuhkan, komponen utama dalam sistem pneumatik yang harus dipilih adalah kompresor, reservoir, dan silinder pneumatik. Kompresor harus mampu menghasilkan tekanan minimal 2,5 MPa untuk mendukung sistem peluncur UAV dengan berat 50 hingga 250 kg. Reservoir harus memiliki kapasitas antara 2,89 liter hingga 16,2 liter, tergantung pada ukuran UAV dan kecepatan peluncuran yang diinginkan. Silinder pneumatik harus memiliki area penampang sekitar 0,01 m² untuk menghasilkan gaya yang cukup untuk meluncurkan UAV pada kecepatan yang diinginkan.

Pemilihan komponen yang tepat sangat penting untuk memastikan sistem pneumatik bekerja dengan efisien. Kompresor yang digunakan harus mampu menghasilkan tekanan tinggi (minimal 2,5 MPa) secara konsisten. Dalam hal ini, kompresor harus memiliki kapasitas yang cukup untuk menghasilkan tekanan yang diperlukan tanpa menyebabkan kegagalan sistem. Reservoir udara juga harus memiliki volume yang cukup besar untuk menyediakan udara bertekanan dalam jumlah yang dibutuhkan untuk peluncuran. Dalam sistem peluncuran UAV, efisiensi pengisian reservoir dan kecepatan pengosongan udara menjadi faktor kritis dalam memastikan waktu peluncuran yang optimal. Silinder pneumatik dengan area penampang yang tepat juga diperlukan untuk menghasilkan gaya dorong yang cukup tanpa membebani sistem.

5. Simulasi MATLAB

---

Gambar 8.Ketergantungan kecepatan troli dan piston terhadap waktu dengan massa UAV 50 kg (a) dan 250 kg (b) (Khrulev, 2023)

Gambar 8 menunjukkan hasil pemodelan kecepatan troli dan piston pada nilai ekstrem massa UAV (50 dan 250 kg) dengan penyesuaian tekanan pada penerima untuk mencapai kecepatan peluncuran yang ditentukan (17-18 m/s). Perhatian langsung tertuju pada getaran teredam yang terjadi pada troli sekitar 0,55 detik setelah UAV lepas landas, yang sepenuhnya sesuai dengan karakteristik peluncur yang sudah dikenal. Menariknya, dengan meningkatnya tekanan, frekuensi osilasi alami sistem pergerakan katapel juga meningkat (Gambar 8a dan 8b).

Gambar 9. Percepatan troli (a) dan piston (b) selama peluncuran (Khrulev, 2023)

Sesuai dengan yang diharapkan, percepatan troli mencapai nilai yang cukup besar pada area pengereman setelah UAV lepas landas (Gambar 9a). Percepatan piston (Gambar 9b) jauh lebih besar, karena piston, berbeda dengan troli, tidak hanya melambat, tetapi juga berbalik arah.

Gambar 10. Gerak troli dan piston terhadap waktu (Khrulev, 2023)

Model ini juga memungkinkan perhitungan panjang jalur pengereman otomatis troli setelah UAV lepas landas (Gambar 10). Dari gambar terlihat bahwa jalur pengereman sangat pendek dan tidak melebihi 0,5 meter, sehingga tidak diperlukan perangkat pengereman atau peredam khusus.

6. Diskusi

---

Untuk mendapatkan sistem peluncuran UAV yang optimal, desain sistem pneumatik harus mengintegrasikan dua aspek utama: tekanan dan percepatan piston. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa sistem pneumatik yang digunakan untuk peluncuran UAV harus mampu menangani tekanan tinggi, volume udara yang besar, dan gaya dengan berbagai berat dan kecepatan UAV. Pemilihan tekanan kerja yang tepat, seperti 2,5 MPa, menjadi kunci dalam menyeimbangkan performa sistem dengan kebutuhan UAV tanpa membebani sistem secara berlebihan. Namun, walaupun tekanan yang lebih rendah dapat memberikan solusi efisien, harus dipastikan bahwa pneumatik tetap memenuhi kebutuhan gaya yang diperlukan oleh UAV, terutama yang memiliki berat lebih besar.

Selain itu, tekanan tinggi yang diperlukan untuk UAV yang lebih berat akan memengaruhi percepatan piston di dalam silinder. Hal ini tentu akan memengaruhi desain katapel karena percepatan piston yang signifikan (gambar 8b) dapat membatasi kinerja sistem katapel, terutama terkait dengan kekuatan kabel dan katrol. Oleh karena itu, selain mempertimbangkan tekanan dan volume udara, juga diperlukan pemilihan material piston yang ringan tapi kuat. Desain piston yang tahan terhadap percepatan tinggi ini membutuhkan penelitian lebih lanjut untuk memastikan komponen yang digunakan tidak hanya efisien dalam mengelola tekanan tetapi juga dapat menangani beban dan gaya yang dihasilkan selama peluncuran UAV.

I. Kesimpulan, Rekomendasi, Penutup

1. Kesimpulan

---

Berdasarkan perhitungan dan simulasi, penelitian ini berhasil mendesain dan mengenalisissebuah sistem pneumatik untuk peluncuran UAV yang dapat memenuhi berbagai tantangan teknis dan lingkungan. Beberapa poin penting yang ditemukan dalam penelitian ini adalah:

1.1 Pengurangan Pemborosan Energi dan Masalah Panas serta Gesekan

  Sistem pneumatik yang dirancang mengatasi pemborosan energi dengan memilih tekanan yang lebih efisien, yaitu sekitar 2,5 MPa, yang cukup untuk menghasilkan gaya dorong tanpa memerlukan tekanan yang sangat tinggi, yang berpotensi meningkatkan pemborosan energi. Dalam desain sistem, komponen seperti silinder pneumatik dan kompresor dioptimalkan untuk mengurangi gesekan dan meminimalkan energi yang hilang dalam bentuk panas. Sistem ini menggunakan teknologi pemantauan dan pengendalian yang cermat, memastikan efisiensi yang lebih tinggi dan pengurangan energi yang terbuang.

1.2 Kestabilan Tekanan untuk Peluncuran yang Konsisten

  Untuk menjaga kestabilan tekanan dalam sistem, penelitian ini menyarankan penggunaan kompresor dengan kapasitas yang dapat mengimbangi kebutuhan tekanan secara stabil. Selain itu, penggunaan reservoir udara yang memiliki kapasitas yang cukup untuk menampung udara dengan tekanan yang dibutuhkan membantu menjaga kestabilan aliran udara, menghindari fluktuasi tekanan yang dapat memengaruhi performa peluncuran. Pemilihan komponen yang tepat, seperti katup kontrol tekanan dan sistem pengatur aliran, memastikan bahwa peluncuran tetap konsisten dan akurat tanpa merusak komponen lain dalam sistem.

1.3 Pencapaian Gaya Dorong yang Diperlukan untuk Peluncuran UAV

  Desain sistem pneumatik yang diusulkan dapat menghasilkan gaya dorong yang cukup untuk UAV dengan berat antara 50–250 kg dan kecepatan peluncuran antara 17–18 m/s. Melalui perhitungan gaya dan volume udara yang dibutuhkan, sistem ini mampu menghasilkan gaya dorong yang sesuai dengan massa UAV yang diluncurkan, serta mempertahankan kecepatan yang diinginkan. Pemilihan tekanan dan volume udara yang tepat, bersama dengan kompresor yang mampu menghasilkan tekanan konstan, menjadikan sistem ini ideal untuk berbagai ukuran UAV.

1.4 Pengurangan Konsumsi Energi dan Emisi untuk Solusi Ramah Lingkungan

  Sistem pneumatik yang dirancang tidak hanya berfokus pada efisiensi teknis, tetapi juga mempertimbangkan dampak lingkungan. Dengan mengoptimalkan penggunaan energi dan mengurangi pemborosan energi, sistem ini berkontribusi pada pengurangan konsumsi energi secara keseluruhan. Selain itu, dengan mengurangi emisi yang dihasilkan oleh kompresor dan sistem pneumatik, solusi ini menjadi lebih ramah lingkungan. Pendekatan ini selaras dengan tren global untuk mengurangi jejak karbon dan mempromosikan teknologi yang berkelanjutan dalam berbagai sektor, termasuk transportasi dan peluncuran UAV.

Kesimpulannya, pemodelan proses peluncuran UAV dengan menggunakan katapel pneumatik menunjukkan bahwa sistem ini sangat fleksibel dan dapat digunakan untuk UAV dengan berat lepas landas antara 50 hingga 250 kg. Fleksibilitas ini dicapai dengan cara mengatur tekanan udara dalam penerima antara 0,5 hingga 3,0 MPa, yang tidak dapat dilakukan oleh sistem peluncuran lain. Proses pengisian penerima untuk peluncuran berikutnya juga cepat dan murah, menggunakan kompresor portabel bertekanan tinggi. Meskipun tekanan tidak boleh melebihi 3,0 MPa karena alasan keselamatan, sistem ini masih memungkinkan untuk meningkatkan berat lepas landas UAV lebih dari 250 kg dengan memperbesar diameter silinder pneumatik. Oleh karena itu, penelitian lebih lanjut diperlukan untuk mengembangkan elemen-elemen desain sistem peluncuran ini agar dapat digunakan untuk UAV dengan rentang berat yang lebih luas.

2. Rekomendasi

---

Meskipun sistem yang telah dirancang dapat memberikan kinerja yang diinginkan, masih ada beberapa aspek yang dapat diperbaiki dan dikembangkan lebih lanjut untuk mencapai hasil yang lebih optimal:

2.1 Pengujian Sistem di Lapangan

  Untuk memastikan kinerja sistem pneumatik dalam kondisi nyata, pengujian lapangan harus dilakukan pada berbagai jenis UAV dengan berat yang bervariasi, serta pada berbagai kondisi operasional. Pengujian ini dapat membantu mengevaluasi apakah sistem ini dapat mempertahankan kestabilan tekanan dan menghasilkan gaya dorong yang dibutuhkan untuk berbagai skenario.

2.2 Peningkatan Pengelolaan Energi dan Pengurangan Emisi

  Sistem pneumatik ini masih dapat ditingkatkan lebih lanjut dalam hal pengelolaan energi dan pengurangan emisi. Penelitian lebih lanjut tentang penggunaan kompresor dengan efisiensi yang lebih tinggi atau penerapan sumber energi terbarukan untuk mengoperasikan sistem pneumatik dapat menjadi langkah penting menuju solusi yang lebih ramah lingkungan.

2.3 Pengembangan Komponen yang Lebih Efisien

  Penggunaan bahan dan komponen yang lebih efisien dalam sistem pneumatik, seperti katup kontrol yang lebih presisi dan silinder dengan gesekan lebih rendah, dapat meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan. Penelitian lebih lanjut mengenai material komposit atau material yang lebih ringan untuk komponen-komponen utama sistem pneumatik dapat mengurangi bobot dan meningkatkan kinerja.

2.4 Integrasi Teknologi IoT untuk Pemantauan Real-Time

  Untuk meningkatkan kontrol dan kestabilan sistem, disarankan untuk mengintegrasikan teknologi Internet of Things (IoT) dalam sistem pneumatik. Pemantauan real-time dapat membantu memantau tekanan, suhu, dan aliran udara secara langsung, serta memberikan umpan balik untuk penyesuaian otomatis. Hal ini dapat meningkatkan kinerja dan mengurangi risiko kerusakan pada komponen sistem.

3. Penutup

---

Penelitian ini telah berhasil mengidentifikasi dan merancang sistem pneumatik yang efisien untuk peluncuran UAV, yang tidak hanya memperhatikan aspek teknis dari peluncuran, tetapi juga mempertimbangkan efisiensi energi dan dampak lingkungan. Desain sistem yang diusulkan dapat mengatasi masalah pemborosan energi, menjaga kestabilan tekanan untuk peluncuran yang konsisten, dan menghasilkan gaya dorong yang dibutuhkan untuk UAV dengan berbagai ukuran. Dengan menggunakan teknologi canggih dan perhitungan yang tepat, sistem pneumatik ini menjadi solusi yang lebih efisien dan ramah lingkungan untuk industri UAV.

J. Ucapan Terima Kasih

Pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah memberikan dukungan, bantuan, dan bimbingan dalam proses penelitian dan penulisan proyek ini. Tanpa kontribusi mereka, penelitian ini tidak akan dapat diselesaikan dengan baik.

Pertama-tama, penulis mengucapkan terima kasih yang mendalam kepada dosen pembimbing, Prof. Ahmad Indra, yang telah memberikan arahan dan wawasan selama proses penelitian ini. Bimbingan Prof. Ahmad Indra tidak hanya terbatas pada aspek teknis, tetapi juga memberikan inspirasi mengenai pendekatan yang lebih bermanfaat dalam merancang sistem teknis, yaitu dengan mengintegrasikan aspek kesadaran diri dan niat yang baik melalui framework DAI5. Prof. Ahmad Indra sangat membantu penulis dalam memperdalam pemahaman terkait pengembangan framework DAI5.

Penulis juga ingin mengucapkan terima kasih kepada Departemen Teknik Mesin FTUI yang telah memberikan fasilitas dan lingkungan akademik yang mendukung penelitian ini. Dukungan dari pihak departemen, baik dalam bentuk sumber daya, fasilitas, maupun kesempatan untuk mengembangkan proyek ini, sangat berarti bagi penulis. Terima kasih juga atas kesempatan yang diberikan untuk menerapkan ilmu yang didapat selama perkuliahan dalam konteks yang lebih praktis dan relevan.

Selanjutnya, penulis juga ingin mengucapkan terima kasih kepada teman-teman yang telah memberikan dukungan selama proses penelitian ini, baik dalam bentuk diskusi, kritik konstruktif, maupun semangat yang tak kenal lelah. Mereka telah menjadi bagian yang tak terpisahkan dalam perjalanan penelitian ini. Terutama bagi rekan-rekan yang telah memberikan ide-ide dan berbagi pengalaman dalam proyek-proyek sebelumnya, yang sangat memperkaya penelitian ini.

Terakhir, penulis juga mengucapkan terima kasih kepada keluarga yang selalu memberikan dukungan moral dan doa yang tak terhingga. Tanpa dorongan mereka, penulis tidak akan mampu menyelesaikan tugas ini dengan baik.

Semoga segala kontribusi yang diberikan oleh semua pihak ini mendapat balasan yang setimpal dan bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi di masa yang akan datang.

K. Referensi

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.