Analisi Performa Pengaruh Penggunaan Dorsal Fin Pada VTOL-Plane Dengan Konfigurasi Empenhage Inverted-V Untuk Misi Surveillance Precision Agriculture Menggunakan Metode Computational Fluid Dynamic

KELVIN KURNIAWAN, Ir. Muhammad Agung Bramantya, S.T., M.T., M.Eng., Ph.D., IPM., ASEAN Eng.

2024 | Skripsi | TEKNIK MESIN

Unmanned Aerial Vehicle (UAV) belakangan ini telah berkembang pesat dan berdampak baik pada beberapa bidang. Salah satu bidang yang terdampak, yaitu precision agriculture. Bidang ini memanfaatkan teknologi untuk meningkatkan efisiensi produksi dan hasil pertanian dengan mengurangi pemborosan sumber daya. Dengan menggunakan UAV, pemantauan lahan pertanian dapat dilakukan secara real-time sehingga dapat membantu pelaku bidang pertanian untuk dapat menentukan langkah yang tepat dalam mengelola lahan pertanian. Untuk misi surveillance pada bidang precision agriculture, UAV yang cocok digunakan adalah UAV dengan konfigurasi Vertical Take-off and Landing Plane (VTOL-Plane). Hal ini menyesuaikan kondisi lapangan yang tidak memiliki runway yang cukup untuk melakukan take-off. Dengan kemampuannya yang dapat take-off dan landing secara vertikal dapat mengatasi permasalahan landasan pacu pada daerah pertanian. Dalam menjalankan misinya, peningkatan performa aerodinamis sangat penting agar dapat melakukan pemantauan secara stabil dan mampu bermanuver secara baik. Pada UAV dengan konfigurasi empenhage inverted-v, kendala yang dialami adalah terkait yaw moment dan ketidakstabilan akibat sideslip angle yang memengaruhi performa UAV selama terbang. Oleh karena itu, penelitian dilakukan untuk mengoptimalkan performa aerodinamis dari empenhage dengan menambahkan dorsal fin.

Penggunaan dorsal fin pada empenhage inverted-v dapat dievaluasi dengan menggunakan metode computational fluid dynamic simulation (CFDs) pada variasi dorsal fin. Penelitian diawali dengan perancangan UAV dengan menetukan DRO. UAV dirancangan memiliki MTOW 10 kg, mampu mengangkut payload hingga 2 kg, jangkauan maksimal 5 km2, endurance selama 2 jam, memiliki stall speed 10 m/s, serta memiliki kemampuan VTOL. Setelah perancangan UAV telah dilakukan, maka diperlukan perancangan untuk geometri dorsal fin. Kemudian penelitian dilanjutkan dengan melakukan analisis numerik menggunakan metode CFD untuk mengetahui pengaruh penggunaan dorsal fin.

Hasil simulasi digunakan untuk memperoleh nilai coefficient lift, lift force, coefficient drag, drag force, coefficient yaw moment, dan yaw moment. Selain itu, diperlukan juga data kontur tekanan, streamline, dan vorticity pada setiap variasi dorsal fin. Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin tinggi sideslip angle pada UAV maka semakin kecil nilai parameter yang dihasilkan seperti coefficient lift, coefficient drag, lift/drag, dan coefficient yaw momen. Pada rentang AoA rendah, dorsal fin tidak berpengaruh terhadap gaya angkat yang dihasilkan oleh UAV dan mulai berdampak ketika rentang AoA tinggi pada kondisi sideslip 0°, 5°, dan 10°. Dilihat dari pengaruhnya terhadap yaw momen, penggunaan dorsal fin pada variasi 2 dengan kondisi sideslip 5° dan 10° mampu mengurangi efek yaw pada rentang AoA -6° hingga 9°.

Recently, unmanned aerial vehicles (UAVs) have developed rapidly and positively impacted various fields, including precision agriculture. This field leverages technology to improve production efficiency and agricultural yields by minimizing resource waste. UAVs enable real-time monitoring of agricultural fields, helping agricultural practitioners make informed decisions to manage land effectively. For surveillance missions in precision agriculture, a UAV with a vertical take-off and landing plane (VTOL-plane) configuration is well-suited, given the often limited runway space in agricultural areas. With the VTOL capability, these UAVs can take off and land vertically, addressing runway limitations in such terrains. In performing these missions, enhancing aerodynamic performance is crucial for stable monitoring and efficient maneuverability. However, UAVs with an inverted-V empennage configuration often face challenges related to yaw moment and instability due to sideslip angles, impacting UAV performance during flight. Therefore, this study aims to optimize the aerodynamic performance of the empennage by adding a dorsal fin.

The effect of incorporating a dorsal fin on an inverted-V empennage is evaluated using computational fluid dynamics (CFD) simulations with various dorsal fin designs. The study begins by designing the UAV, specifying Desired Requirements and Objectives (DRO) to achieve an MTOW of 10 kg, a payload capacity of up to 2 kg, a maximum range of 5 km2, an endurance of 2 hours, a stall speed of 10 m/s, and VTOL capabilities. After completing the UAV design, the dorsal fin geometry is configured, followed by numerical analysis using CFD to evaluate the fin’s effects.

The simulations provide values for lift coefficient, lift force, drag coefficient, drag force, yaw moment coefficient, and yaw moment. Additionally, pressure contour, streamline, and vorticity data are collected for each dorsal fin variation. Results indicate that higher sideslip angles reduce parameters such as lift coefficient, drag coefficient, lift-to-drag ratio, and yaw moment coefficient. At low AoA ranges, the dorsal fin does not significantly affect UAV lift; however, its impact becomes noticeable at higher AoA ranges with sideslip conditions of 0°, 5°, and 10°. In terms of yaw moment, dorsal fin variation 2, under sideslip conditions of 5° and 10°, effectively reduces yaw impact within an AoA range of -6° to 9°.

Kata Kunci : UAV, VTOL-Plane, CFD, dorsal fin, precision agriculture