SETIAP reka bentuk dan binaan dalam sesebuah pesawat udara mempunyai fungsi tersendiri dan memberikan kesan yang kritikal terhadap prestasi penerbangan.
Sayap pesawat yang dilihat pada satah pelan, datang dalam pelbagai bentuk seperti eliptik, lurus, tirus atau segitiga (delta), masing-masing mempunyai falsafah kejuruteraan di sebaliknya.
Namun, selain keseluruhan sayap, terdapat satu aspek yang lebih asas dan jauh lebih kritikal iaitu keratan rentas sayap atau disebut juga sebagai airfoil.
Reka bentuk airfoil inilah yang menentukan secara tepat bagaimana udara mengalir di sekeliling sayap, lalu menghasilkan daya angkat yang membolehkan jasad kapal terbang terangkat dari daratan dan kekal melayang di udara.
Apabila kita memahami bentuk airfoil, maka kita akan dapat memahami nadi aerodinamik penerbangan dengan menyesuaikan profil sayap dengan rejim penerbangan yang ingin dicapai.
Menariknya, pada era awal pembinaan kapal terbang, teori aerodinamik moden masih belum matang sepenuhnya.
Wright bersaudara banyak bergantung pada pendekatan empirikal dan ujian terowong angin buatan sendiri, berbanding rangka teori formal seperti persamaan Bernoulli, konsep tekanan dinamik atau Kesan Coandă.
Melalui siri eksperimen yang sistematik dan pemerhatian teliti, mereka menyedari bahawa bentuk sayap yang melengkung di bahagian atas (camber) dan lebih rata di bahagian bawah menghasilkan perbezaan kelajuan aliran udara.
Perbezaan kelajuan ini akhirnya membentuk perbezaan tekanan iaitu tekanan rendah di atas dan tekanan tinggi di bawah seterusnya mencetuskan daya angkat.
Perkembangan asas ini membuka lembaran baharu dalam dunia aerodinamik, apabila para jurutera mula menyedari bahawa udara bukanlah entiti statik atau sekadar ruang kosong, sebaliknya merupakan himpunan molekul yang bergerak pantas.
Kefahaman ini menjadi pemangkin kepada penciptaan pesawat yang lebih besar dan berkeupayaan terbang lebih jauh, didorong oleh penggunaan profil airfoil yang lebih efisien, selari dengan keperluan operasi era tersebut.
Namun, apabila pesawat mula beroperasi pada kelajuan yang lebih tinggi, jurutera mendapati bahawa bentuk airfoil tradisional yang tebal dan melengkung tidak lagi memadai.
Airfoil sebegini menghasilkan daya seretan tambahan dan daya seretan tekanan yang besar lalu mengehadkan kelajuan jelajah dan maksimum pesawat.
Ketika era Perang Dunia Kedua, apabila keperluan mendesak untuk membina pesawat pejuang mencapai kelajuan maksimum yang lebih tinggi, inovasi dalam reka bentuk airfoil menjadi penting.
Airfoil yang lebih nipis dengan kelengkungan (camber) yang lebih licin pada garis bentuk mula diperkenalkan.
Pesawat ikonik seperti Supermarine Spitfire dan Messerschmitt Bf 109 memperlihatkan bagaimana perubahan kecil pada profil sayap mampu memberikan kesan dramatik terhadap kelajuan, kadar pendakian dan keseluruhan prestasi olah gerak.
Pada masa sama, cabaran baharu timbul iaitu pengurusan aerodinamik pada kelajuan rendah, terutamanya apabila pesawat perlu mendarat dan berlepas.
Pada fasa ini, pesawat memerlukan daya angkat yang jauh lebih tinggi berbanding semasa jelajah.
Bagi mengatasi masalah ini tanpa mengorbankan kelajuan maksimum, jurutera memperkenalkan peranti tambahan yang meningkatkan daya angkat iaitu slat di bahagian hadapan sayap dan flap di bahagian belakang sayap.
Peranti-peranti ini membolehkan bentuk airfoil diubah secara sementara dengan meningkatkan kelengkungan dan luas permukaannya, sekali gus menghasilkan daya angkat yang jauh lebih tinggi walaupun pada sudut serangan kecil.
Kesan ini membolehkan pesawat beroperasi dengan selamat pada kelajuan rendah, terutamanya semasa fasa berlepas dan pendaratan.
Setelah fasa pendakian selesai, peranti ini akan ditarik masuk ke bawah sayap bagi mengurangkan rintangan dan memastikan keupayaan untuk terbang pada kelajuan tinggi, tidak terjejas.
Ketika dunia memasuki era penyelidikan aerodinamik yang lebih tersusun dan saintifik, National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) yang merupakan agensi awal sebelum penubuhan Agensi Angkasa Lepas Amerika Syarikat (NASA), muncul sebagai institusi penting yang mengubah landskap reka bentuk penerbangan.
Melalui penyelidikan berasaskan terowong angin secara mendalam dan terperinci, NACA menghasilkan siri airfoil standard yang boleh dirumuskan secara matematik.
Keupayaan ini menjadikan proses reka bentuk sayap lebih saintifik, sistematik dan kurang bergantung pada kaedah cubajaya atau percubaan rawak.
Sistem penamaan kod airfoil NACA yang terkenal menjadi bahasa universal dalam aerodinamik. Sebagai contoh, kod NACA 2412 memberikan gambaran jelas dan kuantitatif mengenai profil sayap tanpa perlu melukis semula keseluruhan bentuk.
Kod empat digit ini membawa makna yang tersusun. Angka pertama iaitu 2 menunjukkan kelengkungan maksimum airfoil sebanyak 2 peratus daripada panjang chord. Chord ialah panjang keratan rentas sayap yang diukur dari depan ke belakang.
Angka kedua iaitu 4 pula menandakan bahawa kelengkungan maksimum itu terletak pada 40 peratus dari bahagian hadapan sayap dan dua angka terakhir iaitu 12 mewakili ketebalan maksimum airfoil yang berjumlah 12 peratus daripada keseluruhan panjang chord.
Selain siri empat digit, siri enam digit NACA yang diperkenalkan kemudiannya menekankan pembentukan aliran laminar yang lebih panjang di sepanjang permukaan sayap.
Aliran laminar yang dicirikan oleh lapisan udara yang bergerak lancar tanpa pergolakan, terbukti amat berkesan dalam mengurangkan seretan geseran dan meningkatkan kecekapan aerodinamik.
Pesawat P-51 Mustang yang menggunakan airfoil laminar menjadi contoh paling jelas bagaimana reka bentuk ini memberikan kelebihan strategik yang besar melalui jarak penerbangan lebih jauh dan kelajuan lebih tinggi berbanding pesawat pejuang lain pada era tersebut.
Namun, ketika pesawat mula menghampiri kelajuan bunyi (Mach 1), fenomena gelombang kejutan (shock waves) pula muncul sebagai halangan aerodinamik baharu.
Pada kelajuan transonik (sekitar Mach 0.75 hingga Mach 1.2), aliran udara di bahagian atas airfoil boleh memasuki zon supersonik.
Apabila aliran udara ini melambat secara tiba-tiba kembali kepada subsonik, ia menghasilkan hentakan udara kecil yang meningkatkan seretan dengan mendadak dan menggoncang kestabilan penerbangan.
Airfoil tradisional tidak mampu mengawal keadaan ini kerana kelengkungan yang terlalu jelas menyebabkan tekanan udara maksimum terletak terlalu awal pada permukaan sayap, lantas mencetuskan gelombang kejutan kuat.
Bagi menangani masalah kritikal ini, NASA kemudiannya memperkenalkan airfoil super kritikal. Ciri utama reka bentuk ini ialah bahagian atas yang lebih rata dan bahagian bawah, lebih melengkung di belakang.
Reka bentuk ini bertujuan untuk mengalihkan titik tekanan maksimum ke belakang sayap dan mengurangkan kekuatan gelombang kejutan dengan mengawal lokasi dan intensiti zon supersonik.
Dengan mengurangkan seretan gelombang, pesawat moden seperti Boeing 747 dan Airbus A380 dapat menggunakan prinsip ini untuk meningkatkan kelajuan jelajah dan kecekapan bahan api tanpa mengorbankan keselesaan penerbangan.
Airfoil super kritikal membolehkan penerbangan pantas dan lancar tanpa menghadapi ‘halangan bunyi’ yang dahulu membelenggu pesawat generasi awal.
Selain itu, airfoil juga tidak dapat dipisahkan daripada konsep sudut serangan iaitu sudut antara garis chord airfoil dengan arah aliran udara yang mendatang.
Pada sudut serangan rendah, daya angkat terhasil dengan stabil dan efisien. Bagaimanapun, apabila sudut serangan terus meningkat seperti semasa olah gerak agresif atau pendakian tajam, aliran udara mula berpisah daripada permukaan atas sayap dan mencetuskan keadaan yang dipanggil stall atau hilang daya angkat.
Salah satu tujuan utama mereka bentuk airfoil moden ialah untuk menunda titik stall ini sehingga pesawat mempunyai margin keselamatan lebih besar untuk beroperasi dalam keadaan cuaca atau kelajuan yang mencabar.
Oleh itu, airfoil direka sesuai dengan keperluannya mengikut jenis pesawat.
Jet pejuang biasanya menggunakan airfoil hampir simetri atau simetri sepenuhnya kerana profil ini memberikan daya angkat minimum pada sudut serangan sifar namun sangat efektif dalam mengekalkan keupayaan olah gerak pada sudut serangan yang berubah secara ekstrem termasuk ketika pesawat terbang terbalik atau melakukan gerakan berpusing pantas.
Sebaliknya pesawat komersial menggunakan airfoil melengkung atau cambered kerana airfoil jenis ini menghasilkan daya angkat tinggi pada sudut serangan yang kecil sekali gus memberikan kecekapan optimum semasa penerbangan jarak jauh yang memerlukan penggunaan bahan api minimum dan seretan rendah.
Pada dunia penerbangan hari ini, ilmu airfoil memasuki era baharu yang didorong oleh teknologi digital.
Perkembangan simulasi aliran bendalir berkomputer (CFD) membolehkan jurutera menguji dan mengoptimumkan beribu-ribu variasi airfoil dalam persekitaran maya tanpa perlu membina prototaip fizikal yang mahal dan memakan masa.
Selain itu, kemajuan dalam bahan komposit seperti gentian karbon membolehkan pembuatan bentuk airfoil yang lebih kompleks, fleksibel dan ringan dengan ketahanan struktur tinggi.
Teknologi ini telah membuka jalan kepada konsep morphing wing iaitu sayap yang boleh berubah bentuk.
Konsep ini sedang diterokai untuk membolehkan sayap mengubah profil airfoil, kelengkungan dan juga rentangnya secara dinamik semasa penerbangan, mengikut fasa operasi, contohnya menjadi tebal dan melengkung untuk pendaratan dan menjadi nipis serta rata untuk jelajah supersonik.
Kajian saintifik juga mula menumpukan pada kawalan aliran aktif dan pasif yang mengambil inspirasi daripada alam semula jadi. Misalnya, kajian terhadap permukaan mikroseperti tekstur kulit jerung (riblet) memberikan potensi baharu dalam mengurangkan seretan geseran.
Selain itu, sistem jet mikro yang mengeluarkan udara dengan tepat di sepanjang permukaan sayap bagi membentuk kawalan lapisan sempadan sedang dikaji untuk mencegah pemisahan aliran dan menunda titik stall secara aktif.
Segala inovasi ini memperlihatkan bagaimana keupayaan pesawat moden terus diperkasa melalui perkembangan ilmu airfoil, menjanjikan era penerbangan yang lebih pantas, lebih selamat dan jauh lebih efisien pada masa hadapan.
- Penulis memiliki Sarjana Muda Kejuruteraan (Mekanikal-Aeronautik) dari Universiti Teknologi Malaysia (UTM) dan pernah berkhidmat di Hornbill Skyways Sdn Bhd.