Saat ini, material komposit telah menjadi salah satu dari empat sistem material utama selain material logam, material polimer, dan material non-logam anorganik. Tingkat industri material komposit suatu negara telah menjadi indikator utama kekuatan ilmu pengetahuan, teknologi, dan ekonomi. Material komposit canggih merupakan sumber keunggulan kompetitif bagi keamanan nasional dan perekonomian. Diperkirakan pada tahun 2020, hanya material komposit yang berpotensi mencapai peningkatan kinerja sebesar 20%–25%.
1. Aplikasi pada Struktur Badan Pesawat
Material komposit canggih digunakan untuk memproduksi struktur penahan beban utama-struktur dan struktur penahan beban sekunder, yang menawarkan kekakuan dan kekuatan yang sebanding atau melebihi paduan aluminium. Bahan-bahan ini sekarang banyak diterapkan dalam pembuatan struktur badan pesawat dan struktur kecil yang terintegrasi dengan kendaraan udara tak berawak (UAV). Amerika Serikat telah banyak mengadopsi komposit pada jet tempur dan pesawat tempur. Pada tahun 1960-an, AS pertama kali menggunakan plastik yang diperkuat serat karbon (CFRP) pada pesawat militer untuk komponen seperti pintu kabin, panel akses, fairing, dan permukaan kontrol (misalnya, aileron dan kemudi) dengan persyaratan-beban-yang rendah. Pada awal 1980-an, komposit berkembang menjadi komponen ekor seperti stabilisator vertikal dan horizontal (struktur penahan beban sekunder), seperti yang terlihat pada pesawat terbang seperti F-15, F-16, F-18, Mirage 2000, dan Mirage 4000. Selama fase ini, penggunaan komposit masih terbatas. Pada akhir 1980-an, pesawat tempur generasi keempat seperti F-22 dan F-35 JSF mulai memasukkan komposit ke dalam struktur penahan beban utama seperti sayap dan badan pesawat, sehingga mempercepat integrasi komposit ke dalam pesawat militer. Penggunaan material komposit terus meningkat (Tabel 1-2), yang kini mencakup 20%–50% massa struktural pada pesawat militer modern.
Perusahaan Inggris ICI menggunakan GF/PA (kemungkinan besar serat kaca-poliamida yang diperkuat) untuk memproduksi katup untuk pesawat tempur, memastikan bahwa katup ini mempertahankan kinerja dan stabilitas dimensi bahkan setelah terpapar bahan bakar dalam waktu lama pada rentang suhu yang luas. Du Pont juga menggunakan bahan seperti GF, KF/PA, dan PPS (polifenilen sulfida) untuk memproduksi komponen pesawat militer.
Ambil contoh pesawat tempur-generasi F/A-22 generasi keempat, komposit menyumbang 24,2% dari material strukturalnya. Diantaranya, komposit termoset mencapai 23,8%, sedangkan komposit termoplastik menyumbang sekitar 0,4%. Sekitar 70% komposit termoset didasarkan pada resin bismaleimide (BMI), yang digunakan untuk memproduksi lebih dari 200 jenis komponen kompleks. Bahan termoset yang tersisa terutama terdiri dari komposit berbasis resin epoksi, dengan tambahan penggunaan komposit berbasis sianat ester dan resin termoplastik. Area penerapan utama meliputi sayap, kulit bagian tengah badan pesawat, rangka, dan bagian ekor.
Helikopter militer juga banyak menggunakan komposit. Misalnya, pesawat tiltrotor V-22 Osprey menggunakan komposit untuk lebih dari 40% massa strukturalnya, termasuk badan pesawat, sayap, ekor, dan mekanisme rotasi, dengan total lebih dari 3.000 kg material komposit. Helikopter serang Eurocopter Tiger Eropa terbaru menampilkan material komposit di 80% komponen strukturalnya, mendekati badan pesawat yang sepenuhnya komposit. Sebaliknya, pesawat angkut militer menggunakan lebih sedikit komposit-C{-17 sebesar 8% dan C-130J hanya 2%-meskipun pesawat angkut militer Airbus A400M menggunakan sayap yang seluruhnya terbuat dari komposit, dengan komposit mewakili 35% massa strukturalnya saat kosong.
Dalam penerbangan sipil, pesawat ringan Star舟 dengan pilot tunggal yang dibuat di AS pada awal tahun 1980-an memiliki massa struktural sekitar 1.800 kg, dengan berat komposit melebihi 1.200 kg. Pesawat ringan Voyager tahun 1986, dengan lebih dari 90% strukturnya terbuat dari komposit serat karbon, mencetak rekor dunia untuk penerbangan-berhenti, sembilan-hari terus-menerus keliling-dunia. Saat ini, persaingan antara raksasa kedirgantaraan Boeing dan Airbus semakin meningkat, dengan fokus utama pada peningkatan penggunaan material komposit (Gambar 1-2).
Untuk memproduksi badan pesawat-komposit 787 yang pertama, Boeing mengadopsi metode penempatan serat yang serupa dengan yang digunakan oleh Raytheon. Proses tersebut menghasilkan komponen badan pesawat komposit berukuran panjang 7 meter dan lebar 6 meter. Struktur ini dibuat menggunakan teknologi Penempatan Serat Otomatis (AFP) pada mandrel berputar besar. Mandrel telah dibuat terlebih dahulu-dengan alur yang sesuai dengan bentuk dan dimensi stringer dan batang panjang badan pesawat. Stringer dan balok yang telah dibentuk sebelumnya (terbuat dari lapisan prepreg serat karbon dan diawetkan dengan tekanan-) ditempatkan ke dalam alur ini sebelum digulung. Selama produksi, mandrel diputar sepanjang porosnya, memungkinkan serat terus menerus dililitkan ke cetakan untuk membentuk cangkang badan pesawat, dengan bukaan jendela dibiarkan tidak dipasang. Cangkang badan pesawat, beserta balok dan stringernya, kemudian diautoklaf-untuk membuat bagian badan pesawat komposit monolitik, yang kemudian dibongkar sebagai produk akhir.
Bagian badan pesawat komposit Boeing 787 bukan hanya merupakan komponen badan pesawat dengan luka-filamen terbesar di dunia, namun juga dikenal sebagai bejana tekan serat karbon terbesar yang pernah diproduksi. Kekuatan tarik/lingkaran material komposit yang luar biasa memungkinkannya menahan tekanan kabin yang lebih tinggi, mempertahankan tekanan internal yang setara dengan ketinggian 6.000 kaki (1.830 meter)-dibandingkan dengan 7.000–9.000 kaki pada pesawat konvensional-yang secara signifikan meningkatkan kenyamanan penumpang. Selain itu, komposit tahan terhadap korosi (kelemahan utama badan pesawat logam), sehingga kelembapan kabin tetap stabil pada 10–15% (dibandingkan 5–10% pada badan pesawat logam), sehingga semakin meningkatkan kenyamanan.
Di bawah pengaruh teknologi komposit yang semakin berkembang, Airbus mendesain ulang A-350 sepenuhnya, dan menamainya A-350 XWB (Extra Wide Body). Pesawat ini meningkatkan penggunaan material kompositnya dari yang semula 40% menjadi 52%. Badan pesawat A-350 XWB 13 cm lebih lebar dibandingkan 787, memungkinkan konfigurasi tempat duduk 9 sejajar dalam tata letak kepadatan tinggi (dibandingkan dengan maksimum 8 sejajar pada 787). Seperti 787, A-350 XWB akan mempertahankan tekanan kabin pada ketinggian yang setara dengan 6.000 kaki.
Pada tanggal 14 Juni 2013, Airbus berhasil melakukan penerbangan perdana pesawat-berbadan lebar A350 XWB barunya, menandai tonggak sejarah lain dalam industri penerbangan global setelah "Dreamliner" Boeing B-787. A350 XWB dan B-787 masing-masing menggunakan 52% dan 50% material komposit, menandakan era baru dalam pengembangan komposit dirgantara.
Pesawat A-380 berkapasitas 555-kursi, pesawat terbesar di dunia, mencapai prestasi terobosan dalam sejarah penerbangan dengan memanfaatkan plastik yang diperkuat serat karbon (CFRP) secara ekstensif. Bahan komposit merupakan 25% dari massa pesawat, dengan 22% adalah CFRP dan 3% adalah GLARE fiber-metal laminasi (hibrida berlapis komposit aluminium dan serat kaca), yang terakhir digunakan pada pesawat sipil. Komponen CFRP meliputi: rem kecepatan, stabilisator vertikal dan horizontal (berfungsi ganda sebagai tangki bahan bakar), elevator, aileron, flap spoiler, pintu roda pendaratan, fairing, kotak sirip ekor vertikal, balok lantai kabin atas, sekat tekanan belakang, bagian badan pesawat belakang, stabilisator horizontal, dan aileron.
Mengikuti pionir A-340 yang menggunakan serat karbon untuk balok lunas dan sekat tekanan belakang komposit-mendobrak hambatan desain tradisional-A-380 semakin menantang norma-norma teknik dengan mengadopsi CFRP untuk kotak sayap tengah (menghubungkan sayap ke badan pesawat). Inovasi ini saja mengurangi bobot sebesar 1,5 metrik ton dibandingkan dengan paduan aluminium canggih. Penghematan berat CFRP, dikombinasikan dengan ketahanan terhadap kelelahan dan korosi, meningkatkan efisiensi bahan bakar sebesar 13% dibandingkan model pesaing dan mengurangi emisi. A-380 menjadi pesawat jarak jauh pertama yang mencapai di bawah 3 liter bahan bakar per penumpang per 100 km, dengan biaya pengoperasian 15–20% lebih rendah dibandingkan pesawat paling efisien pada masanya.
Jet bisnis Falcon 7X dari Dassault Aviation, mampu berlayar pada jarak 12.000 meter dengan kecepatan maksimum Mach 0,8, menampung 8 penumpang dan memiliki jangkauan 10.560 km (5.700 mil laut). Jet ringan Beechcraft Premier 1 milik Raytheon mencapai kecepatan jelajah 835 km/jam dengan jangkauan 2.759 km-keduanya dilengkapi semua-badan pesawat komposit yang canggih.
Pesawat angkut baru Jepang, ALELEX, juga menggunakan komposit serat karbon yang signifikan.
Tiongkok juga banyak menggunakan material komposit dalam desain dan produksi pesawat terbang. Misalnya, prepreg serat karbon searah bismaleimide QY8911/HT3 dan material komposit yang dikembangkan dan diproduksi oleh Institut Penelitian Teknologi Manufaktur Aeronautika Beijing telah diterapkan pada komponen seperti bagian depan badan pesawat, penstabil ekor vertikal, panel sayap luar, spoiler, dan fairing pesawat yang ramping. Prepreg serat karbon searah resin termoplastik PEEK/AS4C dan material komposit yang dikembangkan oleh Institut Bahan Aeronautika Beijing menunjukkan ketangguhan patah yang luar biasa, tahan air, tahan penuaan, tahan api, dan tahan lelah. Cocok untuk pembuatan struktur pesawat-yang menahan beban utama, material ini dapat beroperasi-jangka panjang pada suhu 120 derajat dan telah digunakan pada lapisan depan panel ruang roda pendaratan pesawat.
Pesawat militer Tiongkok "Flying Leopard", yang menggabungkan komponen komposit serat karbon yang signifikan, memiliki panjang keseluruhan sekitar 22,3 meter, lebar sayap 12,7 meter, berat lepas landas maksimum 28,4 ton, kapasitas muatan eksternal maksimum 6,5 ton, kecepatan tertinggi Mach 1,70, dan jangkauan feri sekitar 3.600 kilometer. Dengan kemampuan tempur yang melampaui pesawat Jaguar, Tornado, dan Su-24, Flying Leopard menunjukkan karakteristik yang konsisten dengan jet tempur generasi ketiga.
2. Penerapan Material Komposit pada Pesawat Siluman
Dalam beberapa dekade terakhir, kemajuan signifikan telah dicapai dalam penelitian material komposit siluman, yang berkembang ke arah karakteristik "ketipisan, ringan, serapan broadband (spektral), dan kekuatan (tahan benturan,-tahan suhu tinggi)." Komposit yang diperkuat serat karbon-tidak hanya merupakan material struktur yang ringan dan berkekuatan-tinggi, namun juga memiliki fungsi siluman yang penting. Misalnya, CF/PEEK atau CF/PPS menunjukkan kinerja penyerapan broadband yang sangat baik, yang secara efektif menyerap gelombang radar. Amerika Serikat memelopori penggunaan bahan siluman pada pesawat terbang, dengan F-117 dan F-22 menjadi bahan yang paling banyak dilapisi. Lapisan siluman pada F-117 sangat kompleks, menggabungkan hingga tujuh bahan berbeda.
Struktur utama pesawat tempur supersonik F-22 AS menggunakan-serat karbon modulus menengah-yang diperkuat plastik rekayasa khusus. Demikian pula, penutup parasut deselerasi pesawat tempur Mirage III dan komponen kursi lontar dibuat dari bahan tersebut, yang telah berhasil diterapkan pada bagian-penyerap radar seperti tulang rusuk, kulit, konektor, dan pengencang pesawat. Casing Rudal jelajah Tomahawk, substrat badan pesawat dari B-2 pembom siluman, dan bagian dari pesawat siluman F-117A juga menggunakan bahan penyerap radar polimer yang dimodifikasi dengan serat karbon.
Pada tahun 2000, Angkatan Udara AS meningkatkan material siluman F-117, menggantikan lapisan tujuh-lapisan asli dengan satu material. Hal ini mengubah prosedur pemeliharaan standar dan material penyerap radar di seluruh F-117, sehingga mengurangi spesifikasi teknis sekitar 50%. Pasca-peningkatan, waktu pemeliharaan per jam penerbangan untuk F-117 berkurang lebih dari setengahnya, dan biaya pemeliharaan tahunan untuk semua 52 F-117 turun dari 14,5 juta,6,9 juta. Berbeda dengan F-117, F-22 menghindari lapisan penyerap radar seluruh tubuh tetapi menerapkan lapisan penyerap radar ferit pada semua komponen logam internal dan eksternal. Lapisan ini tahan lama, tahan aus, dan lebih mudah diaplikasikan dibandingkan dengan sistem F-117.
Para ahli memperkirakan bahwa pada tahun 2030-an, komposit canggih seperti bahan elektrokromik polimer konduktif, bahan semikonduktor hibrida, nanokomposit, dan teknologi siluman cerdas akan diterapkan secara praktis di pesawat terbang. Inovasi-inovasi ini secara mendasar dapat mengubah sistem avionik dan metodologi pengendalian pesawat.
Sumber:Material Komposit Penerbangan dan Analisis Mekaniknyaoleh Haitao Cui dan Zhigang Sun (Eds.)