Fisika di Balik Stealth Technology pada Pesawat Terbang
Sejak penciptaan pesawat pertama oleh Wright Brother pada awal abad-20 hingga sekarang ini, pesawat telah banyak mengalami perkembangan, baik pada sisi aerodinamika, sistem, dan teknologi yang diterapkan padanya. Salah satu teknologi yang telah dikembangkan pada pesawat adalah stealth technology. Stealth techonology adalah teknologi yang membuat pesawat tidak dapat terdeteksi oleh radar yang berada di darat. Radar adalah singkatan dari radio detection and ranging. Kata radar diartikan sebagai suatu sistem atau teknik untuk menentukan posisi, gerakan, dan karakteristik dari suatu objek dengan menggunakan gelombang radio. Teknologi ini banyak diimplementasikan pada pesawat tempur. Pesawat tempur selain harus memiliki prestasi terbang yang bagus sehingga bisa melakulan manuver yang ekstrim, pesawat harus memiliki sifat yang sulit untuk dideteksi radar. Hal ini bertujuan agar pesawat tidak mudah dideteksi oleh musuh sehingga misi dapat diselesaikan dengan mudah.
Sejarah Radar
Radar ditemukan pada awal abad-20. Namun prinsip kerja radar telah ditemukan pada akhir abad-19 oleh Heinrich Hertz yang pada eksperimennya ia menemukan bahwa gelombang eletromagnetik dipantulkan oleh benda berbahan metal. Radar pada saat itu dikembang secara terpisah oleh beberapa negara, namun hanya Jerman, Amerika, dan Inggris yang mampu mengembangkannya hingga tahap pengoperasian. Radar ini sengaja dikembangkan karena saat itu sedang terjadi perang dunia. Oleh karena itu, dibutuhkan teknologi yang dapat mendeteksi pesawat atau kapal selam musuh.
Sejarah Teknologi Stealth
Perkembangan radar ini membuat navigasi pesawat udara mudah untuk dipantau dan dikendalikan dari darat. Hal ini dapat memberikan berbagai manfaat bagi dunia aviasi saat itu. Salah satu manfaat adalah meningkatkan faktor keselamatan pesawat saat terbang di udara dan juga sebagai indikator dini saat ada pesawat musuh yang akan menyerang pada perang dunia saat itu. Namun, hal ini juga memberikan kerugian. Kerugian yang paling terlihat dari perkembangan teknologi radar adalah mudah untuk dideteksinya pesawat tempur yang dalam menjalankan misinya harus bersifat tidak dapat terdeteksi oleh radar.
Ilmuan dan insinyur mulai mengembangkan teknologi supaya pesawat tempur tidak dapat terlihat oleh radar yang ada di darat. Pengembangan teknologi ini terjadi pada perang dunia kedua yang saat itu negara-negara menggunakan pesawat tempur sebagai salah satu senjatanya. Perkembangan teknologi ini diawali oleh Jerman yang berhasil menemukan radar absorbing paint (RAM) atau cat penyerap radar. Namun, cat ini sangat berat. Oleh karena itu, cat ini tidak diimplementasikan pada pesawat melainkan pada kapal selam tempur. Setelah perang dunia kedua, Amerika mengembangkan pesawat tempur bernama YB-49 Flying Wing. Sesuai Namanya, pesawat ini memiliki konfigurasi flying wing, tanpa ada sayap dan ekor. Pesawat ini secara tidak sengaja memiliki sifat stealth atau tidak dapat dilihat oleh radar saat melakukan uji terbang. Namun, karena sifat pesawat ini yang tidak stabil, pengembangannya dihentikan. Beberapa tahun kemudian, tepatnya saat terjadi perang dingin antara Uni Soviet dan Amerika, Amerika mengembangkan pesawat yang memiliki spesifikasi dasar yaitu meminimalisasi pendeteksian pesawat oleh radar musuh. Pengembangan ini menghasilkan pesawat yang bernama U-2 yang pesawat ini dianggap sangat sukses kala itu.
Konsep Fisika pada Stealth Aircraft dan Radar
Perkembangan Teknologi stealth tak lepas dari penerapan sifat gelombang elektronmagnetik, gelobang yang digunakan radar.
Gelombang Elektromagnetik
Gelombang elektromagnetik adalah gelombang transversal yang merambat pada ruang dan gelomabang tersebut memiliki komponen medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus. Medan listrik dan medan magnet pada gelombang elektromagnetik berosilasi dengan arah osilasi dari kedua medan tegak lurus dengan arah rambatnya.
Osilasi dari medan listrik ini diukur dengan parameter frekuensi (f) dengan satuan Hz dan periode (T) dengan satuan detik.
Berdasarkan frekuensi osilasi dari medan listrik dan magnet pada gelombang eletrokmagnetik, sebuah spektrum dibuat mulai yang terdiri dari gelombang mikro, infra red, cahaya tampak, ultraviolet, dan lainnya sesuai gambar 5.
Radar menggunakan gelomabang elektromagnetik pada spektrum gelomabang radio, yaitu pada rentang frekuensi dari 30 Hz hingga 300 GHz.
SIFAT GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Gelombang elektromagentik memiliki sifat layaknya gelombang dan partikel. Sifat-sifat gelombang pada umumnya yang juga dimiliki oleh gelombang elektromagnetik. Berikut beberapa sifat gelombang yang bekerja pada stealth aircraft:
1. Dapat dipantulkan
Pemantulan gelombang adalah fenomena kembalinya suatu gelombang oleh suatu permukaan pantul. Pada umumnya permukaan pantul adalah batas anatara dua medium yang berbeda. Permukaan pantul tidak selalu memantulkan gelomabng secara sempurna, melainkan ada fraksi gelomabang yang tetap akan terus merambat tanpa dipantulkan. Hukum yang paling sederhana yang menggambarkan fenomena pemantulan gelombang adalah hukum pemantulan gelombang pada bidang datar yang berisi sudut cahaya datang relatif terhadap sumbu normal permukaan sama besarnya sudut cahaya pantul relatif terhadap sumbu normal.
Reflectivity didefiniskan sebagai seberapa efisien suatu permukaan pantul dapat memantulkan gelombang.Diantara faktor yang mempengaruhi nilai reflecivity adalah jenis material bidang pantul dan bentuk permukaanya. Pesawat memiliki airframe yang sebagian besar terbuat dari logam. Permukaan pantul yang terbuat dari logam yang halus memiliki reflactivity yang tinggi. Berikut grafik nilai reflactivity dari beberapa jenis logam terhadap panjang gelomabang yang dipantulkannya.
Untuk rentang spektrum gelomabang radio, semua jenis logam memiliki reflectivity sekitar 90%. Hal ini menjadi salah satu alasan kenapa gelombang radio dipilih sebagai gelomabang radar.
2. Dapat berinteferensi
Jika dua atau lebih gelombang merambat pada suatu ruang yang sama maka pada gelombang tersbut berlaku prinsip superposisi. Superposisi adalah fenomena ketika beberapa efek muncul secara bersamaan, total efeknya adalah penjumlahan dari dari tiap efek yang ada. Pada gelombang, prinsip superposisi ini dinamakan interferensi.
Aplikasi Konsep Fisika pada Stealth Aircraft dan Radar
Cara Kerja Radar
Cara kerja radar mendeteksi pesawat atau suatu objek sama seperti cara mata kita melihat benda. Cahaya dari matahari atau lampu dipantulkan oleh permukaan objek. Hasil pantulan ditangkap oleh mata kita dan otak kita mengolah cahaya yang masuk ke mata kita. Begitu juga dengan radar. Pada umumnya radar terdiri dari transmitter, bagian yang menghasilkan gelombang elektromagnetik pada domain gelobang radio dan mikro, transmitting antennta, receiving antenna, receiver, dan processor untuk mengolah data. Cara kerjanya, transmitter mengirimkan sinyal elektromagnetik melalui antenna transmitter. Gelomabang elektromagnetik merambat menjauhi antenna transmitter. Jika gelomang elektromagnetik bertabrakan dengan suatu benda padat, berdasarkan percobaan maka gelombang ini akan dipantulkan oleh benda itu. Gelombang hasil pantulan tersebut ditangkap oleh anatenna receiver. Begitu seterusnya.
Radar Cross Section (Radar Cross Section)
Radar cross section adalah ukuran dari seberapa besar sinyal dari radar dipantulkan oleh suatu objek menuju receiver radar. RCS dapat diartikan sebagai besar rasio kerapatan gelombang hasil pantulan dengan kerapatan gelombang yang ditransmisikan. RCS memiliki satuan meter persegi. Hal ini dikarenakan RCS dapat dikatakan sebagai projected area dari sebuah bola besi yang memancarkan sejumlah power yang diradiasikan ke arah suatu target.
Semakin besar nilai RCS pada suatu objek, semakin ‘terlihat’ objek pada radar. Samakin kecil nilai RCS, semakin sulit objek dideteksi oleh radar. Nilai RCS dipengaruhi oleh berbagai parameter. Pada pesawat stealth, nilai RCS ini lah yang diperkecil sehingga objek sulit dideteksi radar.
Cara Mengurangi Nilai Radar Cross Section
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, nilai RCS sebagai nilai yang menunjukkan seberapa besar suatu objek dapat dideteksi oleh radar dapat diperkecil dengan merekayasa parameter yang memengaruhi nilai RCS tersebut. Pada pesawat terbang, parameter RCS yang direkayasa adalah sebagai berikut.
Mengubah Bentuk Airframe Pesawat (Teknik Shaping)
Geometri dari suatu objek sangat mempengaruhi nilai RCS-nya. Nilai RCS pada pesawat dapat diperkecil dengan membuat bentuk pesawat sedemikian rupa sehingga gelombang yang ditransmisikan radar tidak dipantulkan kembali menuju receiver.
Active Cancellation
Active Cancellation bekerja dengan menerapkan prinsip interferensi destruktif. Cara kerjanya, objek target mengeluarkan gelombang yang besarnya sama, frekuensinya sama, tapi fase yang berlawanan dengan gelombang yang ditransmisikan radar. Gelombang yang dibuat oleh objek ini akan menghasilkan interferensi destruktif dengan gelombang pantulan. Sehingga gelombang yang terbaca pada receiver radar memiliki besaran nol atau tidak ada, sehingga dianggap tidak ada objek yang terdeteksi.
Menggunakan Radar Absrobent Material (RAM)
Radar Absrobent Material (RAM) adalah material yang bersifat menyerap energi yang dibawa oleh gelombang elektromagnetik. Energi yang diserap diubah menjadi energi panas. Penyerapan energi dari gelombang ini menyebabkan gelombang tersebut tidak dipantulkan. Namun, penggunaan RAM ini tidak bisa menyerap semua gelombang elektromagnetik dan tidak juga efisien pada semua rentang frekuensi. Hal ini menyebabkan metode penggunaan RAM dipakai sebagai metoda tambahan untuk beberapa objek yang tidak memungkinkan memiliki bentuk hasil teknik shaping.
Referensi
1. Purnomo, Felix dan Romie Oktavianus. Optimasi Aerodinamika-Radar Cross Section (RCS) pada Sayap Cropped Delta dengan Metode Design of Experiments (DOE) dan Multi Objective Genetic Algorithm (MOGA). Insititut Teknologi Bandung, Bandung, Indonesia (2018)
2. Salunkhe, Sameer Suraj dan Mayut Shivaji. Stealth Aircraft Technology. MITAOE Pune, Maharashtra, India (2018)
3. Halliday, David dan teman-teman. Fundamental of Physics 10th Edition. Wiley:United State of America (2015)
4. Zohuri, Bahman. Radar Energy Warfare and the Challenges of Stealth Technology. Springer: Switzerland (2020)
5. Dervić, Kemal dan teman-teman. Basics of Electromagnetic Radiation. Serbia (2019)
6. Blumtritt, Oskar dan teman-teman. Tracking the History of Radar. IEEE: New Jersey (1994)
7. Wolchover, Natalie. How does Stealth Plane Evade the Enemy. [internet]. Diakses pada 22 April 2020 <https://www.livescience.com/32943-how-stealth-planes-evade-enemy.html>
8. Kogelnik, Herwig. Reglection of Electromagnetic Radiation. [internet]. Diakses pada 24 April 2020 <https://www.accessscience.com/content/reflection-of-electromagnetic-radiation/577100>
9. Woodford, Chris. Radar. [internet]. Diakses pada 24 April 2020 <https://www.explainthatstuff.com/radar.html>
10. Patel, Nikita. Electromagentic Radiation. [Internet]. Diakeses pada 24 April 2020 https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Spectroscopy/Fundamentals_of_Spectroscopy/Electromagnetic_Radiation
11. Kurtus, Ron. Overview of Electromagnetic Wave. [Internet]. Diakses pada 24 April 2020 https://www.school-for-champions.com/science/electromagnetic_waves.htm#.XqK4b9ZuLFI
12. Aircraft Fandom. Counter Stealth Radar. [Internet]. Diakses pada 22 April 2020 <https:/www.aircraft.fandom.com/wiki/Counter_Stealth_Radar>
