Assalamu'alaikum Warahmatullahiwabarakaatuh.

Salam sejahtera untuk pembaca sekalian

hmmm dalam posting ini saya akan sedikit membahas mengenai metode untuk menghitung kecepatan sebuah kapal selam sewaktu dia menyelam atau disebut juga "Submerged speed"

Materi trit ini sebenarnya merupakan materi yang saya tulis untuk sebuah grup facebook mengenai teknologi kapal perang. Namun saya kira juga bermanfaat bila disebar disini.

Metode yang saya gunakan sederhana namun representatif karena sudah mencakup faktor-faktor seperti jenis propulsor (satu atau dua baling-baling) Koefisien bentuk kapal selam yang dinyatakan dalam panjang dan lebar dan tenaga yang "disalurkan" ke propulsor oleh mesin kapal selam.
Metode perhitungannya adalah sebagai berikut :

V=K*(Ps/LD)^(1/3)
Dimana :
V=Kecepatan dalam knot
K=Faktor propulsif,
25 untuk kapal selam yang hanya memiliki 1 propulsor
24 untuk kapal selam dengan 2 propulsor
Ps=Shaft horsepower (Shp), tenaga yang "disalurkan" ke Baling-baling kapal dalam satuan Hp (Horsepower, 1 Hp=745 watt)
L=Panjang kapal selam dalam satuan kaki (1 kaki=0.304 m)
D=Lebar kapal selam dalam satuan kaki

Sebagai contoh kita akan menggunakan kapal selam Kilo 877 "Halibut" Dengan spesifikasi sebagai berikut :

Panjang : 243.42 kaki
Lebar : 32.56 kaki
kekuatan motor propulsi : 6800 Shp (maksimum)
Waktu menyelam dengan tenaga semacam itu ia dapat mencapai kecepatan :

V=K*(Ps/LD)^(1/3)
V=25*(6800/(243.42*32.56))^(1/3)
V=24 knot

Data di wikipedia menyebutkan kecepatan maksimum kilo dapat mencapai 25 knot, tidak berbeda jauh dari hasil perhitungan diatas.
Sebagai konfirmasi lebih lanjut berikut ini adalah tabel yang menyajikan hasil perhitungan dengan persamaan diatas dan nilai kecepatan KS yang saya dapat di Internet (Sumber : Wikipedia & Russian ship info software)



Dari pandangan saya, persamaan matematis diatas memberikan hasil yang akurat. Adanya ketidaksamaan antara data yang didapat dari hasil perhitungan dengan data yang di publikasikan, berasal dari persamaan matematis yang tidak memodelkan drag yang berasal dari appendages (sirip kemudi) Atau ketidak-sempurnaan pada finishing kapal selam.

Selain dapat memprediksi kecepatan kapal selam dengan persamaan diatas dan tentunya sedikit lagi studi literatur, kita dapat membuat hubungan antara kecepatan tersebut dengan tingkat emisi akustik (Source Level) Pada umumnya semakin cepat kapal selam bergerak maka semakin besar emisi akustik yang dihasilkannya.
Emisi akustik kapal selam sendiri berasal dari banyak sumber, misalnya :

-Flow Noise
yaitu emisi akustik yang berasal dari aliran air disekeliling kapal selam yang dihasilkan waktu KS bergerak. Emisi ini menentukan seberapa cepat kapal selam dapat bergerak dalam air dengan masih tetap dapat mengoperasikan sonar pasifnya. Nilai kecepatan ini pada umumnya adalah 20-25 knot.

-Machinery Noise
Emisi akustik yang dihasilkan oleh putaran atau hentakan mesin kapal selam. Bisa juga berasal dari aliran cairan di pipa-pipa pada kapal. Pada kapal selam modern emisi akustik dari mesin sudah berhasil dikurangi secara drastis dengan penerapan isolasi akustik berupa peletakan mesin-mesin pada landasan yang mampu menyerap getaran (Machinery Bed Plate)




Selain ketiga sumber diatas tentunya ada pula sumber-sumber lainnya misalnya turbulensi yang berasal dari interaksi aliran air dengan sirip kendali kapal, conning tower dan limber hole/free flood hole.





-Propulsor Noise
Emisi akustik yang dihasilkan oleh propulsor atau pendorong kapal selam seperti baling-baling atau pumpjet. Emisi ini sangat sulit untuk dikurangi daripada kedua emisi yang dihasilkan diatas serta sangat spesifik sehingga dapat digunakan sebagai acuan untuk mengidentifikasi jeniskapal selam yang dideteksi.

Emisi propulsor sendiri memiliki mekanisme rumit dan bergantung pada desain propulsor,yang sayangnya masih belum saya pahami.
Yang jelas kita mengenal adanya 2 macam emisi dari propeller yaitu yang berasal dari propulsor itu sendiri yang berinteraksi dengan aliran air dari sirip kemudi atau badan kapal (turbulensi) Dan dari cavitation atau peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung udara yang berasal dari perbedaan tekanan pada propulsor. Lebih jauh lagi ada beberapa jenis fenomena cavitation misalnya hub dan tip cavitation, namun bahasan mengenai kedua fenomena ini dan kapan mereka terbentuk akan dibahas lain waktu.





Dalam perhitungan emisi akustik ini. Propeller kapal selam diasumsikan dalam kondisi tidak mengalami cavitation. Bilamana cavitation sudah terjadi maka emisi akustik akan sangat tinggi, bahkan hampir sama seperti kapal permukaan (170-180 Desibel relatif terhadap 1 micropascal dalam 1 yard untuk mengkonversi ke meter kurangkan nilai diatas dengan 0.5)
Kondisi terjadinya fenomena cavitation sendiri saya masih belum paham namun berdasarkan literatur yang saya miliki berhubungan dengan diameter propulsor, kecepatan KS dan kedalaman selam. Semakin besar diameter propeller maka kemungkinan propeller mengalami cavitation akan berkurang, sama dengan kedalaman, namun ada anomali dimana kadangkala emisi akustik malah naik sebelum akhirnya turun bersamaan dengan penyelaman yang semakin dalam.

Kapal selam modern seperti SSN-688 Los Angeles class diklaim tidak akan mengalami cavitation pada kecepatan taktis yaitu 8-10 knot dengan demikian memiliki emisi akustik yang lebih rendah dari kapal selam Soviet pada masa itu (Mis Viktor III) dan kapal selam yang digantikannya (SSN-637 Sturgeon) Karena propellernya yang relatif besar dan didesain secara presisi dengan bentuk skew blade.




Soviet sendiri mengadopsi bentuk propeller semacam itu pada tahun 1980'an pada P-971 Bars (Akula) P-945 Barrakuda (Sierra) dan P-685 Plavnik (Mike) Dengan demikian dapat memiliki tingkat kesenyapan setara Los Angels-class.




Berdasarkan referensi yang saya baca. Baling-Baling kapal selam akan mengkonversi sebagian kecil tenaga yang disalurkan kepadanya menjadi emisi akustik dengan efisiensi antara 1*10^-10 (maksimum) hingga 1*10^-12 (minimum). Kelihatan sangat kecil sekali namun dapat tetap dideteksi oleh sonar pasif.
Sekarang kita dapat mulai menghitung, dalam perhitungan ini diasumsikan sebagai berikut :
-Kecepatan taktis yaitu 8-10 knot
-Model kapal selam yang akan kita gunakan adalah rancangan saya sendiri yaitu Deliria Vandaria-class dengan data sebagai berikut.

Panjang :98 m
Lebar : 15.1 m
1 propulsor.

Dari data diatas, dapat dihitung berapa kiranya tenaga yang diperlukan untuk KS tersebut bergerak pada kecepatan 8 knot.

V=K*(Ps/LD)^(1/3)
8=25*(Ps/98*15.1)^(1/3)
Ps=520.5 Shp atau 387 Kilowatt

Lalu kita kalikan 500 Kilowatt tersebut (konversi ke watt terlebih dahulu) dengan efisiensi akustik diatas maka akan didapat nilai berikut :

Batas Atas :
1*10^-10*387000=0.0000387 watt
Batas Bawah :
1*10^-12*387000=0.000000387 watt

Sebagai perbandingan, kapal dagang memiliki emisi akustik sebesar 30 watt. Sementara kapal selam Perang Dunia kedua memancarkan 1 watt dalam kondisi mengalami cavitation.

Kenapa saya tetapkan batas atas dan bawah ? Karena saya masih belum dapat menghitung efisiensi konversi akustik untuk propeller yang sesungguhnya.

Sekarang nilai diatas dapat kita konversi ke desibel sebagai berikut :
(10*LOG0.0000387)+170,8=127 Db
(10*LOG0.000000387)+170,8=107 Db

Dengan demikian kapal selam saya akan mengeluarkan emisi akustik minimum 108 Db hingga maksimum sebesar 128 Desibel pada kecepatan 8 knot. Bilamana kapal selam saya bergerak dengan kecepatan maksimum yaitu 42-44 Knot maka emisi yang dihasilkan akan sama dengan kapal permukaan (190-200 Db) Karena pada kecepatan semacam itu sudah terjadi cavitation baik pada lambung maupun propulsor kapal selam.

Dengan nilai diatas kita bisa menentukan daya jangkau sonar pasif terhadap kapal selam tersebut dengan persamaan sonar pasif. Untuk perhitungan daya jangkau ini kita akan menggunakan persamaan daya jangkau sonar pasif sederhana dengan asumsi-asumsi sebagai berikut :

-Sonar pasif memiliki hidrofon yang bersifat omnidirectional dengan directivity factor (DI) Atau Gain yang sama untuk semua arah dan frekuensi.

-Source level dari kapal selam juga diasumsikan bersifat omnidirectional dengan spherical spreading dimana emisi akustik yang dihasilkannya menyebar dengan pola serupa bola/lingkaran besar.

-Noise atau emisi akustik yang tidak diinginkan diasumsikan hanya berasal dari lingkungan sekitar.

-Loss atau peristiwa diserapnya emisi akustik oleh air laut dianggap tidak ada.
Performa prosesing sonar sendiri dimodelkan dalam persamaan yang saya gunakan melalui variabel “Detection Threshold” Atau ambang batas deteksi. Bilamana sinyal akustik yang dideteksi sonar melampaui ambang batas tersebut maka sonar akan menganggap sinyal tersebut sebagai sinyal target.

Besaran ambang deteksi ini bervariasi bergantung dari jenis sonar, prosesor dan target. Semakin rendah berarti sonar dapat semakin “peka” terhadap sinyal akustik berkekuatan kecil. Namun hal ini akan didampingi dengan naiknya tingkat false alarm atau munculnya sasaran-sasaran “semu” Yang dihasilkan oleh emisi akustik lingkungan.

Sebaliknya bilamana ambang batas deteksi terlalu tinggi maka false alarm akan turun namun sonar menjadi kurang peka terhadap sasaran yang lebih senyap.




Adapun persamaan matematis yang kita gunakan untuk menghitung adalah sebagai berikut:

Rf=SL-(EN+DT)
Dimana:
Rf=Range factor.
SL=Source level dari target.
EN=Environmental Noise/Background Noise (Emisi akustik yang berasal dari lingkungan sekitar)
DT=Detection Threshold (Ambang batas pendeteksian)
Misal kita gunakan batas atas (127 Db) dan EN sebesar 30 Db serta ambang batas deteksi sebesar 14 Db.

Maka range factor atau disebut juga adalah sebesar :
Rf=127-(30+14)
Rf=84 Db

Kita konversi nilai tersebut ke satuan meter dengan Antilogaritma berbasis 20 sebagai berikut :

R=10^(83/20)
R=14125 m Atau kira-kira 14 Km.

Perhitungan yang sama dapat kita lakukan dengan batas bawah (108 Db)

Rf=107-(30+14)
R=10^(63/20)
R=1413 m atau 1.4 Km

Dengan demikian KS lawan dapat mendeteksi KS saya pada jarak 1.4 hingga 14 Km.

Asumsi diatas mungkin tidak realistis namun secara umum saya pandang sangat bermanfaat, untuk prediksi awal tingkat "kebisingan" Dan daya jangkau sonar pasif terhadap kapal selam. Adapun pembaca yang tertarik untuk lebih mendalami subjek ini akan saya arahkan ke literatur karya E.Miasnikov dengan judul “Can Russian Strategic Submarines Survive at Sea. Fundamental Limits of Passive Acoustics ” Yang dapat diunduh pada Download section di akhir trit ini.

Dibawah ini saya sajikan hasil perhitungan saya berdasarkan persamaan diatas untuk kapal-kapal selam yang ada, termasuk rancangan saya sendiri pada bagian terbawah tabel.



Informasi mengenai emisi akustik kapal selam bersifat amat sangat rahasia, atau bilamana diumumkan cenderung dalam grafik yang relatif atau diprakirakan berdasarkan perhitungan yang tentunya memiliki tingkat kesalahan atau error.Sama halnya dengan perhitungan yang saya sajikan diatas.

Adapun tren untuk pengurangan emisi akustik kapal selam saat ini adalah dengan penggunaan propulsor berupa pumpjet seperti pada kapal selam SSN-21 Seawolf, Virginia, Astute, Barracuda dan Borei. Dari yang saya dengar pumpjet memiliki emisi akustik yang lebih rendah dari propeller. Dengan demikian bisa jadi perhitungan saya diatas keliru untuk SSN-21 dan Virginia.

Selain kedua variabel diatas (Emisi akustik dan kecepatan) Dapat juga diprediksi endurance atau lama penyelaman sebuah kapal selam diesel-elektrik dengan tenaga baterai. Namun bahasan ini akan saya sajikan lain waktu.

Terimakasih telah bersedia berkunjung dan semoga yang saya sampaikan bisa bermanfaat.

Wassalaammualaikum warahmatullahi wabarakkatu.

DOWNLOAD SECTION
Bagian ini berisi spreadsheet excel yang saya gunakan untuk melakukan perhitungan dan materi tambahan yang saya anggap bisa bermanfaat.

Perhitungan Kecepatan dan Prakiraan Emisi Akustik

Can Russian Strategic Submarines Survive at Sea. Fundamental Limits of Passive Acoustics

Bibiliografi

1. Tom Stefanick "Strategic Anti Submarine Warfare and Naval Strategy" 1987.
   
2. Ulrich Gabler "Submarine Design" 1986.
   
3. Donald Ross "Mechanics of Underwater Noise" 1976.
   
4. A.D Waite "Sonar for Practising Engineer 3rd Edition" 2002.
   
5. Norman Friedman "Submarine Design and Development" 1984.