DESAIN DAN PENGUJIAN STRUKTUR SATELIT MIKRO LAPAN-TUBSAT Robertas Heru Trlharjanto Peneliti BidangStruktur Mekanlka, LAPAN
ABSTRACT The paper d i s c u s s about t h e design and test of the s t r u c t u r e of LAPAN-TUBSAT micro-satellite, which is t h e t a s k done by t h e writer during his time as the m e m b e r of LAPAN-TUBSAT integration a n d test. The discussion includes t h e design requirement for t h e s t r u c t u r e as mechanical interface a n d its implementation as well as its design validation process via test as accordance to the requirement s e t by the launcher authority. ABSTRAK Makalah ini m e m b a h a s mengenai desain d a n pengujian dari s t r u k t u r dari satelit mikro LAPAN-TUBSAT yang m e r u p a k a n kewenangan penulis s a a t menjadi anggota tim integrasi d a n tes LAPAN-TUBSAT. P e m b a h a s a n meliputi p e r s y a r a t a n desain s t r u k t u r sebagai interface m e k a n i k d a n implementasinya serta validasi dari proses desain dengan pengujian s e s u a i dengan beban yang dipersyaratkan oleh pihak peluncur satelit. Kata k u n c i : Sateht mikro LAPAN-TUBSAT 1
PENDAHULUAN
LAPAN-TUBSAT adalah satelit mikro pertama Indonesia yang merupakan produk kerjasama a n t a r a LAPAN dengan Technical University of Berlin, J e r m a n . Misi dari satelit ini adalah sebagai satelit u n t u k memonitor {surveillance) dan sebagai satelit percobaan (technology experiment^. Secara u m u m fungsi dari struktur satelit adalah u n t u k melindungi komponen-komponen di dalamnya dari beban/ lingkungan yang terjadi selama pelunc u r a n d a n di orbit. Beban selama peluncuran yang u t a m a adalah beban mekanik, baik statis m a u p u n dinamis. Sementara di orbit, beban yang u t a m a adalah radiasi (termal dan partikel bermuatan). Struktur satelit h a r u s c u k u p k a k u agar menjamin bahwa posisi d a n a r a h sikap dari tiap komponen di satelit tidak b e r u b a h . Sehingga a r a h lihat k a m e r a dan star sensor, axis reaction wheel, coil d a n gyro, sesuai dengan spesifikasi operasi satelit. 84
Sebagai project kedirgantaraan dengan d a n a a m a t terbatas, berbagai u p a y a dilakukan u n t u k meminimalkan biaya, salah s a t u n y a adalah dengan m e n g g u n a k a n p e l u n c u r a n secara men u m p a n g {piggyback) p a d a misi peluncuran satelit besar. Dalam k a s u s LAPANTUBSAT, pihak yang bersedia u n t u k meluncurkannya secara piggyback adalah India dengan m e n g g u n a k a n PSLV. Oleh sebab itu berat d a n volume LAPANTUBSAT h a r u s l a h m e m e n u h i persyar a t a n p e n u m p a n g k e d u a , yakni h a r u s lebih ringan dari 150 kg d a n dengan volume satelit (termasuk s e l u r u h bagian yang menonjol) h a r u s lebih kecil dari 7 0 0 x 7 0 0 x 8 5 0 m m . Persyaratan lain yang h a r u s dipenuhi desainer satelit adalah p u s a t m a s a yang tidak boleh lebih tir.ggi dari 4 5 0 mm dari adapter t e r h a d a p roket d a n h a r u s dalam radius 5 mm dari p u s a t axis adapter roket. Karena LAPAN-TUBSAT a k a n dil u n c u r k a n oleh PSLV, m a k a k e k u a t a n s t r u k t u r yang h a r u s dipenuhi adalah
mampu m e n a h a n beban dari masa komponennya yang mengalami percepatan 7 g ke arah longitudinal roket dan 6 g ke arah lateral roket. J u g a struktur tersebut harus mempunyai frekuensi resonansi lerendah di a t a s 90 Hz ke arah longitudinal roket d a n di a t a s 45 Hz ke arah lateral roket. Selain memenuhi persyaratan yang tersebut di atas, pada kasus LAPANTUBSAT dcsain s t r u k t u r j u g a dibuat agar satelit mempunyai momen inersia maximum p a d a axis Y d a n sekecil mungkin insersia cross product-nya. Sehingga nutasi dapat diminimalkan saat satelit mengadakan transfer momentum s u d u t . 2
DESAIN STRUKTUR UTAMA
Agar dapat memaksimalkan akses lerhadap s e l u r u h komponen satelit, sehingga m e m u d a h k a n sistem harness, maka s t r u k t u r LAPAN-TUBSAT dibuat dengan sistem 2 kompartemen yang saling mcmbelakangi, yang disebut sebagai kompartemen b a w a h d a n a t a s sesuai dengan penempatannya di roket kelak. Panjang kompartemen bawah dibuat untuk terutama mengakomodasi komponen yang paling panjang, yakni kamcra Sony dengan lensa Casegrain 11/1000 m m . Lebarnya akan dibuat sama dengan panjangnya agar distribusi inersia ke s u m b u X d a n Z hampir sama. Tinggi kompartemen bawah disesuaikan dengan tinggi lensa plus platform peredam kcjutnya. Scmentara tinggi kompartemen atas dibuat pas u n t u k memuat baterai dengan sistem mounting-nya. Penempatan baterai pada sisi yang berlawanan dengan platform kamera Sony untuk mengimbangi beratnya, sehingga lokasi pusat m a s a dapat memenuhi persyaratan PSLV. Kedua kompartemen membentuk sebuah box dengan ukuran 450 x 450 x 275 mm. Konfigurasi ini terbuat dari 7 plat alumunium dengan tebal 10 m m . Ketebalan ini diperlukan agar momen inersia maximum pada axis Y didapat dan
s t r u k t u r dapat m e n g h a n t a r - k a n p a n a s [conduction) dengan baik dari sisi yang terkena radiasi m a t a h a r i d a n d a n komponen yang menghasilkan p a n a s (seperti transmiter dan gyro) ke sisi lain. Untuk lebih memaksimalkan sifat termal s t r u k t u r (radiasi/absorpsi panas), m a k a plat alumunium tersebut dihitamkan dengan anodizing. Plat-plat tersebut disamb u n g s a t u sama lain dengan menggunakan baut M5 d a n pin berdiameter 6 mm u n t u k menahan beban geser yang terjadi. 4 buah pin dialokasikan pada sambungan yang akan mengalami beban besar, seperti a n t a r a plat tengah dengan keempat plat sisi, dimana safety factor terhitungnya (untuk 7 g) adalah 5, dan a n t a r a plat bawah (plus Y) dengan keempat plat sisi, dimana safety factor terhitungnya (untuk 6 g} adalah 3.5. Sementara, 2 b u a h pin dialokasikan u n t u k s a m b u n g a n lainnya. Komponen berat lain yang dipakai u n t u k mengkompensasi berat platform kamera sony adalah reaction wheels yang dipasang berseberangan dengan k a m e r a di kompartemen bawah mendekati sisi minus Z. Untuk meminimalkan panjang harness-nya seluruh komponen ACS [gyro, wheel drive electronic) diiemp a t k a n p a d a bagian tersebut. Untuk alasan yang sama pula, S-band transmiter, diletakkan mendekati S-band a n t e n a pada sisi p l u s Z dan TTC1 mendekati UHF a n t e n a pada sisi m i n u s X. Tempat yang tersisa pada kompartemen bawah diperuntukkan bagi star sensor yang perlu mempunyai field of view kcluar satelit n a m u n tidak mengarah ke bumi. Kamera Kappa dengan 50 mm lensa ditempatkan di kompartemen atas menghadap ke sisi p l u s Z yang didedikasikan u n t u k melihat bumi. Kemudian air coil Y yang m e m b u t u h k a n area loop maksimal ditempatkan di sepanjang sudut kompartemen ata$,-sementara 2 air coil lain ditempatkan secara orthogonal melalui kedua kompartemen. Tempat yang tersisa di kompartemen a t a s dialokasikan u n t u k TTC2 dan PCDH.
85
3
Gambar 2 - l a : Kompartemen atas
DESAIN MOUNTING
Karena m e r u p a k a n bejana tekan, baterai LAPAN-TUBSAT mempunyai bentuk silinder dengan ujung setengah bola. Bentuk d a n fungsi tersebut memb u t u h k a n desain mounting yang k h u s u s agar dapat secara efisien diletakkan p a d a struktur. Saat baterai diisi (charging), tekanan gas didalamnya a k a n naik bers a m a dengan dihasilkannya p a n a s . Sehingga mounting d i h a r u s k a n u n t u k mengakomodasi sedikit perubahan volume yang terjadi. Agar baterai lebih awet, p a n a s yang dihasilkan juga h a r u s dipindahkan. Namun, mounting baterai haruslah merupakan insulator, sehingga muatan yang terbentuk pada casing tidak dihant a r k a n ke struktur. Persyaratan di atas m e m b u a t baterai terbuat dari fiberglass, sehingga lebih l u n a k dari logam dan merupakan insulator. Pemindahan p a n a s dari baterai dilakukan secara radiasi dengan mencat casing baterai dengan warna hitam.
Gambar 3 - 1 : Mounting beterai
STAR SENSOR
Gambar 2-lb:Kompartemen bawah 86
Mounting u n t u k kamera Sony d a n lensa 1000 mm-nya adalah bagian yang paling rumit dalam struktur LAPANTUBSAT. Tujuan dari platform ini adalah u n t u k melindungi perangkat optik yang ada dari getaran d a n kejut yang terjadi selama transportasi d a n peluncuran d a n u n t u k tempat bagi mekanisme pengatur fokus lensa. Mekanisme tersebut dibuat agar fokus lensa, yang merupakan fungsi dari s u h u , dapat diatur diorbit yang s u h u n y a a m a t mungkin a k a n j a u h berbeda dengan di bumi. Pengaturan fokus dilakukan dengan memutar bagian tengah lensa, yang mempunyai ulir dengan lensa bagian belakang dan depan, sehingga j a r a k a n t a r a cermin
primer d a n s e k u n d e r a k a n berubah. Karena mempunyai bagian yang bergerak, mounting lensa dilengkapi dengan bushing yang terbuat dari Teflon (berwarna emas di gambar), yang adalah bahan licin yang t a h a n vakum. Gerakan putar yang dihasilkan oleh servo, yang telah dimodifikasi agar t a h a n vakum, dikonversi mejadi gerak translasi oleh gigi cacing, yang lantas oleh sistem sendi yang didesain k h u s u s dikonversi menjadi perputaran d a n pergeseran bagian lensa. Sementara, peredaman getaran dilakukan oleh pegas baja yang dipasang p a d a bagian bawah d a n kiri dari mounting, sebelum dipasangkan p a d a s t r u k t u r LAPAN-TUBSAT.
satelit diarahkan tegak lurus dari lintasan terbang. Sensor matahari yang terdapat di sisi Y d a n Z p l u s j u g a memiliki mounting berupa kaki agar tidak t e r t u t u p oleh bayangan dari bagian yang menonjol seperti baffle lensa p a d a sisi Z plus dan sistem separasi pada sisi Y plus. Selain dari mounting yang tersebut di atas, s e b u a h klem berbentuk C dibuat u n t u k memperkuat mounting dari 3 b u a h Wheel Drive Electronics, yang p e n e m p a t a n n y a dibuat b e r s u s u n u n t u k menghemat tempat, d a n pengikat kabel dari Teflon digunakan u n t u k m e m a s a n g harness pada struktur. 4
Gambar 3-2: Komponen dari k a m e r a Sony
mounting
Agar dapat melihat bintang dengan baik, yang dijadikan referensi sikap satelit, star sensor h a r u s dapat m e n g a r a h k a n kameranya menjauhi cahaya terang yang bis'a menjadi s u m b e r noise baginya. Spesifikasinya m e n y a t a k a n bahwa agar dapat berfungsi baik, sumber cahaya terang h a r u s b e r s u d u t lebih 30° terhadap axis kameranya. Star sensor ditempatkan m e n g h a d a p sisi Y plus, sebagai sisi satelit yang tidak diberi solar panel d a n tidak m e n g h a d a p ke bumi. Karena sisi tersebut j u g a dipasangi bagian sistem separasi terhadap roket, mounting berbentuk kaki dengan inklinasi 30° dari axis Y plus, yang d i m a k s u d k a n agar p a n d a n g a n star sensor tidak tertutup sistem separasi d a n terhindar dari albedo b u m i s a a t m o m e n t u m s u d u t
KARAKTERISTIK DINAMIK
Karakteristik dinamik s t r u k t u r LAPAN-TUBSAT dibatasi oleh persyaratan PSLV yakni frekuensi resonansi pertama ke a r a h axis panjang roket h a r u s lebih dari 90 Hz d a n ke a r a h axis lateralnya lebih besar dari 45 Hz. Oleh sebab itu, dalam desain struktur, karakteristik dinamik disimulasi dengan menggunakan perangkat lunak komersial bernama NASTRAN yang berbasis pada metoda elemen hingga. Dalam pemodelannya, geometri dari komponen LAPAN-TUBSAT disederh a n a k a n u n t u k menghemat waktu perhitungan, yakni dengan mengganti dengan beban yang terbuat dari Al-Alloy 2024 T351 berukuran 293 x 293 x 39 mm pada kompartemen atas d a n b e r u k u r a n 293 x 293 x 72 mm p a d a kompartemen bawah. Seluruh bahan pembentuk satelit terbuat dari alloy yang sama, kecuali a n t e n n a UHF yang dimodel dengan b a h a n Stainless Steel materials. Seluruh s a m b u n g a n p a d a s t r u k t u r maupun komponen LAPAN-TUBSAT dimodel sebagai s a m b u n g a n k a k u (nodal sharing) d a n 12 b u a h b a u t yang mengunci LAPAN-TUBSAT p a d a a d a p t e r roket dimodel sebagai 12 nodal p a d a posisi b a u t di sisi Y plus dengan penguncian p a d a 6 derajat kebebasam Karena hanya u n t u k akurasi moderat, 87
pemodelan elemen hingga ini h a n y a memiliki 1982 elemen d a n 2812 nodal. Hasil analisis respon dinamik terh a d a p s t r u k t u r LAPAN-TUBSAT adalah sebagai berikut. Tabel 4 - 1 : FREKUENSI RESONANSI Frekwensi
(Hz) 52,29 52,292 52,3 52,31 104,09 106,41 151,47
DAN
MODA
Moda resonansi UHF a n t e n a Y k e a r a h X UHF a n t e n a Y k e a r a h Z UHF a n t e n a X kearah Z UHF a n t e n a X k e a r a h Y Struktur satelit ke a r a h X S t r u k t u r satelit kearah Z S t r u k t u r satelit k e a r a h Y
Gambar 4 - 1 : Modus resonansi 52.29 Hz
pada
Gambar 4-2: Modus resonansi 104.09 Hz
pada
88
Gambar 4-3: Modus resonansi 151.47 Hz
pada
Hasil simulasi menunjukkan bahwa frekuensi s t r u k t u r ke a r a h lateral terendah lebih besar dari 45 Hz, demikian j u g a dengan frekuensi resonansi ke a r a h longitudinal yang lebih besar dari 90 Hz. Dengan demikian desain s t r u k t u r LAPAN-TUBSAT telah m e m e n u h i persyaratan PSLV. Konfigurasi luar dari model elemen hingga dibuat persis dengan dimensi yang sebenarnya k a r e n a model tersebut a k a n digunakan dalam analisa b e b a n d a n deformasi yang terjadi p a d a payload roket (coupled load/clearance analysis). Hal tersebut ditunjukkan dalam Gambar 4-4.
Gambar 4-4: Model LAPAN-TUBSAT pada analisa beban payload PSLV C7
5
PENGUJIAN
Tujuan dari pengujian struktur adalah u n t u k membuktikan bahwa LAPAN-TUBSAT a k a n t a h a n terhadap beban mekanik selama p e l u n c u r a n d a n untuk memvalidasi model dinaraik yang dibuat. Pengujian dilakukan pada fasilitas milik DLR/Astrofeinwerk di Berlin pada bulan Mei 2005.
Tabel 5-2: PRASYARAT UJI GETARAN ACAK
DENGAN
Axis
Frek
tingkat
x, y, z
20 110 250 1000 2000
0,002 0,002 0,034 0,034 0,009 6,7 grms 1 min/axis
tingkat Durasi
Selain dari itu j u g a dilakukan uji resonansi dengan m e l a k u k a n sweep di frekuensi 4-20.000 Hz (sweep rate of 2 oct/min) p a d a tingkat 0,2 g. Pembacaan respon dinamik dilakukan oleh 11 accelerometer yang dipasang pada LAPANTUBSAT (termasuk pada lensa kamera Sony). Hasil uji resonansi seperti pada Tabel 5-3. Gambar 5-1: Pengujian p a d a axis X Tabel 5-3: HASIL UJI RESONANSI
Gambar 5-2: Pengujian p a d a axis Y Otoritas peluncur (ISRO) menetapkan bahwa persyaratan uji getar yang harus dilakukan adalah sebagai b e r i k u t : Tabel 5-1: PRASYARAT UJI GETARAN SINUS Frek (Hz) Axis Y
5
10-100 Axis X & 5 Z 8-100 Sweep rate
DENGAN batas
8 mm (0 to peak) 2,5 g 10 mm 1.5 g 4 octave/min
Dari hasil di atas, dapat diperlihatkan bahwa frekuensi resonansi hampir tidak berubah sebelum d a n sesudah dilakukannya uji getar dengan beban sesuai persyaratan PSLV, sehingga dapat disimpulkan bahwa tidak ada perubahan atau kegagalan struktur di LAPANTUBSAT. Perubahan kecil p a d a b a c a a n accelerometer yang ditempatkan di lensa kamera Sony disebabkan oleh saturasi dari damper yang ada. Setelah uji getar uji fungsional secara lengkap dilakukan secara menyeluruh pada semua komponen LAPAN-TUBSAT d a n dibuktikan bahwa LAPAN-TUBSAT tidak a k a n mengalami 89
k e r u s a k a n k a r e n a beban mekanik yang teijadi dalam p e l u n c u r a n . Frekuensi resonansi ke a r a h longitudinal dari pemodelan h a n y a berbeda 2% dari hasil uji, sedangkan perb e d a a n frekuensi arah lateral p a d a pemodelan d a n hasil uji yang c u k u p besar dapat dimengerti karena penyederhanaan komponen satelit d e n g a n b e b a n pengganti dari b a h a n pejal dan homogen h a n y a mensimulasikan titik berat yang s a m a n a m u n b u k a n k e k a k u a n inersia p a d a aksis tersebut. 6
KESIMPULAN
Dari uraian di atas dapat disimp u l k a n bahwa desain s t r u k t u r LAPANTUBSAT telah memenuhi s e m u a persyaratannya, yakni • optimasi berat, volume, dan inersia sesuai persyaratan p e l u n c u r a n dan operasi. • posisi dan sikap komponen yang sesuai dengan persyaratan operasi.
90
• karakteristik dinamik d a n k e k u a t a n yang sesuai dengan persyaratan otoritas peluncur Selain dari itu proses desain telah menghasilkan model elem hingga LAPANTUBSAT c u k u p valid u n t u k digunakan dalam analisa beban-beban paytoad pada misiPSLVC7. DAFTAR RUJUKAN Institute for Composite Structure & Adaptive System, DLR; Test Report: Vibration Test LAPAN-TUBSAT; DLR-MDT-005-05. PSLV-LAPAN TUBSAT 1 Coupled Load Analysis; Doc No. ANTRIX/LS/ LAPAN/CLA/01/05. Sugiarmadji HPS; Dynamic Characteristics Analysis Of LAPAN-TUBSAT MicroSatellite Structures, PUSTEKWAGAN TECHNICAL DOCUMENT NO. TR3351003. Triharjanto, R. H., Hasbi, W., Widipaminto, A., Mukhayadi, M., TECHNICAL REPORT ON LAPAN-TUBSAT MICROSATELLITE.
