DESAIN DAN PENGUJIAN STRUKTUR SATELIT
MIKRO LAPAN-TUBSAT
Robertas Heru Trlharjanto
Peneliti BidangStruktur Mekanlka, LAPAN ABSTRACT
The p a p e r d i s c u s s a b o u t t h e design and t e s t 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 h i s time as the m e m b e r of LAPAN-TUBSAT integration a n d test. The discussion includes t h e design r e q u i r e m e n t for t h e s t r u c t u r e as m e c h a n i c a l interface a n d its implementation as well as its design validation p r o c e s s via t e s t as accordance to the r e q u i r e m e n t s e t by the l a u n c h e r authority.
ABSTRAK
Makalah ini m e m b a h a s mengenai desain d a n pengujian d a r i s t r u k t u r dari satelit mikro LAPAN-TUBSAT y a n g m e r u p a k a n k e w e n a n g a n penulis s a a t menjadi anggota tim integrasi d a n t e s LAPAN-TUBSAT. P e m b a h a s a n meliputi p e r s y a r a t a n d e s a i n s t r u k t u r sebagai interface m e k a n i k d a n implementasinya serta validasi d a r i p r o s e s desain dengan pengujian s e s u a i d e n g a n b e b a n y a n g d i p e r s y a r a t k a n oleh pihak p e l u n c u r satelit.
Kata k u n c i : Sateht mikro LAPAN-TUBSAT 1 PENDAHULUAN
LAPAN-TUBSAT a d a l a h satelit mikro pertama Indonesia yang merupakan p r o d u k k e r j a s a m a a n t a r a LAPAN d e n g a n
Technical University of Berlin, J e r m a n .
Misi dari satelit ini a d a l a h sebagai satelit u n t u k memonitor {surveillance) d a n sebagai satelit p e r c o b a a n (technology
experiment^.
Secara u m u m fungsi dari struktur satelit adalah u n t u k melindungi kom-ponen-komponen di dalamnya dari beban/ lingkungan y a n g terjadi s e l a m a c u r a n d a n di orbit. Beban s e l a m a pelun-curan yang u t a m a adalah beban mekanik, baik statis m a u p u n d i n a m i s . S e m e n t a r a 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 b a h w a posisi d a n a r a h sikap d a r i 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 d e n g a n spesifikasi operasi satelit.
Sebagai project k e d i r g a n t a r a a n d e n g a n d a n a a m a t t e r b a t a s , berbagai u p a y a d i l a k u k a n u n t u k m e m i n i m a l k a n biaya, s a l a h s a t u n y a a d a l a h dengan m e n g g u n a k a n p e l u n c u r a n s e c a r a m e -n u m p a -n g {piggyback) p a d a misi pelu-n- pelun-curan satelit besar. Dalam k a s u s LAPAN-TUBSAT, p i h a k y a n g bersedia u n t u k meluncurkannya secara piggyback adalah India d e n g a n m e n g g u n a k a n PSLV. Oleh s e b a b itu berat d a n volume LAPAN-TUBSAT h a r u s l a h m e m e n u h i persya-r a t a n p e n u m p a n g k e d u a , yakni h a persya-r u s lebih ringan d a r i 150 kg d a n dengan volume satelit ( t e r m a s u k 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 . P e r s y a r a t a n lain y a n g h a r u s d i p e n u h i desainer satelit adalah p u s a t m a s a y a n g tidak boleh lebih tir.ggi dari 4 5 0 mm d a r i a d a p t e r t e r h a d a p roket d a n h a r u s dalam radius 5 mm d a r i p u s a t axis adapter roket.
Karena LAPAN-TUBSAT a k a n di-l u n c u r k a n odi-leh PSLV, m a k a k e k u a t a n s t r u k t u r y a n g h a r u s dipenuhi adalah
mampu m e n a h a n b e b a n dari m a s a kom-ponennya y a n g mengalami percepatan 7 g ke a r a h longitudinal roket dan 6 g ke arah lateral roket. J u g a struktur tersebut h a r u s m e m p u n y a i frekuensi resonansi lerendah di a t a s 90 Hz ke a r a h longitudinal roket d a n di a t a s 45 Hz ke arah lateral roket.
Selain m e m e n u h i persyaratan yang tersebut di atas, pada k a s u s LAPAN-TUBSAT dcsain s t r u k t u r j u g a d i b u a t agar satelit m e m p u n y a i momen inersia maximum p a d a axis Y d a n sekecil mungkin insersia cross product-nya. Sehingga n u t a s i dapat diminimalkan saat satelit mengadakan transfer momen-tum s u d u t .
2 DESAIN STRUKTUR UTAMA
Agar d a p a t memaksimalkan akses lerhadap s e l u r u h k o m p o n e n 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 d i b u a t dengan sistem 2 kompartemen yang saling mcmbelakangi, y a n g disebut sebagai kompartemen b a w a h d a n a t a s s e s u a i dengan p e n e m p a t a n n y a di roket kelak. Panjang k o m p a r t e m e n b a w a h dibuat untuk t e r u t a m a mengakomodasi kom-ponen y a n g paling panjang, yakni kamcra Sony d e n g a n l e n s a Casegrain
1 1 / 1 0 0 0 m m . Lebarnya a k a n dibuat sama dengan panjangnya agar distribusi inersia ke s u m b u X d a n Z h a m p i r s a m a . Tinggi kompartemen b a w a h disesuaikan dengan tinggi lensa plus platform peredam kcjutnya. Scmentara tinggi kompartemen atas dibuat pas u n t u k m e m u a t baterai dengan sistem mounting-nya. Penempatan baterai p a d a sisi yang berlawanan dengan
platform kamera Sony untuk mengimbangi
beratnya, sehingga lokasi p u s a t m a s a dapat memenuhi persyaratan PSLV. Kedua kompartemen membentuk sebuah box dengan u k u r a n 450 x 450 x 275 mm. Konfigurasi ini terbuat dari 7 plat a l u m u n i u m 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 d a p a t 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 p a n a s ) , m a k a plat a l u m u n i u m tersebut dihitamkan dengan anodizing. Plat-plat tersebut disamb u n g s a t u s a m a lain dengan m e n g g u n a -kan b a u t M5 d a n pin berdiameter 6 mm u n t u k m e n a h a n beban geser yang terjadi. 4 b u a h pin dialokasikan p a d a s a m b u n g a n yang akan mengalami beban besar, seperti a n t a r a plat tengah dengan keempat plat sisi, d i m a n a 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} a d a l a h 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 k a m e r a sony adalah reaction wheels y a n g d i p a s a n g berseberangan d e n g a n k a m e r a d i k o m p a r t e m e n b a w a h m e n d e -kati sisi minus Z. Untuk meminimalkan panjang harness-nya s e l u r u h komponen ACS [gyro, wheel drive electronic) diiem-p a t k a n diiem-p a d a bagian tersebut. Untuk a l a s a n y a n g s a m a pula, S-band trans-miter, diletakkan mendekati S-band a n t e n a p a d a sisi p l u s Z dan TTC1 men-dekati UHF a n t e n a p a d a sisi m i n u s X. Tempat y a n g tersisa p a d a kompartemen b a w a h d i p e r u n t u k k a n bagi star sensor yang perlu mempunyai field of view kcluar satelit n a m u n tidak m e n g a r a h ke b u m i .
Kamera Kappa dengan 50 mm lensa ditempatkan di k o m p a r t e m e n a t a s m e n g h a d a p ke sisi p l u s Z y a n g didedika-sikan u n t u k melihat b u m i . Kemudian air
coil Y y a n g m e m b u t u h k a n a r e a loop
maksimal ditempatkan di sepanjang s u d u t kompartemen a t a $ , - s e m e n t a r a 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.
Gambar 2 - l a : Kompartemen a t a s STAR SENSOR Gambar 2-lb:Kompartemen b a w a h 3 DESAIN MOUNTING Karena m e r u p a k a n bejana t e k a n , baterai LAPAN-TUBSAT m e m p u n y a i b e n t u k silinder dengan ujung s e t e n g a h bola. B e n t u k d a n fungsi t e r s e b u t m e m -b 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 s t r u k t u r . S a a t baterai diisi (charging), t e k a n a n gas didalamnya a k a n naik ber-s a m a dengan dihaber-silkannya p a n a ber-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 j u g a h a r u s dipindahkan. Namun, mounting baterai h a r u s -lah merupakan insulator, sehingga m u a t a n yang t e r b e n t u k p a d a casing tidak dihan-t a r k a n ke s dihan-t r u k dihan-t u r . Persyaradihan-tan di a dihan-t a s m e m b u a t baterai t e r b u a t dari fiberglass, sehingga lebih l u n a k dari logam dan m e r u p a k a n insulator. Pemindahan p a n a s dari baterai dilakukan secara radiasi dengan m e n c a t casing baterai dengan w a r n a hitam.
Gambar 3 - 1 : Mounting beterai
Mounting u n t u k k a m e r a Sony d a n
lensa 1000 m m - n y a a d a l a h bagian y a n g paling rumit dalam s t r u k t u r LAPAN-TUBSAT. Tujuan dari platform ini adalah u n t u k melindungi perangkat optik yang ada dari getaran d a n kejut yang terjadi selama t r a n s p o r t a s i d a n p e l u n c u r a n d a n u n t u k t e m p a t bagi mekanisme p e n g a t u r fokus lensa. Mekanisme tersebut dibuat agar fokus lensa, yang m e r u p a k a n fungsi dari s u h u , d a p a t diatur diorbit yang s u h u n y a a m a t m u n g k i n a k a n j a u h berbeda dengan di b u m i . P e n g a t u r a n fokus dilakukan dengan m e m u t a r 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 b e r u b a h . Karena mempunyai bagian yang bergerak,
mounting lensa dilengkapi dengan bushing y a n g t e r b u a t dari Teflon
(ber-warna e m a s di gambar), y a n g adalah bahan licin y a n g t a h a n v a k u m . Gerakan putar yang dihasilkan oleh servo, yang telah dimodifikasi agar t a h a n v a k u m , dikonversi mejadi gerak translasi oleh gigi cacing, y a n g lantas oleh sistem sendi yang didesain k h u s u s dikonversi menjadi perputaran d a n pergeseran bagian lensa. Sementara, p e r e d a m a n getaran dilaku-kan oleh pegas baja yang dipasang p a d a bagian bawah d a n kiri dari mounting, sebelum d i p a s a n g k a n p a d a s t r u k t u r LAPAN-TUBSAT.
Gambar 3-2: Komponen dari mounting k a m e r a Sony
Agar dapat melihat bintang dengan baik, yang dijadikan referensi sikap satelit,
star sensor h a r u s d a p a t 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, s u m b e r cahaya terang h a r u s b e r s u d u t lebih 30° ter-hadap axis k a m e r a n y a . 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 b u m i . Karena sisi t e r s e b u t j u g a dipasangi bagian sistem s e p a r a s i t e r h a d a p roket,
mounting berbentuk kaki dengan inklinasi
30° dari axis Y plus, y a n g 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
satelit d i a r a h k a n tegak l u r u s dari lintasan terbang.
Sensor m a t a h a r i yang terdapat di sisi Y d a n Z p l u s j u g a memiliki mounting b e r u p a kaki agar tidak t e r t u t u p oleh bayangan dari bagian y a n g menonjol seperti baffle lensa p a d a sisi Z plus dan sistem separasi p a d a sisi Y plus.
Selain dari mounting yang ter-s e b u t di a t a ter-s , ter-s e b u a h klem b e r b e n t u k C dibuat u n t u k m e m p e r k u a t mounting dari 3 b u a h Wheel Drive Electronics, y a n g 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 m e n g h e m a t tempat, d a n pengikat kabel dari Teflon digunakan u n t u k m e m a s a n g
harness p a d a s t r u k t u r .
4 KARAKTERISTIK DINAMIK
Karakteristik dinamik s t r u k t u r LAPAN-TUBSAT dibatasi oleh persyaratan PSLV yakni frekuensi r e s o n a n s i p e r t a m a 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 b e s a r dari 45 Hz. Oleh s e b a b itu, dalam desain s t r u k t u r , karakteristik dinamik disimulasi dengan menggunakan perangkat l u n a k komersial b e r n a m a NASTRAN yang berbasis p a d a metoda elemen hingga.
Dalam pemodelannya, geometri dari komponen LAPAN-TUBSAT diseder-h a n a k a n u n t u k m e n g diseder-h e m a t w a k t u per-hitungan, yakni dengan mengganti dengan b e b a n yang t e r b u a t dari Al-Alloy 2024 T351 b e r u k u r a n 293 x 2 9 3 x 39 mm p a d a k o m p a r t e m e n a t a s d a n b e r u k u r a n 2 9 3 x 2 9 3 x 72 mm p a d a k o m p a r t e m e n bawah. Seluruh b a h a n p e m b e n t u k satelit t e r b u a t 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 m a u p u n 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 y a n g
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 k e b e b a s a m Karena h a n y a u n t u k a k u r a s i moderat,
pemodelan elemen hingga ini h a n y a memiliki 1982 elemen d a n 2812 nodal.
Hasil analisis respon dinamik ter-h a d a p s t r u k t u r LAPAN-TUBSAT a d a l a ter-h sebagai berikut. Tabel 4 - 1 : FREKUENSI RESONANSI DAN MODA Frekwensi
(Hz)
52,29 52,292 52,3 52,31 104,09 106,41 151,47 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 S t r u k t u r satelit ke a r a h X S t r u k t u r satelit k e a r a h Z S t r u k t u r satelit k e a r a h Y G a m b a r 4 - 1 : Modus resonansi p a d a 52.29 HzGambar 4-2: Modus resonansi p a d a 104.09 Hz
G a m b a r 4 - 3 : Modus resonansi p a d a 151.47 Hz
Hasil simulasi m e n u n j u k k a n b a h w a frekuensi s t r u k t u r ke a r a h lateral t e r e n d a h lebih b e s a r dari 45 Hz, demi-kian j u g a d e n g a n frekuensi r e s o n a n s i ke a r a h longitudinal yang lebih b e s a r 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 persya-r a t a n PSLV.
Konfigurasi luar dari model elemen hingga d i b u a t persis dengan dimensi yang s e b e n a r n y a k a r e n a model tersebut a k a n d i g u n a k a n d a l a m analisa b e b a n d a n deformasi yang terjadi p a d a payload roket (coupled load/clearance analysis). Hal t e r s e b u t d i t u n j u k k a n d a l a m Gambar 4-4.
G a m b a r 4-4: Model LAPAN-TUBSAT p a d a analisa b e b a n payload PSLV C7
5 PENGUJIAN
Tujuan dari pengujian s t r u k t u r adalah u n t u k m e m b u k t i k a n b a h w a LAPAN-TUBSAT a k a n t a h a n t e r h a d a p beban m e k a n i k selama p e l u n c u r a n d a n u n t u k memvalidasi model dinaraik yang dibuat. Pengujian dilakukan p a d a fasilitas milik DLR/Astrofeinwerk di Berlin p a d a bulan Mei 2 0 0 5 .
Tabel 5-2: PRASYARAT UJI GETARAN ACAK DENGAN G a m b a r 5 - 1 : Pengujian p a d a axis X Axis x, y, z Frek 20 110 250 1000 2000 tingkat Durasi tingkat 0,002 0,002 0,034 0,034 0,009 6,7 grms 1 m i n / a x i s 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
LAPAN-TUBSAT (termasuk p a d a lensa k a m e r a Sony). Hasil uji r e s o n a n s i seperti p a d a Tabel 5-3.
Tabel 5-3: HASIL UJI RESONANSI
Gambar 5-2: Pengujian p a d a axis Y Otoritas p e l u n c u r (ISRO) mene-t a p k a n b a h w a p e r s y a r a mene-t a n uji gemene-tar yang harus dilakukan adalah sebagai b e r i k u t : Tabel 5 - 1 : PRASYARAT UJI DENGAN
GETARAN SINUS Axis Y Axis X & Z Frek (Hz) 5 10-100 5 8-100 Sweep rate batas 8 m m (0 to peak) 2,5 g 10 m m 1.5 g 4 octave/min
Dari hasil di atas, dapat diperlihat-kan bahwa frekuensi resonansi hampir tidak berubah sebelum d a n s e s u d a h d i l a k u k a n n y a uji getar dengan beban sesuai persyaratan PSLV, sehingga dapat disimpulkan bahwa tidak ada perubahan a t a u kegagalan s t r u k t u r di LAPAN-TUBSAT. P e r u b a h a n kecil p a d a b a c a a n
accelerometer yang ditempatkan di lensa
k a m e r a Sony disebabkan oleh s a t u r a s i dari damper yang ada. Setelah uji getar uji fungsional secara lengkap dilakukan secara menyeluruh pada semua komponen LAPAN-TUBSAT d a n dibuktikan b a h w a LAPAN-TUBSAT tidak a k a n mengalami
k e r u s a k a n k a r e n a b e b a n m e k a n i k yang teijadi dalam p e l u n c u r a n .
Frekuensi r e s o n a n s i ke a r a h longitudinal dari pemodelan h a n y a ber-b e d a 2% dari hasil uji, s e d a n g k a n per-b e d a a n frekuensi a r a h lateral p a d a pe-modelan d a n hasil uji yang c u k u p b e s a r dapat dimengerti karena penyederhanaan k o m p o n e n satelit d e n g a n b e b a n peng-ganti dari b a h a n pejal dan homogen h a n y a m e n s i m u l a s i k a n titik berat y a n g 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 a k s i s tersebut.
6 KESIMPULAN
Dari u r a i a n di a t a s dapat disim-p u l k a n b a h w a desain s t r u k t u r LAPAN-TUBSAT telah m e m e n u h i s e m u a persya-r a t a n n y a , yakni
• optimasi berat, volume, dan inersia sesuai persyaratan p e l u n c u r a n dan operasi.
• posisi dan sikap komponen y a n g sesuai dengan p e r s y a r a t a n operasi.
• karakteristik dinamik d a n k e k u a t a n y a n g sesuai dengan persyaratan otoritas peluncur
Selain dari itu proses desain telah menghasilkan model elem hingga LAPAN-TUBSAT c u k u p valid u n t u k d i g u n a k a n dalam analisa b e b a n - b e b a n paytoad p a d a 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 Micro-Satellite Structures, PUSTEKWAGAN
TECHNICAL DOCUMENT NO. TR-3 TR-3 5 1 0 0 TR-3 .
Triharjanto, R. H., Hasbi, W., Widipaminto, A., Mukhayadi, M., TECHNICAL REPORT ON LAPAN-TUBSAT
