20 Juli 2019 menandai peringatan 50 tahun Apollo first pertama pendaratan di bulan. Padahal, pada saat itu Apollo kapsul dibangun, industri komposit masih dalam masa pertumbuhan dan bahannya belum digunakan secara luas, Apollo kapsul menggunakan teknologi komposit awal berupa pelindung panas ablatif yang terbuat dari Avcoat, resin epoksi novolak dengan serat silika dalam matriks sarang lebah fiberglass-fenolik. Sebuah sarang lebah fiberglass diikat ke struktur utama dan bahan seperti pasta disuntikkan ke dalam setiap sel satu per satu. Sejak Apollo , komposit canggih telah berevolusi dengan pesat, dan telah memainkan peran penting dalam program luar angkasa dengan digunakan pada kendaraan peluncuran, pesawat ulang-alik, satelit, teleskop luar angkasa, dan Stasiun Luar Angkasa Internasional.
Hari ini, umat manusia menemukan dirinya siap untuk beberapa langkah baru yang menarik dalam eksplorasi ruang angkasa. Pemerintahan saat ini telah menyerukan kembalinya ke bulan oleh astronot AS pada tahun 2024 dan telah mengumumkan anggaran tahun 2021 lebih dari $25 miliar untuk program eksplorasi ruang angkasa manusia dari Badan Penerbangan dan Antariksa Nasional (NASA, Washington, D.C., AS). Administrator NASA Jim Bridenstine mengatakan anggaran tersebut adalah "salah satu anggaran terkuat dalam sejarah NASA".
Selain tembakan bulan lainnya, NASA memiliki misi saat ini dan yang akan datang untuk mempelajari tata surya kita dari matahari ke bulan es dari planet terluar dan seterusnya. Misi untuk menjelajahi matahari saat ini sedang berlangsung:pada saat penulisan ini, Parker Solar Probe sedang memantau atmosfer matahari dan Solar Orbiter telah berhasil diluncurkan. Upaya juga sedang dilakukan untuk melanjutkan eksplorasi eksoplanet dan galaksi jauh melalui misi Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) dan Teleskop Luar Angkasa James Webb, yang terakhir telah membuat langkah menuju kesiapan peluncuran selama setahun terakhir.
Pesawat ruang angkasa dan program baru juga dihasilkan dalam beberapa tahun terakhir dari peningkatan kolaborasi antara badan antariksa nasional dan internasional serta perusahaan komersial. Misalnya, SpaceX (Hawthorne, California, AS), dengan Crew Dragon pesawat ruang angkasa, dan Boeing Space and Launch (Arlington, Va., A.S.), dengan Starliner miliknya pesawat ruang angkasa, berlomba menuju penerbangan luar angkasa AS berawak pertama sejak penghentian program pesawat ulang-alik pada Juli 2011. Kedua perusahaan telah melakukan penerbangan uji dengan NASA dengan harapan misi berawak pada 2021.
Dari peningkatan dukungan program luar angkasa NASA hingga pertumbuhan eksplosif ruang komersial, umat manusia tampaknya benar-benar siap untuk era luar angkasa besar berikutnya. Komposit dan material canggih memainkan peran yang semakin besar dalam pembuatan peluncur, pesawat ruang angkasa, dan instrumen yang memungkinkan semua eksplorasi ini.
Bulan
Program menyeluruh untuk mengembalikan manusia ke bulan dinamai Artemis, dewi bulan dan perburuan Yunani, saudara kembar Apollo — dan cakupan programnya sangat luas. Artemis akan membangun basis orbit bulan, yang memungkinkan astronot tidak hanya menjelajahi bulan lebih jauh, tetapi juga menggunakan bulan sebagai pos terdepan untuk misi akhirnya ke Mars. Beberapa proyek membentuk Artemis program, termasuk sistem peluncuran berat baru yang dikenal sebagai Space Launch System (SLS), Orion kapal awak, stasiun luar angkasa orbit bulan yang dikenal sebagai Gateway dan pendarat bulan. Faktor komposit canggih menjadi semua komponen ini dalam satu atau lain cara.
Peluncur berat. Panggung Roket SLS sedang dipersiapkan untuk pengiriman. Sumber | NASA
Sistem Peluncuran Luar Angkasa (SLS)
Kendaraan peluncuran berat baru NASA ditujukan untuk memungkinkan eksplorasi di luar orbit Bumi. Pada tahun 2015 NASA berinvestasi dalam mesin penempatan serat otomatis (AFP) Electroimpact (Mukilteo, Wash., A.S.) untuk memproduksi suku cadang roket skala besar yang terdiri dari struktur sandwich berdiameter lebih dari 8 meter yang terbuat dari kulit serat karbon dengan inti sarang lebah aluminium. Kepala AFP menahan hingga 16 gulungan serat karbon dan diposisikan di ujung lengan robot setinggi 21 kaki yang menempatkan serat ke permukaan perkakas dalam pola yang tepat untuk membentuk struktur dengan berbagai bentuk dan ukuran.
Struktur sandwich serupa dibuat oleh RUAG Space (Decatur, Ala., U.S.) menggunakan proses layup manual. Perusahaan ini bekerja sama dengan Dynetics (Huntsville, Ala., A.S.) pada Adaptor Tahap Universal (AS) yang akan bergabung dengan tahap atas SLS ke Orion modul kru. RUAG Space akan memproduksi cangkang adaptor berdiameter 8,4 meter yang terdiri dari empat panel seperempat inti sarang lebah komposit yang akan direkatkan bersama (Pelajari lebih lanjut).
Kendaraan Kru Serbaguna Orion
Terdiri dari modul perintah yang diproduksi oleh Lockheed Martin (Bethesda, Md., AS) dan modul layanan yang disediakan oleh Badan Antariksa Eropa (ESA, Paris, Prancis) dan diproduksi oleh Airbus Defense and Space (Ottobrunn, Jerman), Orion adalah jantung Artemis program dan akan membawa astronot ke luar angkasa, berfungsi sebagai kendaraan eksplorasi selama perjalanan ruang angkasa dan mengembalikan kru ke Bumi.
Orion Sistem propulsinya mencakup banyak komponen yang diproduksi oleh Aerojet Rocketdyne (Sacramento, California, AS), termasuk delapan mesin bantu biopropelan dorong seberat 110 pon berdasarkan keluarga mesin R-4D Aerojet Rocketdyne. Aerojet Rocketdyne juga menyediakan motor jettison Launch Abort System (LAS) dan bejana tekan komposit overwrapped untuk pesawat ruang angkasa. Pada awal tahun 2020, Aerojet Rocketdyne memasang mesin penggulung serat karbon untuk memproduksi casing motor roket padatnya (Pelajari lebih lanjut).
Untuk masuk kembali, Orion menggunakan pelindung panas serat karbon berdiameter 5 meter yang diproduksi oleh Lockheed Martin yang diproduksi sebagai struktur sandwich yang menampilkan kulit serat karbon dan inti sarang lebah titanium. Pelindung panas kemudian dilapisi dengan panel Avcoat — bahan ablatif yang sama yang digunakan untuk Apollo misi (Pelajari lebih lanjut).
Empat bantalan kompresi dari bahan ablatif dipasang ke pelindung panas dengan baut titanium pada titik di mana modul perintah dipasang ke modul servis. Bantalan kompresi harus menahan beban struktural selama peluncuran dan pendakian, serta piro-shock (dari baut peledak) selama pemisahan dua modul. Mereka juga harus memenuhi permintaan masuk kembali untuk ketahanan dan ablasi suhu tinggi. Serat karbon/bantalan fenolik digunakan pada penerbangan pertama Orion kendaraan uji, tetapi menunjukkan bukti retakan antar-laminar pasca penerbangan dan diganti dengan larutan anyaman 3D yang dikenal sebagai TPS Ablative Multifungsi 3D (3D-MAT) yang menggunakan bahan kuarsa tenunan 3D dari Bally Ribbon Mills (Bally, Pa., US ) dan sistem resin ester sianat dari Toray Advanced Composites (Pelajari lebih lanjut).
Gateway Platform Orbital Bulan (LOP-G)
Gateway adalah stasiun luar angkasa orbit bulan yang dikembangkan oleh NASA bersama dengan mitra internasional termasuk badan antariksa Rusia, Kanada, Jepang, dan Eropa. Gerbang perannya adalah untuk mendukung eksplorasi bulan dan berfungsi sebagai pos terdepan untuk misi akhirnya ke Mars. Berbagai modul untuk stasiun sedang dalam pengembangan dan kemungkinan akan menggunakan bahan komposit dalam beberapa cara.
Roll-Out Solar Array (ROSA) yang dikembangkan oleh Air Force Research Laboratory (AFRL; Dayton, Ohio, AS) dan Deployable Space Systems menggunakan komposit regangan tinggi (HSC) akan digunakan dalam program Gateway. HSC adalah material komposit tipis dan ringan yang dirancang agar sesuai dengan paket kecil dan disebarkan dengan cara dibentangkan. Sistem ROSA menggunakan dua boom HSC serat karbon untuk menggulung dan mengencangkan selimut susunan surya besar. (Pelajari lebih lanjut tentang HSC).
Kontribusi potensial lain untuk Gateway adalah Canadarm-3. Diusulkan oleh Badan Antariksa Kanada (Logueuil, Quebec, Kanada), perangkat ini adalah lengan robot 8,5 meter yang dibuat dari komposit serat karbon. Sistem Canadarm sebelumnya telah digunakan pada pesawat ulang-alik dan Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS).
Pendarat bulan
Banyak perusahaan sedang mengerjakan konsep sistem pendaratan bulan untuk Artemis , yang kesemuanya mencakup potensi material komposit. Misalnya, Blue Origin (Kent, Wash., AS) bermitra dengan Lockheed Martin, Northrop Grumman (Falls Church, Va., AS) dan Draper (Cambridge, Mass., AS) pada sistem pendaratan tiga kendaraan di bulan yang diusulkan:Bulan Biru Blue Origin pendarat bulan, kendaraan "Elemen Transfer" yang disediakan oleh Northrop Grumman yang akan memposisikan sistem pendaratan di orbit bulan, dan kendaraan "Elemen Pendakian" yang disediakan oleh Lockheed Martin yang akan mengembalikan astronot ke orbit bulan dari permukaan bulan. Sistem panduan keturunan dan avionik penerbangan akan disediakan oleh Draper. Beberapa perusahaan lain yang mengerjakan konsep pendarat bulan termasuk Boeing, Dynetics, SpaceX, dan Sierra Nevada Corp. (Louisville, Colo. dan Madison, Wis., A.S.).
Selain pendarat bulan berawak, NASA mengantisipasi kebutuhan pendarat bulan ukuran kecil dan menengah untuk memungkinkan berbagai penyelidikan sains dan muatan demonstrasi teknologi besar.
Setelan Artemis
Pada Oktober 2019, NASA meluncurkan dua desain pakaian luar angkasa baru — Exploration Extravehicular Mobility Unit (xEMU) baru dan setelan Orion Crew Survival System (OCSS) — keduanya akan digunakan untuk Artemis memprogram misi bulan.
Setelan xEMU dilaporkan menawarkan jangkauan mobilitas yang jauh lebih baik daripada setelan yang saat ini digunakan untuk aktivitas ekstravehicular (EVA). Menurut ILC Dover (Frederica, Del., A.S.), yang memiliki hubungan lama dengan manufaktur pakaian antariksa NASA, setelan xEMU adalah pembaruan dari setelan berjalan lanjutan yang dikirimkan ke NASA pada tahun 2016 yang dikenal sebagai Z-2.
“Sejak tahun 2016, ILC Dover terus meningkatkan desain pakaian berjalan, serta pakaian zero-g dan pakaian pemula yang diluncurkan,” kata Dan Klopp, pemasaran produk untuk ILC Dover.
Prototipe pakaian antariksa Z-2 menampilkan batang tubuh karbon/epoksi dan elemen pinggul dalam desainnya. (Lihat "Di Mars, bukan sembarang setelan yang cocok" untuk mengetahui lebih lanjut tentang penggunaan komposit dalam pakaian antariksa.)
Pakaian luar angkasa OCSS NASA dirancang sebagai pakaian peluncuran dan entri bertekanan untuk Orion anggota kru. Sementara NASA belum merilis rincian bahan dalam desain baru, itu adalah taruhan yang aman bahwa cukup banyak komposit yang terlibat. Pakaian peluncuran dan entri era ulang-alik menampilkan lapisan luar Nomex meta-aramid tahan api DuPont (Richmond, Va., A.S.). Unit Mobilitas Extravehicular (EMU) sebelumnya telah menggunakan kombinasi Nomex, para-aramid Kevlar (juga dikembangkan oleh DuPont) dan Gore-Tex, membran kain tahan air dan dapat bernapas yang diproduksi oleh W.L. Gore &Assoc. (Newark, Del., A.S.) (Pelajari lebih lanjut).
Mars
Sebagian besar Artemis Inisiatif sedang menyiapkan panggung untuk mengirim manusia ke Mars. Sementara itu, NASA juga sedang mengerjakan misi tak berawak ke Mars musim panas ini yang akan membuat robot penjelajah baru dan helikopter penjelajah robot di planet merah.
Sebuah aeroshell berbentuk kapsul akan melindungi penjelajah Mars 2020 saat memasuki atmosfer dan pendaratan Mars. Aeroshell terbuat dari sarang lebah aluminium dengan kulit serat karbon. Pelindung panas menggunakan sistem proteksi termal tile phenolic impregnated carbon ablator (PICA).
Mars 2020 Rover sendiri memiliki panjang kurang lebih 10 kaki, lebar 9 kaki dan tinggi 7 kaki (panjang 3 meter, lebar 2,7 meter, tinggi 2,2 meter). Sementara NASA belum merilis rincian tentang bahan yang digunakan untuk membangun rover, diketahui bahwa Pelatihan Komposit Lanjutan (ACT, London, Ontario, Kanada) menjabat sebagai konsultan untuk Laboratorium Propulsi Jet NASA (JPL, Pasadena, California, AS). ) tentang penggunaan material komposit untuk konstruksi penjelajah Mars 2020 (Pelajari lebih lanjut).
Dengan berat 2.314 pon (1.050 kilogram), rover akan memiliki berat kurang dari rata-rata mobil kompak. Itu harus ringan dan tahan lama untuk perjalanan ke planet merah, dan juga harus cukup kuat untuk membawa kamera dan instrumen ilmiah, serta Helikopter Mars — pesawat padat komposit lain yang akan digunakan untuk menjelajahi planet ini. .
Helikopter Mars dibuat dari lebih dari 1.500 potongan serat karbon, aluminium tingkat penerbangan, silikon, tembaga, foil, dan busa, serta beratnya tidak lebih dari 4 pon (1,8 kilogram) (Pelajari lebih lanjut).
Matahari
Dua misi saat ini sedang dilakukan untuk meningkatkan pemahaman kita tentang matahari dan perilakunya, keduanya dengan tujuan akhir meramalkan badai matahari yang dapat memengaruhi sistem kelistrikan terestrial, komunikasi satelit, dan GPS.
Penyelidik Surya Parker
Penyelidik Surya Parker diluncurkan pada Agustus 2018 dan melakukan pengukuran dan pencitraan in-situ untuk mempelajari korona matahari dan angin matahari. Untuk menahan suhu ekstrem di wilayah ini, probe menggunakan pelindung reflektif ringan setebal 4,5 inci. Sistem perlindungan termal (TPS) ini terbuat dari busa komposit serat karbon yang diapit di antara dua laminasi karbon dan dilapisi dengan cat keramik putih di permukaan yang menghadap matahari. Perisai ini dirancang oleh Laboratorium Fisika Terapan Johns Hopkins (Laurel, Md., AS) dan dibuat di Carbon-Carbon Advanced Technologies (Kennedale, Texas, AS).
Sebagian besar instrumen probe terselip di belakang TPS, dan sensor di sepanjang tepi pelindung panas menjaga posisi pesawat ruang angkasa dengan benar. Susunan surya yang digunakan untuk memberi daya pada pesawat dapat ditarik ke dalam bayangan pelindung panas untuk perlindungan. Sebuah sistem pendingin sederhana yang beroperasi dengan mensirkulasikan sekitar satu galon air juga digunakan untuk menjaga susunan surya dan instrumentasi tetap dingin.
Pada Januari 2019, NASA melaporkan bahwa Parker Solar Probe beroperasi seperti yang dirancang setelah pendekatan keempat dekat ke matahari, yang dikenal sebagai perihelion. TPS pesawat mencapai rekor suhu baru 1.134º F (612º C), meskipun pesawat ruang angkasa dan instrumen di belakang pelindung panas ini tetap pada suhu sekitar 85º F (30º C). Selama tiga perihelia terdekat pesawat ruang angkasa pada tahun 2024-25, TPS akan melihat suhu sekitar 2.500º F (1.370º C).
Pengorbit Matahari
Pengorbit Matahari , misi kolaboratif antara Badan Antariksa Eropa (ESA) dan NASA, diluncurkan pada Februari 2020. Pengorbit berada pada lintasan unik yang memungkinkan seperangkat instrumen komprehensifnya untuk memberikan gambar kutub matahari untuk pertama kalinya.
Pesawat ruang angkasa dilindungi oleh komposit serat karbon / perisai surya berlapis titanium dengan lubang untuk berbagai instrumen. Pelindung panas seberat 324 pon dapat bertahan hingga 970º F (521º C) dan menggunakan lapisan titanium foil setebal 0,05 milimeter untuk memantulkan panas. Perisai ini didukung oleh panel pendukung berukuran 2,94 kali 2,56 meter dengan tebal sekitar 5 sentimeter dan terbuat dari sarang lebah aluminium ringan dengan dua kulit serat karbon konduktivitas termal tinggi. Perlindungan lebih lanjut diberikan oleh insulasi multi-lapisan yang mampu menahan 572º F (300 °C). Pelindung panas Solar Orbiter dilapisi dengan lapisan tipis kalsium fosfat hitam.
Di luar tata surya
Pada Agustus 2019, para insinyur di fasilitas Northrop Grumman di Redondo Beach, California, AS, secara mekanis menghubungkan Elemen Teleskop Optik James Webb Space Telescope (JWST), yang mencakup instrumen cermin dan sains, dan Elemen Kerajinan Luar Angkasa, yang menggabungkan elemen JWSTsunshield dan pesawat ruang angkasa, untuk pertama kalinya. Meskipun kedua komponen teleskop telah diuji satu per satu, ini menandai pertama kalinya kedua bagian digabungkan menjadi satu observatorium. Pencapaian tersebut merupakan salah satu pencapaian penting bagi Webb karena teleskop itu semakin dekat menuju peluncuran yang direncanakan pada tahun 2021.
JWST adalah teleskop ruang angkasa paling kuat dan kompleks yang pernah dibuat — 100 kali lebih kuat daripada teleskop Hubble. Dirancang untuk menjelajahi kosmos menggunakan cahaya inframerah, teleskop akan memungkinkan para astronom untuk mengamati objek terjauh di alam semesta, memberikan gambar bintang jauh, planet ekstrasurya, dan galaksi pertama yang terbentuk. Teleskop juga merupakan contoh menarik tentang bagaimana komposit memungkinkan satelit dan pesawat ruang angkasa.
Platform teleskop terdiri dari tiga komponen utama — Optical Telescope Element (OTE), Integrated Science Instrument Module (ISIM), dan Space Craft Element (SCE), yang mencakup bus pesawat ruang angkasa dan sunshield seukuran lapangan tenis.
JWST menggunakan backplane serat karbon untuk mendukung cermin teleskop, instrumen, dan elemen lainnya — total lebih dari 2.400 kilogram (2,5 ton) perangkat keras. Struktur ini juga bertanggung jawab untuk menjaga teleskop tetap stabil selama periode pengumpulan cahaya yang lama. Bidang belakang tidak dapat bervariasi lebih dari 38 nanometer meskipun suhu ekstrem berkisar antara -406°F hingga -343°F (-243°C hingga -208°C).
Bagian belakang dibuat dari prepreg yang terdiri dari serat karbon yang disediakan oleh Toray Advanced Composites dan resin ester sianat dari Hexcel (Stamford, Conn., A.S.). Strukturnya mencakup lebih dari 10.000 bagian komposit serat karbon ringan. Seluruh struktur backplane mencakup bagian tengah, rakitan sayap, dan perlengkapan pendukung backplane (BSF), dan berukuran sekitar 24 kaki dengan lebar 19,5 kaki dengan kedalaman lebih dari 11 kaki (7,3 kali 5,9 kali 3,4 meter) saat digunakan sepenuhnya. Beratnya hanya 2.180 pon (989 kilogram), tetapi akan mendukung instrumen dengan berat lebih dari 7.300 pon (3.311 kilogram) — muatan lebih dari 300% beratnya sendiri.
Selain cermin utama dan struktur bidang belakang, OTE JWST mencakup Deployable Tower Assembly (DTA), struktur pendukung cermin sekunder dan kerangka ISIM yang menampung instrumen ilmiah teleskop dan sistem pendingin. Struktur ini dibuat dengan prepreg serat karbon modulus ultra-tinggi dan resin ester sianat dari Toray Advanced Composites.
“Bahan-bahan ini adalah bahan bangku optik yang sangat bagus,” kata Sean Johnson, manajer produk, termoset untuk Toray. “Kekakuan tinggi dari serat UHM memberikan struktur yang sangat stabil [dan] memberikan sejumlah redaman. Ini sangat bagus pada suhu rendah yang akan dilihat [JWST].”
SCE, atau bus pesawat ruang angkasa, juga terbuat dari komposit serat karbon Toray dan menampung propulsi pesawat ruang angkasa, sistem pendukung observatorium, tenaga surya, sistem pendingin aktif, dan komunikasi. Bus secara bersamaan harus ringan namun mampu menahan gaya yang setara dengan 45 ton sambil mendukung observatorium saat peluncuran.
Pada bulan Oktober 2019, JWST berhasil lulus pengujian penerapan sunshield dan saat ini dijadwalkan untuk diluncurkan pada tahun 2021. (Pelajari lebih lanjut).
Sebuah lompatan besar
Beberapa tahun ke depan akan menjadi panggung bagi era baru eksplorasi ruang angkasa. Karena pesawat ruang angkasa dan sistem yang dibutuhkan untuk zaman keemasan baru ini terus berkembang, pemasok dan pembuat komposit akan terus-menerus ditantang untuk mendorong material dan teknologi ke batas baru.
