Bagaimana Material Komposit Membentuk Eksplorasi Antariksa
20 Juli 2019 menandai peringatan 50 tahun pertama Apollo mendarat di bulan. Meskipun, saat kapsul Apollo dibangun, industri komposit masih dalam tahap awal dan material belum dalam penggunaan yang luas, kapsul Apollo menggunakan teknologi komposit awal dalam bentuk heat shield ablative yang terbuat dari Avcoat, epoxy novolac resin dengan serat kaca dalam matriks fiberglass-phenolic honeycomb. Sarang lebah fiberglass dilekatkan pada struktur primer dan material seperti pasta disuntik ke dalam setiap sel secara individual. Sejak Apollo, komposit canggih telah berkembang pesat dan telah memainkan peran signifikan dalam program angkasa dengan penggunaan di kendaraan peluncuran, space shuttle, satelit, teleskop angkasa dan Stasiun Antariksa Internasional.
Saat ini, ras manusia berada di ambang langkah baru yang menarik ke dalam eksplorasi angkasa. Administrasi saat ini meminta kembali ke bulan oleh astronaut AS pada 2024 dan telah mengumumkan anggaran 2021 lebih dari $25 miliar untuk program eksplorasi angkasa manusia National Aeronautics and Space Administration (NASA, Washington, D.C., AS). Administrator NASA Jim Bridenstine mengatakan anggaran ini adalah "salah satu anggaran terkuat dalam sejarah NASA."
Selain misi bulan lainnya, NASA memiliki misi saat ini dan akan datang untuk mempelajari sistem surya kita dari matahari hingga bulan es dari planet terluar dan di luar. Misi untuk menjelajahi matahari sedang berlangsung: pada saat penulisan ini, Parker Solar Probe saat ini memantau atmosfer matahari dan Solar Orbiter telah berhasil diluncurkan. Upaya juga sedang berlangsung untuk melanjutkan eksplorasi exoplanet dan galaksi jauh melalui misi Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) dan James Webb Space Telescope, yang terakhir telah membuat kemajuan menuju kesiapan peluncuran selama tahun terakhir.
Pesawat angkasa dan program baru juga telah muncul dalam beberapa tahun terakhir dari kolaborasi yang meningkat antara agensi angkasa nasional dan internasional serta perusahaan komersial. Misalnya, SpaceX (Hawthorne, California, AS), dengan pesawat angkasa Crew Dragon, dan Boeing Space and Launch (Arlington, Virginia, AS), dengan pesawat angkasa Starliner, berlomba menuju penerbangan angkasa berawak AS pertama sejak penghentian program space shuttle pada Juli 2011. Kedua perusahaan telah melakukan uji coba penerbangan dengan NASA dengan harapan misi berawak pada 2021.
Dari dukungan yang meningkat terhadap program angkasa NASA hingga pertumbuhan meledaknya angkasa komersial, ras manusia sebenarnya siap untuk era angkasa agung berikutnya. Komposit dan material canggih memainkan peran yang semakin besar dalam manufaktur peluncuran, pesawat angkasa dan instrumen yang menjadikan semua eksplorasi ini memungkinkan.
Bulan
Program besar untuk kembali ke bulan dinamai atas Artemis, dewi bulan dan perburuan Yunani, saudara kembar Apollo — dan cakupan programnya luas. Artemis akan mendirikan basis lunar orbit, memungkinkan astronaut untuk tidak hanya menjelajahi bulan lebih lanjut, tetapi juga menggunakan bulan sebagai pos advanced untuk misi akhirnya ke Mars. Beberapa proyek membentuk program Artemis, termasuk sistem peluncuran berat baru yang dikenal sebagai Space Launch System (SLS), kapal awak Orion, stasiun angkasa lunar orbit yang dikenal sebagai Gateway dan lander lunar. Komposit canggih terlibat di semua komponen ini dengan cara atau lainnya.
Peluncur berat. SLS Rocket Stage being prepared for shipping. Sumber | NASA
The Space Launch System (SLS)
Kendaraan peluncuran berat baru NASA bertujuan untuk memungkinkan eksplorasi di luar orbit Bumi. Pada 2015 NASA berinvestasi dalam mesin automated fiber placement (AFP) Electroimpact (Mukilteo, Washington, AS) untuk memproduksi bagian roket besar yang terdiri dari struktur sandwich lebih dari 8 meter diameter yang terbuat dari kulit serat karbon dengan inti sarang lebah aluminium. Kepala AFP menahan hingga 16 gulungan serat karbon dan ditempatkan di ujung lengan robot 21 kaki yang menempatkan serat pada permukaan alat dalam pola yang tepat untuk membentuk struktur dengan bentuk dan ukuran yang bervariasi.
Struktur sandwich serupa dibuat oleh RUAG Space (Decatur, Alabama, AS) menggunakan proses tata tangan manual. Perusahaan bekerja sama dengan Dynetics (Huntsville, Alabama, AS) pada Universal Stage Adapter (USA) yang akan menghubungkan tahap atas SLS ke Orion crew module. RUAG Space akan memproduksi cangkang adapter 8,4 meter diameter yang terdiri dari empat panel kuartal inti sarang lebah komposit yang akan dilekatkan panas bersama (Learn more).
The Orion Multi-Purpose Crew Vehicle
Terdiri dari command module yang diproduksi oleh Lockheed Martin (Bethesda, Maryland, AS) dan service module yang disediakan oleh European Space Agency (ESA, Paris, Prancis) dan diproduksi oleh Airbus Defence and Space (Ottobrunn, Jerman), Orion adalah jantung program Artemis dan akan membawa astronaut ke angkasa, berfungsi sebagai kendaraan eksplorasi selama perjalanan angkasa dan mengembalikan awak ke Bumi.
Sistem propulsi Orion mencakup banyak komponen yang diproduksi oleh Aerojet Rocketdyne (Sacramento, California, AS), termasuk delapan auxiliary engine biopropellan 110 pound dorongan berdasarkan keluarga mesin R-4D Aerojet Rocketdyne. Aerojet Rocketdyne juga menyediakan motor jettison Launch Abort System (LAS) dan composite overwrapped pressure vessels untuk pesawat angkasa. Pada awal 2020, Aerojet Rocketdyne memasang mesin pemilihan serat karbon untuk menghasilkan casing motor roket padat (Learn more).
Untuk reentry, Orion menggunakan heat shield serat karbon diameter 5 meter yang diproduksi oleh Lockheed Martin yang diproduksi sebagai struktur sandwich dengan kulit serat karbon dan inti sarang lebah titan. Heat shield kemudian dilapisi panel Avcoat — material ablative yang sama yang digunakan untuk misi Apollo (Learn more).
Empat kompresi pad dari material ablative dilekatkan pada heat shield dengan baut titan di titik di mana command module melekat ke service module. Kompresi pad harus menahan beban struktural selama peluncuran dan kenaikan, serta pyro-shock (dari baut peledak) saat pemisahan dua modul. Mereka juga harus memenuhi persyaratan reentry untuk resistensi suhu tinggi dan ablation. Pad serat karbon/phenolic digunakan pada pesawat uji Orion penerbangan pertama, tetapi menunjukkan bukti retakan inter-laminar setelah penerbangan dan diganti dengan solusi 3D woven yang dikenal sebagai 3D Multifunctional Ablative TPS (3D-MAT) yang menggunakan material kuarsa 3D woven dari Bally Ribbon Mills (Bally, Pennsylvania, AS) dan sistem resin cyanate ester dari Toray Advanced Composites (Learn more).
The Lunar Orbital Platform-Gateway (LOP-G)
Gateway adalah stasiun angkasa orbit bulan yang sedang dikembangkan oleh NASA bersama mitra internasional termasuk agensi angkasa Rusia, Kanada, Jepang dan Eropa. Peran Gateway adalah untuk mendukung eksplorasi bulan dan melayani sebagai pos advanced untuk misi akhirnya ke Mars. Berbagai modul untuk stasiun sedang dikembangkan dan kemungkinan akan menggunakan material komposit dalam bentuk atau lainnya.
Roll-Out Solar Array (ROSA) yang dikembangkan oleh Air Force Research Laboratory (AFRL; Dayton, Ohio, AS) dan Deployable Space Systems menggunakan high-strain composites (HSC) akan digunakan dalam program Gateway. HSC adalah material komposit tipis dan ringan yang dirancang untuk muat dalam paket kecil dan membuka dengan melubangi. Sistem ROSA menggunakan dua boom serat karbon HSC untuk melubangi dan menegangkan selang surya besar. (Learn more about HSCs).
Kontribusi potensi lainnya untuk Gateway adalah Canadarm-3. Diajukan oleh Canadian Space Agency (Longueuil, Quebec, Kanada), alat ini adalah lengan robot 8,5 meter yang terbuat dari komposit serat karbon. Sistem Canadarm sebelumnya telah digunakan pada space shuttle dan Stasiun Antariksa Internasional (ISS).
Lunar landers
Banyak perusahaan yang bekerja pada konsep sistem lander lunar untuk Artemis, semuanya mencakup potensi untuk material komposit. Misalnya, Blue Origin (Kent, Washington, AS) bermitra dengan Lockheed Martin, Northrop Grumman (Falls Church, Virginia, AS) dan Draper (Cambridge, Massachusetts, AS) pada sistem lander lunar tiga kendaraan yang diusulkan: lander lunar Blue Moon Blue Origin, kendaraan "Transfer Element" yang disediakan oleh Northrop Grumman yang akan memosisikan sistem lander di orbit bulan, dan kendaraan "Ascent Element" yang disediakan oleh Lockheed Martin yang akan mengembalikan astronaut dari permukaan bulan ke orbit bulan. Sistem navigasi penurunan dan avionik penerbangan akan disediakan oleh Draper. Beberapa perusahaan lain yang bekerja pada konsep lander lunar meliputi Boeing, Dynetics, SpaceX dan Sierra Nevada Corp. (Louisville, Colorado dan Madison, Wisconsin, AS).
Selain lander lunar berawak, NASA mengantisipasi kebutuhan akan lander lunar kecil dan menengah untuk memungkinkan berbagai penyelidikan ilmiah dan payload demonstrasi teknologi besar.
Artemis suits
Pada Oktober 2019, NASA memperkenalkan dua desain baju antariksa baru — Exploration Extravehicular Mobility Unit (xEMU) baru dan baju Orion Crew Survival System (OCSS) — yang keduanya akan digunakan untuk misi bulan Artemis.
Baju xEMU dilaporkan menawarkan rentang mobilitas yang jauh lebih baik dibandingkan baju yang saat ini digunakan untuk aktivitas ekstravehikular (EVA). Menurut ILC Dover (Frederica, Delaware, AS), yang memiliki hubungan jangka panjang dengan NASA dalam manufaktur baju antariksa, baju xEMU adalah pembaruan dari baju walking canggih yang dikirimkan ke NASA pada 2016 dikenal sebagai Z-2.
"Sejak 2016, ILC Dover terus meningkatkan desain baju walking, serta baju zero-g dan baju entry peluncuran," kata Dan Klopp, pemasaran produk untuk ILC Dover.
Prototipe baju antariksa Z-2 menampilkan elemen dada dan pinggang serat karbon/epoksi dalam desainnya. (Lihat "On Mars, not just any suit will do" untuk lebih banyak tentang penggunaan komposit dalam baju antariksa.)
Baju antariksa OCSS NASA dirancang sebagai baju peluncuran dan entry yang dipresurisasi untuk awak Orion. Sementara NASA belum merilis detail tentang material dalam desain baru, aman untuk bertaruh bahwa cukup banyak komposit terlibat. Baju peluncuran dan entry era shuttle memiliki lapisan luar DuPont (Richmond, Virginia, AS) meta-aramid Nomex yang tahan api. EMU sebelumnya telah menggunakan kombinasi Nomex, para-aramid Kevlar (juga dikembangkan oleh DuPont) dan Gore-Tex, membran kain yang tahan air dan bernapas yang diproduksi oleh W.L. Gore & Assoc. (Newark, Delaware, AS) (Learn more).
Mars
Sebagian besar inisiatif Artemis adalah menyiapkan panggung untuk mengirim manusia ke Mars. Sementara itu, NASA juga sedang bekerja menuju misi tanpa awak ke Mars pada musim panas ini yang akan mendirikan rover robotik baru dan helikopter eksplorasi robotik di planet merah.
Aeroshell berbentuk kapsul akan melindungi rover Mars 2020 selama masuk ke atmosfer Mars dan mendarat. Aeroshell terbuat dari sarang lebah aluminium dengan kulit serat karbon. Heat shield menggunakan sistem perlindungan termal phenolic impregnated carbon ablator (PICA) berbentuk ubin.
Rover Mars 2020 sendiri memiliki panjang sekitar 10 kaki, lebar 9 kaki dan tinggi 7 kaki (3 meter panjang, 2,7 meter lebar, 2,2 meter tinggi). Sementara NASA belum merilis detail tentang material yang digunakan untuk membangun rover, diketahui bahwa Advanced Composites Training (ACT, London, Ontario, Kanada) berfungsi sebagai konsultan bagi Jet Propulsion Laboratory (JPL, Pasadena, California, AS) NASA mengenai penggunaan material komposit untuk konstruksi rover Mars 2020 (Learn more).
Pada 2.314 pon (1.050 kilogram), rover akan lebih ringan dari mobil kompak rata-rata. Rover perlu ringan dan awet untuk perjalanan ke planet merah, dan juga perlu cukup kuat untuk membawa kamera dan instrumen ilmiah, serta Mars Helicopter — pesawat lain yang intensif komposit yang akan digunakan untuk menjelajahi planet.
Mars Helicopter terbuat dari lebih dari 1.500 potongan serat karbon, aluminium kelas penerbangan, silikon, tembaga, foil dan foam dan beratnya tidak lebih dari 4 pon (1,8 kilogram) (Learn more).
Matahari
Dua misi sedang berlangsung untuk meningkatkan pemahaman kita tentang matahari dan perilaku matahari, kedua dengan tujuan akhir untuk meramal badai matahari yang dapat mempengaruhi sistem listrik darat, komunikasi satelit dan GPS.
Parker Solar Probe
Parker Solar Probe diluncurkan pada Agustus 2018 dan melakukan pengukuran in-situ dan citra untuk mempelajari korona matahari dan angin matahari. Untuk menahan suhu ekstrem di wilayah ini, probe menggunakan perlindungan cermin ringan tebal 4,5 inci. Sistem perlindungan termal (TPS) ini terbuat dari foam komposit serat karbon yang disandwich antara dua laminat serat karbon dan dilapisi cat keramik putih di permukaan yang menghadap matahari. Perlindungan ini dirancang oleh Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (Laurel, Maryland, AS) dan dibangun di Carbon-Carbon Advanced Technologies (Kennedale, Texas, AS).
Sebagian besar instrumen probe tersembunyi di belakang TPS, dan sensor di tepi heat shield menjaga pesawat angkasa tetap diposisikan dengan benar. Surya sel yang digunakan untuk memberi daya pada pesawat dapat ditarik kembali ke bayangan heat shield untuk perlindungan. Sistem pendingin sederhana yang beroperasi dengan mengedarkan sekitar satu galon air juga digunakan untuk menjaga suhu surya sel dan instrumen tetap sejuk.
Pada Januari 2019, NASA melaporkan bahwa Parker Solar Probe beroperasi sesuai dengan desain setelah pendekatan keempatnya yang dekat dengan matahari, dikenal sebagai perihelion. TPS pesawat mencapai suhu terbaru 1.134°F (612°C), meskipun pesawat dan instrumen di balik perlindungan panas ini tetap pada suhu sekitar 85°F (30°C). Tijdens tiga perihelia terdekat pesawat pada 2024-25, TPS akan melihat suhu sekitar 2.500°F (1.370°C).
Solar Orbiter
Solar Orbiter, misi kolaborasi antara European Space Agency (ESA) dan NASA, diluncurkan pada Februari 2020. Orbiter berada pada trajetur unik yang akan memungkinkan serangkaian instrumen komprehensifnya untuk memberikan citra pertama kali dari kutub matahari.
Pesawat angkasa dilindungi oleh solar shield berlapis serat karbon komposit/titan dengan bukaan untuk berbagai instrumen. Heat shield 324 pon dapat menahan hingga 970°F (521°C) dan menggunakan lapisan foil titan tebal 0,05 milimeter untuk memantulkan panas. Perlindungan ini didukung oleh panel support 2,94 kali 2,56 meter yang tebal sekitar 5 sentimeter dan terbuat dari sarang lebah aluminium ringan dengan dua kulit serat karbon konduktivitas termal tinggi. Perlindungan lebih lanjut disediakan oleh multi-layer insulation yang dapat menahan 572°F (300°C). Heat shield Solar Orbiter dilapisi lapisan tipis hitam calcium phosphate.
Di luar sistem surya
Pada Agustus 2019, insinyur di fasilitas Northrop Grumman di Redondo Beach, California, AS, secara mekanis menghubungkan Optical Telescope Element dari James Webb Space Telescope (JWST), yang mencakup cermin dan instrumen ilmiah, dan Space Craft Element, yang menggabungkan sunshield dan pesawat angkasa JWST, untuk pertama kalinya. Meskipun kedua komponen teleskop telah diuji secara individual, ini menandai pertama kali kedua bagian tersebut digabungkan menjadi satu observasi. Milestone ini penting bagi Webb saat teleskop mendekati peluncuran yang direncanakan pada 2021.
JWST adalah teleskop angkasa yang paling canggih dan kompleks yang pernah dibangun — 100 kali lebih canggih daripada teleskop Hubble. Dirancang untuk menjelajahi alam semesta menggunakan cahaya inframerah, teleskop akan memungkinkan astronom untuk mengamati objek terpauh di alam semesta, memberikan citra bintang jauh, exoplanet dan galaksi pertama yang terbentuk. Teleskop juga adalah contoh menarik bagaimana komposit memungkinkan satelit dan pesawat 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 angkasa dan sunshield berukuran lapangan tenis.
JWST menggunakan backplane serat karbon untuk mendukung cermin, instrumen dan elemen lain teleskop — total lebih dari 2.400 kilogram (2,5 ton) perangkat keras. Struktur juga bertanggung jawab untuk menjaga teleskop tetap stabil selama periode panjang pengumpulan cahaya. Backplane tidak boleh bervariasi lebih dari 38 nanometer meski suhu ekstrem berkisar dari -406°F hingga -343°F (-243°C hingga -208°C).
Backplane terbuat dari prepreg yang terdiri dari serat karbon yang disuplai oleh Toray Advanced Composites dan resin cyanate ester dari Hexcel (Stamford, Connecticut, AS). Struktur mencakup lebih dari 10.000 bagian komposit serat karbon ringan. Struktur backplane keseluruhan mencakup bagian tengah, rangkaian sayap dan backplane support fixture (BSF), dan berukuran sekitar 24 kaki tinggi kali 19,5 kaki lebar kali lebih dari 11 kaki dalam (7,3 kali 5,9 kali 3,4 meter) saat sepenuhnya diterapkan. Bobotnya hanya 2.180 pon (989 kilogram), tetapi akan mendukung instrumen yang berat lebih dari 7.300 pon (3.311 kilogram) — payload lebih dari 300% bobotnya sendiri.
Selain cermin primer dan struktur backplane, OTE JWST juga mencakup Deployable Tower Assembly (DTA), struktur pendukung cermin sekunder dan kerangka ISIM yang menempatkan instrumen ilmiah dan sistem pendingin teleskop. Struktur ini terbuat dari prepreg serat karbon modulus ultra-tinggi dan resin cyanate ester dari Toray Advanced Composites.
"Material ini sangat baik sebagai bahan optical bench," kata Sean Johnson, product manager, termo-set untuk Toray. "Kekakuan tinggi serat UHM memberikan struktur yang sangat stabil dan memberikan sejumlah damping. Sangat baik pada suhu rendah yang akan dialami JWST."
SCE, atau bus pesawat angkasa, juga terbuat dari komposit serat karbon Toray dan menempatkan propulsi, sistem pendukung observatorium, daya surya, sistem pendingin aktif dan komunikasi pesawat angkasa. Bus harus ringan namun mampu menahan gaya setara dengan 45 ton sambil mendukung observatorium selama peluncuran.
Pada Oktober 2019, JWST berhasil lulus uji penerapan sunshield dan dijadwalkan untuk peluncuran pada 2021. (Learn more).
Langkah raksasa
Beberapa tahun ke depan akan menyiapkan panggung untuk era baru penuh eksplorasi angkasa. Saat pesawat angkasa dan sistem yang dibutuhkan untuk era emas baru ini terus berkembang, suplier dan pembuat komposit akan terus ditantang untuk mendorong material dan teknologi ke batas baru.
