Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 8 No. 2 Desember 2010:116-124

ANALISIS MANUVER PENYELAMATAN SATELIT PALAPA - D Robertus Heru Triharjanto*), Hagorly M. Hutasulut**) *) Peneliti Pusat Teknologi Satelit, LAPAN **) Program Studi Aeronotika dan Astronotika, ITB e-mail: [email protected]

ABSTRACT

The paper discusses the analysis on orbit maneuver done to rescue PALAPA-D satellite stranded in high elliptical orbit during its launch in 2009. The purpose of the research is as an exercise for LAPAN and ITB on designing orbit maneuver, especially in the rescue of satellite stranded while approaching its GTO during its launch. The study will gain knowledge on the key factors that make the rescue effort successful. The simulation is done using orbit analysis software STK. Meanwhile, the LM-3 launcher and -4000 satellite bus data is taken from internet publication. The result on the life of the satellite is only difference by 1,9% from the one calculated by the satellite manufacturers, Thales Alenia. Therefore, it can be concluded that the analysis has good validity. Keywords: PALAPA-D, Orbit maneuver

ABSTRAK

Makalah ini membahas tentang analisa manuver orbit yang dilakukan dalam penyelamatan satelit PALAPA-D yang gagal mencapai orbitnya saat peluncurannya di tahun 2009. Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai pembelajaran bagi LAPAN dan ITB dalam merencanakan manuver orbit, khususnya dalam proses penyelamatan yang gagal mencapai orbit transfer geostasioner dalam peluncurannya. Penelitian ini akan memberikan pengetahuan mengenai faktor-faktor kunci yang membuat proses penyelamatan tersebut berhasil. Simulasi manuver orbit dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak STK, dan data mengenai roket peluncur, LM-3, dan bus satelit, Spacebus-4000, yang didapat dari internet. Hasil simulasi yang didapat menunjukkan bahwa perbedaan sisa umur satelit hanya berbeda 1,9% dari perhitungan yang dibuat oleh pembuat satelit (Thales Alenia). Sehingga dapat disimpulkan bahwa analisa/simulasi yang dibuat mempunyai validitas yang baik. Kata kunci: PALAPA-D, Manuver orbit

1 PENDAHULUAN beroperasi selama 15 tahun dengan Dari tahun 1975 hingga 2008 memiliki kapasitas 40 transponder, yang telah memiliki satelit terdiri dari 24 standar C-band, 11 komunikasi sebanyak sembilan buah, extended C-Band serta 5 Ku-band. Satelit mulai dari seri Palapa, seri Telkom, dan ini mempunyai jangkauan mencakup Cakrawarta, dan Garuda. Indonesia, negara-negara ASEAN, Asia Pada tanggal 31 Agustus 2009, Pasifik, Timur Tengah dan Australia. Indosat meluncurkan Satelit Palapa-D Saat diluncurkan Satelit Palapa-D yang akan menggantikan masa pakai memiliki berat 4100 kg dan power Satelit Palapa-C2. Satelit Palapa-D muatan sebesar 6 kW. diproduksi oleh Thales Alenia Space Namun ketika proses pelun- France (TAS-F) yang ditunjuk oleh curannya, yang menggunakan Roket Indosat sebagai mitra pengadaan. Dengan Long March-3B (LM-3B), ke orbit menggunakan platform Spacebus 4000B3, geostasioner, roket mengalami gangguan Satelit Palapa-D didesain untuk dapat pada tahap menuju Geostationary 116

Analisis Manuver Penyelamatan .... (Robertus Heru Triharjanto et al.)

Transfer Orbit (GTO). Akibatnya, satelit  Pada bulan Maret 2008, satelit AMC-14 tidak berhasil sampai di GTO. Setelah milik Amerika Serikat yang beberapa jam hilang dari pantauan, diluncurkan dengan roket Proton gagal Satelit Palapa-D kemudian dilaporkan mencapai orbitnya. Proses penyelamatan- telah berhasil dikendalikan untuk nya menggunakan sistem propulsi dan kemudian melakukan manuver penye- gravitasi bulan (Lunar fly-by) memakan lamatan satelit yakni menuju GTO waktu 6 bulan dan membuat umur dengan meggunakan apogee kick satelit yang seharus-nya 15 tahun motornya dengan bahan bakar orbit menjadi hanya 4 tahun. keeping-nya. Pada makalah ini dibahas Peluncuran adalah masa yang bagaimana proses kegagalan pada paling kritis dari misi satelit. Dari peluncuran Satelit Palapa-D dan berbagai kegagalan satelit GEO manuver penyelamatannya. (telekomunikasi) untuk mencapai orbitnya Tujuan dari analisis adalah selama peluncuran, tidak semuanya mempelajari proses penyelamatan satelit berhasil diselamatkan dengan melakukan Palapa-D, untuk melihat faktor yang manuver orbit menggunakan bahan membuat proses penyelamatan tersebut bakar yang disiapkan untuk orbit berhasil, karena diketahui bahwa tidak keeping-nya. Di antaranya: semua dari satelit yang terdampar di  Pada bulan April 2001 satelit GSAT-1 orbit yang tidak sesuai dengan misinya milik India yang diluncurkan dengan dapat diselamatkan. Untuk itu dilakukan GSLV gagal mencapai GTO-nya, dengan kajian detail tentang sistem bus satelit kondisi apogee kurang 4000 km. Palapa-D dan moda manuver orbitnya. Manuver untuk memperbaiki apogee Dari kajian tersebut dihitung umur (lalu menuju ke GEO) nya mengalami satelit yang tersisa, karena dipakainya berbagai masalah sehingga meng- bahan bakar orbit keeping. Untuk habiskan seluruh bahan bakar yang menguji validitasnya, hasil analisa ada, sesaat sebelum mencapai GEO, kemudian dibandingkan dengan sisa umur sehingga GSAT-1 tidak dapat Palapa-D yang telah dipublikasikan oleh digunakan. Thales Alenia.  Pada bulan Februari 1984, satelit Batasan masalah pada analisis Palapa-B2 milik Indonesia yang dan perhitungan ini adalah: diluncurkan dengan STS-41 (Space  Analisis penyelamatan dimulai saat Shuttle) gagal mencapai orbitnya Roket Long March-3B tingkat ketiga karena roket yang membawanya ke mati. orbit GTO, Payload Assist Modules  Budget V untuk manuver kontrol (PAM), mengalami kegagalan sehingga sikap selama manuver penyelamatan satelit tertinggal di orbit rendah dekat tidak diperhitungkan. dengan orbit . Pada kasus  Budget delta V untuk inclination ini upaya untuk memperbaiki orbitnya change diasumsikan tidak ada. tidak mungkin dilakukan karena PAM  Perhitungan hanya berasumsi pada terbuat dari motor roket padat. Sehingga masalah dua benda (2-body problem). upaya penyelamatan dilakukan dengan mengambil kembali satelit tersebut 2 DATA WAHfANA PELUNCUR DAN dengan space shuttle, dengan bantuan SATELIT astronot (spacewalk), dan membawanya 2.1 Roket Long March-3B kembali ke Bumi (untuk kemudian diluncurkan kembali). Operasi ini Roket LM-3B merupakan roket berhasil namun dianggap terlalu peluncur tiga tingkat yang menggunakan beresiko (bagi misi berawak). bahan bakar cair, yang didesain untuk 117

Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 8 No. 2 Desember 2010:116-124 mengantarkan satelit ke GTO. Roket LM- Bagian utama Spacebus terdiri 3B merupakan perpanjangan dari roket dari dua modul, yakni modul LM-3A dan ditambah empat strap-on komunikasi dan modul service, dengan booster. dimensi panjang 2,3 m; lebar 1,8 m; dan China Academy of tinggi 2,24 – 3,6 m (Gambar 2-1). Technology (CALT) mendesain Roket LM- Struktur center tube dan panel 3B untuk memiliki kemampuan misi Timur, Barat dan anti-Earth di satelit ini GTO dengan massa muatan 5100 kg, terbuat dari sandwich dengan kulit dimana pada roket tingkat ketiga komposit serat karbon. Sementara, menggunakan bahan bakar hidrogen struktur internal deck, panel Utara, cair dan oksigen cair. Selatan dan Earth terbuat dari sandwich dengan kulit Aluminium. 2.2 Spacebus 4000 Tangki bahan bakar satelit ini Spacebus 4000 merupakan bus menggunakan bentuk cassini domes, untuk satelit telekomunikasi kelas yang berfungsi mengoptimalkan kapasitas medium (berat saat meluncur 3000 kg bahan bakar. Bahan bakar yang bisa pada versi B2 dan 5900 kg pada versi dimuat (diamater max. 402 mm) mulai C4). Panel suryanya dapat menghasil- dari 810 kg (rasio isi 50%) hingga 2450 kan daya hingga 15,8 kW. kg (rasio isi 95%). Bus ini didesain untuk melayani Sistem propulsi Spacebus 4000 Ku, C, Ka, X, S, L band sesuai menggunakan apogee kick motor dengan permintaan pengguna, baik untuk daya dorong 400 N, dan 14 station telekomunikasi konvensional maupun keeping thrusters dengan daya dorong untuk mengakomodasikan sistem 10 N. Kedua sistem propulsi ini telekomunikasi terbaru seperti High menggunakan bahan bakar dari tangki Definition TV dan broadband multimedia. yang sama. Hal inilah yang membuat Satelit Palapa D menggunakan bahan bakar station keeping bisa Spacebus 4000-B3 yang memiliki launch digunakan oleh apogee kick motor untuk mass 4100 kg, daya sekitar 6 kW, menaikkan apogee satelit, untuk dengan umur sampai 15 tahun. penyelamatannya.

Gambar 2-1: Service Module dan Communication Module Spacebus 4000

118

Analisis Manuver Penyelamatan .... (Robertus Heru Triharjanto et al.)

Tabel 2-1: KARAKTERISTIK THRUSTER Attitude and Orbit Control 10 N Subsystem (AOCS) 4000 berfungsi Metric mengontrol sikap dan orbit pada Characteristics Dimensions spacebus 4000. AOCS ini didesain untuk Thrust, Nominal 10 N melakukan enam moda, tiga moda Thrust Range 6,0-12,5 N transfer dan tiga moda posisi station. Specific Impulse 219 s Normal Mode (NM) adalah keadaan Flow Rate, Nominal 3,5 g/s satelit dalam kondisi operasional. Mode Flow Rate, Range 2,3-4,2 g/s Stand-by hanya terjadi saat proses peluncuran, dan sebelum melakukan Tabel 2-2: KARAKTERISTIK APOGEE akusisi Matahari. Pada Gambar 2-2 KICK MOTOR memberikan gambaran umum mengenai Model S400- semua mode AOCS dan transisinya. Characteristics 12 Pada Tabel 2-3 memberikan gambaran Thrust, Nominal 420 N umum mengenai sensor dan aktuator Thrust Range 340-440 N yang digunakan pada setiap mode Specific Impulse, 317 s AOCS. Dapat dilihat bahwa Star Tracker Flow Rate, Nominal 135 g/s (STR) digunakan hampir setiap mode Flow Rate, Range 110-142 g/s kecuali Sun Acquisition Mode (SAM).

Gambar 2-2: Skema kerja AOCS 4000

Tabel 2-3: SENSOR DAN AKTUATOR YANG DIGUNAKAN PADA SETIAP MODE AOCS MODE FUNGSI EQUIPMENT USED SBM Kondisi awal AOCS setelah separasi CSS, GYRO Mode akusisi Matahari, Pencarian, dan pointing SAM CSS, GYRO, UPS matahari Mode akusisi sikap inersial, akusisi bintang, dan IAAM STR, GYRO, UPS pointing satelit ORM Mode Orbit Raising, dan memasuki orbit geostasioner STR, GYRO, UPS EPM Penentuan letak bumi Earth dan transisi menuju NM STR, IRES, RW, UPS Normal Mode dan Pengoreksian Orbit (E/W and N/S) STR, IRES, RW, NM High accurate satellite and pointing antenna PPS, UPS Mode Station keeping untuk akusisi final station or DPM STR, IRES, UPS relokasi satelit (tidak dapat dilakukan jika payload (ON)) 119

Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 8 No. 2 Desember 2010:116-124

Mode SAM diperlukan setelah 3 ANALISIS PENYELAMATAN SATELIT PALAPA-D separasi dengan roket peluncur, sebelum digunakannya STR untuk melakukan Satelit Indosat Palapa-D manuver transfer orbit. diluncurkan oleh Roket Long March-3B STR digunakan selama mode orbit pada tanggal 31 Agustus 2009. CZ-3B raising, untuk dapat mengontrol sikap mencapai low parking orbit, dan tingkat selama Apogee motor fairing (AMF). ketiga dihidupkan untuk pembakaran kedua menuju GTO. Namun, mesin mati Sementara gyro digunakan untuk pada 217 x 21138 km x 22,4º orbit. mengukur perubahan sudut sikap. Pada tanggal 2 September 2009, satelit Skema operasi Orbit Raising Mode menggunakan propulsinya untuk (ORM) dapat dilihat pada Gambar 2-3. mencapai orbit 216 x 35687 km x 22,2º Liquid Apogee Engine (LAE) dinyalakan transfer orbit. Pada tanggal 8 September untuk melakukan penambahan kecepatan 2009, orbit satelit 9616 x 35670 km x 7,8º. (delta V), dan berhenti secara otomatis Kedua manuver ini telah mengurangi saat penambahan kecepatan yang umur satelit. diinginkan telah tercapai. Pada AMF Pada analisis ini skenario pertama error penentuan delta V manuver Satelit Palapa-D adalah: didesain sekitar 0.36%. Setelah AMF  Dari orbit 217 x 21138 km x 22,4o, dilakukan, LAE dikalibrasi gaya dorong satelit melakukan manuver perigee dan aliran massanya sesuai dengan sebanyak lima kali; hasil manuver pertama, dan sehingga  Setelah itu satelit melakukan manuver error delta V bisa diturunkan menjadi apogee sebanyak dua kali; 0,05%.  Satelit memasuki orbit geostasioner. Sementara, error dari sikap satelit 3.1 Manuver perigee tidak lebih besar dari 1,2º saat AMF pertama, dan selanjutnya tidak lebih Karena kecepatan satelit ketika besar dari 0,6º. Setelah itu performa melintasi daerah perigee sangat besar, error pointing menjadi kurang dari 0,2º. sementara kemampuan sistem propulsi untuk memberikan gaya dorong terbatas, maka kesempatan untuk manuver perigee sangat singkat untuk bisa mendekati syarat Hohman transfer yang ideal. Namun demikian melakukan manuver perigee yang terlalu banyak akan beresiko terhadap akurasi sistem kendali (karena vektor gaya dorong harus sejajar dengan vektor kecepatan satelit) dan kesalahan timing. Setelah melakukan beberapa kali iterasi, diputuskan bahwa manuver perigee dilakukan sebanyak lima kali. Keberhasilan manuver ini

menunjukkan bahwa sistem kendali Gambar 2-4: Skema operasi ORM sikap seperti yang dibahas pada bab

sebelumnya bekerja dengan sangat baik selama LAE dinyalakan.

120

Analisis Manuver Penyelamatan .... (Robertus Heru Triharjanto et al.)

Gambar 3-1: Visualisasi manuver orbit menuju GEO

Gambar 3-2: Visualisasi Perigee Firing Keterangan warna: coklat = manuver 1; ungu = manuver 2; kuning = manuver 3; hijau = manuver 4; merah : manuver 5

Tabel 3-1: BUDGET MANUVER PERIGEE

Manuver Perigee 1 2 3 4 5

Vawal (km/s) 9,88 9,98 10,06 10,12 10,18 Vakhir (km/s) 9,98 10,06 10,12 10,18 10,23 ∆V (km/s) 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 ∆t (menit) 14,0 11,60 9,70 8,20 7,10

121

Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 8 No. 2 Desember 2010:116-124

Dengan menggunakan rumus vis Tabel 3-2: BUDGET MANUVER APOGEE viva integral diperoleh besar kecepatan Manuver 1 Apogee satelit pada posisi tertentu, untuk Vawal 1,60 km/s mencari besar kecepatan setelah dan Vakhir 2,28 km/s sebelum manuver orbit. ∆V = 0,68 km/s Manuver 2 Apogee (3-1) Vawal 2,28 km/s dimana: Vakhir 3,07 km/s ∆V = 0,79 km/s V = kecepatan pada posisi tertentu (km/s) 3.3 Sisa Umur Satelit Palapa-D µ = spesifik gravitasi Dari perhitungan manuver r = jarak satelit terhadap pusat gravitasi perigee dan apooge, total budget ∆V a = semimajor axis yang dibutuhkan untuk melakukan

adalah = 1,82 km/s. Maka budget ∆V dapat diketahui dengan Menghitung sisa umur Satelit menggunakan rumus, Palapa-D dilakukan dengan menghitung massa bahan bakar yang dibutuhkan (3-2) untuk melakukan manuver, yakni Menentukan lama waktu dengan menggunakan rumus, penyalaan apogee boost motor selama manuver dapat diketahui dengan (3-4) menggunakan rumus, dimana : Ve = velocity exhaust (3-3) mi = massa satelit sebelum manuver mf = massa satelit setelah manuver dimana : Untuk mendapatkan nilai Ve dapat ∆V = budget delta V dicari dengan menggunakan rumus, = thrust engine m = massa satelit = ∆t = lama waktu penyalaan. (3-5) dimana : 3.2 Manuver Apogee F = gaya dorong mesin roket Pada saat satelit di posisi apogee = mass flow rate dilakukan dua kali manuver, karena walaupun budget ∆V yang dibutuhkan Dari Tabel 2-2 diketahui bahwa untuk melakukan manuver sangat besar thrust maximum apogee boost motor 440 (≈81 % dari manuver total satelit), N dan mass flow rate maximum 142 g/s, namun waktu yang bisa digunakan sehingga Ve = 3,1 km/s. untuk melakukan penyalaan propulsi Karena ∆V total 1,825 km/s dan juga lama karena kecepatan yang mi (masa satelit saat peluncuran) 4100 kg, maka massa satelit setelah rendah di apogee. melakukan manuver (mf) adalah 2275,1 Budget ∆V untuk manuver apogee kg. Sehingga massa bahan bakar yang dicari dengan menggunakan rumus (3-1), dibutuhkan untuk melakukan manuver yakni, adalah 2124,9 kg.

122

Analisis Manuver Penyelamatan .... (Robertus Heru Triharjanto et al.)

Gambar 3-3: Visualisasi Aksis Palapa-D

Setelah nilai mf diketahui 4 KESIMPULAN selanjutnya menentukan budget ∆V sisa Hasil prediksi umur satelit yang dibutuhkan satelit selama di orbit Palapa-D yang dilakukan oleh LAPAN- geostasioner untuk melakukan station ITB berbeda 1,9% dibandingkan dengan keeping. Karena thruster orbit keeping publikasi yang diberikan oleh pembuat mempunyai gaya dorong 10 N dan flow satelit. Sehingga dapat disimpulkan rate 3,5 g/s. maka Ve = 2,86 km/s. bahwa perhitungan tersebut cukup Budget ∆V sisa yang dibutuhkan akurat. satelit selama di orbit geostasioner Perbedaan pada perhitungan untuk melakukan station keeping, LAPAN dengan kondisi sebenarnya karena dry mass satelit 1900 kg, adalah diperkirakan karena: 514,76 m/s. Berdasarkan referensi  Tidak dimasukkanya faktor pertubasi nomor 1, budget ∆V station keeping orbit oleh gravitasi Bulan untuk 1 tahun 50 m/s, maka bahan  Tidak masuknya konsumsi bahan bakar yang tersisa cukup untuk operasi bakar untuk manuver sikap selama selama 10,3 tahun. perigee manuver dan akurasi manuver Berdasarkan analisis di atas, saat manuver perigee. ditemukan bahwa sisa umur Satelit  Perbedaan skenario manuver yang Palapa-D setelah melakukan manuver dipilih pihak Thales Alenia. Mereka dapat juga melakukan manuver perigee sebanyak lima kali dan apogee perigee lebih atau kurang dari 5 kali, sebanyak dua kali ialah 10,3 tahun. bergantung dari berbagai pertimbangan Dalam konferensi pers Thales Alenia operasi. Space menyatakan setelah menyelamatkan Satelit Palapa-D dan sukses menjadi Desain Palapa-D yang membuat satelit dengan kondisi operasional, operasi penyelamatan ini dimungkinkan masih memiliki umur pakai sekitar 10,5 adalah penggunaan bahan bakar dari tahun. Sehingga perbedaan prediksi tangki yang sama bagi motor apogee dan umur antara analisis penulis dengan thruster orbit keeping. Sehingga perigee Thales Alenia ialah sekitar 73 hari (1,9%). manuver dalam jumlah minimal dapat

123

Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 8 No. 2 Desember 2010:116-124 dilakukan yang merupakan operasi Astrodynamics (AERO0024) : Astrogator dengan resiko terkecil. STK Tutorial; Gaëtan Kerschen Keberhasilan manuver perigee China Academy of Launch Vehicle pada penyelamatan Palapa-D menunjuk- Technology; LM-3B USER’S kan bahwa sistem kendali sikap satelit, MANUAL. yang pada kasus seperti ini akan sangat http://en.wikipedia.org/wiki/AMC-14. mengandalkan star sensor (akurasi http://en.wikipedia.org/wiki/STS-41-B. http://indonesia-arab.blogspot.com/ tinggi dengan waktu proses yang 2009/08/indosat-to-launch- singkat), bekerja dengan sangat baik. another-satellite.html. Kesalahan sedikit saja pada penentuan http://telecom.esa.int/telecom/www/ sikap ketika manuver ini akan object/index.cfm?fobjectid=755. mengakibatkan diperlukannya lebih http://www.spaceandtech.com/digest/ banyak bahan bakar operasi satelit sd2001-17/sd2001-17-001.shtml. untuk melakukan manuver koreksi. http://www.thalesgroup.com/Pages/ PressRelease.aspx?id=11886. DAFTAR RUJUKAN James R.Wertz (Ed.), 1978. Spacecraft 10 N Bi-Propellant Thruster manual: Attitude Determination and Control, Kluwer Academic Publisher. EADS Space Transportation. L. Gaudic, E. Brouillard, J.M. Pasquet, 400 N Bi-Propellant Thruster manual: H. Renault, In-Flight Geostationary EADS Space Transportation. AOCS Based On Star Tracker.

124