Atmospheric Reentry Demonstrator

Atmospheric Reentry Demonstrator
Atmospheric Reentry Demonstrator (ARD) di ESTEC
Nama	Atmospheric Reentry Demonstrator (ARD)
Jenis	Wahana demonstrasi masuk kembali atmosfer
Operator	Badan Antariksa Eropa (ESA)
Negara	Negara-negara anggota ESA
Produsen utama	Aérospatiale
Program	Manned Space Transportation Program
Peluncur	Ariane 5
Peluncuran	21 Oktober 1998
Lokasi peluncuran	Centre Spatial Guyanais, Kourou, Guyana Prancis
Lama penerbangan	1 jam 41 menit
Ketinggian maksimum	830 km
Diameter	2,8 m
Massa	sekitar 2,8 ton saat memasuki atmosfer
Status	Selesai

Atmospheric Reentry Demonstrator (ARD) adalah wahana eksperimental Badan Antariksa Eropa (ESA) yang dikembangkan untuk menguji berbagai teknologi masuk kembali ke atmosfer Bumi dan memperoleh data mengenai kondisi yang dihadapi wahana selama proses tersebut. ARD merupakan wahana tanpa awak yang dirancang untuk melakukan penerbangan suborbital, masuk kembali secara terkendali, kemudian mendarat di permukaan laut menggunakan sistem parasut.^[1]

ARD hanya melakukan satu penerbangan. Wahana tersebut diluncurkan pada 21 Oktober 1998 menggunakan penerbangan ketiga Ariane 5 dari Centre Spatial Guyanais di Kourou, Guyana Prancis. Setelah mencapai ketinggian sekitar 830 km, ARD melakukan masuk kembali ke atmosfer secara terkendali dan mendarat di Samudra Pasifik setelah penerbangan selama 1 jam 41 menit. Wahana mendarat sekitar 4,9 km dari titik pendaratan yang telah ditentukan.^[2]

Penerbangan tersebut berhasil memenuhi tujuan utama program. Setelah dipulihkan dan diperiksa, sistem navigasi, propulsi, komunikasi, perlindungan termal, serta sistem pemulihan dinilai telah bekerja sesuai harapan. Data penerbangan ARD kemudian digunakan untuk meningkatkan pemahaman mengenai aerodinamika dan lingkungan termal selama masuk kembali ke atmosfer serta menjadi dasar bagi pengembangan wahana masuk kembali Eropa berikutnya.^[2]

ARD merupakan wahana masuk kembali suborbital terpandu pertama yang dibuat, diluncurkan, dan dipulihkan oleh Eropa.^[1]^[2] Pengalaman dari program tersebut kemudian dilanjutkan melalui pengembangan Intermediate eXperimental Vehicle (IXV), sebelum teknologi masuk kembali Eropa dikembangkan lebih lanjut untuk program Space Rider.

Pengembangan

Sejak dekade 1980-an, sejumlah negara mulai mengembangkan teknologi wahana antariksa yang dapat digunakan kembali. Pada saat itu, kemampuan penerbangan ulang-alik dan masuk kembali yang dapat dikendalikan terutama telah dikembangkan oleh Amerika Serikat dan Uni Soviet. Negara-negara Eropa kemudian mengembangkan sejumlah konsep wahana antariksa yang dapat digunakan kembali, termasuk program HOTOL di Britania Raya dan Hermes di Prancis.^[1]

Meskipun program-program tersebut tidak berlanjut hingga tahap operasional, beberapa negara anggota ESA tetap memiliki kepentingan untuk mengembangkan teknologi kendaraan antariksa yang mampu kembali ke Bumi. Setelah program Hermes dihentikan, ESA memutuskan untuk mengembangkan sebuah program demonstrator teknologi yang lebih sederhana. Program tersebut bertujuan menguji teknologi yang diperlukan untuk penerbangan suborbital, masuk kembali, pendaratan, serta pemulihan wahana.^[1]

Program tersebut kemudian dikenal sebagai Atmospheric Reentry Demonstrator. ESA menempatkannya dalam kerangka Manned Space Transportation Program (MSTP). Meskipun ARD bukan kendaraan berawak, program tersebut dimaksudkan untuk mengembangkan teknologi yang nantinya dapat digunakan pada sistem transportasi antariksa yang lebih kompleks.^[1]

Salah satu tujuan utama program adalah menunjukkan kemampuan industri antariksa Eropa dalam merancang dan membangun wahana masuk kembali dengan biaya relatif rendah. Program ini juga dirancang untuk menguji seluruh tahapan penerbangan, mulai dari peluncuran dan penerbangan suborbital hingga masuk kembali dan pemulihan wahana di laut.^[2]

ARD sekaligus membawa berbagai sensor dan perangkat perekam untuk memperoleh data selama penerbangan. Pengukuran tersebut mencakup kondisi aerodinamis, lingkungan termal, sistem navigasi, propulsi, komunikasi, serta kinerja perlindungan termal. Data tersebut kemudian dianalisis untuk meningkatkan kemampuan prediksi dan desain wahana masuk kembali pada program berikutnya.^[2]

Kontraktor utama untuk pengembangan dan pembangunan ARD adalah perusahaan kedirgantaraan Prancis Aérospatiale. Perusahaan tersebut kemudian menjadi bagian dari kelompok EADS dan selanjutnya terkait dengan kegiatan yang berada di bawah Astrium.^[2]

Pada 1995 dan 1996 dilakukan sejumlah studi mengenai bentuk dan konfigurasi wahana. Pada akhirnya, dipilih bentuk kapsul yang menyerupai kapsul Apollo milik NASA. Bentuk tersebut dipilih karena karakteristik aerodinamikanya telah banyak dipelajari sehingga dapat mengurangi kebutuhan untuk melakukan penelitian aerodinamik dasar dari awal. Ukuran dan massa ARD juga disesuaikan dengan kemampuan Ariane 5 sebagai kendaraan peluncurnya.^[2]

Program ARD memiliki jadwal pengembangan yang relatif ketat dan anggaran yang terbatas. Pendekatan tersebut dimaksudkan untuk menunjukkan bahwa teknologi masuk kembali dapat diuji melalui demonstrator yang lebih sederhana dibandingkan program kendaraan antariksa berawak berskala penuh.^[1]

Pengalaman yang diperoleh dari ARD kemudian digunakan dalam pengembangan Intermediate eXperimental Vehicle (IXV). IXV melakukan penerbangan uji pertamanya pada Februari 2015 dan menjadi tahap lanjutan dalam pengembangan teknologi masuk kembali Eropa. ARD dan IXV pada akhirnya menjadi bagian dari rangkaian pengembangan menuju Space Rider.^[1]

Desain

ARD merupakan kapsul otomatis tanpa awak yang distabilkan pada tiga sumbu. Wahana tersebut dirancang terutama sebagai demonstrator teknologi, bukan sebagai kendaraan operasional untuk penerbangan berulang. Bentuknya menyerupai kapsul Apollo dengan skala sekitar 70 persen, sedangkan ESA menganggapnya sebagai sekitar 50 persen dari ukuran kendaraan operasional yang secara konseptual ingin dikembangkan pada masa berikutnya.^[1]

ARD memiliki diameter sekitar 2,8 meter dan massa sekitar 2,8 ton ketika mencapai antarmuka atmosfer. Struktur kapsul bersifat kedap udara dan kedap air serta terutama dibuat dari paduan aluminium. Bagian luarnya dilindungi oleh sistem perlindungan termal yang dirancang untuk menahan panas ekstrem selama masuk kembali.^[1]

Struktur wahana dapat dibagi menjadi tiga bagian utama, yaitu bagian pelindung depan, bagian kerucut belakang, dan penutup belakang. Bagian depan memiliki perlindungan termal paling besar karena merupakan bagian yang menerima beban panas utama selama masuk kembali.^[2]

Salah satu karakteristik aerodinamik ARD adalah kemampuan melakukan manuver selama masuk kembali. Pusat gravitasi wahana ditempatkan secara tidak simetris terhadap bentuk aerodinamiknya sehingga menghasilkan gaya angkat yang dapat digunakan untuk mengendalikan lintasan.^[2]

Sistem pemandu ARD menggunakan pendekatan yang memiliki kemiripan dengan sistem pemanduan kapsul Apollo dan Pesawat Ulang Alik. Pengendalian dilakukan berdasarkan hubungan antara kecepatan dan gaya hambat serta melalui perubahan sudut kemiringan kapsul. Metode tersebut memungkinkan wahana menyesuaikan lintasan dengan batasan pemanasan, beban struktur, dan kondisi penerbangan lainnya.^[2]

Sistem kendali tidak menggunakan permukaan kendali aerodinamis seperti sayap atau kemudi. Sebagai gantinya, ARD menggunakan tujuh pendorong hidrazina untuk melakukan kendali nonlinier selama fase penerbangan ketika sistem kendali reaksi masih efektif. Masing-masing pendorong menghasilkan gaya dorong sekitar 400 N. Tiga pendorong digunakan untuk kendali pitch, dua untuk roll, dan dua untuk yaw.^[2]

Perlindungan termal

Masuk kembali ke atmosfer merupakan salah satu fase penerbangan paling berat bagi ARD. Selama bergerak dengan kecepatan hipersonik, udara di depan wahana mengalami kompresi dan pemanasan ekstrem sehingga menghasilkan lingkungan termal yang sangat tinggi di sekitar permukaan kapsul.^[1]

Pada kondisi tertentu selama masuk kembali, permukaan perlindungan termal ARD dapat mengalami temperatur hingga sekitar 2.000 °C dengan fluks panas maksimum sekitar 1.000 kW/m². Meskipun bagian luar mengalami pemanasan ekstrem, sistem perlindungan termal dirancang agar temperatur di dalam kapsul tetap berada pada tingkat yang dapat ditoleransi oleh peralatan elektronik.^[1]

Bagian kerucut wahana dapat mencapai temperatur sekitar 1.000 °C, sedangkan temperatur interior dirancang tidak melebihi sekitar 40 °C. Sistem perlindungan termal memadukan material yang sebelumnya telah dikembangkan untuk program lain dengan material generasi baru yang secara khusus diuji melalui penerbangan ARD.^[1]

Selama masuk kembali, ketebalan pelindung termal pada bagian depan hanya berkurang sekitar 0,5 mm. Tingkat ablasi yang relatif kecil tersebut membantu mempertahankan bentuk aerodinamis wahana sehingga karakteristik penerbangan tetap dapat diprediksi selama proses masuk kembali.^[1]

Sistem pemulihan

ARD dilengkapi Descent Recovery System (DRS) untuk memperlambat kapsul sebelum menyentuh permukaan laut dan menjaga wahana tetap mengapung setelah mendarat. Sistem tersebut dirancang agar kapsul dapat tetap mengapung selama hingga sekitar 36 jam.^[1]

DRS terdiri atas beberapa parasut yang disimpan di bagian dalam ujung kapsul. Sistem tersebut mencakup satu parasut pilot berbentuk pita, satu parasut drogue berbentuk kerucut dengan satu tahap reefing, serta tiga parasut utama berbentuk pita berlubang yang masing-masing menggunakan dua tahap reefing.^[2]

Untuk menjaga kestabilan kapsul ketika berada di laut, sistem pemulihan juga dilengkapi dua balon yang dapat mengembang. ARD memiliki perangkat suar radio pencarian dan penyelamatan berbasis satelit serta lampu berkedip untuk membantu proses pelacakan dan pemulihan setelah pendaratan.^[1]

Avionik dan navigasi

Bagian dalam ARD dilengkapi berbagai peralatan untuk menguji teknologi navigasi, kendali penerbangan, komunikasi, dan masuk kembali ke atmosfer. Sejumlah komponen avionik berasal dari teknologi yang telah digunakan pada Ariane 5.^[2]

Sistem navigasi menggunakan sistem navigasi inersia yang terkomputerisasi. Selama fase penerbangan balistik, informasi navigasi tersebut dapat diperbarui menggunakan GPS. Sistem dirancang agar tetap dapat beroperasi ketika sinyal GPS hilang dengan cara membandingkan data GPS dengan perkiraan posisi yang berasal dari sistem navigasi inersia.^[2]

Selama penerbangan tunggalnya, ARD mencatat dan mengirimkan lebih dari 200 parameter penting kepada stasiun di Bumi. Data tersebut digunakan untuk mengevaluasi kinerja wahana dan kondisi berbagai sistem selama seluruh fase penerbangan.^[1]

Riwayat operasional

ARD melakukan satu-satunya penerbangannya pada 21 Oktober 1998 sebagai muatan pada penerbangan ketiga Ariane 5. Wahana diluncurkan dari Centre Spatial Guyanais di Kourou, Guyana Prancis.^[2]

ARD dilepaskan sekitar 12 menit setelah peluncuran, tidak lama setelah pemisahan tahap utama kriogenik Ariane 5. Pada saat pelepasan, wahana berada pada ketinggian sekitar 216 km. Setelah terpisah dari roket, ARD melanjutkan lintasan suborbitalnya dan mencapai ketinggian maksimum sekitar 830 km.^[2]

Setelah mencapai titik tertinggi lintasannya, ARD melakukan persiapan untuk masuk kembali ke atmosfer. Sistem pemandu kemudian mengendalikan lintasan kapsul sehingga wahana dapat memasuki atmosfer dan menuju wilayah pendaratan yang telah ditentukan di Samudra Pasifik.^[2]

ARD mendarat di Samudra Pasifik sekitar 4,9 km dari titik target. Total waktu penerbangan mencapai sekitar 1 jam 41 menit. Wahana kemudian ditemukan dan dipulihkan sekitar lima jam setelah mendarat.^[2]

Setelah dipulihkan, kapsul dikirim kembali ke Eropa untuk menjalani pemeriksaan teknis. Analisis data penerbangan menunjukkan bahwa sistem utama wahana telah berfungsi sesuai dengan yang diharapkan. Sistem kelistrikan, propulsi, komunikasi, navigasi, perlindungan termal, dan sistem pemulihan semuanya memberikan kinerja yang secara umum sesuai dengan persyaratan misi.^[2]

Sistem GPS bekerja dengan baik selama sebagian besar penerbangan, dengan gangguan sinyal selama fase masuk kembali yang memang telah diperkirakan sebelumnya. Sistem telemetri dan stasiun penerima di darat juga berhasil memperoleh data penerbangan yang diperlukan untuk analisis pascamisi.^[2]

Hasil analisis menyatakan bahwa persyaratan demonstrasi dan sistem utama program telah berhasil dicapai. Penerbangan ARD dinilai hampir sepenuhnya sesuai dengan profil yang direncanakan, terutama dalam aspek lintasan dan kendali penerbangan. Sistem navigasi, propulsi, komunikasi, perlindungan termal, serta sistem pemulihan menunjukkan kinerja yang sesuai atau hanya menyimpang dalam batas kecil dari perkiraan awal.^[2]

Selama masuk kembali, perlindungan termal mengalami kondisi pemanasan tinggi. Suhu maksimum yang tercatat pada perlindungan termal mencapai sekitar 900 °C. Setelah kapsul dipulihkan, bagian kerucut dan sistem perlindungan termalnya ditemukan dalam kondisi sangat baik dan tetap mempertahankan integritas strukturalnya.^[2]

Analisis pascamisi juga menemukan beberapa keterbatasan. Ketidakpastian dalam desain menyebabkan sejumlah fenomena fisik, termasuk efek gas nyata, tidak dapat diamati secara optimal. Pengukuran lingkungan aerotermal juga terhambat oleh kegagalan dini beberapa termokopel.^[2]

Meskipun terdapat keterbatasan tersebut, penerbangan ARD menghasilkan sejumlah besar data aerodinamik yang berguna. Data tersebut membantu menguji dan meningkatkan perangkat lunak serta metode prediksi berbasis darat yang digunakan untuk memperkirakan kondisi selama masuk kembali ke atmosfer.^[2]

Setelah program selesai dan analisis pascamisi dilakukan, kapsul ARD yang digunakan dalam penerbangan tersebut dipertahankan sebagai artefak sejarah teknologi antariksa. Wahana tersebut kemudian dipamerkan kepada publik di European Space Research and Technology Centre (ESTEC) milik ESA di Noordwijk, Belanda.^[2]

Pengaruh terhadap program berikutnya

Pengalaman yang diperoleh melalui ARD menjadi salah satu dasar bagi pengembangan teknologi masuk kembali Eropa berikutnya. ESA kemudian mengembangkan Intermediate eXperimental Vehicle (IXV) sebagai demonstrator yang lebih maju dengan kemampuan aerodinamik dan kendali yang lebih besar.^[1]

IXV melakukan penerbangan uji pertamanya pada Februari 2015. Program tersebut memberikan pengalaman tambahan dalam navigasi, kendali, perlindungan termal, dan masuk kembali yang kemudian digunakan dalam pengembangan kendaraan masuk kembali yang lebih operasional.^[1]

Rangkaian teknologi yang dikembangkan melalui ARD dan IXV pada akhirnya diarahkan menuju Space Rider, sebuah wahana angkut ulang-alik tanpa awak yang dirancang untuk membawa muatan ke orbit dan mengembalikannya ke Bumi.^[1]

Lihat pula

Referensi

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 The Atmospheric Reentry Demonstrator. European Space Agency, Oktober 1998.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Tran, Philippe; J. C. Paulat; P. Boukhobza (2007). Re-entry Flight Experiments Lessons Learned – The Atmospheric Reentry Demonstrator ARD. EADS Space Transportation.

Pengembangan