AFFA SIH INSIGHT ITU? MENGUAK DATA DAN HITUNGAN MISI INSIGHT 2018


Sebuah Rekonstruksi Misi Antar Planet ke Mars, InSight.
Oleh AFFA ICARUS.
Syifanggita Hattami Kirana (13617014), Lailatul Fitriyah (13617046),
Rizqy Agung (13617072), dan Fatwa Azam Maulana (13617074)

InSight? Apa sih InSight itu?
InSight Lander
InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) adalah sebuah wahana antariksa antar planet yang memiliki misi untuk melakukan penelitian serta pengamatan di Mars. Ia diluncurkan dengan Roket Atlax V 401 di Kompleks Peluncuran Ruang Pangkalan Angkatan Udara Vandenberg 3-East, California, 34,6423°N 120,5885°W. Misi diluncurkan pada 5 Mei 2018 pukul 11:05 UTC dengan roket Atlas V-401 dan berhasil mendarat di Elysium Planitia di Mars pada 26 November 2018 pukul 19:52:59 UTC (±205 hari).  InSight melakukan perjalanan 483 juta km (300 juta mil) selama perjalanannya.
Dalam perjalanannya, Atlas V memiliki tiga komponen propelan yang membantunya meluncur di angkasa. Berikut rincian dari ketiga propelan tersebut…
Boosters – AJ-60A
No. boosters
0 to 5
Panjang
17,0 m (669 in)[3]
Diameter
1,6 m (62 in)[3]
Berat Kotor
46.697 kg (102.949 lb)
Massa Propelan
42.630 kg (93.980 lb) [4]
Thrust
1.688,4 kN (379,600 lbf)
Impuls Spesifik
279,3 s (2,739 km/s)
Waktu Pembakaran
94 seconds
Bahan Bakar
First Stage – Atlas CCB
Panjang
32,46 m (106,5 ft)
Diameter
3,81 m (12,5 ft)
Massa Kosong
21.054 kg (46.416 lb)
Massa Propelan
284.089 kg (626.309 lb)
Engines
1 RD-180
Thrust
3.827 kN (860.000 lbf) (SL)
4.152 kN (933.000 lbf) (vac)
Impuls Spesifik
311,3 s (3,053 km/s) (SL)
337,8 s (3,313 km/s) (vac)
Waktu Pembakaran
253 seconds
Bahan Bakar
RP-1 / LOX
Second Stage – Centaur
Panjang
12,68 m (41,6 ft)
Diameter
3,05 m (10,0 ft)
Massa Kosong
2.316 kg (5.106 lb)
Massa Propelan
20.830 kg (45.920 lb)
Engines
1 RL10A or 1 RL10C
Thrust
99,2 kN (22.300 lbf) (RL10A)
Impuls Spesifik
450,5 s (4,418 km/s) (RL10A-4-2)
Waktu Pembakaran
842 seconds (RL10A-4-2)
Bahan Bakar
LH2 / LOX
Atlas V-401 Exploded View
Selain komponen dari roket peluncurnya, InSight sendiri memiliki massa dengan rincian sebagai berikut :
Total massa selama pelayaran: 694 kg (1,530 lb)
·         Lander: 358 kg (789 lb)
·         Aeroshell: 189 kg (417 lb)
·         Tahap pelayaran: 79 kg (174 lb)
·         Propelan dan pressurant: 67 kg (148 lb)
Probe relay terbang secara terpisah tetapi masing-masing berbobot 13,5 kg (30 lb) (ada 2)
Maka, total payload adalah 721 kg.
InSight Exploded View

Terus?
Nah, di sini kami, AFFA Icarus diminta untuk melakukan rekonstruksi dan analisis lintasan/trajektori dari InSight ini berdasarkan perhitungan dan dasar-dasar ilmu Astrodinamika kemudian dibandingkan dengan data sebenarnya dari InSight itu sendiri. Akan seperti hitungannya yaa?
Perhitungan yang dilakukan untuk rekonstruksi ini akan dibagi menjadi empat bagian utama yakni : LINTASAN PINDAH ORBIT, LAUNCHING, TIMING, LANDING
Oke, let’s get started
A.    LINTASAN PINDAH ORBIT
InSight dibawa  oleh roket Atlas V yang akan mengantarkannya ke orbit parkirnya. Orbit parkir dari wahana ini berada pada ketinggian 185 km di atas permukaan laut. Dengan sudut inklinasi orbit parkir sebesar 64o dan membentuk sebuah orbit yang berbentuk hampir lingkaran.
Dalam rekonstruksi ini, akan digunakan asumsi bahwa transfer orbit yang dilakukan adalah transfer orbit Hohmann. Jadi, jalur lintas antar planet dari InSight itu sendiri akan membentuk elips dengan pusat matahari dengan Bumi sebagai titik perihelium dan Mars sebagai titik apoheliumnya. Dari definisi perihelium dan apohelium, berarti mengorbit Matahari sebagai pusatnya. Untuk melakukan manuver, akan ada penambahan dari kecepatan saat berada di orbit parkir (vc) menjadi  kecepatan benda yang berada pada perihelium (vp) pada pernyataan sebelumnya.
Jalur lintas antar planet ini ditempuh setelah wahana sudah lepas dari bola pengaruh bumi (sudah mencapai lintasan hiperbolik apabila pusatnya adalah Bumi) kemudian masuk ke heliocentric trajectory.
Deskripsi di atas akan digambarkan lebih jelas dengan gambar sebagai berikut :
Dari perhitungan, maka didapatlah nilai a dari elips diatas yaitu 188,75 x 106 km. Dengan data-data yang telah ada maka dapat dilakukan perhitungan kecepatan pada saat tersebut.
a.    Menghitung kecepatan pada saat berada di perihelium
b.   Menghitung kecepatan benda saat berada pada apohelium (va)
Kecepatan InSight saat berada di parkir orbitnya memiliki kecepatan yang sama dengan kecepatan bumi mengorbit matahari (dengan asumsi bentuk orbit lingkaran) dapat dihitung sebagai berikut.
Setelah itu kecepatan Mars mengorbit matahari (dengan asumsi bentuk orbit lingkaran) juga harus diketahui untuk mengetahui manuver yang diperlukan untuk memasuki orbit Marsnya.
Untuk mengetahui manuver yang diperlukan maka dibutuhkan penambahan atau pengurangan kecepatan. Besar kecepatan yang ditambahkan (delta v1), merupakan penjumlahan dari kecepatan wahana saat di orbit parkir menjadi kecepatan lintas orbit menuju Mars. Sementara itu, besar kecepatan yang dikurangi saat wahana akan memasuki daerah pengaruh gravitasi Mars merupakan kecepatan lintas orbit saat sampai di Mars dikurangi menjadi kecepatan wahana terpengaruh oleh Mars (delta v2).
Nilai perubahan kecepatan atau kecepatan untuk melakukan manuver yang telah didapat sebelumnya bisa digunakan untuk menghitung nilai C3 pada Bumi dan Mars. Berikut adalah perhitungan C3 pada bumi dan Mars
B.     LAUNCHING
Menghitung nilai a pada orbit elips lintas orbit antara Bumi dan Mars :
Pada pembahasan sebelumnya, data referensi mengenai massa wahana, roket, dan massa keseluruhan adalah sebagai berikut :
Dengan mo = massa kotor booster; m1 = massa kotor Centaur (stage 1); m2 = massa kotor CCB (stage 2); mf,1 = massa propelan booster; mf,2 = massa propelan Centaur; mf,3 = massa propelan CCB; mp = massa total propelan (mf,1 + mf,2 + mf,3); mwahana = 0,721 ton
Dari data-data tersebut, dapat dikontruksi penggunaan propelan selama misi interplanetary InSight. Berikut adalah tahapan peluncuran :
1.    Peluncuran Wahana ke Orbit Parkir (r= 0 sampai r=6556 km)
Pada saat wahana berada pada permukaan bumi, v = 0 km/s , serta dari perhitungan sebelumnya, untuk mencapai parking orbit yaitu pada r = 6556 km (dengan asumsi mengorbit lingkaran), dan dari persamaan vis viva integral dapat diperoleh kecepatan yang perlu dicapai wahana di orbit parkir.
Asumsi 1 :
Wahana mencapai kecepatan tersebut hanya dengan menggunakan booster
Dengan g0 = 9,81 m/s2 ; M0 = seluruh massa yang dibawa pada saat tertentu; Pada peluncuran pertama, M0 = m0+ m1+ m2+ mp+ mwahana= 375,707 ton
Hasil Msisa TIDAK LOGIS dengan asumsi tersebut. Apabila menggunakan asumsi tersebut, Msisa harus bernilai M0 – m0 karena untuk meluncurkan ke parking orbit hanya menggunakan booster lalu membuangnya(saat bahan bakar habis). Dengan hasil tersebut, dapat diketahui bahwa bahan bakar dari booster habis sebelum mencapai kecepatan 7,797 km/s . Itu berarti untuk mencapai kecepatan tersebut, Centaur sebagai propelan stage 1 telah dinyalakan.
Asumsi 2 :
Wahana mencapai kecepatan tersebut dengan menggunakan booster dan Centaur
Dengan persamaan di atas, dapat ditentukan booster habis terpakai sampai memperoleh kecepatan :
Untuk mencapai kecepatan sisanya ke parkir orbit, maka stage 2(Centaur) dinyalakan. Dengan prosedur penghitungan yang sama, didapatkan :
dengan Msisa2 = mwahana + m2 + sisa m1
Dari perhitungan di atas, untuk penggunaan propelan menuju parkir orbit, asumsi 2 lebih tepat.
2.    Pelepasan Wahana ke Orbit Trajektori Heliosentrik
Untuk melakukan transfer orbit ke planet tujuan, Mars, wahana perlu lepas dari gravitasi bumi dengan  mengorbit matahari (heliocentric trajectory). Untuk dapat lepas dari pengaruh bumi dan spesifik menuju Mars, diasumsikan wahana melakukan gerak lepas hiperbolik dan masuk ke pengaruh matahari kemudian masuk ke pengaruh Mars dengan transfer orbit  Hohmann.
Dari perhitungan sebelumnya, diperoleh data bahwa untuk melakukan gerak hiperbolik ke Mars, dibutuhkan v∞ = 2,95 km/s .
Dengan menggunakan persamaan vis-viva integral, dapat diperoleh nilai penambahan kecepatan saat parking orbit  untuk mencapai v∞ tersebut .
a.      Mencari nilai ahiperbolik bumi
b.      Penambahan kecepatan untuk masuk orbit hiperbola
Setelah memperoleh kecepatan hiperbolik bumi, maka kita dapat menghitung sisa massa propelan yang terpakai untuk pindah orbit ke hiperbolik dengan 2 asumsi berikut :
Asumsi 1 :
Wahana menggunakan sisa propelan Centaur untuk menambah kecepatan dan keluar orbit parkir
Hasil Msisa3 TIDAK LOGIS dengan asumsi tersebut. Apabila menggunakan asumsi tersebut, Msisa3 harus bernilai lebih dari m2+mwahana karena untuk meluncurkan ke orbit hiperbola hanya menggunakan Centaur dan masih membawa CCB yang masih utuh. Dengan hasil tersebut, dapat diketahui bahwa bahan bakar dari Centaur habis sebelum mencapai kecepatan 11,415 km/s. Itu berarti untuk mencapai kecepatan tersebut, CCB telah dinyalakan.
Asumsi 2 :
Wahana menggunakan sisa massa propelan Centaur dan massa propelan CCB untuk menambah kecepatan
Dengan persamaan sama dengan persamaan di atas, dapat ditentukan Centaur habis terpakai sampai memperoleh kecepatan :
Untuk mencapai kecepatan sisanya, maka stage 2 (CCB) dinyalakan :
Dari perhitungan di atas, untuk penggunaan propelan menuju orbit hiperbolik, asumsi 2 lebih tepat. Massa sisa propelan tersebut selanjutnya digunakan untuk masuk ke dalam pengaruh Mars.
Lander InSight

C.    TIMING
1.      Waktu transfer
Dari asumsi transfer orbit yang digunakan (elips dengan matahari sebagai pusatnya), maka untuk mencari waktu transfer orbit dapat dilakukan dengan menghitung periode orbit :
Dari ilustrasi pindah orbit(Hohman), kita dapat mengasumsikan wahana akan sampai ke Mars saat akan mencapai ½ dari periode orbit elips tersebut sehingga :
Waktu transfer heliocentric trajectory = ½ . 517,67966 = 258,8398 hari
= 258 hari 20h 9m 18s
2.      Timing peluncuran
Dari referensi , InSight diluncurkan pada 5 Mei 2018 pukul 11.05 UTC dan landing pada 26 November 2018 pukul 19.52 UTC. Hal tersebut mengartikan bahwa waktu yang dibutuhkan untuk melakukan misi ini adalah 205 hari 8h 47m.
Dengan asumsi waktu yang diperlukan untuk mencapai orbit parkir dan landing di Mars << waktu untuk tranfer orbit heliocentric, dapat dibandingkan error perhitungan timing peluncuran :
Error ini dapat menghasilkan beberapa analisis bahwa lintasan orbit yang digunakan dalam pindah orbit InSight  bukan bentuk transfer orbit Hohmann secara utuh. Transfer yang dipakai adalah transfer orbit yang lebih cepat dari Hohmann. Hohmann memang bentuk pindah orbit yang menghasilkan Î”v minimum, tetapi tidak menghasilkan waktu minimum. Dilihat dari lebihnya propelan yang dibawa wahana juga membuat analisis ini semakin kuat, memunculkan kemungkinan diberikannya boost di tengah perjalanan agar misi lebih cepat sampai.
D.    LANDING
Mars saat Landing
Setelah wahana InSight beserta booster ketiga (CCB) mencapai orbit entry Mars, orbit akan bergerak dengan kecepatan yang dapat dihitung menggunakan 2 metode, berdasarkan data berikut
  ·      Ketinggian entry wahana (berdasarkan referensi), h=128 km
  ·      Semimayor Mars, a = -6610,763 km yang diidapatkan dari :
·      Radius Mars, 
   ·      Gravitasi standar Mars,
1.      Metode 1
Nilai radius wahana diukur dari pusat Mars
Dengan integral vis viva didapat kecepatan wahana di orbit entry sebagai berikut
Wahana akan melakukan transisi orbit ke orbit circular Mars dengan kecepatan sebagai berikut
2.      Metode 2
Saat wahana berada di lintas orbit entry, wahana berada di posisi perienter lintasan. Nilai eksentrisitas lintasannya sebesar
Nilai kecepatan wahana ketika memasuki orbit entry dapat dicari menggunakan persamaan
Nilai kecepatan hiperbolik wahana didapat dari selisih kecepatan ketika wahana berpindah dari orbit eliptik ke orbit circular Mars, dengan data yang diperoleh menggunakan metode 1 (bisa dipilih hasilnya karena mirip dan hanya selisih angka di belakang desimal saja) kita dapatkan, :
Nilai perubahan kecepatan tersebut dilakukan dengan bantuan gaya dari propelan. Dengan persamaan roket Tsiolkovsky, kita bisa mendapatkan massa sisa wahana InSight beserta CCB-nya adalah :
Nilai M diatas adalah massa total wahana beserta CCB yang berhasil memasuki orbit Mars, ternyata tidak semua propelan berdasarkan penghitungan kami bisa dihabiskan. Nilai sisa massa propelan yang tersisa (berdasarkan data-data sebelumnya) yaitu
Massa propelan sisa = Massa sisa roket - Massa kosong CCB- Massa Wahana InSight
                                  = 13,99348 - 2,316 – 0,721
                                  = 10,95648 ton    
Dari seluruh perhitungan penggunaan propelan untuk misi interplanetary Bumi-Mars, dapat diketahui bahwa propelan yang dibutuhkan adalah :


Berdasarkan referensi, massa propelan yang digunakan mp = 347,549 ton. Selisih 1,0509 ton ini diduga digunakan untuk memberi thrust pada saat menggunakan alih orbit yang lebih cepat daripada alih orbit Hohman. Selain itu, sisa ini juga dapat digunakan untuk koreksi posisi.
Setelah Wahana memasuki orbit entry Mars, wahana tersebut akan mengalami beberapa fase yang diperlukan untuk mendarat.
Proses Landing
Bagan diatas menggambarkan peristiwa besar selama masuk, turun dan mendarat InSight. Detail pendaratan InSight di Mars sebagai berikut:
1.      13 menit, 35 detik sebelum mendarat: InSight membuang tahap jelajah (cruise stage) sebelum memasuki atmosfer Mars. Cruise stage tersebut telah memberikan kekuatan bagi wahana selama lebih dari enam bulan, 484 juta kilometer (484 juta kilometer) perjalanan lebih dari enam bulan ke Bumi. Cruise Stage tersebut akan terbakar di atmosfer Mars, dan InSight akan mengandalkan daya internal baterai sampai dapat menggunakan panel surya setelah touchdown.
2.      13 menit, 5 detik sebelum mendarat: InSight memulai belokan menggunakan pendorong kontrol kecil ke orientasi yang benar untuk masuk ke atmosfer Mars, dengan perisai panasnya menghadap ke arah perjalanan.
3.      6 menit, 35 detik sebelum mendarat: InSight melewati jejak pertama atmosfer Mars atas dengan kecepatan 12.300 mph (5,5 kilometer) per detik dan ketinggian 77 mil (124 kilometer).
4.      5 menit, 5 detik sebelum mendarat: InSight mencapai titik puncak pemanasan saat masuk, dengan suhu pada pelindung panas mencapai 2.700 derajat Fahrenheit (1.500 derajat Celsius)
5.      4 menit, 50 detik sebelum mendarat: InSight mencapai titik perlambatan maksimum, sekitar 7,6 g, karena gesekan aerodinamis yang memperlambat pesawat ruang angkasa.
6.      2 menit, 57 detik sebelum mendarat: Komputer InSight on-board mengeluarkan parasut supersonik berdiameter 39,8 kaki (11,8 meter) setelah kecepatan dan kondisi deselerasi yang telah ditentukan terpenuhi. Parasut akan dipasang pada kecepatan yang diperkirakan sebesar 861 mph (385 meter per detik), dan pada ketinggian sekitar 36.400 kaki (11.100 meter) di atas permukaan tanah. Beban yang diantisipasi pada parasut saat ditempatkan adalah sekitar 12.500 lbf (55.600 newton).
7.      2 menit, 47 detik sebelum mendarat: Radar pendaratan InSight diaktifkan untuk mulai melakukan pemanasan, dan baterai tambahan diaktifkan untuk menambah baterai utama pendarat selama acara pendaratan utama yang akan datang.
8.      2 menit, 42 detik sebelum mendarat: InSight membuang perisai panasnya, yang jatuh ke pendaratan darurat di permukaan Mars.
9.      2 menit, 32 detik sebelum mendarat: Aktuator Pyrotechnic memperpanjang tiga kaki pendaratan InSight dan menguncinya ke posisi untuk touchdown.
10.  1 menit sebelum mendarat: Radar InSight mulai merasakan permukaan Mars pada ketinggian sekitar 7.900 kaki (2.400 meter), memberikan data jarak dan laju penurunan ke sistem panduan pendarat.
11.  45 detik sebelum mendarat: InSight melepaskan diri dari backshell-nya dengan kecepatan sekitar 134 mph (60 meter per detik) dan ketinggian sekitar 3.600 kaki (1.100 meter). NASA mengharapkan jeda singkat dalam komunikasi dari InSight pada saat ini ketika transmisi data bergeser dari antena wrap-around di backshell ke pemancar helical UHF pada pendarat.
12.  44 detik sebelum mendarat: Satu detik setelah pemisahan backshell, sang pendarat mulai menembakkan 12 roket pengereman, berdenyut-denyut 10 kali per detik, untuk memperlambat kecepatan turun dan membatalkan gerakan horizontal keluar. Wahana antariksa ini juga berputar untuk memastikannya berada dalam orientasi yang benar untuk mendarat, dengan susunan surya memanjang ke timur dan barat dari deck, dan area kerja lengan robot di sisi selatan pendarat.
13.  15 detik sebelum mendarat: Sekitar 164 kaki (50 meter) di atas permukaan, InSight transisi ke mode kecepatan konstan.
14.  Pendaratan: InSight mencapai permukaan dengan kecepatan sekitar 5 mph (2,24 meter per detik), dan segera mematikan pendorong berbahan bakar cair.
15.  16 menit setelah pendaratan: Setelah menunggu debu mengendap di lokasi pendaratan, dua susunan surya InSight mulai membentang dalam urutan yang telah diprogram. Panel seperti kipas membutuhkan waktu sekitar 16 menit untuk dipasang, dengan aktivitas berakhir sekitar 32 menit setelah touchdown. Konfirmasi penyebaran array surya akan disampaikan oleh pengorbit Mars Odyssey beberapa jam setelah mendarat.
Waaah ternyata sepanjang itu analisis dan rekonstruksi dari wahana ini.
Jadi sekarang waktunya, analisis ringkas dan kesimpulan…






a.       Asumsi pindah orbit HohmannKesimpulannya adalah hasil rekonstruksi berdasar perhitungan tidak sama persis, baik dari perhitungan C3, massa propelan, v saat masuk atmosfer mars, bahkan waktu tempuh. Terjadinya perbedaan-perbedaan ini bisa diakibatkan oleh beragam hal yakni
Asumsi yang digunakan pada rekonstruksi ini adalah asumsi alih orbit Hohmann di mana alih orbit jenis ini akan memiliki nilai perubahan kecepatan minimum sehingga mampu menghemat bahan bakar namun sebagai konsekuensinya, waktu tempuh akan lebih lama. Berdasar jurnal yang menyangkut wahana InSight ini, didapatkan bahwa lintas orbit yang dialami oleh wahana ini sesungguhnya tidaklah berupa lintas orbit Hohmann secara utuh. Orbit pada lintasan heliosentrik pada realitanya telah bertemu dengan Mars  di titik A sebelum mencapai titik yang disebut apohelium pada rekonstruksi ini (meskipun bedanya tidak terlalu jauh). Artinya, waktu tempuh sebenarnya menjadi lebih singkat karena analisis tersebut.
Ilustrasi Lintas Orbit
b.      Asumsi orbit Mars dan Bumi adalah lingkaran
Pada pembuatan rekonstruksi ini, diberikan asumsi bahwa orbit bumi dan Mars adalah lingkaran padahal sebenarnya, orbit bumi dan Mars adalah elip yang pada kenyataannya memang hampir mendekati lingkaran. Dengan mengasumsikan orbit adalah lingkaran, maka jarak dari bumi ke Mars setiap waktu adalah sama, padahal seharusnya jarak itu berubah-ubah bergantung pada posisi di waktu tertentu relatif satu sama lain dan beracuan kepada matahari sebagai pusat galaksi.
c.  Perhitungan dari awal peluncuran tidak memperhatikan lintang posisi peluncuran dan pendaratan
Perhitungan dari awal peluncuran sudah mengabaikan posisi lintang peluncuran sehingga memungkinkan terjadinya perbedaan waktu dikarenakan oleh pengabaian ini. Posisi lintang saat pendaratan diabaikan dan dianggap bahwa wahana setelah masuk ke bola pengaruh Mars langsung masuk ke atmosfer.
d.      Memungkinkan terjadinya koreksi orbit yang dilakukan oleh wahana
Dalam keberlangsungan transfer orbit, sisa massa propelan masih memungkinkan untuk melakukan boost kecil-kecilan untuk melakukan koreksi orbit apabila lintasan wahana agak menyimpang dari trajektori seharusnya. Dalam penghitungan rekonstruksi ini, tidak diperhitungkan adanya koreksi-koreksi karena kurangnya data di mana posisi koreksi dan juga koreksi dilakukan pada bagian apa dan bertujuan untuk apa.

CEK VIDEO KAMI DI ...
https://youtu.be/6khbTEIHIns

REFERENSI
Walace, Mark, et all. MARS INSIGHT MISSION DESIGN AND NAVIGATION OVERVIEW.
Buku Mars InSight Launch Press Kit, penerbit National Aeronautics and Space Administration (NASA)
https://en.wikipedia.org/wiki/InSight, diakses pada 16 April 2019
https://id.wikipedia.org/wiki/Mars, diakses pada 16 April 2019
https://www.youtube.com/watch?v=F_w-AFkLppE, diakses pada 16 April 2019
https://www.youtube.com/watch?v=O_D85bjcdXE, diakses pada 16 April 2019
https://en.wikipedia.org/wiki/Atlas_V, diakses pada 16 April 2019
https://en.wikipedia.org/wiki/InSight, diakses pada 16 April 2019

Komentar

Postingan Populer