Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.
8 No.
1 Juni 2010:12-19 ANALISIS THERMAL STRUKTUR SATELIT BENTUK SILINDER Widodo Slamet Peneliti Bidang teknologi Mekanika dan Elektronika Dirgantara.
LAPAN e-mail: wid_slamet@yahoo.
ABSTRACT
The satellite temperature during its orbit has an extreme value.
For this reason, we have to predict the temperature of the satellite structure.
A satellite designer needs to analyze the structure temperature based on the heat transfers analysis.
Two factors are needed a view factor and a radiation coupling factor.
The thermal distribution on a satellite with cylinder structure under extreme illumination of solar radiation will be analyzed upon its three walls: top, mantle, and bottom of the cylinder.
Keywords: Satellite.
Structure.
Orbit.
Cylinder.
Thermal
ABSTRAK
Temperatur di orbit satelit sangat ekstrim, oleh karena itu perlu diperkirakan temperatur komponen struktur.
Untuk memprediksi besarnya temperatur pada struktur satelit diperlukan analisis termal berdasarkan teori transfer energi termal.
Dua faktor yang mendasari analisis ini adalah faktor pandang .
iew facto.
dan faktor kopling radiasi.
Akan dihitung temperatur komponen struktur satelit berbentuk silinder dengan kondisi sinar matahari ekstrim terhadap mantel, tutup atas dan bawah struktur satelit berbentuk silinder.
Kata kunci: Satelit.
Struktur.
Orbit.
Silinder.
Termal
PENDAHULUAN
1 Latar Belakang Kondisi termal lingkungan orbit di mana satelit beroperasi merupakan kondisi ekstrim, dalam arti sesungguhnya yaitu berkisar antara Ae 500 C hingga 1500 C.
Sedangkan semua komponen satelit, terutama peralatan elektronika dibuat di bumi dengan temperatur operasi berkisar di seputar temperatur kamar, yaitu sekitar 270 C.
Untuk dapat beroperasi pada orbit satelit, komponen satelit harus dilindungi dari temperatur Sebelum melakukan perlindungan komponen-komponen satelit.
Analisis termal sangat penting agar perlindungan dapat berjalan efisien serta penempatan komponen dapat dilakukan dengan 2 Tujuan Penulisan Tulisan ini membahas perhitungan analisis termal struktur satelit silinder sederhana sebagai pembelajaran atau trade off study untuk dapat dilanjutkan pada tingkat yang lebih rumit.
Untuk struktur yang akan dianalisis berupa struktur satelit dengan bentuk silinder berongga dengan tutup atas dan bawah, dengan memberi perlakuan berupa sinar matahari ekstrim, yaitu intensitas yang 3 Metode Penelitian Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah menerapkan teori transfer energi, berupa energi panas atau termal terhadap dua permukaan atau lebih dengan faktor-faktor yang mempengaruhi transfer energi tersebut.
Teori transfer energi diterapkan pada struktur satelit dengan bentuk geometri silinder yang memiliki dua tutup dan satu selimut.
Untuk lebih jelasnya, metode yang digunakan dapat digambarkan dalam bentuk diagram yang ditunjukkan oleh Gambar 1-1.
Analisis Thermal Struktur Satelit Bentuk Silinder (Widodo Slame.
Teori transfer energy termal Model struktur Faktor-faktor yang Model termal Analisis termal Temperatur komponen struktur Gambar 1-1: Metode penelitian yang digunakan DASAR TEORI Perpindahan energi panas atau termal dapat terjadi melalui radiasi Besarnya radiasi tergantung pada bentuk geometri antara dua permukaan tersebut.
Selain itu, yang perlu diperhitungkan pula adalah radiasi sekunder antara dua permukaan yang berdekatan.
Oleh karena itu ada dua faktor yang akan perpindahan energi termal yaitu faktor pandang .
iew facto.
, yang merupakan faktor radiasi yang berhubungan dengan jarak dan bentuk geometri permukaan, dan faktor kopling radiasi .
adiation coupling facto.
, yang memperhitungkan radiasi sekunder.
Kedua faktor tersebut akan dibahas secara ringkas sebagai dasar analisis termal struktur satelit.
1 Faktor Pandang (View Factor.
Faktor pandang, ditulis secara singkat sebagai Fi-->j, atau Fij, adalah besarnya radiasi dari permukaan i yang diterima oleh permukaan j.
Dalam arah sebaliknya disimbolkan dengan Fji.
Nilai F berada pada kisaran antara 0 dan 1 .
< F < .
Sebagai contoh bentuk bola, jika radiasi dari permukaan dalam .
menuju permukaan luar bola .
, maka faktor pandang.
F12 = 1, karena semua radiasi dari permukaan dalam bola mengenai permukaan luar bola (Gambar 2-.
Sebaliknya.
F21 O 1 karena ada sebagian radiasi dari permukaan 2 yang hilang, menuju arah sebaliknya dari Secara umum dapat dikatakan bahwa pada permukaan cekung yang dibagi dua dengan memberi label Au1Ay dan Au2Ay, maka nilai F berkisar antara 0 dan 1, karena bagian Au1Ay dapat melihat bagian Au2Ay.
Pembagian yang sama pada permukaan cembung akan menghasilkan nilai F = 0 karena tidak ada radiasi dari satu permukaan ke permukaan yang Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.
8 No.
1 Juni 2010:12-19 Gambar 2-1: Faktor pandang beberapa bentuk geometri Persamaan faktor pandang berikut berlaku secara umum untuk A1F1 A A EE
A1 A2
cosA1 cosA2 dA2dA1 Di mana A1 dan A2 merupakan luas permukaan yang meradiasikan dan yang menerima radiasi.
dA1 dan dA2 masingmasing adalah bagian luas.
A1 dan A2 adalah sudut garis lurus antara dA1 dan d A2 dan garis normal bidang, sedangkan d adalah jarak antara dA1 dan d A2.
Untuk lebih jelasnya, bisa dilihat pada ilustrasi Gambar 2-2.
Untuk mencari solusi persamaan .
di atas memerlukan visualisasi gambar, yaitu pasangan permukaan bidang yang tegak lurus seperti Gambar 2-2, dan 2-3, yang diterapkan pada pasangan dA1 dan dA2.
Banyak analisis dilakukan untuk menemukan faktor geometris yang difasilitasi oleh aturanaturan Aturan-aturan tersebut adalah:
Aturan bahwa AiFij = AjFji, sehingga F ji A Fij
Aturan bahwa, jumlah semua faktor pandang
pada volume tertutup mempunyai nilai satu satuan, dengan demikian Eu
Fij A 1
j Ai
Aturan simetris mendukung pemikiran bahwa faktor pandang sama di sekeliling sumbu simetri, maka untuk sumbu
F12 = F13 = F14
Gambar 2-2: Dua permukaan dA1 dan dA2 yang masing-masing menerima radiasi termal Aturan superposisi memperbolehkan kita untuk menemukan secara analitik faktor pandangan yang tak kelihatan dengan cara pengurangan satu faktor pandang dari faktor pandang yang F13 = F1.
Ae F12 2 Faktor Kopling Radiasi (Radiation Coupling Facto.
Gambar 2-3: Aliran termal antara dua bidang yang tegak lurus Faktor kopling radiasi merupakan faktor yang memperhitungkan radiasi Cengel, dalam bukunya Heat Transfer.
A practical Approach, menunjukkan bahwa faktor kopling radiasi antara dua permukaan k dan i harus mempertimbangkan sejumlah n Analisis Thermal Struktur Satelit Bentuk Silinder (Widodo Slame.
permukaan yang berdekatan j, melalui E n E Rki A Au k Ak E Fkj Aij A A1A Aui AFij A1EAui .
E j A1 EuAu Ay di mana Aij adalah matriks identitas.
Jika benda berbentuk cekung .
dalam semua arah, misalnya permukaan dalam sebuah satelit di antariksa, faktor pandangan seluruhnya = 1, dan persamaan .
tereduksi menjadi Rk A Au k Ak Aliran total energi termal antara dua benda i dan k, yaitu AEq merupakan selisih antara qik dan qki yang mengalir masing-masing.
Dari persamaan Stefan-Boltzmann qe C AuAeAT Persamaan di atas menggambarkan faktor kopling radiasi yang berhubungan dengan aliran energi termal antar benda yang melibatkan luasan, pancaran, dan faktor pandang.
Persamaan keseimbangan termal untuk benda ke m menjadi:
mm c m AEq k C i A q ki A qik A Rki ATk4 A ATi4 .
AA imAu m Am A Rim AATi4 A i A1 di mana m adalah massa benda dan c adalah panas spesifik dari materialnya, .
isalnya untuk paduan aluminium .
lluminium alloy.
C 900 J/kg K).
Penjumlahan kedua menghitung radiasi sejumlah w lempengan yang terkena radiasi matahari, misalnya bodi satelit .
engan asumsi bentuk satelit benarbenar cekung dan tidak ada pantulan disipasi termal .
ang hilan.
pada permukaan m.
RmwATw4 A q sm w A1 Persamaan diferensial di atas menyebabkan adanya variasi termal pada permukaan AymAy yang dapat dianalisis secara numerik.
Keseimbangan termal akan dicapai pada saat dTm/dt = 0.
Silinder mempunyai tiga dinding, yaitu tutup atas, mantel, dan tutup bawah yang kita beri nomor, 1, 2, dan 3.
Pada .
dengan perkalian matriks 3 x 3 menjadi persamaan matriks berikut:
0 EEF11 F12 F13 EE 1 A .
A Au1 )F11 0 A .
A Au1 )F12 0 A .
A Au 1 )F13 E EAu1 A1 Rki A 0 Au 2 A2 0 EEF21 F22 F23 EE0 A .
A Au 2 )F21 1 A .
A Au 2 )F22 0 A .
A Au 2 )F23 E A E
EE 0
Au 3 A3 eF31 F32 F33 e0 A .
A Au 3 )F31 0 A .
A Au 3 )F32 1 A .
A Au 3 )F33 EE EAu 1 0 0 E E0 Au EE 0 0 Au 3 EE Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.
8 No.
1 Juni 2010:12-19 Dengan bantuan persamaan .
, persamaan .
dapat ditulis dalam bentuk:
dT 1 m 1c1 A AE q 1 w C 1 A AE q 2 C 1 A AE q 3 C 1 A q s1 dT 2 m 2c2 A AE q 1C 2 A AE q 2 w C 2 A AE q 3C 2 A q s 2 dT 3 m 3c 3 A AE q 1C 3 A AE q 2 C 3 A AE q 3 w C 3 A q s 3 Dengan mensubstitusi AEq dengan fungsi temperatur, sebagaimana persamaan .
, kita dapatkan:
m1c1 1 A R1w AT1w A AT14 A R 21 AT24 A AT14 A R 31 AT3 A AT14 A q s1 m 2c 2 A R12 AT14 A AT24 A R 2 w AT2 w A AT24 A R 32 AT3 A AT24 A q s 2 m3c 3 3 A R 13 AT1 A AT34 A R 23 AT24 A AT34 A R 3w AT3w A AT34 A q s3 Di mana Riw dan Tiw merujuk pada dinding eksternal i, dan qsi adalah disipasi termal dari unit yang dipasang pada dinding i .
= 1, 2, .
di dalam ruang satelit.
Pada saat kesetimbangan di mana dT i/dt = 0, didapat:
EA A
0 A R1w EE 1w a1 S cos.
0 ) A AT14 EE A R21 AT24 A AT14 A R31 AT3 A AT14 A q s1
E Au1w Ae1
EA A
0 A R12 AT14 A AT24 A R2w EE 2w a 2 S cosA s A AT24 EE A R32 AT3 A AT24 A q s 2
E Au 2 w Ae 2
EA A
0 A R13 AT1 A AT34 A R23 AT24 A AT34 A R3w EE 3w a 3 S cos.
0 A A s ) A AT34 EE A q s3 E Au 3w Ae3 Pada AT w dinyatakan dalam bentuk Auw.
Aa, dan Ae persamaan temperatur satelit, yaitu:
1/ 4
E A Aa S E
T A EE
dan As adalah sudut datang sinar Pada kasus ini diasumsikan bahwa penyinaran pada mantel dan bagian bawah silinder, dengan catatan cos.
, pada persamaan pertama dari tiga persamaan di atas, sama dengan 0.
Cara paling mudah memecahkan tiga persamaan di atas untuk T 1.
T2, dan T3 adalah membuat matriks dengan mengeluarkan AT i4 dalam matriks kolom.
Setelah melalui berbagai manipulasi
E EE A T1 EE
EEAT 4 E
A R 23
R 13 A R 23 A R 3 w EE E A T 34 E
A A
R 1 w 1 w a 1 S cos( 90 0 ) A q s 1
Au 1 w A e1
A 2 w Aa 2
A E
R2w
S cos( A s ) A q s 2
Au 2 w Ae 2
A 3w Aa3
E 3w Au
3w e3
E R 1 w A R 21 A R 31
A R 12
A R 13
A R 21
R 12 A R 2 w A R 32
A R 31
A R 32
Analisis Thermal Struktur Satelit Bentuk Silinder (Widodo Slame.
Ditulis secara singkat:
[R][AT .
= [R.
Selanjutnya, rumus di atas dapat ditulis dalam bentuk:
[AT .
= [R]-1 [R.
Di luar A1w = 0,2 Au1w = 0,3 A2w = 0,8 Au2w = 0,9 A3w = 0,6 Au3w = 0,3 Di dalam Au1 = 0,7 Au2 = 0,2 Au3 = 0,7 A1 = Ae1 .
inding tipi.
A2 = Ae2 .
inding tipi.
A3 = Ae3 .
inding tipi.
Dengan demikian temperatur T dapat DATA DAN ANALISIS DATA 1 Model Data Sebagai bahan trade off study, model struktur yang digunakan adalah model silinder sederhana dengan ukuran yang mudah dipahami.
Bentuk silinder lurus, berongga, dan permukaan silinder terdiri dari tutup atas, mantel, dan tutup bawah.
Penyinaran matahari pada bagian luar silinder dapat diukur, dan juga akan dipasang dua unit powerdissipating di dalamnya dengan asumsi tidak ada konduksi.
Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3-1.
Parameter-parameter yang dipilih adalah:
r = 1 m.
h = 1 m.
As = 450 S = 1353 W/m2.
A = 5,6 x 10-8 W/m2 K4 qs1 = 50 W .
oks sangat kecil, tidak ada qs2 = 0 W qs3 = 100 W .
oks sangat kecil, tidak ada F13 A AA1 E 2 E 2r A h A h 4r A h E adalah faktor pandangan dari dua lempeng atau plat lingkaran yang Gambar 3-1: Sebuah berongga dengan atas, matel, dan 2 Analisis Data Data di atas akan dimasukkan ke dalam persamaan-persamaan yang telah Hasil perhitungan dapat ditampilkan sebagai karakteristik silinder, faktor pandang, temperatur, dan terakhir adalah nilai temperatur komponen satelit pada saat terjadi kesetimbangan termal.
Karakteristik silinder:
Luasan Luasan Di luar Di luar emisi penyerapan Jari-jari Tinggi Disipasi panas Auw Ae .
Aa.
qs(W) Au
Tutup atas 0,70 0,20 0,30 3,14 3,14 Mantel
0,20
0,80
0,90
6,28
2,00
Tutup bawah 0,70 0,60 0,30 3,14 3,14 1,00 50,00 1,00 1,00 0,00 100,00 Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.
8 No.
1 Juni 2010:12-19 Matriks A*[A]-1 Matriks AukAk:
k= 1
2,20
0,00
0,00
0,00
1,26
0,00
0,00
0,00
2,20
k= 1
0,82
0,74
1,58
2,60
1,09
2,60
1,58
0,74
0,82
i= 1
0,70
0,00
0,00
0,00
0,20
0,00
0,00
0,00
0,70
0,52
0,22
0,52
1,10
0,52
0,58
Matriks Aui Faktor pandang:
F13 = 0,38 Antara dua bidang pararel, bentuk permukaan lingkaran:
F13 A
AA1 E 2
E 2r A h A h 4r A h E
F31 = 0,38
F12 = 0,62
Aturan resiprok: (A1/A.
*F13 Aturan penjumlahan: F12 = 1F13 Aturan resiprok: F21 = (A1/A.
*F12 Aturan simetri: F23 = F21
Aturan simetri: F32 = F12
Aturan penjumlahan: F22 = 1- F21 - F23
Permukaan bidang datar
Permukaan bidang datar
F21 = 0,31
F23 = 0,31
F32 = 0,62
F22 = 0,38
F11 = 0,00
F33 = 0,00
Faktor kopling radiasi
Matriks Fkj
k= 1
0,00
0,31
0,38
0,62
0,38
0,62
0,38
0,31
0,00
1,36
0,48
1,36
0,84
0,39
0,00
Matriks AukAk* Fkj = A k= 1
0,00
0,39
0,84
Matriks [A] 1,00 -0,25 -0,11 -0,19 0,69 -0,19 -0,11 -0,25 1,00 1,11 0,47 0,22 0,35 1,69 0,35 0,22 0,47 1,11 Matriks [A]-1 Matriks Rki
0,58
0,52
1,10
Temperatur Dengan memasukkan nilai2 berikut As = 450.
cosAs = 0,71.
sinAs = 0,71 dan S = 1353 W/m2, serta A = 5,7 x 10 -8 W/m2K4 kesetimbangan .
T i/dt = .
diperoleh AT 1w = 0,00.
AT 2w = 324,60.
AT 3w = 478,36 dengan satuan W/m2 serta R1w = 0,63.
R2w = 0,63.
R1w = 0,63 tanpa Kembali ke tujuan untuk menghitung temperatur dinding melalui perkalian matriks berikut [AT .
= [R]-1 [R.
Menggunakan data di atas diperoleh:
E 2,25 A 0,52 A 1,10 E
Matriks [R] = E A 0,52 6,07 A 0,52 E .
E A 1,10 A 0,52 3,51 E
E 0,55 0,06 0,18 E
Matriks [R]-1= E 0,06 0,17 0,05 E
E 0,18 0,05 0,35 E
E 50,00 E
Matriks [R.
H] = E1722,09 E .
E 1001,68 E
E 316,70 E
matriks [AT .
= E 348,45 E
E 436,77 E
Analisis Thermal Struktur Satelit Bentuk Silinder (Widodo Slame.
Dari matriks terakhir di atas dan dengan nilai A = 5,7 x 10 -8 W/m2K4 dapat dihitung temperatur T 1.
T 2, dan T3 yaitu Kelvin
Celsius
273,38
279,99
296,26
0,23
6,84
23,11
Dengan transfer energi termal dan perhitungan serta batasan-batasan yang diterapkan diperoleh temperatur tutup atas, mantel, tutup bawah silinder, masingmasing 0,230 C, 6,850 C, dan 230 C.
Harapan penulis, semua perhitungan ini dapat diujicobakan di laboratorium termal untuk validasi dan penelitian lebih lanjut.
KESIMPULAN
Temperatur struktur satelit dapat dengan menggunakan teori transfer energi termal dengan memperhitungkan faktor pandang .
iew facto.
dan faktor kopling radiasi.
Jika diterapkan pada struktur satelit yang berbentuk silinder dan batasan-batasan yang diberikan diperoleh nilai temperatur bagian-bagian silinder, yaitu tutup atas, mantel dan tutup bawah.
Struktur satelit yang berbentuk silinder tegak, berongga dan bertutup atas dan bawah cukup aman pada kondisi penyinaran matahari sebesar 1353 W/m2 dengan sudut jatuh 450.
dengan kondisi penyinaran ini nilai temperatur maksimum terjadi pada tutup bawah sebesar 23,110 C.
Nilai temperatur ini cukup aman bagi muatan-muatan yang berisi komponen
DAFTAR RUJUKAN
Berlin.
Peter, 2005.
Satelit Platform Design.
Departement of Space science.
Unyversities of Lulea and Umea.
Kiruna Sweden.
Cengel.
, 1998.
Heat Transfer: A Practical Approach.
McGraw-Hill.
New York.
Fortescue.
Peter, 2005.
Spacecraft Systems Engineering.
John Wley & Sons Ltd.
West Sussex.
England.
Larson.
Wiley J.
, 2005.
Space Mission Analysis and Design.
Kluwer Academic Publisher.
London.
Sarafin.
Thomas P.
, 1998.
Spacecraft Structure Mechanisms.
Microcosm Press.
Toorance.
California.