Sistem Penyala Nirkabel Jarak Jauh Untuk...(Endro Artono & Salmanl) SISTEM PENYALA NIRKABEL JARAK JAUH UNTUK MUATAN ROKET (WIRELESS SWITCHING FOR ROCKET PAYLOAD) Endro Artono1, Salman Pusat Teknologi Roket Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) Jl. Raya Lapan No.2 Mekarsari, Rumpin, Bogor 16350, Jawa Barat 1e-mail: endro.artono@lapan.go.id Diterima: 23 Juni 2018; Direvisi: 30 Juli 2018; Disetujui: 8 Agustus 2018 ABSTRACT Currently in LAPAN, to activate the electronics system on the rocket payload is still done manually by pressing or shifting the switch at the rocket payload tube from the OFF to ON position. This payload wireless switching system is designed for turning the rocket payload to ON or OFF without any phisical contact from operator and the rocket. As the result of this study, the rocket payload can be switched ON or OFF from the control room wirelessly. The system can also release the umbilical interface from the rocket body before the rocket launched, so it does not interfere with the rocked. Keywords:payload, wireless, switch, electronics ABSTRAK Proses pengaktifan sistem elektronik pada muatan roket hasil penelitian dan pengembangan LAPAN selama ini masih dilakukan secara manual, dengan menggeser atau menekan saklar pada tabung muatan roket dari posisi mati (OFF) ke posisi hidup (ON). Sistem penyala muatan roket ini dirancang untuk dapat menyalakan atau mematikan muatan roket tanpa kontak fisik antara operator dengan roket. Hasil dari penelitian ini, telah dibuat sebuah sistem untuk menyalakan atapun mematikan muatan roket secara nirkabel. Sistem ini juga dapat melepaskan perangkat antarmuka untuk penyalaan muatan dari badan roket, sehingga tidak mengganggu roket saat diluncurkan. Kata kunci:muatan, nirkabel, saklar, elektronika 101 Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.16 No.2 Desember 2018 : hal 101 - 110 1 PENDAHULUAN Pada roket-roket yang dilengkapi dengan sistem muatan, maka sistem muatan tersebut harus dihidupkan/ dinyalakan sebelum roket ditembakkan dari peluncurnya. Pada sistem muatan roket-roket sonda LAPAN terdahulu, muatan elektronika roket dihidupkan dengan cara manual, yaitu dengan mengatur posisi saklar yang terpasang pada badan muatan roket pada posisi “ON” dengan diatur menggunakan tangan secara langsung pada saklar, begitu pula saat mematikannya. Dengan cara ini, muatan roket dapat dihidupkan/ dimatikan. Namun, hal ini cukup riskan dan berbahaya, karena roket telah berada pada posisi siap meluncur. Selain itu, dengan menggerakkan saklar secara manual, rawan terhadap timbulnya electrostatic discharge(Xue et al. 2016) dari tangan operator saat menyentuh saklar, dimana hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada sistem elektronika muatan. Ditambah lagi, dari sisi dimensi, saat ini roket-roket LAPAN telah semakin besar dan panjang, sehingga posisi muatan saat roket berada pada elevasi siap terbang di launcher menjadi sangat tinggi. Sebagai contoh, roket RX320 mempunyai panjang 6.2 meter. Saat berada di launcher dengan elevasi 70o, roket akan tampak sebagaimana terlihat pada Gambar 1.1. Untuk menyalakan muatan roket, seseorang harus menaiki tangga dengan ketinggian 5 meter, dengan tangga yang terpasang pada sruktur launcher yang juga berkemiringan 70°. Hal ini tentu saja sangat riskan dan berbahaya. Pada sistem roket yang lebih maju, metode penyalaan muatan roket dengan cara manual telah lama ditinggalkan, dan telah digantikan dengan metode sistem penyala muatan roket jarah jauh, dengan menggunakan sistem yang disebut umbilical interface. (Delap, 102 Glidden, and Lamoreaux 2013) Sistem penyala muatan roket pada tiap-tiap jenis roket dapat berbeda-beda, tergantung dengan sistem muatan pada roket itu sendiri dan fitur-fitur yang disediakan pada sistem penyala muatan roket tersebut. Gambar 1.1: Posisi roket RX320 di Launcher (panah putih yang menunjukkan posisi muatan roket). Pada roket-roket besar sebagaimana pada roket NASA maupun lembaga antariksa dari negara-negara maju, sistem penyala muatan ini telah sangat kompleks, karena tidak hanya berfungsi sebagai penyala muatan, namun juga memiliki fungsi-fungsi lain sebagai pendukung misi roket, seperti pembacaan data-data muatan, pengisian daya baterai, dan lain sebagainya (Gosselin 2007). Semakin kompleks sistem muatannya, maka akan semakin kompleks pula sistem penyala muatan yang digunakan. Penelitian ini bertujuan untuk membuat suatu sistem yang mampu untuk menyalakan/mematikan muatan roket dari jarak jauh, serta dapat melepaskan sistem ini dari badan roket sebelum roket ditembakkan/ diluncurkan. Diharapkan penelitian ini menjadi salah satu solusi terbaik terhadap permasalahan atau kendala yang ada pada proses penyalaan muatan roket sebelumnya. Sistem Penyala Nirkabel Jarak Jauh Untuk...(Endro Artono & Salmanl) 1 METODOLOGI Sebagaimana diketahui, roket terdiri dari beberapa komponen seperti nosel, tabung untuk muatan, muatan, antena, tabung propelan, motor roket, sirip, dan sebagainya(Satrya and Wigati 2013). Muatan sistem elektronika pada roket-roket sonda LAPAN ditempatkan di depan motor roket hingga nosecone, sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 2-1. a e b f c g d Gambar 2.2: Konfigurasi susunan muatan roket sonda LAPAN Gambar 2-1: Komponen penyusun roket sonda LAPAN Muatan ini ditempatkan di dalam tabung muatan, dengan konfigurasi sebagaimana dapat terlihat pada gambar 2.2. Pada gambar tersebut, sistem elektronika muatan (e,f dan g) berada di dalam tabung muatan dan sebagian berada di dalam nosecone, dengan disangga oleh struktur/ kompartemen (d) yang di baut ke tabung muatan. Untuk menghubungkan antara sistem elektronika yang berada di dalam tabung muatan dengan sistem pendukung lain yang terpisah dengan roket (Ground Support System, GSS), seperti pengisian daya baterai, pemrograman, dan saklar power muatan, digunakan beberapa antarmuka (interface) yang diletakkan pada tabung muatan, sebagaimana dapat dilihat pada posisi b di gambar 2.2. Keterangan gambar: a: nosecone b: GSS interface c: tabung muatan d: struktur kompartemen muatan e: antena muatan f: radio transceiver g: sistem elektronika muatan Untuk menghidupkan sistem elektronika muatan, maka saklar yang berada di GSS interface harus digeser dari posisi mati (OFF) ke posisi hidup (ON) secara manual, sebagaimana telah dijelaskan pada bagian pendahuluan. Agar dapat dilakukan penyalaan sistem elektronika muatan roket dari jarah jauh, maka diperlukan penggantian saklar, dari saklar manual menjadi sistem saklar elektrik / digital. 2.1 Saklar Elektrik / Digital Fungsi dari sebuah saklar adalah untuk menyambungkan dua buah saluran / jalur elektronik sehingga dapat digunakan sebagai jembatan untuk melewatkan arus listrik. Pada saklar manual, cukup dengan menyambungkan dua buah jalur listrik tersebut dengan sebuah penghantar yang berfungsi seperti jembatan penghubung antara dua jalur tersebut secara mekanik. 103 Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.16 No.2 Desember 2018 : hal 101 - 110 Pada saklar elektrik / digital, tidak ada penghantar yang secara fisik digerakkan untuk menghubungkan antara dua buah jalur listrik. Jalur penghantar arus listrik tidak lagi berupa penghantar listrik secara fisik , namun diganti dengan penghantar elektrik yang tidak memerlukan pergerakan secara fisik, namun tetap berfungsi sebagaimana saklar mekanik. Prinsip dasar dari hal ini dapat dilihat pada komponen semikonduktor semisal transistor yang difungsikan sebagai saklar. berlaku sebagai saklar terbuka.(Zambou et al. 2016) 2.3 Mosfet IRF9540 Mosfet adalah salah satu komponen elektronika modern yang biasa digunakan sebagai saklar. Komponen ini bisa menggantikan transistor junction bipolar yang biasa digunakan di aplikasi rangkaian elektronika(Dobrescu, Smeu, and Dobrescu 2016). Gambar 2.4 berikut adalah rangkaian Mosfet IRF9540 yang difungsikan sebagai saklar. 2.2 Transistor sebagai Saklar Transistor merupakan sebuah komponen semikonduktor yang dapat difungsikan sebagai saklar. Dengan mengatur transistor berada pada kondisi saturasi, maka transistor akan berlaku seolah sebagai saklar yang tertutup. (Beauvoy, 1959) Gambar 2.4: Mosfet IRF9540 sebagai saklar Gambar 2.3: Rangkaian sederhana transistor sebagai saklar. Pada gambar 2.3 dapat dilihat rangkaian dari transistor yang difungsikan sebagai saklar. Transistor akan berada pada keadaan saturasi apabila arus yang mengalir pada basis (IB) sama atau lebih besar dari arus basis saturasi (IBsat). Sebaliknya, transistor akan bekerja sebagaimana saklar terbuka apabila arus yang mengalir pada basis/ IBlebih kecil dari arus cut-off dari transistor. Sederhananya, dengan memberikan arus basis sebesar 0 (nol) volt, maka secara otomatis transistor akan berada pada kondisi cut-off, dan 104 Pada gambar 2.4 dapat dilihat rangkaian dari Mosfet IRF9540 yang difungsikan sebagai saklar. Saat rangkaian dalam posisi mati (switched off), rangkaian akan secara total memutus hubungan antara sumber tegangan / baterai dengan rangkaian elektronika di depannya. Pada situasi ini, tidak ada arus yang mengalir melewati mosfet. Sehingga rangkaian akan terputus total dari baterai, meski secara fisik tidak ada jalur yang diputus(Genc and Koc 2017). Apabila pin SW2 dihubungkan ke GND, maka rangkaian akan menghantarkan arus baterai ke rangkaian elektronika di depannya melalui mosfet, yang berlaku sebagai saklar tertutup. Hal ini dapat terjadi, karena saat pin SW2 dihubungkan ke ground, maka gerbang Gate pada Mosfet akan terhubung ke ground, sehingga VGS Sistem Penyala Nirkabel Jarak Jauh Untuk...(Endro Artono & Salmanl) = Vbaterai, sehingga Mosfet akan mengalami kondisi saturasi, yang akan mengalirkan arus dari gerbang source ke drain. Saat Gerbang Drain teraliri arus, maka transistor T1 akan berada pada kondisi saturasi juga, sehingga akan berlaku sebagai saklar tertutup antara kaki kolektor / gerbang Gate pada Mosfet dengan kaki emitor / ground, sehingga akan tetap mejaga gerbang Gate pada Mosfet terhubung ke ground. Saat pin SW1 dihubungkan ke ground, maka transistor T1 akan berada pada kondisi cut-off, sehingga kaki kolektor akan terputus dari kaki emitor, yang mengakibatkan gerbang Gate pada Mosfet terputus dari ground. Di sini nilai VGS akan kecil atau hampir sama dengan 0 (nol), sehingga Mosfet akan berada pada kondisi cut-off, yang mengakibatkan terputusnya arus listrik dari baterai ke rangkaian elektronika di depannya. 2.4 Komunikasi Serial Proses pengiriman data dari satu mikroprosesor ke mikroprosesor atau peralatan lain dapat dilakukan dengan berbagai metode, tergantung dari jenis, besar dan kecepatan data yang dikirim. Salah satu dari jenis komunikasi yang sering digunakan adalah komunikasi serial. Berbagai macam jenis antarmuka serial, seperti RS232, RS422, RS485, dan lain sebagainya, telah digunakan pada berbagai peralatan industri(Wang, Hu, and Fu 2016). Komunikasi serial dapat dimanfaatkan untuk pengiriman data, baik berupa karakter dalam format ASCII maupun format biner. Pada mikrokontroler umumnya terdapat satu atau lebih port serial, yang dapat digunakan sebagai debugging maupun pengiriman informasi/ komunikasi. Media untuk pengiriman komunikasi serial dapat berupa hardware yaitu kabel, dan dapat juga tanpa kabel/ wireless, dengan menggunakan perangkat radio transceiver serial. Banyaknya data yang dikirimkan/ diterima akan sangat berpengaruh terhadap pemilihan jenis radio transceiver ini.(Fajriansyah 2016) 3 HASIL PEMBAHASAN Sistem penyala nirkabel jarah jauh untuk muatan roket ini dibuat dengan menggantikan saklar mekanik pada sistem muatan roket dengan saklar elektrik dengan menggunakan mosfet Pkanal, sehingga memungkinkan proses pensaklaran tanpa menggerakkan tombol saklar secara fisik pada muatan roket. Untuk melakukan proses pensaklaran pada muatan roket, digunakan konektor antarmuka (interface) yang akan menghubungkan antara rangkaian saklar elektrik pada muatan roket dengan rangkaian pensaklar dari stasiun bumi / kotak kontrol GSS. Konektor antarmuka / interface saklar elektrik pada muatan roket ini berupa konektor circular umbilical yang ditempatkan secara permanen di tabung muatan roket, sebagaimana dapat dilihat pada gambar 3.1. Agar dapat di pasanglepas dengan mudah, maka konektor yang digunakan adalah konektor dengan jenis push-pull, sehingga tidak diperlukan gerakan memutar untuk memasang maupun melepaskan konektor. Tabung muatan Konektor antarmuka saklar elektrik Gambar 3.1: Konektor antarmuka saklar elektrik muatan roket. 105 Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.16 No.2 Desember 2018 : hal 101 - 110 Pasangan dari konektor ini (connector plug) terhubung langsung ke kotak kontrol GSS, dengan konfigurasi desain interface sebagaimana terlihat pada gambar 3.2 berikut. Gambar 3.2: Konfigurasi konektor antarmuka saklar elektrik dari GSS. Pada gambar 3.2 terlihat konektor circular yang terpasang pada struktur alumunium dengan konfigurasi sebagaimana terlihat pada gambar, sehingga konektor tersebut dapat dilepaskan dari konektor yang berada pada tabung roket secara elektrikal dengan menggunakan bantuan motor servo sebagai penggeraknya. Lengan motor servo di set untuk menekan konektor saat posisi konektor dari GSS tersambung dengan konektor antarmuka dari muatan roket di tabung muatan. Untuk melepaskan konektor dari tabung muatan, lengan motor servo di set untuk menarik konektor hingga terlepas dari konektor antarmuka di tabung muatan. Gambar 3.3: Kotak kontrol GSS 106 Posisi lengan motor servo diatur oleh sistem mikrokontroler yang berada di kotak kontrol GSS. Motor servo dan konektor antarmuka tersambung ke sistem kotak kontrol GSS menggunakan kabel penghubung. Pada gambar 3.3 terlihat kotak kontrol GSS yang berfungsi untuk mengatur sinyal untuk saklar dan posisi lengan motor servo. Pada kotak kontrol GSS terdapat sistem mikrokontroler, rangkaian relay untuk saklar, radio transceiver, baterai dan tombol-tombol untuk pengaturan manual. Gambar 3.4 berikut adalah diagram blok sederhana pada sistem kotak kontrol GSS. Radio Transceiver Sistem Relay Sistem Mikrokontroler Sistem Servo Tombol Manual Gambar 3.4: Diagram blok sederhana Kotak kontrol GSS Radio Transceiver berfungsi untuk menerima data serial dari Ground Station secara nirkabel, dan mengirimkan status dari kotak kontrol GSS ke Ground Station. Sistem Relay berfungsi sebagai pengganti saklar manual untuk menyalakan sistem elektronika muatan roket. Sistem relay terdiri dari rangkaian driver relay dengan transistor Darlington sebagai komponen utamanya. Tegangan keluaran mikrokontroler yang hanya 5 volt dan arus yang kecil, sekitar 10 mA, akan mengaktifkan rangkaian driver relay ini,(Arisandi 2017) sehingga dapat mengaktifkan relay. Rangkaian driver Sistem Penyala Nirkabel Jarak Jauh Untuk...(Endro Artono & Salmanl) relay tersebut dapat dilihat pada gambar 3.5 berikut. Gambar 3.5: Rangkaian driver relay .(Arisandi 2017) Sistem servo berfungsi untuk menggerakkan lengan motor servo pada dua kemungkinan posisi, membuka atau menutup. Pada posisi lengan servo menutup, akan menahan posisi konektor umbilikal dari kotak kontrol GSS di interface umbilikal pada tabung muatan roket. Pada posisi lengan servo membuka, berarti akan melepaskan konektor umbilikal pada kotak kontrol GSS dari interface umbilikal pada tabung muatan roket. Sistem mikrokontroler akan menerima perintah pensaklaran maupun posisi lengan servo dari dua sumber, tombol manual dan radio transceiver. Dari perintah tersebut, kemudian mikrokontroler akan menerjemahkannya dalam bentuk sinyal digital untuk kemudian diumpankan ke sistem relay dan motor servo. Radio transceiver akan menerima perintah pensaklaran dari Ground Station dalam bentuk data serial dengan format protokol tertentu. Pada protokol ini data serial yang dikirim akan memuat informasi (pengenal) dari Ground Station, kode keamanan, perintah posisi lengan servo, perintah posisi saklar relay , dan checksum. Protokol perintah ini dikirim dengan format komunikasi serial, dengan baudrate sebesar 38.400 bps. Pada penelitian ini, radio transceiver yang digunakan adalah radio APC802 dengan frekuensi kerja 418 – 455 MHz. Pemilihan penggunaan radio ini, selain karena jarak transmisinya hingga 2800 meter, dimana masuk dalam jarak antara launchpad roket dengan Ground Station LAPAN, juga karena menghindari penggunaan frekuensi komunikasi yang sama dengan muatan roket, yang menggunakan frekuensi 900 MHz dan 2.4 GHz. Gambar 3.6: Radio transceiver APC802 Mikrokontroler kemudian akan memilah data-data yang masuk, mengidentifikasi data, kemudian akan melakukan eksekusi perintah jika data yang diterimanya telah dianggap valid/ sesuai dengan protokol. Setelah melakukan eksekusi perintah, mikrokontroler kemudian akan mengirimkan sinyal balasan tentang status terakhir dari sistem penyala tersebut dalam format serial ke Ground Station melalui radio transceiver. Diagram alir dari kerja sistem mikrokontroler tersebut dapat dilihat pada gambar 3.7 berikut: 107 Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.16 No.2 Desember 2018 : hal 101 - 110 yang telah banyak membantu dalam penelitian ini. Mulai DAFTAR RUJUKAN Set serial com Set relay Set PWM servo Set digital input Xue, Fei et al. (2016). MoS Transistor for Smart Tribotronic 2 Tactile Switch. Advanced Functional Materials 26(13): 2104–9. http://doi.wiley.com/10.1002/adfm.201 Ada inputmanu Data serial NO YES 504485. NO Delap, Damon, Joel Glidden, and Christopher Lamoreaux. (2013). Development of the Orion YES Crew-Service Retention Pilah data and Conference Module Release proceedings Umbilical Mechanism. of the 15th European Space Mechanisms & Tribology Symposium Data OK? NO (September): 25–27. http://www.esmats.eu/noordwijk/index. php. Gosselin, Armand M. (2007). Automated Ground YES Umbilical Systems Proceedings. ( The AGUS ) Space Project. Congress. http://commons.erau.edu/space- Proses perintah relay Proses perintah Servo Kirim feedbackke GS congress-proceedings. Satrya, Errya, and Wigati. (2013). Beberapa Masalah Dalam Proses Pembuatan Roket Seri Rx/Rkx-100 (Problems In The Production Process Of Rocket Rx/Rkx-100. Majalah Sains dan Teknologi Dirgantara Gambar 3.7: Diagram alir program pada mikrokontroler. 8(2): 70–77. http://www.jurnal.lapan.go.id/index.ph p/majalah_sains_tekgan/article/view/21 4 KESIMPULAN Sesuai dengan fungsinya, sistem penyala roket ini dapat bekerja dengan baik untuk menyalakan muatan roket yang telah berada di peluncur roket secara nirkabel, yang diatur dari ruang Ground Station. Sistem ini juga dapat melepaskan konektor umbilical GSS dari tabung muatan roket sehingga tidak mengganggu roket saat proses meluncur dari launcher . 71. Beauvoy, Transistor Switching-Circuit Design Using the Charge-Control Parameters. The Institution of Electrical Engineers. paper no. 2970. May 1959. Zambou, Serges et al. (2016). Variable Temperature Performance of a Fully Screen Printed Transistor Electronics Switch. Solid-State 126: 59–66. http://dx.doi.org/10.1016/j.sse.2016.09 .014. Dobrescu, Lidia, Raluca Smeu, and Dragos UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terima kasih ditujukan kepada Kepala bidang Kendali dan Telemetri, dan seluruh tim muatan roket 108 Dobrescu. (2016). Load Switch Power MOSFET SPICE Model. Proceedings of the 2016 International Exposition on Conference Electrical and and Power Sistem Penyala Nirkabel Jarak Jauh Untuk...(Endro Artono & Salmanl) Engineering, EPE 2016 (Epe): 644–47. Genc, Naci, and Yavuz Koc. (2017). Experimental Verification of an Improved Soft-Switching Cascade Boost Converter. Electric Power Systems Research 149: 1–9. http://dx.doi.org/10.1016/j.epsr.2017.0 4.015. Wang, Yinqiao, Xiaoguang Hu, and Li Fu. (2016). Design and Realization of Multi-Function Serial Port with High-Speed/Large- Capacity/Asynchronous FIFO. IEEE International Conference on Control and Automation, ICCA 2016–July: 227–31. Fajriansyah, Burhan. (2016). Evaluasi Karakteristik XBee Pro Dan NRF24L01+ Sebagai Transceiver Nirkabel. jurnal Elkomika 4(1): 83–97.I SSN (e): 24599638. Arisandi, Effendi Dodi. (2017). Sistem Pengaman Power Shape-Charge pada Flight Termination System. Jurnal Teknologi Dirgantara, vol.15 no.1, Juni 2017 : 21– 28. 109 Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.16 No.2 Desember 2018 : hal 101 - 110 110