Cara Kerja Roket: Teknologi Mesin dan Mekanik Peluncuran Luar Angkasa Dijelaskan

Setiap peluncuran orbital, dari kendaraan luncur berat agensi ruang angkasa pemerintah hingga perjalanan satelit komersial, bergantung pada fisika dasar yang sama yang dijelaskan lebih dari satu abad lalu. Memahami bagaimana mesin roket menghasilkan gaya dorong, mengapa kendaraan peluncur dibagi menjadi tahap, dan apa yang membedakan mencapai orbit dari melarikan diri dari Bumi sepenuhnya membantu menjelaskan mengapa rocketry tetap menjadi salah satu masalah paling sulit dalam teknik.

Fisika di balik setiap peluncuran

Menurut Pusat Penelitian Glenn NASA, gaya dorong roket dihasilkan sesuai dengan hukum ketiga gerak Newton: mesin mempercepat gas buang dalam satu arah, dan gaya reaksi yang sama dan berlawanan mendorong roket ke arah lain. Bahan bakar dan oksidator dicampur dan dinyalakan di ruang bakar, menghasilkan gas bertekanan tinggi yang panas yang dipaksa melalui nosel untuk mempercepat aliran.

Pusat Penelitian Glenn NASA menyatakan bahwa gaya dorong yang dihasilkan tergantung pada tiga faktor: laju aliran massa gas buang, kecepatan keluarnya, dan tekanan di ujung nosel, diekspresikan sebagai F = ṁVe + Ae(pe − p0). Titik paling sempit nosel, disebut tenggorokan, adalah tempat gas buang mencapai kecepatan suara, yang menetapkan laju aliran massa; rasio antara tenggorokan dan keluaran kemudian menentukan kecepatan dan tekanan keluaran.

Sumber NASA yang sama mencatat alasan utama roket bekerja di mana mesin jet tidak dapat: mesin turbin dan baling-baling bergantung pada udara atmosfer sebagai cairan kerja mereka, sementara roket membawa oksidator sendiri dan oleh karena itu dapat menghasilkan gaya dorong dalam vakum ruang angkasa.

Mesin berbahan bakar cair dan padat

Pusat Penelitian Glenn NASA menjelaskan dua keluarga mesin utama. Dalam mesin roket berbahan bakar cair, bahan bakar dan oksidator disimpan terpisah sebagai cairan dan dipompa ke ruang bakar, yang memungkinkan pembakaran untuk dikontrol, dihentikan dan kadang-kadang dimulai ulang. Dalam roket padat, propelan sudah dicampur dan dikemas ke dalam silinder padat; setelah dinyalakan, motor padat tidak dapat dimatikan tanpa merusak casing.

Museum Udara dan Ruang Nasional Smithsonian menjelaskan 'How Things Fly' mengatakan bahan bakar padat sering disukai untuk penyalaan paling awal roket karena terbakar secara stabil dan sederhana secara mekanis dan stabil, sementara bahan bakar cair menawarkan gaya dorong yang dapat disesuaikan dan dikendalikan selama penerbangan, yang lebih cocok untuk tahap penerbangan yang lebih presisi yang dikelola kemudian.

Mengapa roket dibangun dalam tahap

Hubungan antara kemampuan kecepatan roket dan massanya diatur oleh persamaan roket Tsiolkovsky, pertama kali dipublikasikan pada 1903. Seperti yang diringkas oleh The Planetary Society, perubahan kecepatan total (delta-v) yang dapat dicapai roket sama dengan kecepatan buangnya dikalikan dengan logaritma alami dari rasio massanya — massa yang penuh bahan bakar awal dibagi dengan massa yang habis terbakar akhir.

Karena hubungan itu bersifat logaritmik, The Planetary Society mencatat bahwa setelah rasio kecepatan yang diinginkan naik melampaui kira-kira tiga atau empat, jumlah massa tambahan yang diperlukan meningkat tajam untuk setiap peningkatan kecepatan tambahan. Propelan tambahan harus dipercepat sendiri, jadi keuntungan kecepatan menjadi sangat mahal dalam massa.

Penyesuaian tahap menyelesaikan bagian dari masalah itu. Menurut penjelasan Smithsonian, setelah tahap membakar bahan bakarnya, struktur dan mesinnya tidak lagi memberikan gaya dorong yang berguna dan malah menjadi berat ekstra yang memperlambat roket, jadi kendaraan peluncur menjatuhkan setiap tahap yang dihabiskan untuk meringankan roket yang tersisa sebelum mesin berikutnya menyala.

Orbit versus melarikan diri dari Bumi sepenuhnya

Mencapai orbit tidak sama dengan meninggalkan gravitasi Bumi sepenuhnya. Layanan berita Georgia Tech memberikan kecepatan pelarian Bumi — kecepatan minimum yang diperlukan untuk meluncur menjauh dari planet secara permanen tanpa dorongan lebih lanjut — sebagai 25.020 mph, atau sekitar 40.000 kilometer per jam.

Satelit dan pesawat ruang angkasa berekuipitas di orbit Bumi rendah bepergian jauh lebih lambat daripada angka itu. Georgia Tech menjelaskan bahwa objek yang mengorbit diluncurkan dengan momentum lateral, jadi saat gravitasi terus menarik mereka menuju Bumi, gerakan maju mereka membawa mereka melewati planet daripada ke dalamnya, membiarkan mereka jatuh terus-menerus di sekitar Bumi alih-alih jatuh ke dalamnya. Itulah mengapa, sumber mencatat, ribuan satelit berhasil mengorbit dengan kecepatan jauh di bawah kecepatan pelarian penuh.

Keberlanjutan: contoh Falcon 9

Kendaraan peluncur modern semakin bertujuan untuk memulihkan dan menerbangkan kembali perangkat keras daripada membuangnya. Menurut entri Wikipedia tentang Falcon 9, yang dioperasikan oleh SpaceX, tahap pertama kendaraan didorong oleh sembilan mesin Merlin 1D yang membakar oksigen cair dan RP-1 kerosen, disusun dalam konfigurasi yang disebut perusahaan Octaweb.

Sumber yang sama menyatakan bahwa setelah terpisah dari tahap atas, tahap pertama menggunakan sirip kisi yang menyebarkan setelah pemisahan untuk kontrol aerodinamis, bersama dengan empat kaki pendaratan yang dapat diperluas, untuk menyentuh tanah baik di darat maupun pada kapal drone otonom di laut. Pada 13 Oktober 2026, menurut entri, booster Falcon 9 individu telah terbang hingga 37 kali.