Cara Kerja Roket: Sistem Propulsi dan Teknologi Peluncuran Dijelaskan

Setiap peluncuran orbit, dari Falcon 9 yang membawa kru hingga uji coba penerbangan Starship, bergantung pada fisika dasar yang sama yang pertama kali dijelaskan oleh Isaac Newton: untuk setiap aksi ada reaksi yang sama dan berlawanan. Mesin roket membakar propelan dan mengeluarkan gas panas yang dihasilkan keluar dari nosel dengan kecepatan tinggi; gas mendorong roket ke arah yang berlawanan. Menurut NASA's Glenn Research Center, pasangan aksi-reaksi ini ada antara roket dan knalpotnya sendiri, itulah mengapa roket bekerja di ruang hampa luar angkasa dan tidak memerlukan udara atau medium lain untuk didorong.

Fisika: dorongan dan impuls spesifik

Para insinyur menggambarkan kinerja mesin dengan dua angka: dorongan dan impuls spesifik. Dorongan adalah gaya yang dihasilkan, didorong terutama oleh berapa banyak massa yang keluar dari nosel dan seberapa cepat ia keluar. Impuls spesifik (Isp), diukur dalam hitungan detik, menjelaskan seberapa efisien mesin mengubah propelan menjadi dorongan — NASA Glenn mendefinisikannya sebagai dorongan dibagi dengan laju aliran berat propelan, jadi mesin dengan Isp lebih tinggi menghasilkan lebih banyak dorongan dari jumlah propelan yang sama, atau membutuhkan lebih sedikit propelan untuk dorongan yang sama.

Angka tunggal ini memungkinkan insinyur untuk mengukur mesin dan membandingkan sistem propulsi yang sangat berbeda dengan syarat yang sama, itulah mengapa Isp terus muncul di lembar spesifikasi roket.

Propulsi kimia: cair, padat, dan hibrida

Hampir semua kendaraan yang meninggalkan permukaan Bumi menggunakan propulsi kimia, di mana bahan bakar dan oksidator bereaksi untuk menghasilkan gas panas yang mengembang. Ada tiga konfigurasi utama. Mesin berpropelan cair menyimpan bahan bakar dan oksidator secara terpisah dan memompanya ke dalam ruang pembakaran, yang memungkinkan mesin untuk diatur, dimatikan, dan dimulai kembali — fleksibilitas yang digunakan oleh penyedia peluncuran pemerintah dan komersial. Motor berpropelan padat mencampur bahan bakar dan oksidator menjadi butir padat tunggal yang dikemas ke dalam casing roket; mereka sederhana secara struktural dan murah tetapi, setelah dinyalakan, terbakar hingga propelan habis. Sistem hibrida menggabungkan bahan bakar padat dengan oksidator cair atau gas, duduk di antara kedua pendekatan.

Mesin Raptor SpaceX, yang digunakan pada kendaraan Starship dan Super Heavy, mengilustrasikan pendekatan yang lebih baru dalam propulsi cair: desain 'pembakaran berjenjang aliran penuh' di mana semua bahan bakar dan semua oksidator melewati dua preburner terpisah sebelum mencapai ruang pembakaran utama, menurut outlet aeroangkasa Everyday Astronaut. Raptor membakar metana cair dengan oksigen cair — kombinasi yang SpaceX pilih sebagian karena metana terbakar tanpa meninggalkan deposit jelaga yang memperumit penggunaan kembali mesin berbahan bakar kerosin, dan sebagian karena metana pada prinsipnya dapat diproduksi di Mars dari sumber daya lokal. Outlet melaporkan Raptor menghasilkan sekitar 2 meganewton dorongan dengan impuls spesifik vakum sekitar 330 hingga 350 detik.

Mengapa kendaraan peluncuran dibangun dalam tahap

Mencapai orbit dari permukaan Bumi memerlukan mencapai ketinggian di atas kira-kira 150 kilometer sambil bepergian dengan lebih dari 7,9 kilometer per detik, menurut panduan peluncur European Space Agency. Desain mesin tunggal jarang melakukan ini dengan efisien di seluruh penerbangan, jadi sebagian besar roket orbit dibagi menjadi tahap yang dibuang setelah propelan mereka habis, menghilangkan berat mati sehingga tahap yang tersisa dapat mempercepat kendaraan yang lebih ringan dengan lebih mudah.

Deskripsi ESA tentang penerbangan kelas Ariane yang khas menunjukkan bagaimana ini terjadi dalam praktik: pendorong dan tahap utama menyala bersama selama sekitar dua menit pertama pendakian vertikal, tahap utama terus terbakar selama sekitar dua belas menit sementara pendorong sudah terpisah dan jatuh ke laut di dekat ketinggian 60 kilometer, dan tahap atas kemudian menyala untuk periode terakhir, mencapai kecepatan puncak misi sekitar 8 kilometer per detik sebelum melepaskan muatannya. Setelah pekerjaan selesai, tahap atas yang habis biasanya dipindahkan ke 'orbit pemakaman' sehingga tidak menjadi bahaya tabrakan bagi satelit aktif.

Selain peluncuran: propulsi listrik dan ion

Setelah pesawat ruang angkasa sudah berada di orbit atau ruang angkasa dalam, propulsi kimia tidak selalu pilihan paling efisien untuk perjalanan panjang. Banyak probe menggunakan propulsi listrik, yang mengionisasi propelan — biasanya gas xenon — dan mempercepat partikel bermuatan yang dihasilkan keluar dari thruster menggunakan medan listrik yang didukung oleh panel surya. Jet Propulsion Laboratory NASA menggambarkan dorongan dari sistem ini sebagai sangat lembut: dalam kasus misi sabuk asteroid Psyche, tekanan yang dihasilkan oleh ion thruster-nya dapat dibandingkan dengan memegang tiga perempat di tangan Anda, bahkan pada daya penuh.

Dorongan kecil itu tidak cukup untuk mengangkat apa pun dari Bumi, tetapi di lingkungan ruang angkasa yang bebas gesekan itu dapat diterapkan terus-menerus selama berbulan-bulan, secara perlahan membangun kecepatan. JPL melaporkan bahwa thrusters surya-listrik Psyche telah mendorong pesawat ruang angkasa hingga sekitar 84.000 mil per jam dan pada akhirnya akan membawanya ke sekitar 124.000 mph — menggambarkan mengapa propulsi ion disediakan untuk perjalanan dalam ruang angkasa daripada peluncuran, di mana dorongan mesin kimia yang jauh lebih tinggi diperlukan untuk mengatasi gravitasi dan hambatan atmosfer dalam hitungan menit.