Cara Kerja Roket: Dorong, Sistem Propulsi, dan Mekanika Orbital Dijelaskan

Setiap kali roket diluncurkan—baik itu Falcon 9 berawak, peluncur Ariane Eropa, atau pendorong satelit observasi Bumi kecil—roket tersebut menerapkan segelintir prinsip fisika yang telah digunakan para insinyur sejak awal abad ke-20. Minat publik terhadap peluncuran ini tetap tinggi sepanjang tahun, namun mekanika mendasar dorong, propulsi, dan orbit sering kali dilewatkan. Agensi termasuk NASA dan Badan Antariksa Eropa (ESA) menerbitkan penjelasan rinci tentang cara kerja roket; artikel ini didasarkan pada materi tersebut.

Menghasilkan dorong: Hukum ketiga Newton beraksi

Menurut NASA Glenn Research Center, mesin roket membakar bahan bakar tersimpan bersama dengan pengoksida tersimpan di dalam ruang pembakaran, menghasilkan gas buang panas dan bertekanan tinggi. Gas tersebut kemudian dipaksa melalui nosel, yang mempercepat lebih lanjut sebelum meninggalkan kendaraan. NASA dengan tegas menyatakan bahwa "dorong dihasilkan sesuai dengan hukum ketiga gerak Newton": gas didorong keluar nosel dalam satu arah, dan roket didorong ke arah berlawanan dengan gaya yang sama. ESA menjelaskan mekanisme yang sama untuk pembaca muda menggunakan analogi balon—udara keluar dari leher balon dalam satu arah mendorong balon ke arah lain.

Persamaan dorong NASA mengekspresikan ini secara numerik sebagai F = ṁVe + Ae(pe − p0), di mana ṁ adalah laju aliran massa gas buang melalui mesin, Ve adalah kecepatan keluar gas buang, Ae adalah area keluar nosel, pe adalah tekanan pada keluar nosel, dan p0 adalah tekanan sekitar (aliran bebas). Dalam praktik, jumlah dorong yang dihasilkan roket terutama tergantung pada berapa banyak massa gas buang yang keluar per detik dan seberapa cepat gas buang tersebut bergerak saat meninggalkan nosel.

Mengapa roket bekerja dalam vakum ruang angkasa

Mesin jet dan baling-baling mengandalkan penyedotan udara sekitar, yang berarti mereka tidak dapat beroperasi setelah kendaraan meninggalkan atmosfer. Roket menghindari keterbatasan ini karena, seperti yang dicatat NASA, mereka membawa pengoksida mereka sendiri di pesawat daripada mengandalkan oksigen atmosfer. Karena tidak ada udara luar yang terlibat dalam reaksi sama sekali, persamaan dorong tidak memiliki istilah asupan udara "aliran bebas"—yang juga mengapa, seperti yang dinyatakan NASA, roket dapat menghasilkan dorong dalam vakum di mana tidak ada sumber oksigen lain.

Denyut impuls spesifik: mengukur efisiensi mesin

Insinyur membandingkan mesin roket menggunakan angka yang disebut denyut impuls spesifik, atau Isp. NASA Glenn Research Center mendefinisikannya sebagai dorong dibagi dengan laju aliran berat propelant yang dikonsumsi, diekspresikan melalui rumus Isp = F/(ṁ·g0), di mana g0 adalah percepatan gravitasi standar (9,8 m/s², atau 32,2 ft/s²). NASA menjelaskan bahwa mesin dengan denyut impuls spesifik lebih tinggi lebih efisien karena menghasilkan lebih banyak dorong untuk jumlah propelant yang sama yang terbakar—menjadikan Isp setara dengan efisiensi bahan bakar untuk propulsi roket.

Roket multitahap: melepaskan beban mati

Sebagian besar kendaraan peluncur dibangun dalam dua atau tiga tahap. ESA menjelaskan bahwa setelah tahap telah membakar semua bahan bakarnya, tahap tersebut dipisahkan dan dibuang, karena membawa tangki kosong dan perangkat keras mesin yang habis lebih jauh akan membuang bahan bakar yang diperlukan untuk mempercepat sisa kendaraan. Peluncur besar juga melampirkan roket pendorong bertenaga padat atau cair ke tahap pertama untuk dorong tambahan saat diluncurkan; pendorong ini juga dibuang setelah habis. ESA mencatat bahwa pesawat ruang angkasa perlu mencapai sekitar 28.000 km/jam untuk memasuki orbit, kecepatan yang membantu pencahayaan mencapainya dengan terus meringankan kendaraan saat naik.

Propulsi kimia vs. propulsi listrik

Tidak setiap sistem propulsi dirancang untuk meluncurkan kendaraan dari tanah. Mesin kimia—membakar bahan bakar dan pengoksida bersama-sama, seperti dijelaskan di atas—tetap menjadi satu-satunya cara praktis untuk mengangkat roket dari atmosfer Bumi. Namun, untuk bermanuver setelah sudah berada di ruang angkasa, agensi semakin menggunakan propulsi listrik. NASA menjelaskan sistem yang menggunakan listrik, yang dihasilkan oleh panel surya atau reaktor nuklir, untuk mengionisasi gas seperti xenon atau krypton dan mempercepat ion yang dihasilkan keluar dari thruster menggunakan medan listrik dan magnet.

Misi Dawn NASA mengilustrasikan pertukaran: menggunakan propulsi listrik untuk menghabiskan sekitar lima tahun mencapai sabuk asteroid sebelum bermanuver antara tubuh Vesta dan Ceres—akselerasi lambat dan mantap yang mustahil dicapai dengan pembakaran singkat dan kuat dari mesin kimia, tetapi efisien selama misi jangka panjang. ESA membuat poin yang sama tentang probe lunar SMART-1 dan misi BepiColombo yang sedang berlangsung ke Merkurius, keduanya mengandalkan mesin ion yang, dalam kata-kata ESA, "dapat terus mendorong dengan lembut selama berbulan-bulan atau bahkan bertahun-tahun" menggunakan hanya pasokan propelant kecil dan beberapa kilowatt daya dari panel surya.

Mencapai dan tetap berada di orbit

Masuk ke ruang angkasa dan tinggal di sana adalah dua masalah berbeda. Administrasi Kelautan dan Atmosfer Nasional AS (NOAA) menjelaskan bahwa satelit tetap berada di orbit ketika momentum maju seimbang dengan tarikan gravitasi Bumi: gravitasi terus membengkokkan jalur satelit ke arah Bumi, sementara kecepatan sampingnya terus membawanya maju, sehingga kedua efek ini bergabung menjadi jalur melingkar atau elips daripada jatuh lurus. Jika satelit bergerak terlalu lambat untuk ketinggiannya, gravitasi mendominasi dan turun; jika bergerak terlalu cepat, itu keluar dari jalur seimbang itu bukan mempertahankan orbitnya.

Kecepatan yang diperlukan untuk keseimbangan itu berubah dengan ketinggian. NOAA memberikan contoh satelit NOAA-20, yang mengorbit beberapa ratus mil ke atas pada sekitar 17.000 mph, dibandingkan dengan satelit GOES-East miliknya, yang mengorbit sekitar 22.000 mil di atas hanya pada sekitar 6.700 mph—menunjukkan bahwa semakin jauh satelit duduk dari Bumi, semakin lemah tarikan gravitasi dan semakin rendah kecepatan yang diperlukan untuk tetap di orbit. Katalog NASA Earth Observatory memberikan angka konkret untuk kelas orbit umum: satelit Aqua mengelilingi Bumi dalam sekitar 99 menit dari sekitar 705 kilometer ke atas (orbit Bumi rendah); satelit GPS terbang di orbit Bumi menengah semi-sinkron sekitar 20.200 kilometer di atas dengan periode 12 jam; dan satelit geostationar duduk sekitar 36.000 kilometer di atas, menyelesaikan satu orbit setiap 23 jam, 56 menit dan 4 detik sehingga tampak tetap di atas satu titik di Bumi.