Penerbangan antariksa

Penerbangan antariksa atau penerbangan luar angkasa adalah penerbangan balistik ke atau menuju luar angkasa.

Penerbangan antariksa dapat dilakukan menggunakan wahana antariksa dengan atau tanpa manusia di dalamnya. Contoh penerbangan antariksa berawak seperti program Soyuz Rusia, program ulang-alik Amerika Serikat, serta Stasiun Luar Angkasa Internasional. Contoh penerbangan antariksa nirawak termasuk wahana antariksa yang meninggalkan orbit Bumi, serta satelit di orbit sekitar Bumi seperti satelit komunikasi. Wahana seperti ini beroperasi baik dengan kontrol telerobotik atau sepenuhnya otonom.

Penerbangan antariksa digunakan dalam eksplorasi luar angkasa, dan juga dalam kegiatan komersial seperti pariwisata antariksa dan telekomunikasi satelit. Tambahan penggunaan luar angkasa nonkomersial termasuk observatorium antariksa, satelit pengintai dan satelit observasi bumi lainnya.

Penerbangan antariksa biasanya dimulai dengan peluncuran roket yang menyediakan dorongan awal untuk melawan gaya gravitasi dan mendorong wahana antariksa dari permukaan bumi. Setelah berada di luar angkasa, pergerakan wahana antariksa--baik saat terbang bebas maupun ketika berada di bawah propulsi — merupakan ilmu dari bidang studi yang disebut astrodinamika. Beberapa wahana antariksa tetap berada di luar angkasa, beberapa hancur selama masuk kembali atmosfer, dan lainnya mencapai permukaan planet atau bulan untuk mendarat atau benturan.

Sejarah

Usulan teoritis pertama perjalanan antariksa menggunakan roket diterbitkan oleh astronom dan matematikawan Skotlandia William Leitch, dalam esai 1861 "A Journey Through Space".^[1] Lebih terkenal (meskipun tidak secara luas di luar Rusia) adalah karya Konstantin Tsiolkovsky, " Исследование мировых пространств реактивными приборами (The Exploration of Cosmic Space by Means of Reaction Devices), diterbitkan pada tahun 1903.

Penerbangan antariksa menjadi kemungkinan rekayasa dengan penerbitan karya Robert H. Goddard pada tahun 1919 kertas A Method of Reaching Extreme Altitudes. Penerapan nozzle de Laval untuk roket bahan bakar cair meningkatkan efisiensi yang cukup untuk perjalanan antarplanet menjadi mungkin. Dia juga membuktikan di laboratorium bahwa roket akan bekerja di ruang hampa udara; namun, karyanya tidak dianggap serius oleh publik. Usahanya untuk mengamankan kontrak Angkatan Darat Amerika Serikat untuk senjata roket dalam Perang Dunia pertama dihentikan oleh gencatan senjata 11 November 1918 dengan Jerman. Bekerja dengan dukungan keuangan swasta, ia adalah orang pertama yang meluncurkan roket berbahan bakar cair pada tahun 1926. Makalah Goddard sangat berpengaruh secara internasional di bidangnya.

Program roket eksperimental skala besar pertama di dunia adalah Opel RAK di bawah kepemimpinan Fritz von Opel dan Max Valier selama akhir 1920-an yang mengarah ke mobil roket berawak dan pesawat roket pertama,^[2]^[3] yang membuka jalan bagi program V2 era Jerman Nazi dan kegiatan AS dan Soviet sejak tahun 1950 dan seterusnya. Program Opel RAK^[4] dan demonstrasi publik yang spektakuler dari kendaraan darat dan udara menarik banyak orang, serta menyebabkan kegembiraan publik global yang disebut "Rocket Rumble" ^[5] dan memiliki dampak jangka panjang yang besar pada penerbangan antariksa selanjutnya. pionir seperti misalnya Wernher von Braun.

Selama Perang Dunia II roket berpemandu pertama, V-2, dikembangkan dan digunakan sebagai senjata oleh Reich Ketiga. Pada penerbangan uji pada bulan Juni 1944, satu roket tersebut mencapai luar angkasa pada ketinggian 189 kilometer (102 mil laut), menjadi objek pertama dalam sejarah manusia yang melakukannya.^[6] Pada akhir Perang Dunia II, sebagian besar tim roket V-2 termasuk kepalanya Wernher von Braun menyerah ke Amerika Serikat, dan diasingkan untuk bekerja pada program pengembangan rudal Amerika dalam sebuah institusi yang menjadi Badan Rudal Balistik Angkatan Darat, memproduksi rudal seperti Juno I dan Atlas.

Saat itu Uni Soviet di bawah Joseph Stalin sedang mengembangkan rudal balistik antarbenua untuk membawa senjata nuklir sebagai tindakan balasan terhadap pesawat pengebom Amerika Serikat. Tsiolkovsky mempengaruhi Sergey Korolev menjadi kepala perancang roket, turunan dari rudal R-7 Semyorka nya digunakan untuk meluncurkan satelit Bumi buatan pertama di dunia, Sputnik 1, pada 4 Oktober 1957, dan kemudian manusia pertama yang mengorbit Bumi, Yuri Gagarin di Vostok 1, pada 12 April 1961.^[7]

Satelit AS pertama adalah Explorer 1, diluncurkan pada 1 Februari 1958, dan satelit Amerika pertama yang mengorbit, menjadi John Glenn dalam Friendship 7 pada 20 Februari 1962. Sebagai direktur Pusat Penerbangan Luar Angkasa Marshall, Von Braun mengawasi pengembangan kelas roket yang lebih besar yang disebut Saturnus, yang memungkinkan AS mengirim dua manusia pertama, Neil Armstrong dan Buzz Aldrin, ke Bulan dan kembali ke Apollo 11 pada Juli 1969. Pada saat yang sama, Uni Soviet diam-diam mencoba tetapi gagal mengembangkan roket N1, yang dimaksudkan untuk memberi mereka kemampuan mendaratkan manusia di Bulan.

Sejak saat itu penerbangan antariksa telah digunakan secara luas untuk menempatkan satelit ke orbit di sekitar Bumi untuk berbagai tujuan, untuk mengirim wahana antariksa nirawak menjelajahi luar angkasa lebih jauh dari Bulan dan memiliki kehadiran berawak terus menerus di luar angkasa dengan serangkaian stasiun luar angkasa, dari program Salyut hingga Stasiun Luar Angkasa Internasional.

Fase

Peluncuran

Roket adalah satu-satunya alat yang saat ini mampu mencapai orbit atau lebih jauh. Teknologi peluncuran antariksa non-roket lainnya belum dibangun, atau belum dapat mencapai kecepatan orbit. Peluncuran roket untuk penerbangan antariksa biasanya dimulai dari pelabuhan antariksa (kosmodrom), yang dapat dilengkapi dengan kompleks peluncuran dan landasan peluncuran untuk peluncuran roket vertikal dan landasan pacu untuk lepas landas dan mendarat pesawat pengangkut dan wahana antariksa bersayap. Bandar antariksa terletak jauh dari tempat tinggal manusia untuk alasan kebisingan dan keamanan. ICBM memiliki berbagai fasilitas peluncuran khusus.

Peluncuran sering dibatasi pada jendela peluncuran tertentu. Jendela-jendela ini bergantung pada posisi benda langit dan orbit relatif terhadap lokasi peluncuran. Pengaruh terbesar sering kali adalah rotasi Bumi itu sendiri. Setelah diluncurkan, orbit biasanya terletak di dalam bidang datar yang relatif konstan pada sudut tetap terhadap sumbu Bumi, dan Bumi berputar di dalam orbit ini.

Landasan peluncuran adalah struktur tetap yang dirancang untuk mengirimkan kendaraan udara. Ini umumnya terdiri dari menara peluncuran dan parit api. Hal ini dikelilingi oleh peralatan yang digunakan untuk mendirikan, bahan bakar, dan memelihara kendaraan peluncur. Sebelum diluncurkan, roket dapat memiliki berat hingga ratusan ton. Space Shuttle Columbia, di STS-1, memiliki berat 2.030 ton saat lepas landas.

Mencapai luar angkasa

Definisi luar angkasa yang paling umum digunakan adalah segala sesuatu di luar garis Kármán, yaitu 100 kilometer (62 mi) atas permukaan bumi. Amerika Serikat terkadang mendefinisikan luar angkasa sebagai segala sesuatu di atas ketinggian 50 mil (80 km).

Mesin roket adalah satu-satunya cara praktis saat ini untuk mencapai luar angkasa. Mesin pesawat konvensional tidak dapat mencapai luar angkasa karena kekurangan oksigen. Mesin roket mengeluarkan propelan untuk memberikan dorongan ke depan yang menghasilkan delta-v (perubahan kecepatan) yang cukup untuk mencapai orbit.

Untuk sistem peluncuran berawak, sistem pelolosan diri sering dipasang untuk memungkinkan astronot meloloskan diri dalam keadaan darurat.

Alternatif

Banyak cara untuk mencapai luar angkasa selain mesin roket telah diusulkan. Ide-ide seperti elevator ruang angkasa, dan tambatan pertukaran momentum seperti rotovator atau skyhook membutuhkan material baru yang jauh lebih kuat daripada yang diketahui saat ini. Peluncur elektromagnetik seperti lup peluncur mungkin layak dengan teknologi saat ini. Ide lain termasuk wahana antariksa/wahana terbantu roket seperti Reaction Engines Skylon (saat ini dalam pengembangan tahap awal), wahana antariksa bertenaga scramjet, dan wahana antariksa bertenaga RBCC. Peluncuran berbasis meriam telah diusulkan untuk mengirim kargo.

Meninggalkan orbit

Mencapai orbit denga lintasan tertutup atau penuh tidaklah penting untuk perjalanan bulan dan antarplanet. Wahana antariksa Soviet generasi awal berhasil mencapai ketinggian yang sangat tinggi tanpa pergi ke orbit. NASA mempertimbangkan untuk meluncurkan misi Apollo langsung ke lintasan bulan tetapi justru mengadopsi strategi lain yaitu pertama-tama memasuki orbit parkir sementara kemudian melakukan pembakaran mesin terpisah beberapa orbit kemudian untuk menuju lintasan bulan.^[9]

Pendekatan melalui orbit parkir sangat menyederhanakan perencanaan misi Apollo lewat beberapa cara yang penting. Pendekatan ini bertindak sebagai "pengulur waktu" dan secara substansial memperluas jendela peluncuran yang dapat dilakukan. Orbit parkir memberi kru dan pengontrol beberapa jam untuk memeriksa wahana antariksa secara menyeluruh setelah tekanan akibat peluncuran sebelum melakukan perjalanan panjang ke Bulan.^[10]

Misi Apollo meminimalkan penalti kinerja orbit parkir dengan menjaga ketinggiannya serendah mungkin. Misalnya, Apollo 15 menggunakan orbit parkir yang sangat rendah 925 nmi × 915 nmi (1.713 km × 1.695 km) yang tidak bertahan lama karena gesekan dengan atmosfer bumi, tetapi kru hanya akan menghabiskan tiga jam sebelum menyalakan kembali tingkat ketiga S-IVB untuk menempatkan mereka pada lintasan menuju bulan.^[11]

Misi robotik tidak memerlukan kemampuan membatalkan peluncuran atau meminimalkan radiasi, dan karena peluncur modern secara rutin memenuhi jendela peluncuran "spontan", wahana antariksa ke Bulan dan planet lain umumnya menggunakan injeksi langsung untuk memaksimalkan kinerja. Meskipun beberapa wahana mungkin meluncur sebentar selama urutan peluncuran, mereka tidak menyelesaikan satu atau lebih orbit parkir penuh sebelum pembakaran mesin yang akan membawa mereka ke lintasan lepas dari gravitasi Bumi.

Kecepatan lepas dari benda langit berkurang dengan penambahan ketinggian di atas benda itu. Namun, lebih hemat bahan bakar bagi sebuah wahana untuk membakar bahan bakarnya sedekat mungkin dengan tanah; lihat efek dan referensi Oberth.^[12] Ini adalah cara lain untuk menjelaskan penalti kinerja yang terkait dengan penetapan batas aman dari orbit parkir.

Astrodinamika

Astrodinamika adalah studi tentang lintasan wahana antariksa, terutama yang berkaitan dengan efek gravitasi dan propulsi. Astrodinamika memungkinkan wahana antariksa tiba di tujuannya pada waktu yang tepat tanpa penggunaan propelan yang berlebihan. Sistem manuver orbital mungkin diperlukan untuk mempertahankan atau mengubah orbit.

Metode propulsi orbital nonroket termasuk layar surya, layar magnetik, sistem magnet gelembung plasma, dan menggunakan efek katapel gravitasi.

Energi transfer

Istilah "energi transfer" berarti jumlah total energi yang diberikan oleh tingkatan roket ke muatannya. Ini dapat berupa energi yang diberikan oleh tingkat pertama kendaraan peluncur ke tingkat atas ditambah muatan, atau oleh sebuah tingkat atas atau sebuah motor penggerak wahana antariksa ke wahana antariksa.^[13]^[14]

Mencapai stasiun luar angkasa

Untuk mencapai stasiun luar angkasa, wahana antariksa harus tiba di orbit yang sama dan mendekati jarak yang sangat dekat (misalnya dalam kontak visual). Hal ini dilakukan oleh satu set manuver orbital yang disebut pertemuan luar angkasa.

Setelah bertemu dengan stasiun luar angkasa, wahana antariksa kemudian berlabuh atau berlabuh dengan stasiun tersebut. Penyandaran mengacu pada penggabungan dua wahana antariksa yang terbang bebas,^[15]^[16]^[17]^[18] sementara penambatan mengacu pada operasi penempelan di mana wahana yang tidak aktif ditempatkan pada antarmuka penempelan wahana antariksa lain dengan menggunakan bantuan lengan robot.^[15]^[17]^[18]

Penetrasi atmosfer

Kendaraan di orbit memiliki sejumlah besar energi kinetik. Energi ini harus dibuang jika wahana ingin mendarat dengan aman tanpa terbakar lalu menguap di atmosfer. Biasanya proses ini memerlukan metode khusus untuk melindungi dari pemanasan aerodinamis. Teori di balik penetrasi atmosfer dikembangkan oleh Harry Julian Allen. Berdasarkan teori ini, wahana penetrasi atmosfer menggunakan bentuk tumpul yang diarahkan terhadap atmosfer untuk dapat menembusnya. Bentuk tumpul berarti bahwa kurang dari 1% energi kinetik berakhir sebagai panas yang mencapai wahana, dan sisanya akan memanaskan atmosfer.

Pendaratan dan pemulihan

Kapsul Merkurius, Gemini, dan Apollo semuanya tercebur di laut. Kapsul ini dirancang untuk mendarat dengan kecepatan yang relatif rendah dengan bantuan parasut. Kapsul Soviet/Rusia untuk Soyuz menggunakan parasut besar dan roket pengereman untuk mendarat di darat. Pesawat luar angkasa seperti Space Shuttle mendarat seperti pesawat layang.

Setelah berhasil mendaratkan wahana antariksa, penumpang, dan muatannya dapat dipulihkan. Dalam beberapa kasus, pemulihan telah terjadi sebelum mendarat: saat wahana antariksa masih turun dengan parasutnya, ia dapat diambil oleh pesawat yang dirancang khusus. Teknik pengambilan di udara ini digunakan untuk memulihkan tabung film dari satelit mata-mata Corona.

Lihat pula

Referensi

^ William Leitch (1867). God's Glory in the Heavens. A. Strahan.
^ https://www.airforcemag.com/article/0904rocket/ article by Walter J. Boyne in Air Force Magazine, September 1, 2004
^ https://www.opelpost.com/05/2018/opel-sounds-in-the-era-of-rockets/ Opel Post article on 90th anniversary of Opel RAK2 public rocket demonstration at AVUS Berlin
^ "Das RAK-Protokoll", a 25 minutes documentary on the Opel RAK program https://opel-tv-footage.com/v/The%20RAK%20Protocoll?p=4&c=86&l=1
^ https://www.airspacemag.com/daily-planet/century-elon-musk-there-was-fritz-von-opel-180977634/ article by Frank H. Winter in Air&Space, April 30, 2021
^ Lucy Rogers (2008). It's ONLY Rocket Science: An Introduction in Plain English. Springer Science & Business Media. hlm. 25. ISBN 978-0-387-75377-5.
^ Peter Bond, Obituary: Lt-Gen Kerim Kerimov, The Independent, 7 April 2003.
^ "NASA – NSSDC – Spacecraft – Details". Nssdc.gsfc.nasa.gov. Diakses tanggal November 5, 2013.
^ "Apollo lunar landing launch window: The controlling factors and constraints". NASA.
^ "Apollo lunar landing launch window: The controlling factors and constraints". NASA.
^ Woods, W. David, ed. (1998). "Launch and Reaching Earth Orbit". Apollo 15 Flight Journal. NASA. Diarsipkan dari versi asli tanggal December 25, 2017. Diakses tanggal September 5, 2018.
^ Escape Velocity of Earth. Van.physics.uiuc.edu. Retrieved on 2011-10-05.
^ Lance K. Erickson (2010). Space Flight: History, Technology, and Operations. Government Institutes. hlm. 187.
^ "Musk pre-launch backgrounder on Falcon 9 Flight 20". SpaceX press release. 22 December 2015. Diakses tanggal 28 December 2015.
^ ^a ^b John Cook; Valery Aksamentov; Thomas Hoffman; Wes Bruner (1 Jan 2011). "ISS Interface Mechanisms and their Heritage" (PDF). Houston, Texas: Boeing. Diakses tanggal 31 March 2015. Docking is when one incoming spacecraft rendezvous with another spacecraft and flies a controlled collision trajectory in such a manner so as to align and mesh the interface mechanisms. The spacecraft docking mechanisms typically enter what is called soft capture, followed by a load attenuation phase, and then the hard docked position which establishes an air-tight structural connection between spacecraft. Berthing, by contrast, is when an incoming spacecraft is grappled by a robotic arm and its interface mechanism is placed in close proximity to the stationary interface mechanism. Then typically there is a capture process, coarse alignment and fine alignment, and then structural attachment.
^ "International Docking Standardization" (PDF). NASA. 2009-03-17. hlm. 15. Diakses tanggal 2011-03-04. Docking: The joining or coming together of two separate free flying space vehicles
^ ^a ^b Fehse, Wigbert (2003). Automated Rendezvous and Docking of Spacecraft. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 978-0521824927.
^ ^a ^b "Advanced Docking/Berthing System – NASA Seal Workshop" (PDF). NASA. 2004-11-04. hlm. 15. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal September 22, 2011. Diakses tanggal 2011-03-04. Berthing refers to mating operations where an inactive module/vehicle is placed into the mating interface using a Remote Manipulator System-RMS. Docking refers to mating operations where an active vehicle flies into the mating interface under its own power.

Pranala luar

[1] William Leitch (1867). God's Glory in the Heavens. A. Strahan.

[2] ttps://www.airforcemag.com/article/0904rocket/ article by Walter J. Boyne in Air Force Magazine, September 1, 2004

[3] ttps://www.opelpost.com/05/2018/opel-sounds-in-the-era-of-rockets/ Opel Post article on 90th anniversary of Opel RAK2 public rocket demonstration at AVUS Berlin

[4] "Das RAK-Protokoll", a 25 minutes documentary on the Opel RAK program https://opel-tv-footage.com/v/The%20RAK%20Protocoll?p=4&c=86&l=1

[5] ttps://www.airspacemag.com/daily-planet/century-elon-musk-there-was-fritz-von-opel-180977634/ article by Frank H. Winter in Air&Space, April 30, 2021

[6] Lucy Rogers (2008). It's ONLY Rocket Science: An Introduction in Plain English. Springer Science & Business Media. hlm. 25. ISBN 978-0-387-75377-5.

[7] Peter Bond, Obituary: Lt-Gen Kerim Kerimov, The Independent, 7 April 2003.

[8] "NASA – NSSDC – Spacecraft – Details". Nssdc.gsfc.nasa.gov. Diakses tanggal November 5, 2013.

[lauwin-9] "Apollo lunar landing launch window: The controlling factors and constraints". NASA.

[lauwin2-10] "Apollo lunar landing launch window: The controlling factors and constraints". NASA.

[launch-11] Woods, W. David, ed. (1998). "Launch and Reaching Earth Orbit". Apollo 15 Flight Journal. NASA. Diarsipkan dari versi asli tanggal December 25, 2017. Diakses tanggal September 5, 2018.

[Escape_Velocity_of_Earth-12] Escape Velocity of Earth. Van.physics.uiuc.edu. Retrieved on 2011-10-05.

[13] Lance K. Erickson (2010). Space Flight: History, Technology, and Operations. Government Institutes. hlm. 187.

[14] "Musk pre-launch backgrounder on Falcon 9 Flight 20". SpaceX press release. 22 December 2015. Diakses tanggal 28 December 2015.

[her-15] John Cook; Valery Aksamentov; Thomas Hoffman; Wes Bruner (1 Jan 2011). "ISS Interface Mechanisms and their Heritage" (PDF). Houston, Texas: Boeing. Diakses tanggal 31 March 2015. Docking is when one incoming spacecraft rendezvous with another spacecraft and flies a controlled collision trajectory in such a manner so as to align and mesh the interface mechanisms. The spacecraft docking mechanisms typically enter what is called soft capture, followed by a load attenuation phase, and then the hard docked position which establishes an air-tight structural connection between spacecraft. Berthing, by contrast, is when an incoming spacecraft is grappled by a robotic arm and its interface mechanism is placed in close proximity to the stationary interface mechanism. Then typically there is a capture process, coarse alignment and fine alignment, and then structural attachment.

[nasa20090317-16] "International Docking Standardization" (PDF). NASA. 2009-03-17. hlm. 15. Diakses tanggal 2011-03-04. Docking: The joining or coming together of two separate free flying space vehicles

[ARDS-17] Fehse, Wigbert (2003). Automated Rendezvous and Docking of Spacecraft. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 978-0521824927.

[AdvanDock-18] "Advanced Docking/Berthing System – NASA Seal Workshop" (PDF). NASA. 2004-11-04. hlm. 15. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal September 22, 2011. Diakses tanggal 2011-03-04. Berthing refers to mating operations where an inactive module/vehicle is placed into the mating interface using a Remote Manipulator System-RMS. Docking refers to mating operations where an active vehicle flies into the mating interface under its own power.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]