0Shares

Idea penerokaan angkasa lepas merupakan suatu impian yang pernah dianggap tidak realistik malah mungkin suatu angan-angan kosong sahaja. Namun begitu, mereka yang terlalu obses untuk mengembara dan melihat alam ini, tentu sahaja tidak berputus asa untuk terus mencuba.

Berbekalkan hukum asas pergerakan Newton, pengaruh tarikan graviti, dan persekitaran yang vakum, tiada cara lain yang lebih praktikal melainkan teknologi roket. Teknologi asas sains roket sudah diterangkan sebelum ini didalam pautan di bawah dan tidak perlu diulangi:

https://www.facebook.com/Rootofscience1/posts/1405298646201016

Orang yang pertama yang memberikan pertimbangan yang serius untuk penerokaan angkasa lepas merupakan seorang guru sekolah dari Rusia, Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935). Beliau mengkaji beberapa prinsip asas minyak dalam bentuk cecair dan roket yang berperingkat melalui kertas kajiannya diterbitkan pada tahun 1890an. Seorang fizik Professor, Robert Goddard (1882-1945) juga tidak asing lagi untuk merialisasikan teknologi roket dan beliau bergabung tenaga bersama Tsiokovsky untuk membina 3 meter tinggi roket dimana bahan bakarnya dari cecair oksigen dan gasoline.

 

Perlumbaan penerokaan angkasa lepas

Selepas perang Dunia kedua, kuasa-kuasa besar dunia rancak membina teknologi roket masing-masing. Mari kita lihat beberapa percubaan penting seperti dibawah ini:

Misi ke Utarid:
1973: Mariner 10 (NASA) – ke flyby
2004: MESSENGER (NASA) – ke orbiter
2018: BepiColombo (Joint ESA/JAXA) – ke orbiter

Mariner 10 (Taken from: http://space.skyrocket.de/doc_sdat/mariner-10.htm)

Misi ke Zuhrah:
1962: Mariner 2 (NASA) – ke flyby
1967: Mariner 5 (NASA) – ke flyby
1967: Venera 4 (USSR/Russia) – ke probe
1969: Venera 5 & 6 (USSR/Russia) – ke probe
1970-1983: Venera 7 – Vanera 16 (USSR/Russia) – ke Lander
1984: Vega 1 & 2 (USSR/Russia) – ke Lander
1989-2004: Magellan, Galileo, Cassini & MESSENGER (NASA) – ke flyby dan orbiter
2005: Venus Express (ESA) – ke orbiter
2010: Akatsuki (JAXA) – gagal
Planned: Venus Orbiter (ISRO-India), BepiColombo (ESA/JAXA), Solar Probe + (NASA), Venera-D (Russia)

Cassini (Taken from: https://solarsystem.nasa.gov/missions/cassini)

Misi ke Bulan:
1959: Luna 2 (RFSA-Russia) – ke lander
1959: Lune 3 (RFSA-Russia) – ke flyby
1964-1965: Ranger 7, 8 dan 9 (NASA) – ke lander
1966: Luna 13 (RFSA-Russia) – ke lander
1966-1968: Surveyor 1-7, Lunar Orbiter 1-5 (NASA)
1968: Apollo 8 (NASA) – Manned mission ke orbiter
1969: Apollo 10 (NASA) – Manned mission ke orbiter
1969-1972: Apollo 11-17 (NASA) – Manned mission ke lander tetapi Apollo 13 gagal di orbiter
1990: Hiten (Muses A) (JAXA) – ke lander
2007-2013: Chang’e 1-3(CNSA- China) – ke lander
2008: Chandrayaan 1 (ISRO-India) – ke lander
Sekurang-kurangnya 52 misi yang berjaya ke bulan dari 95 percubaan sehingga tahun 2013.

penerokaan angkasa lepas

Apollo 11 (Taken from: https://history.nasa.gov/ap11ann/kippsphotos/apollo.html)

Misi ke Marikh:
1964: Mariner 4 (NASA) – ke flyby
1969: Mariner 6 (NASA) – ke flyby
1971: Mariner 9 (NASA) – ke orbiter
1973: Mars 5 (RFSA-Russia) – ke orbiter
1975: Viking 1 & 2 (NASA) – ke lander
1996: Mars Pathfinder and Sojourner (NASA) – ke rover
2003: MER-A Spirit dan MER-B Opportunity (NASA) – ke rover
2011: MSL Curiosity (NASA) – ke rover

MSL Curiosity (Taken from: https://astrobiology.nasa.gov/missions/msl/)

Misi ke Asteroid Belt:
1989: Galileo (NASA) ke 951 Gaspra (1991) dan 243 Ida (1993) – flyby
1996: NEAR Shoemaker (NASA) ke 433 Eros (2001) – orbit
2003: Hayabusa (JAXA) ke Itokawa (2005) – sample return
2004: Rosetta (ESA) ke 21 Lutetia (2010) – flyby
2007: Dawn (NASA) ke 4 Vesta (2011) dan Ceres (2015) – orbit
2010: Chang’e 2 (CNSA-China) ke 4179 Toutatis (2012) – flyby

Hayabusa JAXA (Taken from: http://spacenews.com/nec-tapped-build-second-asteroid-bound-hayabusa-probe/)

Misi ke Musytari:
1972-1977: Pioneer 10-11, Voyager 1 &2 (NASA) –ke flyby
1989: Galileo (NASA) – ke probe
1997: Cassini (NASA/ESA) – ke flyby
2006: New Horizons (NASA) – ke flyby

New Horizon (Taken from: https://www.nasa.gov/feature/new-horizons-exits-brief-safe-mode-recovery-operations-continue)

Misi ke Zuhal:
1973: Pioneer 11 (NASA) – ke flyby
1977: Voyager 1 & 2(NASA) – ke flyby
1997: Cassini (NASA/ESA) – ke orbiter

Cassini (Taken from: https://www.cnbc.com/2017/09/15/heres-why-nasa-had-to-crash-cassini.html)

Misi ke Uranus dan Neptune:
1986: Voyager 2 (NASA) – flyby Uranus
1989: Voyager 2 (NASA) – flyby Neptune

Voyager 2 (Taken from: https://www.nasaspaceflight.com/2011/08/thirty-four-years-voyager-2-continues-explore/)

Misi ke Pluto:
2015: New Horizons (NASA) –flyby

Jika dilihat diantara senarai diatas terlalu banyak percubaan untuk meneroka angkasa lepas. Kebanyakkan senarai yang disebut merupakan percubaan misi yang berjaya. Jika dihitung termasuk satelit-satelit buatan manusia yang mengorbit bumi boleh dikira ribuan banyaknya. Boleh dilihat juga, bukanlah hanya NASA sahaja yang memonopoli penerokaan angkasa lepas ini! Sekarang ini, Space-X juga menjadi pencabar terdekatnya dengan ciptaan roket yang boleh diguna semula. Jadi bagaimana proses melancarkannya?

Pelancaran Roket

1. Teori Asas Enjin Roket

Enjin roket menjana aliran gas dan reaksi kepadanya adalah daya tujahan. Ekspresi persamaannya diambil dari hukum Newton kedua dan dikembangkan. Ciri-ciri penting untuk sebarang enjin roket adalah: 1) system bekalan bahan bakar, 2) ruangan pembakar dimana tenaga dibekalkan dan 3) muncung (nozzle). Persamaannya:

T=m ̇V_e+(P_e-P_a)A_e

Nota: T = Thrust (Daya Tujah), m ̇=kadar aliran jisim, V_e= halaju keluar, P_e=tekanan luar, P_a= tekanan ambien dan A_e=keluasan diluarnya

Berdasarkan persamaan diatas, daya tujah bergantung kepada jisim jirim yang dilepaskan, kondisi ruangan pembakar (enthalpy, suhu, dan tekanan gas bahan bakar), dan reka bentuk muncung (pengembangan keluasan dan halaju yang dikeluarkan). Perbandingan kecekapan enjin roket dapat diukur oleh ‘Specific Impulse’.

Kenapa ianya menjadi suatu ukuran penting?

Pertama, ia memberikan kita cara yang cepat untuk mengira daya tujahan roket, jika kita mengetahui kadar aliran jisim melalui muncung. Kedua, ini adalah petunjuk kecekapan roket. Dua enjin roket yang berbeza mempunyai nilai yang kecekapan yang berbeza.

Enjin yang mempunyai nilai ‘Specific Impulse’ yang lebih tinggi adalah lebih baik kerana menghasilkan lebih banyak daya tujahan untuk jumlah propelan yang sama. Ketiga, ia memudahkan analisis matematik kita mengenai termodinamik roket. Keempat, ia memberi kita cara mudah untuk “saiz” enjin semasa analisis awal.

Thrust Equation (taken from: https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/rockth.html)

2. Pelancaran berperingkat (Rocket Staging)

Sehingga sekarang, kenderaan angkasa dilancarkan secara berperingkat dimana ‘rocket boosters’ (dua atau lebih) diletakkan di atas satu sama lain atau bersebelahan (space shuttle). Mengapa? Mengapa tidak cukup hanya satu sahaja ‘booster’? Ini adalah kerana, ianya lebih menjimatkan.

Cara ini lebih menjimatkan kerana roket boleh ‘diperkembangkan’ dimana apabila sebahagian roket sahaja yang terlerai dan bebanannya (payload) dapat dikurangkan. Walaubagaimanapun, terdapat juga ‘rocket booster’ ini diulang pakai. Persamaan yang digunapakai adalah ‘Tsiolkovsky relation’ iaitu persamaan yang berkait rapat dengan halaju (burned out velocity), specific impulse, gravity dan nisbah jisim untuk setiap peringkat.

Melalui persamaan ini, berbekalkan bebanan (payload) yang sama (contoh 50kg), dan jumlah jisim yang sama (contoh 5000kg), setelah dihitung dan dibandingkan single stage dan double stage roket, single-stage mempunyai halaju sekitar 7.57 km/s manakala double-stage 11km/s yang melayakkannya pergi lebih jauh. Untuk peringkat yang optimal bagi jisim yang dibawa, Langrange multiplier digunakan.

Rocket Staging (Taken from: https://www.quora.com/What-happens-to-the-rocket-engines-after-the-Space-Shuttle-detaches-from-them-and-are-new-rockets-used-with-each-flight-or-are-the-detached-ones-collected-and-reused)

3. Trajektori

Kenderaan pelancar roket berlepas secara menegak dan, semasa kemasukan ke orbit (injection to orbit), ianya perlu terbang sejajar dengan permukaan bumi. Semasa fasa awal menaik, roket membina kelajuan pada trajektori hampir menegak di atas lapisan ketumpatan atmosfera yang lebih rendah.

Ketika mana ianya melalui atmosfera atas yang lebih nipis, trajektorinya dicondongkan, dengan menukarkan kelajuan mendatar supaya roket dapat mencapai halaju perigee orbital pada ‘burnout’. Peralihan yang beransur-ansur ini (dari menegak ke penerbangan mendatar) disebabkan oleh daya tarikan graviti yang disebut ‘gravity turn trajectory’. Ini adalah satu contoh aplikasi yang lebih praktikal untuk satelit boosters. Namun, ‘sounding rocket’ boleh sahaja naik secara menegak sehingga burnout.

Bagi penentuan orbit, beberapa bentuk hukum Kepler yang berbeza digunakan, termasuk Stumpff functions dan ‘Lambert dan Gauss orbit determination algorithm’. Supaya ianya tidak merumitkan, pada awal analisa, beberapa andaian telah digunapakai seperti, daya gangguan tarikan graviti bumi-bulan, daya seretan atmosfera, angin solar, ketidaksferan bentuk dan penyelerakkan jisim yang tidak sekata bumi tidak diambil kira. Ini tidak bermaksud Bumi itu flat!

Cuma ianya untuk memudahkan tensor yang kompleks. Dari permasalahan ‘dua-objek’ sehingga yang lebih kompleks permasalahan ‘tiga-objek’ telah dijelaskan dalam subjek Space Mechanics. Secara umum, enam orbital element diperlukan: momentum sudut, kecondongan (inclination), jarak hamal pada nod menaik, keesentrikkan, perigee, dan anomali benar. Lihat gambarajah untuk definisi setiap element.

 

Orbital Element (Taken from: http://calgary.rasc.ca/orbits.htm)

Manuver orbit adalah cara untuk memindahkan kapal angkasa dari satu orbit ke orbit yang lain. Penukaran orbit ini boleh terjadi secara dramatik dimana pemindahan dari ‘low-earth parking orbit’ ke trajectori antara planet-planet.

Penukaran orbit memerlukan pembakaran pada ‘onboard rocket engine’ itu sendiri untuk memperolehi ‘short bursts’ kepada halaju penukaran orbit (delta-v). Sebagai contoh ‘energy-efficent Hohmann transfer maneuver’ dan juga ‘non-Hohmann transfer’ dengan menggunakan garis ‘aps’ yang biasa, ‘chase maneuvers’, ‘plane change maneuvers’, dan ‘pertemuan manuvers’ (relatif) telah digunapakai dalam ‘orbital mechanics’.

Bagi yang meminati interplanetary trajectories, boleh rujuk penemuan menuver sesuatu orbit kerana ia mengambil kira pemintasan orbit planet dan keadaan planet tersebut apabila mendekatinya.

Rumusan

Penerokaan angkasa lepas sudah lama direalisasikan. Pebagai misi penting telah dijalankan termasuk eksperimen bagi aplikasi kita di bumi ini telah banyak memberikan manfaat. Dari teknologi komunikasi, persenjataan, kesihatan, kenderaan dan sebagainya adalah hasil dari perkembangan teknologi angkasa lepas.

Bukan itu sahaja, teknologi teleskop yang dibangunkan seperti Hubble dan yang akan dilancarkan James Webb Telescope memberi banyak manfaat terutama kepada ahli-ahli fizik dunia untuk mengkaji cakerawala kita dan asal-usul pembentukkannya. Tidak salah untuk berfiksyen pada awalnya tetapi cita-cita tersebut haruslah direalisasikan.

Terokalah selagi mana mampu dan belajarlah dari alam. Tuhan telah mengkhabarkan, Sains ‘mengformulakannya’ dalam jujur kata matematik. Tadabburlah ayat-ayat Tuhan dan diselangi dengan pengetahuan Sains, semoga akan ditemukan pembuktian kebesaran Tuhan dan menunjukkan kita ini hambaNya sahaja.

Wallahua’lam.

Rujukan:

  1. Curtis, H. D (2005). Orbital Mechanics for Engineering Students. Elsevier Ltd: Oxford, UK
  2. Tewari. A (2007). Atmospheric and Space Flight Dynamics Modeling ans Simulation with MATLAB and Simulink. Birkhauser: Boston.
  3. Archer, R.D and Saarlas, M (1996). Introduction to Aerospace Propulsion. Prentice-Hall Inc: UK.
  4. Aderein-Pocock, M (2013). The Planets: The Definitive Visual Guide to our Solar System. DK Publishing: UK.
  5. Anderson. J.D (2005). Introduction to Flight 5th Edistion. McGraw-Hill: Singapore.