0Shares

Sains Roket mencakupi bidang sains yang sangat luas dan kompleks. Ianya boleh merangkumi beberapa aspek fizik dan kimia serta aplikasi kedua-duanya seperti aerodinamik, dinamik dan trajektori, sistem kontrol dan navigasi, struktur binaan, dan pendorongannya (propulsion). Adalah mustahil untuk dibincangkan keseluruhan sains roket ini dalam ruang dan waktu yang terhad. Oleh itu, saya suka kongsikan secebis ilmu bidang saya dalam ‘Rocket Propulsion’. Pengkhususan ‘Rocket Propulsion’ ini lebih dekat dengan subjek-subjek seperti thermodinamik, gas dinamik, pembakaran, pemindahan tenaga, kimia dan fizik. ‘Rocket Propulsion’ dikategorikan dalam pelbagai bentuk iaitu bergantung kepada sumber tenaganya, bahan bakarnya, jenis bahan bakar dari sistem bekalannya, muncungnya, dan misinya. Ianya juga merupakan suatu bentuk tujahan jet (jet propulsion) dimana suatu jisim yang dipecut keluar dari pembakar dengan kelajuan yang tinggi, lalu menghasilkan suatu daya tujahan. Ini sesuai dengan hukum Newton yang ketiga (action & reaction). Walaubagaimanapun, roket berbeza dari kebiasaan ‘airbreathing propulsion’ seperti turbojet, turbofan, ramjet, dan scramjet dimana roket itu sendiri yang mempunyai sumber keseluruhan bahan bakarnya dalam roket motor. Terdapat juga, pertindihan enjin (mixed-mode engines) yang menggunakan dua sistem enjin (airbreather engines dan non-airbreather engine-roket). Enjin seperti ini dapat menjimatkan bebanan ketika berangkat naik (lift-off) dan seterusnya berupaya untuk mencapai altitud yang tinggi dalam ketumpatan udara yang rendah.

Space X Falcon 9 (Gambar diambil dari: https://www.thesun.co.uk/tech/1711360/falcon-9-spacex-rocket-moon-mission-launch-time-falcon-heavy/)

 

Seperti yang disebutkan diatas, roket diklasifikasikan mengikut jenis bahan bakar, dan diantaranya ialah:
1. Solid Propellant Rocket
2. Liquid Propellant Rocket
3. Hybrid Rocket
4. Electrical Rockets
5. Nuclear Thermal Rocket

Solid Propellant Rocket (Gambar diambil dari: https://www.slideshare.net/deepdave3/propulsion-51552822)

 

Liquid Propellant Rocket (Gambar diambil dari: https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/lrockth.html)

Hybrid Rocket Motor (Gambar diambil dari:https://space.stackexchange.com/questions/3960/challenges-facing-hybrid-rocketry)

Electrothermal Propulsion System (Gambar diambil dari: http://currentpropulsionsystems.weebly.com/electrothermal-propulsion-systems.html)

Nuclear Thermal Rocket Propulsion System (Gambar diambil dari: https://www.universetoday.com/118431/exploring-the-universe-with-nuclear-power/)

 

Roket berunsurkan bahan bakar pepejal (Solid propellant rocket) adalah sejenis roket yang agak mudah dan mempunyai komponen yang lebih ringkas. Ianya mengandungi satu sahaja campuran bahan bakar didalam pembakarnya iaitu bahan bakar (fuel) dan oxidizernya dicampurkan bersama-sama. Daya tujahan dan prestasi roket itu diambil kira dari faktor semulajadi bahan bakarnya dan bentuk geometri bahan bakarnya (fuel grain). Bahan bakarnya akan dinyalakan (ignition) sekali dan akan terbakar berterusan seperti mercun. Manakala roket yang berunsurkan bahan bakar cecair (liquid propellant rocket) menggunakan bahan bakarnya (fuel dan oxidizer) yang berunsurkan cecair. Ianya mempunyai tanki yang terpisah dan berbeza-beza. Untuk beroperasi, sistem ini akan mengepam kedua-dua bahan bakar itu kedalam ‘combustion chamber’, dinyalakan lalu terbakar. Kelemahannya, sistem ini adalah lebih kompleks dan mempunyai lebih bebanan kerana mempunyai tanki yang berbeza-beza dan sistem pam supaya bahan bakar itu mempunyai kadar campuran yang sesuai. Namun, kebaikannya adalah ianya berkeupayaan untuk bakar secara berulang-ulang (repetitive firing) dan ‘throttling.’ Bahan bakar yang berasaskan cecair juga lebih memberikan prestasi yang lebih dari bahan bakar pepejal. Hybrid roket pula merupakan campuran bahan bakar yang berbeza dari sifat fizikalnya. Sebagai contoh, bahan bakar (fuel) berasaskan pepejal manakala oxidizernya berasaskan cecair. Kelebihan utama hybrid roket ini adalah dari segi keselamatan. Akan tetapi, prestasinya adalah kurang dari ‘liquid propellant rocket’ kerana wujud komplikasi pembakaran antara pepejal dengan cecair. Walaubagaimanapun, roket saintis telah menemui beberapa pembaharuan dan teknik yang berkesan untuk menggalakkan kadar regresi bahan bakar pepejal itu ketika dialirkan cecair/gas oxidizer.

 

Roket berunsurkan elektrik (Electrical rockets) tidak memerlukan oxidizer tetapi masih kekal menggunakan prinsip yang sama seperti jenis roket yang lain iaitu dengan menghasilkan daya tujahan dari penggunaan gas. Secara keseluruhannya, prinsip fizikal yang berbeza digunakan untuk memberikan tenaga kepada medium bahan pembakarnya. Roket elektrik ini akan memberikan pecutan yang tinggi kepada ion-ion plasma dan elektron dengan menggunakan pemanasan elektrik, pemindahan tenaga elektromagnet atau pemindahan tenaga elektrostatik. Hydrazine dan ammonia digunakan sebagai bahan bakar untuk arcjets, manakala xenon, kripton, dan argon digunakan untuk high-power ion thrusters. Hydrogen, deuterium dan lithium digunakan untuk magnetoplasmadynamik thrusters. Roket thermal nuklear (Nuclear thermal rocket) pula menggunakan reaktor untuk memanaskan propellant gas. Sebagai contoh gas hydrogen, yang akan dikembangkan dan dipecutkan keluar melalui nozzle. Kelajuannya lebih dua kali ganda dari ‘liquid propellant rocket’. Ini memberikan kelebihan dari segi penjimatan bahan bakar dan prestasi roket tersebut.

 

Secara amnya, prestasi sesuatu roket boleh diukur dari pelbagai parameter antaranya daya tujahan (thrust force) dan ‘specific impulse’. Walaupun demikian, daya tujahan yang dihasilkan bergantung kepada halaju dan jisim bahan bakar yang dipecut keluar dari nozzle. Ini juga bergantung kepada keadaan dalaman pada tempat pembakarnya seperti tekanan, suhu, sifat termokimia dan interaksi bahan bakarnya. Manakala ‘specific impulse’ menjadi ukuran penggunaan bahan bakarnya dalam unit masa yang tertentu. Sebelum mengakhiri artikel pendek ini, setiap roket yang direka bergantung kepada profil misi roket itu sendiri. Ada roket dibina untuk mengangkut manusia, menghantar satelit, teleskop, persenjataan (radar) dan lain-lain lagi. Kesimpulannya, sains roket ini menarik untuk dipelajari kerana ianya melibatkan aplikasi kepada cabang-cabang sains seperti fizik, kimia dan kejuruteraan. Adalah menjadi kekurangan besar untuk negara kita kerana kita mahir membuat satelit kita sendiri namun masih lagi bergantung kepada negara lain untuk melancarkannya ke orbit.

 

Rujukan:
Archer, R.D & Saarlas, M (2002). Introduction to Aerospace Propulsion. Prentice-Hall Inc: NJ, US.