Eksplorasi Antariksa — Misi, Roket & Tonggak Penting

Eksplorasi antariksa berarti menggunakan pesawat antariksa untuk mengamati, mengorbit, mendarat di, atau melakukan perjalanan melampaui Bumi. Fisika kuncinya cukup langsung: roket menghasilkan gaya dorong dengan menyemburkan massa, gravitasi melengkungkan lintasan setelah peluncuran, dan orbit memerlukan kecepatan menyamping yang cukup, bukan hanya ketinggian.

Itulah sebabnya eksplorasi antariksa bukan sekadar "naik ke atas." Satelit cuaca memerlukan orbit yang stabil, misi ke Bulan memerlukan lintasan transfer, dan misi ke Mars memerlukan jendela peluncuran yang tepat serta energi yang cukup.

Mengapa roket menjadi titik awal

Roket dipercepat karena ia menyemburkan gas buang ke satu arah dan memperoleh momentum ke arah sebaliknya. Ini sesuai dengan kekekalan momentum dan hukum ketiga Newton.

Akibat pentingnya bersifat praktis: roket bekerja di ruang hampa. Roket tidak memerlukan udara di luar kendaraan. Yang dibutuhkan adalah massa propelan untuk disemburkan dan energi yang cukup agar dapat disemburkan cukup cepat.

Inilah juga alasan kendaraan peluncur dibuat bertingkat. Tangki dan mesin kosong menjadi beban mati setelah bahan bakarnya habis, jadi melepaskannya membantu kendaraan yang tersisa terus dipercepat.

Orbit ditentukan oleh kecepatan, bukan hanya ketinggian

Kesalahan awal yang umum adalah mengira pesawat antariksa mencapai orbit begitu ia cukup "tinggi." Ketinggian memang penting, tetapi orbit terutama bergantung pada kecepatan horizontal.

Jika sebuah pesawat antariksa bergerak menyamping cukup cepat, gravitasi terus membelokkan lintasannya ke arah Bumi sementara permukaan Bumi melengkung menjauh di bawahnya. Dalam arti itu, orbit adalah jatuh terus-menerus mengelilingi Bumi, bukan jatuh lurus ke bawah.

Untuk orbit melingkar mengelilingi benda bermassa $M$ pada jarak $r$ dari pusatnya, model standar memberikan kecepatan orbit sebagai

$$v = \sqrt{\frac{GM}{r}}$$

Rumus ini adalah model awal yang baik ketika orbit mendekati lingkaran dan gravitasi satu benda mendominasi.

Contoh perhitungan: kecepatan orbit rendah Bumi

Misalkan Anda ingin perkiraan kasar kecepatan yang dibutuhkan untuk orbit melingkar sangat rendah di sekitar Bumi. Gunakan nilai standar berikut:

• $G \approx 6.67 \times 10^{-11}\ \mathrm{N \cdot m^2/kg^2}$
• $M_{\mathrm{Earth}} \approx 5.97 \times 10^{24}\ \mathrm{kg}$
• $r \approx 6.37 \times 10^6\ \mathrm{m}$

Maka

$$v = \sqrt{\frac{(6.67 \times 10^{-11})(5.97 \times 10^{24})}{6.37 \times 10^6}}$$ $$v \approx \sqrt{6.25 \times 10^7}\ \mathrm{m/s} \approx 7.9 \times 10^3\ \mathrm{m/s}$$

Jadi kecepatan orbitnya sekitar $7.9\ \mathrm{km/s}$.

Contoh itu menjelaskan mengapa orbit menuntut syarat yang berat. Mencapai antariksa itu sulit, tetapi mencapai orbit lebih sulit lagi karena kendaraan harus memperoleh kecepatan menyamping yang sangat besar, bukan hanya ketinggian. Peluncuran nyata juga memerlukan kecepatan tambahan untuk hambatan atmosfer, rugi-rugi gravitasi selama pendakian, dan pengendalian arah, sehingga performa peluncuran yang dibutuhkan lebih tinggi daripada perkiraan ideal kecepatan orbit ini.

Tonggak penting yang mengubah eksplorasi antariksa

Sputnik 1 pada 1957

Satelit buatan pertama ini menunjukkan bahwa orbit dapat dicapai secara teknis. Ini mengubah penerbangan antariksa dari teori menjadi kenyataan rekayasa.

Yuri Gagarin pada 1961

Penerbangan antariksa manusia pertama membuktikan bahwa seseorang dapat bertahan melalui peluncuran, orbit, dan masuk kembali ke atmosfer, setidaknya untuk misi singkat.

Apollo 11 pada 1969

Pendaratan manusia di Bulan menunjukkan bahwa misi dapat melampaui orbit Bumi, bernavigasi dengan presisi, mendarat di dunia lain, dan kembali dengan selamat.

Misi Voyager pada 1977

Wahana Voyager menunjukkan kekuatan eksplorasi robotik, misi berdurasi panjang, dan bantuan gravitasi untuk mencapai tata surya bagian luar.

Stasiun Luar Angkasa Internasional sejak 1998

ISS mengubah eksplorasi antariksa menjadi laboratorium jangka panjang untuk riset mikrogravitasi, operasi rekayasa, dan kerja sama internasional. Manusia telah tinggal di sana secara terus-menerus sejak 2000.

Apa yang ingin dicapai berbagai misi antariksa

Misi yang berbeda mengajukan pertanyaan fisika yang berbeda.

• Misi orbit Bumi berfokus pada komunikasi, cuaca, navigasi, dan pengamatan.
• Misi Bulan menguji pendaratan, operasi permukaan, dan lintasan kembali yang dekat dengan Bumi.
• Wahana penjelajah planet menukar dukungan awak dengan sains jarak jauh, yang membuatnya praktis untuk eksplorasi antariksa dalam.
• Teleskop antariksa menghindari sebagian besar atmosfer, yang meningkatkan pengamatan di banyak bagian spektrum elektromagnetik.

Fisika inti yang sama muncul pada semuanya, tetapi kompromi rekayasanya berubah sesuai jarak, massa, daya, dan jeda komunikasi.

Kesalahan umum tentang roket dan orbit

Mengira astronaut di orbit berada di luar pengaruh gravitasi

Tidak demikian. Gravitasi masih kuat di orbit rendah Bumi. Astronaut merasa tanpa bobot terutama karena mereka dan pesawat antariksa berada dalam jatuh bebas terus-menerus bersama-sama.

Mengira roket mendorong udara

Roket tidak memerlukan udara luar. Gaya dorong berasal dari penyemburan propelan.

Mencampuradukkan penerbangan antariksa dan orbit

Melewati batas antariksa tidak sama dengan tetap berada di orbit. Penerbangan suborbital naik lalu turun kembali tanpa mengelilingi Bumi.

Menganggap tonggak hanya sebagai sejarah

Tonggak penting karena masing-masing mewakili kemampuan fisika dan rekayasa yang baru: orbit, penunjang kehidupan, pendaratan presisi, penerbangan berdurasi panjang, atau komunikasi antariksa dalam.

Mengapa eksplorasi antariksa penting melampaui roket

Eksplorasi antariksa mendorong ilmu planet, astronomi, rekayasa satelit, sistem navigasi, penginderaan jauh, pengujian material, dan penelitian faktor manusia di lingkungan ekstrem. Bahkan jika Anda tidak pernah bekerja pada sebuah misi, topik ini adalah cara yang jelas untuk melihat bagaimana mekanika, termodinamika, elektromagnetisme, dan sistem kendali berpadu dalam satu bidang nyata.

Coba versi Anda sendiri

Gunakan rumus kecepatan orbit yang sama untuk orbit yang lebih tinggi di sekitar Bumi dan bandingkan dengan perkiraan orbit rendah Bumi. Karena $v = \sqrt{GM/r}$ menurun saat $r$ meningkat, orbit yang lebih tinggi seharusnya memerlukan kecepatan orbit yang lebih rendah. Jika Anda ingin mencoba versi Anda sendiri dengan angka yang berbeda, selesaikan soal serupa dengan GPAI Solver.