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.
Opel RAK.1 - Penerbangan roket berawak publik pertama di dunia pada 30 September 1929.
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.
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
Diluncurkan pada tahun 1959, Luna 1 adalah objek buatan pertama yang diketahui mencapai kecepatan lepas dari Bumi.[8](foto replika)
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 tambatanpertukaran 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.[9]
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.[10]
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.[11] 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.
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,[14][15][16][17] sementara penambatan mengacu pada operasi penempelan di mana wahana yang tidak aktif ditempatkan pada antarmuka penempelan wahana antariksa lain dengan menggunakan bantuan lengan robot.[14][16][17]
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.
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.
Jenis
Nirawak
Penerbangan antariksa nirawak adalah semua aktivitas penerbangan antariksa tanpa kehadiran manusia yang diperlukan di luar angkasa. Ini termasuk semua prob antariksa, satelit, serta wahana antariksa dan misi robotik. Penerbangan antariksa nirawak adalah kebalikan dari penerbangan antariksa berawak. Subkategori penerbangan antariksa nirawak adalah "wahana antariksa robotik" (objek) dan "misi antariksa robotik" (kegiatan). Wahana antariksa robotik adalah wahana antariksa tanpa manusia di dalamnya, yang biasanya berada di bawah kendali telerobotika. Dalam beberapa kasus, sama dengan helikopter, wahana antariksa mungkin perlu bertindak secara mandiri untuk waktu yang singkat.[18] Sebuah wahana antariksa robotik yang dirancang untuk melakukan pengukuran penelitian ilmiah sering disebut prob antariksa.
Misi antariksa nirawak menggunakan wahana antariksa yang dikendalikan dari jarak jauh. Misi antariksa nirawak pertama adalah Sputnik, diluncurkan 4 Oktober 1957 untuk mengorbit Bumi. Misi antariksa di mana ada hewan lain tetapi tidak ada manusia di dalamnya juga dianggap sebagai misi nirawak.
Keuntungan
Banyak misi antariksa lebih cocok jika menggunakan operasi telerobotik daripada operasi berawak, karena biaya dan faktor risiko yang lebih rendah. Selain itu, beberapa tujuan planet seperti Venus atau di sekitar Jupiter terlalu ganas untuk kelangsungan hidup manusia, mengingat teknologi yang tersedia saat ini. Planet luar seperti Saturnus, Uranus, dan Neptunus terlalu jauh untuk dijangkau dengan teknologi penerbangan antariksa berawak saat ini, sehingga prob telerobotika adalah satu-satunya cara untuk menjelajahinya. Telerobotika juga memungkinkan eksplorasi daerah yang rentan terhadap kontaminasi oleh mikroorganisme bumi karena wahana antariksa dapat disterilkan. Manusia tidak dapat disterilkan dengan cara yang sama seperti wahana antariksa, karena manusia hidup berdampingan dengan banyak mikroorganisme, dan mikroorganisme ini juga sulit untuk dikurung di dalam wahana antariksa atau pakaian antariksa tanpa menyebar ke lingkungan sekitarnya.
Telerobotika
Telerobotika menjadi telepresensi ketika waktu tunda sinyalnya cukup pendek untuk memungkinkan kendali wahana antariksa secara real time oleh manusia. Bahkan penundaan kecepatan cahaya selama dua detik saja untuk wahana di Bulan terlalu jauh untuk eksplorasi telepresensi dari Bumi. Posisi L1 dan L2 memungkinkan penundaan perjalanan pulang pergi 400 milidetik, yang cukup dekat untuk operasi telepresensi. Telepresensi juga telah diusulkan sebagai cara untuk memperbaiki satelit di orbit Bumi dari Bumi. Simposium Telerobotika Eksplorasi pada tahun 2012 mengeksplorasi topik ini.[19]
Penerbangan antariksa berawak pertama adalah Vostok 1 pada 12 April 1961, di mana kosmonotYuri Gagarin dari Uni Soviet melakukan satu orbit mengelilingi Bumi. Dalam dokumen resmi Soviet, tidak disebutkan fakta bahwa Gagarin melakukan terjun payung pada tujuh mil terakhir.[20] Pada tahun 2020, wahana antariksa yang biasa digunakan untuk penerbangan antariksa berawak adalah Soyuz, Shenzhou, dan Crew Dragon. Armada Pesawat Ulang-Alik AS beroperasi dari April 1981 hingga Juli 2011. Sementara itu, SpaceShipOne telah melakukan dua penerbangan antariksa suborbital berawak.
Suborbital
Pada penerbangan antariksa suborbital, wahana antariksa mencapai ruang angkasa dan kemudian kembali ke atmosfer setelah mengikuti lintasan balistik (terutama). Hal ini biasanya karena energi orbital spesifik yang tidak mencukupi, dalam hal ini penerbangan suborbital hanya akan berlangsung beberapa menit, tetapi juga mungkin untuk sebuah objek dengan energi yang cukup untuk melakukan sebuah orbit dengan lintasan yang memotong atmosfer Bumi. Pioneer 1adalah wahana antariksa pertama NASA yang dimaksudkan untuk mencapai Bulan. Kegagalan sebagian dari misi ini menyebabkan Pioneer 1 mengikuti lintasan suborbital dengan ketinggian 113,854 km sebelum memasuki kembali atmosfer Bumi 43 jam setelah peluncuran.
Batas luar angkasa yang paling umum dikenal adalah garis Kármán 100 km (62 mi) atas permukaan laut. (Sebagai alternatif dari definisi tersebut, NASA mendefinisikan astronaut sebagai seseorang yang telah terbang lebih dari 50 mi (80 km) atas permukaan laut). Secara umum tidak diketahui oleh publik bahwa peningkatan energi potensial yang diperlukan untuk melewati garis Kármán hanya sekitar 3% dari energi yang dibutuhkan untuk melakukan penerbangan orbital (potensial ditambah energi kinetik) yang dibutuhkan oleh orbit Bumi serendah mungkin (orbit melingkar tepat di atas garis Karman). Dengan kata lain, jauh lebih mudah untuk mencapai luar angkasa daripada tetap berada di sana. Pada 17 Mei 2004, Civilian Space eXploration Team meluncurkan roket GoFast pada penerbangan suborbital, penerbangan antariksa amatir pertama. Pada 21 Juni 2004, SpaceShipOne digunakan untuk penerbangan antariksa berawakpertama yang didanai oleh institusi swasta.
Titik ke titik
Titik ke titik, atau transportasi Bumi ke Bumi, adalah kategori penerbangan luar angkasa sub-orbital di mana wahana antariksa menyediakan transportasi cepat antara dua lokasi terestrial.[21] Rute penerbangan konvensional antara London dan Sydney, penerbangan yang biasanya berlangsung lebih dari dua puluh jam, dapat dilalui dalam waktu kurang dari satu jam.[22] Meskipun tidak ada perusahaan yang menawarkan transportasi jenis ini hari ini, SpaceX telah mengungkapkan rencana untuk melakukannya pada awal tahun 2020 menggunakan Starship. Penerbangan antariksa suborbital melalui jarak antarbenua membutuhkan kecepatan kendaraan yang hanya sedikit lebih rendah dari kecepatan yang dibutuhkan untuk mencapai orbit Bumi yang rendah.[23] Jika roket digunakan, ukuran roket relatif terhadap muatannya mirip dengan rudal balistik antarbenua (ICBM). Setiap penerbangan antariksa antarbenua harus mengatasi masalah pemanasan selama masuk kembali ke atmosfer yang hampir sebesar yang dihadapi oleh penerbangan antariksa orbital.
Orbital
Apollo 6 menuju ke orbit
Penerbangan antariksa orbital minimal membutuhkan kecepatan yang jauh lebih tinggi daripada penerbangan suborbital minimal, sehingga secara teknologi jauh lebih menantang untuk dicapai. Untuk mencapai penerbangan antariksa orbital, kecepatan tangensial mengelilingi Bumi sama pentingnya dengan ketinggian. Untuk melakukan penerbangan yang stabil dan tahan lama di ruang angkasa, wahana antariksa harus mencapai kecepatan orbit minimal yang diperlukan untuk orbit tertutup.
New Horizons adalah wahana antariksa kelima yang berada di lintasan keluar meninggalkan Tata Surya. Voyager 1, Voyager 2, Pioneer 10, Pioneer 11 adalah wahana yang diluncurkan lebih awal. Yang terjauh dari Matahari adalah Voyager 1, yang jaraknya lebih dari 100 AU dan bergerak dengan kecepatan 3,6 AU per tahun.[24] Sebagai perbandingan, Proxima Centauri, bintang terdekat selain Matahari, berjarak 267.000 AU. Voyager 1 membutuhkan waktu lebih dari 74.000 tahun untuk mencapai jarak ini. Desain kendaraan yang menggunakan teknik lain, seperti propulsi pulsa nuklir kemungkinan besar dapat mencapai bintang terdekat secara signifikan lebih cepat. Hal lain yang memungkinkan penerbangan antariksa antarbintang berawak adalah dengan memanfaatkan dilatasi waktu, karena hal ini akan memungkinkan penumpang dalam wahana yang bergerak cepat untuk melakukan perjalanan lebih jauh ke masa depan sementara penuaan berjalan lambat. Namun, mencapai kecepatan tinggi seperti itu masih memerlukan penggunaan beberapa metode propulsi baru yang lebih canggih.
Antargalaksi
Perjalanan antargalaksi melibatkan penerbangan antariksa antargalaksi, dan dianggap membutuhkan teknologi yang jauh lebih baik daripada perjalanan antarbintang dan menurut istilah teknik saat ini, dianggap sebagai fiksi ilmiah. Namun, secara teoritis, tidak ada hal yang secara meyakinkan menunjukkan bahwa perjalanan antargalaksi tidak mungkin dilakukan. Sampai saat ini beberapa akademisi telah mempelajari perjalanan intergalaksi secara serius.[25][26][27]
^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.Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
^ abJohn 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
^ abFehse, Wigbert (2003). Automated Rendezvous and Docking of Spacecraft. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN978-0521824927.
^ ab"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.Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
^Exploration Telerobotics SymposiumError in webarchive template: Check |url= value. Empty. May 2–3, 2012 at NASA Goddard Space Flight Center.
^Vostok 1. Astronautix.com. Retrieved on 2011-10-05.
^Burghardt, Thomas (December 26, 2020). "Preparing for "Earth to Earth" space travel and a competition with supersonic airliners". NASA Spaceflight. Diakses tanggal January 29, 2021. The most prevalent concept for suborbital Earth to Earth transportation comes from none other than Elon Musk and SpaceX. Primarily designed for transporting large payloads to Mars for the purpose of colonization, the next generation Starship launch system offers a bonus capability for transporting large amounts of cargo around Earth.
^"Becoming a Multiplanet Species"(PDF). 68th annual meeting of the International Astronautical Congress in Adelaide, Australia: SpaceX. 29 September 2017.
.jpg)
_spacecraft.jpg)
