Roket

Roket merupakan wahana luar angkasa, peluru kendali, atau kendaraan terbang yang mendapatkan dorongan melalui reaksi roket terhadap keluarnya secara cepat bahan fluida dari keluaran mesin roket. Aksi dari keluaran dalam ruang bakar dan nozle pengembang, mampu membuat gas mengalir dengan kecepatan hipersonik sehingga menimbulkan dorongan reaktif yang besar untuk roket.

Pada awal perkembangannya, roket digerakan dari hasil pembakaran bahan bakar minyak, gas dan oksigen cair. Setelah bahan bakar roket dinyalakan, pancaran gas yang keluar dari roket akan menimbulkan ledakan beruntun kebawah sehingga mendorong roket ke atas dan roket dapat melaju ke udara. Roket terbang dengan kecepatan supersonik, yaitu sekitar 300 m/s.

Bahan bakar roket ada dua jenis yaitu bahan bakar cair dan bahan bakar padat. Prinsip kerja dari roket berbahan bakar cair dan padat sama saja, di mana hasil pembakaran menghasilkan gaya dorong ke atas. Tetapi roket yang berbahan bakar padat mempunyai kelebihan yaitu mampu menyimpan bahan bakar dengan jumlah besar untuk ruang penyimpanan yang sama, karena bahan bakarnya telah dipadatkan. Sedangkan bahan bakar cair tidak bisa dimampatkan.

I. Hukum Newton III

Pergerakan Roket sesuai dengan hukum Newton ke 3, yang berisi;

Apabila sebuah benda memberikan gaya kepada benda lain, maka benda kedua memberikan gaya kepada benda yang pertama. Kedua gaya tersebut memiliki besar yang sama tetapi berlawanan arah.
Secara matematis Hukum III Newton dapat ditulis sebagai berikut :
F _{A ke B} = – F _{B ke A}

F _{A ke B} adalah gaya yang diberikan oleh benda A kepada benda B, sedangkan F _{B ke A} adalah gaya yang yang diberikan benda B kepada benda A. Misalnya ketika anda menendang sebuah batu, maka gaya yang anda berikan adalah F _{A ke B}, dan gaya ini bekerja pada batu. Gaya yang diberikan oleh batu kepada kaki anda adalah – F _{B ke A.} Tanda negatif menunjukkan bahwa arah gaya reaksi tersebut berlawanan dengan gaya aksi yang anda berikan. Jika anda menggambar tanda panah yang melambangkan interaksi kedua gaya ini, maka gaya F _{A ke B} digambar pada batu, sedangkan gaya yang diberikan batu kepada kaki anda, – F _{B ke A}, digambarkan pada kaki anda.

Persamaan Hukum III Newton di atas juga bisa kita tulis sebagai berikut :
F_aksi = -F_reaksi

Hukum warisan Newton ini dikenal dengan julukan hukum aksi-reaksi. Ada aksi maka ada reaksi, yang besarnya sama dan berlawanan arah. Kadang-kadang kedua gaya tersebut disebut pasangan aksi-reaksi. Ingat bahwa kedua gaya tersebut (gaya aksi-gaya reaksi) bekerja pada benda yang berbeda. Berbeda dengan Hukum I Newton dan Hukum II Newton yang menjelaskan gaya yang bekerja pada benda yang sama.

Gaya aksi dan reaksi adalah gaya kontak yang terjadi ketika kedua benda bersentuhan. Walaupun demikian, Hukum III Newton juga berlaku untuk gaya tak sentuh, seperti gaya gravitasi yang menarik buah mangga kesayangan anda. Ketika kita menjatuhkan batu, misalnya, antara bumi dan batu saling dipercepat satu dengan lain. batu bergerak menuju ke permukaan bumi, bumi juga bergerak menuju batu. Gaya total yang bekerja pada bumi dan batu besarnya sama. Bumi bergerak ke arah batu yang jatuh karena massa bumi sangat besar maka percepatan yang dialami bumi sangat kecil (Ingat hubungan antara massa dan percepatan pada persamaan hukum II Newton). Walaupun secara makroskopis tidak tampak, tetapi bumi juga bergerak menuju batu atau benda yang jatuh akibat gravitasi. Bumi menarik batu, batu juga membalas gaya tarik bumi, di mana besar gaya tersebut sama namun arahnya berlawanan.

II. Bagian-Bagian Roket

Kita tentu sering mendengar kiprah tentang penluncuran roket untuk berbagai kepentingan. Baik untuk meluncurkan satelit untuk tujuan damai maupun untuk tujuan perang.

Sekarang ini kita akan mempelajari bagian-bagian roket yang mampu menghantarkan satelit ke ruang angkasa ini.

Komponen utama roket terdiri dari empat bagian yaitu; rangka (structure sistem), Beban (payload system), sistem pemandu (guidance system) dan sistem propulsi (propultion system).

1. Rangka

Rangka atau badan roket (rocket frame) terbuat dari bahan yang ringan dan kuat seperti titanium dan aluanium, karena rangka berfungsi sebagai pelindung . Badan roket ini juga dilapisi dengan lapisan kusus untuk melindungi nya dari panas yang berlebihan saat menembus atmosfir bumi dan juga untuk melindungi dari dingin yang berlebihan. Sirip di pasang pada bagian bawah roket untuk menjaga stabilitas selama peluncuran.

2. Sistem Beban

Sistem beban merupakan tempat untuk membawa wahana. Jadi sistem ini tergantung pada misi yang di emban roket. Jika untuk mengorbitkan satelit, maka rancangannya pun harus disesuaikan. Gambar di atas merupakan sistem beban V2 Jerman yang berisi bahan peledak.

3. Sistem Pemandu

Sistem pemandu (guidance system) merupakan alat yang akan menuntun roket ke orbit yang di tuju. Sistem pemandu roket ini dilengkapi dengan sensor, komputer, radar, dan alat komonikasi.

4. Sistem Populasi

Sistem propulsi (propultion system) adalah mesin yang digunakan sebagai tenaga pendorong rodet. Sistem propulsi roket secara garis besar menggunakan roket berbahan bakar padat dan roket berbahan bakar cair. sistem propulsi roket V2 terdiri dari tangki oksidasi, pompa, bilik pembakaran dan nozel.

III. Cara Kerja Roket

Dorongan roket dan jet merupakan penerapan yang menarik dari hukum III Newton dan Kekekalan momentum. Roket memiliki tangki yang berisi bahan bakar hodrogen cair dan oksigen cair. Bahan bakar tersebut dibakar dalam ruang pembakaran sehingga menghasilkan gas lalu dibuang melalui mulut pipa yang terletak dibelakang roket. Akibatnya terjadi perubahan momentum pada gas selama selang waktu tertentu. Berdasarkan hukum II Newton, perubahan momentum selama suatu selang waktu tertentu = gaya total. Jadi bisa dikatakan bahwa terdapat gaya total pada gas yang disemburkan roket ke belakang. Gaya total tersebut merupakan gaya aksi yang diberikan oleh roket kepada gas, di mana arahnya ke bawah. Sebagai tanggapan, gas memberikan gaya reaksi kepada roket, di mana besar gaya reaksi = gaya aksi, hanya arahnya berlawanan. Gaya reaksi yang diberikan oleh gas tersebut yang mendorong roket ke atas.

Roket bergerak bukan karena tekanan semburan gasnya mendorong udara, karena di luar angkasa tidak ada udara. Prinsip yang digunakan hukum kekekalan momentum. Dengan massa gas yang disemburkan dengan kecepatan tertentu, menyebabkan roket mendapatkan gerak majunya. Percobaan sederhananya dilakukan dengan oleh astronot dengan sarung tangan karet (bersfungsi sama dengan balon) yang dipasangi sedotan minuman berperang seperti roket. Tekanan udara yang keluar dari sarung tangan karet yang semula ditiup memberi efek dorongan. Roket bergerak karena adanya semburan propelan. Pada roket air, semburan propelan digantikan dengan campuran air dan udara bertekanan tertentu.

IV. Prinsip Dorongan Roket

Suatu penerapan hukum fisika yang begitu hebat, adalah roket, yang didasari atas hukum ketiga Newton, dan penerapan impuls dan momentum. Dengan semua hal diatas roket dapat bergerak melawan gravitasi bumi.

Dari hukum ketiga Newton, bahwa ketika suatu benda mengerjakan gaya pada benda lain, maka benda yang dikerjakan gaya akan mengerjakan gaya pada benda yang mengerjakan gaya padanya, gaya ini disebut gaya aksi-reaksi yang besarnya sama, namun arahnya berkebalikan, dan juga impuls dan momentum, dikatakan bahwa gaya eksterna yang bekerja pada suatu benda atau sistem akan mengakibatkan laju perubahan momentum benda tersebut. Dari hal tersebut kita akan menurunkan persamaan untuk gaya dorong yang mengakibatkan roket dapat melawan gravitasi.




Asumsikan ketika t=0, roket diam sehingga massa roket ditambah massa bahan bakar adalah m, setelah ∆t, roket telah membakar sebesar ∆m bahan bakar sehingga kecepatan roket bertambah sebesar ∆v dan ∆v akan terus bertambah besar terhadap t dan gas hasil pembakaran memiliki kecepatan keluar sebesar -u konstan.
sehingga untuk roket (momentum roket)

P1=0
P2= (m-∆m)∆v
maka
F-(m-∆m)g=(m-∆m)∆v/∆t........(1)

untuk gas yang keluar dari roket dengan massa ∆m (momentum gas)

P1=0
P2=-(∆m)u
maka

-(F+(∆m)g)=-(∆m)u/∆t
F=((∆m)u/∆t)-((∆m)g)

untuk lim ∆t →0, maka ∆m→0 juga, maka suku (∆m)g bisa kita abaikan terhadap suku lainnya, sehingga persamaan diatas menjadi

F=(u)(dm/dt)........(2)

dengan dm/dt adalah laju pembakaran bahan bakar dan persamaan diatas merupakan persamaan gaya dorong roket

sekarang lihat persamaan 1

F-(m-∆m)g=(m-∆m)∆v/∆t
F-(m-∆m)g=(m∆v/∆t)-(∆m∆v/∆t)

untuk lim ∆t →0, maka ∆m→0 juga dan ∆v→0 juga, maka suku (∆m∆v/∆t) dan (∆m)g bisa kita abaikan terhadap suku lainnya, sehingga persamaan diatas menjadi

F-mg=(m.dv/dt)
(u)(dm/dt)-mg=(m.dv/dt)
(u)(dm/dt(m))-g=(dv/dt)

sehingga untuk mendapatkan kecepatan roket ketika t maka kita integralkan persamaan diatas dari t=o sampai t dan dari m sampai m saat t

∫(u)(dm/(m))-∫g.dt= ∫ (dv)

(u)ln(m_awal/m_akhir)-gt=v_t.....(3)

Persamaan 3 merupakan persamaan untuk kecepatan roket ketika waktu t dengan syarat V₀=0 dan t_awal=0

Jika kita mengasumsikan V₀≠0 dan t_awal≠0, maka persamaan 3 akan menjadi
(u)ln(m_awal/m_akhir)-(gt₂-gt₁)=v_t-v₀.....(4)
Inilah persamaan umum untuk kecepatan roket dengan syarat u haruslah harga mutlak, karena saat awal kita sudah memasukkan u negatif, maka pada rumus umum, u harus harga mutlak.

Sebuah roket mendapatkan dorongan dengan membakar bahan bakar dan membuang gas yang terbentuk lewat belakang. Roket mengerjakan gaya pada gas buang, dan dari hukum ketiga Newton, gas mengerjakan gaya yang sama dan berlawanan pada roket, mendorongnya ke depan. Momentum yang hilang karena gas yang dikeluarkan sama dengan momentum yang yang diperoleh roket. Roket mendorong melawan gas buangannya sendiri, yang mendorong kembali melawan roket tersebut.

Persamaan Roket :

m.dv/dt = u_keluar |dm/dt| + F_eks

besaran u_keluar |dm/dt| dinamakan dorongan roket :

F_{dorongan =} u_keluar |dm/dt|

Ketika roket bergerak didekat permukaan bumi, gaya eksternal F_eks adalah berat roket. Dalam persamaan Roket, gaya ini negative karena gaya ini langsung berlawanan dengan arah kecepatan, seandainya roket bergerak ke atas. Jadi, dorongan harus lebih besar dibandingkan berat roket jika roket harus dipercepat ke atas. Setelah kita mensubstitusi F_keluar = -mg dan membagi dengan m, maka persamaannya menjadi :

dv/dt = -g + u_keluar/ m |dm/dt|

Untuk memecah persamaan diatas guna memperoleh kecepatan v, maka harus mengetahui kelajuan pembuangan relatif terhadap roket u_ex dan laju pembakaran bahan bakar roket |dm/dt|. Pemecahan persamaan ini rumit karena m tidak konstan, tetapi merupakan fungsi waktu. Dengan demikian persamaan di atas menjadi :

dv = -gdt - u_keluar dm/m

dengan menganggap bahwa g konstan dan mengintegrasi dari t=0 sampai t=t_b ketika bahan bakar terbakar sempurna, kita dapatkan :

v_f – v_i = -gt_b - u_keluar In m_i/m_f

Dalam persamaan di atas kita telah menggunakan ∫(dm/m) = In m. Dengan menggunakan –In m_f/m_i = In (m_i/m_f), kita mendapatkan :

v_f – v_i = + u_keluar In m_i/m_f -gt_b

persamaan di atas menyatakan perubahan kecepatan roket yang bergerak dalam medan gravitasi yang konstan yang dinyatakan dalam kelajuan pembuangan, waktu untuk membakar bahan bakar t_b, dan rasio massa awal terhadap massa akhir. Untuk roket yang bergerak dalam ruang bebas tanpa gaya eksternal, perubahan kecepatan diberikan oleh :

v_f – v_i = + u_keluar In m_i/m_f (tanpa gaya eksternal)

massa roket tanpa bahan bakar sama sekali dinamakan berat roket kosong(payload). Jika berat kosong hanya 10 persen dari massa awal total, artinya, 90 persen massa awal adalah bahan bakar, rasio m_i/m_f ketika bahan bakar habis adalah 10. Untuk roket yang bergerak dengan v_i = 0 dan tanpa gaya eksternal, kelajuan akhir akan sama dengan :

v_f = u_keluar In 10 = 2,3 u_keluar