- Jika jari-jari Bumi membesar dengan kepadatan rata-rata yang sama, gravitasi permukaan dan kecepatan orbit rendah ikut naik, sehingga syarat agar roket kimia mencapai orbit memburuk dengan sangat cepat
- Karena persamaan roket Tsiolkovsky, meski Δv yang dibutuhkan bertambah secara linear, massa roket meningkat secara eksponensial; hasilnya sangat dipengaruhi asumsi rasio bahan bakar, rasio dorong terhadap berat mesin, dan massa struktur
- Dalam perhitungan untuk mengangkat muatan 1 ton ke orbit rendah, dibutuhkan roket 6 tahap dan sekitar 50 ribu ton di planet 3g, 8 tahap dan sekitar 2,83 juta ton di 4g, serta 9 tahap dan sekitar 391 juta ton di 5g
- Mulai sekitar 10g, massa roket mendekati porsi yang berarti dari massa planet, dan pada 10,47g muncul batas teoretis di mana massa roket menjadi sama dengan massa planet
- Dalam kenyataan, luas pemasangan mesin, kekuatan struktur, bentuk tangki, dan kenaikan massa kering akan lebih dulu menjadi penghambat, sehingga alih-alih ada “ukuran maksimum yang tepat”, batas praktisnya sangat bergantung pada asumsi
Apa yang berubah jika Bumi diperbesar dengan kepadatan yang sama
- Pertanyaannya membahas planet hipotetis di mana jari-jari Bumi diperbesar
fkali sambil mempertahankan kepadatan rata-rata- Jari-jari:
r = f r_earth - Massa:
m = f^3 m_earth - Gravitasi permukaan:
g = f g_earth
- Jari-jari:
- Jika kepadatan rata-ratanya sama, maka makin besar planetnya, kecepatan orbit rendah juga meningkat sebanding dengan jari-jarinya
- Jika komposisi, suhu, dan tekanan atmosfer permukaan dianggap sama, maka tinggi skala
Hmenyusut menjadif^-1 - Cakupan pembahasannya dibatasi pada roket berpropulsi kimia, bukan sarana peluncuran alternatif seperti balon, pesawat, laser, atau elevator antariksa
Hambatan yang diciptakan persamaan roket
- Persamaan roket Tsiolkovsky dinyatakan sebagai
Δv = ln(m0/mf) ve - Pada mesin kimia, ada batas untuk menaikkan kecepatan buang
ve, dan salah satu perhitungan menempatkan batas atas mesin kimia sekitar 5.000m/s - Untuk mendapatkan Δv yang lebih besar, rasio massa
m0/mfharus ditingkatkan- Massa tangki dan mesin tidak bisa menjadi nol
- Menambah tahap dapat menaikkan Δv secara linear, tetapi massa total membengkak secara eksponensial
- Karena itu, perbedaan kecil dalam asumsi tentang massa struktur tangki bahan bakar dan rasio dorong terhadap berat mesin dapat sangat mengubah ukuran akhir roket
Perhitungan berdasarkan muatan 1 ton
- Salah satu perhitungan dengan suara tinggi memperkirakan ukuran roket yang dibutuhkan menurut gravitasi permukaan dengan menetapkan beberapa variabel tetap
- Asumsi utamanya sebagai berikut
- Mengirim muatan 1 ton ke orbit rendah
- Δv yang dibutuhkan untuk mencapai orbit, termasuk rugi atmosfer dan gravitasi, adalah
10.000m/s per 1g gravitasi permukaan - Rasio massa propelan tiap tahap adalah 90%
- Menggunakan mesin era Apollo: RL-10, J-2, M-1, H-1, dan F-1
- Saat penyalaan tahap pertama, rasio dorong terhadap berat minimal 1,2 terhadap gravitasi setempat
- Tahap tengah minimal 0,8, tahap akhir minimal 0,5
- Dengan asumsi ini, ukuran roket yang dihitung membesar sangat cepat seiring meningkatnya gravitasi
- 1g: 3 tahap, tahap pertama 1 mesin H-1, massa total 49,4 ton
- 2g: 4 tahap, tahap pertama 5 mesin F-1, massa total 1.329 ton
- 3g: 6 tahap, tahap pertama 274 mesin F-1, massa total 50.722,2 ton
- 4g: 8 tahap, tahap pertama 20.422 mesin F-1, massa total 2.836.598,4 ton
- 5g: 9 tahap, tahap pertama 3,5 juta mesin F-1, massa total 391 juta ton
- 6g: 11 tahap, tahap pertama 400 juta mesin F-1, massa total 38 miliar ton
- 10g: 18 tahap, tahap pertama
2.88e19mesin F-1, massa total 1.65e21 ton
- Di atas 10g, massa roket mencapai porsi yang dapat diukur dari massa planet
- 10,3g: massa roket adalah 0,035 dari massa planet
- 10,4g: massa roket adalah 1/5 dari massa planet
- 10,47g: massa roket menjadi sama dengan massa planet
Batas realistis yang tetap ada meski tahap ditambah
- Secara teoretis, tahap bisa terus ditambah untuk memperoleh Δv lebih besar, tetapi pada roket nyata, batas struktur dan bentuk akan ditemui lebih dulu
- Jika ukuran linear suatu tahap roket diperbesar, massanya naik secara kubik, tetapi luas dasar untuk memasang mesin hanya bertambah secara kuadrat
- Pada Saturn V pun, mesin luar pada tahap pertama harus ditempatkan di tepi tahap karena keterbatasan ruang nozzle mesin dan ruang gimbal
- Roket yang sangat besar mungkin memerlukan perubahan desain seperti berikut
- Bentuk yang lebih pendek dan lebih lebar
- Pengurangan rentang gimbal mesin
- Pemasangan mesin pada pod di sekitar tangki
- Dalam contoh 3g, untuk memuat 274 mesin F-1 dibutuhkan tahap berukuran sekitar diameter 90m dan tinggi 9m, dan pada skala seperti ini inefisiensi rekayasa akibat proporsi tangki menjadi serius
- Roket padat tidak mengalami batas pemasangan mesin dalam skala yang sama, serta memiliki rasio dorong terhadap berat dan biaya per dorong yang lebih baik, sehingga bisa lebih masuk akal sebagai kandidat bagian bawah roket yang sangat besar
Tambahan tentang super-Earth dan planet gravitasi tinggi
- Michael Hippke dalam Spaceflight from Super-Earths is difficult membahas sulitnya penerbangan antariksa dari super-Earth
- Penelitian ini menghitung berdasarkan kecepatan lepas alih-alih orbit rendah, tetapi sifat kesulitannya yang meningkat secara eksponensial tetap serupa
- Kepler-20b diperlakukan sebagai planet dengan jari-jari kira-kira 1,9 kali Bumi dan massa hampir 10 kali Bumi
- Roket minimum untuk mengirim 1 ton ke kecepatan lepas di Kepler-20b memerlukan 9.000 ton bahan bakar
- Untuk muatan 6,2 ton setara James Webb Space Telescope dibutuhkan 55.000 ton bahan bakar
- Untuk muatan 45 ton setingkat misi Bulan Apollo dibutuhkan roket sekitar 400.000 ton
- Jawaban lain menambahkan bahwa dalam studi eksoplanet, batas atas planet berbatu sering disebut sekitar 1,6 kali jari-jari Bumi dan 5 kali massa Bumi
- Di atas itu, karakteristik yang lebih mirip Mini-Neptune bisa meningkat
- Jika asumsi ini benar, maka gravitasi maksimum dunia yang berpotensi layak huni tidak akan melampaui sekitar 2,5g
- Perhitungan lain menyebut bahwa pada dunia bergaya gravitasi tinggi, rasio massa kering roket bisa memburuk; jika rasio massa basah/kering turun ke tingkat 5:1 di dunia 5g, maka massa luncur bisa mencapai skala
10^20ton - Dalam kasus ekstrem ketika roket sendiri melebihi massa Bulan, gravitasi roket itu sendiri juga menjadi masalah; jika dibandingkan, kecepatan buang LOX/H2 sekitar 4.400m/s dan kecepatan lepas Bulan sekitar 2.380m/s, sehingga kecepatan buang efektif dapat berkurang secara besar
1 komentar
Opini Hacker News
Pada masa awal roket, pertanyaan kebalikannya nyaris merupakan masalah yang belum terpecahkan: meski konsep roket secara teori ada, apakah ada kombinasi propelan yang bisa menghasilkan kecepatan gas buang cukup tinggi untuk membuat roket orbital menjadi praktis?
Jawabannya tidak jelas sejak awal, dan makalah Goddard menjelaskan seberapa besar roket harus dibuat untuk menghasilkan performa yang sama ketika kecepatan propelan diturunkan. Pada akhirnya, bahkan membakar satu gunung mesiu pun hanya akan mencapai ketinggian beberapa puluh mil
Bagi para perintis roket awal, fakta bahwa kita hidup di planet tempat roket orbital dimungkinkan berkat kombinasi gravitasi dan kimia adalah kejutan menyenangkan sekaligus kelegaan, dan sisanya adalah masalah rekayasa
https://library.sciencemadness.org/library/books/ignition.pd...
Justru setelah berhasil keluar dari sumur gravitasi planetnya sendiri, berkat roket nuklir eksplorasi tata surya mungkin menjadi relatif mudah
Jika planetnya sedikit saja lebih berat, kita mungkin tidak bisa meluncurkan satu satelit pun sampai mesin nuklir dibuat
Jika ada roket tahap pertama yang cukup tinggi dan memakai hot staging, itu bisa dibuat mungkin bahkan di Bumi yang sangat besar
Namun tahap pertama itu mungkin harus menjulang jauh di atas atmosfer. Tentu saja, sama sekali bukan sambil memegang buku Randall Munroe
Jika membangun menara yang menjangkau hingga dekat orbit geostasioner, itu bisa diperlakukan seperti tahap roket dengan delta-v 0, lalu “hot staging” tahap kecil dari puncaknya akan langsung masuk orbit. Tentu saja, jika bisa membangun itu, roket hampir menjadi opsional
Rasio taper antara dasar dan puncaknya kemungkinan harus sangat besar, sampai mencapai bagian signifikan dari radius planet. Namun karena juga butuh tempat untuk memasang begitu banyak mesin tahap pertama, mungkin memang harus begitu
Kita sepakat untuk tidak membicarakan logistik darat
Menarik. Ini bisa membuat Persamaan Drake menjadi lebih berat. Terutama karena peradaban di planet berg gravitasi tinggi punya kemampuan terbatas untuk menjadi spesies multi-planet dan melewati Great Filter, sehingga rata-rata waktu bertahan hidupnya bisa lebih pendek
Ada kemungkinan sarana lain seperti diplomasi berkembang cukup cepat untuk mencegah pemusnahan populasi akibat perang dunia. Saya juga penasaran bagaimana gravitasi yang lebih besar akan memengaruhi kapal berbasis perpindahan air seperti kano atau kapal modern. Karena kuncinya adalah densitas, bukan berat, saya rasa dampaknya hampir tidak ada, tetapi peningkatan densitas material bangunan awal dan kargo bisa menjadi variabel. Menurut saya, densitas atmosfer lebih bergantung pada medan magnet daripada gravitasi
Hipotesis ini memandang bahwa planet dengan massa dan gravitasi lebih besar daripada Bumi bisa lebih menguntungkan bagi kehidupan. Mungkin saja kehidupan jauh lebih banyak di planet yang hampir mustahil menjangkau antariksa dengan roket kimia konvensional. Kita hidup di atas batuan yang relatif tandus, tetapi sebagai gantinya mendapat kompromi berupa kemampuan mencapai orbit
https://en.wikipedia.org/wiki/Superhabitable_planet
Tidak menjadi spesies multi-planet saat ini tampak seperti masalah eksistensial paling kecil bagi kita di Bumi, dan akan tetap begitu untuk sementara. Pada saat yang sama, bagi peradaban yang sedikit lebih maju daripada kita, efisiensi roket kimia menjadi sepenuhnya tidak relevan
Otak kita hanya memakai energi sebanyak yang dibutuhkan untuk bertahan hidup, dan selebihnya akan terbuang. Namun jika mereka harus berpikir lebih cepat, mereka mungkin berevolusi sesuai kebutuhan itu. Jadi pada akhirnya mereka mungkin menemukan caranya
Gunakan nuklir alih-alih kimia, dan gunakan udara di atmosfer sebagai massa reaksi. Di Bumi, cara itu tidak dilakukan meski teknologinya ada karena masalah yang diciptakannya lebih besar daripada masalah yang dipecahkannya, tetapi di planet dengan gravitasi lebih tinggi itu bisa menjadi pilihan. Lebih sulit, tetapi bukan mustahil
Menarik bahwa waktu ketika teknologi nuklir mencapai tingkat yang memungkinkan roket yang jauh lebih kuat hampir berimpit dengan waktu ketika roket kimia cukup matang untuk mencapai orbit. Jadi tak lama setelah lolos dari Bumi, kita mungkin juga sudah bisa lolos dari planet 10g
Saya penasaran apakah ada variasi Persamaan Drake yang memasukkan faktor “planet yang cukup kecil untuk memungkinkan pelarian”
Cukup muram kalau membayangkan bahwa kehidupan cerdas yang bisa pergi ke luar angkasa mungkin langka sampai hampir tidak ada. Sebaliknya, di sudut kecil alam semesta bisa saja beberapa peradaban antariksa hidup bersamaan dalam jarak beberapa tahun cahaya. Dari sudut pandang opera luar angkasa itu keren, tetapi rasanya pada akhirnya bisa berakhir dengan fasis antariksa memperbudak semua orang
Untuk variabel Bumi, roket adalah yang paling praktis, jadi para insinyur hanya mengoptimalkannya ke sana
Di luar angkasa, perbudakan bahkan lebih tidak berguna. Alasan utamanya karena manusia itu sendiri menjadi makin tidak berguna. Hampir semua eksplorasi antariksa yang berguna sudah dilakukan oleh robot, dan mengirim manusia lebih banyak bersifat kebanggaan. Biaya menjaga budak antariksa tetap hidup lebih besar daripada pekerjaan apa pun yang bisa mereka lakukan. Tentu saja alien mungkin memiliki biologi yang jauh lebih cocok untuk bertahan hidup di luar angkasa
Setiap kali menambahkan satu faktor, kita justru makin mengeraskan asumsi baru ke dalamnya
Saya penasaran, di tempat seperti planet gas dengan atmosfer hidrogen yang menyelimuti inti batuan, bisakah wahana antariksa terbang dengan mengisap hidrogen sampai mencapai tepi ruang angkasa, lalu menyalakan tahap berikutnya untuk keluar dari sumur gravitasi?
Atau, kalau atmosfer nitrogen atau CO2 cukup tebal, bisakah kita terbang atau mengapung secara aerodinamis sampai titik yang gravitasinya terasa jauh lebih rendah daripada di permukaan?
Masuk orbit terutama berarti mencapai kecepatan yang cukup tinggi sehingga lintasan jatuhnya tidak bertemu permukaan
Namun, memperoleh ketinggian dan kecepatan dengan pesawat lalu meluncurkan roket yang jauh lebih kecil sangat mungkin dilakukan. Manfaat utamanya di sini adalah kecepatan, dan alasan roket menghabiskan sebagian besar bahan bakarnya juga karena kecepatan. SpaceShipTwo milik Virgin Galactic memakai konfigurasi ini, dan LauncherOne milik Virgin Orbit juga merupakan roket kecil yang diluncurkan dari Boeing 747 yang dimodifikasi. Di Bumi, keuntungannya hampir tidak sebanding dengan kompleksitas tambahan, tetapi di planet dengan gravitasi lebih kuat dan akses penerbangan bertenaga yang serupa, ini bisa menjadi metode yang lebih disukai
Salah satu faktor penting mungkin adalah kecepatan suara. Bagi pesawat, penerbangan subsonik jauh lebih mudah daripada penerbangan supersonik. Dalam atmosfer seperti hidrogen yang kecepatan suaranya jauh lebih tinggi, pesawat bisa mencapai kecepatan jauh lebih tinggi, sehingga jauh lebih menguntungkan sebagai platform peluncuran roket. Tentu saja ini mengandaikan masalah memasok tenaga untuk pesawat seperti itu sudah terpecahkan
Namun saya tidak tahu seberapa berbeda mencairkan H2 dibandingkan mencairkan O2
https://en.wikipedia.org/wiki/SABRE_(rocket_engine)
Planet gas sangat besar, sehingga gravitasi “permukaan” pada ketinggian tempat platform seperti itu mengapung tidak setinggi yang dibayangkan. Di Uranus dan Neptune, sebenarnya lebih rendah dari 1G. Namun jika melampaui ukuran Jupiter, radiusnya tidak banyak bertambah sementara massanya terus bertambah, jadi bahkan di platform terapung pun harus menghadapi beberapa G
Balon berisi vakum bisa saja dipakai, tetapi untuk mengangkat benda seukuran roket orbit di atmosfer hidrogen, dibutuhkan ruang vakum sebesar kota atau bahkan negara bagian kecil. Kemungkinan besar membangun menara justru lebih mudah
Hampir tidak disebutkan dalam jawaban dan juga merupakan pikiran pertama saya, tetapi setidaknya secara teori roket termal nuklir juga layak dipertimbangkan
https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_thermal_rocket
Di orbit, delta-v tetap delta-v sehingga ada peningkatan, tetapi roket 10 kg mengalami sekitar 100 N akibat gravitasi. Jika daya dorong mesin tidak bisa melebihi 100 N, roket akan tetap berada di landasan peluncuran. Begitu kecepatannya bertambah, masalah itu berkurang, tetapi saat meluncur dari benda yang bukan massa titik, sebagian daya dorong harus digunakan agar tidak menabrak planet, kalau tidak hari ini tidak akan bisa ke luar angkasa
Desain NTR yang realistis memakai inti padat, dan setelah upaya panjang berhasil mencapai rasio dorong-terhadap-berat 7:1. Artinya, secara prinsip ia bisa membawa hingga 6 kali beratnya sendiri dan berakselerasi ke atas dalam gravitasi Bumi. Roket kimia bisa mencapai 70:1. Tidak ada yang pernah berencana memakai NTR sebagai platform peluncuran; sebagai gantinya, ia bisa dipakai sebagai mesin tahap atas yang lebih efisien atau untuk pembakaran transfer antar-orbit. Secara teori ada keluarga mesin NTR dengan performa jauh lebih baik, tetapi belum ada prototipe yang berfungsi. Anda juga mungkin tidak ingin meluncur dengan roket siklus terbuka, karena “terbuka” berarti bahan bakar radioaktif disemburkan ke belakang. Dengan teknologi saat ini, diperlukan kompromi antara efisiensi dan daya dorong, dan untuk tahap peluncuran roket kimia masih tak tertandingi untuk sementara waktu
Tentu lain cerita jika propulsi nuklirnya termasuk jenis yang lebih “menarik”. Ada juga pendukung Project Orion
https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_salt-water_rocket
Ini roket nuklir sungguhan. Seperti roket kimia adalah ledakan terkendali, NSWR adalah ledakan nuklir terkendali yang, boleh dibilang, bikin batuk
Ia menggunakan massa reaksi secara efisien, tetapi tidak efisien dalam rasio daya terhadap berat
Menurut artikel itu, pada 1947 reaktor lengkap dianggap terlalu berat sehingga mesin termal nuklir inti padat tidak bisa mencapai rasio dorong-terhadap-berat 1:1 yang diperlukan untuk mengalahkan gravitasi dalam peluncuran dari Bumi. Selama 25 tahun berikutnya, desain roket termal nuklir AS mencapai rasio dorong-terhadap-berat sekitar 7:1, tetapi tetap jauh lebih rendah daripada roket kimia yang berada di kisaran 70:1
Dalam Project Hail Mary ada planet alien dengan massa 8,45 kali massa Bumi, dan penghuninya berhasil mencapai penerbangan antariksa
https://www.reddit.com/r/ProjectHailMary/comments/s5n7j4/eri...
Saya jadi penasaran karena artikel tentang planet 1,55R⊕, dan diskusi ini menarik
Pada saat roket orbit pertama muncul, energi nuklir sudah ditemukan
Jika roket kimia tidak bisa mencapai orbit, roket nuklir mungkin akan segera menyusul. Jika roket kimia tidak bisa meluncurkan ICBM, teknologi roket nuklir mungkin tidak akan ditinggalkan dan terus dikembangkan, sehingga manusia mungkin sudah sampai ke planet lain
Pemikiran yang menarik, tetapi ada satu faktor sangat praktis yang terlewat dan sulit dihitung. Yaitu gelombang kejut
Ini masalah yang dikenal secara praktis di Bumi, dan batas massa peluncuran roket Bumi di permukaan laut kira-kira sekitar 10 ribu ton
Gelombang kejut yang dibuat oleh gas buang mesin supersonik secara harfiah memberikan tekanan kuat pada struktur. Pada skala yang disebutkan, tidak ada struktur yang akan mampu bertahan cukup lama. Apakah kita bisa membuat material yang jauh lebih kuat, untuk saat ini belum diketahui dan sulit diprediksi
Permukaan laut penting karena dari roket antariksa yang terpikir sekarang, hanya ada dua contoh yang berangkat dari lokasi yang jauh berbeda. Peluncuran udara dari ketinggian tinggi memiliki karakteristik atmosfer yang sangat berbeda sehingga bisa menjadi solusi untuk masalah gelombang kejut, tetapi juga memiliki batasan lain
https://en.wikipedia.org/wiki/Northrop_Grumman_Pegasus
https://en.wikipedia.org/wiki/LauncherOne