Mengapa pesawat udara tidak pernah bisa mencapai ruang angkasa.

Pesawat jet komersil mampu terbang di ketinggian 3km dari permukan Bumi, tapi tidak pernah keluar dari atmosfer.

Hanya dengan bantuan roket atau mesin pendorong roket untuk sebuah pesawat dapat mencapai tepian antariksa.

Jaman dahulu, pesawat mengunakan arus udara dan mengangkat sayap pesawat. Daya dorong ke arah belakang mendorong pesawat melaju. Tapi daya angkat mengunakan sayap dimana arus udara mendorong dan mengangkat naik sayap ke udara.

OPesawat dapat terbang karena daya dorong dan sayap mengangkat 
beban

Pesawat jet komersil ketika mencapai ketinggian 11.000 - 15.000 meter atau sekitar 33000 -45000 kaki dari permukaan laut.

Di ketinggian tersebut maka udara semakin tipis, khususnya oksigen untuk campuran bahan bakar. Mesin pesawat harus mengunakan mesin jet. Dengan campuran udara yang tipis dan bahan bakar, kompresi mesin pesawat mampu menghasilkan daya dorong, tapi hanya mencapai Troposfer di ketinggian 7-20km dari permukaan laut.

Pesawat Jet akan terbang pada ketinggian yang disebut Sweet Spot yaitu pada 35.000 feet atau 11km dari permukaan laut.

Mengapa pesawat harus terbang begitu tinggi.

Beberapa alasan pesawat mencapai disarankan berada di ketinggian 11km diatas permukaan laut.
Udara yang tipis pada ketinggian 10km dapat mengurangi hambatan.


Ketika pesawat berada diatas, dapat meningkatkan efisiensi bahan bakar dan mengurangi biaya operasi pesawat.
Di ketinggian tersebut masih cukup udara untuk memasok mesin pesawat.
Bobot pesawat semakin ringan ketika berada di ketinggian.
Kondisi atmofer paling stabil, terhindari dari turbulensi, menghindari badai yang berada di bawah pesawat, pesawat berbadan kecil berada di ketinggian lebih rendah pesawat jet, serta gangguan seperti burung dan lainnya.
Pesawat Concoder bahkan dapat terbang di ketinggian 60.000 kaki atau 20km.



OPesawat dapat terbang karena daya dorong dan sayap mengangkat 
beban

Masalah di ketinggian 7000meter dari permukaan lain.
Mulai dari ketinggian 7 km disebut zona kematian, oksigen tidak mendukung manusia bernapas lama tanpa bantuan oksigen. Seperti pendaki gunung Everest wajib membawa tabung oksigen ketika mencapai ketinggian 8000 meter. Umum bagi pesawat tanpa kabin tekanan kabin seperti helikopter atau pesawat barang militer akan berada di ketinggian 3-4km, kecuali semua penumpang dibantu dengan oksigen.
Pesawat baling umumnya terbang dibawah pesawat jet, dengan ketinggian sekitar 3-4km. Karena tidak memiliki kabin bertekanan untuk melindungi awak pesawat..

Karena di ketinggian tersebut kandungan oksigen menjadi sangat rendah sekitar 30% dibanding di permukaan laut. Artinya satu kali bernapas di pinggir laut, memerlukan 3x bernapas di ketinggian 8000 meter. Bila seseorang bertahan diketinggian tersebut tanpa tabung oksigen, akan mengalami Hypoxia.

Hypoxia / Hipoksia  adalah gejala tubuh kekurangan oksigen, jantung akan memompa darah lebih banyak untuk meningkatkan oksigen bagi metabolisme tubuh. Menyebabkan tubuh mengalami kekurangan oksigen yang seharusnya diberikan ke seluruh  jaringan tubuh, tubuh akan membiru dan resiko paling fatal meninggal.

Ketinggian 45 ribu kaki atau 15km, kandungan oksigen tersisa 18%. Tetapi bila sebuah pesawat mengalami kehilangan tekanan kabin (dekompresi). Penumpang harus mengunakan alat bantu oksigen, setidaknya dalam waktu 5-10 detik di setiap tempat duduk akan dilepas masker oksigen bagi semua penumpang.
Ketika pesawat yang mengalami dekompresi, pilot secepatnya menurunkan pesawatw dari ketinggian, dan mendekati permukaan laut. Setidaknya pilot dapat membawa pesawat lebih aman bila berada di ketinggian dan turun ke area lebih rendah.

Helikopter mengapa terbang lebih rendah dari pesawat jet komersil.
Sama seperti pesawat baling, helikopter mengunakan baling untuk mengangkat badannya. Tetapi semakin tinggi helikopter terbang maka kekuatan daya angkat baling semakin berkurang. Dibutuhkan mesin sangat kuat untuk memutar baling lebih cepat, untuk mengangkat badan helikopter lebih tinggi.

Tetapi ada batas maksimum dimana helikopter tidak dapat terbang lebih tinggi dan tidak mencapai ketinggian pesawat komersil. Helikopter memiliki ketinggian sampai 3000 meter tanpa kehilangan tekanan udara di dalam kabin.

Kecuali helikopter dengan tekanan kabin dapat terbang sampai ketinggian 4000 meter. Dengan membawa tabung oksigen di helikopter tentu saja lebih rumit.
Tanpa tekanan oksigen, mengakibatkan penumpang mengalami sakit ketinggian mendadak.

Hal ini menjadi alasan, mengapa helikopter yang menolong para pendaki di gunung Everest hanya terbang sampai di basecamp atau sekitar 5000 meter. Dan melakukan evakuasi dari ketinggian lebih rendah, dibanding mengambil korban di ketinggian seperti di puncak gunung dari 7000-8000 meter. Karena semakin tinggi terbang, helikopter memerlukan bahan bakar lebih banyak. Resiko helikopter jatuh akibat perubahan cuaca, perubahan arus angin dan faktor lain membuat resiko pagi helikopter.



Untuk lepas dari gravitasi bumi.
Sebuah pesawat ruang angkasa harus meluncur dengan kecepatan 40.270km perjam tegak lurus.

Dengan cepat akan mencapai ketinggian 100.000 meter atau wilayah ruang angkasa. Dengan kecepatan tersebut, sebuah pesawat dapat lepas dari gravitasi bumi. Ketinggian ini 3x lebih tinggi dari kemampuan pesawat jet mata mata SR-71

Pesawat mata-mata SR-71 Blackbird  Mampu terbang di ketinggian 25.000 meter. Di ketinggian ini kandungan oksigen tersisa 2%. Pesawat mampu terbang dengan kecepatan 3,0 mach, dan rekor kecepatan mencapai 3,5 mach di tahun 1986. Sebelum berangkat, pilot mengunakan baju bertekanan untuk suplai oksigen, sekaligus berjaga-jaga bila tekanan kabin terjadi masalah.

Pesawat SR-71 adalah salah satu pesawat yang mampu terbang melewati batas 25km, dimana pesawat jet militer tidak mampu mengejar sampai ketinggian tersebut. Tapi pesawat SR-71 tetap tidak dapat melewati batas ruang angkasa.

Mesin pesawat SR 71

Kecepatan 3,5 mach adalah batas kecepatan pesawat dengan mesin jet. Lebih dari itu, tekanan udara dan suhu mesin jet menjadi sangat panas dan mesin tidak efektif bekerja.

Kecepatan dari 4 mach
Untuk kecepatan supersonic, yang pernah di coba adalah mesin Scramjet X-43 milik Nasa
Kemampuan terbang 9,6 mach  (11.000km perjam) di uji coba pada tahun 2004 untuk pesawat tanpa awak.

Pesawat percobaan dengan berat 1300kg, hanya dilakukan selama 10 detik dan melayang selama 10 menit lalu dijatuhkan ke laut. Model terakhir X-43D mampu mencapai kecepatan 15 mach di tahun 2007.

Mesin pesawat diatas 4 mach mengunakan disain mesin berbeda yang disebut Scramjet.
Scramjet - Supersonic Combustion Ramjet, varian dari sistem Ramjet udara. Mengalirkan udara masuk dan dipanaskan untuk menghasilkan daya dorong.
Mesin Scramjet Nasa mencapai 10 mach

Dibawah ini perbedaan disain mesin Jet dengan Scramjet.
Mesin jet biasa mengunakan baling baling dibagian depan, dan memutar tekanan udara terkompresi masuk ke dalam mesin. Pembakaran di dalam mesin diberikan pengapian dari bahan bakar, dan kembali di dorong dengan turbin untuk menghasilkan daya dorong.

Mesin Scramjet mengunakan tekanan udara dari luar kedalam, dan di kompressi ke dalam mesin. Di dalam tabung mesin dipanaskan dengan pembakaran hidrogen. Menghasilkan daya dorong lebih kuat ke arah.pembuangan. Walau kecepatan pengujian sudah mencapai diatas 10 mach, mesin dapat dirancang mencapai kecepatan 20 mach.

Masalahnya mesin ini tidak memiliki sistem pendorong turbin sebelum mencapai kecepatan 5 mach.
Dan mesin Scramjet baru efektif bekerja setelah mencapai kecepatan 5 mach.
Dibutuhkan bantuan daya dorong roket, untuk mencapai tingkat kompresi 5 mach sebelum mesin Scramjet dapat bekerja.

Pesawat dengan mesin Scramjet harus dibawah ke udara terlebih dahulu, dan fase penerbangan diawali oleh daya dorong roket. Setelah itu mesin Scramjet dapat bekerja.
Perbedaan mesin jet dan Scramjet

Pesawat X-15 berawak dengan kecepatan 4 mach
Mundu ke era 60 an. Pesawat jet prototipe, dirancang khusus seperti X-15 mampu mencapai ketinggian 107km dari permukaan laut di tahun 1963. Tetapi pesawawt dan pilot Joseph A.Walker harus dibawa dengan sebuahpesawat ke batas 15km dari permukaan laut.

Sampai di ketinggian yang ditentukan, barulah pesawat dilepas, dan mesin roket cair sebagai pendorong bekerja dan membawa pesawat sampai batas antariksa.



Tetapi percobaan 15 November 1967 percobaan pesawat tipe ini memakan korban, Pilot penguji Michael J.Adam meninggal. Setelah mencapai kecepatan hipersonik dan pesawat tidak terkendali, berputar dan jatuh. Pesawat X15 sempat diuji sampai beberapa kali tapi proyek tersebut dibatalkan.
Pesawat model lain NB-52A pensiun 1969, dan NB-52B pensiun tahun 2014.

Pesawat X-15 dengan kecepatan supersonic berawak

Pesawat ruang angkasa untuk meninggalkan gravitasi bumi
Sebelum melihat lebih jauh dengan pesawat ruang angkasa dan pesawat ulang alik.
Sebuah pesawat ruang angkasa, baik pesawat tanpa awak, seperti mengirim robot ke planet Mars, pesawat New Horizons untuk menjelajah tata surya.

Berapapun beratnya, perlu di dorong dengan roket ukuran besar. Semua peralatan pesawat ruang angkasa dimasukan dalam modul. Atau pesawat ulang alik membutuhkan daya dorong roket. Setidaknya harus melaju dengan kecepatan 40 ribu km perjam untuk lepas dari gravitasi Bumi sampai masuk ke orbit.

Waktunya tidak lama, karena jarak yang ditempuh sampai di ketinggian 100km dari permukaan bumi. Seperti pesawat ulang alik, roket padat akan mendorong sampai ketinggian 45km dari permukaan bumi.  Membantu pesawat melaju dengan kecepatan 6000km perjam dalam waktu 2 menit atau sekitar 150 detik pesawat sudah keluar dari atmofer bumi.

Kecepatan terus bertambah setelah melepas tabung roket padat. Dan roket cair terus mendorong untuk menambah kecepatan setelah ketinggian 45km.
Dan kecepatan pesawat terus semakin cepat sampai 27.000km perjam sampai 6 menit.

Roket modul Soyuz yang mencapai stasiun ruang angkasa. Hanya membutuhkan waktu 4 menit 58 detik sampai lepas dari bagian roket utama.

Pesawat ruang angkasa tanpa awak berbeda. Setelah lepas dari roket utama maka kendali mengunakan roket kecil yang dikendalikan sistem computer. Dan daya dorong pesawat tidak lagi mengandalkan roket karena pesawat ruang angkasa melakukan perjalanan dalam bulan bakan puluhan tahun. Lebih mengunakan gaya ketapel seperti mengambil gaya tarik gravitasi bumi dan planet lain untuk mencapai arah atau tujuan.

Pesawat mesin roket atau space shuttle (pesawat ulang alik)
Seperti pesawat ulang alik Amerika Discovery dan Soviet Buran. Atau pesawat SpaceShip One dan Boeing X-37 tanpa awak mengunakan pendorong mesin roket. Disini teknologi berhasil membuat pesawat dengan mesin roket untuk mencapai ruang angkasa.

Pesawat berawak dan tanpa awak dengan mesin roket

Mesin roket mengunakan daya dorong dengan bahan bakar oksigen dan bahan bakar cair. Masalah dengan mesin roket adalah berat, walau mampu menghasilkan daya dorong yang kuat.

Seperti pesawat ulang alik dengan roket booster untuk membawa seluruh beban 1900-2000 ton. Dari 2 mesin roket booster dengan bahan bakar padat masing masing 756 ton, tangki  bahan bakar utama / Space Shuttle External Tank (ET) 751 ton, cargo bawaan pesawat dan pesawat ulang alik sendiri 27 ton.

Sedangkan beban yang dibawah oleh pesawat ulang alik hanya 27,5 ton atau 1,3% dari total seluruh bobot roket dan pesawat. ESA

Teknologi ini tidak ekonomis, walau sempat bertahan beberapa puluh tahun. Pesawat ulang alik Amerika untuk program ruang angkasa menjadi pesawat paling boros. Karena membawa sebuah tabung raksasa ke ruang angkasa di bagian bawah pesawat ulang alik.

Cara kerja pesawat ulang alik mengunakan tabung besar sebagai suplai bahan bakar. Sampai separuh perjalanan dimana bobot semakin ringan, roket boster yang berada di samping kiri kanan dilepas di ketinggian 45km. Setelah mencapai batas ruang angkasa, tangki bahan bakar terbesar  yang awalnya memberikan suplai bahan bakar di bagian belakang pesawat ulang alik juga dilepas. Dan tinggal pesawat ulang alik yang berada di ruang angkasa.

Mesin roket memiliki bobot sangat berat dengan membawa oksigen 
cair dan bahan bakar


Pesawat ulang aling atau space shuttle sempat di kirim untuk perawatan teleskop Hubble. Dari tahun 1993, ketika masalah cermin utama Hubble. Misi SM2 pada tahun 1997 dengan penambahan instrumen infra merah, dan tahun 1999 untuk perbaikan sistem gyro.

Disusul abad ke 21, pada tahun 2002 untuk pengantian solar panel dan teknologi Advanced Camera Survey, terakhir tahnu 2009 menambah instrumen Cosmic Origin spectograph dan wide Field Camera 3 (WFC3). Salah satu misi paling lama yang menghabiskan waktu 12 hari dan 5 spacewalk. Perbaikan di lakukan di ketinggian 569 km

Pesawat kecepatan 27 mach mengunakan mesin Skylon
Ilmuwan masih merancang mesin pesawat yang dapat take off dan mendarat langsung di landasan. Salah satunya mesin Skylon.

Disain mesin ini disebut Sabre - Synergetic Air Breathing Rocket Engine. Seperti mesin hibrida roket, mesin rancangan dari Inggris. Masih tahap rancangan, diperkirakan dapat terbang di tahun 2025.

Pesawat membawa bahan bakar hidrogen dengan campuran oksigen Take off di landasan, sampai kecepatan 5,4 mach di ketinggian 26km. Dan mencapai kecepatan 27 mach dengan mesin roket
Setelah melewati ketinggian 26km dari permukaan laut, mesin mengaktifkan campuran oksigen cair atau LOX, maka pesawat dapat terbang sampai ke orbit rendah.

Pesawat dapat dirancang tanpa pilot atau dengan pilot. Untuk membawa barang seperti satelit dengan berat maksimum 15 ton, atau membawa beban 2,8 ton untuk ketinggian 600km. Atau membawa penumpang sampai 24 astronot.
Pesawat dapat kembali ke bumi, tapi tidak masalah dengan gesekan atmofer ketika turun. Rancangannya seperti pesawat ulang alik atau Space Shuttle. dibagian perut pesawat dilapisi keramik untuk penahan panas. Sistem mesin pesawat Skylon dapat melakukan pemeriksaan selama 2 hari, mengisi bahan bakar dan barang lalu kembali terbang.

Bahan bakar mesin Skylon lebih hemat dibanding mesin roket konvensional. Hanya membutukan 20% bahan bakar.

Mesin Skylon untuk pesawat ruang angkasa hyrid roket dan jet

Masih ada lagi pengembangan roket ruang angkasa sebelum Skylon.
Space X Falcon 9 dalam tahap percobaan, dengan roket yang dapat mendarat kembali ke Bumi dan kembali digunakan. Bahkan rencananya dapat mengirim manusia ke planet Mars.
Dragon spacecraft dirancang untuk membawa manusia ke ruang angkasa

space X roket ulang alik

Dibawah ini beberapa model generasi roket ruang angkasa dan beban angkat (arsip SpaceX)

Model roket ruang angkasa

Pesawat ulang aling
  • Mencapai kecepatan 28.000km perjam untuk mencapai orbi.
  • Tapi peluncuran mengarah ke 57 derajat. Dan terbang di ketinggian 300-500km di atas permukaan laut.
Roket Saturn V yang membawa manusia ke bulan.
  • Ketika roket tahap 1 aktif, memiliki kecepatan 2,76 km perdetik, atau setara 9.920km perjam Kecepatan ini sudah cukup melepaskan roket dari gravitasi bumi.
  • Mesin roket tahap 2 diaktifkan setelah 6 menit, dan roket sudah berada di ketinggian 176km. Tapi meluncur semakin cepat dengan kecepatan 7 km perdetik atu 25.182km perjam
  • Mesin roket tahap 3 diaktifkan setelah 2,5 menit mesin roket kedua dilepas. Membawa modul Apollo di ketinggian 191km dengan kecepatan 7,79 km perdetik atau 28.000km perjam
  • Setelah beberapa kali mengitari orbit bumi, kecepatan meningkat menjadi 10,42km perdetik dan mesin roket dimatikan. Kecepatan modul Apollo tidak akan membawa roket ke bulan, tapi gravitgasi bumi yang melempar modul untuk sampai di bulan.
Pada akhirnya menjawab mengapa pesawat ruang angkasa dengan disain mesin roket saja yang mampu mencapai ruang angkasa. Untuk lepas dari gravitasi bumi, sebuah pesawat harus terbang sangat cepat. Mesin jet konvensional tidak mampu memberikan daya dorong tersebut. Mesin jet membutuhkan oksigen untuk campuran bahan bakar. Sehingga tidak memungkinkan mesin jet bekerja ketika tidak ada udara.