Flight Performance

Flight PerformanceIntroductionRoket berfungsi memberikan gaya kepada pesawat Menghasilkan akselerasi (atau delerasi)Mengatasi gaya dragMengubah arah penerbanganDigunakan padaPenerbangan dalam atmosfirDaerah sekitar ruang angkasa (satelit)Penerbangan ke bulan dan planetSun escapeGravity free, drag free space flightAnalisa penerbangan roket di lingkungan ruang angkasa, tidak ada udara (no drag), tidak ada gaya tarik gravitasiArah penerbangan sama dengan arah gaya dorong, One dimensionalStraight line acceleration pathGaya dorong

Gravity free, drag free space flightJika laju propelan konstan

Massa awal saat terbangMassa propelan yang berfungsi mpMassa akhir pesawat mfNozzle

Gravity free, drag free space flightTangkiCasesPropelan sisa yang tidak terbakarGuidance controlAlat elektronikMuatan

Gravity free, drag free space flightKecepatan maksimum pesawat saat propelan habis

Dapat digunakan untuk membandingkan antar sistem propulsiFraksi massa propelan memiliki pengaruh logaritmik terhadap kecepatan pesawatPerubahan dari 0.8 menjadi 0.9, kecepatan naik 43%

Gravity free, drag free space flightFraksi massa 0.8 berarti hanya 20% total massa pesawat yang dapat digunakan untuk struktur, kulit, perangkat propulsi, radio, sistem guidance, etc80% digunakan untuk propelanFraksi massa 0.85 memerlukan desain yang hati-hatiFraksi massa 0.95 adalah capaian tertinggi roket single stage dengan material yang ada saat iniFraksi massa 0.9 maka MR=0.1Gravity free, drag free space flight

Gaya pada pesawat di atmosfirGaya luar yang bekerja pada pesawatGaya dorongGaya aerodinamikGaya gravitasiAnginGaya dorong (thrust)Gaya yang dihasilkan oleh pembangkit dayaPropeler, roket

Daya pada pesawat di atmosfirDrag (D)Gaya aerodinamik pada arah berlawanan terhadap arah penerbangan akibat gesekan pada badan pesawat dalam fluidaLift (L)Gaya aerodinamik pada arah normal (tegak lurus) terhadap arah penerbanganPada kasus space launch vehicles dan misil balistikKehilangan 5-10% dari kecepatan maksimum akibat drag

Daya pada pesawat di atmosfirGaya gravitasiGaya tarik terhadap pesawat akibat dari planet, bintang, bulan dan matahari

Efek sistem propulsi thd prestasi pesawatEffective exhaust velocity c atau specific impuls IBerpengaruh langsung pada performanceKecepatan akhir pesawat u dapat meningkatDengan menggunakan propelan yang lebih tinggi energinyaTekanan chamber lebih tinggiStage akhir bekerja pada ketinggian yang sudah tinggiMenggunakan nozzle dengan rasio luas yang makin besarRasio massa m0/mfPengaruhnya logaritmikMengurangi massa akhirMenaikkan massa awalPropelan makin banyakEfek sistem propulsi thd prestasi pesawatMenggunakan lebih dari satu stageMengurangi burning timeMengurangi kerugian gravitasiAkselerasi lebih tinggiMembutuhkan struktur yang lebih kuatMengurangi dragMembuat bentuk pesawat yang langsingLuas penampang yang kecilRoket cenderung menjadi panjangPermukaan luar yang halus

Efek sistem propulsi thd prestasi pesawatUkuran nosel memiliki pengaruh terhadap panjang total pesawatSemakin pendek nosel, maka struktur semakin ringan dan memiliki rasio massa yang makin baikKecepatan akhir maximum yang dicapai saat sistem propulsi berhenti bekerja, dapat ditingkatkan dengan menaikan kecepatan awal u0Meluncurkan roket/satelit ke arah timurMendapatkan kecepatan awal dari putaran bumiKecepatan tangensial bumi 464 m/s

Efek sistem propulsi thd prestasi pesawatMeluncurkan roket dari pesawat terbang/satelitDaya jangkau penerbangan di atmosfir dapat ditingkatkan dengan memanfaatkan gaya lift untuk melawan gaya gravitasiMenggunakan sayapMenaikan sudut serang (angle of attack)Jika pesawat terbang dengan kecepatan (u) yang hampir sama dengan kecepatan efektif gas buang (c) Memiliki efisiensi propulsi tertinggiPenerbangan ruang angkasaGaya gravitasi antara dua benda

G=6.670x10-11m3/kg sec-3Roket dapat digunakan untukKeluar dari bumi ke bulanMenuju planet lainKeluar dari tata suryaMembuat stasiun yang diam atau bergerak di angkasa

Penerbangan ruang angkasaKecepatan yang dibutuhkan untuk ke luar angkasaHarus bisa melawan gaya tarik bumi

Jari-jari bumi adalah 6374.2 km dan percepatan gravitasi bumi 9.806 m/sec^2

Penerbangan ruang angkasa

Penerbangan ruang angkasa

Penerbangan ruang angkasaPenerbangan ke luar angkasa tidak langsung menggunakan escape velocityGesekan dengan atmosfir menimbulkan panas dan tekananRoket meluncur di dalam orbit dengan kecepatan relatif rendah, setelah lewat dari atmosfir, diakselerasi secara cepatBukaan throttle bahan bakar space shuttle saat take off justru rendahPesawat roket bisa menjadi satelit, seperti layaknya bulan sebagai satelit bumiLintasan dapat berupa elips atau lingkaranPenerbangan ruang angkasaOrbit rendah adalah biasanya dibawah 500 kmCcok untuk stasiun relai komunikasiKetinggian satelit biasanya di atas atmosfirMenghindari kerugian gesek dengan atmosfirSatelit dengan lintasan lingkaranGaya sentrifugal yang dibutuhkan untuk melawan gaya tarik bumi

Penerbangan ruang angkasaKecepatan orbit satelit

ContohSatelit dengan ketinggian 482.8 kmKecepatan orbit 7375 m/sec1.63 jam untuk mengelilingi bumi

Penerbangan ruang angkasaOrbit elips

Penerbangan ruang angkasaEksentrisitas elips

Penerbangan ruang angkasaPenerbangan antara planet membutuhkan energi yang minimum jika lintasannya adalah elipsHohmann

Penerbangan ruang angkasaDeep spacePenerbangan ke bulan atau antar planet membutuhkan energi yang lebih besar dibandingkan penerbangan suatu satelitHarus melawan gaya tarik dari planet atau bulanPenerbangan keluar dari tata suryaMembutuhkan 5.03 108 J/kgDelapan kali lebih besar dari keluar dari orbit bumiTrajektori yang dibutuhkan adalah parabola atau hiperbola

Penerbangan ruang angkasa

Penerbangan ruang angkasaPerturbationGangguan yang menyebabkan perubahan arah trajektoriSatelit dapat menggunakan control thruster kecil untuk mengkoreksi arah dan posisiDibutuhkan selama hidup dari satelitBentuk gangguanGangguan jangka pendek (diurnal)Gangguan jangka panjang (secular)Dapat berasal dariGaya tarik matahari atau bumiUntuk satelit orbit tinggi (diatas 36000 km)

Penerbangan ruang angkasaGangguan dari ketidakbulatan bumiSatelit orbit menengah dan rendah (500-35000 km)

Penerbangan ruang angkasa

Penerbangan ruang angkasaSatelit modern memiliki bentuk yang tidak beraturanAkibat adanya antena, solar cell, etcMengalami gaya dan torsi yang mengganggu posisi dan arah orbitSumber gangguanAerodinamik dragUntuk satelit orbit rendahRadiasi matahariDominan pada satelit orbit tinggiAkibat tumbungan solar photonsGradien gravitasiTorsi yang muncul akibat tidak meratanya distribusi massaPenerbangan ruang angkasaMedan magnetMedan magnet bumi dan medan magnet dari benda angkasa lainInternal akselerasiAkibat gerakan solar panel, pemindahan propelan, pergerakan astronot atau benda lain dalam satelit, loading unloading

Penerbangan ruang angkasaKecepatan misi (mission velocity)Jumlah total increment velocity yang dibutuhkan untuk mencapai suatu misi

Penerbangan ruang angkasa

Penerbangan ruang angkasa

Penerbangan ruang angkasaKebutuhan incremental speed harus dapat disuplai oleh energi yang dikandung oleh propelan di dalam roketPenerbangan yang makin jauh membuat rasio massa muatan terhadap massa total menjadi makin kecilPenerbangan ruang angkasaManuver penerbanganManuver translasiVektor gaya dorong melalui pusat massa roketBisa pada Powered and unpowered (coasting)Manuver rotasi murniTidak ada gaya dorong pada roketHanya ada torsiMembutuhkan 4 thruster untuk berotasi thd satu sumbuDigunakan untuk sistem kontrol reaksiKombinasi translasi dan rotasiAkibat adanya misalignment gaya dorong thd pusat massaPenerbangan ruang angkasaFirst stage dan upper stagesMenambahkan momentun pada saat launch (meluncur) dan mendakiMembutuhkan roket dengan gaya dorong tinggi dan durasi pendek (.7-8 menit)Saat ini hanya bisa menggunakan roket kimiaMerupakan massa terbesar dari roketOrbit injection atau transfering from one to another Membutuhkan total impuls yang akuratMengunakan thruster kecilDapat menggunakan electric propulsionLintasan harus memutar (multi loop spiral)Penerbangan ruang angkasaVelocity vector adjustment and minor in-flight correction maneuverLow thrust, short duration, intermittentMultiple small liquid propellant thrusterReentry and landing maneuverPendaratan harus direncanakan dengan cermatKalau masuk ke atmosfir akan diperlambat oleh dragMembutuhkan thruster jika mendarat di bulan atau planet untuk mendapatkan soft landing

Penerbangan ruang angkasaRendezvous and dockingMelakukan gerakan untuk mendekati pesawat lain dan bergabungMembutuhkan gerakan translasi dan rotasiMenggunakan small reaction control thrustersChange of plane of the flight trajectoryDiberikan gaya dorong tegak lurus terhadap bidang trajektori lamaSimple rotational maneuverMemutar posisi pesawat untuk tujuan tertentuMengarahkan teleskop, instrument, panel suryaPenerbangan ruang angkasaDeorbiting and disposal of used or spent spacecraftMembuang pesawat yang sudah tidak digunakan lagiHanya membutuhkan gaya dorong kecil untuk mendorong kembali ke bumiEmergency or alternate mission

Flight vehiclesMultistage vehiclesMemungkinkan kecepatan pesawat yang tinggi, muatan lebih besar dan jarak jangkau misil balistik lebih jauhSetelah satu tahapan selesai, massa yang tidak digunakan lagi biasanya dijatuhkanMuatan dari roket multistage adalah proporsional terhadap massa awalTetapi fraksi massa tetap kecilRoket 6000 kg punya muatan 50 kgRoket 60000 kg punya muatan 500 kgFlight vehicles

Flight vehiclesRoket 3 stage akan memiliki muatan yang lebih besar dibandingkan roket 2 stageSecara teoritis muatan akan naik 8-10%Jika menjadi 4 stage maka muatan naik lagi 3-5%Karena kenaikan muatan yang relatif kecil jika menambah jumlah stage dan sistem makin rumitJumlah stage yang paling sedikit yang mampu mencapai misi adalah yang lebih dipilihLaunch vehiclesFirststage atau booster stage memiliki ukuran yang terbesarMembutuhkan thrust dan total impuls terbesarMakin tinggi stage makin rendah kebutuhan thrustPesawat peluncur besar memiliki 2 hingga 6 strap on solid propellant motor boostesBersama dengan stage pertama sebagai boosterBekerja bersama-samaKadang disebut half stage atau zero stage

Launch vehiclesSetiap stage dari pesawat peluncur dapat memiliki beberapa motor roketMasing-masing digunakan untuk keperluan khususManuverSpacecraftBagian dari pesawat peluncur yang membawa muatanHanya bagian ini yang terbang di ruang angkasaSistem kendali orbit, manuver, etc ada pada bagian ini

Launch vehiclesTrayek luncuran pesawat ruang angkasaDiluncurkan vertikal dan berbelok mengarah arah vektor kecepatan yang diinginkanPesawat mengalami free flight (unpowered)Satelit membutuhkan gaya dorong tambahan dari peluncur untuk menuju orbit yang akan dicapai

Misil militerMayoritas roket dibuat untuk keperluan militerRange sangat luasSimple: small, unguided, fin stabilized single stage rocket (air-surface, surface-surface missile)Complex: long range, multistage missileStrategic missileJangkauan 3000 km atau lebihMultistage, surface-surfaceAwalnya menggunaka liquid propellant, sekarang menggunakan solid propellantSolid propellant lebih baik digunakan untuk tactical missileSimple, mudah diluncurkanMisil militerJika jangkauan jauh, kecepatan rendahAir breathing missileSistem kontrol trayektoriUnguidedTergantung sudut tembak, kondisi cuaca, desain siripGuidedMenggunakan sistem penjejak sasaran

Misil militer

Misil militerLangkah untuk memperbaiki akurasi tembakanHigh initial thrustPenggunaan lower thrust untuk kmpensasi drag dan gravitasiUntuk roket supersonik, two stages is more effectiveUntuk manuver tinggi, menggunakan multi nozzleMembuat rasio L/D yang tinggi