Pesawat Luar Angkasa Radian One dan Tantangan Menuju 'Satu Tahap ke Orbit'

TAHUN 1990-an, NASA merancang pesawat ruang angkasa eksperimental, sebagai alternatif hemat biaya untuk roket yang mahal.

Pesawat yang dinamai X-33 itu didasarkan pada konsep yang disebut SSTO atau “satu tahap menuju orbit.” SSTO menghilangkan tahapan roket dalam penerbangan ruang angkasa konvensional, di mana roket yang berisi mesin dan bahan bakar dijatuhkan selama pendakian untuk mengurangi berat badan dan lebih memilih pesawat ruang angkasa tunggal yang dapat digunakan kembali.

X-33 dirancang untuk diluncurkan secara vertikal seperti roket, tetapi mendarat di landasan pacu seperti pesawat, dengan tujuan mengurangi biaya pengiriman satu pon muatan ke orbit dari US$10.000 menjadi hanya US$1.000.

Baca juga : Uji Coba Boeing Starliner Disetop Dramatis Empat Menit Sebelum Peluncuran

Namun, program ini dibatalkan tahun 2001 karena masalah teknis, menambah daftar proyek serupa yang gagal terwujud.

“Saya memimpin program X-33, dan kami memilih untuk tidak melanjutkannya karena penilaian kami adalah biayanya akan lebih mahal daripada yang kami harapkan, dan kami berada tepat di ujung kemampuan teknologi untuk benar-benar mewujudkannya,” kata Livingston Holder, seorang insinyur kedirgantaraan, mantan astronot USAF dan manajer program X-33, dan sekarang menjadi CTO Radian Aerospace.

“Banyak hal telah berubah secara dramatis sejak X-33  kami memiliki material komposit yang lebih ringan, lebih tangguh, dan dapat menempuh rentang termal yang lebih besar daripada yang kami miliki saat itu. Dan propulsi lebih baik daripada yang kami miliki, dalam hal seberapa efisien ia membakar propelan dan berapa berat sistemnya,” katanya.

Baca juga : AS akan Luncurkan Misi ke Bulan pada Hari Valentine

Produk dari teknologi terbaru ini adalah Radian One, sebuah pesawat ruang angkasa baru yang akan menggantikan peluncuran vertikal dengan sistem yang sangat tidak biasa, yaitu kereta luncur bertenaga roket.

Fase-fase yang boros

Untuk dapat lepas dari gravitasi Bumi dan mencapai orbit, sebuah roket harus mencapai kecepatan sekitar 17.500 mil per jam, menurut Jeffrey Hoffman, seorang profesor aeronautika dan astronautika di Massachusetts Institute of Technology dan mantan astronot NASA yang telah menerbangkan lima misi pesawat ulang-alik. 

“Masalahnya adalah ketika Anda naik, Anda tidak hanya harus mengangkat roket dan muatannya, Anda juga harus mengangkat semua bahan bakar yang Anda bawa,” katanya.

Baca juga : Misi Manusia Mencari Koloni Baru Diperluas hingga ke Jupiter

Sebuah roket yang mampu mencapai kecepatan tersebut harus mencurahkan 95% massanya untuk bahan bakar, kata Hoffman, dan hanya menyisakan sedikit ruang untuk yang lainnya. 

“Merupakan sebuah mimpi untuk bisa mencapai orbit dengan satu tahap,” tambahnya. 

“Tapi untuk melakukan itu, struktur roket, mesin, dan muatannya tidak boleh lebih dari sekitar 5% dari total massa seluruh sistem. Dan kita tidak tahu bagaimana membangun hal-hal seperti itu.”

Baca juga : Setelah 4 Tahun Menjelajah di Mars, NASA Hentikan Operasional Mesin Pendarat InSight

Itulah sebabnya semua roket yang pernah digunakan untuk mencapai orbit adalah roket bertingkat, meskipun roket saat ini seperti Falcon 9 milik SpaceX memiliki lebih sedikit tahap - dua tahap - daripada roket yang lebih tua seperti Saturn V milik misi bulan Apollo yang memiliki tiga tahap.

“Setelah Anda menggunakan semua propelan dari tahap pertama, alih-alih membawa struktur itu sampai ke orbit, Anda tinggal menjatuhkannya. Dan itu secara efektif memungkinkan Anda untuk membawa lebih banyak muatan untuk massa tertentu yang berada di landasan peluncuran,” jelas Hoffman.

Secara tradisional, tahap akhir dari roket akan jatuh kembali ke Bumi (biasanya di lautan), terbakar di atmosfer, atau berakhir di orbit sebagai sampah antariksa. 

SpaceX telah mengubah paradigma tersebut dengan merancang pendorong yang dapat digunakan kembali yang dapat mendarat kembali ke Bumi secara mandiri. Premis dari kendaraan luar angkasa satu tahap adalah untuk menghilangkan tahapan roket sepenuhnya, dengan janji untuk mengurangi biaya lebih jauh lagi.

Tidak mudah untuk mengatasi apa yang disebut Hoffman sebagai “tirani persamaan roket,” atau memecahkan masalah karena harus membawa berat bahan bakar ke luar angkasa. Solusi yang ditawarkan Radian adalah kereta luncur bertenaga roket yang berjalan di sepanjang rel sepanjang dua mil dan melaju hingga Mach 0,7 - 537 mph (864 kilometer per jam) - sebelum melepaskan pesawat ruang angkasa, yang kemudian terbang ke orbit dengan kekuatan mesinnya sendiri.

“Ada berbagai upaya untuk mengembangkan kendaraan satu tahap untuk mengorbit,” kata Hoffman. 

“NASA dan Angkatan Udara pernah mencobanya pada akhir 1980-an dan 1990-an. Mereka mencoba mengatasi masalah ini dengan menggunakan apa yang mereka sebut sebagai mesin scramjet, yang akan membawa pesawat menembus atmosfer dan membakar oksigen dari sana daripada harus membawanya. Ini adalah ide yang bagus tetapi secara teknis sangat sulit untuk membuat mesin semacam itu.”

“Apa yang dilakukan Radian dengan kereta luncur roket mereka adalah semacam setara dengan scramjet,” jelas Hoffman. “Dengan kata lain, untuk mencoba mendapatkan akselerasi awal tanpa membakar propelan roket Anda. Dengan begitu, Anda bisa mengatasi beberapa keterbatasan persamaan roket.”

Truk penjemputan ruang angkasa

Radian yakin bahwa mereka dapat mengatasi rintangan menuju SSTO yang sukses berkat tiga teknologi utama.

Pertama adalah sistem peluncuran kereta luncur, yang menggunakan bahan bakarnya tidak hanya untuk menyalakan tiga mesinnya sendiri. Selain itu mesin-mesin yang ada di pesawat ruang angkasa itu sendiri, sehingga pesawat ruang angkasa itu memiliki tangki yang penuh sebelum lepas landas. 

Kedua adalah roda pendaratan, yang dirancang hanya untuk pendaratan dan bukan untuk lepas landas, yang membuatnya jauh lebih ringan. Dan yang ketiga adalah sayap, yang tidak ada di roket vertikal tetapi mengurangi jumlah daya dorong yang dibutuhkan oleh sistem, dengan memberikan daya angkat saat terbang menuju orbit.

“Begitu kita sampai di orbit, analogi yang paling dekat mungkin adalah pesawat ulang-alik,” kata Holder. “Kami memiliki ruang yang lebih kecil, tetapi kami dapat melakukan banyak jenis misi yang sama. Dan ketika kami terbang pulang, kami memiliki permukaan eksterior komposit yang lebih kuat, dan itu memungkinkan kami untuk menggunakan kembali sistem ini berulang kali dengan persyaratan inspeksi yang lebih sedikit dan waktu penyelesaian yang lebih cepat.”

Radian mengatakan bahwa pesawat luar angkasanya akan dapat digunakan kembali hingga 100 kali, membawa dua hingga lima astronot dengan waktu perputaran 48 jam di antara misi. Menurut Holder, sebuah model skala pesawat akan diuji tahun ini, dengan versi skala penuh yang akan memulai uji coba penerbangan - tanpa mencapai orbit - pada tahun 2028.

Seperti pesawat ulang-alik, Radian One akan dapat menyebarkan muatan seperti satelit ke orbit, atau melakukan misi dengan menggunakan peralatan yang berada di teluk, seperti pengamatan Bumi atau pengawasan dan intelijen untuk entitas pertahanan atau militer. Namun, Holder menambahkan, pesawat ini juga dapat membantu bantuan kemanusiaan di daerah bencana ketika landasan pacu, misalnya, tidak dapat digunakan - dengan menjatuhkan muatan keluar dari teluk dengan cara masuk kembali secara terkendali melalui atmosfer.

Dia mengibaratkan sebuah lokasi konstruksi, di mana roket-roketnya adalah kendaraan beroda 18 yang menarik peralatan besar, dan Radian One adalah truk pikap yang membawa material yang lebih kecil dan para kru. “Saya pikir akan selalu ada tempat untuk roket peluncur vertikal,” tambahnya. “Mereka akan membawa barang-barang yang sangat berat ke atas.”

Dia menyadari skeptisisme yang akan dihadapi oleh upaya SSTO lainnya. Proyek profil tinggi terakhir yang kehilangan tenaga adalah Skylon milik Inggris, sebuah pesawat ruang angkasa bertenaga hidrogen yang dimaksudkan untuk lepas landas dari landasan pacu yang diperkuat dan mendarat kembali ke Bumi. Perusahaan yang berada di balik proyek ini tahun lalu mengatakan bahwa sistem dua tahap menuju orbit sekarang lebih memungkinkan.

“Saya tidak mengkritik orang-orang yang menggaruk-garuk kepala dan bertanya-tanya apakah satu tahap menuju orbit dapat dilakukan,” kata Holder. “Saya membutuhkan waktu sekitar satu tahun penuh dalam program ini untuk meyakinkan diri saya lagi bahwa hal itu mungkin. Anda hanya perlu menempatkan diri Anda pada teknologi saat ini dibandingkan dengan teknologi di masa lalu untuk mengetahui apakah itu layak atau tidak.”

Menurut Hoffman, pertanyaan besarnya bukan hanya apakah SSTO dapat dicapai secara teknis, tetapi apakah SSTO dapat melakukannya dengan biaya yang kompetitif secara ekonomi dengan sistem peluncuran lainnya, seperti kapal luar angkasa baru SpaceX, yang dapat membawa ratusan muatan kecil dalam satu kali peluncuran dan melakukannya dengan biaya yang relatif murah. “Itu selalu menjadi alasan untuk mewujudkan impian satu tahap menuju orbit - pada prinsipnya, seharusnya lebih murah,” katanya.

“Saya harap mereka berhasil,” tambah Hoffman. “Karena ini pasti akan menjadi yang pertama, secara teknis - dan kita lihat saja nanti bagaimana keekonomiannya. Anda tidak akan pernah tahu sampai mereka mendemonstrasikan kemampuannya dan melihat siapa yang mendaftar untuk menggunakannya.” (CNN/Z-3