Tìm hiểu phát minh vĩ đại đưa con người vào không gian (Phần cuối)

Trong phần này, chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu hoạt động của tên lửa hỗn hợp nhiên liệu rắn và lỏng, cũng như tương lai của dộng cơ đẩy tên lửa.

 

Tên lửa nhiên liệu rắn

a. Hỗn hợp nhiên liệu

Tên lửa nhiên liệu rắn là những động cơ đầu tiên con người chế tạo. Chúng được phát minh ở Trung Quốc cách đây hàng trăm năm và vẫn được sử dụng tới nay. Dòng chữ “chớp đỏ của tên lửa” trong bài quốc ca Mĩ (viết vào đầu những năm 1800)  chính là nói về những tên lửa nhiên liệu rắn cỡ nhỏ dùng trong quân sự để ném bom. Như vậy, tên lửa đã được sử dụng từ khá sớm.

Nguyên lí hoạt động của một tên lửa nhiên liệu rắn rất đơn giản. Điều chúng ta cần là tạo ra cái gì đó cháy rất nhanh nhưng không bị nổ. Vì thế, bạn có thể thay đổi công thức hỗn hợp thuốc súng thành 72% nitrate, 24% carbon và 4% sulfur. Trong trường hợp này, thay cho thuốc súng, bạn sẽ có một nhiên liệu tên lửa đơn giản. Loại hỗn hợp này sẽ cháy rất nhanh, nhưng nó không nổ nếu được nạp một cách hợp lí. 

Trên hình bên trái, bạn thấy tên lửa trước khi đốt. Nhiên liệu rắn được thể hiện bằng màu xanh, có dạng trụ, với một ống khoan qua ở giữa. Khi bạn đốt nhiên liệu, nó cháy dọc theo thành ống và bùng lửa ra phía ngoài về hướng vỏ bọc cho đến khi toàn bộ nhiên liệu đều cháy. Ở một động cơ tên lửa cỡ nhỏ quá trình cháy xảy ra trong khoảng 1 giây. Ở tàu con thoi vũ trụ SRB chứa hơn một triệu pound nhiên liệu, thì quá trình cháy diễn ra khoảng hai phút.

b. Cấu hình rãnh

Khi đọc các tài liệu viết về tên lửa nhiên liệu rắn tiên tiến, ví dụ như các tên lửa đẩy dạng rắn của tàu con thoi, bạn thường đọc thấy những dòng như thế này:

Hỗn hợp chất nổ đẩy trong mỗi động cơ SRB gồm ammonium perchlorate (chất oxy hóa, trọng lượng chiếm 69,6%), nhôm (nhiên liệu, 16%), sắt oxide (chất xúc tác, 0,4%), một polyme (chất kết dính, 12,04%), và một tác nhân tạo cầu nối epoxy (1,96%). Chất nổ đẩy có dạng một lỗ hình ngôi sao 11 cánh trong phần động cơ phía trước và một lỗ hình nón cụt đôi ở phần cuối. Cấu hình này mang lại sức đẩy lớn lúc phát lửa và sau đó giảm sức đẩy để chống vượt quá ứng suất trong kì áp suất động cực đại.

Đoạn này không chỉ trình bày về hỗn hợp nhiên liệu mà còn nói rõ cấu hình rãnh khoan trong lõi nhiên liệu. Một “lỗ đục hình ngôi sao 11 cánh” có thể trông như thế này:

 

Vấn đề là tăng diện tích bề mặt của rãnh, từ đó tăng diện tích cháy và tăng thêm sức đẩy. Khi nhiên liệu cháy, hình ngôi sao bung ra thành một vòng tròn. Trong trường hợp của SRB, nó tạo cho động cơ một sức đẩy ban đầu lớn và hạ dần sức đẩy vào thời kì giữa của chuyến bay.

Tên lửa nhiên liệu rắn có ba ưu thế lớn: 1. Đơn giản. 2. Giá thành thấp. 3. An toàn.

Chúng cũng có hai nhược điểm: 1. Sức đẩy không thể điều khiển được. 2. Một khi đã đánh lửa, động cơ không thể ngừng lại hoặc khởi động lại.

Những nhược điểm trên cũng có nghĩa là tên lửa nhiên liệu rắn chỉ hữu ích đối với những nhiệm vụ ngắn hạn (như tên lửa đạn đạo), hoặc các hệ thống nâng đẩy. Khi bạn muốn điều khiển động cơ, thì bạn phải sử dụng hệ thống chất nổ đẩy dạng lỏng.

Tên lửa nhiên liệu lỏng

Năm 1926, Robert Godard đã thử nghiệm động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng đầu tiên. Nhiên liệu cho động cơ của ông là xăng và oxygen lỏng. Ông còn giải quyết được một số vấn đề cơ bản trong thiết kế động cơ tên lửa, trong đó có cơ chế bơm, chiến lược làm nguội và sắp xếp các thiết bị lái. Những vấn đề này khiến cho tên lửa nhiên liệu lỏng thật sự phức tạp.

 

Ý tưởng ban đầu thật đơn giản. Trong đa số động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng, nhiên liệu và chất oxy hóa (ví dụ, xăng và oxygen lỏng) được bơm vào một buồng đốt. Tại đó, chúng cháy sinh ra áp suất cao và dòng khí nóng tốc độ cao. Những dòng khí này chảy qua một miệng vòi làm tăng tốc chúng thêm nữa (vận tốc từ 5.000 đến 10.000 dặm một giờ), và sau đó chúng thoát khỏi động cơ. Sơ đồ đã đơn giản hóa sau đây cho bạn thấy những bộ phận cơ bản ấy:

 

Sơ đồ trên không thể hiện được sự phức tạp của một động cơ điển hình. Chẳng hạn, nhiên liệu hoặc chất oxy hóa là một chất khí hóa lỏng như hydrogen lỏng hoặc oxygen lỏng. Một trong những vướng mắc lớn ở động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng là việc làm mát buồng đốt và vòi phun, nên các chất lỏng đông lạnh trước tiên được cho xoay vòng quanh các bộ phận quá nhiệt để làm nguội chúng. Máy bơm phải tạo ra áp suất đủ cao để thắng áp suất do nhiên liệu đang cháy tạo ra trong buồng đốt. Các động cơ chính trong tàu con thoi vũ trụ thật ra sử dụng hai giai đoạn bơm và đốt nhiên liệu để điều khiển bơm giai đoạn thứ hai. Yêu cầu của quá trình bơm và làm nguội khiến cho cấu tạo của động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng thật phức tạp.

Người ta sử dụng nhiều loại hỗn hợp nhiên liệu làm chất đẩy lỏng trong động cơ tên lửa. Ví dụ: Hydrogen lỏng và oxygen lỏng – dùng trong các động cơ chính của tàu con thoi vũ trụ; Xăng và oxygen lỏng – dùng trong tên lửa sơ khai của Godard; Dầu lửa và oxygen lỏng – dùng trong giai đoạn đầu của tên lửa đẩy Saturn V trong chương trình Apollo; Cồn và oxygen lỏng – dùng trong tên lửa V2 của Đức; Nitrogen tetroxide/ monomethyl hydrazine – dùng trong các động cơ Cassini.

Tương lai của động cơ tên lửa

 

Các động cơ tên lửa hóa học đốt cháy nhiên liệu để tạo ra sức đẩy. Tuy nhiên, còn có nhiều cách khác tạo ra sức đẩy. Nếu bạn có thể làm cách nào đó gia tốc các quả bóng chày đến tốc độ cực cao, thì bạn sẽ có một động cơ tên lửa có thể hoạt động được. Vấn đề duy nhất đối với một phương pháp như thế là “khí thải” bóng chày để lại thành dòng trong không gian. Trở ngại nhỏ này khiến các nhà thiết kế động cơ tên lửa thích các sản phẩm thải là chất khí hơn.

Nhiều động cơ tên lửa rất nhỏ. Chẳng hạn, các bộ đẩy trên vệ tinh không cần tạo ra sức đẩy quá mạnh. Một mẫu động cơ thường gặp ở các vệ tinh chẳng sử dụng “nhiên liệu” nào – các bộ đẩy nitrogen áp lực chỉ việc bơm khí nitrogen từ một bể chứa qua một miệng vòi. Các bộ đẩy kiểu này đã giữ vệ tinh trên quỹ đạo, và còn được dùng trong hệ thống điều khiển có người lái của tàu con thoi.

Các mẫu động cơ mới thì cố tìm cách gia tốc các ion hay các hạt cấp độ nguyên tử đến tốc độ cực đại để tạo ra sức đẩy hiệu quả hơn. Phi thuyền Deep Space-1 của NASA là phi thuyền đầu tiên sử dụng các động cơ ion để tạo ra sức đẩy.

Các động cơ tên lửa, trong những năm qua đang dần đạt được những bước tiến mới. Hy vọng, trong tương lai, sẽ có những giải pháp mới, những động cơ với nguyên lý hoạt động mới, giúp con người tiến xa hơn trong quá trình chinh phục vũ trụ của mình.