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

Trong nỗ lực chinh phục không gian, có rất nhiều vấn đề con người cần giải quyết. Một trong số những vấn đề ấy bao gồm:

- Chân không vũ trụ.

- Vấn đề điều nhiệt.

- Khó khăn của việc quay trở về khí quyển.

- Quỹ đạo cơ học.

- Tiểu thiên thạch và các mảnh vỡ vũ trụ.

- Bức xạ vũ trụ.

- Các thiết bị hoạt động trong môi trường không trọng lượng.

 

Nhưng vấn đề lớn nhất là có đủ năng lượng để đưa phi thuyền ra khỏi Trái Đất. Đó chính là lý do ra đời của động cơ tên lửa. Các động cơ tên lửa khá rẻ, đến mức bạn có thể chế tạo một mẫu thử nghiệm với chi phí không quá cao. Nhưng các động cơ tên lửa (và hệ thống nhiên liệu của chúng) lại phức tạp đến mức chỉ có ba quốc gia chế tạo được để đưa con người lên trên quỹ đạo. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu cách thức hoạt động của động cơ tên lửa.

 

Đa số mọi người khi nói về các động cơ, thường nghĩ tới chuyển động quay tròn. Ví dụ, một động cơ xăng đang hoạt động trong xe hơi tạo ra năng lượng quay các bánh xe. Một động cơ điện tạo ra năng lượng quay để lái một cánh quạt hay làm quay một cái đĩa. Các động cơ tên lửa thì khác hoàn toàn. Động cơ tên lửa là động cơ phản lực. Nguyên tắc cơ bản điều khiển một động cơ tên lửa là nguyên lý Newton 3: “Với mỗi tác dụng, luôn luôn có một phản tác dụng cùng độ lớn và ngược chiều”. Động cơ tên lửa giải phóng vật chất ra theo một hướng và dùng phản lực theo hướng ngược lại. 

 

Để dễ tưởng tượng về định lý 3 Newton, ta có thể lấy một vài ví dụ: Khi bạn bóp cò một khẩu súng săn, nhất là súng săn cỡ lớn, thì một lực giật lùi làm súng bật theo hướng ngược với viên đạn. Nếu bạn đang mang giầy trượt patanh, khi bạn bóp cò, khẩu súng sẽ tác dụng y như một động cơ tên lửa và bạn sẽ phản ứng lại bằng cách trượt đi theo hướng ngược lại.

Tác dụng và phản tác dụng: định luật bảo toàn động lượng

Hãy tưởng tượng tình huống sau đây: Bạn đang mặc một bộ đồ du hành vũ trụ và bạn đang trôi nổi trong không gian vũ trụ bên cạnh chiếc phi thuyền, tình cờ bạn có một quả bóng chày trong tay. Nếu bạn ném quả bóng chày, cơ thể của bạn sẽ di chuyển theo hướng ngược hướng với quả bóng. Cái điều khiển tốc độ mà cơ thể của bạn di chuyển ra xa là khối lượng của quả bóng chày mà bạn ném và gia tốc ban đầu của nó. Lực bằng khối lượng nhân với gia tốc: f = m*a. Lực do bạn tác dụng vào quả bóng chày bằng bao nhiêu sẽ được cân bằng bởi một phản lực bằng như vậy tác dụng vào cơ thể của bạn (m1*a1 = m2*a2). Cho nên, thí dụ quả bóng nặng 1kg, và cơ thể của bạn cộng với bộ đồ du hành vũ trụ là 100kg. Bạn ném quả bóng ra xa ở tốc độ 32 m/s. Nghĩa là, thí dụ bạn làm gia tốc quả bóng 1kg bằng tay của mình sao cho nó thu được vận tốc 32m/s. Cơ thể của bạn phản ứng lại, nhưng nó nặng hơn quả bóng tới 100 lần. Do đó, nó chuyển động ra xa ở tốc độ bằng một phần trăm tốc độ của quả bóng, hay 0,32 m/s.

 

Nếu bạn muốn tạo ra nhiều lực đẩy hơn, bạn có hai sự lựa chọn: tăng khối lượng hoặc tăng gia tốc. Bạn có thể ném một quả bóng chày nặng hơn hoặc ném một số quả bóng chày liên tiếp nhau quả nọ sau quả kia (tăng khối lượng), hoặc bạn có thể ném quả bóng chày đi nhanh hơn (tăng gia tốc đặt vào nó).

Một động cơ tên lửa thường ném “khối lượng” ra ở dạng một chất khí áp suất cao. Động cơ tống khối lượng khí ra theo một hướng để thu được phản tác dụng theo hướng ngược lại. Khối lượng ấy do sức nặng của nhiên liệu mà động cơ đốt cháy. Thực tế nhiên liệu chuyển từ dạng rắn hoặc lỏng sang dạng khí khi đốt cháy không làm thay đổi khối lượng của nó. Nếu như bạn đốt cháy 1kg nhiên liệu tên lửa, thì 1kg khí thải thoát ra khỏi miệng vòi ở dạng một chất khí nhiệt độ cao, vận tốc lớn. Trạng thái thay đổi, nhưng khối lượng không thay đổi. Quá trình đốt cháy làm gia tốc khối lượng ấy.

Sức đẩy

“Sức mạnh” của một động cơ tên lửa được gọi là sức đẩy. Sức đẩy đo bằng đơn vị “pound sức đẩy” trong hệ đơn vị của Mỹ, và bằng đơn vị newton trong hệ mét (4,45 newton sức đẩy bằng 1 pound sức đẩy). Một pound sức đẩy là sức đẩy cần thiết để giữ một vật nặng 1 pound nằm cân bằng với lực hấp dẫn trên Trái đất. Vì thế, trên Trái đất, gia tốc hấp dẫn là 32 ft/s2 hay 9.8 m/s2. Nếu bạn đang bồng bềnh trong vũ trụ với một túi bóng chày, khi bạn ném một quả bóng mỗi giây ra xa bạn sẽ thu được vận tốc 33km/h, thì các quả bóng của bạn sẽ sinh ra tương đương 1 pound sức đẩy. Nếu như bạn ném với tốc độ 67km/h, thì bạn sẽ tạo ra 1kg sức đẩy. Nếu bạn ném chúng ra xa ở tốc độ 3300km/h bạn đang tạo ra 45kg sức đẩy, và cứ thế nhân lên.

Một trong những vấn đề nữa của bài toán tên lửa là tên lửa phải mang theo những vật nặng. Cho nên, lấy ví dụ, bạn muốn tạo ra 45kg sức đẩy/giờ bằng cách ném một quả bóng chày mỗi giây ở tốc độ 3300km/h. Điều đó có nghĩa là bạn phải bắt đầu với 3600 quả bóng chày nặng 0,4kg, hay 1600kg bóng chày. Vì tính luôn bộ đồ du hành thì bạn chỉ cân nặng 100 pound, cho nên bạn có thể thấy trọng lượng của đống “nhiên liệu” của bạn nặng hơn tải trọng (bản thân bạn)  rất nhiều. Thật vậy, nhiên liệu nặng gấp 36 lần tải trọng, và điều đó là bình thường. Đó là nguyên do vì sao bạn phải có một tên lửa khổng lồ để mang một con người nhỏ xíu bay lên vũ trụ - bởi bạn phải mang theo rất nhiều nhiên liệu.

 

Bạn có thể thấy sự tương quan trọng lượng rất rõ ràng trên tàu con thoi vũ trụ. Nếu bạn từng xem người ta phóng tàu con thoi, bạn sẽ thấy nó có ba phần:

- Phi thuyền

- Bể nhiên liệu lớn gắn ngoài

- Hai tên lửa đẩy

Phi thuyền rỗng nặng 74 tấn. Bể nhiên liệu ngoài rỗng nặng 35 tấn. Hai tên lửa đẩy lúc rỗng mỗi cái nặng 83 tấn. Nhưng sau đó bạn phải nạp nhiên liệu. Mỗi tên lửa đẩy chứa 500 tấn nhiên liệu. Bể chứa ngoài giữ 540L oxygen lỏng và 3100L hydrogen lỏng. Toàn bộ thiết bị- tàu con thoi, bể nhiên liệu ngoài, hai tên lửa đẩy và toàn bộ nhiên liệu – có trọng lượng tổng cộng 2000 tấn lúc phóng lên. 2000 tấn để mang 63 tấn lên quỹ đạo là một sự chênh lệch rất rất lớn. Thật ra, tàu con thoi còn mang thêm 29 tấn tải trọng nữa, nhưng đó vẫn là một sự chênh lệch lớn. Nhiên liệu nặng gấp 20 lần so với tàu.

Toàn bộ nhiên liệu đó được giải phóng dần ra phía sau với tốc độ 9600km/h (vận tốc khí thải tên lửa hóa học biến thiên trong ngưỡng 8000 đến 16000km/h). Hai tên lửa đẩy đốt nhiên liệu trong khoảng hai phút và mỗi tên lửa tạo ra 3,3 triệu pound sức đẩy lúc phóng lên (trung bình là 1200 tấn trong quá trình đốt). Ba động cơ chính (sử dụng nhiên liệu trong bể chứa ngoài) đốt cháy nhiên liệu trong khoảng 8 phút, mỗi động cơ tạo ra 170 tấn lực đẩy trong suốt quá trình đốt.

Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ khảo sát hỗn hợp nhiên liệu đặc biệt trong các loại động cơ tên lửa hiện nay và tương lai phát triển của dộng cơ tên lửa.

(Còn tiếp ...)