Cơ chế hoạt động của động cơ đẩy tên lửa.

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.

Cơ chế hoạt động của dộng cơ đẩy tên lửa.

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.

[color=#000000][font=Arial]Nguyễn Khắc Thái - Theo Trí Thức Trẻ | GenK