Tên lửa hoạt động như thế nào?

Nguồn: thienvanhoc.org

Một trong những nỗ lực đáng ngạc nhiên nhất mà con người từng thực hiện là sự thám hiểm không gian. Một phần lớn của sự ngạc nhiên ấy là tính phức tạp. Thám hiểm không gian thật phức tạp vì có quá nhiều vấn đề cần phải giải quyết và có quá nhiều chướng ngại phải vượt qua. Bạn có những thứ đại loại như thế này:
- Chân không vũ trụ
- Vấn đề điều khiển nhiệt
- Khó khăn của việc quay trở vào khí quyển
- Cơ học quỹ đạo
- Tiểu thiên thạch và các mảnh vụn vũ trụ
- Bức xạ vũ trụ và bức xạ mặt trời
- Hậu cầu của việc có các thiết bị hoạt động trong môi trường không trọng lượng

Nhưng vấn đề lớn nhất là việc khai thác đủ năng lượng để đưa phi thuyền ra khỏi mặt đất. Đó là nơi động cơ tên lửa xuất hiện.

 

Một mặt, các động cơ tên lửa đơn giản đến mức bạn có thể chế tạo và cho bay thử một mẩu tên lửa của riêng bạn với chi phí không đắt chút nào. Nhưng mặt khác, các động cơ tên lửa (và hệ thống nhiên liệu của chúng) lại phức tạp đến mức chỉ có ba quốc gia thật sự từng đưa con người lên trên quỹ đạo. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khảo sát các động cơ tên lửa để tìm hiểu cách thức chúng hoạt động, đồng thời tìm hiểu một số tính phức tạp xung quanh chúng.

Khi đa số mọi người nghĩ về các động cơ, họ hay nghĩ tới chuyển động quay tròn. Ví dụ, một động cơ xăng đang hoạt động trong xe hơi tạo ra năng lượng quay để lái các bánh xe. Một động cơ điện tạo ra năng lượng quay để lái một cánh quạt hay làm quay một cái đĩa. Một động cơ hơi nước được dùng cho cái tương tự, đó là tuabin hơi nước và đa số tuabin khí.

 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 lí Newton nổi tiếng phát biểu rằng “với mỗi tác dụng, luôn luôn có một phản tác dụng cùng độ lớn và ngược chiều”. Động cơ tên lửa phóng thích khối lượng ra theo một hướng và thu lấy phản lực xuất hiện như một hệ quả theo hướng ngược lại.

Khái niệm “ném ra khối lượng và thu lấy phản tác dụng” này ban đầu có thể khó lĩnh hội, vì điều đó không có vẻ là cái đang diễn ra. Động cơ tên lửa có vẻ như là lửa và tiếng ồn và áp suất, hình như không có “cái bị ném ra”. Hãy lấy một số thí dụ để có hình ảnh tốt hơn của thực tiễn:

Nếu bạn bóp cò một khẩu súng săn, nhất là súng săn lớn cỡ 12 li, thì bạn biết nó có lực “giật lùi”. Nghĩa là, khi bạn bóp cò, thì khẩu súng “giật” vai bạn về phía sau với một lực khá lớn. Cú giật lùi đó là phản tác dụng. Khẩu súng đang bắn ra khoảng 1 ounce kim loại theo một hướng ở tốc độ chừng 700 dặm trên giờ, và vai của bạn hứng lấy phản lực. Nếu bạn đang mang giầy trượt patanh hoặc đang đứng trên một sân patanh khi bạn bóp cò, thì 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.

Nếu bạn từng nhìn thấy một vòi cứu hỏa to đang phun nước, bạn có thể để ý thấy cần có nhiều sức mạnh để giữ cái vòi (thỉnh thoảng bạn sẽ thấy hai hoặc ba người lính cứu hỏa cùng giữ cái vòi). Vòi cứu hỏa tác dụng như một động cơ tên lửa. Cái vòi phun nước ra theo một hướng, và những người lính cứu hỏa sử dụng sức mạnh và sức nặng của họ để kháng lại phản lực. Nếu những người lính cứu hỏa buông cái vòi ra, tì nó sẽ va đập vòng vòng với lực lớn khủng khiếp. Nếu những người lính cứu hỏa đều đang đứng trên sân trượt patanh, thì cái vòi phun sẽ đẩy họ ra phía sau với tốc độ lớn!

Khi bạn bơm một quả bong bóng và để nó bay lên trong phòng trước khi không khí bên trong nó tháo hết ra ngoài, là bạn đã tạo ra một động cơ tên lửa. Trong trường hợp này, cái đang bị ném ra là các phân tử không khí bên trong quả bóng. Nhiều người tin rằng các phân tử không khí không có trọng lượng, nhưng thật ra chúng vẫn có trọng lượng, mặc dù không đáng bao nhiêu. Khi bạn tháo chúng ra khỏi miệng vòi của quả bóng, thì phần còn lại của quả bóng phản ứng theo hướng ngược lại.

Tác dụng và phản tác dụng

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 tác dụng lại bằng cách di chuyển theo hướng ngược lại với hướng của 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 mà bạn đặt vào nó. Khối lượng nhân với gia tốc là lực (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 (m*a = m*a). 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 sức đẩy hơn từ quả bóng chày của bạn, thì 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). Nhưng đó là tất cả những gì bạn có thể làm.
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 tên lửa đốt cháy. Quá trình đốt làm gia tốc khối lượng nhiên liệu sao cho nó đi ra khỏi miệng vòi tên lửa ở tốc độ cao. 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. Dạng thức 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 Mĩ, 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 feet trên giây trên giây (21 dặm trên giờ trên giây). Nếu bạn đang bồng bềnh trong vũ trụ với một túi bóng chày thì khi bạn ném một quả bóng mỗi giây ra xa bạn ở tốc độ 21 dặm trên giờ, thì các quả bóng của bạn sẽ sinh ra tương đương 1 pound sức đẩy. Nếu như bạn ném với tốc độ 42 dặm trên giờ, thì bạn sẽ tạo ra 2 pound sức đẩy. Nếu bạn ném chúng ra xa ở tốc độ 2100 dặm trên giờ (có lẽ là bắn chúng ra khỏi một kiểu súng bắn bóng chày nào đó), thì bạn đang tạo ra 100 pound sức đẩy, và cứ thế.

Một trong những vấn đề khá buồn cười của bài toán tên lửa là tên lửa phải mang theo những vật nặng mà động cơ muốn ném đi. Cho nên, lấy ví dụ, bạn muốn tạo ra 100 pound sức đẩy trong một giờ bằng cách ném một quả bóng chày mỗi giây ở tốc độ 2100 dặm trên giờ. Điều đó có nghĩa là bạn phải bắt đầu với 3600 quả bóng chày nặng 1 pound (1 giờ có 3600 giây), hay 3600 pound 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 mớ “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 rất 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 - 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 165.000 pound. Bể nhiên liệu ngoài rỗng nặng 78.100 pound. Hai tên lửa đẩy lúc rỗng mỗi cái nặng 185.000 pound. Nhưng sau đó bạn phải tải nhiên liệu vào. Mỗi tên lửa đẩy chứa 1,1 triệu pound nhiên liệu. Bể chứa ngoài giữ 143.000 gallon oxygen lỏng (1.359.000 pound) và 383.000 gallon hydrogen lỏng (226.000 pound). Toàn bộ tổ hợp thiết bị - tàu con thoi, bể nhiên liệu ngoài, hai tên lửa đẩy và toàn bộ nhiên liệu – có trọng lượng tổng cộng 4,4 triệu pound lúc phóng lên. 4,4 triệu pound để mang 165.000 pound lên quỹ đạo là một sự chênh lệch rất lớn! Thật ra, tàu con thoi còn mang thêm 65.000 pound tải trọng nữa (lên tới kích cỡ 15 x 60 feet), nhưng đó vẫn là một sự chênh lệch lớn. Nhiên liệu nặng gấp 20 lần so với phi thuyền.

Toàn bộ nhiên liệu đó bị phóng dần ra phía sau của tàu con thoi ở tốc độ có lẽ là 6.000 dặm trên giờ (vận tốc khí thải tên lửa tiêu biểu đối với các tên lửa hóa học biến thiên trong ngưỡng 5.000 đến 10.000 dặm trên giờ). 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 2,65 triệu pound trong quá trình đốt). Ba động cơ chính (sử dụng nhiên liệu trong bể chứa ngoài) đốt cháy nhiên liệu trong khoảng tám phút, mỗi động cơ tạo ra 375.000 pound sức đẩy trong suốt quá trình đốt.

Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ khảo sát hỗn hợp nhiên liệu đặc biệt trong các tên lửa nhiên liệu rắn.

Tên lửa nhiên liệu rắn: Hỗn hợp nhiên liệu

Tên lửa nhiên liệu rắn là những động cơ đầu tiên do con người chế tạo ra. Chúng được phát minh ra cách nay hàng trăm năm ở Trung Quốc và đã được sử dụng rộng rãi kể từ đấy. Dòng chữ “chớp đỏ của tên lửa” trong bài quốc ca Mĩ (viết vào đầu những năm 1800) là đang nói về những tên lửa nhiên liệu rắn cỡ nhỏ dùng trong quân sự để ném bom hoặc các thiết bị dễ cháy. Cho nên bạn có thể thấy tên lửa đã được sử dụng khá sớm.

Nguyên lí hoạt động của một tên lửa nhiên liệu rắn đơn giản thật dễ hiểu. Cái bạn muốn là tạo ra cái gì đó cháy rất nhanh nhưng không nổ. Như bạn đã biết, thuốc súng thì sẽ nổ. Thuốc súng gồm 75% nitrate, 15% carbon và 10% sulfur. Trong động cơ tên lửa, bạn không muốn có vụ nổ nào – bạn muốn năng lượng được giải phóng một cách đều đặn hơn trong một khoảng thời gian nào đó. Vì thế, bạn có thể thay đổi công thức hỗn hợp 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. Đây là một mặt cắt tiêu biểu:

Một tên lửa nhiên liệu rắn ngay trước và sau đánh lửa

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

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

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 do đó tăng thêm sức đẩy. Khi nhiên liệu cháy, hình ngôi sao bung ra thành một vòng tròn. Trong trường hợp SRB, nó mang lại cho động cơ sức đẩy ban đầu lớn và hạ dần sức đẩy vào giữa chuyến bay.

Tên lửa nhiên liệu rắn có ba ưu thế quan trọng:
- Đơn giản
- Giá thành thấp
- An toàn

Chúng cũng có hai nhược điểm:
- Sức đẩy không thể điều khiển được.
- 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 tác 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. Chúng ta sẽ tìm hiểu về chúng trong phần tiếp theo.

Tên lửa nhiên liệu lỏng

Năm 1926, Robert Goddard đã thử nghiệm động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng đầu tiên. Động cơ của ông sử dụng xăng và oxygen lỏng. Ông còn nghiên cứu và giải 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 là cái khiến cho tên lửa nhiên liệu lỏng thật phức tạp.

Tiến sĩ Robert H. Goddard và tên lửa xăng-oxygen lỏng của ông trên giàn phóng của nó vào hôm 16 tháng 3, 1926, tại Auburn, Massachusetts. Nó bay chỉ được 2,5 giây, lên cao 41 feet, và tiếp đất cách đó 184 feet. (Ảnh: NASA)

Ý tưởng cơ bản 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 (thường thì vận tốc thoát ra từ 5.000 đến 10.000 dặm trên 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 sự phức tạp thực sự của một động cơ điển hình. Chẳng hạn, thường thì nhiên liệu hoặc chất oxy hóa là một chất khí hóa lỏng đông lạnh 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 hết sức rối rắm.

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 Goddard
· 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

Chúng ta thường thấy các động cơ tên lửa hóa học đốt cháy nhiên liệu của chúng để tạo ra sức đẩy. Tuy nhiên, còn có nhiều cách khác tạo ra sức đẩy. Bất kì hệ nào ném ra khối lượng đều làm được như thế. 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 trở ngại duy nhất đối với một phương pháp như thế là “khí thải” bóng chày (các quả bóng chày tốc độ cao khi đó) để lại thành dòng trong không gian. Trở ngại nhỏ này khiến các nhà thiết kế động cơ tên lửa thích các chất khí làm sản phẩm thải hơn.Nhiều động cơ tên lửa rất nhỏ. Chẳng hạn, các bộ đẩy cao độ trên vệ tinh không cần tạo ra sức đẩy mạnh cho lắm. Một mẫu động cơ thường gặp trên 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 Skylab 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 gắng tìm cách gia tốc các ion hay các hạt cấp độ nguyên tử đến những tốc độ cực cao 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 tạo ra sức đẩy.

Ảnh một động cơ ion xenon, chụp qua cửa buồng chân không nơi nó được kiểm nghiệm tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy phản lực của NASA, cho thấy lóe sáng màu xanh nhạt của các nguyên tử tích điện đang thoát ra khỏi động cơ. Động cơ sức đẩy ion là động cơ sức đẩy phi hóa học đầu tiên được dùng làm phương tiện đẩy chính yếu cho một phi thuyền vũ trụ. (Ảnh: NASA)

Ảnh một động cơ ion xenon, chụp qua cửa buồng chân không nơi nó được kiểm nghiệm tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy phản lực của NASA, cho thấy lóe sáng màu xanh nhạt của các nguyên tử tích điện đang thoát ra khỏi động cơ. Động cơ sức đẩy ion là động cơ sức đẩy phi hóa học đầu tiên được dùng làm phương tiện đẩy chính yếu cho một phi thuyền vũ trụ. (Ảnh: NASA)

Trung tâm Lắp ráp Phi thuyền, tòa nhà cao khiến cho cây cối xung quanh nó nhỏ bé hẳn đi, là nơi NASA sản xuất những tên lửa lớn nhất của họ. (Ảnh: Ctein/Getty Images)

Các tên lửa thở-không khí có thể làm giảm ngoạn mục chi phí phóng, khiến cho việc du hành bằng tên lửa có thể vừa tầm với hơn.

Tên lửa phản vật chất. Phản vật chất có khả năng dự trữ những lượng năng lượng lớn đến mức lạ thường trong một không gian rất nhỏ, cho nên nó là một nguồn năng lượng đẩy cực lớn.

Ở đây, một camera gọi là RocketCam (ảnh trái) gắn trên máy bay EZ-Rocket. Bên phải là cảnh nhìn từ RocketCam đang bay. (Ảnh: Ecliptic và XCOR Aerospace)

Nó to hơn, mạnh hơn, hiệu quả hơn và chính xác hơn: Delta IV Heavy được cho là tên lửa lớn nhất từng được chế tạo từ trước tới nay.

Apollo 11, phi thuyền đầu tiên có người lái đi lên mặt trăng, rời bệ phóng trên tên lửa Saturn V. (Ảnh: Ralph Morse/Time Life Pictures/Getty Images)

 Lịch sử tên lửa

Các tên lửa ngày nay thuộc về những bộ sưu tập tài trí của con người có gốc rễ của chúng trong nền khoa học và công nghệ của quá khứ. Chúng là những sản phẩm phát sinh tự nhiên qua hàng nghìn năm thí nghiệm và nghiên cứu về tên lửa và sức đẩy tên lửa.
Một trong những dụng cụ đầu tiên sử dụng thành công các nguyên lí cơ bản cho chuyển động bay của tên lửa là con chim gỗ. Các tác phẩm của Aulus Gellius, một người La Mã, có kể lại câu chuyện một người Hi Lạp tên là Archytas sinh sống ở thành phố Tarentum, nay là một phần miền nam Italy. Khoảng chừng năm 400 trước Công nguyên, Archytas đã khiến các công dân thành Tarentum hoang mang và thích thú bởi việc cho bay một con bồ câu gỗ. Hơi nước thoát ra đẩy con chim lơ lửng trên những sợi dây. Con bồ câu ấy sử dụng nguyên lí tác dụng-phản tác dụng, cái không được phát biểu thành một định luật khoa học mãi cho đến thế kỉ 17.
Khoảng 300 năm sau sự kiện con bồ câu gỗ, một người Hi Lạp khác, Hero xứ Alexandria, đã phát minh ra một dụng cụ kiểu tên lửa tương tự gọi là aeolipile. Nó cũng sử dụng hơi nước làm chất khí đẩy. Hero gắn một quả cầu trên một ấm đun nước. Lửa bên dưới ấm biến nước thành hơi nước, và hơi truyền qua các ống sang quả cầu. Hai ống hình chữ L ở hai phía đối diện nhau của quả cầu cho phép hơi thoát ra ngoài, và khi làm như vậy, sức đẩy tác dụng lên quả cầu làm cho nó quay tròn.

Động cơ Hero

 

Chính xác khi nào tên lửa thật sự đầu tiên xuất hiện thì không rõ. Câu chuyện các dụng cụ kiểu tên lửa sơ khai lác đác xuất hiện trong sử liệu của nhiều nền văn hóa khác nhau. Có lẽ những tên lửa đích thực đầu tiên là bất ngờ. Vào thế kỉ thứ nhất sau Công nguyên, người Trung Hoa tường trình họ đã có một dạng đơn giản của thuốc súng chế tạo từ muối nitrat, sunfua và bụi than. Họ sử dụng thuốc súng chủ yếu để bắn pháo hoa trong những dịp lễ tết và tín ngưỡng. Để tạo ra những tiếng nổ trong các kì lễ hội, họ chứa đầy hợp chất trên vào trong các ống tre và quăng chúng vào lửa. Có lẽ một số ống trong những ống đó đã không nổ và thay vào đó đã bay ra khỏi lửa, được đẩy tới bởi chất khí và tia lửa tạo ra từ thuốc súng đang cháy.
Người Trung Hoa bắt đầu làm thí nghiệm với các ống chứa thuốc súng. Một lúc nào đó, họ đã gắn ống tre ấy vào các mũi tên và dùng cung tên phóng chúng đi. Không lâu sau, họ phát hiện thấy các ống thuốc súng này có thể tự phóng chúng đi bởi sức mạnh tạo ra từ chất khí đang cháy. Tên lửa thật sự đã ra đời.

Ngày tháng được tường thuật việc sử dụng lần đầu tiên những tên lửa thật sự là vào năm 1232. Vào năm này, Trung Quốc và Mông Cổ đang chiến tranh với nhau. Trong trận chiến Kai-Keng, người Trung Quốc đã đánh lùi quân xâm lược Mông Cổ bằng hàng rào phòng ngự “mũi tên lửa”. Những mũi tên này là một dạng đơn giản của một tên lửa chất đẩy rắn. Một cái ống, bịt nắp ở một đầu, chứa thuốc súng. Đầu kia để hở và ống được gắn vào một cái que dài. Khi thuốc súng được châm ngòi, thì sự cháy nhanh của thuốc súng tạo ra lửa, khói, và khí thoát ra ở đầu hở và tạo ra sức đẩy. Cái que đóng vai trò một hệ thống dẫn đường đơn giản giữ cho tên lửa nhắm theo một hướng chung khi nó bay trong không khí. Những tên lửa bay này hiệu quả như thế nào với vai trò là thứ vũ khí phá hủy thì không rõ, nhưng tác dụng tâm lí của chúng đối với quân Mông Cổ là ghê gớm.

Mũi tên lửa của người Trung Hoa

Sau trận đánh Kai-Keng, người Mông Cổ đã sản xuất các tên lửa của riêng họ và có lẽ chính họ đã truyền bá tên lửa sang châu Âu cùng với bước chân xâm lược của mình. Nhiều sử sách mô tả các thí nghiệm tên lửa trong suốt thế kỉ 13 đến thế kỉ 15. Ở Anh, một tăng lữ tên là Roger Bacon đã nghiên cứu những dạng cải tiến của thuốc súng, làm tăng đáng kể tầm xa của tên lửa. Ở Pháp, Jean Froissart thu được những phi vụ bay chính xác hơn bằng cách phóng tên lửa qua các ống trụ. Ý tưởng của Froissart là tổ tiên là khẩu bazooka hiện đại. Joanes de Fontana người Italy thì thiết kế một ngư lôi kiểu tên lửa chạy trên mặt nước dùng để đốt cháy tàu thuyền của kẻ thù.

Người lính Trung Hoa phóng mũi tên lửa

 

Vào thế kỉ 16, các tên lửa bước vào giai đoạn được xem là vũ khí chiến tranh, mặc dù chúng vẫn được dùng trong trình diễn pháo hoa, và một nhà sản xuất pháo hoa người Đức, Johan Schmidlap, đã phát minh ra “tên lửa tầng”, một phương tiện nhiều tầng nâng pháo hoa lên những độ cao lớn hơn. Một tên lửa trời lớn (tầng thứ nhất) mang một tên lửa trời nhỏ hơn (tầng thứ hai). Khi tên lửa lớn cháy hết, tên lửa nhỏ tiếp tục bay lên cao hơn trước khi rải tro rực rỡ khắp bầu trời. Ý tưởng của Schmidlap là cơ sở cho mọi tên lửa ngày nay bay ra vũ trụ bên ngoài.
Gần như mọi công dụng của tên lửa cho đến lúc này là vũ khí chiến tranh hoặc pháo hoa, nhưng một truyền thuyết xưa của người Trung Quốc có kể việc sử dụng tên lửa làm phương tiện vận tải. Với sự hỗ trợ của người nhiều trợ giúp, một vị tướng Trung Hoa ít người biết tới tên là Wan-Hu đã lắp ráp một cái ghế bay kiểu tên lửa. Ông có hai con diều lớn gắn với cái ghế, và bố trí trên hai con diều 47 mũi tên lửa.

Ngư lôi chạy trên mặt nước

 Vào hôm cho bay thử, bản thân Wan-Hu ngồi vào cái ghế và ra lệnh cho thắp sáng các tên lửa. 47 người hỗ trợ tên lửa, mỗi người tay cầm đuốc, lao vào châm lửa các ngòi nổ. Một tiếng nổ ầm khủng khiếp vang dội bầu không khí, đi cùng là những đám khói bụi mù mịt. Khi khói bụi tan đi, Wan-Hu và cái ghế bay của ông đã di chuyển. Không ai biết chắc chuyện gì đã xảy ra với Wan-Hu, nhưng nếu một sự kiện như thế thật sự từng xảy ra, thì Wan-Hu và cái ghế của ông có khả năng không còn tồn tại sau vụ nổ. Các mũi tên lửa dễ nổ khi chúng bay trong không khí.

Tên lửa học trở thành một khoa học

Trong nửa sau thế kỉ 17, nhà khoa học vĩ đại người Anh, Isaac Newton (1642 – 1727) đã thiết lập những nền tảng khoa học cho ngành tên lửa học hiện đại. Newton đã tổ chức kiến thức của ông về chuyển động vật lí thành ba định luật khoa học. Các định luật ấy giải thích tên lửa hoạt động như thế nào và tại sao chúng có thể hoạt động trong chân không của vũ trụ bên ngoài.

Huyền thoại Trung Hoa, viên tướng Wan Hu dũng cảm dùng bản thân mình thử nghiệm “phóng tên lửa”.

 

Các định luật Newton sớm có sự tác động thực tiễn lên thiết kế tên lửa. Khoảng năm 1720, một giáo sư người Hà Lan, Willem Gravesande, đã chế tạo một mẫu xe hơi đẩy bằng luồng hơi nước. Các nhà thực nghiệm tên lửa ở Đức và Nga bắt đầu làm việc với các tên lửa có khối lượng hơn 45 kilogram. Một số trong những tên lửa này mạnh đến mức ngọn lửa thải thoát ra của chúng khoan thành những cái hố sâu trên mặt đất ngay trước khi chúng phóng lên.
Vào cuối thế kỉ 18 và bước sang đầu thế kỉ 19, các tên lửa trải qua một giai đoạn phục hồi ngắn là vũ khí chiến tranh. Thành công của các tên lửa bắn chặn Ấn Độ chống lại quân Anh vào năm 1792 và một lần nữa vào năm 1799 đã thu hút sự chú ý của một vị chuyên gia pháo binh, Colonel William Congreve. Congreve bắt đầu thiết kế các tên lửa dùng cho quân đội Anh.
Tên lửa Congreve thành công vang dội trên chiến trường. Được các con tàu Anh sử dụng nện vào bến cảng McHenry trong cuộc chiến năm 1812, chúng đã truyền cảm hứng cho Francis Scott Key viết nên câu “ánh đỏ của tên lửa” trong bài thơ của ông sau này trở thành bài Cờ nước Mĩ.

Ngay cả với nghiên cứu của Congreve, độ chính xác của các tên lửa vẫn không được cải thiện nhiều từ những ngày đầu. Bản chất phá hủy của các tên lửa chiến tranh không nằm ở độ chính xác hay sức mạnh của chúng, mà ở số lượng của chúng. Trong một cuộc vây chiến tiêu biểu, hàng nghìn tên lửa có thể được bắn về phía quân thù. Trên khắp thế giới, các nhà nghiên cứu tên lửa đã thử nghiệm nhiều phương pháp nhằm nâng cao độ chính xác. Một người Anh, William Hale, đã phát triển một kĩ thuật gọi là ổn định hóa chuyển động quay tròn. Trong phương pháp này, khí thải thoát ra đập vào những cái van nhỏ ở đáy tên lửa, làm cho nó quay tròn giống hệt như viên đạn trên hành trình bay. Ngày nay, nhiều tên lửa vẫn còn sử dụng các biến thể của nguyên lí này.
Tên lửa tiếp tục được sử dụng thành công trong các trận chiến trên lục địa châu Âu. Tuy nhiên, trong một cuộc chiến với nước Phổ, các lữ đoàn tên lửa Áo đã gặp phải đối thủ của mình với các mẩu pháo binh được thiết kế mới. Đại bác nạp ở khóa nòng với nòng rãnh xoắn và đầu nổ là thứ vũ khí chiến tranh hiệu quả hơn nhiều so với những tên lửa tốt nhất. Lại một lần nữa, quân sự đã loại tên lửa học sang cho các công dụng thời bình.
Tên lửa học hiện đại ra đời


Năm 1898, một giáo viên người Nga, Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935), đề xuất ý tưởng thám hiểm vũ trụ bằng tên lửa. Trong một bài báo cáo ông công bố vào năm 1903, Tsiolkovsky đề xuất sử dụng các chất đẩy lỏng cho tên lửa để thu được tầm hoạt động lớn hơn. Tsiolkovsky phát biểu rằng duy chỉ có vận tốc của khí thải thoát ra là hạn chế tốc độ và tầm bay của một tên lửa. Với những ý tưởng của ông, với sự nghiên cứu thận trọng và tầ nhìn rộng, Tsiolkovsky được gọi là cha để của ngành du hành vũ trụ hiện đại.
Ngay đầu thế kỉ 20, một người Mĩ, Robert H. Goddard (1882-1945), đã tiến hành các thí nghiệm thực tiễn về tên lửa học. Ông trở nên bị cuốn hút vào cách thức đạt tới những cao độ lớn hơn so với những cao độ mà các khí cầu nhẹ hơn không khí có thể đạt tới. Ông cho xuất bản một cuốn sách mỏng vào năm 1919 mang tựa đề Một phương pháp đạt tới những cao độ cực lớn. Ngày nay, chúng ta gọi phép phân tích toán học này là tên lửa thăm dò khí tượng.

Trong tập sách của ông, Goddard đã đi tới một vài kết luận quan trọng về tên lửa học. Từ những thử nghiệm của mình, ông phát biểu rằng một tên lửa hoạt động trong chân không có hiệu suất lớn hơn trong không khí. Lúc bấy giờ, đa số mọi người tin tưởng một cách sai lầm rằng sự có mặt của không khí là cần thiết cho tên lửa đẩy ra phía sau. Biên tập viên tạp chí New York Times khi đó đã chế giễu Goddard là “thiếu kiến thức đã học ở trường phổ thông”. Goddard cũng phát biểu rằng các tên lửa nhiều tầng là câu trả lời để đạt tới những cao độ lớn và vận tốc cần thiết để thoát ra khỏi sức hút hấp dẫn của Trái đất có thể thu được theo phương pháp này.

Mẫu tên lửa Tsiolkovsky