Vì sao tên lửa có thể bay ra ngoài vũ trụ còn máy bay phản lực thì không?
Hình ảnh của các phi hành gia trước giờ vẫn gắn liền với những quả tên lửa khổng lồ trị giá hàng tỉ đô la. Những quả tên lửa này luôn cất cánh theo phương thẳng đứng với gia tốc khủng khiếp, đủ để khiến các phi hành gia bị ép chặt vào ghế ngồi. Chúng xuyên qua vòng mây để đưa các phi hành gia vào không gian.
Thế bạn đã từng tự hỏi vì sao lúc nào cũng nhất thiết phải là tên lửa mà không phải là máy bay không? Hay nói cách khác là “vì sao tên lửa có thể bay ra ngoài vũ trụ còn máy bay phản lực thì không?”
Thật ra điều này cũng có nhiều nguyên nhân, chúng ta hãy kể đến từng cái nhé.
Vấn đề đầu tiên: Bản chất của động cơ
Hãy nói đến động cơ tên lửa trước. Động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng thường dùng trên các tàu không gian sẽ cho nhiên liệu (hoặc các thành phần của nhiên liệu) vào buồng đốt để đánh lửa, nhiên liệu sẽ bốc cháy, hóa khí và thoát ra ngoài với vận tốc cực lớn qua đường loa phụt. Với luồng xả được tạo nên bởi sức cháy của nhiên liệu, bản thân quả tên lửa sẽ nhận lại được một lực đẩy tương ứng về hướng ngược lại theo định luật III Newton. Đó là cách mà động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng hoạt động.
Động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng
Tiếp theo chúng ta hãy nói đến động cơ phản lực được dùng trên máy bay đi. Tên chính xác của dạng động cơ này là động cơ phản lực không khí hay turbine phản lực. Chúng được sử dụng rộng rãi trên các máy bay phản lực dân dụng lẫn quân sự. Nguyên tắc hoạt động là chúng sẽ hút thật nhiều không khí và nén lại, hòa cùng nhiên liệu rồi đánh lửa. Nhiên liệu trong không khí sau khi bốc cháy sẽ giãn nở mạnh mẽ, tăng thể tích và xả ra ngoài động cơ với vận tốc lớn, tạo luồng xả phản lực và đẩy máy bay đi về phía trước.
Động cơ turbine phản lực
Cũng như động cơ tên lửa, dạng động cơ này hoạt động theo nguyên tắc của định luật 3 Newton. Do sử dụng chủ yếu là khối lượng của không khí để tạo luồng xả phản lực thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào khối lượng của nhiên liệu nên turbine phản lực sử dụng nhiên liệu hiệu quả hơn. Tuy nhiên dạng động cơ này cũng phụ thuộc vào lượng Oxi trong không khí để đốt cháy nhiên liệu nên sẽ bị giới hạn trong môi trường thiếu Oxy và hoàn toàn không thể hoạt động trong môi trường chân không. Động cơ tên lửa thì khác, nó tự mang cả chất đốt lẫn Oxi nên môi trường nào nó cũng sống khỏe, kể cả dưới mặt nước luôn.
Cấu tạo sơ bộ của Pratt & Whitney F119 – Động cơ của siêu tiêm kích F-22
Vẫn có những chiếc máy bay được trang bị động cơ tên lửa, kinh điển nhất phải kể đến là chiếc Bell X-1 – Mẫu máy bay đã phá vỡ bức tường âm thanh và X-15 – Máy bay có người lái nhanh nhất tính đến thời điểm hiện tại, đạt vận tốc Mach 6.72 (7.274 km/h). Tuy nhiên chúng cũng không có khả năng bay lên vũ trụ.
X-15
Vấn đề thứ 2: Nhiên liệu và công suất động cơ
Để thoát ra khỏi lực hấp dẫn của trái đất, các động cơ tên lửa phải đẩy được tàu không gian đi đạt Tốc độ vũ trụ cấp 1, tương đường 7,9 km/s, tương đương 28.440 km/h. Để đạt được con số khủng khiếp này, các tàu không gian phải được trang bị một động cơ tên lửa cực mạnh và một khối lượng nhiên liệu khổng lồ.
Falcon Heavy
Để cho bạn dễ hình dung thì tên lửa Falcon Heavy tiên tiến do SpaceX phát triển có khối lượng lên đến hơn một 1400 tấn, cao 70m, tên lửa Saturn V thế hệ cũ thì còn to hơn nữa, nó cao đến hơn 110 m và nặng gần 3000 tấn. Những quả tên lửa này cũng có sức đẩy vượt xa khối lượng của mình. Bao nhiêu đó là đủ để bạn hiểu rằng cần có nguồn năng lượng khủng khiếp như thế nào để các nhà khoa học có thể đưa người và thiết bị lên không gian rồi.
Saturn V
Lại nói về máy bay, chiếc máy bay nặng nhất hiện nay là An-225, nó được thiết kế để chuyên chở các bộ phận cho tàu không gian, có khối lượng cất cánh tối đa là 640 tấn, mang được 300 tấn nhiên liệu. Và tốc độ tối đa nó có thể đạt đến là 850km/h bằng sức đẩy của 6 turbine phản lực (khoảng hơn 25 tấn lực đẩy mỗi chiếc). Với công nghệ hiện tại của con người An-225 đã có thể được coi là kết quả của những tinh hoa kỹ thuật hàng không rồi. Rõ ràng là nó vẫn rất nhỏ bé nếu để so sánh với những quả tên lửa khổng lồ vừa nêu trên.
An-225
Vấn đề thứ 3: Bản chất của máy bay và tên lửa
Đây sẽ là phần mà chúng ta kết thúc lại vấn đề của đề bài, sau khi mình đã liệu kê ra những yếu tố chính khiến máy bay không thể bay một mạch ra ngoài vũ trụ và du hành không gian một cách đơn giản như mấy con tàu trong phim có thể làm.
Về bản chất, máy bay phản lực được thiết kế để có thể mượn sức nâng của không khí, mượn Oxy từ không khí và dùng chính khối lượng của không khí để tạo ra sức đẩy cho mình. Các chi tiết của máy bay như cánh, đuôi, cánh tà… được dùng để kiểm soát dòng khí cũng sẽ hoàn toàn vô dụng trong môi trường chân không. Về cơ bản thì nó không thể hoạt động mà không có không khí. Giả sử có động cơ đủ mạnh để đạt vận tốc thoát ly nhưng lại chỉ cần một khối lượng nhiên liệu rất nhỏ, đồng thời không cần không khí để hoạt động thì máy bay mới có thể phóng vào ngoài vũ trụ.
Hiện con người cũng đang tìm cách để thực hiện những chuyến bay vào không gian mà không cần những quả tên lửa siêu to và siêu đắt tiền. Một chiếc tàu vũ trụ có thể bay trong bầu khí quyển như máy bay bình thường nhưng đủ mạnh mẽ để phóng vào không gian chắc chắn là rất lý tưởng. Tuy nhiên thì sẽ cần một thời gian khá dài để công nghệ phát triển được đến mức đó, và trong lúc này thì chúng ta vẫn sẽ phụ thuộc vào mấy quả tên lửa công nghệ cao mà thôi.
Tham khảo:
