1001 thắc mắc: Vì sao phóng tàu vũ trụ phải dùng tên lửa nhiều tầng?

Chỉ khi đạt được tốc độ bay 7,9 km/s thì vệ tinh nhân tạo hay tàu vũ trụ mới không rơi trở lại mặt đất. Các con tàu lên mặt trăng cần có tốc độ 11,2 km/s, còn muốn bay tới các hành tinh khác tốc độ phải lớn hơn nữa. Làm thế nào để đạt tốc độ đó? Chỉ có tên lửa đẩy mới đảm đương nổi việc này.

Muốn làm cho một vật thể chuyển động với tốc độ 7,9 km/s để thoát khỏi sức hút của trái đất, đòi hỏi phải dùng một năng lượng lớn. Một vật nặng 1g muốn thoát khỏi trái đất sẽ cần một năng lượng tương đương điện năng cần thiết để thắp sáng 1.500 bóng đèn điện 40 W trong 1 giờ.

Mặt khác, tên lửa bay được là nhờ vào việc chất khí phụt ra phía sau tạo nên một phản lực. Khí phụt ra càng nhanh, tên lửa bay càng chóng. Muốn đạt được tốc độ bay rất lớn, ngoài đòi hỏi phải có tốc độ phụt khí rất cao ra, còn phải mang theo rất nhiều nhiên liệu. Nếu tốc độ phụt khí là 4.000 m/s, để đạt được tốc độ thoát ly là 11,2 km/s thì tên lửa phải chứa một số nhiên liệu nặng gấp mấy lần trọng lượng bản thân.

Các nhà khoa học đã cố gắng giải quyết vấn đề này một cách thoả đáng. Làm sao để trong quá trình bay, cùng với sự tiêu hao nhiên liệu sẽ vứt bỏ được những bộ phận không cần thiết nữa, giảm nhẹ trọng lượng đang tiếp tục quá trình bay, nâng cao tốc độ bay. Đó chính là phương án sử dụng tên lửa nhiều tầng. Hiện nay phóng vệ tinh nhân tạo hoặc tàu vũ trụ vào không gian đều sử dụng loại tên lửa này.

Tên lửa nhiều tầng có ít nhất hai tên lửa trở lên, lắp liên tiếp nhau. Khi nhiên liệu ở tên lửa dưới cùng hết, nó tự động tách ra và tên lửa thứ hai lập tức được phát động. Khi tên lửa thứ hai dùng hết nhiên liệu, nó cũng tự động tách ra và tên lửa thứ ba tiếp đó được phát động… cứ như vậy sẽ làm cho vệ tinh hoặc tàu vũ trụ đặt ở tầng trên cùng đạt được tốc độ từ 7,9 km/s trở lên để bay quanh trái đất hoặc thoát khỏi trái đất.

Dùng tên lửa nhiều tầng tuy có thể giải quyết vấn đề bay trong vũ trụ nhưng tiêu hao nhiêu liệu rất lớn. Giả sử chúng ta dùng tên lửa 4 tầng để đưa tàu vào không gian, tốc độ phụt khí của mỗi tầng này là 2,5 km/s, tỷ lệ giữa trọng lượng nhiên liệu và vỏ là 4/1, như vậy muốn cho một con tàu nặng 30 kg ở tầng cuối đạt được tốc độ 12 km/s thì trọng lượng toàn bộ tên lửa và nhiên liệu khi bắt đầu phóng phải tới trên 1.000 tấn.

Ngày nay, các tàu không gian còn có thể được nâng lên bởi các tên lửa đẩy gắn ở bên sườn. Chẳng hạn thế hệ tàu Ariane 5.

Tàu con thoi - Chương trình không gian tốn kém

Tàu con thoi, là một hệ thống tàu vũ trụ quỹ đạo thấp của trái Đất có thể tái sử dụng, được vận hành bởi Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA). Tên chính thức của chương trình là Space Transportation System (STS), được lấy từ một kế hoạch năm 1969 cho một hệ thống tàu vũ trụ có khả năng tái sử dụng.

Chương trình tàu vũ trụ con thoi của Mỹ được khai sinh vào năm 1972 dưới thời Tổng thống Mỹ Richard Nixon nhằm thực hiện các chuyến bay đưa người vào vũ trụ. Hình thành từ hơn 2,5 triệu linh kiện khác nhau, tàu vũ trụ con thoi được đánh giá là cỗ máy phức tạp nhất từng được con người tạo ra. Các tàu con thoi của Mỹ chính thức đi vào hoạt động từ năm 1982.

Trong chương trình tàu con thoi của Mỹ, đã có 6 tàu con thoi được chế tạo. Chiếc đầu tiên là Enterprise chỉ dùng cho mục đích thử nghiệm. 5 con tàu còn lại được đưa vào hoạt động là Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis và Endeavour. Trong số này, Challenger là con tàu xấu số đã bị vỡ tung chỉ 73 giây sau khi phóng vào năm 1986, còn Columbia thì gặp nạn khi trở lại Trái đất vào năm 2003.

Tàu con thoi được phóng tổng cộng 135 lần từ năm 1981 đến năm 2011, và phóng từ Trung tâm vũ trụ Kennedy (KSC) ở Florida, Hoa Kỳ. Các nhiệm vụ của tàu con thoi đã phóng vệ tinh, tàu thăm dò, và Kính viễn vọng không gian Hubble; thực hiện các thí nghiệm khoa học vũ trụ; và tham gia vào nhiệm vụ xây dựng và bảo dưỡng Trạm vũ trụ Quốc tế. Tổng cộng thời gian bay của đội tàu con thoi là 1322 ngày, 19 giờ, 21 phút và 23 giây.

Tàu con thoi thực ra có 3 thành phần bao gồm tàu vũ trụ / trạm quỹ đạo (OV - Orbiter Vehicle), bộ đôi tên lửa đẩy nhiên liệu rắn có thể thu hồi (SRBs - Solid Rocket Boosters), và bình nhiên liệu ngoài (ET - External Tank) có chứa khí hi-dro lỏng và ôxy lỏng. Tàu con thoi được phóng thẳng đứng, như một tên lửa thường, với hai tên lửa được phóng song song với 3 động cơ chính của tàu vũ trụ, được bình nhiên liệu ngoài cung cấp nhiên liệu. Bộ đôi tên lửa được thả ra trước khi tàu vũ trụ đạt tới quỹ đạo, và bình nhiên liệu ngoài được vứt bỏ trước khi tàu bắt đầu quá trình đạt tới quỹ đạo, lúc ấy tàu sẽ sử dụng đến 2 động cơ điều khiển quỹ đạo (OMS - Orbital Manuevering System).

Khi kết thúc nhiệm vụ, tàu sẽ sử dụng tiếp 2 động cơ điều khiển quỹ đạo để rời quỹ đạo và tái nhập vào bầu khí quyển. Tàu sẽ lượn tới một đường băng hạ cánh trên Hồ khô Rogers ở Căn cứ Không Quân Edwards ở California, hoặc tại Khu hạ cánh Tàu con thoi ở Trung tâm vũ Trụ Kennedy. Nếu tàu hạ cánh ở Edwards, tàu sẽ được bay trở lại Trung tâm vũ trụ Kennedy trên Máy bay chở Tàu con thoi, một chiếc Boeing 747 đã được sửa đổi.

Tàu vũ trụ đầu tiên, Enterprise, được chế tạo cho những chuyến bay thử nghiệm hạ cánh và tiếp cận và hoàn toàn không đủ khả năng cho một chuyến bay trên quỹ đạo ngoài vũ trụ. 4 tàu vũ trụ đầu tiên được chế tạo cho chuyến bay vũ trụ là: Columbia, Challenger, Discovery, và Atlantis.

Trong số này, Challenger và Columbia đã bị phá hủy trong tai nạn năm 1986 và 2003 theo thứ tự, và tổng cộng 14 phi hành gia đã thiệt mạng. Tàu vũ trụ thứ 5, Endeavour, được chế tạo vào năm 1991 để thay thế tàu Challenger. Tàu con thoi chính thức kết thúc và về hưu ở nhiệm vụ cuối cùng của tàu Atlantis vào ngày 21 tháng 7 năm 2011.

Chương trình tàu con thoi là một trong những chương trình không gian tốn kém lớn cho nước Mỹ. Chi phí cho mỗi lần phóng tàu con thoi lên đến 500 triệu USD bao gồm chi phí cho hàng tháng bảo trì và chuẩn bị các bước giữa hai lần bay, các hệ thống thủy lực và điện tử dùng trong bệ phóng... Tổng cộng trong 30 năm hoạt động, chương trình tàu con thoi đã ngốn đến 196 tỉ USD từ ngân sách liên bang Mỹ.