Tên lửa bay nhờ bảo toàn động lượng: nó phụt một khối lượng khí rất lớn ra phía sau với vận tốc rất cao, và nhận lại động lượng bằng như thế về phía trước. Tên lửa không cần "đẩy vào không khí", nên bay được cả trong chân không — thật ra còn bay hiệu quả hơn. Tốc độ cuối cùng của tên lửa phụ thuộc vào vận tốc khí phụt ra và tỉ lệ giữa khối lượng lúc đầy nhiên liệu với lúc cạn, theo phương trình Tsiolkovsky công bố năm 1903.
Nguyên lý: quả bóng bay xì hơi phóng to
Thổi căng một quả bóng bay rồi thả tay, bóng lao vút đi. Không khí bị ép trong bóng phụt ra miệng bóng về một phía, bóng bị đẩy về phía ngược lại. Tổng động lượng của bóng và khí trước khi thả bằng không, sau khi thả vẫn phải bằng không: khí đi về sau bao nhiêu động lượng, bóng đi về trước bấy nhiêu.
Tên lửa làm đúng như vậy, chỉ khác là khí phụt ra là sản phẩm cháy của nhiên liệu, nóng hàng nghìn độ, thoát ra qua miệng phun với vận tốc khoảng 2–4,5 km/s.
Một cách nhìn khác bằng định luật III: khí cháy trong buồng đốt ép lên mọi phía của thành buồng. Phía miệng phun hở, khí thoát ra; phía đối diện thì bị ép, đẩy tên lửa về trước. Lực đẩy của tên lửa là lực khí ép lên chính thân tên lửa, không phải lực đẩy vào không khí bên ngoài.
Vì sao tên lửa bay được trong chân không
Năm 1920, sau khi nhà khoa học Mỹ Robert Goddard công bố bài báo về khả năng dùng tên lửa bay lên Mặt Trăng, tờ The New York Times đăng bài xã luận chế giễu ông, cho rằng tên lửa không thể bay trong chân không vì "không có gì để đẩy vào", và rằng Goddard dường như thiếu kiến thức vật lý phổ thông.
Ngày 17 tháng 7 năm 1969, một ngày sau khi Apollo 11 rời bệ phóng lên Mặt Trăng, tờ báo đăng một đính chính ngắn, thừa nhận rằng tên lửa hoạt động được trong chân không cũng như trong khí quyển, và "lấy làm tiếc về lỗi sai". Goddard đã mất năm 1945, không kịp đọc lời xin lỗi.
Thực ra, trong chân không tên lửa còn hiệu quả hơn, vì khí phụt ra không bị áp suất không khí bên ngoài cản lại. Động cơ tên lửa dùng ở tầng trên (hoạt động ngoài khí quyển) thường có miệng phun to và dài hơn động cơ tầng một để tận dụng điều này.
Phương trình tên lửa Tsiolkovsky
Năm 1903, thầy giáo người Nga Konstantin Tsiolkovsky công bố một phương trình đơn giản cho tốc độ mà tên lửa có thể đạt được:
Δv = ve · ln(m0 / mf)
- Δv: độ tăng vận tốc của tên lửa.
- ve: vận tốc khí phụt ra so với tên lửa.
- m0: khối lượng lúc đầy nhiên liệu; mf: khối lượng lúc nhiên liệu đã đốt hết.
- ln: logarit tự nhiên.
Điều đáng sợ nằm ở chữ "ln". Muốn tăng gấp đôi vận tốc cuối, không thể chỉ gấp đôi nhiên liệu; tỉ lệ khối lượng phải tăng theo hàm mũ.
| Tỉ lệ m0/mf | Nhiên liệu chiếm bao nhiêu % khối lượng lúc đầu | Δv với ve = 3 km/s |
|---|---|---|
| 2 | 50% | khoảng 2,1 km/s |
| 5 | 80% | khoảng 4,8 km/s |
| 10 | 90% | khoảng 6,9 km/s |
| 20 | 95% | khoảng 9,0 km/s |
Để bay vào quỹ đạo thấp quanh Trái Đất, tên lửa cần đạt khoảng 7,8 km/s, cộng thêm phần bù cho lực cản không khí và trọng lực trong lúc bay lên — tổng cộng thường cần khoảng 9–10 km/s. Theo bảng trên, nhiên liệu phải chiếm khoảng 95% khối lượng, chỉ còn 5% cho thân, động cơ và hàng hoá. Đó là lý do tên lửa vũ trụ trông như một "bình nhiên liệu khổng lồ có gắn mũi nhọn".
Tên lửa nhiều tầng: vứt bỏ khối lượng thừa
Cách giải quyết bài toán tỉ lệ khối lượng là chia tên lửa thành nhiều tầng. Khi tầng dưới đốt hết nhiên liệu, cả thùng chứa rỗng và động cơ của nó bị tách bỏ. Tầng trên không phải kéo theo khối lượng vô ích đó nữa, nên tăng tốc hiệu quả hơn nhiều.
Tsiolkovsky đã đề xuất ý tưởng "đoàn tàu tên lửa" nhiều tầng từ đầu thế kỷ 20. Tên lửa Saturn V đưa người lên Mặt Trăng có ba tầng; lúc cất cánh nặng khoảng 2.900 tấn, phần lớn là nhiên liệu.
Những "tên lửa" trong tự nhiên và đời thường
- Mực và bạch tuộc hút nước vào khoang áo rồi bóp mạnh, phụt nước qua một ống hẹp để lao đi. Một số loài mực có thể phóng mình lên khỏi mặt nước.
- Sứa co bóp chiếc dù của mình để đẩy nước ra phía sau.
- Hạt cây dưa chuột phun (squirting cucumber) bắn hạt ra cùng dịch lỏng khi quả chín, quả bị đẩy theo hướng ngược lại.
- Tàu thuỷ phản lực, mô tô nước hút nước vào rồi phụt ra phía sau.
- Bình chữa cháy: khi xả, bình giật ngược về phía người cầm.
Tên lửa nước: thí nghiệm an toàn cho học sinh
Tên lửa nước làm từ chai nhựa đựng nước ngọt có ga là một hoạt động phổ biến ở các câu lạc bộ khoa học. Đổ khoảng một phần ba chai nước, gắn nút cao su có van, bơm không khí vào bằng bơm xe đạp. Khi áp suất đủ lớn, nút bật ra, nước bị khí nén đẩy phụt xuống, tên lửa vọt lên.
Vì sao phải có nước? Nước nặng hơn không khí nhiều, nên phụt nước ra mang đi động lượng lớn hơn hẳn so với chỉ phụt khí. Quá nhiều nước thì chai nặng, quá ít thì hết "khối lượng phụt" quá sớm; khoảng một phần ba thường cho kết quả tốt.
Lưu ý an toàn: chỉ dùng chai nhựa PET dành cho nước có ga (chịu áp tốt), không dùng chai thuỷ tinh hay chai đã nứt; bơm ở mức áp suất vừa phải; phóng ở bãi trống, mọi người đứng xa và không đứng ngay phía trên miệng phóng; người lớn giám sát.
Góc nhìn hôm nay: đọc tin phóng tên lửa với con mắt vật lý
- Khi đọc tin "tên lửa tách tầng", hãy nhớ đó là cách vứt bỏ khối lượng thừa để tận dụng phương trình Tsiolkovsky.
- Khi thấy động cơ tầng trên có miệng phun rất lớn, đó là thiết kế cho chân không.
- Khi thấy tên lửa tái sử dụng đáp xuống bằng động cơ, nó đang phụt khí xuống để hãm, cũng là bảo toàn động lượng theo chiều ngược lại.
Đọc thêm: trang giáo dục của NASA (Beginner's Guide to Rockets, Trung tâm Nghiên cứu Glenn) giải thích lực đẩy tên lửa bằng hình minh hoạ; sách Lịch sử du hành vũ trụ các loại cũng thường có chương về Tsiolkovsky và Goddard.
Câu hỏi thường gặp
Tên lửa bay theo nguyên lý nào?
Theo định luật bảo toàn động lượng: tên lửa phụt khí nóng ra phía sau với vận tốc rất lớn, khí mang động lượng về sau thì tên lửa nhận động lượng bằng như thế về phía trước. Cũng có thể giải thích bằng định luật III Newton.
Vì sao tên lửa bay được trong chân không?
Vì tên lửa không đẩy vào không khí mà đẩy vào chính khí phụt ra từ nó. Lực đẩy là do khí ép lên thành buồng đốt. Trong chân không, khí thoát ra không bị cản nên tên lửa còn hoạt động hiệu quả hơn.
Phương trình Tsiolkovsky là gì?
Là phương trình năm 1903 cho biết độ tăng vận tốc của tên lửa bằng vận tốc khí phụt nhân với logarit tự nhiên của tỉ số khối lượng lúc đầy và lúc cạn nhiên liệu. Nó giải thích vì sao tên lửa phải chứa nhiên liệu chiếm phần lớn khối lượng.
Vì sao tên lửa phải có nhiều tầng?
Để vứt bỏ thùng nhiên liệu rỗng và động cơ đã dùng xong, giảm khối lượng phải mang theo. Tầng trên nhẹ hơn nên tăng tốc hiệu quả hơn, giúp đạt vận tốc vào quỹ đạo mà một tầng duy nhất rất khó làm được.
Tên lửa nước vì sao phải đổ nước?
Nước nặng hơn không khí nhiều, nên khi bị khí nén đẩy phụt ra nó mang đi động lượng lớn hơn, đẩy tên lửa mạnh hơn. Khoảng một phần ba chai nước thường cho kết quả tốt.