Bảng tính toán nhiên liệu tàu vũ trụ năm 2024

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 7,9km/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.

Tên lửa bay được là nhờ vào việc chất khí phụt ra phía sau tạo nên một phản lực.

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 4.000m/s, để đạt được tốc độ thoát ly là 11,2km/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 7,9km/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 2,5km/s, tỷ lệ giữa trọng lượng nhiên liệu và vỏ là 4/1, như vậy muốn cho một con tàu nặng 30kg ở tầng cuối đạt được tốc độ 12km/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.

Tên lửa Ouroboros-3 có khả năng tạo ra cuộc cách mạng về xử lý rác không gian nhờ cơ chế hoạt động đặc biệt (Ảnh: Đại học Glasgow).

Trong bối cảnh rác vũ trụ đang tràn ngập trên quỹ đạo tầm thấp của Trái Đất bởi ngày càng có nhiều cuộc phóng tên lửa vào vũ trụ, thì việc giải bài toán nhức nhối này là điều không dễ dàng.

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Glasgow (Scotland) đã tìm ra giải pháp liên quan đến việc sử dụng chính tên lửa để làm nhiên liệu cho quá trình phóng.

Cụ thể, đây là nguyên mẫu tên lửa Ouroboros-3 - vốn được đặt theo một con quái vật mình rắn trong truyền thuyết Ai Cập có thể ăn đuôi của chính nó.

Trong video thử nghiệm, có thể thấy tên lửa Ouroboros-3 bị thu nhỏ chiều dài do thân của nó bị đốt cháy trong quá trình phóng mô phỏng.

Tên lửa sử dụng nhiên liệu đẩy chính bao gồm oxy và propan lỏng. Nhưng sự đột phá nằm ở lớp bọc tên làm bằng ống nhựa polyetylen của Ouroboros-3. Lớp vỏ này sẽ cháy trong quá trình tên lửa hoạt động, từ đó bổ sung thêm lực đẩy.

Trong các lần bắn thử nghiệm, Ouroboros-3 tạo ra lực đẩy lên tới 100 newton. Kết quả này được xem là bước nền tảng quan trọng trên con đường phát triển một động cơ tên lửa tự hủy với đầy đủ chức năng.

So sánh kích thước tên lửa thử nghiệm Ouroboros-3 trước (trên) và sau quá trình đốt cháy (Ảnh: Đại học Glasgow).

Các nhà khoa học tin rằng nếu công nghệ này được áp dụng, khi tên lửa hoàn tất các giai đoạn đốt cháy, nó sẽ giảm đáng kể kích thước và khối lượng, thậm chí là tiêu biến hoàn toàn sau khi hoàn thành nhiệm vụ của mình.

Đây là điều đặc biệt ý nghĩa, bởi tên lửa thông thường ngày nay thường lưu trữ nhiên liệu ở các giai đoạn riêng biệt, và sẽ đẩy các buồng chứa ra sau khi cạn kiệt. Rốt cuộc, chúng sẽ lại trở thành một mảnh rác vũ trụ trên quỹ đạo.

Sự trỗi dậy của ngành công nghiệp vũ trụ thương mại là nguyên nhân chính dẫn đến làn sóng này, song nó cũng đặt ra mối lo ngại ngày càng tăng về rác trong không gian. Chúng vốn tiềm ẩn nhiều nguy hiểm, bao gồm nguy cơ va chạm với tàu vũ trụ khác hoặc rơi xuống Trái Đất.

Mới đây, các nhà khoa học của NASA đã tìm thấy chất gây ô nhiễm - cụ thể là các hợp chất hóa học được pha loãng, nằm trong lớp không khí mỏng, nguyên sơ, ở tầng bình lưu, cách Trái Đất khoảng 50 km.

Các thành phần bên trong "mớ rác" hỗn độn này là lithium, nhôm, đồng và chì. Đây đều là những vật liệu có bên trong tàu vũ trụ, tên lửa, tàu thăm dò... được phóng lên bầu khí quyển, rồi tự hủy thông qua quá trình trở lại bề mặt.

Trong số này, có những hợp chất đặc biệt nguy hiểm, như oxit nhôm, sản phẩm của quá trình đốt cháy hợp kim gốc nhôm, được biết đến với khả năng phá hủy tầng ozone.

Trước đó, các thống kê cũng cho thấy số lượng vệ tinh và xác tên lửa quay quanh Trái Đất đã tăng theo cấp số nhân trong những năm gần đây. Vào năm 2023, ước tính có khoảng 9,1 tỉ tấn rác trôi dạt ngoài không gian. Con số có thể lên đến 15,1 tỉ tấn vào năm 2050.