skkn ứng dụng định luật bảo toàn động lượng chế tạo tên lửa nước và động cơ hơi nước

Từ việc tìm ra những quy luật vận động của thế giới tự nhiên, các nhà vật lý đã tìm ra những định luật, những nguyên lý, những lý thuyết để giải thích và làm cơ sở để các nhà khoa học áp

A MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài:

Vật lý học là môn học thực nghiệm và có vai trò hết sức quan trọng đối với sự phát triển của nhân loại Từ việc tìm ra những quy luật vận động của thế giới tự nhiên, các nhà vật lý đã tìm ra những định luật, những nguyên lý, những lý thuyết để giải thích và làm cơ sở để các nhà khoa học áp dụng vào thực tiễn Có thể nói sự phát triển của Khoa học kĩ thuật là thành quả của sự phát triển của Vật lý học và tất nhiên theo đó là sự phát triển về mọi mặt của nhân loại Từ thế kĩ 17, với sự ra đời của cơ học Newton đã tạo một tiền đề để nhân loại tiến một bước dài chưa từng có

Ngày hôm nay chúng ta đã có một cuộc sống vô cùng hiện đại Sự ứng dụng của cơ

và nhiệt đã cho chúng ta có những phương tiện di chuyển góp phần rút ngắn thời gian

và tăng hiệu quả lao động Sự ứng dụng điện và quang làm cuộc sống chúng ta ngày càng tinh vi hơn… Có thể nói không có góc độ nào của cuộc sống không có mặt của Vật lý học Tất cả các định luật và lý thuyết Vật lý đều có một nghĩa sâu sắc đối với thực tiễn Một trong những định luật quan trọng đã đưa con người vươn tầm với của mình ra xa vũ trụ đó là định luật bảo toàn động lượng

Đối với việc dạy học Vật lý trong nhà trường phổ thông, nhiệm vụ của người giáo viên không chỉ truyền thụ cho học sinh những kiến thức cơ bản của khoa học Vật lý,

mở ra cho học sinh một thế giới quan, làm cho học sinh thấy được vai trò của Vật lý mà còn mang đến cho học sinh tình cảm đối với môn học Gợi lên trong học sinh một ý thức và sở thích nghiên cứu khoa học Vật lý Điều đó góp phần làm tăng hiệu quả dạy học nói chung và dạy – học Vật lý nói riêng Vì thế ngoài việc dạy và học theo chương trình sách giáo khoa, người giáo viên cần có những thông tin để học sinh thấy được Vật

lý học phát triển không ngừng và gắn liền với thực tiễn Bên cạnh đó cần có những buổi ngoại khoá để tạo sân chơi, tạo điều kiện cho học sinh nghiên cứu, tìm hiểu và thực hiện ứng dụng Vật lý vào đời sống

Một chương trình ngoại khoá sẽ thật sự hấp dẫn và hiệu quả nếu chúng ta kết hợp một sân chơi về kiến thức Vật lý và ứng dụng chế tạo những thí nghiệm, những mô hình đơn giản mà học sinh có thể làm được Định luật bảo toàn động lượng là một định luật được áp dụng rất nhiều trong việc chế tạo những động cơ chuyển động bằng phản lực Nó rất gần rủi với thực tế đồng thời học sinh hoàn toàn có thể chế tạo các mô hình

úng dụng của nó Đó là lý do tôi lựa chọn đề tài “Ứng dụng định luật Bảo toàn động lượng chế tạo tên lửa nước và động cơ hơi nước”

II Mục tiêu và hướng phát triển đề tài

Đề tài chỉ là một sáng kiến rất nhỏ với mong muốn mang lại sân chơi lành mạnh cho học sinh giúp học sinh giảm bớt căng thẳng sau những ngày học mệt nhọc Giúp học sinh có được hứng thú và tình yêu đối với môn học, thấy được ý nghĩa của Vật lý học đối với đời sống Qua đó sẽ làm nâng cao hiệu quả giáo dục nói chung và Vật lý nói riêng

Đề tài có thể áp dụng đối với một tập thể lớp nào đó, cũng có thể áp dụng cho một chương trình ngoại khoá lớn của trường Hoặc đơn giản hơn là giúp các em học sinh có điều kiện làm quen, tự mình có thể thiết kế những mô hình đồ chơi về tên lửa nước, động cơ hơi nước… nhằm thư giản và phát triển óc sáng tạo, kĩ năng, thẫm mĩ và tình yêu đối với khoa học thực nghiệm

Đề tài có trình bày khá đầy đủ về lịch sử phát triển tên lửa và các bước thực hiện chế tạo tên lửa nước và động cơ hơi nước có thể làm tài liệu tham khảo cho tất cả các Giáo viên và Học sinh yêu thích Vật lý và thực nghiệm

Một chương trình ngoại khoá sẽ có rất nhiều nội dung, và cần sự chuẩn bị rất chu đáo của một tập thể Vì phạm vi giới hạn của đề tài và quỹ thời không nhiều, đề tài chỉ xin nêu một phần nhỏ là ứng dụng của Định luật bảo toàn động lượng để thiết kế những

mô hình của chuyển động bằng phản lực mà không đi sâu vào tổ chức một chương trình ngoại khoá Có thể trong những đề tài tiếp theo sẽ mở rộng ra làm thế nào để tổ chức thành công một chương trình ngoại khóa Đó cũng là hướng phát triển của đề tài

B NỘI DUNG ĐỀ TÀI

I Cơ sở đề tài - Định luật bảo toàn động lượng:

Định luật bảo toàn động lượng là một định luật hết sức quan trọng trong chương trình vật lý phổ thông Nó mở đầu chương các định luật bảo toàn của sách giáo khoa Vật lý

10 Việc ứng dụng Định luật bảo toàn động lượng vào cuộc sống rất phổ biến Ta có thể bắt gặp ở chuyển động của tên lửa, máy bay phản lực, chuyển động của pháo thăng thiên, chuyển động giật lùi của súng và khẩu đại bác khi bắn, chuyển động của các con vật ở dưới nước như bạch tuột… và gần gũi hơn là chuyển động của quả bong bóng sau khi được thổi đầy hơi v.v

Đề tài nhằm mục tiêu giúp học sinh ứng dụng Định luật bảo toàn động lượng thiết

kế các “động cơ” chuyển động bằng phản lực đơn giản Nhưng trước hết để học sinh có thể làm được thì cần hiểu rõ nội dung của định luật Bảo toàn động lượng cũng như chuyển động bằng phản lực

1 Hệ cô lập ( hệ kín)

Một hệ vật ( gồm nhiều vật) được gọi là hệ kín nếu chỉ có những lực của các vật trong

hệ tác dụng lẫn nhau ( nội lực) mà không có tác dụng từ các vật bên ngoài hệ ( ngoại lực), hoặc nếu có thì các lực này phải tự triệt tiêu lẫn nhau

Ví dụ như xét sự tương tác của 2 viên bi va chạm nhau trên mặt phẳng nằm ngang, nếu

bỏ qua mọi ma sát thì chúng chỉ còn lực xuất hiện khi tương tác, trọng lực và phản lực là hai ngoại lực đã triệt tiêu Hệ hai viên bi này có thể xem là kín

2 Động lượng

Động lượng là một đại lượng vật lý được đo bằng tích của khối lượng và vận tốc của vật

Động lượng là đại lượng vec tơ urpm v.r

Có hướng cùng hướng với vec tơ vận tốc, có đơn vị kgm/s trong hệ SI

3 Định luật bảo toàn động lượng

Xét hai viên bi có khối lượng m1 và m2 chuyển động trên mặt phẳng nằm ngang không

ma sát với vận tốc vur1 và vuur2 hướng vào nhau Gọi '

1

v

uur

và ' 2

v

uur

là vận tốc của chúng sau tương tác

Theo Định luật III Newton thì : Fuur1  Fuur2

Theo định luật II Newton ta suy ra: m a1 1ur  m a2uur2

Gọi t là thời gian tương tác ta được :

1(v v ) 2(v v )

' '

1 ( 1 1 ) 2 ( 2 2 )

 uurur   uuruur ' '

1 1 1 1 2 2 2 2

 uur ur   uur uur ' '

2 2 1 1 2 2 1 1

 uur ur  uur uur Purt Puurs

Vậy trong một hệ cô lập, tổng động lượng của hệ trước tương tác và tổng động lượng của hệ sau trương tác không đổi Tức tổng động lượng của hệ kín được bảo toàn

4 Xung lượng của lực

r ur

ur r

suy ra   urp urF. t

 ur ur r là độ biến thiên động lượng của vật hay hệ vật Đại lượng F tur. gọi là xung lượng của lực

5 Chuyển động bằng phản lực

Trong một hệ kín đứng yên, nếu có một phần của vật chuyển động theo một hướng, phần còn lại chuyển động theo hướng ngước lại, chuyển động theo nguyên tắc đó gọi là chuyển động bằng phản lực

Ví dụ xét một khẩu đại bác đang đứng yên có khối lượng M, mang viên đạn m Bắn viên đạn theo phương nằm ngang với vận tốc v

r

về phía trước Bỏ qua mọi ma sát, hệ khẩu đại bác và viên đạn trước và sau khi bắn là hệ kín Gọi Vur là vận tốc khẩu đại bác Theo định luật bảo toàn động lượng ta có:

0r MVurmvr

mv V

M

  

r ur

Vậy sau khi bắn khẩu đại bác giật lùi trở lại phía sau Đó là chuyển động bằng phản lực

Vì thế khẩu đại bác thường được thiết kế rất nặng so với đạn để khi bắn khẩu đại bác ít

bị giật lùi Cũng giống như khi bắn súng trường, ta thường phải áp bán súng rất chặt vào bả vai để hạn chế sự giật lùi của súng, làm tăng độ chính xác khi bắn mục tiêu

6 Động cơ phản lực và tên lửa

Những chiếc máy bay phản lực hiện đại có tốc độ khoảng 900km/h đến hơn 1300km/h Động cơ được thiết kế ở phần đầu có máy hút và nén khí Khi nhiên liệu cháy, hỗn hợp khí sinh ra bị đẩy về phía sau tạo ra phản lực đẩy máy bay về trước, đồng thời làm quay tuabin của máy nén Động cơ tên lửa cũng hoạt động theo cùng nguyên tắc nhưng chỉ khác động cơ tên lửa không cần đến môi trường khí quyển bên ngoài, tức là động cơ tên lửa chỉ đốt cháy phần nhiên liệu mang theo và khí phụt ra ngoài gay nên phản lực chứ không cần hút không khí từ bên ngoài vào

II Lịch sử phát triển tên lửa và chinh phục vũ trụ

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 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

Vào năm 1232, 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

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

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

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

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

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 tầm 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

Những thí nghiệm sớm nhất của Goddard là bắt đầu với các tên lửa chất đẩy rắn Năm

1915, ông bắt đầu thử những loại nhiên liệu rắn khác nhau và đo vận tốc thải ra của các chất khí cháy.Trong khi nghiên cứu về các tên lửa chất đẩy rắn, Goddard trở nên bị thuyết phục là một tên lửa có thể được đẩy tốt hơn bằng nhiên liệu lỏng Trước đó, chưa ai từng chế tạo thành công một tên lửa chất đẩy lỏng Các bể chứa nhiên liệu và oxygen, tuabin và buồng đốt sẽ là cần thiết Bất chấp những khó khăn ấy, Goddard đã thu được chuyến bay thành công đầu tiên với một tên lửa chất đẩy lỏng vào hôm 16 tháng 3 năm 1926 Được cấp nhiêu liệu bằng oxygen lỏng và xăng, chiếc tên lửa chỉ bay trong 2 phút rưỡi, lên cao 12,5 mét, và tiếp đất cách bệ phóng 56 mét Theo các tiêu chuẩn ngày nay, chuyến bay ấy chẳng

có gì ấn tượng, nhưng giống như chuyến bay thử nghiệm máy bay có động cơ đẩy đầu tiên

do anh em nhà Wright thực hiện vào năm 1903, tên lửa nhiên liệu xăng của Goddard trở thành vật báo hiệu cho một kỉ nguyên hoàn toàn mới trong công nghệ bay tên lửa

Một nhà tiên phong vũ trụ lớn thứ ba, Hermann Oberth (1894-1989) ở nước Đức, cho xuất bản một quyển sách vào năm 1923 về sự du hành tên lửa vào không gian vũ trụ bên ngoài Các tác phẩm của ông thật quan trọng Vì có chúng, nhiều hội tên lửa nhỏ đã xuất hiện trên khắp thế giới Ở Đức, sự thành lập của một hiệp hội kiểu như thế, Verein fur

Raumschiffahrt (Hội Du hành không gian), đã dẫn đến sự phát triển tên lửa V-2, phương tiện người Đức đã sử dụng để chống lại London vào Thế chiến thứ hai Năm 1937, các kĩ

sư và nhà khoa học người Đức, trong đó có Oberth, đã tập trung tại Peenemunde, trên vùng duyên hải biển Baltic Ở đó, dưới sự chỉ đạo của Wernher von Braun, các kĩ sư và nhà khoa học đã chế tạo và cho bay chiếc tên lửa tiên tiến nhất lúc bấy giờ

Tên lửa V-2 (ở Đức gọi là A-4) có kích thước nhỏ so với các tên lửa ngày nay Nó thu được sức đẩy lớn nhờ vào việc đốt cháy oxygen lỏng và cồn ở tốc độ khoảng một tấn mỗi 7 giây Một khi phóng lên, V-2 là thứ vũ khí kinh khủng, có thể phá hủy toàn bộ nhà cửa trong thành phố

Thật may cho London và quân Đồng Minh, V-2 xuất hiện quá muộn trong cuộc chiến để làm thay đổi cục diện của nó Tuy nhiên, vào cuối cuộc chiến, các nhà khoa học và kĩ sư tên lửa người Đức đã có kế hoạch triển khai các tên lửa đạn đạo tiên tiến có khả năng vượt Đại Tây Dương và đáp xuống nước Mĩ Những tên lửa đạn đạo này có gắn cánh ở những tầng trên, nhưng sức mang tải trọng rất nhỏ

Với sự đầu hàng của nước Đức, quân Đồng Minh đã thu giữ được nhiều tên lửa và bộ phận tên lửa chưa sử dụng Nhiều nhà khoa học tên lửa người Đức đã đến Mĩ Những người khác thì sang Liên Xô Các nhà khoa học Đức, kể cả Wernher von Braun, đã thật bất ngờ trước tiến bộ mà Goddard đạt được

Cả Mĩ và Liên Xô đều nhận ra tiềm năng của tên lửa học là một loại vũ khí quân sự và bắt đầu cho triển khai nhiều chương trình thực nghiệm đa dạng Lúc đầu, nước Mĩ bắt đầu một chương trình với tên lửa âm khí quyển cao độ lớn, một trong những ý tưởng đầu tiên của Goddard Sau đó, họ phát triển nhiều tên lửa liên lục địa tầm trung và tầm xa Những tên lửa này trở thành xuất phát điểm cho chương trình vũ trụ của nước Mĩ Các tên lửa đạn đạo như Redstone, Atlas, và Titan cuối cùng đã phóng đưa các nhà du hành vũ trụ vào không gian

Ngày 4 tháng 10 năm 1957, Liên Xô đã làm cả thế giới sửng sốt bởi việc phóng một vệ tinh nhân tạo bay vòng quanh Trái đất Gọi tên là Sputnik 1, vệ tinh ấy là bước đi thành công đầu tiên trong cuộc chạy đua không gian giữa hai siêu cường quốc Chưa đầy một tháng sau, Liên Xô tiếp tục phóng một vệ tinh mang một con chó tên là Laika lên quỹ đạo Laika sống sót trong không gian trong bảy ngày trước khi được đưa vào trạng thái ngủ vĩnh viễn trước lúc nguồn cấp oxygen cạn kiệt

Một vài tháng sau vệ tinh Sputnik đầu tiên, nước Mĩ đã đuổi theo Liên Xô với một vệ tinh của riêng họ Quân đội Mĩ phóng Explorer-1 vào hôm 31 tháng 1 năm 1958 Tháng 10 năm

ấy, Mĩ chính thức tổ chức chương trình không gian của họ bởi việc thành lập Ban quản trị quốc gia về Hàng không học và Vũ trụ (NASA) NASA trở thành một cơ quan dân sự với mục tiêu thám hiểm vũ trụ cho mục đích hòa bình vì lợi ích của toàn nhân loại

Không lâu sau đó, các tên lửa đã đưa nhiều người và máy móc vào không gian Các nhà du hành đã bay vòng quanh Trái đất và đặt chân xuống Mặt trăng Những phi thuyền rô-bôt đã

đi đến những hành tinh khác Không gian bất ngờ mở ra trước sự khảo sát và khai thác thương mại Vệ tinh cho phép các nhà khoa học nghiên cứu toàn bộ thế giới, dự báo thời tiết và truyền thông tức thời trên khắp địa cầu Nhu cầu đưa những tải trọng ngày một nhiều hơn và lớn hơn đã tạo ra nhu cầu phát triển nhiều loại tên lửa mới, đa dạng, và linh hoạt

Chương trình khoa học thám hiểm vũ trụ bằng các phi thuyền rô-bôt đã có bước phát triển vượt bậc Cả Nga và Mĩ đều bắt đầu các chương trình nghiên cứu Mặt trăng Việc phát triển kĩ thuật khảo sát mặt trăng trên phương diện vật lí trở thành một thách thức hàng đầu Chỉ trong 9 tháng sau Explorer 1, nước Mĩ đã phóng phi thuyền mặt trăng đầu tiên có người lái, nhưng động cơ phóng, một tên lửa Atlas gắn với một tầng trên Able, đã hỏng hóc

45 giây sau khi cất lên khi tải trọng đang thoát ra khỏi tên lửa Người Nga thành công hơn với Luna 1, con tàu bay qua Mặt trăng vào tháng 1 năm 1959 Cuối năm đó, chương trình Luna đã thực hiện một chuyến khảo sát toàn Mặt trăng, chụp những bức ảnh đầu tiên của mặt tối bên kia của nó Từ 1958 đến 1960, nước Mĩ gửi lên một loạt sứ mệnh, các tàu thám hiểm Mặt trăng Pioneer, để chụp ảnh và thu thập dữ liệu khoa học về Mặt trăng Những con tàu thám hiểm này nói chung không thành công, chủ yếu do các động cơ phóng gặp thất bại Chỉ một trong tám phi thuyền này hoàn thành sứ mệnh dự tính của nó đi lên Mặt trăng, mặc dù một số phi thuyền, bị mắc cạn trên quỹ đạo giữa Trái đất và Mặt trăng, thật

sự mang lại những thông tin quan trọng về số lượng và tầm rộng của các vành đai bức xạ xung quanh Trái đất Nước Mĩ dường như bị Liên Xô bỏ xa lại phía sau trong chương trình không gian

Với mỗi lần phóng, những chuyến bay vũ trụ có người lái ngày một trở nên gần hơn với thực tại Tháng 4 năm 1961, một người Nga tên là Yuri Gagarin đã trở thành người đầu tiên bay vòng quanh Trái đất Chưa đầy một tháng sau đó, nước Mĩ đưa người Mĩ đầu tiên, Alan Shepard, vào vũ trụ Chuyến bay ấy là một chuyến nửa quỹ đạo đánh võng vào vũ trụ, sau đó lập tức quay về Trái đất Tên lửa Redstone không đủ mạnh để đưa tổ hợp Mercury vào quỹ đạo Chuyến bay chỉ kéo dài hơn 15 phút một chút và đạt tới độ cao 187 km Alan Shepard đã trải qua khoảng 5 phút không trọng lượng khi quay về Trái đất, trong đó ông đã gặp các lực lớn hơn lực hấp dẫn đến 12 lần 20 ngày sau đó, mặc dù vẫn đứng sau Liên Xô

về mặt công nghệ, nhưng tổng thống Mĩ John Kennedy đã tuyên bố mục tiêu đưa con người lên Mặt trăng vào cuối thập kỉ ấy

Tháng 2 năm 1962, John Glen trở thành người Mĩ đầu tiên bay vòng quanh Trái đất trong một tổ hợp nhỏ chứa nhiều thiết bị đến mức ông chỉ đủ chỗ để ngồi Được phóng lên bởi một tên lửa Atlas mạnh hơn, John Glen ở trên quỹ đạo 4 giờ 55 phút trước khi lao xuống làm bắn tung tóe nước trên Đại Tây Dương Chương trình Mercury có tổng cộng 6 lần phóng: hai chuyến nửa quỹ đạo và bốn chuyến trọn quỹ đạo Những lần phóng phi thuyền này đã chứng minh cho khả năng của nước Mĩ đưa con người lên quỹ đạo, cho phép phi hành đoàn làm việc trong vũ trụ, điều khiển phi thuyền, và thực hiện các quan sát khoa học Tiếp sau đó, nước Mĩ bắt đầu mở rộng chương trình không người lái nhắm tới việc củng cố chương trình có người lái hạ cánh xuống mặt trăng Ba dự án độc lập đã thu thập thông tin

về những địa điểm hạ cánh và những số liệu khác về bề mặt mặt trăng và môi trường xung quanh Trước tiên là chuỗi chương trình Ranger, là nỗ lực đầu tiên của nước Mĩ nhắm tới chụp ảnh cận cảnh Mặt trăng Phi thuyền đã chụp hàng nghìn bức ảnh đen trắng của Mặt

trăng khi nó hạ độ cao và rồi lao vào bề mặt mặt trăng Mặc dù loạt chương trình Ranger mang lại những số liệu rất cụ thể, nhưng những người lập kế hoạch cho sứ mệnh Apollo sắp tới vẫn muốn có thêm nhiều dữ liệu nữa

Hai chương trình mặt trăng sau kia được thiết kế để làm việc chung với nhau Lunar Obiter cung cấp một bản đồ phạm vi rộng của bề mặt mặt trăng Surveyor cung cấp những bức ảnh chụp màu chi tiết của bề mặt mặt trăng cũng như số liệu về các nguyên tố của lớp trầm tích mặt trăng và một bản đánh giá khả năng của lớp trầm tích chịu đỡ sức nặng của phi thuyền hạ cánh có người lái Khi khảo sát cả hai bộ dữ liệu, các nhà lập kế hoạch có thể nhận ra những địa điểm thích hợp cho việc hạ cánh có người lái Tuy nhiên, có một vướng mắc đáng kể, đó là phi thuyền Surveyor quá lớn để phóng lên bằng những tên lửa

Atlas/Agena hiện có, cho nên người ta đã phát triển thêm một tầng năng lượng cao nữa gọi

là Centaur để thay thế Agena đặc biệt trong sứ mệnh này Tầng trên Centaur sử dụng hiệu quả các chất đẩy hydrogen và oxygen, làm thay đổi ngoạn mục hiệu suất của nó, nhưng nhiệt độ siêu lạnh và bản chất dễ nổ mang lại những thách thức kĩ thuật đáng kể Ngoài ra, người ta đã chế tạo các bình Centaur bằng thép không gỉ mỏng để tiết kiệm trọng lượng vốn quý báu Phải duy trì áp suất vừa phải trong bình để ngăn không cho nó tự co lại Viêc chế tạo tên lửa đang định hình lại khả năng thám hiểm Mặt trăng của nước Mĩ

Gemini là tổ hợp thứ hai có người lái do nước Mĩ phát triển Nó được thiết kế để mang theo hai phi hành gia và được phóng lên trên những phương tiện phóng lớn nhất khi ấy – Titan II Sự ủy thác của tổng thống Kennedy đã làm thay đổi đáng kể sứ mệnh Gemini từ mục tiêu chung là mở rộng sự trải nghiệm trong không gian sang chuẩn bị cho một chuyến

hạ cánh có người lái xuống Mặt trăng Nó đã lát đường cho chương trình Apollo bởi việc chứng minh sự gặp gỡ và ghép nối cần thiết cho tàu hạ cánh mặt trăng quay trở lại phi thuyền đang quay xung quanh mặt trăng, thao tác ngoài tàu vũ trụ đang bay (EVA) cần thiết cho sự thám hiểm bề mặt mặt trăng và bất kì sự sửa chữa khẩn cấp nào, và cuối cùng

là khả năng của con người đảm đương vai trò trong tám ngày hành trình của sứ mệnh mặt trăng có người lái Chương trình Gemini đã phóng lên 10 sứ mệnh có người lái vào năm

1965 và 1966, tám chuyến bay gặp gỡ và ghép nối với các tầng không người lái trong quỹ đạo quanh Trái đất và bảy chuyến thực hiện EVA

Việc đưa con người lên mặt trăng đòi hỏi những tên lửa phóng lớn hơn những tên lửa sẵn

có Để đạt được mục tiêu này, nước Mĩ đã phát triển tên lửa phóng Saturn Capsule Apollo, hay mô-đun điều khiển, chứa phi hành đoàn ba người Capsule ấy đưa các nhà du hành vào quỹ đạo xung quanh Mặt trăng, tại đó hai nhà du hành chuyển sang một mô-đun mặt trăng

và hạ cánh xuống bề mặt mặt trăng Sau khi hoàn thành sứ mệnh mặt trăng, phần trên của mô-đun mặt trăng trở lại quỹ đạo ghép nối với capsule Apollo Các nhà du hành đã di chuyển ngược về mô-đun điều khiển và một mô-đun phục vụ, với một động cơ, đẩy họ về phía Trái đất Sau bốn chuyến bay kiểm tra có người lái, nhà du hành Apollo 11 Neil

Armstrong đã trở thành đã trở thành người đầu tiên đặt chân lên mặt trăng Nước Mĩ trở lại với bề mặt mặt trăng hơn năm lần trước khi chương trình mặt trăng có người lái kết thúc Sau chương trình mặt trăng, chương trình Apollo và tên lửa đẩy Saturn đã phóng Skylab, trạm không gian đầu tiên của nước Mĩ Một phiên bản nhỏ hơn của tên lửa Saturn đã đưa phi hành đoàn người Mĩ lên gặp gỡ trong không gian lần đầu tiên giữa Mĩ và Nga trong sứ mệnh Apollo-Soyuz.Trong chương trình mặt trăng có người lái này, các tên lửa phóng không người lái đã đưa nhiều vệ tinh lên nghiên cứu hành tinh của chúng ta, dự báo thời tiết, và truyền thông tức thời trên khắp thế giới Ngoài ra, các nhà khoa học đã bắt đầu khảo sát những hành tinh khác Mariner 2 đã bay thành công xung quanh Kim tinh vào năm

1962, trở thành tàu thăm dò đầu tiên bay qua một hành tinh khác Chương trình vũ trụ liên hành tinh của Mĩ đã mang lại một loạt đợt phóng thành công đến bất ngờ Chương trình ấy