Tên lửa nhiên liệu rắn: Cấu hình rãnh Khi đọc các tài liệu viết về tên lửa nhiên liệu rắn tiên tiến, ví dụ như các tên lửa đẩy dạng rắn của tàu con thoi, bạn thường đọc thấy những dòng n[r]
(1)TÊN LỬA HOẠT ĐỘNG NHƯ THẾ NÀO?? Một đáng ngạc nhiên người là thám hiểm gian Một phần lớn ngạc nhiên là tạp Thám hiểm gian thật phức tạp nhiều vấn đề cần và có quá chướng ngại phải Bạn có thứ này: nỗ lực mà thực không tính phức không vì có quá phải giải nhiều vượt qua - Chân không vũ - Vấn đề điều nhiệt - Khó khăn trở vào khí - Cơ học quỹ đạo - Tiểu thiên thạch mảnh vụn vũ trụ - Bức xạ vũ trụ và mặt trời - Hậu cầu việc thiết bị hoạt động trường không trọng trụ khiển Nhưng vấn đề lớn việc khai thác đủ lượng để đưa phi khỏi mặt đất Đó là tên lửa xuất là thuyền nơi động việc quay và các xạ có các môi lượng Một mặt, các động tên lửa đơn giản đến mức bạn có thể chế tạo và cho bay thử mẩu tên lửa riêng bạn với chi phí không đắt chút nào Nhưng mặt khác, các động tên lửa (và hệ thống nhiên liệu chúng) lại phức tạp đến mức có ba quốc gia thật đưa người lên trên quỹ đạo Trong bài viết này, chúng ta khảo sát các động tên lửa để tìm hiểu cách thức chúng hoạt động, đồng thời tìm hiểu số tính phức tạp xung quanh chúng (2) Khi đa số người nghĩ các động cơ, họ hay nghĩ tới chuyển động quay tròn Ví dụ, động xăng hoạt động xe tạo lượng quay để lái các bánh xe Một động điện tạo lượng quay để lái cánh quạt hay làm quay cái đĩa Một động nước dùng cho cái tương tự, đó là tuabin nước và đa số tuabin khí Các động tên lửa thì khác hoàn toàn Động tên lửa là động phản lực Nguyên tắc điều khiển động tên lửa là nguyên lí Newton tiếng phát biểu “với tác dụng, luôn luôn có phản tác dụng cùng độ lớn và ngược chiều” Động tên lửa phóng thích khối lượng theo hướng và thu lấy phản lực xuất hệ theo hướng ngược lại Khái niệm “ném khối lượng và thu lấy phản tác dụng” này ban đầu có thể khó lĩnh hội, vì điều đó không có vẻ là cái diễn Động tên lửa có vẻ là lửa và tiếng ồn và áp suất, hình không có “cái bị ném ra” Hãy lấy số thí dụ để có hình ảnh tốt thực tiễn: Nếu bạn bóp cò súng săn, là súng săn lớn cỡ 12 li, thì bạn biết nó có lực “giật lùi” Nghĩa là, bạn bóp cò, thì súng “giật” vai bạn phía sau với lực khá lớn Cú giật lùi đó là phản tác dụng Khẩu súng bắn khoảng ounce kim loại theo hướng tốc độ chừng 700 dặm trên giờ, và vai bạn hứng lấy phản lực Nếu bạn mang giầy trượt patanh đứng trên sân patanh bạn bóp cò, thì súng tác dụng y động tên lửa và bạn phản ứng lại cách trượt theo hướng ngược lại Nếu bạn nhìn thấy vòi cứu hỏa to phun nước, bạn có thể để ý thấy cần có nhiều sức mạnh để giữ cái vòi (thỉnh thoảng bạn thấy hai ba người lính cứu hỏa cùng giữ cái vòi) Vòi cứu hỏa tác dụng động tên lửa Cái vòi phun nước theo hướng, và người lính cứu hỏa sử dụng sức mạnh và sức nặng họ để kháng lại phản lực Nếu người lính cứu hỏa buông cái vòi ra, tì nó va đập vòng vòng với lực lớn khủng khiếp Nếu người lính cứu hỏa đứng trên sân trượt patanh, thì cái vòi phun đẩy họ phía sau với tốc độ lớn! Khi bạn bơm bong bóng và để nó bay lên phòng trước không khí bên nó tháo hết ngoài, là bạn đã tạo động tên lửa Trong trường hợp này, cái bị ném là các phân tử không khí bên bóng Nhiều người tin các phân tử không khí không có trọng lượng, thật chúng có trọng lượng, mặc dù không đáng bao nhiêu Khi bạn tháo chúng khỏi miệng vòi bóng, thì phần còn lại bóng phản ứng theo hướng ngược lại Tác dụng và phản tác dụng Hãy tưởng tượng tình sau đây: Bạn mặc đồ du hành vũ trụ và bạn trôi không gian vũ trụ bên cạnh phi thuyền; tình cờ bạn có bóng chày tay Nếu bạn ném bóng chày, thể bạn tác dụng lại cách di chuyển theo hướng ngược lại với hướng bóng Cái điều khiển tốc độ mà thể bạn di chuyển xa là khối lượng bóng chày mà bạn ném và gia tốc mà bạn đặt vào nó Khối lượng nhân với gia tốc là lực (f = m*a) Lực bạn tác dụng vào bóng chày bao nhiêu cân phản lực tác dụng vào thể bạn (m*a = m*a) Cho nên, thí dụ bóng nặng 1kg, và thể bạn cộng với đồ du hành vũ trụ là 100kg Bạn ném bóng xa tốc độ 32 m/s Nghĩa là, thí dụ bạn làm gia tốc bóng 1kg tay mình cho nó thu vận tốc 32m/s Cơ thể bạn phản ứng lại, nó nặng bóng tới 100 lần Do đó, nó chuyển động xa tốc độ phần trăm tốc độ bóng, hay 0,32 m/s Nếu bạn muốn tạo nhiều sức đẩy từ bóng chày bạn, thì bạn có hai lựa chọn: tăng khối lượng tăng gia tốc Bạn có thể ném bóng chày nặng (3) ném số bóng chày liên tiếp sau (tăng khối lượng), bạn có thể ném bóng chày nhanh (tăng gia tốc đặt vào nó) Nhưng đó là tất gì bạn có thể làm Một camera điều khiển từ xa quay lại cận cảnh động chính tàu thoi vũ trụ lần đốt thử nghiệm Trung tâm Vũ trụ John C Stennisowr Hancock County, Missisipi, Mĩ Một động tên lửa thường ném khối lượng dạng chất khí áp suất cao Động tống khối lượng khí theo hướng để thu phản tác dụng theo hướng ngược lại Khối lượng sức nặng nhiên liệu mà động tên lửa đốt cháy Quá trình đốt làm gia tốc khối lượng nhiên liệu cho nó khỏi miệng vòi tên lửa tốc độ cao Thực tế nhiên liệu chuyển từ dạng rắn lỏng sang dạng khí đốt cháy không làm thay đổi khối lượng nó Nếu bạn đốt cháy 1kg nhiên liệu tên lửa, thì 1kg khí thải thoát khỏi miệng vòi dạng chất khí nhiệt độ cao, vận tốc lớn Dạng thức thay đổi, khối lượng không thay đổi Quá trình đốt cháy làm gia tốc khối lượng Sức đẩy “Sức mạnh” động tên lửa gọi là sức đẩy Sức đẩy đo đơn vị “pound sức đẩy” hệ đơn vị Mĩ, và đơn vị newton hệ mét (4,45 newton sức đẩy pound sức đẩy) Một pound sức đẩy là sức đẩy cần thiết để giữ vật nặng pound nằm cân với lực hấp dẫn trên Trái đất Vì thế, trên Trái đất, gia tốc hấp dẫn là 32 feet trên giây trên giây (21 dặm trên trên giây) Nếu bạn bồng bềnh vũ trụ với túi bóng chày thì bạn ném bóng giây xa bạn tốc độ 21 dặm trên giờ, thì các bóng bạn sinh tương đương pound sức đẩy Nếu bạn ném với tốc độ 42 dặm trên giờ, thì bạn tạo pound sức đẩy Nếu bạn ném chúng xa tốc độ 2100 dặm trên (có lẽ là bắn chúng khỏi kiểu súng bắn bóng chày nào đó), thì bạn tạo 100 pound sức đẩy, và (4) Một vấn đề khá buồn cười bài toán tên lửa là tên lửa phải mang theo vật nặng mà động muốn ném Cho nên, lấy ví dụ, bạn muốn tạo 100 pound sức đẩy cách ném bóng chày giây tốc độ 2100 dặm trên Điều đó có nghĩa là bạn phải bắt đầu với 3600 bóng chày nặng pound (1 có 3600 giây), hay 3600 pound bóng chày Vì tính luôn đồ du hành thì bạn cân nặng 100 pound, cho nên bạn có thể thấy trọng lượng mớ “nhiên liệu” bạn nặng tải trọng (bản thân bạn) nhiều Thật vậy, nhiên liệu nặng gấp 36 lần tải trọng Và điều đó bình thường Đó là nguyên vì bạn phải có tên lửa khổng lồ để mang người nhỏ xíu bay lên vũ trụ - bạn phải mang theo nhiều nhiên liệu Bạn có thể thấy tương quan trọng lượng rõ ràng trên tàu thoi vũ trụ Nếu bạn xem người ta phóng tàu thoi, bạn thấy nó có ba phần: · Phi thuyền · Bể nhiên liệu lớn gắn ngoài · Hai tên lửa đẩy Phi thuyền rỗng nặng 165.000 pound Bể nhiên liệu ngoài rỗng nặng 78.100 pound Hai tên lửa đẩy lúc rỗng cái nặng 185.000 pound Nhưng sau đó bạn phải tải nhiên liệu vào Mỗi tên lửa đẩy chứa 1,1 triệu pound nhiên liệu Bể chứa ngoài giữ 143.000 gallon oxygen lỏng (1.359.000 pound) và 383.000 gallon hydrogen lỏng (226.000 pound) Toàn tổ hợp thiết bị - tàu thoi, bể nhiên liệu ngoài, hai tên lửa đẩy và toàn nhiên liệu – có trọng lượng tổng cộng 4,4 triệu pound lúc phóng lên 4,4 triệu pound để mang 165.000 pound lên quỹ đạo là chênh lệch lớn! Thật ra, tàu thoi còn mang thêm 65.000 pound tải trọng (lên tới kích cỡ 15 x 60 feet), đó là chênh lệch lớn Nhiên liệu nặng gấp 20 lần so với phi thuyền (5) Toàn nhiên liệu đó bị phóng dần phía sau tàu thoi tốc độ có lẽ là 6.000 dặm trên (vận tốc khí thải tên lửa tiêu biểu các tên lửa hóa học biến thiên ngưỡng 5.000 đến 10.000 dặm trên giờ) Hai tên lửa đẩy đốt nhiên liệu khoảng hai phút và tên lửa tạo 3,3 triệu pound sức đẩy lúc phóng lên (trung bình là 2,65 triệu pound quá trình đốt) Ba động chính (sử dụng nhiên liệu bể chứa ngoài) đốt cháy nhiên liệu khoảng tám phút, động tạo 375.000 pound sức đẩy suốt quá trình đốt Trong phần tiếp theo, chúng ta khảo sát hỗn hợp nhiên liệu đặc biệt các tên lửa nhiên liệu rắn Tên lửa nhiên liệu rắn: Hỗn hợp nhiên liệu Tên lửa nhiên liệu rắn là động đầu tiên người chế tạo Chúng phát minh cách hàng trăm năm Trung Quốc và đã sử dụng rộng rãi kể từ Dòng chữ “chớp đỏ tên lửa” bài quốc ca Mĩ (viết vào đầu năm 1800) là nói tên lửa nhiên liệu rắn cỡ nhỏ dùng quân để ném bom các thiết bị dễ cháy Cho nên bạn có thể thấy tên lửa đã sử dụng khá sớm Nguyên lí hoạt động tên lửa nhiên liệu rắn đơn giản thật dễ hiểu Cái bạn muốn là tạo cái gì đó cháy nhanh không nổ Như bạn đã biết, thuốc súng thì nổ Thuốc súng gồm 75% nitrate, 15% carbon và 10% sulfur Trong động tên lửa, bạn không muốn có vụ nổ nào – bạn muốn lượng giải phóng cách đặn khoảng thời gian nào đó Vì thế, bạn có thể thay đổi công thức hỗn hợp thành 72% nitrate, 24% carbon và 4% sulfur Trong trường hợp này, thay cho thuốc súng, bạn có nhiên liệu tên lửa đơn giản Loại hỗn hợp này cháy nhanh, nó không nổ nạp cách hợp lí Đây là mặt cắt tiêu biểu: Một tên lửa nhiên liệu rắn trước và sau đánh lửa (6) Trên hình bên trái, bạn thấy tên lửa trước đánh lửa Nhiên liệu rắn thể màu xanh Nó có dạng trụ, với ống khoan qua Khi bạn đốt nhiên liệu, nó cháy dọc theo thành ống Khi nó cháy, nó bùng lửa phía ngoài hướng vỏ bọc toàn nhiên liệu cháy Ở động tên lửa mẫu cỡ nhỏ chai tên lửa nhỏ xíu, quá trình cháy xảy chừng giây chưa tới giây Ở tàu thoi vũ trụ SRB chứa triệu pound nhiên liệu, thì quá trình cháy diễn khoảng hai phút Tên lửa nhiên liệu rắn: Cấu hình rãnh Khi đọc các tài liệu viết tên lửa nhiên liệu rắn tiên tiến, ví dụ các tên lửa đẩy dạng rắn tàu thoi, bạn thường đọc thấy dòng này: Hỗn hợp chất nổ đẩy động SRB gồm có ammonium perchlorate (chất oxy hóa, trọng lượng chiếm 69,6%), nhôm (nhiên liệu, 16%), sắt oxide (chất xúc tác, 0,4%), polymer (chất kết dính hỗn hợp lại với nhau, 12,04%), và tác nhân cầu nối epoxy (1,96%) Chất nổ đẩy có dạng lỗ đục hình ngôi 11 cánh phần động phía trước và lỗ đục hình nón cụt đôi phần cuối Cấu hình này mang lại sức đẩy lớn lúc đánh lửa và sau đó giảm sức đẩy để chống vượt quá ứng suất kì áp suất động cực đại (NASA) Đoạn này không trình bày hỗn hợp nhiên liệu mà còn nói rõ cấu hình rãnh khoan lõi nhiên liệu Một “lỗ đục hình ngôi 11 cánh” có thể trông này: Vấn đề là tăng diện tích bề mặt rãnh, từ đó tăng diện tích cháy và đó tăng thêm sức đẩy Khi nhiên liệu cháy, hình ngôi bung thành vòng tròn Trong trường hợp SRB, nó mang lại cho động sức đẩy ban đầu lớn và hạ dần sức đẩy vào chuyến bay Tên lửa nhiên liệu rắn có ba ưu quan trọng: - Đơn giản - Giá thành thấp - An toàn Chúng có hai nhược điểm: - Sức đẩy không thể điều khiển - Một đã đánh lửa, động không thể ngừng lại khởi động lại Những nhược điểm trên có nghĩa là tên lửa nhiên liệu rắn hữu ích tác vụ ngắn hạn (như tên lửa đạn đạo), các hệ thống nâng đẩy Khi bạn muốn điều khiển động cơ, thì bạn phải sử dụng hệ thống chất nổ đẩy dạng lỏng Tên lửa nhiên liệu lỏng Năm 1926, Robert Goddard đã thử nghiệm động tên lửa nhiên liệu lỏng đầu tiên Động ông sử dụng xăng và oxygen lỏng Ông còn nghiên cứu và giải số vấn đề (7) thiết kế động tên lửa, đó có chế bơm, chiến lược làm nguội và xếp các thiết bị lái Những vấn đề này là cái khiến cho tên lửa nhiên liệu lỏng thật phức tạp Tiến sĩ Robert H Goddard và tên lửa xăng-oxygen lỏng ông trên giàn phóng nó vào hôm 16 tháng 3, 1926, Auburn, Massachusetts Nó bay 2,5 giây, lên cao 41 feet, và tiếp đất cách đó 184 feet (Ảnh: NASA) Ý tưởng thật đơn giản Trong đa số động tên lửa nhiên liệu lỏng, nhiên liệu và chất oxy hóa (ví dụ, xăng và oxygen lỏng) bơm vào buồng đốt Tại đó, chúng cháy sinh áp suất cao và dòng khí nóng tốc độ cao Những dòng khí này chảy qua miệng vòi làm tăng tốc chúng thêm (thường thì vận tốc thoát từ 5.000 đến 10.000 dặm trên giờ), và sau đó chúng thoát khỏi động Sơ đồ đã đơn giản hóa sau đây cho bạn thấy phận (8) Sơ đồ trên không thể phức tạp thực động điển hình Chẳng hạn, thường thì nhiên liệu chất oxy hóa là chất khí hóa lỏng đông lạnh hydrogen lỏng oxygen lỏng Một vướng mắc lớn động tên lửa nhiên liệu lỏng là việc làm mát buồng đốt và vòi phun, nên các chất lỏng đông lạnh trước tiên cho xoay vòng quanh các phận quá nhiệt để làm nguội chúng Máy bơm phải tạo áp suất đủ cao để thắng áp suất nhiên liệu cháy tạo buồng đốt Các động chính tàu thoi vũ trụ thật sử dụng hai giai đoạn bơm và đốt nhiên liệu để điều khiển bơm giai đoạn thứ hai Yêu cầu quá trình bơm và làm nguội khiến cho cấu tạo động tên lửa nhiên liệu lỏng thật rối rắm Người ta sử dụng nhiều loại hỗn hợp nhiên liệu làm chất đẩy lỏng động tên lửa Ví dụ: · Hydrogen lỏng và oxygen lỏng – dùng các động chính tàu thoi vũ trụ · Xăng và oxygen lỏng – dùng tên lửa sơ khai Goddard · Dầu lửa và oxygen lỏng – dùng giai đoạn đầu tên lửa đẩy Saturn V chương trình Apollo · Cồn và oxygen lỏng – dùng tên lửa V2 Đức · Nitrogen tetroxide/ monomethyl hydrazine – dùng các động Cassini (9) Tương lai động tên lửa Chúng ta thường thấy các động tên lửa hóa học đốt cháy nhiên liệu chúng để tạo sức đẩy Tuy nhiên, còn có nhiều cách khác tạo sức đẩy Bất kì hệ nào ném khối lượng làm Nếu bạn có thể làm cách nào đó gia tốc các bóng chày đến tốc độ cực cao, thì bạn có động tên lửa có thể hoạt động Vấn đề trở ngại phương pháp là “khí thải” bóng chày (các bóng chày tốc độ cao đó) để lại thành dòng không gian Trở ngại nhỏ này khiến các nhà thiết kế động tên lửa thích các chất khí làm sản phẩm thải Nhiều động tên lửa nhỏ Chẳng hạn, các đẩy cao độ trên vệ tinh không cần tạo sức đẩy mạnh cho Một mẫu động thường gặp trên các vệ tinh chẳng sử dụng “nhiên liệu” nào – các đẩy nitrogen áp lực việc bơm khí nitrogen từ bể chứa qua miệng vòi Các đẩy kiểu này đã giữ Skylab trên quỹ đạo, và còn dùng hệ thống điều khiển có người lái tàu thoi Các mẫu động thì cố gắng tìm cách gia tốc các ion hay các hạt cấp độ nguyên tử đến tốc độ cực cao để tạo sức đẩy hiệu Phi thuyền Deep Space-1 NASA là phi thuyền đầu tiên sử dụng các động ion tạo sức đẩy Ảnh động ion xenon, chụp qua cửa buồng chân không nơi nó kiểm nghiệm Phòng thí nghiệm Sức đẩy phản lực NASA, cho thấy lóe sáng màu xanh nhạt các nguyên tử tích điện thoát khỏi động Động sức đẩy ion là động sức đẩy phi hóa học đầu tiên dùng làm phương tiện đẩy chính yếu cho phi thuyền vũ trụ (Ảnh: NASA) (10) Tàu thoi Discovery NASA nằm nghỉ trên bệ phóng di động nó Bạn có hỏi tên lửa to lớn này lắp ráp nơi nào không? (Ảnh: Scott Andrews/Getty Images) Trung tâm Lắp ráp Phi thuyền, tòa nhà cao khiến cho cây cối xung quanh nó nhỏ bé hẳn đi, là nơi NASA sản xuất tên lửa lớn họ (Ảnh: Ctein/Getty Images) (11) Các tên lửa thở-không khí có thể làm giảm ngoạn mục chi phí phóng, khiến cho việc du hành tên lửa có thể vừa tầm với Tên lửa phản vật chất Phản vật chất có khả dự trữ lượng lượng lớn đến mức lạ thường không gian nhỏ, cho nên nó là nguồn lượng đẩy cực lớn (12) Ở đây, camera gọi là RocketCam (ảnh trái) gắn trên máy bay EZ-Rocket Bên phải là cảnh nhìn từ RocketCam bay (Ảnh: Ecliptic và XCOR Aerospace) Nó to hơn, mạnh hơn, hiệu và chính xác hơn: Delta IV Heavy cho là tên lửa lớn chế tạo từ trước tới (13) Apollo 11, phi thuyền đầu tiên có người lái lên Mặt Trăng, rời bệ phóng trên tên lửa Saturn V (Ảnh: Ralph Morse/Time Life Pictures/Getty Images) Theo HowStuffWorks.com (14)