Vì sao tên lửa vũ trụ thường có nhiều tầng?

Bạn nào thường theo dõi các sứ mệnh không gian thì chắc chắn sẽ thường thấy các tên lửa vũ trụ có nhiều tầng và chúng sẽ tách từng tầng ra trong những chuyến bay. Nhưng mà tại sao lại thế nhỉ? Sao người ta không làm cái tên lửa một tầng duy nhất cho nó đơn giản nhỉ? Nếu bạn tò mò vấn đề này thì chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu ngay sau đây.

Việc phóng hàng hóa lên quỹ đạo ngốn nhiên liệu khủng khiếp, và tên lửa không có thừa nhiên liệu để mang khối lượng không hữu ích

Để phóng một vệ tinh lên vũ trụ và xoay quanh trái đất mà không rơi trở lại thì tên lửa đẩy phải giúp nó đạt đến vận tốc 7,9km/s. Đó là một tốc độ không tưởng và để làm được điều đó thì quả tên lửa cũng ngốn nhiên liệu khủng khiếp.

Cho bạn dễ hình dung thì chúng ta sẽ lấy tên lửa 2 tầng Falcon 9 của hãng hàng không vũ trụ SpaceX ra làm ví dụ. Nó được SpaceX phát triển cùng với tàu vũ trụ SpaceX Dragon và đã nhiều lần vận chuyển hàng hóa lên Trạm Không Gian Quốc tế (ISS). Đồng thời đây là một trong những mẫu tên lửa vũ trụ hiệu quả nhất mà con người từng chế tạo. Mỗi quả khi đầy tải sẽ nặng 540.000 kg, trong đó có hơn 510.000 kg là nhiên liệu (bao gồm hidro và oxy hóa lỏng), tức là khoảng 94,5% tổng khối lượng của quả tên lửa. Tất cả những những thứ còn lại như động cơ, thùng nhiên liệu, vỏ tên lửa… chỉ chiếm có khoảng 5,5%. Và cả một quả tên lửa khổng lồ như thế cùng hơn nửa triệu kg nhiên liệu chỉ có thể đưa một lượng hàng nặng 22.800kg vào quỹ đạo trái đất tầm thấp mà thôi.

Sơ đồ tên lửa Saturn V, bạn có thể thấy nó “rỗng” như thế nào khi không chứa nhiên liệu

Tên lửa càng nặng thì nó sẽ càng hao nhiên liệu, và chắc chắn là nó không nên mang thêm những phần khối lượng dư thừa để tốn nhiên liệu thêm. Thế nên những phần khối lượng nào không cần thiết thì nên được cắt bớt để tên lửa luôn có khối lượng tối thiểu và nhiên liệu tối đa.

Tên lửa nhiều tầng là cách hiệu quả nhất để vận chuyển hàng lên quỹ đạo

Để loại bỏ khối lượng dư thừa thì các kỹ sư tên lửa đã nghĩ ra cách là tên lửa nhiều tầng để mang được nhiều hàng hơn lên quỹ đạo với khối lượng nhiên liệu nhỏ hơn. Và kiểu thiết kế này vẫn đang được ứng dụng rộng rãi đến ngày hôm nay.

Việc chia tên lửa ra nhiều tầng cho phép tên lửa loại bỏ khối lượng không cần thiết để bay nhanh hơn và xa hơn. Đối với tên lửa một tầng thì phần khối lượng không phải nhiên liệu của nó (động cơ, vỏ, thùng nhiên liệu…)sẽ không thay đổi trong suốt chuyến bay. Tên lửa nhiều tầng thì khác. Khi một tầng tên lửa hết nhiên liệu thì nó sẽ tách tầng đó ra và vứt luôn, sau đó nó sẽ khởi động động cơ của tầng tiếp theo và tiếp tục bay mà không phải mang theo tầng đã hết nhiên liệu. Mỗi tầng tên lửa đều được thiết kế riêng để sao cho đạt hiệu quả cao nhất.

Về việc các tầng được thiết kế khác nhau như thế nào thì chúng ta có thể lấy tên lửa Saturn V của NASA để làm ví dụ. Đây là tên lửa vũ trụ lớn nhất lịch sử, có khối lượng toàn tải hơn 3 ngàn tấn. Nó được NASA sử dụng trong chương trình Chương trình Apollo và Skylab, có khả năng mang lượng hàng nặng 140 tấn, lớn nhất lịch sử. Mẫu tên lửa này có 3 tầng, và mỗi tầng đều có lượng nhiên liệu và hệ thống động cơ khác nhau.

Các tầng của tên lửa đẩy Saturn V

Tầng 1:

• Nhiệm vụ: Giúp tên lửa cất cánh và tăng tốc đến tốc độ 6.000mph (9.650km/h)
• Động cơ: 5 động cơ tên lửa F-1
• Sức đẩy: 3.400 tấn
• Nhiên liệu: 1.204.000 lít oxy lỏng và 770.000 lít dầu hỏa
• Thời gian hoạt động: 150 s

Tầng 2:

• Nhiệm vụ: Giúp tên lửa đạt đến tốc độ 25.000mph (40.230km/h) – Tốc độ đủ để thoát khỏi lực hấp dẫn của trái đất. Với những nhiệm vụ trong quỹ đạo trái đất như trong chương trình Skylab thì chỉ cần tầng này là đủ
• Động cơ: 5 động cơ tên lửa J-2
• Sức đẩy: 500 tấn
• Nhiên liệu: 984.000 lít hydro lỏng và 303.000 lít oxy lỏng
• Thời gian hoạt động: 360 s

Tầng 3:

• Nhiệm vụ: Giúp tàu vũ trụ thực hiện các sứ mệnh không gian, ví dụ như đưa tàu vũ trụ lên mặt trăng
• Động cơ: 1 động cơ tên lửa J-2
• Sức đẩy: 100 tấn
• Nhiên liệu: 252.750 lít hydro lỏng và 73.280 lít oxy lỏng
• Thời gian hoạt động: 165 + 335s (2 lần đốt)

Tất nhiên là cũng có nhiều tên lửa một tầng hiện đại thật sự có thể mang hàng lên quỹ đạo, nhưng vấn đề là nằm ở chỗ lượng hàng mà nó mang được ít hơn nhiều so với tên lửa nhiều tầng. Lý do là vì ngoài kiện hàng ra thì nó còn phải vác cả khối lượng không cần thiết nữa.

Trên đây là bài viết giải thích lý do mà tên lửa vũ trụ thường có nhiều tầng và tách ra từng tầng khi bay. Hy vọng đã mang đến được cho các bạn những thông tin thú vị. Cảm ơn các bạn vì đã quan tâm theo dõi và hy vọng các bạn luôn đồng hành cùng GVN 360.

*Thông tin thêm:

Tàu con thoi tuy không phải tên lửa đẩy nhưng cũng hoạt động theo cách tương tự. Khi mới phóng thì tàu “ôm” 2 tên lửa đẩy và 1 thùng nhiên liệu ngoài, khi đã lên đến độ cao thích hợp thì nó sẽ bỏ lại 2 quả tên lửa và sau đó nữa thì nó tách bỏ cả thùng nhiên liệu ngoài để vận chuyển hàng hóa lên không gian. Sau đó nó sẽ trở về trái đất và hạ cánh.