Lửa cần không khí để cháy, vậy tên lửa hoạt động như thế nào trong không gian vũ trụ?

• Một tên lửa phải bay nhanh cỡ nào mới thắng được lực hấp dẫn và thoát ly Trái Đất?
• Liệu rằng kế hoạch gửi con người lên sao Hỏa của Elon Musk có khả thi hay không?
• SpaceX lùi kế hoạch phóng tên lửa lên Sao Hỏa đến năm 2020

Máy bay thương mại và máy bay chiến đấu đốt cháy nhiên liệu bằng cách sử dụng khí oxy có sẵn trong bầu khí quyển, nhưng còn những tên lửa bay vào không gian vũ trụ thì thế nào? Trên thực tế, ở không gian vũ trụ không có không khí, vậy làm thế nào tên lửa có thể đốt cháy động cơ và nhiên liệu thiết yếu cần có trong không gian?

Câu trả lời ngắn gọn: Chỉ có cần hai thành phần cho phản ứng đốt cháy, đó là nhiên liệu và chất oxy hóa. Hầu hết các tên lửa vũ trụ mang nhiên liệu và chất oxy hóa của chúng vào không gian, vì vậy chúng không cần dựa vào khí oxy có sẵn trong không gian đó. Hơn nữa, không nhất thiết cần lửa để cung cấp lực đẩy cho tên lửa; bạn có thể đạt được lực đẩy bằng cách đơn giản là đẩy "khối lượng" ra khỏi tên lửa.

Tên lửa trong không gian. Nguồn ảnh: 3dsculptor / Fotolia)

Làm thế nào tên lửa có thể hoạt động trong không gian?

Hầu như trong không gian vũ trụ không có không khí, vậy làm sao các tên lửa có thể hoạt động được ở đó? Bởi chúng không có không khí để đẩy lại, vậy làm thế nào để tăng tốc hay thay đổi hướng đi?

Chắc chắn ai trong số chúng ta cũng từng được học về Định luật chuyển động của Newton ở trường trung học. Mọi hình thức chuyển động trong thế giới này được cho là bị chi phối bởi 3 định luật chính về chuyển động của Newton, tên lửa cũng không ngoại lệ.

Hãy quan sát hình thức cơ bản nhất về chuyển động - đi bộ. Để có thể bước đi, chúng ta phải đặt chân vững trên mặt đất và sau đó dùng sức đẩy trở lại mặt đất, rồi bước tiến về phía trước.

Khi bước đi trên mặt đất, lực đẩy giúp chúng ta bước về phía trước. Đó là điều cơ bản mà chúng ta có thể làm khi đi bộ. Nguồn ảnh: Pixabay

Dĩ nhiên, điều này dường như có vẻ ngớ ngẩn khi nghĩ rằng chúng ta, với đôi chân yếu đuối, có thể "đẩy" mặt đất, nhưng đó chính xác là những gì xảy ra. Vì khối lượng Trái Đất lớn hơn đáng kể so với trọng lượng cơ thể mỗi người, mặt đất thực sự không đẩy trở lại. Loại chuyển động phản ứng hành động được điều chỉnh bởi định luật III của Newton, trong đó tuyên bố rằng "với mọi hành động, luôn có một phản tác dụng cùng độ lớn và ngược lại".

Bạn có thể tuân theo định luật chuyển động III trong vô số trường hợp. Giả sử có hai chiếc thuyền nhỏ ở giữa hồ. Nếu một người nhảy từ một chiếc thuyền này sang một chiếc thuyền khác, chiếc thuyền đầu tiên sẽ bị đẩy ngược trở lại về phía sau ngay khi người đó nhảy.

Chính định luật này giúp tên lửa di chuyển và biến đổi trong không gian. Động cơ tên lửa là động cơ phản lực. Để di chuyển về phía trước, một tên lửa phóng ra khí áp suất cao (được sản xuất do phản ứng đốt cháy) từ phần đuôi của nó. Do đó, hành động (phun khí) kích hoạt phản ứng (tức tên lửa di chuyển về phía trước).

Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, khí phóng ra từ phản ứng đốt cháy và cháy, một phản ứng đốt cháy truyền thống, cần oxy để cháy. Sau cùng, tất cả chúng ta đều biết rằng rõ ràng trong không gian không có không khí.

Vì vậy... giải pháp thay thế ở đây là gì?

Làm thế nào tên lửa có thể hoạt động trong không gian nếu thiếu oxy?

Lửa không thể cháy nếu không có hai yếu tố quan trọng: nhiên liệu (chất cháy) và chất oxy hoá (bắt đầu quá trình đốt cháy và duy trì nó). Vì vậy, bạn cần lửa để đẩy tên lửa, nhưng không có đủ không khí (chất oxy hóa) trong không gian. Vậy những điều có thể thực hiện là gì?

Trên thực tế, điều này thực sự đơn giản: nếu bạn đi đến cuộc thi vẽ tranh, nhưng nơi đó không cung cấp cho bạn các loại sơn màu, bạn sẽ làm gì? Tự mang sơn màu cho mình phải không? Thật đơn giản!

Đó chính xác là những gì mà hầu hết các tàu không gian vũ trụ làm. Nhiều tên lửa mang một bình chứa oxy lỏng, hoạt động như chất oxy hóa cần thiết để duy trì phản ứng đốt cháy. Những nhiên liệu được sử dụng phổ biến nhất trong các loại tên lửa như vậy là hydro lỏng hoặc dầu hỏa.

Nhiên liệu và chất oxy hoá kết hợp bên trong tên lửa để bắt đầu phản ứng đốt cháy.

Thực tế, hàng ngàn sự kết hợp oxy hoá - nhiên liệu đã được sử dụng trong tên lửa không gian vũ trụ trong những năm qua, nhưng hydro lỏng và oxy lỏng vẫn là một trong những hỗn hợp hiệu quả nhất.

Nhiên liệu tên lửa rắn

Lưu ý rằng bạn không nhất thiết phải sử dụng khí oxy làm chất oxy hóa. Hầu như tất cả động cơ tên lửa đẩy nhiên liệu rắn đều sử dụng bột nhôm làm nhiên liệu và amoni perchlorate, nhiên liệu đẩy composite (nhiên liệu đẩy tên lửa rắn được sử dụng trong các xe tên lửa có người lái và không người lái) làm chất oxy hóa.

Một tên lửa được phóng lên nhờ sử dụng nhiên liệu rắn. Nguồn ảnh: Steve Jurvetson / Wikimedia Commons

Chất nổ đẩy hypebon

Như đã đề cập ở trên, bạn không cần oxy để tạo ra lửa bên trong một tên lửa, bởi có những hóa chất nhất định - khi tiếp xúc với nhau - tự nhiên bốc cháy. Các chất nổ đẩy sử dụng các hóa chất này được gọi là chất nổ đẩy hypebon.

Các nhiên liệu hypebon phổ biến nhất bao gồm hydrazine, monomethylhydrazine và unsymmetrical dimethylhydrazine, thường được sử dụng cùng với nitơ tetroxit (chất oxy hoá) để kích hoạt sự tự cháy, nghĩa là bạn không cần khí oxy mới có thể tạo ra lửa.

Việc cung cấp nhiên liệu (chứa hydrazin làm nhiên liệu) được nạp vào tàu không gian vũ trụ MESSENGER. Nguồn ảnh: NASA / Wikimedia Commons

Monopropellant (Nhiên liệu một thành phần)

Những chất nổ đẩy này bao gồm các hóa chất giải phóng năng lượng và phóng thích khối lượng sau khi phân hủy hóa học. Loại nhiên liệu này thường chứa các chất như hydrazine hoặc hydrogen peroxide cô đặc được phơi ra với chất xúc tác iridi. Monopropellant - nhiên liệu một thành phần thường được sử dụng trong các bộ điều khiển phản ứng, cung cấp điều chỉnh độ cao.

Tất cả điều vừa đề cập ở trên muốn nói rằng, trong khi oxy chắc chắn là một chất oxy hóa cần thiết trên Trái Đất để tạo ra lửa thì ngược lại, bạn không nhất thiết phải sử dụng khí oxy để đẩy các tên lửa trong không gian vũ trụ. Bởi có một vài lựa chọn thay thế khác!

Chúc các bạn vui vẻ!