VÌ SAO PHÓNG TÀU VŨ TRỤ PHẢI DÙNG TÊN LỬA NHIỀU TẦNG ?

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 thì 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 7,9 km/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 40W trong 1 giờ.

Mặt khác, tên lửa bay được là nhờ chất khisphutj ra phía sau tạo nên phản lực. Khí phụt ra càng mạnh, tên lửa bay càng nhanh. Muốn đạt được tốc độ bay rất lớn, ngoài tốc độ phụt khí rất cao, còn phải mang theo rất nhiều nhiên liệu. Nếu tốc độ phụt khí là 4.000 m/s, để đạt được tốc độ thoát ly là 11,2 km/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 cach thỏa 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 nhiên 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, tỉ 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.

Tốc độ vũ trụ cấp I (7,9 km/s) là tốc độ nhỏ nhất để các con tàu vũ trụ có thể bay quanh Trái Đất. Coi gia tốc của tên lửa phóng tàu là không đổi, để sau khi phóng 160 s con tàu đạt được tốc độ như trên thì tên lửa phóng tàu vũ trụ phải có gia tốc bằng

A. 10 m / s 2

B.  49 , 4 m / s 2

C.  55 m / s 2

D.  5 m / s 2

Hãy chọn câu lập luận đúng trong các câu dưới đây:

A. Một con tàu vũ trụ bay quanh Trái Đất thì không bị Trái Đất hút nữa. Vì nếu bị hút thì nó đã rơi ngay xuống Trái Đất

B. Một con tàu vũ trụ bay quanh Trái Đất thì không bị Trái Đất hút. Vì ta thấy nhà du hành vũ trụ bị treo lơ lửng trong con tàu

C. Một con tàu vũ trụ bay quanh Trái Đất vẫn bị Trái Đất hút. Nhưng lực hút này bị cân bởi lực đẩy của động cơ

D. Mặt Trăng luôn luôn bị Trái Đất hút. Nhưng Mặt Trăng không bị rơi vào Trái Đất. Vì lực hút chỉ có tác dụng làm Mặt Trăng quay tròn quanh Trái Đất. Con tàu vũ trụ cũng ở vào tình trạng như Mặt Trăng. Con tàu vũ trụ khi đã bay vào quỹ đạo thì cũng như Mặt Trăng, không còn tên lửa đẩy nữa. Lực hút của Trái Đất lên con tàu chỉ làm nó quay tròn quanh Trái Đất

BẠN BIẾT GÌ VỀ MỤC TIÊU ĐƯA NGƯỜI BAY VÀO VŨ TRỤ ?

Mỗi lần phóng máy thăm dò lên không trung con người lại hi vọng có thể đặt chân lên các hành tinh. Đặt chân lên các hành tinh người ta đặt ra là điều mơ ước nhưng đặt chân lên Mặt Trăng thì con người đã làm được.

Mục tiêu đưa người lên Mặt Trăng được đặt ra vào những năm 60 của thế kỉ XX. Kế hoạch Mặt Trăng được chia thành ba giai đoạn. Giai đoạn một có tên là kế hoạch sao Thủy và giai đoạn này đã đưa một nhà du hành vũ trụ Mỹ vào vũ trụ. Nhà du hành Glen bay trên phi thuyền ''Hữu nghị'' số 7 tiến vào quỹ đạo của Trái Đất sau 10 tháng kể từ khi Gagarin bay lên không trung. Sau khi bay 3 vòng quanh Trái Đất thì có cảnh báo vỏ phòng nhiệt bên ngoài có vấn đề, phi thuyền có khả năng sẽ bị thiêu cháy, tuy nhiên cuối cùng thì nhà du hành này cũng trở về được. Giai đoạn thứ hai có tên là kế hoạch sao Song Tử. Năm 1965, hai phi thuyền mang tên chòm sao Song Tử đã gặp nhau trên thái không. Giai đoạn thứ ba là kế hoạch Apôlô. Tên lửa dùng để đẩy phi thuyền Apôlô là tên lửa lớn nhất mang kí hiệu sao Thổ. Tháng 8 năm 1968 tàu Apôlô số 8 bay vòng quanh Mặt Trăng. Đầu năm 1968 người ta đã cho tiến hành thử nghiệm sử dụng áo vũ trụ và thử nghiệm thuyền tiếp đất. Ngày 16 tháng 7 năm 1969, tàu Apôlô số 11 được phóng lên, ba ngày sau thì đến tầng không phía bên trên của Mặt Trăng. Ngày 20 tháng 7, các nhà du hành Amstrong và Edwin Aldrin sang thuyền tiếp đất và từ từ hạ cánh xuống bề mặt Mặt Trăng. Cửa khoang mở ra, Amstrong leo lên cửa và dừng lại vài phút ở bệ cửa ra vào sau đó hết sức cẩn thận đặt chân trái rồi đến chân phải lên Mặt Trăng, Amstrong đã đứng trên Mặt Trăng. Vậy là lần đầu tiên con người đã lưu lại dấu chân của mình trên Mặt Trăng.

Thế nhưng chị Hằng Nga không như trong câu truyện cổ, thực tế đó là một thế giới hết sức hoang vu lạnh lẽo. Sau tàu Apôlô số 11, Mỹ tiếp tục phóng lên 6 phi thuyền Apôlô nữa đưa 12 nhà du hành lên Mặt Trăng. Như vậy, nhờ phi thuyền vũ trụ và các máy bay hàng không vũ trụ con người đã thực hiện được giấc mơ bay lên vũ trụ. Kể từ năm 1961, khi nhà du hành vũ trụ của Liên Xô Gagarin lần đầu tiên bay vào vũ trụ mở ra lịch sử loài người tiến vào vũ trụ đến nay đã có 900 lượt các nhà du hành vũ trụ bay lên thái không. Tuy nhiên cũng đã có rất nhiều rủi ro xảy ra. Năm 1967 ''Saiuz người lái phi thyền số 1'' của Liên Xô đã gặp phải sự cố, năm 1986 máy bay hàng không vũ trụ thử của Mỹ trong lần bay thứ 10 có 7 nhà du hành vũ trụ đã nổ tung. Sau đó người ta đã tiến hành cải tiến 400 hạng mục của máy bay hàng không vũ trụ nhưng đến năm 2003 lại có một máy bay hàng không vũ trụ gặp sự cố, nhân loại lại mất đi 7 nhà du hành vũ trụ nữa. Tuy nhiên không vì thế mà dũng khí thăm dò vũ trụ của con người nguội đi, bởi chinh phục vũ trụ là một công việc vô cùng nguy hiểm nhưng lại hết sức vẻ vang và đáng giá.

LÀM THẾ NÀO ĐỂ BAY RA KHỎI TRÁI ĐẤT ?

Khi bạn đá quả bóng hay bắn viên đạn lên trời,dù cao đến đâu rồi chúng cũng rơi xuống đất. Tại sao chúng không lên cao mãi và "đi luôn" nhỉ? Đơn giản là tất cả các vật thể quanh Trái Đất đều không thể "chạy trốn'' khỏi sức hút của nó.

Vậy sao các vệ tinh nhân tạo và phi thuyền không gian vẫn có thể bay quanh Trái Đất rất nhiều ngày mà không bị rơi?

Muốn giải thích điều này, trước tiên chúng ta hãy làm một thí nghiệm đơn giản: Buộc một vật nặng vào đầu dây, cầm chắc đầu kia sợi dây và quay mạnh. Tay bạn sẽ cảm thấy có một lực kéo căng ra các phía. Lực kéo đó gọi là lực ly tâm. Một lực khác của sợi dây giữ chặt vật nặng và bắt nó quay tròn, gọi là lực hướng tâm. Lực ly tâm và lực hướng tâm tuy ngược nhau nhưng cân bằng và tác động vào hai vật thể (sợi dây và vật nặng). Mọi vật khi chuyển động tròn đều bị tác động của lực hướng tâm.

Khi bay, vệ tinh nhân tạo cũng chịu tác dụng của lực hướng tâm do sức hút của Trái Đất sinh ra. Nếu vệ tinh có tốc độ nhỏ, lực hướng tâm cần thiết không đủ lớn, thì sức hút này không những buộc vệ tinh nhân tạo phải bay quanh mà còn kéo nó trở lại Trái Đất.

Chỉ khi vệ tinh nhân tạo bay với tốc độ cực lớn, đến mức lực hướng tâm hoàn toàn dùng vào chuyển động tròn của vệ tinh thì nó mới không bị rơi. Theo tính toán khoa học, để khả năng này xảy ra, vệ tinh nhân tạo phải đạt tốc độ 7,9km/s và phải bay theo hướng ném văng ra khỏi mặt nước. Tốc độ này được gọi là ''tốc độ vũ trụ 1''.

Tuy vậy, ngay cả ở tốc độ này, do gặp phải lớp không khí mỏng ngoài Trái Đất, vệ tinh sẽ chuyển động chậm dần và cuối cùng rơi vào tầng khí quyển đậm đặc, cọ xát nóng lên và bốc cháy.

Để khắc phục hiện tượng đó và ''thoát ly'' khỏi Trái Đất, vệ tinh phải đạt tốc độ 11,2km/s, khi đó nó sẽ trở thành vệ tinh nhân tạo. Tốc độ này còn gọi là ''tốc độ thoát ly'' hoặc ''tốc độ vũ trụ 2''.

Nếu muốn bay tới các hành tinh khác, vệ tinh cần đạt tốc độ 16,7km/s. Tốc độ này là ''tốc độ vũ trụ 3''.

LÀM THẾ NÀO ĐỂ BAY RA KHỎI TRÁI ĐẤT ?

Khi bạn đá quả bóng hay bắn viên đạn lên trời,dù cao đến đâu rồi chúng cũng rơi xuống đất. Tại sao chúng không lên cao mãi và "đi luôn" nhỉ? Đơn giản là tất cả các vật thể quanh Trái Đất đều không thể "chạy trốn'' khỏi sức hút của nó.

Vậy sao các vệ tinh nhân tạo và phi thuyền không gian vẫn có thể bay quanh Trái Đất rất nhiều ngày mà không bị rơi?

Muốn giải thích điều này, trước tiên chúng ta hãy làm một thí nghiệm đơn giản: Buộc một vật nặng vào đầu dây, cầm chắc đầu kia sợi dây và quay mạnh. Tay bạn sẽ cảm thấy có một lực kéo căng ra các phía. Lực kéo đó gọi là lực ly tâm. Một lực khác của sợi dây giữ chặt vật nặng và bắt nó quay tròn, gọi là lực hướng tâm. Lực ly tâm và lực hướng tâm tuy ngược nhau nhưng cân bằng và tác động vào hai vật thể (sợi dây và vật nặng). Mọi vật khi chuyển động tròn đều bị tác động của lực hướng tâm.

Khi bay, vệ tinh nhân tạo cũng chịu tác dụng của lực hướng tâm do sức hút của Trái Đất sinh ra. Nếu vệ tinh có tốc độ nhỏ, lực hướng tâm cần thiết không đủ lớn, thì sức hút này không những buộc vệ tinh nhân tạo phải bay quanh mà còn kéo nó trở lại Trái Đất.

Chỉ khi vệ tinh nhân tạo bay với tốc độ cực lớn, đến mức lực hướng tâm hoàn toàn dùng vào chuyển động tròn của vệ tinh thì nó mới không bị rơi. Theo tính toán khoa học, để khả năng này xảy ra, vệ tinh nhân tạo phải đạt tốc độ 7,9km/s và phải bay theo hướng ném văng ra khỏi mặt nước. Tốc độ này được gọi là ''tốc độ vũ trụ 1''.

Tuy vậy, ngay cả ở tốc độ này, do gặp phải lớp không khí mỏng ngoài Trái Đất, vệ tinh sẽ chuyển động chậm dần và cuối cùng rơi vào tầng khí quyển đậm đặc, cọ xát nóng lên và bốc cháy.

Để khắc phục hiện tượng đó và ''thoát ly'' khỏi Trái Đất, vệ tinh phải đạt tốc độ 11,2km/s, khi đó nó sẽ trở thành vệ tinh nhân tạo. Tốc độ này còn gọi là ''tốc độ thoát ly'' hoặc ''tốc độ vũ trụ 2''.

Nếu muốn bay tới các hành tinh khác, vệ tinh cần đạt tốc độ 16,7km/s. Tốc độ này là ''tốc độ vũ trụ 3''.