Một trong những nỗ lực đáng ngạc nhiên nhất mà con người từng thực hiện là sự thám hiểm không gian. Một phần lớn của sự ngạc nhiên ấy là tính phức tạp. Thám hiểm không gian thật phức tạp vì có quá nhiều vấn đề cần phải giải quyết và có quá nhiều chướng ngại phải vượt qua. Bạn có những thứ đại loại như thế này:
- Chân không vũ trụ
- Vấn đề điều khiển nhiệt
- Khó khăn của việc quay trở vào khí quyển
- Cơ học quỹ đạo
- Tiểu thiên thạch và các mảnh vụn vũ trụ
- Bức xạ vũ trụ và bức xạ mặt trời
- Hậu cầu của việc có các thiết bị hoạt động trong môi trường không trọng lượng
Nhưng vấn đề lớn nhất là việc khai thác đủ năng lượng để đưa phi thuyền ra khỏi mặt đất. Đó là nơi động cơ tên lửa xuất hiện.

Một mặt, các động cơ tên lửa đơn giản đến mức bạn có thể chế tạo và cho bay thử một mẩu tên lửa của riêng bạn với chi phí không đắt chút nào. Nhưng mặt khác, các động cơ tên lửa (và hệ thống nhiên liệu của chúng) lại phức tạp đến mức chỉ có ba quốc gia thật sự từng đưa con người lên trên quỹ đạo. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khảo sát các động cơ tên lửa để tìm hiểu cách thức chúng hoạt động, đồng thời tìm hiểu một số tính phức tạp xung quanh chúng.
Khi đa số mọi người nghĩ về các động cơ, họ hay nghĩ tới chuyển động quay tròn. Ví dụ, một động cơ xăng đang hoạt động trong xe hơi tạo ra năng lượng quay để lái các bánh xe. Một động cơ điện tạo ra năng lượng quay để lái một cánh quạt hay làm quay một cái đĩa. Một động cơ hơi nước được dùng cho cái tương tự, đó là tuabin hơi nước và đa số tuabin khí.
Các động cơ tên lửa thì khác hoàn toàn. Động cơ tên lửa là động cơ phản lực. Nguyên tắc cơ bản điều khiển một động cơ tên lửa là nguyên lí Newton nổi tiếng phát biểu rằng “với mỗi tác dụng, luôn luôn có một phản tác dụng cùng độ lớn và ngược chiều”. Động cơ tên lửa phóng thích khối lượng ra theo một hướng và thu lấy phản lực xuất hiện như một hệ quả theo hướng ngược lại.
Khái niệm “ném ra khối lượng và thu lấy phản tác dụng” này ban đầu có thể khó lĩnh hội, vì điều đó không có vẻ là cái đang diễn ra. Động cơ tên lửa có vẻ như là lửa và tiếng ồn và áp suất, hình như không có “cái bị ném ra”. Hãy lấy một số thí dụ để có hình ảnh tốt hơn của thực tiễn:

Nếu bạn bóp cò một khẩu súng săn, nhất là súng săn lớn cỡ 12 li, thì bạn biết nó có lực “giật lùi”. Nghĩa là, khi bạn bóp cò, thì khẩu súng “giật” vai bạn về phía sau với một lực khá lớn. Cú giật lùi đó là phản tác dụng. Khẩu súng đang bắn ra khoảng 1 ounce kim loại theo một hướng ở tốc độ chừng 700 dặm trên giờ, và vai của bạn hứng lấy phản lực. Nếu bạn đang mang giầy trượt patanh hoặc đang đứng trên một sân patanh khi bạn bóp cò, thì khẩu súng sẽ tác dụng y như một động cơ tên lửa và bạn sẽ phản ứng lại bằng cách trượt đi theo hướng ngược lại.
Nếu bạn từng nhìn thấy một vòi cứu hỏa to đang phun nước, bạn có thể để ý thấy cần có nhiều sức mạnh để giữ cái vòi (thỉnh thoảng bạn sẽ thấy hai hoặc ba người lính cứu hỏa cùng giữ cái vòi). Vòi cứu hỏa tác dụng như một động cơ tên lửa. Cái vòi phun nước ra theo một hướng, và những người lính cứu hỏa sử dụng sức mạnh và sức nặng của họ để kháng lại phản lực. Nếu những người lính cứu hỏa buông cái vòi ra, tì nó sẽ va đập vòng vòng với lực lớn khủng khiếp. Nếu những người lính cứu hỏa đều đang đứng trên sân trượt patanh, thì cái vòi phun sẽ đẩy họ ra phía sau với tốc độ lớn!
Khi bạn bơm một quả bong bóng và để nó bay lên trong phòng trước khi không khí bên trong nó tháo hết ra ngoài, là bạn đã tạo ra một động cơ tên lửa. Trong trường hợp này, cái đang bị ném ra là các phân tử không khí bên trong quả bóng. Nhiều người tin rằng các phân tử không khí không có trọng lượng, nhưng thật ra chúng vẫn có trọng lượng, mặc dù không đáng bao nhiêu. Khi bạn tháo chúng ra khỏi miệng vòi của quả bóng, thì phần còn lại của quả bóng phản ứng theo hướng ngược lại.
Tác dụng và phản tác dụng

Hãy tưởng tượng tình huống sau đây: Bạn đang mặc một bộ đồ du hành vũ trụ và bạn đang trôi nổi trong không gian vũ trụ bên cạnh chiếc phi thuyền; tình cờ bạn có một quả bóng chày trong tay.
Nếu bạn ném quả bóng chày, cơ thể của bạn sẽ tác dụng lại bằng cách di chuyển theo hướng ngược lại với hướng của quả bóng. Cái điều khiển tốc độ mà cơ thể của bạn di chuyển ra xa là khối lượng của quả 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 do bạn tác dụng vào quả bóng chày bằng bao nhiêu sẽ được cân bằng bởi một phản lực bằng như vậy tác dụng vào cơ thể của bạn (m*a = m*a). Cho nên, thí dụ quả bóng nặng 1kg, và cơ thể của bạn cộng với bộ đồ du hành vũ trụ là 100kg. Bạn ném quả bóng ra xa ở tốc độ 32 m/s. Nghĩa là, thí dụ bạn làm gia tốc quả bóng 1kg bằng tay của mình sao cho nó thu được vận tốc 32m/s. Cơ thể của bạn phản ứng lại, nhưng nó nặng hơn quả bóng tới 100 lần. Do đó, nó chuyển động ra xa ở tốc độ bằng một phần trăm tốc độ của quả bóng, hay 0,32 m/s.
Nếu bạn muốn tạo ra nhiều sức đẩy hơn từ quả bóng chày của bạn, thì bạn có hai sự lựa chọn: tăng khối lượng hoặc tăng gia tốc. Bạn có thể ném một quả bóng chày nặng hơn hoặc ném một số quả bóng chày liên tiếp nhau quả nọ sau quả kia (tăng khối lượng), hoặc bạn có thể ném quả bóng chày đi nhanh hơn (tăng gia tốc đặt vào nó). Nhưng đó là tất cả những gì bạn có thể làm.

Một camera điều khiển từ xa quay lại cận cảnh động cơ chính của tàu con thoi vũ trụ trong một lần đốt thử nghiệm tại Trung tâm Vũ trụ John C. Stennisowr Hancock County, Missisipi, Mĩ.
Một động cơ tên lửa thường ném khối lượng ra ở dạng một chất khí áp suất cao. Động cơ tống khối lượng khí ra theo một hướng để thu được phản tác dụng theo hướng ngược lại. Khối lượng ấy do sức nặng của nhiên liệu mà động cơ tên lửa đốt cháy. Quá trình đốt làm gia tốc khối lượng nhiên liệu sao cho nó đi ra khỏi miệng vòi tên lửa ở tốc độ cao. Thực tế nhiên liệu chuyển từ dạng rắn hoặc lỏng sang dạng khí khi đốt cháy không làm thay đổi khối lượng của nó. Nếu như bạn đốt cháy 1kg nhiên liệu tên lửa, thì 1kg khí thải thoát ra khỏi miệng vòi ở dạng một chất khí nhiệt độ cao, vận tốc lớn. Dạng thức thay đổi, nhưng khối lượng không thay đổi. Quá trình đốt cháy làm gia tốc khối lượng ấy.


Thư viện vật lý: http://thuvienvatly.com/home/content/view/2563/335/