Gần đây tôi đã xem một buổi phát trực tiếp phóng tên lửa vào ban đêm. Người bình luận im lặng khi đồng hồ đếm ngược về 0. Trong suốt hai giây, dường như không có gì xảy ra.

Sau đó, một luồng sáng màu cam đậm bùng lên ở chân tên lửa, từ từ đẩy phương tiện bay lên trong bóng tối.

Khoảnh khắc tạm dừng đó chính là mấu chốt. Các động cơ đang tích lũy đủ lực đẩy để vượt qua trọng lượng khổng lồ của tên lửa. Khoảnh khắc căng thẳng tột độ đó đã gói gọn toàn bộ vấn đề của ngành chế tạo tên lửa.

Đây không phải là một cú nhảy vọt đột ngột lên bầu trời. Đó là một quá trình đàm phán cẩn thận, quyết liệt và được tính toán kỹ lưỡng với các định luật vật lý để đạt được quỹ đạo, chứ không chỉ đơn thuần là độ cao.

Thực tế khắc nghiệt của phương trình tên lửa

Thử thách cốt lõi để đạt đến quỹ đạo rất đơn giản, được định nghĩa bởi phương trình tên lửa Tsiolkovsky. Để đi nhanh hơn, bạn phải đẩy nhiên liệu ra ngoài. Nhưng bản thân nhiên liệu cũng có khối lượng, đòi hỏi phải có thêm nhiên liệu để đẩy. Điều này tạo ra một vòng luẩn quẩn. Để một tên lửa đạt được vận tốc quỹ đạo (khoảng 28.000 km/h hoặc 17.500 mph), hơn 85% khối lượng ban đầu của nó trên bệ phóng phải là nhiên liệu.

Chỉ còn lại một phần nhỏ cho tải trọng và cấu trúc tên lửa. Đó là lý do tại sao tên lửa được chế tạo theo từng tầng. Mỗi tầng là một động cơ và thùng nhiên liệu khép kín. Khi nhiên liệu cạn kiệt, tầng rỗng sẽ được loại bỏ. Điều này giúp giảm trọng lượng chết, cho phép các tầng còn lại tăng tốc phương tiện nhẹ hơn một cách hiệu quả hơn nhiều. Việc lên không gian thì dễ. Nhưng việc duy trì ở đó đòi hỏi sự tập trung không ngừng vào việc giảm khối lượng để tăng tốc.

Kỹ thuật cất cánh: Một sự cân bằng tinh tế

Việc phóng tên lửa là một quá trình liên tục cân bằng các lực đối lập. Đầu tiên, đó là lực đẩy so với trọng lực. Động cơ của tên lửa phải tạo ra lực đẩy lớn hơn tổng trọng lượng của nó để cất cánh. Đây là tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng, và nó phải lớn hơn một. Các động cơ hiện đại đạt được tỷ lệ đáng kinh ngạc, nhưng mỗi kilogram đều quan trọng.

Thứ hai, đó là ứng suất khí động học so với khả năng điều khiển. Khi tên lửa xuyên qua tầng khí quyển dày đặc phía dưới, lực cản không khí (lực kéo) là rất lớn. Phương tiện phải đủ mạnh để chịu được áp lực này, nhưng cũng phải đủ nhanh nhẹn để điều khiển.

Điều này được quản lý bằng cách xoay trục – xoay nhẹ các động cơ chính để hướng lực đẩy và điều khiển, và sử dụng các động cơ đẩy điều khiển phản lực nhỏ hơn. Cuối cùng, đó là việc quản lý áp suất động ("Max Q"). Đây là điểm ứng suất cơ học tối đa trên cấu trúc của tên lửa, nơi tốc độ cao nhưng khí quyển vẫn dày đặc. Các kỹ sư tạm thời giảm ga động cơ ở đây để giảm ứng suất, sau đó tăng ga trở lại sau khi vượt qua điểm này.

Âm thanh và cơn thịnh nộ: Sống sót trong môi trường

Môi trường mà một tên lửa tự tạo ra cũng khắc nghiệt như không gian. Năng lượng âm thanh khi cất cánh là vô cùng lớn. Rung động có thể làm vỡ tan tải trọng. Để kiểm soát điều này, các bệ phóng sử dụng hệ thống phun nước. Hàng nghìn gallon nước được phun ra khi kích nổ. Nước này hấp thụ năng lượng âm thanh và triệt tiêu các sóng âm phản xạ có thể làm hỏng tên lửa.

Việc quản lý nhiệt cũng vô cùng quan trọng. Khi tên lửa tăng tốc, ma sát với không khí làm nóng bên ngoài. Phương tiện được bảo vệ bởi các tấm chắn nhiệt tự tiêu hoặc các tấm cách nhiệt có khả năng cháy hoặc chống lại nhiệt. Bên trong, nhiên liệu đông lạnh như oxy lỏng phải được giữ ở nhiệt độ hàng trăm độ dưới 0 cho đến thời điểm kích nổ, đòi hỏi hệ thống cách nhiệt phức tạp. Tên lửa là một cỗ máy được chế tạo để sống sót sau quá trình ra đời đầy dữ dội của chính nó.

Hệ thống dẫn đường vô hình: Bay theo đường cong

Tên lửa không bay thẳng lên. Gần như ngay từ lúc rời khỏi tháp phóng, nó bắt đầu chuyển hướng theo trọng lực. Nó nghiêng nhẹ, cho phép trọng lực giúp uốn cong quỹ đạo từ phương thẳng đứng sang phương ngang. Máy tính trên tàu liên tục điều hướng theo đường đi này. Chúng xử lý dữ liệu từ con quay hồi chuyển và gia tốc kế, so sánh vị trí và vận tốc thực tế của tên lửa với "hồ sơ phóng" được lập trình sẵn.

Nếu lệch hướng, máy tính điều khiển chuyến bay sẽ ra lệnh cho động cơ xoay và điều chỉnh trong thời gian thực. Hệ thống dẫn đường này hoạt động để đưa tải trọng vào một "quỹ đạo đỗ" cụ thể với độ cao và vận tốc chính xác. Quá trình phóng không kết thúc khi động cơ tắt; nó kết thúc khi tải trọng được thả chính xác vào nơi cần thiết, di chuyển với tốc độ chính xác.

Vì vậy, lần tới khi bạn xem cảnh tên lửa bốc lửa bay lên, hãy nhìn thấy nhiều hơn là sức mạnh. Hãy nhìn thấy một bản giao hưởng của những ràng buộc. Mỗi đường cong trên thân tên lửa, mỗi thời điểm tách tầng, mỗi lần động cơ nhấp nháy đều là câu trả lời trực tiếp cho một giới hạn vật lý cơ bản. Điều kỳ diệu thực sự không phải là chúng ta tạo ra những vụ nổ như vậy. Mà là chúng ta dàn dựng chúng với độ chính xác đến mức một vệ tinh mỏng manh có thể thoát ra an toàn ở phía bên kia, sẵn sàng trôi nổi trong sự tĩnh lặng hoàn hảo của quỹ đạo. Chúng ta không chinh phục trọng lực. Chúng ta học cách sử dụng chính quy luật của nó để thoát khỏi sự kìm kẹp của nó, dù chỉ trong chốc lát.