Thien van hoc, thien van, kinh thien van, ong nhom, linh kien

Tên lửa hoạt động như thế nào? (Phần 2)

Sample imageChúng ta tiếp tục tìm hiểu nguyên lý hoạt động của tên lửa

 

 

 

 

 

Tên lửa nhiên liệu rắn: Hỗn hợp nhiên liệu

Tên lửa nhiên liệu rắn là những động cơ đầu tiên do con người chế tạo ra. Chúng được phát minh ra cách nay hàng trăm năm ở Trung Quốc và đã được sử dụng rộng rãi kể từ đấy. Dòng chữ “chớp đỏ của tên lửa” trong bài quốc ca Mĩ (viết vào đầu những năm 1800) là đang nói về những tên lửa nhiên liệu rắn cỡ nhỏ dùng trong quân sự để ném bom hoặc các thiết bị dễ cháy. Cho nên bạn có thể thấy tên lửa đã được sử dụng khá sớm.

Nguyên lí hoạt động của một tên lửa nhiên liệu rắn đơn giản thật dễ hiểu. Cái bạn muốn là tạo ra cái gì đó cháy rất nhanh nhưng không nổ. Như bạn đã biết, thuốc súng thì sẽ nổ. Thuốc súng gồm 75% nitrate, 15% carbon và 10% sulfur. Trong động cơ tên lửa, bạn không muốn có vụ nổ nào – bạn muốn năng lượng được giải phóng một cách đều đặn hơn trong một khoảng thời gian nào đó. Vì thế, bạn có thể thay đổi công thức hỗn hợp thành 72% nitrate, 24% carbon và 4% sulfur. Trong trường hợp này, thay cho thuốc súng, bạn sẽ có một nhiên liệu tên lửa đơn giản. Loại hỗn hợp này sẽ cháy rất nhanh, nhưng nó không nổ nếu được nạp một cách hợp lí. Đây là một mặt cắt tiêu biểu:


alt

Một tên lửa nhiên liệu rắn ngay trước và sau đánh lửa

Trên hình bên trái, bạn thấy tên lửa trước khi đánh lửa. Nhiên liệu rắn được thể hiện bằng màu xanh. Nó có dạng trụ, với một ống khoan qua ở giữa. Khi bạn đốt nhiên liệu, nó cháy dọc theo thành ống. Khi nó cháy, nó bùng lửa ra phía ngoài về hướng vỏ bọc cho đến khi toàn bộ nhiên liệu đều cháy. Ở một động cơ tên lửa mẫu cỡ nhỏ hoặc một chai tên lửa nhỏ xíu, quá trình cháy xảy ra trong chừng một giây hoặc chưa tới một giây. Ở tàu con thoi vũ trụ SRB chứa hơn một triệu pound nhiên liệu, thì quá trình cháy diễn ra khoảng hai phút.

Tên lửa nhiên liệu rắn: Cấu hình rãnh

Khi đọc các tài liệu viết về tên lửa nhiên liệu rắn tiên tiến, ví dụ như các tên lửa đẩy dạng rắn của tàu con thoi, bạn thường đọc thấy những dòng như thế này:

Hỗn hợp chất nổ đẩy trong mỗi động cơ SRB gồm có ammonium perchlorate (chất oxy hóa, trọng lượng chiếm 69,6%), nhôm (nhiên liệu, 16%), sắt oxide (chất xúc tác, 0,4%), một polymer (chất kết dính hỗn hợp lại với nhau, 12,04%), và một tác nhân cầu nối epoxy (1,96%). Chất nổ đẩy có dạng một lỗ đục hình ngôi sao 11 cánh trong phần động cơ phía trước và một lỗ đục hình nón cụt đôi ở phần cuối. Cấu hình này mang lại sức đẩy lớn lúc đánh lửa và sau đó giảm sức đẩy đi để chống sự vượt quá ứng suất trong kì áp suất động cực đại. (NASA)

Đoạn này không chỉ trình bày về hỗn hợp nhiên liệu mà còn nói rõ cấu hình rãnh khoan trong lõi nhiên liệu. Một “lỗ đục hình ngôi sao 11 cánh” có thể trông như thế này:

alt

Vấn đề là tăng diện tích bề mặt của rãnh, từ đó tăng diện tích cháy và do đó tăng thêm sức đẩy. Khi nhiên liệu cháy, hình ngôi sao bung ra thành một vòng tròn. Trong trường hợp SRB, nó mang lại cho động cơ sức đẩy ban đầu lớn và hạ dần sức đẩy vào giữa chuyến bay.

Tên lửa nhiên liệu rắn có ba ưu thế quan trọng:
- Đơn giản
- Giá thành thấp
- An toàn

Chúng cũng có hai nhược điểm:
- Sức đẩy không thể điều khiển được.
- Một khi đã đánh lửa, động cơ không thể ngừng lại hoặc khởi động lại.

Những nhược điểm trên cũng có nghĩa là tên lửa nhiên liệu rắn chỉ hữu ích đối với những tác vụ ngắn hạn (như tên lửa đạn đạo), hoặc các hệ thống nâng đẩy. Khi bạn muốn điều khiển động cơ, thì bạn phải sử dụng hệ thống chất nổ đẩy dạng lỏng. Chúng ta sẽ tìm hiểu về chúng trong phần tiếp theo.

 

Tên lửa nhiên liệu lỏng

Năm 1926, Robert Goddard đã thử nghiệm động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng đầu tiên. Động cơ của ông sử dụng xăng và oxygen lỏng. Ông còn nghiên cứu và giải được một số vấn đề cơ bản trong thiết kế động cơ tên lửa, trong đó có cơ chế bơm, chiến lược làm nguội và sắp xếp các thiết bị lái. Những vấn đề này là cái khiến cho tên lửa nhiên liệu lỏng thật phức tạp.

alt

Tiến sĩ Robert H. Goddard và tên lửa xăng-oxygen lỏng của ông trên giàn phóng của nó vào hôm 16 tháng 3, 1926, tại Auburn, Massachusetts. Nó bay chỉ được 2,5 giây, lên cao 41 feet, và tiếp đất cách đó 184 feet. (Ảnh: NASA)

Ý tưởng cơ bản thật đơn giản. Trong đa số động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng, nhiên liệu và chất oxy hóa (ví dụ, xăng và oxygen lỏng) được bơm vào một buồng đốt. Tại đó, chúng cháy sinh ra áp suất cao và dòng khí nóng tốc độ cao. Những dòng khí này chảy qua một miệng vòi làm tăng tốc chúng thêm nữa (thường thì vận tốc thoát ra từ 5.000 đến 10.000 dặm trên giờ), và sau đó chúng thoát khỏi động cơ. Sơ đồ đã đơn giản hóa sau đây cho bạn thấy những bộ phận cơ bản ấy.

alt

Sơ đồ trên không thể hiện sự phức tạp thực sự của một động cơ điển hình. Chẳng hạn, thường thì nhiên liệu hoặc chất oxy hóa là một chất khí hóa lỏng đông lạnh như hydrogen lỏng hoặc oxygen lỏng. Một trong những vướng mắc lớn ở động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng là việc làm mát buồng đốt và vòi phun, nên các chất lỏng đông lạnh trước tiên được cho xoay vòng quanh các bộ phận quá nhiệt để làm nguội chúng. Máy bơm phải tạo ra áp suất đủ cao để thắng áp suất do nhiên liệu đang cháy tạo ra trong buồng đốt. Các động cơ chính trong tàu con thoi vũ trụ thật ra sử dụng hai giai đoạn bơm và đốt nhiên liệu để điều khiển bơm giai đoạn thứ hai. Yêu cầu của quá trình bơm và làm nguội khiến cho cấu tạo của động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng thật hết sức rối rắm.

Người ta sử dụng nhiều loại hỗn hợp nhiên liệu làm chất đẩy lỏng trong động cơ tên lửa. Ví dụ:

·    Hydrogen lỏng và oxygen lỏng – dùng trong các động cơ chính của tàu con thoi vũ trụ

·    Xăng và oxygen lỏng – dùng trong tên lửa sơ khai của Goddard

·    Dầu lửa và oxygen lỏng – dùng trong giai đoạn đầu của tên lửa đẩy Saturn V trong chương trình Apollo

·    Cồn và oxygen lỏng – dùng trong tên lửa V2 của Đức

·    Nitrogen tetroxide/ monomethyl hydrazine – dùng trong các động cơ Cassini

(Phần cuối: Tương lai của động cơ tên lửa)

 

Chiciura84

Nguồn: HAAC

 

 
  • Bài viết mới

  • LỊCH ÂM DƯƠNG

  • Bài đọc nhiều

  • Tin đáng chú ý

Tin diễn đàn

Mỗi ngày một ảnh thiên văn Sample image Mỗi ngày tại địa chỉ này sẽ cập nhật một ảnh thiên văn từ đó chúng ta có thể biết.
Cuộc thi tên lửa nước 2012 Sample image Hội thiên văn nghiệp dư Hà Nội thông báo về cuộc thi tên lửa nước 2012
Lớp học kính thiên văn Sample image Lớp học kính thiên văn Hội thiên văn nghiệp dư Hà Nội tổ chức năm 2012 .

Video về Mặt Trăng từ lúc hình thành cho đến bây giờ.

Liên kết