Tên lửa đòi hỏi một năng lượng khổng lồ để phóng lên quỹ đạo. Trong bài viết này chúng ta sẽ xem xét các loại nhiên liệu khác nhau được sử dụng để phóng tên lửa lên khỏi mặt đất và cách tàu vũ trụ tiếp tục lực đẩy trong không gian. Bạn hãy giành ít thời gian để tham khảo bài viết nhé!
Bắt đầu trên mặt đất
Động cơ tên lửa tạo ra lực đẩy với các chất đẩy kết hợp chất oxy hóa và nhiên liệu để tạo ra khí nóng các hỗn hợp có thể ở dạng rắn, lỏng và hỗn hợp của cả hai.
Chất đẩy là hỗn hợp hóa học được đốt cháy để tạo ra lực đẩy trong tên lửa và bao gồm nhiên liệu và chất oxy hóa.
- Nhiên liệu là chất cháy khi kết hợp với chất oxy hóa để tạo lực đẩy.
- Chất oxy hóa là tác nhân giải phóng oxy để kết hợp với nhiên liệu. Tỷ lệ chất oxy hóa với nhiên liệu được gọi là tỷ lệ hỗn hợp.
Các chất đẩy được phân loại theo trạng thái của chúng – lỏng, rắn hoặc hỗn hợp.
1. Chất đẩy lỏng
Trong tên lửa đẩy chất lỏng, nhiên liệu và chất oxy hóa được chứa trong các thùng riêng biệt và được đưa qua một hệ thống đường ống, van và máy bơm tua-bin đến buồng đốt, nơi chúng được kết hợp và đốt cháy để tạo ra lực đẩy.
- Ưu điểm: Động cơ nhiên liệu lỏng phức tạp hơn động cơ nhiên liệu rắn, tuy nhiên, chúng mang lại một số lợi thế. Bằng cách kiểm soát dòng nhiên liệu đẩy vào buồng đốt, động cơ có thể được tăng tốc, dừng hoặc khởi động lại.
- Nhược điểm: Những khó khăn chính với nhiên liệu đẩy lỏng là với chất oxy hóa. Các chất oxy hóa có thể lưu trữ, chẳng hạn như axit nitric và nitơ tetroxide cực kỳ độc hại và có khả năng phản ứng cao, trong khi các chất đẩy đông lạnh được bảo quản ở nhiệt độ thấp và cũng có thể gặp các vấn đề về phản ứng/độc tính.
Chất đẩy lỏng được sử dụng trong tên lửa có thể được phân thành ba loại: dầu mỏ, chất làm lạnh và hypergolic.
- Nhiên liệu dầu mỏ là những nhiên liệu được tinh chế từ dầu thô và là hỗn hợp của các hydrocacbon phức tạp, tức là các hợp chất hữu cơ chỉ chứa cacbon và hydro. Dầu mỏ được sử dụng làm nhiên liệu tên lửa là một loại dầu hỏa tinh chế cao.
- Chất đẩy đông lạnh là khí hóa lỏng được lưu trữ ở nhiệt độ rất thấp, thường là hydro lỏng (LH2) làm nhiên liệu và oxy lỏng (LO2 hoặc LOX) làm chất oxy hóa. Hydro vẫn ở dạng lỏng ở nhiệt độ -253oC (-423oF) và oxy vẫn ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ -183oC (-297oF).
- Các chất đẩy và chất oxy hóa hypergolic tự bốc cháy khi tiếp xúc với nhau và không cần nguồn đánh lửa. Khả năng khởi động và khởi động lại dễ dàng của hypergolic khiến chúng trở nên lý tưởng cho các hệ thống điều động tàu vũ trụ.
Vì hypergolic vẫn ở dạng lỏng ở nhiệt độ bình thường nên chúng không gây ra các vấn đề về bảo quản như chất đẩy đông lạnh. Hypergolic có độc tính cao và phải được xử lý hết sức cẩn thận. Nhiên liệu hypergolic thường bao gồm hydrazine, monomethyl-hydrazine (MMH) và dimethyl-hydrazine không đối xứng (UDMH).
2. Chất đẩy rắn
Đây là loại đơn giản nhất trong tất cả các thiết kế tên lửa. Chúng bao gồm một vỏ bọc, thường là thép, chứa đầy hỗn hợp các hợp chất rắn (nhiên liệu và chất oxy hóa) đốt cháy với tốc độ nhanh, đẩy khí nóng ra khỏi vòi để tạo ra lực đẩy. Khi được đốt cháy, một nhiên liệu đẩy rắn sẽ cháy từ tâm ra các phía của vỏ.
Có hai họ chất đẩy rắn: đồng nhất và hỗn hợp. Cả hai loại đều đậm đặc, ổn định ở nhiệt độ thường và dễ bảo quản.
Vật liệu tổng hợp chủ yếu bao gồm hỗn hợp các hạt chất oxy hóa rắn, chẳng hạn như amoni nitrat, amoni dinitramide, amoni perclorat hoặc kali nitrat trong một chất liên kết polyme.
Bazơ đơn, kép hoặc ba (tùy thuộc vào số lượng thành phần chính) là hỗn hợp đồng nhất của một đến ba thành phần chính.
- Ưu điểm: Tên lửa nhiên liệu rắn dễ bảo quản và xử lý hơn nhiều so với tên lửa nhiên liệu lỏng. Mật độ nhiên liệu đẩy cao cũng làm cho kích thước nhỏ gọn.
- Nhược điểm: Không giống như động cơ nhiên liệu lỏng, động cơ nhiên liệu rắn không thể tắt được. Sau khi được đốt cháy, chúng sẽ cháy cho đến khi hết nhiên liệu đẩy.
3. Chất đẩy lai
Những động cơ này đại diện cho một nhóm trung gian giữa động cơ đẩy rắn và lỏng. Một trong các chất là chất rắn, thường là nhiên liệu, trong khi chất kia, thường là chất oxy hóa, là chất lỏng. Chất lỏng được bơm vào chất rắn, bình chứa nhiên liệu của nó cũng đóng vai trò là buồng đốt.
Ưu điểm chính của những động cơ như vậy là chúng có hiệu suất cao, tương tự như hiệu suất của động cơ đẩy rắn, nhưng quá trình đốt cháy có thể được điều tiết, dừng lại hoặc thậm chí khởi động lại. Rất khó để sử dụng khái niệm này cho lực đẩy rất lớn, và do đó, động cơ nhiên liệu lai hiếm khi được chế tạo.
Đẩy trong không gian
Sau khi tàu vũ trụ thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái đất, chúng vẫn cần một phương pháp đẩy tàu có thể sử dụng một số phương pháp đẩy.
1. Đẩy hóa học
Động cơ đẩy hóa học sử dụng các phản ứng tạo ra khí nóng để tạo lực đẩy hydrazine là loại nhiên liệu được sử dụng phổ biến nhất, nhưng nó độc hại và các nhà khoa học đang phát triển các chất thay thế thân thiện với môi trường hơn.
2. Động cơ điện
Động cơ đẩy điện thường sử dụng tĩnh điện hoặc trường điện từ để ion hóa các chất đẩy và sau đó tăng tốc các ion để tạo ra lực đẩy.
3. Đẩy tiên tiến
Các nhà khoa học đã đề xuất một số công nghệ đẩy khác và trong một số trường hợp đã thử nghiệm chúng. Ví dụ, những cánh buồm mặt trời, khai thác động lượng của ánh sáng mặt trời, có thể đẩy tàu vũ trụ trong không gian mà không cần bất kỳ nhiên liệu nào.
Bài viết đến đây là hết rồi. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai. Lần sau nếu có ai hỏi về chủ đề này thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!
Tham khảo C&EN và Drishti IAS.
