Khám phá không gian — Sứ mệnh, tên lửa và các cột mốc quan trọng

Khám phá không gian là việc dùng tàu vũ trụ để quan sát, bay vào quỹ đạo, hạ cánh hoặc di chuyển ra ngoài Trái Đất. Phần vật lý cốt lõi khá đơn giản: tên lửa tạo lực đẩy bằng cách phụt khối lượng ra ngoài, hấp dẫn bẻ cong quỹ đạo sau khi phóng, và để vào quỹ đạo thì cần đủ tốc độ theo phương ngang chứ không chỉ cần độ cao.

Vì thế, khám phá không gian không chỉ là “bay lên cao”. Một vệ tinh thời tiết cần quỹ đạo ổn định, một sứ mệnh lên Mặt Trăng cần quỹ đạo chuyển tiếp, còn một sứ mệnh tới Sao Hỏa cần đúng cửa sổ phóng cũng như đủ năng lượng.

Vì sao tên lửa là điểm khởi đầu

Tên lửa tăng tốc vì nó phụt khí phụt theo một hướng và nhận động lượng theo hướng ngược lại. Điều này phù hợp với định luật bảo toàn động lượng và định luật III Newton.

Hệ quả quan trọng mang tính thực tế là: tên lửa hoạt động được trong chân không. Chúng không cần không khí bên ngoài phương tiện. Điều chúng cần là khối lượng nhiên liệu đẩy để phụt ra và đủ năng lượng để phụt nó với tốc độ đủ lớn.

Đó cũng là lý do tên lửa phóng thường có nhiều tầng. Khi nhiên liệu đã cạn, các thùng chứa và động cơ rỗng trở thành tải trọng chết, nên tách bỏ chúng giúp phần còn lại tiếp tục tăng tốc hiệu quả hơn.

Quỹ đạo phụ thuộc vào tốc độ, không chỉ độ cao

Một sai lầm phổ biến ban đầu là nghĩ rằng tàu vũ trụ chỉ cần lên “đủ cao” là vào quỹ đạo. Độ cao có quan trọng, nhưng quỹ đạo chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ theo phương ngang.

Nếu tàu vũ trụ chuyển động ngang đủ nhanh, lực hấp dẫn sẽ liên tục bẻ cong đường đi của nó về phía Trái Đất trong khi bề mặt Trái Đất cũng cong đi bên dưới. Theo nghĩa đó, quỹ đạo là một sự rơi liên tục quanh Trái Đất chứ không phải rơi thẳng xuống.

Với quỹ đạo tròn quanh một thiên thể có khối lượng $M$ ở khoảng cách $r$ tính từ tâm của nó, mô hình chuẩn cho tốc độ quỹ đạo là

$$v = \sqrt{\frac{GM}{r}}$$

Công thức này là mô hình ước lượng ban đầu tốt khi quỹ đạo gần tròn và hấp dẫn của một thiên thể chiếm ưu thế.

Ví dụ có lời giải: tốc độ quỹ đạo tầm thấp quanh Trái Đất

Giả sử bạn muốn ước lượng gần đúng tốc độ cần thiết cho một quỹ đạo tròn rất thấp quanh Trái Đất. Dùng các giá trị chuẩn sau:

• $G \approx 6.67 \times 10^{-11}\ \mathrm{N \cdot m^2/kg^2}$
• $M_{\mathrm{Earth}} \approx 5.97 \times 10^{24}\ \mathrm{kg}$
• $r \approx 6.37 \times 10^6\ \mathrm{m}$

Khi đó

$$v = \sqrt{\frac{(6.67 \times 10^{-11})(5.97 \times 10^{24})}{6.37 \times 10^6}}$$ $$v \approx \sqrt{6.25 \times 10^7}\ \mathrm{m/s} \approx 7.9 \times 10^3\ \mathrm{m/s}$$

Vậy tốc độ quỹ đạo vào khoảng $7.9\ \mathrm{km/s}$.

Ví dụ này cho thấy vì sao vào quỹ đạo là một việc rất khó. Bay tới không gian đã khó, nhưng vào quỹ đạo còn khó hơn vì phương tiện phải đạt được tốc độ ngang cực lớn chứ không chỉ tăng độ cao. Trong thực tế, các vụ phóng còn cần thêm vận tốc để bù lực cản khí quyển, tổn thất do hấp dẫn trong quá trình bay lên và việc điều khiển hướng, nên năng lực phóng cần thiết sẽ cao hơn ước lượng tốc độ quỹ đạo lý tưởng này.

Những cột mốc quan trọng đã thay đổi việc khám phá không gian

Sputnik 1 năm 1957

Vệ tinh nhân tạo đầu tiên cho thấy việc vào quỹ đạo là khả thi về mặt kỹ thuật. Nó biến du hành không gian từ lý thuyết thành hiện thực kỹ thuật.

Yuri Gagarin năm 1961

Chuyến bay không gian có người lái đầu tiên chứng minh rằng con người có thể sống sót qua quá trình phóng, bay quỹ đạo và quay trở lại khí quyển, ít nhất là trong một sứ mệnh ngắn.

Apollo 11 năm 1969

Việc đưa con người hạ cánh lên Mặt Trăng cho thấy các sứ mệnh có thể vượt ra ngoài quỹ đạo Trái Đất, điều hướng chính xác, hạ cánh lên một thế giới khác và quay về an toàn.

Các sứ mệnh Voyager năm 1977

Các tàu thăm dò Voyager cho thấy sức mạnh của thám hiểm bằng robot, các sứ mệnh kéo dài nhiều năm và kỹ thuật hỗ trợ hấp dẫn để đi tới vùng ngoài của Hệ Mặt Trời.

Trạm Vũ trụ Quốc tế từ năm 1998 trở đi

ISS đã biến khám phá không gian thành một phòng thí nghiệm dài hạn cho nghiên cứu vi trọng lực, vận hành kỹ thuật và hợp tác quốc tế. Con người đã sinh sống liên tục tại đó từ năm 2000.

Các loại sứ mệnh không gian đang cố gắng làm gì

Mỗi loại sứ mệnh đặt ra những câu hỏi vật lý khác nhau.

• Các sứ mệnh quỹ đạo Trái Đất tập trung vào liên lạc, thời tiết, định vị và quan sát.
• Các sứ mệnh Mặt Trăng kiểm tra việc hạ cánh, hoạt động trên bề mặt và quỹ đạo quay về gần Trái Đất.
• Các tàu thăm dò hành tinh đánh đổi hệ thống hỗ trợ con người để lấy khả năng khoa học tầm xa, điều này khiến chúng phù hợp cho thám hiểm không gian sâu.
• Kính thiên văn không gian tránh được phần lớn khí quyển, nhờ đó cải thiện quan sát ở nhiều vùng của phổ điện từ.

Cùng một phần vật lý cốt lõi xuất hiện trong tất cả các sứ mệnh này, nhưng các đánh đổi kỹ thuật sẽ thay đổi theo khoảng cách, khối lượng, công suất và độ trễ liên lạc.

Những hiểu lầm thường gặp về tên lửa và quỹ đạo

Nghĩ rằng phi hành gia trên quỹ đạo ở ngoài vùng hấp dẫn

Không phải vậy. Lực hấp dẫn vẫn còn mạnh ở quỹ đạo tầm thấp quanh Trái Đất. Phi hành gia cảm thấy không trọng lượng chủ yếu vì họ và tàu vũ trụ cùng rơi tự do liên tục.

Nghĩ rằng tên lửa đẩy vào không khí

Tên lửa không cần không khí bên ngoài. Lực đẩy đến từ việc phụt nhiên liệu đẩy ra ngoài.

Nhầm lẫn giữa bay vào không gian và vào quỹ đạo

Vượt qua ranh giới không gian không đồng nghĩa với việc duy trì được quỹ đạo. Một chuyến bay dưới quỹ đạo sẽ bay lên rồi rơi trở lại mà không quay quanh Trái Đất.

Xem các cột mốc chỉ như lịch sử thuần túy

Các cột mốc quan trọng vì mỗi cột mốc đại diện cho một năng lực vật lý và kỹ thuật mới: vào quỹ đạo, hỗ trợ sự sống, hạ cánh chính xác, bay dài ngày hoặc liên lạc không gian sâu.

Vì sao khám phá không gian quan trọng vượt ra ngoài tên lửa

Khám phá không gian thúc đẩy khoa học hành tinh, thiên văn học, kỹ thuật vệ tinh, hệ thống định vị, viễn thám, thử nghiệm vật liệu và nghiên cứu yếu tố con người trong môi trường khắc nghiệt. Ngay cả khi bạn không bao giờ làm việc trong một sứ mệnh không gian, chủ đề này vẫn là một cách rất rõ ràng để thấy cơ học, nhiệt động lực học, điện từ học và hệ điều khiển kết hợp với nhau trong một lĩnh vực thực tế.

Hãy thử phiên bản của riêng bạn

Hãy dùng cùng công thức tốc độ quỹ đạo cho một quỹ đạo cao hơn quanh Trái Đất rồi so sánh với ước lượng quỹ đạo tầm thấp. Vì $v = \sqrt{GM/r}$ giảm khi $r$ tăng, quỹ đạo cao hơn sẽ cần tốc độ quỹ đạo nhỏ hơn. Nếu bạn muốn thử phiên bản của riêng mình với các con số khác, hãy giải một bài tương tự bằng GPAI Solver.