[Phân tích vật lý] Hạ cánh tên lửa an toàn trên Trái Đất phải đối mặt với khó khăn như thế nào?

Cảnh Falcon 9 hạ cánh và phát nổ được Elon Musk chia sẻ trên trang Twitter của ông

Hôm trước chúng ta đã nghe tin về việc SpaceX đã cho đáp tên lửa đẩy Falcon 9 lên xà lan trên mặt biển và kết quả không thành công trọn vẹn như dự định của Elon Musk, tên lửa đã phát nổ sau khi hạ cánh. Mình có dạo một vòng quanh bình luận của các bạn xoay quanh sự kiện trên, phần lớn đều cho rằng việc này quá khó nhưng cũng có bạn cho rằng là do kém may mắn thôi. Vậy thật sự việc hạ cánh một tên lửa đẩy mà vẫn giữ cho nó còn nguyên vẹn để tái sử dụng lần sau có khó không? Nếu khó thì khó chỗ nào? Phó giáo sư khoa vật lý tại Đại học Đông nam Louisiana Rhett Allain đã có lời giải đáp cho câu hỏi trên dựa trên các nguyên tắc vật lý cơ bản.

Giáo sư nhấn mạnh rằng ông không phải là nhà khoa học tên lửa và cũng sẽ không nêu chi tiết kỹ thuật của quá trình hạ cánh tên lửa trong bài viết của ông. Do đó, bài viết này sẽ tập trung phương diện vật lý học của quá trình đáp tên lửa nói chung và sự kiện của Falcon 9 do SpaceX thực hiện nói riêng.

Hạ cánh xuống Mặt Trăng dễ hơn!

apollo_16lm_apollo_lunar_module_wikipedia_the_free_encyclopedia.jpg

Tàu vũ trụ hạ cánh xuống Mặt Trăng trong sứ mạng Apollo 16

Như chúng ta đã biết, tàu vũ trụ của con người đã vài lần hạ cánh thành công xuống Mặt Trăng. Điển hình là sứ mạng Apollo do NASA thực hiện. Và thậm chí, các nhà khoa học còn tạo hẳng một trò chơi mang tên là "Lunar Lander" (hạ cánh xuống Mặt Trăng) cho bạn nào yêu thích khoa học. Bạn có thể chơi thử trực tuyến theo đường dẫn tại đây. Mục tiêu của trò chơi là điều chỉnh góc và lực đẩy để hạ cánh tàu vũ trụ an toàn lên Mặt Trăng. Tất cả các số liệu đều được hiển thị khá chi tiết và dựa theo các số liệu khoa học.

Trò chơi lái tàu hạ cánh an toàn xuống Mặt Trăng

Rõ ràng, trò chơi nói trên không phải là đơn giản và dễ dàng giành chiến thắng. Dù vậy, thực tế thì các phi hành gia đã hạ cánh an toàn xuống Mặt Trăng. Tuy nhiên, việc Falcon 9 của SpaceX hạ cánh xuống sà lan trên biển không đơn giản như tàu vũ trụ đáp xuống Mặt Trăng. Chắc chắn đến đây các bạn sẽ thắc mắc "Khác biệt ở chỗ nào?" Xin thưa, tàu vũ trụ hạ cánh xuống Mặt Trăng được trang bị một tên lửa ở phía bên dưới, đồng thời nó có thể xoay bằng các các động cơ đẩy ở quanh thân. Còn Falcon 9 có 1 động cơ đẩy ở bên dưới, nó sử dụng chính động cơ này với 2 nhiệm vụ là để đẩy và xoay. Đây chính là điểm làm cho Falcon 9 khó vận động hơn. Mặt khác, Mặt Trăng cũng có lực hấp dẫn thấp hơn trên Trái Đất.

3 chuyển động của 1 tên lửa

Với động cơ đẩy chính, Falcon 9 có thể thực hiện được 3 chuyển động khác nhau như sau:

Gia tốc theo phương thẳng đứng: Đây là yếu tố hữu ích và quan trọng nhất để giúp Falcon 9 có thể đáp xuống một cách từ từ. Nhưng như các bạn đã biết, nó đã phát nổ.
Gia tốc theo phương ngang: Chuyển động này được dùng để thay đổi vận tốc khi chuyển động ngang của tên lửa. Đây là yếu tố được dùng để điều chỉnh vị trí hạ cánh đúng vào sà lan trên mặt biển.
Gia tốc góc: yếu tố này giúp thay đổi chuyển động xoay của tên lửa quangh trọng tâm của nó. Nó hữu dụng khi bạn muốn đảm bảo rằng tên lửa luôn hạ xuống theo phương thẳng đứng.

Ví dụ 1 chuyển động của Falcon 9

Trên đây là 1 ví dụ minh họa. Giả sử Falcon 9 đang di chuyển theo phương ngang và hướng sang trái. Để làm chậm nó lại và thực hiện cú hạ cánh an toàn, động cơ của Falcon 9 phải đẩy theo hướng ngược lại. Khi động cơ đẩy hướng về bên trái, phần đuôi tên lửa sẽ dịch chuyển sang bên phải trong khi phần đầu không được đẩy, một mô men xoắn sẽ đặt lên trọng tâm của tên lửa. Lúc đó, dĩ nhiên là toàn thân quả tên lửa sẽ xuất hiện chuyển động xoay quanh trọng tâm. Nhưng nếu đặt thêm một động cơ đẩy ở trên đầu thì bạn cần phải thay đổi các giá trị sức đẩy khác trong lúc phóng cũng như khi xuống.

Đây chính là vấn đề khó khăn nhất đối với việc hạ cánh tên lửa theo dự kiến của SpaceX. Trên thực tế, việc này cũng tương tự như bạn giữ một đầu của một cây gậy dựng đứng trên lòng bàn tay và di chuyển sao cho cây gậy không bị ngã. Và như bạn thấy trong ví dụ, làm sao để bạn có thể ngừng lại mà cây gậy không bị ngã? Thực ra, nếu khéo tay thì bạn vẫn có thể ngừng di chuyển mà vẫn giữ yên cây gậy. Tuy nhiên, đối với một quả tên lửa thì bạn cần phải dừng nó và giữ nó thẳng đứng vào thời điểm hạ cánh.

Tại sao không sử dụng thiết kế khác?

Trên đây là 2 ý tưởng thiết kế tên lửa, 1 của Falcon 9 và 1 cái khác mà phó giáo sư Rhett Allain tạm gọi là tên lửa dễ đáp - tương tự như tàu vũ trụ hạ cánh xuống Mặt Trăng với các động cơ đẩy ở bên dưới và 2 bên.

Rõ ràng, "tên lửa dễ đáp" của Allain sẽ dễ điều khiển hơn. Đầy tiên, nó không cao và mỏng như Falcon 9. Trọng tâm của nó ở gần động cơ đẩy chính nên sẽ không tạo ra nhiều mô men xoắn nên cũng khó bị xoay vòng vòng hơn. Đồng thời nó được trang bị thêm nhiều động cơ đẩy để triệt tiêu toàn bộ mô men xoắn ngay khi nó xuất hiện nếu có, đảm bảo cú hạ cánh sẽ theo phương thẳng đứng một cách hoàn hảo. Cuối cùng, mặt bên thân tên lửa cũng được trang bị thêm động cơ đẩy để có thể dễ dàng điều chỉnh chuyển động theo phương ngang nhằm đảm bảo hạ cánh đúng điểm mong muốn mà không làm nó xoay. Một thiết kế tốt hơn so với Falcon 9 đúng không?

Mặc dù "tên lửa dễ đáp" sẽ thật sự là dễ hạ cánh hơn, nhưng nó vẫn không thể sánh bằng Falcon 9. Falcon 9 không phải được thiết kế ra để hạ cánh vào 1 sà lan trên đại dương. Không hề, nó được thiết kế để đẩy hàng hóa vào không gian và đây mới là chức năng chính của nó. Ngược lại, "tên lửa dễ đáp" của Allain lại không thực hiện tốt điều này. Tên lửa phải có thiết kế dài và tiết diện nhỏ để giảm thiểu sức cản của không khí trong quá trình tăng tốc lúc phóng lên. Tiết diện càng nhỏ, lực cản của không khí càng thấp. Nếu dùng "tên lửa dễ đáp" để phóng hàng hóa, nó cần sử dụng nhiều nhiên liệu hơn để bù đắp cho sức cản không khí. Nhiên liệu nhiều hơn đồng nghĩa với việc bạn cần phải có tên lửa lớn hơn (để chứa đủ nhiên liện, tất nhiên rồi) và cứ thế, nó càng lớn hơn và bạn lại cần nhiều nhiên liệu hơn.

Dĩ nhiên, đó mới là xét riêng thiết kế hình dạng của tên lửa. Vẫn còn nhiều khía cạnh khác cần phải xét đến. Nhưng dù sau đi nữa, phân tích vật lý đơn thuần trên đã phần nào cho chúng ta thấy rằng việc chế tạo 1 chiếc tên lửa có thể đồng thời đảm bảo mang hàng hóa lên quỹ đạo an toàn và cũng hạ cánh an toàn để tái sử dụng không phải là điều đơn giản. Tuy nhiên, Elon Musk và SpaceX vẫn hứa hẹn rằng chắc chắn sẽ tìm ra giải pháp để giải quyết được bài toán trên. Thất bại chỉ mới xuất hiện ở lần đầu tiên sử dụng, họ còn nhiều cơ hội, họ có ý tưởng táo bạo với những chuyên gia đầu ngành đang ngày đêm nghiên cứu, hy vọng rằng giấc mơ sẽ trở thành hiện thực. Cùng mong đợi ngày đó nào.

Tham khảo Wired

manhcuong185

ĐẠI BÀNG

9 năm

Quá cao siêu, nhưng vẫn muốn tìm hiểu :v

shahoang

GÀ

@manhcuong185 Nắm chắc chương trình lý phổ thông là có thể hiểu toàn bộ bài viết này mà a. Nhất là năm lớp 10 học về động lực học.

nhokkute_nike8008

Trứng

@shahoang Đúng rồi,đọc đầu đề mình tưởng có cái gì cao siêu hơn chứ,chứ giải thích như thế thì mình cũng biết.hơi hụt hẫng 😁

50 người khác

tu ban thoi nat suot ngày len cung trang
tet den nơi rùi

doithatbuon

Em chơi cái trò kia và cuối cùng cũng đáp xuống mặt trăng 😁 15 điểm

bactuong

TÍCH CỰC

Khó đáp xuống là phải rồi, sau nó không chơi cái dù để đáp xuống như đáp xuống sao hỏa vậy.

finalmagic

VIP

@bactuong Mục đích thiết kế cái này là để vận chuyển liên tục, hạ cánh xuống chỉ cần nạp nhiên liệu, kiểm tra sơ rồi bay tiếp xoay vòng như đi máy bay hiện giờ thì làm sao dùng dù được. 😁 :D

dh2l

Phải nói rằng đây là : " Nhiệm Vụ Bất Khả Thi"

khanhnd0709h

Mọi người choi trò kia dc bao nhiêu điểm, e được 15 điểm

nhuyhoatronggio

Nếu thành công thì SpaceX sẽ kiếm bộn tiền nhờ cho thuê tên lửa ^.^

atranduy621

Hạ cánh trên Trái Đất khó hơn là phải rồi vì có trọng lực lớn hơn mà, còn các hành tinh khác phải dễ hơn chớ.

anh_luc

15d là max rồi sao ấy

vitunet

ảnh minh họa Apollo 16 là tàu đổ bộ chứ không phải tàu vũ trụ

huyrro

sao không dùng dù nhỉ? bài viết chưa nêu lí do không dùng dù !!!!!!!!!!!!

skyofstars1605

@huyrro Mình nghĩ nó không dùng dù là vì khi đáp thẳng đứng như vậy mà dùng dù thì gió sẽ tác động làm lệch phương của tên lửa 😁

Dù chỉ để đáp những chiếc máy bay (phương ngang) hoặc phần khoang hành khách của tên lửa (rớt 1 phát thẳng xuống biển). Mình không rành cấu tạo tên lửa nhưng mình nghĩ nó không phải như mấy chiếc Apollo (nhiều tầng) chở người. Chiếc Falcon này là tên lửa "nguyên khối" - nghĩa là người ta phóng nó lên thế nào thì khi đáp nó sẽ nguyên vẹn như vậy chứ không tách ra từng phần. Đúng không nhỉ?

destjny87

@huyrro Rất đơn giản , lực hút trên trái đất lớn , nên khi các vật rơi luôn chịu 1 gia tốc là g=10 m/s ( lâu rồi không biết nhớ có chính xác ko nữa ) do đó quang đường rơi càng xa thì vận tốc rơi càng tăng , thứ nữa bạn nên nhớ là bất kể khi vật bay lên hay hạ cánh đều chịu lực ma sát với không khí , do đó các thiết bị hạ cánh trên sao hoả đều có thiết kế hình nón để khi hạ cánh nó tăng tối đa bề mặt tiếp xúc của thiết bị với ko khí => tăng lực cản , với lại trọng lực ở sao hoả rất thấp => tốc độ tăng vận tốc rơi thấp => dùng dù hiệu quả , còn thiết kế của Falcom là làm giảm tối đa bề mặt tiếp xúc với ko khí để giảm lực cản , hơn nữa nếu dùng dù thì trọng tâm của tên lửa thay đổi liên tục vì dù lắc lư chứ ko phải rơi thẳng đứng , càng khó hơn cho việc hạ cánh thẳng đứng

Khanhld.dvport

Tại sao ko dùng dù khi ở gần mặt đất? Như các tàu vũ trụ của NASA vậy?

Quốc Viêt 25

Theo em (phi hành gia kinh nghiệm nhiều năm đứng bếp) xin có ý kiến....muốn đáp tên lửa an toàn trước hết phải giảm tối đa vận tốc khi tiếp xà lan để giảm lực va chạm rồi mới tính đến phương của tên nửa khi đáp...và nếu muốn điều chỉnh phương đáp ko khó ko nhất thiết phải dùng nhiều động cơ như vậy có thể dùng các cánh lái gió xòe ra để lái giữ phương thẳng đứng giống cây tiêu đang rơi đó

vidiashop123

nhìn cái hình minh họa thì coi bộ ko thể rồi???

T.NC

@vidiashop123 Bạn này nói chuẩn.
Ngay khi nhìn cái hình minh họa đã thấy vô lý nên cứ nghĩ về nó hoài.(ngta sẽ ko theo cách như minh họa)
Đang thắc mắc là sao người viết ko liên hệ với việc tuổi thơ cầm cây gậy trên ngón tay sao cho ko bị đổ ( vừa gần gũi vừa dễ hiểu).
Rồi khi vuốt xuống đọc tiếp (duyet tinhte trên đt) thì thấy có clip 1 cậu cầm cây gậy, mình thấy thật thú vị !

Quay lại hình ảnh minh họa, nó phải là thế này :

Đó là ví dụ khi đi lên, và khi đi xuống người ta sẽ làm điều ngược lại : giảm sức đẩy đều đều. Tên lửa sẽ vừa đi sang phải vừa rơi xuống. Khi muốn xoay thẳng lên, ngta sẽ tăng công suất động cơ lên 1 chút rồi lại giảm ((ko thì tên lửa lại phóng lên ).

Nếu hỏi làm sao chuyển từ trạng thái như minh họa ở chủ topic về trạng thái này, thì trả lời là tăng lực đẩy 1 chút.

P..S mình đoán là chủ thớt vẽ minh họa?

namdh7

Thêm cái dù thì:
- Phải có cái dù đủ to để nâng được cái tàu vũ trụ, nên nhớ cái tàu này to hơn cái khoang hạ cánh rất nhiều.
- Phải có cơ cấu chứa cái dù có thể mở đóng được nằm ở đầu tên lửa, mà thêm cái này thì sẽ tạo nên phức tạp khi phóng, vì phải đảm bảo an toàn cho phần đầu này, phải thiết kế để nó không tạo nên lực cản hoặc làm khó khăn cho quá trình phóng.

Nói chung mình nghĩ tất cả các phương án mình nghĩ tới thì người ta đã tính hết cả rồi, không những thế có thể người ta cũng đã từng tạo các mô hình thử nghiệm và chọn ra mô hình hiện tại như phương án tối ưu nhất.

banbebinh

@namdh7 khi có dù, đâu cần phải hạ cánh thẳng đứng, cho nó nằm ngang cũng được mà, khi đó dù sẽ ở phần thân thôi, ko cần ở phần đầu.

đồng tình với cái dù phải to. với 1 người nhảy dù (100kg), cái dù đã to như vậy, với cái khối lượng này, ai tính giúp, cái dù phải to bao nhiêu. chắc là rất rất to, nên ko khả thi

pham xuan hung

tui cũng được 15 ne