Nghiên cứu tên lửa là một cách rất tuyệt vời để học hỏi về những lực cơ bản và trạng thái của một vật dưới tác dụng của ngoại lực. Chuyển động của một vật dưới tác dụng của ngoại lực được miêu tả chính xác bởi nhà vật lý Isaac Newton 300 năm trước với 3 định luật chuyển động. Ngày nay các kỹ sư vẫn sử dụng các định luật của newton để thiết kế và dự đoán chuyến bay của một tên lửa hoàn thiện.

Lực là đại lượng vector đặc trưng bởi hướng và độ lớn. Khi mô tả tác dụng của một lực, phải biểu diễn cả độ lớn và hướng của nó. Trong khi bay, tên lửa phải chiụ tác dụng của bốn loại lực khác nhau: Trọng lực, lực đẩy, lực khí động học ( lực nâng và lực kéo). Cường độ của trọng lực phụ thuộc vào khối lượng các phần tên lửa. Vector trọng lực luôn hướng vào tâm của trái đất và đặt vào trọng tâm của vật ( chấm màu vàng trong hình). Cường độ của lực đẩy phụ thuộc vào tỉ lệ khối lượng dòng chảy qua động cơ và vận tốc cùng với áp suất tại ống xả của tên lửa. Lực đẩy tác dụng theo trục dọc theo tên lửa và tác dụng lên trọng tâm. Một số tên lửa hoàn thiện có thể di chuyển, hoặc điều hướng ống xả của nó để tạo ra những lực không hướng vào trọng tâm.

Kết quả mô men xoắn của trọng tâm có thể dùng để điều hướng tên lửa. Độ lớn của lực khí động học phụ thuộc vào hình dáng, kích thước, vận tốc của tên lửa và tính chất của khí quyển.

Lực khí động học tác dụng lên tâm áp (chấm màu đen nền vàng trên hình). Lực nhiệt động rất quan trọng đối với các tên lửa mô hình, nhưng không quan trọng như vậy đối với các tên lửa lớn, tùy thuộc vào nhiệm vụ của tên lửa. Một tên lửa lớn thường chỉ ở trong bầu khí quyển trong một thời gian ngắn trong hành trình của nó. Trong khi bay, cường độ và đôi khi chiều của bốn lực thường thay đổi thường xuyên. Sự phản hồi của tên lửa dựa trên sự tương quan giữa độ lớn và chiều của các lực tác động, giống như chuyển động của sợi dây trong trò kéo co. Nếu chúng ta thêm vào các lực, hãy cẩn thận biểu diễn hướng, ta đạt được tổng ngoại lực lên tên lửa. Kết quả chuyển động của tên lửa được mô tả bởi các định luật của Newton.Tương tự với máy bay, nhưng có một số khác biệt quan trọng khi áp dụng các lực này:

  1. Đối với máy bay, lực nâng ( lực khí động học vuông góc với chiều bay của nó) được dùng để thắng trọng lực. Còn ở tên lửa, lực đẩy tác dụng ngược chiều với trọng lực. Ở nhiều tên lửa, lực nâng dùng để ổn định và điều khiển hướng của chuyến bay.
  2. Đối với máy bay, hầu hết lực khí động học được tạo nên từ hai cánh và bề mặt đuôi máy bay. Còn ở tên lửa, lực khí động học tạo bởi cánh và chóp nón và thân của nó, lực khí động học tác dụng vào tâm áp ( vòng vàng với chấm đen ở tâm) trong khi trọng lực tác dụng vào trọng tâm ( chấm vàng)
  3. Trong khi hầu hết máy bay có tỉ lệ lực nâng trên lực kéo lớn, tên lửa thì ngược lại.
  4. Trong khi cường độ lực kéo và chiều của lực hầu như giữ nguyên đối với máy bay, thì cường độ và hướng của lực tác dụng lên tên lửa thay đổi đáng kể trong quá trình bay

Nguồn: NASA

Tham khảo

NASA: Beginner's Guide to Rockets

Author: Tôn Thất Minh Bảo
Sinh viên hệ cử nhân ngành Vũ trụ và Ứng dụng tại trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội (Đại học Việt Pháp - USTH).


Bài viết xem nhiều