Lực đẩy phản lực chính là lực giúp cho tên lửa chuyển động trong không khí và trong không gian. Lực đẩy phản lực được tạo ra bởi hệ thống đẩy của tên lửa thông qua định luật III của Newton: luôn đồng thời xuất hiện một cặp lực đối nhau trong mọi chuyển động.

Trong hệ thống đẩy, động cơ tác động lên một chất  khí hoặc chất lỏng, gọi là “dòng chất hoạt động” (working fluid), và gia tốc dòng chất hoạt động thông qua hệ thống đẩy. Gia tốc của dòng chất hoạt độngtạo ra phản lực tác độnglên động cơ. Dòng lưu chất được bắn ra khỏi động cơ theo một hướng và lực đẩy tác dụng lên động cơ theo một hướng ngược lại.

Lực là một đại lượng vector được quy định bởi hướng và cường độ. Khi mô tả tác dụng của lực, chúng ta cần biểu diễn cả độ lớn và hướng của nó. Chiều của lực đẩy hướng theo trục của tên lửa và đặt lên trọng tâm. Nhưng ở một số tên lửa, đầu phun và chiều lực đẩy có thể thay đổi để quay hoặc định hướng. Tên lửa có thể điều hướng bằng cách tạo momen quay quanh trọng tâm.

Cường độ của lực đẩy có thể xác định bởi một phương trình tổng quát. Độ lớn này phụ thuộc vào khối lượng dòng chất hoạt động bên trong động cơ và vận tốc thoát cùng với áp lực của dòng. Hiệu suất của lực đẩy được đặc trưng bởi xung lượng riêng; tỉ lệ giữa lực đẩy sinh ra  trên khối lượng dòng chất. Hầu hết động cơ tên lửa tạo lực đẩy bằng cách gia tốc dòng chất hoạt động. Cụ thể có nhiều cách gia tốc với nhiều loại dòng hoạt động. Hãy cùng xem một số động cơ tên lửa cùng với cách chúng tạo lực đẩy. Động cơ đơn giản nhất dùng không khí như một dòng chất hoạt động, và áp lực sinh ra bằng cách bơm để gia tốc dòng khí đó. Đây là một loại “động cơ” dùng trong bóng bay và đồ chơi tên lửa bơm khí. Do khối lượng không khí rất bé nên loại động cơ này không sinh được nhiều lực đẩy. Một mẫu tên lửa nữa dùng nước như dòng hoạt động ( tên lửa nước ), bởi vì nước nặng hơn không khí nhiều, nên tên lửa nước tạo được nhiều lực đẩy hơn tên lửa bơm hơi. Một số mẫu khác,  đầy đủ nhất - dùng động cơ chất hoá học. Động cơ chất hoá học dùng sự cháy của chất đẩy để tạo ra khí thoát như dòng chất hoạt động. Có hai phần quan trọng của động cơ hoá học: đầu phun và nhiên liệu đẩy. Thiết kế của đầu phun quyết định tỉ lệ khối lượng dòng, vận tốc thoát, áp lực thoát cho giá trị áp lực và nhiệt độ ban đầu. Áp suất cùng với nhiệt độ đầu được xác định bởi tính chất của nhiên liệu đẩy. Chất này được cấu thành bởi nhiên liệu và chất oxy hoá, hoặc nguồn oxy dùng cho sự cháy.

Ở điều kiện nhiệt độ thường, nhiêu liệu đẩy không dễ cháy, mà cần có nguồn nhiệt, bộ đánh lửa, để bắt đầu sự cháy. Động cơ hoá học ít khi dùng khí quyển bao quanh như một nguồn cấp oxy. Điểm mạnh của động cơ này là có thể dùng trong không gian, nơi không có sự tồn tại của khí quyển. Hiện nay có hai loại tên lửa sử dụng động cơ hoá học: rắn và lỏng. Tên lửa nhiên liệu lỏng bao gồm nhiên liệu và chất oxy hoá được lưu trữ từng phần và bơm vào trong buồng đốt của tên lửa, nơi quá trình cháy diễn ra. Trong tên lửa nhiên liệu rắn, nhiên liệu cùng chất oxy hoá được trộn với nhau thành một hỗn hợp t nhiêu liệu đẩy sau đó được nén vào một xy lanh. Chất đẩy chỉ cháy trên bề mặt. Do đó khi chất đẩy bốc cháy, một ngòi lửa hình thành và cháy dần nhiêu liệu đẩy. Khi được khơi mào, quá trình cháy sẽ diễn ra cho đến khi nhiên liệu đẩy được tiêu thụ hết. Với tên lửa nhiên liệu lỏng, bạn có thể dừng quá trình đẩy bằng cách ngăn dòng nhiên liệu hoặc chất oxy hoá, nhưng với tên lửa nhiên liệu rắn, bạn sẽ phải phá vỡ phần khuôn chứa nhiên liệu để dừng động cơ. Tên lửa nhiên liệu lỏng có xu hướng nặng và phức tạp hơn bởi quá trình bơm để di chuyển nhiên liệu cùng chất oxi hoá, cùng với đó, bạn cũng phải thường xuyên nạp nhiên liệu trước khi phóng. Tên lửa nhiện liệu rắn dễ dùng và có thể để được nhiều năm trước khi phóng.

Một loại động cơ tên lửa nữa đó là động cơ điện, hay còn gọi là động cơ ion. Lưu chất sử dụng cho động cơ điện được cấu thành bởi các hạt mang điện gọi là ions. Gia tốc của dòng chất này được gây nên bởi lực tĩnh điện, không phải sự cháy. Động cơ ion tạo nên một lực đẩy rất nhỏ nhưng duy trì được trong một khoảng thời gian rất dài, bởi tỉ lệ khối lượng dòng là rất nhỏ. Động cơ ion có xung lượng riêng rất lớn có thể so sánh được với tên lửa hoá học.

Một loại động cơ tên lửa nữa đó là động cơ nhiệt hạt nhân. Bên trong động cơ này, phản ứng hạt nhân tạo ra một nguồn nhiệt liên tục dùng để gia tốc dòng chất lưu. Dòng chất lưu có thể là bất cứ khí nào, được làm nóng bằng cách cho đi qua phản ứng và thoát ra ở đầu phun. Nhiệt độ thoát và vận tốc thoát, có thể cao hơn nhiều so với tên lửa hoá học thông thường. Nhiên liệu đẩy nhất là lưu chất, do đó tên lửa nhiệt hạt nhân được cho rằng có xung lượng riêng rất cao. Động cơ nhiệt nguyên tử đang được phát triển bởi dự án Prometheus.

Nguồn: NASA

Tham khảo

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