Du hành vào vũ trụ không bao giờ đơn giản, nhất là khâu chuẩn bị phương tiện. Thông thường, hàng nghìn người phải làm việc suốt một thời gian dài mới có thể phóng tàu lên quỹ đạo, cho nó hạ cánh an toàn và tân trang nó lại cho chuyến bay lần tới. Trước nay, các kỹ sư luôn ước mơ chế tạo phi thuyền nhẹ hơn, rẻ hơn và tái sử dụng dễ dàng. Phương tiện như thế sẽ dễ bảo trì giống như máy bay, giúp giảm thiểu thời gian chuẩn bị trước mỗi lần phóng, từ vài tháng xuống vài ngày, thậm chí là vài giờ.

Do tàu vũ trụ được phóng bằng tên lửa, nên nếu muốn chế tạo phi thuyền gọn nhẹ, trước hết hỏa tiễn phải không quá nặng. Tuy nhiên, vì chất ôxy hóa chiếm gần hết trọng lượng tên lửa nên cách thiết thực là thiết kế động cơ có thể sử dụng ôxy từ khí quyển để đốt cháy nhiên liệu, ít nhất là một phần trong cuộc hành trình. Nó được gọi là động cơ vận hành hoặc “thở” bằng không khí.

Hoạt động như thế nào?

Tàu Skylon sẽ sử dụng ôxy từ khí quyển để đốt nhiên liệu trên đường lên không gian. Ảnh: Reaction Engines

Thông thường, động cơ vận hành bằng không khí sử dụng các thiết bị được lắp vào phần đầu phương tiện bay để hút không khí. Loại phổ biến nhất là động cơ máy bay phản lực. Tuy nhiên, động cơ này chỉ hữu dụng ở tốc độ tương đối thấp. Ở tốc độ siêu thanh – hơn 5 lần tốc độ âm thanh (Mach 5), không khí bị nén trở nên quá nóng, không thích hợp đốt cháy nhiên liệu. Giải pháp thông dụng là động cơ phản lực tĩnh siêu âm bởi nó không nén nhiều không khí, mà thay vào đó là nhanh chóng pha trộn phần không khí được hút vào với nhiên liệu để hoạt động.

Chạy nhanh ra sao?

Câu trả lời là chưa thể xác định, bởi công nghệ động cơ “thở” bằng không khí chưa được thử nghiệm nhiều. Nhưng ở một tốc độ nào đó, các nhà nghiên cứu tin rằng không khí không thể hòa lẫn tức thì với nhiên liệu để đốt cháy nó (nhiên liệu). Chính điều này làm hạn chế tốc độ của động cơ “thở” bằng không khí và dẫn tới khả năng cần tới sức mạnh của tên lửa để bay vào quỹ đạo. Theo ước tính của Mark Lewis, kỹ sư về không gian thuộc Đại học Maryland (Mỹ), giới hạn tốc độ của động cơ phản lực tĩnh siêu âm là từ Mach 12 đến Mach 20 (phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng), kém xa tốc độ Mach 25 – mức cần thiết để bay tới quỹ đạo, nghĩa là các máy bay sử dụng động cơ này sẽ phải cần đến sức mạnh của tên lửa.

Cất và hạ cánh như máy bay

Mới đây, công ty Reaction Engines (Anh) thông báo Cơ quan Không gian châu Âu đầu tư cho họ 1 triệu euro để phát triển 3 bộ phận chính cho động cơ tên lửa “thở” bằng không khí. Reaction Engines hy vọng những bộ phận này khi ra đời có thể giúp hoàn thành kế hoạch ấp ủ từ hàng chục năm qua: chế tạo tàu vũ trụ Skyton có khả năng cất và hạ cánh trên đường băng dành cho máy bay.

Theo kế hoạch, động cơ của Skylon sẽ sử dụng máy trao đổi nhiệt để làm mát không khí thu vào từ 1.000oC ở tốc độ Mach 5 xuống dưới –100oC. Một khi được làm mát, không khí được hòa lẫn với khí hyđrô lỏng để làm nhiên liệu. Không giống động cơ phản lực tĩnh siêu âm, Skylon được thiết kế bay theo kiểu vận hành bằng không khí ngay từ khi được phóng lên với vận tốc Mach 5,5. Ở độ cao 26 km so với mực nước biển, động cơ sẽ chuyển sang chạy bằng sức mạnh tên lửa và sử dụng khí ôxy trên khoang để đẩy máy bay tiến vào không gian. Mark Hempsell, giám đốc các chương trình tương lai của Reaction Engines cho rằng cho tới nay đây là phương án khả thi nhất để đưa máy bay vào vũ trụ. Động cơ do họ thiết kế đủ khả năng phóng máy bay nặng 43 tấn chở theo 12 tấn thiết bị (tương đương một nửa trọng tải của tàu vũ trụ) vào quỹ đạo tầm thấp của Trái đất.

Công nghệ phát triển tới đâu?

Cho tới nay, động cơ siêu âm “thở” bằng không khí hoàn thiện nhất là những mẫu nhỏ có thể dễ dàng chuyển đổi để hoạt động như hệ thống đẩy tên lửa. Hai chuyến bay dài nhất và nhanh nhất bằng động cơ siêu âm “thở” bằng không khí được thử nghiệm vào năm 2004. Máy bay X-43 dài 5 m chạy bằng động cơ phản lực tĩnh siêu âm của Cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia Mỹ (NASA) hoàn thành 2 chuyến bay dài gần 10 giây ở tốc độ Mach 7 và Mach 10.

Cuối năm nay, Không quân Mỹ dự định thử nghiệm chuyến bay bằng động cơ phản lực tĩnh siêu âm X-51. Máy bay ném bom B-52 sẽ được sử dụng để mang con tàu này lên độ cao 15 km, nơi nó sẽ được thả và bay từ 4 đến 5 phút, sau đó tăng tốc lên Mach 6.

THỤY TRÚC (Theo New Scientist)