HỎI. Điều gì xảy ra nếu một tàu vũ trụ khi trở về Trái đất giảm tốc độ xuống chỉ còn khoảng 10 kmh bằng cách sử dụng các tên lửa đẩy tương tự bộ phận hạ cách thẳng đứng (sky crane) sử dụng trên Sao Hỏa? Như vậy nó có còn cần đến một lớp vỏ chịu nhiệt nữa hay không?

— Brian

HỎI. Liệu một tàu vũ trụ có khả năng kiểm soát hành trình trở về Trái đất theo một cách nào đó sao cho tránh áp suất khí quyển, và do đó sẽ không cần đến lớp vỏ chịu nhiệt đắt đỏ (và tương đối mỏng manh) bên ngoài không?

— Christopher Mallow

HỎI. Liệu một tên lửa (nhỏ) (có chở tải) có thể được đưa lên độ cao nào đó trong khí quyển, nơi nó chỉ cần một tên lửa nhỏ khác để đạt được tốc độ thoát không?

— Kenny Van de Maele

ĐÁP. Các câu trả lời cho những câu hỏi này đều xoay quanh cùng một ý tưởng. Ý tưởng này tôi đã đề cập đến trong những câu trả lời trước, nhưng giờ tôi muốn tập trung hoàn toàn vào nó:

Lý do đi vào quỹ đạo là khó không phải vì vũ trụ quá cao.

Nó khó để vào quỹ đạo là vì bạn phải chuyển động rất nhanh.

Vũ trụ không giống như thế này:

Không phải kích thước thực tế.

Mà giống thế này:

Thắc mắc à? Ừ, nó là kích thước thực tế đấy.

Vũ trụ cách chúng ta 100 kilomet. Nó rất xa – tôi sẽ không muốn leo lên một chiếc thang để tới đó – nhưng nó cũng không xa đến thế. Nếu bạn ở Sacramento, Seattle, Canberra, Kolkata, Hyderabad, Phnom Penh, Cairo, Bắc Kinh, miền Trung Nhật Bản, miền Trung Sri Lanka hay Portland, vũ trụ còn gần hơn so với cả biển.

Thật dễ để đi vào vũ trụ.[1] Nó không giống như những gì bạn có thể làm trong xe, nhưng nó cũng không hẳn là một thử thách quá lớn. Bạn có thể đưa một người nào đó vào vũ trụ bằng một quả tên lửa cỡ một cây cột điện. Chiếc máy bay X-15 có thể bay vào vũ trụ chỉ bằng cách lao thật nhanh và hướng thẳng lên trên.[2][3]

Hôm nay bạn sẽ vào vũ trụ, rồi nhanh chóng quay về.

Bay vào vũ trụ thì dễ, nhưng làm sao để ở lại đó mới là vấn đề.

Trọng trường trên quỹ đạo thấp gần như bằng trọng trường trên bề mặt Trái đất. Trạm vũ trụ không hề thoát khỏi trọng trường của Trái đất tí nào cả, nó vẫn phải chịu lực hút bằng khoảng 90% lực hút mà chúng ta cảm thấy trên bề mặt Trái đất.

Để tránh bị rơi trở lại bầu khí quyển, bạn phải di chuyển rất, rất nhanh.

Tốc độ bạn cần để ở lại trong quỹ đạo là khoảng 8 kms.[4] Chỉ một phần nhỏ năng lượng của tên lửa được sử dụng để rời khỏi bầu khí quyển; phần năng lượng khổng lồ của nó được sử dụng để đạt được vận tốc quỹ đạo.

Điều này dẫn đến vấn đề căn cốt của việc tiến vào quỹ đạo: Để đạt tới tốc độ quỹ đạo cần nhiều nhiên liệu hơn để đạt được độ cao quỹ đạo. Để đưa con tàu đạt tới tốc độ 8 kms cần rất nhiều tên lửa đẩy. Đạt được tốc độ quỹ đạo đã khó; đạt được tốc độ này trong khi vẫn mang đủ nhiên liệu để có thể giảm tốc là điều hoàn toàn phi thực tế.[5]

Những đòi hỏi về năng lượng đến mức lạm phát này giải thích tại sao một con tàu vũ trụ khi rơi trở lại tầng khí quyển lại sử dụng vỏ chịu nhiệt thay vì các tên lửa để hãm tốc độ – lao thẳng vào bầu khí quyển là cách thực dụng nhất để giảm tốc độ. (Và để trả lời câu hỏi của Brian, Curiosity không phải là một ngoại lệ, dù nó sử dụng những tên lửa nhỏ để bay lơ lửng khi tới gần bề mặt Sao Hỏa, nhưng ban đầu nó sử dụng phanh hơi để triệt tiêu phần lớn tốc độ.)

Tôi nghĩ nguyên nhân cho rất nhiều hiểu lầm về việc này là bởi vì khi các phi hành gia ở trên quỹ đạo, họ trông như đang không chuyển động nhanh như vậy mà như đang trôi chầm chậm qua một viên ngọc xanh biếc.

Nhưng 8 kms là nhanh như chớp. Khi bạn nhìn lên trời khi Mặt trời đang lặn, đôi khi bạn có thể nhìn thấy ISS đi ngang qua… và sau đó khoảng chừng 90 phút bạn lại thấy nó đi qua lần nữa.[6] Trong khoảng thời gian 90 phút ấy, nó đã bay vòng quanh thế giới.

ISS quay nhanh đến nỗi nếu bạn bắn một phát súng trường từ một đầu của sân bóng bầu dục,[7] 2 trạm ISS có thể vượt qua chiều dài sân bóng trước khi viên đạn bay được gần 10 mét.[8]

Ta hãy thử tưởng tượng xem di chuyển qua bề mặt của Trái đất với tốc độ 8 kms là trông như thế nào.

Để có thể cảm nhận rõ hơn nhịp độ mà bạn di chuyển, hãy sử dụng các phách nhạc để đánh dấu quãng thời gian.[9] Giả sử rằng bạn bắt đầu chơi bản nhạc năm 1988 của The Proclaimers,I’m gonna be (500 miles). Bài hát này có 131,9 phách mỗi phút, vậy nên hãy tưởng tượng rằng với mỗi phách của bài hát bạn sẽ đi được hơn 3 km.

Đúng lúc bài hát chuyển đến dòng đầu tiên của điệp khúc, bạn đã có thể đi hết quãng đường từ chỗ tượng Nữ thần Tự do tới tiểu bang Bronx (gần 26 km).

Bạn sẽ di chuyển qua khoảng 15 ga tàu điện ngầm mỗi phút.

Sẽ mất khoảng 2 dòng điệp khúc (khoảng 16 phách của bài hát) để vượt qua eo biển Manche giữa London và Pháp.

Độ dài bản nhạc dẫn ta tới một sự trùng hợp ngẫu nhiên kỳ lạ. Quãng thời gian từ lúc giai điệu của bài I’m gonna be cất lên cho tới khi kết thúc là khoảng 3 phút 30 giây, và trạm ISS đang di chuyển ở tốc độ 7,66 kms.

Nghĩa là nếu một phi hành gia trên trạm ISS nghe bản nhạc này, từ đầu…

…thì người đó đã di chuyển được đúng 1000 dặm (1609 km).

❀ ❀ ❀

[1] Tương tự, thang đo cường độ gió F (Fujita) đã được thay thế bằng thang EF (Fujita mở rộng). Đôi khi, một đơn vị đo trở nên lỗi thời bởi vì xài nó rất kinh khủng – chẳng hạn, “kip” (1.000 pound lực), “kcfs” (hàng nghìn foot khối mỗi giây), và “độ Rankine” (độ F trên độ không tuyệt đối). (Tôi đã phải đọc các bài báo kỹ thuật sử dụng các đơn vị này.) Những khi khác, bạn có thể nhận thấy rằng các nhà khoa học chỉ muốn có thứ gì đó để “chỉnh” mọi người.

[2] Trong phim Star Wars, con tàu Death Star bắn một chùm tia phá hủy toàn bộ Alderaan chỉ trong một phần tí teo của giây. (ND)

[3] Một khẩu súng vạn năng, không thể bị phá hủy nhưng ta có thể nắm giữ mà không lo cánh tay bị xé nát. Đừng lo lắng, chuyện đó sau này sẽ xảy ra ngay!

[4] …trừ phi Kyp Durron sử dụng Thần lực để lôi nó lên.

[5] Nguyên văn: Tickling the dragon’s tail.

[6] Khi kéo tay ra, hãy để ý đến những triệu chứng của bệnh giảm áp suất do các bọt nitơ trong mạch máu ở tay.

[7] Hy vọng thế.

[8] Qua nhiều thập kỷ, trọng lực sẽ tăng lên nhanh hơn mức bạn nghĩ đôi chút, vì vật chất trên Trái đất sẽ bị nén lại dưới khối lượng của chính nó. Lực nén bên trong các hành tinh thì gần như tỷ lệ thuận với bình phương diện tích bề mặt, vậy nên nhân Trái đất sẽ bị nén lại chặt hơn. Tham khảo tại đây.

[9] Mặc dù một số nguyên tố phóng xạ như urani khá nặng, chúng bị ép ra khỏi các lớp phía dưới vì các nguyên tử của chúng không tương thích với các mạng nguyên tử của phần đá ở độ sâu này. Để tìm hiểu thêm, xem bài viết này.