Vì sao muốn phóng tàu vũ trụ phải dùng tên lửa nhiều tầng?

Các loại tàu du hành vũ trụ đều được phóng lên bằng tên lửa. Chỉ khi tàu vũ trụ, như vệ tinh, tàu thăm dò, trạm vũ trụ hay máy bay vũ trụ, đạt tốc độ 7,9 km/s, tức tốc độ vũ trụ cấp một, nó mới có thể bay lên không trung và không rơi xuống đất. Nếu bay lên Mặt Trăng, tốc độ phải đạt 11,2 km/s, tức tốc độ vũ trụ cấp hai. Muốn bay đến các hành tinh xa hơn thì tốc độ còn phải lớn hơn.

Làm thế nào để tàu vũ trụ đạt tốc độ lớn như vậy? Chỉ có tên lửa mới đảm đương được nhiệm vụ này. Tên lửa dựa vào lực đẩy của luồng khí phụt ra phía sau với tốc độ cao để bay lên, và hiện nay là công cụ vận chuyển duy nhất đang được dùng để đưa tàu vũ trụ vào không gian.

Từ đầu thế kỷ XX, nhà khoa học Nga Sioncovski đã chỉ rõ: muốn nâng cao tốc độ bay của tên lửa chỉ có hai cách. Một là nâng cao tốc độ phụt khí của động cơ tên lửa; hai là nâng cao tỉ số khối lượng của tên lửa, tức tỉ số giữa khối lượng tên lửa trước khi cất cánh và khối lượng tên lửa sau khi nhiên liệu đã cháy hết. Khí phụt ra càng nhiều, tốc độ bay của tên lửa càng lớn. Muốn đạt tốc độ rất cao, ngoài yêu cầu tốc độ phụt khí cao, còn cần tỉ số khối lượng càng lớn càng tốt, nghĩa là vỏ tên lửa vừa lớn vừa nhẹ, chứa được nhiều nhiên liệu.

Mặc dù các nhà khoa học đã nỗ lực nhiều chục năm, sử dụng những loại nhiên liệu tốt nhất, vật liệu nhẹ nhất và kinh nghiệm thiết kế tiên tiến nhất, nhưng hiện nay nếu chỉ dùng một tên lửa một tầng với các động cơ hợp thành, tốc độ lớn nhất của nó cũng chỉ đạt khoảng 5 - 6 km/s, vẫn còn xa tốc độ vũ trụ cấp một.

Lối thoát ở đâu? Sioncovski đã sớm chỉ ra: đó là “tên lửa kiểu tàu hỏa”, tức ghép nối tiếp hoặc ghép song song nhiều tên lửa lại, làm cho khối lượng từng tầng giảm dần, nhờ đó tốc độ của từng tầng tăng lên, cuối cùng đạt và vượt tốc độ vũ trụ cấp một. Đó chính là tên lửa nhiều tầng. Nó gồm từ hai tên lửa trở lên, đầu tên lửa này nối với đuôi tên lửa phía trước. Khi tầng tên lửa đầu tiên cháy hết, nó tự động tách ra và rơi xuống; tiếp theo tầng thứ hai hoạt động. Nhiên liệu tầng thứ hai dùng hết lại tách ra, rồi tầng thứ ba tiếp tục làm việc. Cứ như vậy, vệ tinh đặt ở đầu tầng tên lửa cuối cùng có thể đạt tốc độ trên 7,9 km/s và bay vào vũ trụ.

Khoa học vẫn tiếp tục tiến bộ. Khi tìm được loại nhiên liệu mới và vật liệu mới vừa nhẹ vừa bền chắc, việc dùng tên lửa một tầng để phóng tàu vũ trụ sẽ có thể trở thành hiện thực. Các nhà khoa học từng dự đoán loại tên lửa đẩy một tầng này sau 10 năm nữa sẽ trở thành hiện thực.