Tên lửa (Rocket, từ tiếng Ý: rocchetto) là một phương tiện sử dụng động cơ phản lực để tăng tốc mà không sử dụng không khí xung quanh. Một động cơ tên lửa tạo ra lực đẩy bằng cách phản ứng với khí thải thoát ra ở tốc độ cao. Động cơ tên lửa hoạt động hoàn toàn từ nhiên liệu đẩy mang trong thân; do đó một tên lửa có thể bay trong chân không vũ trụ. Tên lửa hoạt động hiệu quả hơn trong chân không và bị mất lực đẩy do áp suất ngược của khí quyển.
Tên lửa nhiều tầng có khả năng đạt được vận tốc thoát khỏi Trái đất và do đó có thể đạt được độ cao tối đa không giới hạn. So với động cơ thở bằng không khí, tên lửa nhẹ và mạnh mẽ và có khả năng tạo ra gia tốc lớn. Để điều khiển chuyến bay của mình, tên lửa dựa vào động lượng, cánh máy bay, động cơ phản ứng phụ trợ, lực đẩy gimballed, bánh xe động lượng, độ lệch của luồng khí thải, dòng nhiên liệu đẩy, độ xoáy hoặc trọng lực.
Tên lửa dùng cho mục đích quân sự và giải trí có từ ít nhất là vào thế kỷ XIII ở Trung Quốc. Việc sử dụng khoa học, liên hành tinh và công nghiệp đáng kể đã không xảy ra cho đến thế kỷ XX, khi tên lửa là công nghệ hỗ trợ cho Thời đại Không gian, bao gồm cả việc đặt chân lên Mặt trăng. Tên lửa hiện được sử dụng cho pháo hoa, tên lửa và các loại vũ khí khác, ghế phóng, phương tiện phóng vệ tinh nhân tạo, chuyến bay vũ trụ của con người và thám hiểm không gian.
Tên lửa hóa học là loại tên lửa năng lượng cao phổ biến nhất, thường tạo ra khí thải tốc độ cao bằng cách đốt cháy nhiên liệu bằng chất oxy hóa. Chất đẩy được lưu trữ có thể là một loại khí có áp suất đơn giản hoặc một loại nhiên liệu lỏng duy nhất tách ra khi có chất xúc tác (chất đẩy đơn), hai chất lỏng tự phản ứng khi tiếp xúc (chất đẩy hypergolic), hai chất lỏng phải được đốt cháy để phản ứng (như dầu hỏa và oxy lỏng, được sử dụng trong hầu hết các tên lửa nhiên liệu lỏng), sự kết hợp rắn của nhiên liệu với chất oxy hóa (nhiên liệu rắn) hoặc nhiên liệu rắn với chất oxy hóa lỏng hoặc khí (hệ thống nhiên liệu lai). Tên lửa hóa học lưu trữ một lượng lớn năng lượng ở dạng dễ giải phóng và có thể rất nguy hiểm. Tuy nhiên, thiết kế, thử nghiệm, xây dựng và sử dụng cẩn thận sẽ giảm thiểu rủi ro.
Lịch sử
Ở Trung Quốc, tên lửa chạy bằng thuốc súng đã phát triển thời trung cổ dưới triều đại nhà Tống vào thế kỷ XIII. Họ cũng đã phát triển một dạng MLRS ban đầu trong thời gian này. Người Mông Cổ đã áp dụng công nghệ tên lửa của Trung Quốc và phát minh này đã lan rộng qua các cuộc xâm lược của người Mông Cổ đến Trung Đông và châu Âu vào giữa thế kỷ XIII. Theo Joseph Needham, hải quân nhà Tống đã sử dụng tên lửa trong một cuộc tập trận quân sự vào năm 1245. Động cơ đẩy tên lửa đốt trong được đề cập trong tài liệu tham khảo năm 1264, ghi lại rằng “chuột đất”, một loại pháo hoa, đã khiến Hoàng hậu sợ hãi. Mẹ Gongsheng tại một bữa tiệc được con trai bà tổ chức để vinh danh bà Hoàng đế Lizong. Sau đó, tên lửa được đưa vào chuyên luận quân sự Huolongjing, còn được gọi là Sổ tay hỏa long, được viết bởi sĩ quan pháo binh Trung Quốc Jiao Yu vào giữa thế kỷ XIV. Văn bản này đề cập đến tên lửa nhiều tầng đầu tiên được biết đến, “rồng lửa phóng từ nước” (Hoắc long chu thủy), được cho là đã được sử dụng bởi hải quân Trung Quốc.
Tên lửa thời trung cổ và thời kỳ đầu hiện đại được sử dụng trong quân sự làm vũ khí gây cháy nổ trong các cuộc bao vây. Trong khoảng thời gian từ 1270 đến 1280, Hasan al-Rammah đã viết “al-furusiyyah wa al-manasib al-harbiyya” (Cuốn sách về kỹ thuật cưỡi ngựa quân sự và các thiết bị chiến tranh khéo léo), bao gồm 107 công thức chế tạo thuốc súng, 22 trong số đó dành cho tên lửa. Ở châu Âu, Roger Bacon đã đề cập đến các loại pháo được sản xuất ở nhiều nơi trên thế giới trong Opus Majus năm 1267. Trong khoảng thời gian từ 1280 đến 1300, Liber Ignium đã đưa ra hướng dẫn chế tạo các thiết bị tương tự như pháo dựa trên các bản kê đã qua sử dụng. Konrad Kyeser đã mô tả tên lửa trong chuyên luận quân sự của mình Bellifortis vào khoảng năm 1405.
Cái tên “rocket” (tên lửa) xuất phát từ tiếng Ý – rocchetta, có nghĩa là “cuộn chỉ” hoặc “trục quay nhỏ”, được đưa ra do hình dạng giống với suốt chỉ hoặc ống chỉ được sử dụng để giữ chỉ từ bánh xe quay. Leonhard Fronsperger và Conrad Haas đã chuyển thuật ngữ tiếng Ý sang tiếng Đức vào giữa thế kỷ XVI; “rocket” xuất hiện bằng tiếng Anh vào đầu thế kỷ XVII. Artis Magnae Artilleriae pars prima, một tác phẩm quan trọng thời kỳ đầu hiện đại về pháo phản lực, của Casimir Siemienowicz, được in lần đầu ở Amsterdam năm 1650.
Tên lửa Mysorean là tên lửa vỏ sắt thành công đầu tiên, được phát triển vào cuối thế kỷ XVIII tại Vương quốc Mysore (một phần của Ấn Độ ngày nay) dưới sự cai trị của Hyder Ali.
Tên lửa Congreve là một loại vũ khí của Anh do Sir William Congreve thiết kế và phát triển vào năm 1804. Tên lửa này dựa trực tiếp vào tên lửa Mysorean, sử dụng bột nén và được sử dụng trong Chiến tranh Napoléon. Đó là tên lửa Congreve mà Francis Scott Key đã đề cập đến, khi ông viết về “ánh sáng đỏ của tên lửa” khi bị giam giữ trên một con tàu của Anh đang bao vây Pháo đài McHenry vào năm 1814. Cùng với nhau, những đổi mới của Mysorean và Anh đã tăng hiệu quả tầm bắn của tên lửa quân sự từ 100 đến 2.000 thước Anh (91 đến 1.829 m).
Việc xử lý toán học đầu tiên về động lực học của lực đẩy tên lửa là của William Moore (1813). Năm 1814, Congreve xuất bản một cuốn sách trong đó ông thảo luận về việc sử dụng nhiều thiết bị phóng tên lửa. Năm 1815, Alexander Dmitrievich Zasyadko đã chế tạo các bệ phóng tên lửa, cho phép bắn tên lửa theo loạt (6 tên lửa cùng lúc) và các thiết bị đặt súng. William Hale năm 1844 đã tăng đáng kể độ chính xác của pháo phản lực. Edward Mounier Boxer tiếp tục cải tiến tên lửa Congreve vào năm 1865.
William Leitch lần đầu tiên đề xuất khái niệm sử dụng tên lửa để kích hoạt chuyến bay vào vũ trụ của con người vào năm 1861. Mô tả chuyến bay vào vũ trụ bằng tên lửa của Leitch lần đầu tiên được cung cấp trong bài tiểu luận “Hành trình xuyên vũ trụ” năm 1861 của ông, sau đó được xuất bản trong cuốn sách God’s Glory in the Heavens (1862). Konstantin Tsiolkovsky sau đó (năm 1903) cũng hình thành ý tưởng này và phát triển rộng rãi một phần lý thuyết đã tạo nền tảng cho sự phát triển các chuyến bay vũ trụ tiếp theo.
Quân đoàn bay Hoàng gia Anh đã thiết kế một tên lửa dẫn đường trong Thế chiến I. Archibald Low đã tuyên bố “… vào năm 1917, Công trình Thử nghiệm đã thiết kế một tên lửa điều khiển bằng điện… Các cuộc thử nghiệm tên lửa được tiến hành theo bằng sáng chế của riêng tôi với sự giúp đỡ của Cdr. Broc”. Bằng sáng chế “Những cải tiến trong tên lửa” được nêu ra vào tháng 7/1918 nhưng mãi đến tháng 2/1923 mới được công bố vì lý do bảo mật. Điều khiển hướng dẫn và bắn có thể là có dây hoặc không dây. Dòng tên lửa đẩy và hướng dẫn thoát ra từ tấm che lệch hướng ở mũi.
Năm 1920, Giáo sư Robert Goddard của Đại học Clark đã công bố những cải tiến được đề xuất cho công nghệ tên lửa trong Phương pháp đạt được độ cao cực cao. Năm 1923, Hermann Oberth (1894-1989) xuất bản Die Rakete zu den Planetenräumen (Tên lửa vào không gian hành tinh). Tên lửa hiện đại bắt nguồn từ năm 1926 khi Goddard gắn vòi phun siêu âm (de Laval) vào buồng đốt áp suất cao. Những vòi này biến khí nóng từ buồng đốt thành khí mát hơn, siêu thanh, luồng khí được định hướng cao, tăng hơn gấp đôi lực đẩy và nâng hiệu suất động cơ từ 2% lên 64%. Việc ông sử dụng chất đẩy lỏng thay vì thuốc súng đã làm giảm đáng kể trọng lượng và tăng hiệu quả của tên lửa.
Năm 1921, phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển của Liên Xô – Phòng thí nghiệm Khí động học – bắt đầu phát triển tên lửa nhiên liệu rắn, kết quả là lần phóng đầu tiên vào năm 1928, đã bay được khoảng 1.300 m. Những tên lửa này đã được sử dụng vào năm 1931 để sử dụng thành công tên lửa đầu tiên trên thế giới cho máy bay cất cánh có hỗ trợ phản lực và trở thành nguyên mẫu cho bệ phóng tên lửa Katyusha, được sử dụng trong Thế chiến II.
Năm 1929, bộ phim khoa học viễn tưởng Đức Người phụ nữ trên mặt trăng của Fritz Lang được phát hành. Nó giới thiệu việc sử dụng tên lửa nhiều tầng, đồng thời đi tiên phong trong khái niệm bệ phóng tên lửa (tên lửa đứng thẳng dựa vào một tòa nhà cao tầng trước khi phóng đã được lăn từ từ vào vị trí) và đồng hồ đếm ngược thời gian phóng tên lửa. Nhà phê bình phim The Guardian Stephen Armstrong tuyên bố Lang “đã tạo ra ngành công nghiệp tên lửa”. Lang được truyền cảm hứng từ cuốn sách The Rocket into Interplanetary Space năm 1923 của Hermann Oberth, người đã trở thành cố vấn khoa học của bộ phim và sau này là một nhân vật quan trọng trong nhóm phát triển tên lửa V2. Bộ phim được cho là chân thực đến mức nó bị Đức Quốc xã cấm khi chúng lên nắm quyền vì sợ tiết lộ bí mật về tên lửa V-2.
Năm 1943, việc sản xuất tên lửa V-2 bắt đầu ở Đức. Nó được thiết kế bởi Trung tâm Nghiên cứu Quân đội Peenemünde với Wernher von Braun làm giám đốc kỹ thuật. V-2 trở thành vật thể nhân tạo đầu tiên du hành vào vũ trụ bằng cách băng qua đường Kármán với vụ phóng thẳng đứng MW 18014 vào ngày 20/6/1944. Song song với chương trình tên lửa dẫn đường của Đức, tên lửa cũng được sử dụng trên máy bay, hoặc để hỗ trợ cất cánh ngang (RATO), cất cánh thẳng đứng (Bachem Ba 349 “Natter”) hoặc để cung cấp năng lượng cho chúng. Các chương trình tên lửa của Đồng minh ít công nghệ hơn, chủ yếu dựa vào các tên lửa không điều khiển như tên lửa Katyusha của Liên Xô trong vai trò pháo binh và đạn bazooka chống tăng của Mỹ. Chúng được sử dụng nhiên liệu hóa học rắn.
Người Mỹ đã bắt giữ một số lượng lớn các nhà khoa học tên lửa người Đức, bao gồm cả Wernher von Braun, vào năm 1945 và đưa họ đến Hoa Kỳ như một phần của Chiến dịch Kẹp giấy. Sau Thế chiến II, các nhà khoa học đã sử dụng tên lửa để nghiên cứu các điều kiện ở độ cao lớn, bằng phép đo từ xa vô tuyến về nhiệt độ và áp suất của khí quyển, phát hiện các tia vũ trụ và các kỹ thuật khác; cũng lưu ý đến Bell X-1, phương tiện có người lái đầu tiên phá vỡ rào cản âm thanh (1947). Một cách độc lập, nghiên cứu chương trình không gian của Liên Xô vẫn tiếp tục dưới sự lãnh đạo của nhà thiết kế chính Sergei Korolev (1907-1966).
Trong Chiến tranh Lạnh, tên lửa trở nên cực kỳ quan trọng về mặt quân sự với sự phát triển của tên lửa đạn đạo liên lục địa (ICBM) hiện đại. Những năm 1960 chứng kiến sự phát triển nhanh chóng của công nghệ tên lửa, đặc biệt là ở Liên Xô (Vostok, Soyuz, Proton) và ở Hoa Kỳ (ví dụ X-15). Tên lửa được đưa vào sử dụng để khám phá không gian. Các chương trình có phi hành đoàn của Mỹ (Dự án Mercury, Dự án Gemini và sau đó là chương trình Apollo) lên đến đỉnh điểm vào năm 1969 với cuộc đổ bộ đầu tiên lên Mặt trăng có phi hành đoàn – sử dụng thiết bị do Saturn V phóng tên lửa.
Thiết kế
Một thiết kế tên lửa có thể đơn giản như một ống các-tông chứa đầy bột đen, nhưng để tạo ra một tên lửa hoặc tên lửa hiệu quả, chính xác thì cần phải vượt qua một số vấn đề khó khăn. Những khó khăn chính bao gồm làm mát buồng đốt, bơm nhiên liệu (trong trường hợp nhiên liệu lỏng), điều khiển và điều chỉnh hướng chuyển động.
Các thành phần
Tên lửa bao gồm một chất đẩy, một nơi để đặt chất đẩy (chẳng hạn như bình chứa chất đẩy) và một vòi phun. Chúng cũng có thể có một hoặc nhiều động cơ tên lửa, (các) thiết bị ổn định hướng (chẳng hạn như vây, động cơ vernier hoặc gimbal động cơ để tạo vectơ lực đẩy, con quay hồi chuyển) và một cấu trúc (thường là vỏ liền khối) để giữ các bộ phận này lại với nhau. Tên lửa dành cho mục đích sử dụng trong khí quyển ở tốc độ cao cũng có bộ phận tạo khí động học như hình nón ở mũi, bộ phận này thường giữ trọng tải.
Ngoài các thành phần này, tên lửa có thể có bất kỳ thành phần nào khác, chẳng hạn như cánh (máy bay tên lửa), dù, bánh xe (xe tên lửa), thậm chí, theo một nghĩa nào đó, người (đai tên lửa). Các phương tiện thường có hệ thống định vị và hệ thống dẫn đường thường sử dụng định vị vệ tinh và hệ thống định vị quán tính.
Động cơ
Động cơ tên lửa sử dụng nguyên lý phản lực. Động cơ tên lửa cung cấp năng lượng cho tên lửa có rất nhiều loại khác nhau. Hầu hết các tên lửa hiện nay là tên lửa chạy bằng năng lượng hóa học (thường là động cơ đốt trong, nhưng một số sử dụng chất đẩy đơn phân hủy) phát ra khí thải nóng. Động cơ tên lửa có thể sử dụng nhiên liệu đẩy khí, nhiên liệu đẩy rắn, nhiên liệu đẩy lỏng hoặc hỗn hợp hỗn hợp cả rắn và lỏng. Một số tên lửa sử dụng nhiệt hoặc áp suất được cung cấp từ một nguồn khác với phản ứng hóa học của (các) nhiên liệu đẩy, chẳng hạn như tên lửa hơi nước, tên lửa nhiệt mặt trời, động cơ tên lửa nhiệt hạt nhân hoặc tên lửa điều áp đơn giản như tên lửa nước hoặc máy đẩy khí lạnh. Với các nhiên liệu đẩy dễ cháy, một phản ứng hóa học được bắt đầu giữa nhiên liệu và chất oxy hóa trong buồng đốt, và các khí nóng sinh ra sẽ tăng tốc ra khỏi vòi động cơ tên lửa (hoặc vòi) ở đầu hướng về phía sau của tên lửa gia tốc của các khí này thông qua động cơ tác dụng lực (“lực đẩy”) lên buồng đốt và vòi phun, đẩy xe đi (theo Định luật III Newton). Thực tế điều này xảy ra là do lực (áp suất nhân với diện tích) tác dụng lên thành buồng đốt không cân bằng do độ mở của vòi phun; đây không phải là trường hợp theo bất kỳ hướng nào khác. Hình dạng của vòi cũng tạo ra lực bằng cách hướng khí thải dọc theo trục của tên lửa.
Thuốc phóng
Chất đẩy tên lửa là khối lượng được lưu trữ, thường ở một số dạng thùng hoặc vỏ chứa chất đẩy, trước khi được sử dụng làm khối lượng đẩy được đẩy ra từ động cơ tên lửa dưới dạng tia chất lỏng để tạo ra lực đẩy. Đối với tên lửa hóa học, nhiên liệu đẩy thường là nhiên liệu như hydro lỏng hoặc dầu hỏa được đốt cháy bằng chất oxy hóa như oxy lỏng hoặc axit nitric để tạo ra một lượng lớn khí rất nóng. Chất oxy hóa hoặc được giữ riêng và trộn trong buồng đốt, hoặc được trộn sẵn, như với tên lửa rắn.
Đôi khi chất đẩy không bị đốt cháy nhưng vẫn trải qua phản ứng hóa học và có thể là “chất đẩy đơn” như hydrazine, nitơ oxit hoặc hydro peroxide có thể bị phân hủy xúc tác thành khí nóng.
Ngoài ra, có thể sử dụng chất đẩy trơ có thể đốt nóng bên ngoài, chẳng hạn như trong tên lửa hơi nước, tên lửa nhiệt mặt trời hoặc tên lửa nhiệt hạt nhân.
Đối với các tên lửa nhỏ hơn, hiệu suất thấp, chẳng hạn như động cơ đẩy kiểm soát độ cao, nơi hiệu suất cao ít cần thiết hơn, chất lỏng có áp suất được sử dụng làm chất đẩy chỉ đơn giản là thoát khỏi tàu vũ trụ thông qua một vòi đẩy.
Công dụng
Tên lửa hoặc các thiết bị phản ứng tương tự khác mang theo chất đẩy riêng của chúng phải được sử dụng khi không có chất nào khác (đất, nước hoặc không khí) hoặc lực (trọng lực, từ tính, ánh sáng) mà phương tiện có thể sử dụng một cách hữu ích để tạo lực đẩy, chẳng hạn như trong không gian. Trong những trường hợp này, cần phải mang theo tất cả các chất đẩy sẽ được sử dụng.
Tuy nhiên, chúng cũng hữu ích trong các tình huống khác:
Quân đội
Một số vũ khí quân sự sử dụng tên lửa để đẩy đầu đạn tới mục tiêu. Một vũ khí mà kết hợp rocket với tải trọng của nó, mà có hệ thống dẫn đường thì gọi là “missile”. Tuy nhiên, không phải tất cả missile đều sử dụng động cơ tên lửa rocket engines, một số sử dụng động cơ khác như động cơ phản lực jet. Vũ khí sử dụng động cơ đẩy mà không có điều khiển thì gọi là “rocket”. Tên lửa chống tăng (anti-tank missiles) và tên lửa phòng không (anti-aircraft missiles) sử dụng động cơ tên lửa để tấn công các mục tiêu ở tốc độ cao trong phạm vi vài dặm, trong khi tên lửa đạn đạo xuyên lục địa có thể được sử dụng để mang nhiều đầu đạn hạt nhân từ hàng ngàn dặm và tên lửa chống đạn đạo cố gắng ngăn chặn chúng. Tên lửa cũng đã được thử nghiệm để trinh sát, chẳng hạn như tên lửa Ping-Pong, được phóng để giám sát các mục tiêu của kẻ thù, tuy nhiên, tên lửa trinh sát chưa bao giờ được sử dụng rộng rãi trong quân đội.
Khoa học và nghiên cứu
Tên lửa âm thanh (sounding rockets) thường được sử dụng để mang theo các thiết bị đo độ cao từ 50 km đến 1.500 km trên bề mặt Trái đất. Những hình ảnh đầu tiên về Trái đất từ không gian được chụp từ tên lửa V-2 vào năm 1946 (chuyến bay số 13).
Động cơ tên lửa cũng được sử dụng để đẩy xe trượt tên lửa dọc theo đường ray với tốc độ cực cao. Kỷ lục thế giới về tốc độ này là Mach 8.5.
Chuyến bay không gian
Tên lửa lớn hơn thường được phóng từ bệ phóng cung cấp hỗ trợ ổn định cho đến vài giây sau khi kích hoạt. Do tốc độ khí thải cao – 2.500 đến 4.500 m/s (9.000 đến 16.200 km/h) – tên lửa đặc biệt hữu ích khi cần tốc độ rất cao, chẳng hạn như tốc độ quỹ đạo xấp xỉ 7.800 m/s (28.000 km/h). Tàu vũ trụ được đưa vào quỹ đạo trở thành vệ tinh nhân tạo, được sử dụng cho nhiều mục đích thương mại. Thật vậy, tên lửa vẫn là cách duy nhất để phóng tàu vũ trụ vào quỹ đạo và xa hơn nữa. Chúng cũng được sử dụng để tăng tốc nhanh tàu vũ trụ khi chúng thay đổi quỹ đạo hoặc rời quỹ đạo để hạ cánh. Ngoài ra, một tên lửa có thể được sử dụng để làm mềm cú hạ cánh bằng dù cứng ngay trước khi chạm đất.
Giải thoát
Tên lửa được sử dụng để đẩy một đường dây đến một con tàu bị nạn để có thể sử dụng phao Breeches để giải cứu những người trên tàu. Tên lửa cũng được sử dụng để phóng pháo sáng khẩn cấp.
Một số tên lửa có phi hành đoàn, đáng chú ý là Saturn V và Soyuz, có hệ thống phóng thoát hiểm. Đây là một tên lửa nhỏ, thường là rắn, có khả năng kéo phi hành đoàn ra khỏi phương tiện chính đến nơi an toàn ngay lập tức. Các loại hệ thống này đã được vận hành nhiều lần, cả trong quá trình thử nghiệm và trong chuyến bay, và mỗi lần đều vận hành chính xác.
Đây là trường hợp khi Hệ thống đảm bảo an toàn đã rút thành công viên nang L3 ở ba trong số bốn lần phóng thất bại của tên lửa mặt trăng Liên Xô, phương tiện N1, 3L, 5L và 7L. Trong cả ba trường hợp, viên nang, mặc dù chưa được tháo ra, đã được cứu khỏi sự phá hủy. Chỉ ba tên lửa N1 nói trên có Hệ thống đảm bảo an toàn hoạt động. Phương tiện nổi bật, 6L, có các tầng trên giả và do đó không có hệ thống thoát hiểm, giúp bộ tăng áp N1 có tỷ lệ thành công 100% khi thoát ra khỏi một lần phóng không thành công.
Một phi hành đoàn đã thoát hiểm thành công khi Soyuz T-10, đang thực hiện nhiệm vụ tới trạm vũ trụ Salyut 7, phát nổ trên bệ.
Ghế phóng đẩy bằng tên lửa rắn được sử dụng trong nhiều máy bay quân sự để đẩy phi hành đoàn ra khỏi phương tiện an toàn khi mất kiểm soát chuyến bay.
Sở thích, thể thao và giải trí
Tên lửa mô hình là một tên lửa nhỏ được thiết kế để đạt độ cao thấp (ví dụ: 100-500 m đối với mô hình 30 g) và được thu hồi bằng nhiều phương tiện.
Theo Bộ luật An toàn của Hiệp hội Tên lửa Quốc gia Hoa Kỳ (nar), tên lửa mô hình được chế tạo bằng giấy, gỗ, nhựa và các vật liệu nhẹ khác. Mã này cũng cung cấp hướng dẫn sử dụng động cơ, lựa chọn vị trí phóng, phương pháp phóng, vị trí phóng, thiết kế và triển khai hệ thống khôi phục… Kể từ đầu những năm 1960, một bản sao của Mã an toàn tên lửa mô hình đã được cung cấp cùng với hầu hết các bộ dụng cụ và động cơ tên lửa mô hình. Mặc dù có mối liên hệ vốn có với các chất cực kỳ dễ cháy và các vật thể có đầu nhọn di chuyển với tốc độ cao, mô hình tên lửa trong lịch sử đã được chứng minh là một sở thích rất an toàn và được coi là nguồn cảm hứng đáng kể cho những đứa trẻ sau này trở thành nhà khoa học và kỹ sư.
Những người có sở thích chế tạo và bay nhiều loại tên lửa mô hình. Nhiều công ty sản xuất các bộ phận và bộ dụng cụ tên lửa mô hình nhưng do tính đơn giản vốn có của chúng, một số người có sở thích đã biết chế tạo tên lửa từ hầu hết mọi thứ. Tên lửa cũng được sử dụng trong một số loại pháo hoa dân dụng và chuyên nghiệp. Tên lửa nước là một loại tên lửa mô hình sử dụng nước làm khối lượng phản ứng của nó. Bình tạo áp (động cơ của tên lửa) thường là chai nước ngọt bằng nhựa đã qua sử dụng. Nước bị đẩy ra ngoài bởi một loại khí có áp suất, điển hình là khí nén. Đó là một ví dụ về định luật chuyển động 3 của Newton.
Quy mô của tên lửa nghiệp dư có thể bao gồm từ một tên lửa nhỏ được phóng ở sân sau của chính mình cho đến một tên lửa vươn tới không gian. Tên lửa nghiệp dư được chia thành ba loại theo tổng xung động cơ: công suất thấp, công suất trung bình và công suất cao.
Tên lửa hydro peroxide được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các gói phản lực và đã được sử dụng để cung cấp năng lượng cho ô tô và ô tô tên lửa giữ kỷ lục đua xe kéo mọi thời đại (mặc dù không chính thức).
Corpulent Stump là tên lửa phi thương mại mạnh nhất từng được phóng trên động cơ Aerotech ở Vương quốc Anh.
Chuyến bay
Các vụ phóng cho các chuyến bay vào quỹ đạo hoặc vào không gian liên hành tinh thường được thực hiện từ một vị trí cố định trên mặt đất, nhưng cũng có thể thực hiện được từ máy bay hoặc tàu thủy.
Công nghệ phóng tên lửa bao gồm toàn bộ hệ thống cần thiết để phóng thành công phương tiện, không chỉ bản thân phương tiện mà còn cả hệ thống điều khiển bắn, trung tâm điều khiển nhiệm vụ, bệ phóng, trạm mặt đất và trạm theo dõi cần thiết để phóng hoặc thu hồi thành công hoặc cả hai. Chúng thường được gọi chung là “phân khúc mặt đất “.
Các phương tiện phóng quỹ đạo thường cất cánh theo phương thẳng đứng, sau đó bắt đầu nghiêng dần về phía trước, thường theo quỹ đạo quay trọng lực.
Sau khi ở trên phần lớn bầu khí quyển, phương tiện sẽ điều chỉnh góc của phản lực tên lửa, hướng nó phần lớn theo chiều ngang nhưng hơi hướng xuống dưới, điều này cho phép phương tiện đạt được và sau đó duy trì độ cao trong khi tăng tốc độ theo phương ngang. Khi tốc độ tăng lên, chiếc xe sẽ ngày càng nằm ngang cho đến khi ở tốc độ quỹ đạo, động cơ sẽ ngừng hoạt động.
Tất cả các phương tiện hiện tại đều ở giai đoạn, nghĩa là vứt bỏ lại phần cứng trên đường lên quỹ đạo. Mặc dù các phương tiện đã được đề xuất có thể lên quỹ đạo mà không cần dàn dựng, nhưng chưa có phương tiện nào được chế tạo và nếu chỉ được cung cấp năng lượng bằng tên lửa, thì nhu cầu nhiên liệu tăng theo cấp số nhân của một phương tiện như vậy sẽ khiến trọng tải hữu ích của nó trở nên nhỏ bé hoặc không tồn tại. Hầu hết các phương tiện phóng hiện tại và lịch sử đều “tiêu hao” phần cứng bị loại bỏ của chúng, điển hình là bằng cách cho phép nó lao xuống đại dương, nhưng một số đã thu hồi và tái sử dụng phần cứng bị loại bỏ, bằng cách nhảy dù hoặc hạ cánh bằng động cơ đẩy.
Khi phóng tàu vũ trụ lên quỹ đạo, “dogleg” là một khúc cua được trợ lực, có hướng dẫn trong giai đoạn bay lên khiến đường bay của tên lửa lệch khỏi đường “thẳng”. Cần có một chân chó nếu góc phương vị phóng mong muốn, để đạt được độ nghiêng quỹ đạo mong muốn, sẽ đi theo đường đất trên đất liền (hoặc trên một khu vực đông dân cư, ví dụ: Nga thường phóng trên đất liền, nhưng trên các khu vực không có dân cư) hoặc nếu tên lửa là cố gắng tiếp cận một mặt phẳng quỹ đạo không đạt đến vĩ độ của địa điểm phóng. Doglegs là điều không mong muốn do cần thêm nhiên liệu trên tàu, khiến tải trọng nặng hơn và giảm hiệu suất của xe.
Tiếng ồn
Khí thải tên lửa tạo ra một lượng năng lượng âm thanh đáng kể. Khi khí thải siêu thanh va chạm với không khí xung quanh, sóng xung kích được hình thành. Cường độ âm thanh từ những sóng xung kích này phụ thuộc vào kích thước của tên lửa cũng như vận tốc khí thải. Cường độ âm thanh của các tên lửa lớn, hiệu suất cao có khả năng gây sát thương ở cự ly gần.
Tàu con thoi tạo ra 180 dB tiếng ồn xung quanh cơ sở của nó. Để chống lại điều này, NASA đã phát triển một hệ thống triệt tiêu âm thanh có thể cho nước chảy với tốc độ lên tới 900.000 gallon mỗi phút (57 m3/s) lên bệ phóng. Nước làm giảm độ ồn từ 180 dB xuống còn 142 dB (yêu cầu thiết kế là 145 dB). Nếu không có hệ thống triệt tiêu âm thanh, sóng âm thanh sẽ phản xạ từ bệ phóng về phía tên lửa, làm rung động tải trọng nhạy cảm và phi hành đoàn. Những sóng âm thanh này có thể nghiêm trọng đến mức làm hỏng hoặc phá hủy tên lửa.
Tiếng ồn nói chung là mạnh nhất khi tên lửa ở gần mặt đất, vì tiếng ồn từ động cơ phát ra từ máy bay phản lực, cũng như phản xạ khỏi mặt đất. Tiếng ồn này có thể được giảm đi phần nào nhờ các rãnh chống cháy có mái che, bằng cách phun nước xung quanh vòi phun và bằng cách làm lệch tia phun theo một góc.
Đối với tên lửa có người điều khiển, nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để giảm cường độ âm thanh cho hành khách và điển hình là việc đặt các phi hành gia cách xa động cơ tên lửa sẽ giúp ích đáng kể. Đối với hành khách và phi hành đoàn, khi một phương tiện di chuyển với tốc độ siêu âm, âm thanh sẽ bị ngắt do sóng âm thanh không còn theo kịp phương tiện.
Vật lý
Hoạt động
Tác dụng của quá trình đốt cháy nhiên liệu đẩy trong động cơ tên lửa là làm tăng nội năng của khí tạo thành, sử dụng năng lượng hóa học dự trữ trong nhiên liệu. Khi năng lượng bên trong tăng lên, áp suất tăng lên và một vòi phun được sử dụng để chuyển đổi năng lượng này thành động năng có hướng. Điều này tạo ra lực đẩy chống lại môi trường xung quanh mà các khí này được giải phóng. Hướng chuyển động lý tưởng của ống xả là hướng tạo ra lực đẩy. Ở đầu trên cùng của buồng đốt, chất lỏng khí nóng, tràn đầy năng lượng không thể di chuyển về phía trước, và do đó, nó đẩy lên trên đỉnh buồng đốt của động cơ tên lửa. Khi khí đốt tiếp cận lối ra của buồng đốt, chúng sẽ tăng tốc độ. Tác động của phần hội tụ của vòi phun động cơ tên lửa đối với chất lỏng áp suất cao của khí đốt là làm cho khí tăng tốc lên tốc độ cao. Tốc độ của khí càng cao thì áp suất của khí càng thấp (Nguyên lý Bernoulli hay bảo toàn năng lượng) tác dụng lên bộ phận đó của buồng đốt. Trong một động cơ được thiết kế phù hợp, lưu lượng sẽ đạt tới tốc độ Mach 1 ở cổ họng của vòi phun. Tại thời điểm đó tốc độ của dòng chảy tăng lên. Ngoài cổ vòi, một phần mở rộng hình chuông của động cơ cho phép các khí đang giãn nở đẩy vào phần đó của động cơ tên lửa. Do đó, phần chuông của vòi tạo thêm lực đẩy. Nói một cách đơn giản, đối với mọi hành động đều có một phản ứng bình đẳng và ngược chiều, theo định luật 3 của Newton với kết quả là các khí thoát ra tạo ra phản ứng của một lực lên tên lửa khiến nó tăng tốc cho tên lửa.
Trong một buồng kín, áp suất theo mỗi hướng bằng nhau và không xảy ra gia tốc. Nếu có một lỗ mở ở đáy buồng thì áp suất không còn tác động lên phần bị thiếu nữa. Việc mở này cho phép khí thải thoát ra ngoài. Các áp suất còn lại tạo ra một lực đẩy tổng hợp ở phía đối diện với lỗ mở và những áp suất này là thứ đẩy tên lửa đi theo.
Hình dạng của vòi phun là quan trọng. Hãy xem xét một quả bóng được đẩy bằng không khí thoát ra từ một vòi thuôn nhọn. Trong trường hợp như vậy, sự kết hợp giữa áp suất không khí và ma sát nhớt sao cho vòi không đẩy quả bóng bay mà bị quả bóng kéo. Sử dụng vòi hội tụ/phân kỳ sẽ tạo ra nhiều lực hơn vì ống xả cũng ép vào nó khi nó mở rộng ra bên ngoài, gần gấp đôi tổng lực. Nếu khí đẩy liên tục được thêm vào buồng thì những áp suất này có thể được duy trì miễn là khí đẩy vẫn còn. Lưu ý rằng trong trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng, máy bơm di chuyển nhiên liệu đẩy vào buồng đốt phải duy trì áp suất lớn hơn buồng đốt – thường là 100 atm.
Như một tác dụng phụ, những áp suất này lên tên lửa cũng tác động lên khí thải theo hướng ngược lại và đẩy khí thải này lên tốc độ rất cao (theo Định luật 3 của Newton). Từ nguyên tắc bảo toàn động lượng, tốc độ thoát khí của tên lửa xác định mức độ tăng động lượng được tạo ra cho một lượng nhiên liệu nhất định. Đây được gọi là xung lực cụ thể của tên lửa. Bởi vì một tên lửa, nhiên liệu đẩy và khí thải trong chuyến bay, không có bất kỳ nhiễu loạn bên ngoài nào, có thể được coi là một hệ thống khép kín, tổng động lượng luôn không đổi. Do đó, tốc độ ròng của ống xả theo một hướng càng nhanh thì tốc độ tên lửa có thể đạt được theo hướng ngược lại càng lớn. Điều này đặc biệt đúng vì khối lượng của thân tên lửa thường thấp hơn nhiều so với tổng khối lượng khí thải cuối cùng.
Các lực trên một tên lửa trong chuyến bay
Nghiên cứu chung về lực tác dụng lên tên lửa là một phần của lĩnh vực đạn đạo học. Tàu vũ trụ được nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực phụ của động lực học thiên văn.
Tên lửa bay chủ yếu bị ảnh hưởng bởi những điều sau đây:
– Lực đẩy từ (các) động cơ.
– Lực hấp dẫn từ các thiên thể.
– Lực kéo nếu di chuyển trong bầu khí quyển.
– Thang máy; hiệu ứng thường tương đối nhỏ ngoại trừ máy bay chạy bằng tên lửa.
Ngoài ra, lực giả quán tính và ly tâm có thể là đáng kể do đường đi của tên lửa quanh tâm của một thiên thể; khi đạt được tốc độ đủ cao theo đúng hướng và độ cao thì thu được quỹ đạo ổn định hoặc vận tốc thoát.
Các lực này, với một phần đuôi ổn định (empenenage) hiện diện, trừ khi thực hiện các nỗ lực kiểm soát có chủ ý, sẽ khiến phương tiện đi theo một quỹ đạo đại khái là hình parabol gọi là vòng quay trọng lực và quỹ đạo này thường được sử dụng ít nhất trong phần đầu của hành trình phóng. (Điều này đúng ngay cả khi động cơ tên lửa được gắn ở mũi). Do đó, các phương tiện có thể duy trì góc tấn thấp hoặc thậm chí bằng không, giúp giảm thiểu ứng suất ngang lên phương tiện phóng, cho phép phương tiện phóng yếu hơn và do đó nhẹ hơn.
Lực cản
Lực cản là một lực ngược với hướng chuyển động của tên lửa so với bất kỳ vùng không khí nào mà nó đang di chuyển qua. Điều này làm chậm tốc độ của xe và tạo ra tải kết cấu. Lực giảm tốc của tên lửa chuyển động nhanh được tính bằng phương trình lực cản.
Có thể giảm thiểu lực cản bằng hình nón mũi khí động học và bằng cách sử dụng hình dạng có hệ số đạn đạo cao (hình dạng tên lửa “cổ điển” – dài và mỏng) và bằng cách giữ cho góc tấn của tên lửa càng thấp càng tốt.
Trong quá trình khởi động, khi tốc độ phương tiện tăng lên và bầu khí quyển mỏng đi, sẽ có một điểm lực cản khí động học tối đa được gọi là Q tối đa. Điều này xác định cường độ khí động học tối thiểu của phương tiện, vì tên lửa phải tránh bị oằn dưới các lực này.
Lực đẩy ròng
Hình dạng phản lực tên lửa thay đổi dựa trên áp suất không khí bên ngoài. Từ đầu đến cuối:
– chưa mở rộng.
– mở rộng lý tưởng.
– mở rộng quá mức.
– mở rộng cùng cực.
Delta-v (phương trình tên lửa)
Công suất delta-v của tên lửa là tổng thay đổi vận tốc theo lý thuyết mà tên lửa có thể đạt được mà không có bất kỳ sự can thiệp nào từ bên ngoài (không có lực cản không khí, trọng lực hoặc các lực khác).
Tỷ lệ khối lượng
Hầu như toàn bộ khối lượng của phương tiện phóng bao gồm chất đẩy. Tỷ lệ khối lượng, đối với bất kỳ “đốt cháy” nào, là tỷ lệ giữa khối lượng ban đầu của tên lửa và khối lượng cuối cùng của nó. Mọi thứ khác đều cân bằng, tỷ lệ khối lượng cao là điều mong muốn để có hiệu suất tốt, vì điều đó cho thấy tên lửa nhẹ và do đó hoạt động tốt hơn, về cơ bản cũng giống như những lý do mà trọng lượng thấp được mong muốn ở ô tô thể thao.
Nhóm tên lửa có tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng cao nhất so với bất kỳ loại động cơ nào; và điều này giúp các phương tiện đạt được tỷ lệ khối lượng cao, giúp cải thiện hiệu suất của các chuyến bay. Tỷ lệ càng cao, khối lượng động cơ cần thiết để mang theo càng ít. Điều này cho phép mang theo nhiều nhiên liệu đẩy hơn, cải thiện đáng kể hệ số delta-v. Ngoài ra, một số tên lửa chẳng hạn như dành cho các tình huống giải cứu hoặc đua xe mang tương đối ít nhiên liệu và tải trọng, do đó chỉ cần một cấu trúc nhẹ và thay vào đó đạt được gia tốc cao. Ví dụ, hệ thống thoát Soyuz có thể tạo ra 20 g.
Tỷ lệ khối lượng có thể đạt được phụ thuộc nhiều vào nhiều yếu tố như loại nhiên liệu đẩy, thiết kế động cơ mà phương tiện sử dụng, giới hạn an toàn kết cấu và kỹ thuật xây dựng.
Tỷ lệ khối lượng cao nhất thường đạt được với tên lửa lỏng và những loại này thường được sử dụng cho các phương tiện phóng quỹ đạo, một tình huống đòi hỏi phải có delta-v cao. Chất đẩy lỏng thường có mật độ tương tự như nước (ngoại trừ đáng chú ý là hydro lỏng và metan lỏng), và những loại này có thể sử dụng bình nhẹ, áp suất thấp và thường chạy động cơ tua-bin hiệu suất cao để đẩy chất đẩy vào buồng đốt.
Dàn tạm
Cho đến nay, vận tốc cần thiết (delta-v) để đạt được quỹ đạo đã không đạt được bởi bất kỳ tên lửa đơn lẻ nào vì nhiên liệu đẩy, thùng chứa, cấu trúc, hướng dẫn, van và động cơ… chiếm một tỷ lệ phần trăm khối lượng cất cánh tối thiểu cụ thể là quá tuyệt vời đối với nhiên liệu đẩy mà nó mang theo để đạt được mức delta-v mang theo trọng tải hợp lý. Do việc bay một tầng lên quỹ đạo cho đến nay vẫn chưa thể thực hiện được nên tên lửa quỹ đạo luôn có nhiều hơn một tầng.
Ví dụ, tầng đầu tiên của Saturn V, mang trọng lượng của các tầng trên, có thể đạt được tỷ lệ khối lượng khoảng 10 và đạt được xung lực cụ thể là 263 giây. Điều này mang lại tốc độ delta-v khoảng 5,9 km/s trong khi khoảng 9,4 km/s delta-v là cần thiết để đạt được quỹ đạo với mọi tổn thất cho phép.
Vấn đề này thường được giải quyết bằng dàn tạm – tên lửa giảm trọng lượng dư thừa (thường là thùng rỗng và các động cơ liên quan) trong quá trình phóng. Dàn diễn ra nối tiếp trong đó các tên lửa sáng sau khi giai đoạn trước tắt đi hoặc song song, trong đó các tên lửa đang cháy cùng nhau và sau đó tách ra khi chúng cháy hết.
Tốc độ tối đa có thể đạt được với dàn tạm về mặt lý thuyết chỉ bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, tải trọng có thể được mang đi giảm dần về mặt hình học với mỗi giai đoạn bổ sung cần thiết, trong khi delta-v bổ sung cho mỗi giai đoạn chỉ đơn giản là phụ gia.
Gia tốc và tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng
Khi lượng nhiên liệu đẩy còn lại giảm đi, các phương tiện tên lửa trở nên nhẹ hơn và gia tốc của chúng có xu hướng tăng lên cho đến khi hết nhiên liệu đẩy. Điều này có nghĩa là phần lớn sự thay đổi tốc độ xảy ra vào cuối quá trình đốt cháy khi phương tiện nhẹ đi hơn nhiều. Tuy nhiên, lực đẩy có thể được điều chỉnh để bù lại hoặc thay đổi điều này nếu cần. Sự gián đoạn trong quá trình tăng tốc cũng xảy ra khi các giai đoạn cháy hết, thường bắt đầu ở mức gia tốc thấp hơn với mỗi giai đoạn mới kích hoạt.
Gia tốc cực đại có thể được tăng lên bằng cách thiết kế phương tiện với khối lượng giảm, thường đạt được bằng cách giảm tải nhiên liệu và thùng nhiên liệu cũng như các cấu trúc liên quan, nhưng rõ ràng điều này làm giảm phạm vi, delta-v và thời gian đốt cháy. Tuy nhiên, đối với một số ứng dụng mà tên lửa được sử dụng, gia tốc cực đại cao được áp dụng chỉ trong một thời gian ngắn là rất đáng mong đợi.
Khối lượng tối thiểu của phương tiện bao gồm một động cơ tên lửa với nhiên liệu và cấu trúc tối thiểu để mang nó. Trong trường hợp đó, tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng của động cơ tên lửa giới hạn gia tốc tối đa có thể được thiết kế. Nó chỉ ra rằng động cơ tên lửa nói chung có tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng thực sự tuyệt vời (137 cho động cơ NK-33 ; một số tên lửa rắn là hơn 1000: 442), và gần như tất cả các phương tiện thực sự cao đều sử dụng hoặc đã sử dụng tên lửa.
Gia tốc cao mà tên lửa sở hữu một cách tự nhiên có nghĩa là phương tiện tên lửa thường có khả năng cất cánh thẳng đứng và trong một số trường hợp, với sự dẫn hướng và điều khiển phù hợp của động cơ, cũng có thể hạ cánh thẳng đứng. Để thực hiện được các thao tác này, động cơ của xe cần phải cung cấp nhiều hơn gia tốc trọng trường cục bộ.
Năng lượng
Hiệu suất năng lượng
Mật độ năng lượng của nhiên liệu đẩy tên lửa điển hình thường bằng khoảng một phần ba so với nhiên liệu hydrocacbon thông thường; phần lớn khối lượng là (thường tương đối rẻ tiền) chất oxy hóa. Tuy nhiên, khi cất cánh, tên lửa có rất nhiều năng lượng trong nhiên liệu và chất oxy hóa được lưu trữ trong phương tiện. Tất nhiên, điều mong muốn là càng nhiều năng lượng của chất đẩy kết thúc thành động năng hoặc thế năng của thân tên lửa càng tốt.
Năng lượng từ nhiên liệu bị mất đi do lực cản của không khí và lực cản của trọng lực và được sử dụng để tên lửa đạt được độ cao và tốc độ. Tuy nhiên, phần lớn năng lượng bị mất kết thúc trong ống xả.
Hiệu ứng Oberth
Một tính năng tinh tế của tên lửa liên quan đến năng lượng. Một tầng tên lửa, trong khi mang một tải trọng nhất định, có khả năng tạo ra một delta-v cụ thể. Delta-v này có nghĩa là tốc độ tăng (hoặc giảm) theo một lượng cụ thể, không phụ thuộc vào tốc độ ban đầu. Tuy nhiên, vì động năng là một định luật bình phương về tốc độ, điều này có nghĩa là tên lửa di chuyển càng nhanh trước khi đốt cháy thì năng lượng quỹ đạo mà nó thu được hoặc mất đi càng nhiều.
Thực tế này được sử dụng trong du hành liên hành tinh. Điều đó có nghĩa là lượng delta-v để đến các hành tinh khác, trên và cao hơn để đạt được vận tốc thoát có thể ít hơn nhiều nếu delta-v được áp dụng khi tên lửa đang di chuyển ở tốc độ cao, gần Trái đất hoặc bề mặt hành tinh khác; trong khi đợi cho đến khi tên lửa giảm tốc độ ở độ cao sẽ nhân lên gấp bội nỗ lực cần thiết để đạt được quỹ đạo mong muốn.
An toàn, độ tin cậy và tai nạn
Độ tin cậy của tên lửa, cũng như đối với tất cả các hệ thống vật lý, phụ thuộc vào chất lượng thiết kế và xây dựng kỹ thuật.
Do năng lượng hóa học khổng lồ trong động cơ đẩy tên lửa (năng lượng tính theo trọng lượng lớn hơn chất nổ, nhưng thấp hơn xăng), hậu quả của các vụ tai nạn có thể rất nghiêm trọng. Hầu hết các nhiệm vụ không gian đều có một số vấn đề. Năm 1986, sau thảm họa Tàu con thoi Challenger, nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman, từng phục vụ trong Ủy ban Rogers, ước tính rằng khả năng xảy ra tình trạng không an toàn khi phóng Tàu con thoi là khoảng 1%; gần đây hơn, rủi ro lịch sử cho mỗi chuyến bay của mỗi người trong chuyến bay vào quỹ đạo đã được tính toán là khoảng 2% hoặc 4%.
Vào tháng 5/2003, văn phòng phi hành gia đã làm rõ quan điểm của mình về nhu cầu và tính khả thi của việc cải thiện sự an toàn của phi hành đoàn cho các nhiệm vụ có phi hành đoàn của NASA trong tương lai, cho thấy “sự đồng thuận của họ rằng mức độ rủi ro tính mạng con người trong quá trình đi lên, so với Tàu con thoi, là cả hai đều có thể đạt được với công nghệ hiện tại và phù hợp với trọng tâm của NASA là cải thiện đều đặn độ tin cậy của tên lửa”.
Chi phí và kinh tế
Chi phí tên lửa có thể được tạm chia thành chi phí nhiên liệu đẩy, chi phí thu được và/hoặc sản xuất “khối lượng khô” của tên lửa và chi phí của bất kỳ thiết bị và phương tiện hỗ trợ cần thiết nào.
Hầu hết khối lượng cất cánh của tên lửa thường là nhiên liệu đẩy. Tuy nhiên, nhiên liệu đẩy hiếm khi đắt hơn vài lần so với xăng trên một kilôgam (vào năm 2009, xăng khoảng $1/kg hoặc ít hơn), và mặc dù cần một lượng đáng kể, nhưng đối với tất cả trừ các tên lửa rẻ nhất, nó hóa ra chi phí nhiên liệu đẩy thường tương đối nhỏ, mặc dù không phải là hoàn toàn không đáng kể. Với oxy lỏng có giá 0,15 USD/kg và hydro lỏng 2,20 USD/kg, Tàu con thoi vào năm 2009 có chi phí cho nhiên liệu đẩy lỏng khoảng 1,4 triệu USD cho mỗi lần phóng, tiêu tốn 450 triệu USD từ các chi phí khác (với 40% khối lượng nhiên liệu đẩy được nó sử dụng là chất lỏng trong thùng nhiên liệu bên ngoài, 60% là chất rắn trong SRB).
Mặc dù khối lượng khô, không dùng nhiên liệu đẩy của tên lửa thường chỉ chiếm từ 5-20% tổng khối lượng, tuy nhiên chi phí này chiếm ưu thế. Đối với phần cứng có hiệu suất được sử dụng trong các phương tiện phóng quỹ đạo, chi phí từ $2000-$10.000+ cho mỗi kg trọng lượng khô là phổ biến, chủ yếu từ kỹ thuật, chế tạo và thử nghiệm; nguyên vật liệu thường chiếm khoảng 2% tổng chi phí. Đối với hầu hết các tên lửa, ngoại trừ loại có thể tái sử dụng (động cơ con thoi), động cơ không cần hoạt động quá vài phút, điều này giúp đơn giản hóa thiết kế.
Yêu cầu về hiệu suất cực cao đối với tên lửa đạt quỹ đạo tương quan với chi phí cao, bao gồm kiểm soát chất lượng chuyên sâu để đảm bảo độ tin cậy mặc dù các yếu tố an toàn hạn chế cho phép vì lý do trọng lượng. Các thành phần được sản xuất với số lượng nhỏ nếu không được gia công riêng lẻ có thể ngăn chặn việc khấu hao chi phí R&D và cơ sở vật chất so với sản xuất hàng loạt ở mức độ được thấy trong quá trình sản xuất dành cho người đi bộ nhiều hơn. Trong số các tên lửa sử dụng nhiên liệu lỏng, độ phức tạp có thể bị ảnh hưởng bởi mức độ nhẹ của phần cứng, chẳng hạn như động cơ chạy bằng áp suất có thể có số lượng bộ phận nhỏ hơn hai bậc so với động cơ chạy bằng máy bơm nhưng thường dẫn đến trọng lượng lớn hơn do cần áp suất bình lớn hơn, hệ quả là chỉ được sử dụng trong các máy đẩy cơ động nhỏ.
Để thay đổi các yếu tố trước đó đối với các phương tiện phóng quỹ đạo, các phương pháp được đề xuất bao gồm sản xuất hàng loạt tên lửa đơn giản với số lượng lớn hoặc quy mô lớn, hoặc phát triển tên lửa tái sử dụng nhằm bay rất thường xuyên để khấu hao chi phí trả trước của chúng đối với nhiều trọng tải, hoặc giảm tên lửa. Các yêu cầu về hiệu suất bằng cách xây dựng một hệ thống phóng vào không gian phi tên lửa cho một phần vận tốc lên quỹ đạo (hoặc toàn bộ nhưng với hầu hết các phương pháp liên quan đến việc sử dụng một số tên lửa).
Chi phí thiết bị hỗ trợ, chi phí phạm vi và bệ phóng thường tăng theo kích thước của tên lửa, nhưng thay đổi ít hơn theo tốc độ phóng và do đó có thể được coi là chi phí cố định.
Tên lửa trong các ứng dụng không phải là phóng lên quỹ đạo (chẳng hạn như tên lửa quân sự và tên lửa hỗ trợ cất cánh), thường không cần hiệu suất tương đương và đôi khi được sản xuất hàng loạt, thường tương đối rẻ.
Cạnh tranh tư nhân mới nổi những năm 2010
Kể từ đầu những năm 2010, các lựa chọn tư nhân mới để có được các dịch vụ du hành vũ trụ đã xuất hiện, gây áp lực đáng kể về giá lên thị trường hiện tại./.
