DU HÀNH TỚI NHỮNG THẾ GIỚI KHÁC
Khi tiến hành các chuyến bay liên hành tinh, con tàu vũ trụ cần được Phóng đi theo chiều quay của Trái Đất quanh Mặt Trời để tận dụng năng lượng của chuyển động ấy. Để bay tới hành tinh xa Mặt Trời hơn so Trái Đất, quỹ đạo đơn giản nhất là hình elip với Mặt Trời là một tiêu điểm. Để rút ngắn thời gian bay người ta chọn quỹ đạo đi qua gần hành tinh khác tận dụng lực hút của nó cung cấp thêm gia tốc cho con tàu. Ví dụ để tới Sao Thiên vương (Uranus), nếu dùng quỹ đạo qua gần Sao Mộc (Jupiter) sẽ rút ngắn thời gian bay ba lần.
Du hành tới các hành tinh khác (trong hệ Mặt Trời) là hoàn toàn hiện thực và đang được chuẩn bị. Những dự án đó từ lâu đã được thiết kế tại Mỹ và Nga. Quan tâm hàng đầu là Sao hoả (Mars), nơi mà dù điều kiện khốc liệt vẫn có thể tồn tại sự sống sơ khai. Sự phát hiện ra sự sống đó sẽ giúp ích cho tìm hiểu nguồn gốc và tiến hoá sự sống trên Trái Đất. Những chuyến bay lên Sao Hoả có lẽ sẽ diễn ra ở những thập kỉ đầu của thế kỉ XXI.
Nhưng ước mơ chủ yếu của con người vẫn là du hành tới các vì sao, mặc dù để đạt mục đích ấy còn phải khắc phục nhiều trở ngại lớn lao có tính nguyên tắc.
Trở ngại đầu tiên - đó là nhân tố thời gian. Khoảng cách ngắn nhất tới những ngôi sao khả dĩ có sự sống có lý trí ở các hành tinh quanh nó (nếu có) phải tính hàng chục năm ánh sáng. Năm ánh sáng là đoạn đường mà ánh sáng đi được trong một năm bằng 9,46.1015m. Một chuyến bay như vậy phải mất khá nhiều năm dù cho có được những tên lửa bay với vận tốc so sánh được với vận tốc ánh sáng và đã tính đến sự ''co thời gian tương đối tính''. Ngoài các khía cạnh khác, sự co thời gian tương đối tính còn có một ý nghĩa đạo đức - tâm lý nghiêm trọng. Khi nhà du hành trở về được Trái Đất, thì nơi đây đã trải qua hàng trăm, thậm chí hàng ngàn năm. Nếu tính đến sự tiến bộ của thế giới một thế kỉ vừa rồi thôi, thì quả thực nhà du hành Vũ Trụ về đến ''nhà'' cũng chẳng khác gì là tới một thế giời mới, một hành tinh lạ! Chưa nói đến việc người thân của các nhà du hành thực sự đã mất họ mãi mãi ngay khi con tàu khởi hành!
Trở ngại thứ hai có tính nguyên tắc là bảo đảm an toàn cho con tàu đi qua các đám mây khí và bụi, có không ít trong không gian Vũ Trụ. Nếu con tàu bay với vận tốc gần với vận tốc ánh sáng thì các đám mây ấy làm bay hơi mọi lớp bảo vệ và kìm hãm con tàu. Con tàu bay nhanh đến thế thì việc lái vòng tránh các trở ngại là không thực hiện nổi.
Nhưng vấn đề chủ yếu của chuyến bay giữa các vì sao vẫn là việc chở được con người. Để hiểu vấn đề này, cần phải trở lại khỏi nguồn của du hành Vũ Trụ được đề xuất bởi một người Nga kiệt xuất - Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (1857 - 1935). Đó là một con người kì lại vừa mở mộng, vừa thực tiễn. Toàn bộ cuộc đời của ông cống hiến cho một mục tiêu duy nhất: du hành tới các vì sao. Ông là người đầu tiên đã đặt cơ sở cho việc sử dụng tên lửa vào những chuyến bay như thế, đồng thời đã tìm ra những giải pháp công nghệ cụ thể. Hệ thức cho phép tính dự trữ nhiên liệu cần thiết cho tên lửa đạt vận tốc mà trong động lực học Vũ Trụ gọi là công thức Tsiolkovsky, được ông tìm ra năm 1897.
Theo đúng công thức Tsiolkovsky, tỷ lệ khối nhiên liệu của tên lửa lúc đầu (khởi hành) và cuối (hết nhiên liệu) mo/m tăng rất nhanh theo tỷ số các vận tốc của tên lửa v và của khí phụt ra w. Các tên lửa hiện đại dùng nhiên liệu hoá học có vận tốc dòng khí phụt không vượt quá 4 km/s. Cứ cho là nó đạt tói w = 10 km/s đi nữa thì chuyến bay Vũ Trụ vẫn không thể thực hiện, vì lý do là khối dụ trữ ban đầu là quá kinh khủng. Để con tàu đạt được vận tốc cỡ 1/10 vận tốc ánh sáng (v = 0,1c) thì theo công thức Tsiolkovsky giá trị mo/m = 7,6.101302. Trong khi đó khối lượng của Thiên Hà ''chỉ có'' 1041kg. Vậy thì khối lượng xuất phát của con tàu phải là toàn bộ khối lượng của hệ sao của chúng ta Thiên Hà nhân với một con số lớn khủng khiếp, không thể tưởng tượng nổi!
Có lẽ chỉ có một lối thoát giản dị là tăng tốc độ của sản phẩm cháy nhiên liệu. Song đó lại là bài toán hết sức khó. Ngay ở động cơ hạt nhân, nó vị tất đã vượt quá được 20 km/s.
Trường hợp lý tưởng, khi w = c, đó là một thứ động cơ photon. Vai trò của dòng khí phụt giờ đây là do dòng ánh sáng cực mạnh, tạo ra trong phản ứng ''huỷ cặp'' giữa vật chất và phản vật chất, đảm nhiệm. Với một tỷ lệ chấp nhận được là mo/m = 4,36 thì tên lửa đã có thể đạt vận tốc v = 0,9c!
Trên hình trang 522 là một trong số kết cấu tiêu biểu của con tàu du hành giữa các vì sao dùng động cơ photon (tức ''tên lửa photon''), có chiều dài hơn 9/5 km, với phi hành đoàn 300 - 500 người. Những ý tưởng tương tự hiện thực tới mức nào? Thời gian sẽ trả lời!
CÔNG THỨC TSIOLKOVSKY
Tên lửa là một vật thể có khối lượng biến thiên: theo sự cháy của nhiên liệu, luồng khí phụt ra từ động cơ mang đi từng phần khối lượng ban đầu. Lý thuyết tổng quát về chuyển động của vật thể là khối lượng biến thiên được giáo sư Nga Ivan Vsevolodovich Meshchersky (1859 - 1935) công bố cùng năm ra đời công thức Tsiolkovsky. Phương trình Meshchersky cho phép tìm ra công thức Tsiolkovsky đơn giản hơn.
Khi tên lửa phụt ra các luồng khí (sản phẩm cháy của nhiên liệu) có vận tốc w (đối với tên lửa) thì theo định luật III Newton, chúng đẩy tên lửa một lực bằng và ngược hướng các dòng khí phụt ra. Đó là sức đẩy phản lực. Khi vắng ngoại lực, xung lượng của hệ (gồm cả tên lửa và khí phụt ra) là không đổi, cho nên gia số xung lượng của tên lửa sẽ bằng và ngược chiều với xung lượng của dòng khí. Vận tốc khí w và khối lượng khí phụt ra mỗi giây dm/dt càng lớn thì dung lượng của tên lửa gia tăng mỗi giây càng lớn. Sức phản lực tác dụng lên tên lửa bằng:
và phương trình chuyển động tên lửa của Meshchersky có dạng:
trong đó m và v tương ứng là khối lượng và vận tốc của tên lửa ở thời điểm t. Nếu ban đầu v = 0, m = m0 và lên lửa chuyển động thẳng theo hướng ngược với dòng khí phụt ra, lấy tích phân phương trình chuyển động ta được:
(1)
với e = 2,71828... là cơ số logarit tự nhiên (cơ số Neper). Đó chính là công thức Tsiolkovsky,
Công thức (1) đúng chỉ với các vận tốc rất nhỏ so vận tốc ánh sáng (v << c). Tổng quát hoá lập luận cho trường hợp vận tốc cao, có các bổ chính tương đối tính, thì công thức Tsiolkovsky sẽ có dạng:
(2)
Từ có suy ra điều đáng chú ý là khi tên lửa có khối lượng khác không thì nó không thể đạt được vận tốc ánh sáng c.
s
