Tại sao các phi hành gia (nhà du hành) phải tập trên máy ly tâm: tác động cơ học lên cơ thể người và thiết bị trong quá trình phóng lên quỹ đạo.
Nhiều người nghĩ rằng để bay vào vũ trụ cần có sức khỏe “siêu nhân”và nghĩ rằng lúc phóng tên lửa đẩy thì các thiết bị trên khoang cũng phải làm bằng vật liệu “siêu bền”. Như vậy chỉ đúng một phần, nhưng nhìn chung là không đúng. Trong bài trước nói về Trạng thái “không trọng lượng” khi bay trên quỹ đạo gần Trái Đất và khái niệm về hệ số quá tải – VASA (Vietnam Aerospace Association) các bạn đã có khái niệm về (hệ số) quá tải (load factor, перегрузка), gia tốc biểu kiến (apparent acceleration, кажущееся ускорение), lực bề mặt và lực thể tích. Các khái niệm này tuy đơn giản nhưng rất quan trọng đối với phi hành gia và nhà thiết kế các thiết bị để đưa lên quỹ đạo.
Hệ số quá tải định nghĩa chính xác là tỷ số (thường ký hiệu là n) giữa tổng các lực bề mặt tác dụng vào một vật chia cho trọng lượng của vật đó.
n= tổng các lực bề mặt/trọng lượng
Đối với phương tiện bay các lực bề mặt có thể là các lực khí động (lực nâng, lực cản) và lực đẩy của động cơ (do áp suất phân bố trên bề mặt trong vỏ động cơ (lực đẩy) và vỏ ngoài phương tiện bay- lực khí động), còn trọng lượng thì G=mg(h) , công thức quá quen thuộc rồi, chỉ có khác một chút là hàm g(h). Như trong bài trước ta đã biết, ở độ cao của các quỹ đạo thấp quanh Trái Đất, gia tốc trọng trường có giảm khoảng 10%. Rõ ràng là khi bay trên quỹ đạo tròn quanh Trái Đất thì chỉ có trọng lực tác dụng (lực thể tích), vì vậy hệ số quá tải n=0.
Trên hình 1 là nguyên lý cảm biến gia tốc (gia tốc kế-accelerometer) trường hợp đo gia tốc theo phương nằm ngang: khi vỏ gia tốc kế (gắn với phương tiện bay) chuyển động có gia tốc a thì theo nguyên lý quán tính sẽ có lực quán tính F=-ma, khối lượng m sẽ đè vào lò xo và chuyển dịch một khoảng tỷ lệ với gia tốc |a|. Tất nhiên cấu tạo gia tốc kế thực thì phức tạp hơn nhiều nhưng về nguyên lý đo thì vẫn thế. Rõ ràng là khi gia tốc kế nằm yên theo hướng thẳng đứng thì khi gia tốc a=0, quả nặng vẫn chịu tác dụng của trọng trường và vỏ gia tốc kế chịu phản lực = trọng lượng, vì vậy quả nặng bị lệch đi một khoảng tỷ lệ thuận với trọng lượng G=mg tức là gia tốc kế chỉ giá trị gia tốc trọng trường. Rõ ràng là gia tốc kế chỉ cho ta gia tốc biểu kiến (nếu theo phương thẳng đứng thì giá trị đo được cần trừ đi g=-9,8 m/s2 thì mới được gia tốc a tức là hệ số quá tải n=1 và a=0).
Một vật nằm yên trên mặt đất (gia tốc a=0) chịu phản lực của bề mặt sàn (lực bề mặt)
= 1x trọng lực, vì vậy n=1. Trở lại ví dụ về thang máy, khi thang máy bị rơi tự do (a = -9,8 m/s2) (lạy Chúa, không xảy ra !) phản lực sàn = 0 và n=0 nhưng khi chuyển động lên, ví dụ với gia tốc 20 m/s2 (gia tốc xấp xỉ =2g= 2 x 9,8 m/s2, gia tốc khá lớn), rõ ràng là phản lực sàn thang máy = 3 lần trọng lượng và ta nói hệ số quá tải n=3, tức là người trong thang máy phải chịu trọng lượng gấp 3 lần bình thường (máu dồn xuống chân). Gia tốc kế cũng chỉ 3g (không phải 3 gam! g =9,8 m/s2 là đơn vị đo gia tốc trong kỹ thuật). Gia tốc kế trên máy bay còn gọi là đồng hồ quá tải. Khi hệ số quá tải n khoảng = 8 thì người có thể bị ngất (do não bị thiếu máu, tim phải đẩy máu quá “nặng”), nhất là nếu bị tác động lâu trong vài chục giây. Khi phóng tên lửa đẩy đưa lên quỹ đạo cần tăng tốc độ từ 0 lên 7,9 km/s, nếu giả thiết tốc độ tăng dần đều trong 100s thì cần tạo ra gia tốc 7900 m/s/100 s =79 m/s2 có nghĩa là hệ số quá tải khoảng = 9 trong gần 2 phút, người bình thường không chịu được. Thông thường để các phi hành gia vẫn tỉnh táo, không bị ngất người ta thiết kế sao cho hệ số quá tải n< 4 -5 có nghĩa là muốn đạt tốc độ vũ trụ cấp 1 cần chịu đựng quá tải n < 4-5 kéo dài vài phút (lực đẩy của động cơ bằng khoảng 5-6 lần tổng trọng lượng tên lửa đẩy). Muốn chịu đựng được như vậy, cần luyện tập trên thiết bị tạo quá tải kéo dài trên mặt đất. Nếu tạo gia tốc (quá tải) trong chuyển động thẳng thì cần có đường ray dài mấy trăm km (S=at2/2), rõ ràng là không thực tế. Trong khi đó ta có thể tạo quá tải n bằng gia tốc (lực) ly tâm (a=ng) rất đơn giản, chỉ cần một thiết bị có bán kính R, ví dụ R=10 m quay trong mặt phẳng ngang, tạo gia tốc ly tâm a = V2/R , ví dụ n=5 (a=5g xấp xỉ = 50 m/s2) thì cần quay với V khoảng 22,4 m/s tức là tốc độ quay khoảng 3 vòng trong hơn 1s (gần 180 vòng/phút-không nhanh lắm !). Đó chính là nguyên lý máy tập ly tâm tạo quá tải kéo dài.
Cũng trên nguyên lý này ta có thể tạo ra các thiết bị thử quá tải tác động dài cho vệ tinh và các thiết bị trên khoang, ví dụ các thiết bị trên máy bay chiến đấu cần thử chịu quá tải khoảng n=12 (quá tải lớn nhất trong khi bay trên máy bay chiến đấu thông thường là 8, hệ số an toàn 1,5).
Tóm lại : trong quá trình phóng lên quỹ đạo gần Trái Đất phi hành gia (cũng như các thiết bị trên khoang) phải chịu quá tải bằng khoảng 5 lần trọng lượng bình thường trong thời gian khoảng vài phút. Ví dụ thiết bị của bạn nặng 100 N (khoảng 10 kG)thì khi phóng lên cần chịu lực khoảng 1,5 x 500 N (khoảng 75kG, hệ số an toàn=1,5), mà lực này là lực quán tính (lực thể tích) đè lên giá đỡ (phát sinh phản lực – lực bề mặt). Nếu giá đỡ yếu thì có thể bị gẫy, tuy nhiên ta cần nhớ kiến thức môn sức bền vật liệu: thép thường (không phải là hợp kim đặc biệt) có độ bền khoảng 200-300 N/mm2 có nghĩa là chỉ cần giá đỡ bằng thép thường (ví dụ CT-3) có tiết diện vài mm2đủ để đỡ thiết bị trên khoang nặng 10 kG. Tất nhiên các thiết bị trên khoang trong khi bay trên quỹ đạo còn phải chịu tải nhiệt, trong quá trình phóng còn có tải rung và tải âm thanh (do tiếng ồn quá lớn), tuy nhiên tải quán tính nói trên là tải chính tác động lên người và thiết bị trong quá trình phóng và đưa vào quỹ đạo gần Trái Đất.
GS. TSKH. Nguyễn Đức Cương, Phó Chủ tịch VASA,
(biên soạn theo tài liệu nước ngoài)
Bài dự thi Viết về Vũ trụ
