Vì sao khí Hydro lỏng được dùng làm nhiên liệu cho tên lửa?

Trong hành trình chinh phục không gian, mỗi lựa chọn kỹ thuật đều có thể quyết định thành bại của cả sứ mệnh. Trong đó, nhiên liệu được xem như mạch máu quan trọng giúp vận hành cả hệ thống tên lửa khổng lồ. Vậy, bạn có biết vì sao khí hydro lỏng lại được lựa chọn?.

Tên lửa SpaceX Falcon 9 phóng tàu USSF-124 từ Tổ hợp phóng 40 tại Trạm Không gian Cape Canaveral, Florida. Ảnh: Bộ Tư lệnh Hệ thống Không gian / SpaceX.

Đồng hồ đếm ngược đã về 0.

Trong tích tắc im lặng đến ngạt thở ấy, hàng trăm tấn kim loại lạnh ngắt vẫn bất động như một khối tượng đá khổng lồ. Rồi đột nhiên, mặt đất rung chuyển. Một tiếng gầm xé toạc bầu trời, lửa và khói cuộn lên như cơn thịnh nộ của thần linh. Tên lửa - con quái vật thép nặng hàng trăm tấn - bắt đầu nhấc mình khỏi Trái Đất. Chỉ một sai sót nhỏ thôi, và tất cả sẽ hóa thành quả cầu lửa. Nhưng rồi nó bay lên . Không phải nhờ phép màu, mà nhờ Hydro lỏng (LH₂) - một chất lỏng trong suốt, siêu lạnh và gần như vô hình.

Đó không chỉ đơn thuần là sử dụng nhiên liệu, mà là canh bạc sinh tử, là quyết định quyết đoán của những sứ mệnh sẽ đưa con người đến sao Hỏa, quay lại Mặt Trăng, hay lao sâu vào khoảng không bao la nơi không có đường quay đầu.

Sức mạnh nằm ở xung lực riêng siêu việt

Hydro lỏng được tin dùng vì nó mang lại xung lực riêng (Isp) cao nhất trong tất cả các loại nhiên liệu hóa học dùng cho tên lửa. Nghĩa là, với cùng một lượng nhiên liệu, nó tạo ra lực đẩy lớn hơn bất kỳ lựa chọn nào khác. Khi kết hợp với oxy lỏng, LH₂ trở thành “trái tim” của các tầng trên và những chuyến bay thám hiểm không gian sâu, nơi mỗi kilogram nhiên liệu đều quý như vàng.

Vậy, điều gì tạo nên sự hiệu quả đáng kinh ngạc ấy? Chính là trọng lượng phân tử cực thấp của hydro. Khi đốt cháy với oxy lỏng, dòng khí thải bay ra với vận tốc cực đại. Các phân tử nhẹ tăng tốc nhanh hơn khi thoát khỏi vòi phun, và vận tốc khí thải chính là chìa khóa quyết định xung lực riêng. Xung lực riêng cao hơn đồng nghĩa với cùng một lượng nhiên liệu nhưng khả năng mang tải trọng lớn hơn, bay xa hơn, hoặc cả hai. Đối với những sứ mệnh vượt ra ngoài quỹ đạo thấp của Trái Đất, lợi thế này được nhân lên theo từng lần điều chỉnh quỹ đạo.

Bên cạnh đó, LH₂ với Isp chân không khoảng 450 giây mang lại hiệu suất vượt trội khi so với nhiều loại nhiên liệu khác, bao gồm:

• RP-1: một dạng dầu hỏa tinh chế dành cho tên lửa, có mật độ cao và dễ bảo quản. Với Isp khoảng 350 giây, nó đặc biệt phù hợp với các tầng đẩy đầu tiên (Falcon 9, Atlas V, Saturn V) cần lực đẩy lớn và muốn giảm kích thước bồn nhiên liệu.
• Methane lỏng: lựa chọn trung gian, Isp gần 380 giây, cháy sạch hơn RP-1 (Starship, Vulcan, New Glenn).
• Nhiên liệu tự bốc cháy (hydrazine + nitơ tetroxide): tiện lợi nhưng độc hại, Isp khoảng 320 giây.

Tuy nhiên, khoảng cách này thu hẹp khi xét đến mật độ, chi phí và độ phức tạp, đó là lý do các tên lửa hiện đại thường “pha trộn” nhiều loại nhiên liệu để phù hợp cho mọi nhiệm vụ.

Thùng chứa hydro lỏng của tầng lõi đã hoàn tất quá trình hàn tại Trung tâm Lắp ráp Thẳng đứng thuộc Cơ sở Lắp ráp Michoud của NASA ở New Orleans. Cao khoảng 40 mét, thùng chứa hydro lỏng này là thùng chứa nhiên liệu đông lạnh lớn nhất dành cho tên lửa trên thế giới. Ảnh: NASA.

Tại sao phải dùng hydro lỏng, chứ không phải khí?

Hydro ở dạng khí gần như vô dụng trên tên lửa. Ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển, nó chiếm thể tích gấp khoảng 850 lần so với dạng lỏng. Làm lạnh xuống -253°C (-423°F) mới biến nó thành chất lỏng có thể chứa được. Ngay cả khi đó, mật độ của hydro lỏng vẫn chỉ bằng khoảng 1/14 so với nước. Nếu cố dùng khí, thùng chứa sẽ phải khổng lồ đến mức làm tăng trọng lượng cấu trúc, tăng lực cản khí động học và làm giảm tải trọng mà nhiên liệu hiệu quả lẽ ra phải đạt được. Vì vậy, hydro lỏng là sự đánh đổi bắt buộc nhưng xứng đáng.

Những tầng tên lửa nào thường sử dụng hydro lỏng?

LH₂ thường xuất hiện ở các tầng trên – nơi xung lực riêng quan trọng hơn lực đẩy thô. Các tầng trên hoạt động trong chân không hoặc gần chân không, cần tận dụng tối đa vận tốc từ mỗi kg nhiên liệu. Những ví dụ kinh điển gồm động cơ chính của tàu con thoi Space Shuttle, tầng lõi và tầng trên của Delta IV, hệ thống phóng không gian SLS của NASA, và tầng trên Centaur đã phục vụ từ những năm 1960.

Các tầng đẩy đầu tiên thường chọn nhiên liệu đậm đặc hơn (RP-1 hoặc methane) để có tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng tốt hơn khi cất cánh. Tuy nhiên, SLS và Delta IV vẫn là những ngoại lệ đáng nể khi dùng hydro lỏng ngay từ đầu.

Những thách thức khi sử dụng hydro lỏng

Trên thực tế, việc sử dụng LH₂ không hề dễ dàng. Nó đòi hỏi cơ sở hạ tầng đông lạnh phức tạp, vật liệu chuyên dụng và quy trình an toàn nghiêm ngặt như:

• Lưu trữ ở nhiệt độ cực thấp đòi hỏi cách nhiệt dày đặc; bay hơi liên tục buộc phải bổ sung nhiên liệu đến tận lúc phóng.
• Mật độ thấp khiến thùng chứa phải lớn hơn nhiều so với nhiên liệu dầu hỏa.
• Hiện tượng giòn do hydro làm suy yếu kim loại theo thời gian, đòi hỏi hợp kim đặc biệt.
• Phạm vi bắt lửa rộng và ngọn lửa gần như vô hình khiến việc phát hiện rò rỉ trở nên khó khăn.
• Toàn bộ chuỗi sản xuất - hóa lỏng - vận chuyển - lưu trữ đều cần hệ thống chuyên dụng.

Chính những khó khăn này khiến hydro lỏng không phải lựa chọn mặc định. Nhưng khi sứ mệnh đòi hỏi hiệu suất tối đa, các chuyên gia đã sẵn sàng chấp nhận mọi sự đánh đổi.

Kết luận

Hydro lỏng được sử dụng rộng rãi trong các tên lửa nhờ sự hiệu quả, chứ không phải tính tiện lợi. Với ưu thế về xung lực riêng giúp tăng tải trọng và tầm bay, đó là lý do tại sao nó liên tục xuất hiện trên các phương tiện bay vượt ra ngoài quỹ đạo Trái đất tầm thấp.