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

Các loại vũ trụ du hành trong không trung đều dùng tên lửa để phóng lên. Chỉ khi các con tàu vũ trũ (vệ tinh, tàu thăm dò, trạm vũ trụ và máy bay vũ trụ, v.v. đạt đến tốc độ 7,9 km/s (tốc độ vũ trụ cấp một) mới bay được lên không trung và không bị rơi xuống đất. Tàu bay lên Mặt Trăng tốc độ phải đạt 11,2 km/s (tốc độ vũ trụ cấp hai). Nếu muốn bay đến các hành tinh khác xa hơn thì tốc độ càng phải lớn hơn nữa.

Làm thế nào để các con tàu vũ trụ đạt được tốc độ lớn như thế? Chỉ có tên lửa mới hoàn thành được nhiệm vụ này. Tên lửa dựa vào lực đẩy của khí phụt ra phía sau với tốc độ cao để bay lên, là loại công cụ vận chuyển các con tàu duy nhất hiện nay đang được sử dụng.

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 (tỉ số giữa khối lượng tên lửa trước khi cất cánh và khối lượng tên lửa khi đã cháy hết). Do đó chất khí phụt ra càng nhiều thì tốc độ bay lên của tên lửa càng lớn. Muốn đạt được tốc độ bay thật cao thì ngoài yêu cầu phải có tốc độ phụt khí cao, còn yêu cầu tỉ số khối lượng tên lửa càng lớn càng tốt, tức là vỏ tên lửa vừa to vừa nhẹ, chứa được nhiều nhiên liệu.

Tuy các nhà khoa học đã nỗ lực mấy chục năm nay, dùng những loại nhiên liệu tốt nhất và các loại vật liệu nhẹ nhất cũng như những kinh nghiệm thiết kế tiên tiến nhất, nhưng hiện nay dùng một tên lửa một tầng có mấy động cơ phát động hợp thành thì tốc độ lớn nhất của nó cũng chỉ đạt đến 5 - 6 km/s, còn cách xa mục tiêu tốc độ vũ trụ cấp một.

Lối thoát ở đâu? Sioncovski đã chỉ ra từ lâu rằng: đó là "Tên lửa kiểu tàu hoả", tức là ghép nối tiếp hoặc ghép song song các tên lửa lại, khiến cho khối lượng từng tầng giảm dần, nhờ đó tốc độ từng tầng tăng lên, cuối cùng đạt và vượt qua tốc độ vũ trụ cấp một, đó chính là tên lửa nhiều tầng. Nó được nối 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 sẽ tự động tách ra rơi xuống, tiếp theo là tầng tên lửa thứ hai được phát động; nhiên liệu tầng tên lửa thứ hai dùng hết lại tách ra rơi xuống và tầng tên lửa thứ ba hoạt động... Cứ như thế sẽ khiến cho vệ tinh đặt ở đầu tên lửa tầng cuối cùng đạt được tốc độ trên 7,9 km/s, khiến cho vệ tinh bay vào vũ trụ.

Khoa học đang tiếp tục tiến bộ, đợi đến lúc tìm ra loại nhiên liệu mới và loại vật liệu mới vừa nhẹ, vừa kiên cố ra đời, lúc đó dùng một tầng tên lửa để phóng tàu vũ trụ sẽ trở thành hiện thực. Các nhà khoa học dự đoán loại tên lửa đẩy một tầng này sau 10 năm nữa sẽ trở thành hiện thực.