Theo Interesting Engineering, đối với tàu vũ trụ và tên lửa tái sử dụng, ngoài bay vào không gian và triển khai tải trọng, các phương tiện này còn phải quay lại Trái Đất. Hành trình trở về rất phức tạp bởi thay vì rơi thẳng xuống, phương tiện phải giảm tốc độ, chịu nhiệt độ cao trong lúc rơi qua khí quyển và duy trì độ ổn định khi hạ thấp dần. Tùy theo thiết kế, phương tiện có thể sử dụng động cơ, dù hoặc cánh để hoàn thành quá trình hạ cánh.
Tàu vũ trụ có thể ở trên quỹ đạo không phải do đã thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất mà vì con tàu di chuyển ngang đủ nhanh để không rơi xuống hành tinh. Khi trở về, trước hết tàu phải đốt động cơ ngược với hướng di chuyển để giảm tốc độ, qua đó hạ thấp quỹ đạo và tiến vào tầng thượng quyển, nơi lực cản khiến nó bay càng chậm hơn.
Tầng đẩy của tên lửa tái sử dụng áp dụng một quy trình khác do chúng thường tách khỏi phương tiện trước khi bay lên quỹ đạo. Sau khi tách ra, tầng đẩy có thể khai hỏa động cơ, tận dụng lực đẩy này để đổi hướng bay ngược trở lại Trái Đất. Nó cũng có thể tiếp tục hướng về phía sàn hạ cánh trên biển. Trong toàn bộ quá trình, mỗi thao tác cần được tính toán chính xác bởi chỉ một sai sót nhỏ về góc độ, tốc độ hoặc phương hướng cũng có thể khiến phương tiện bỏ lỡ khu vực hạ cánh.
Vượt qua thách thức khi hồi quyển
Quá trình bay qua khí quyển Trái Đất ở tốc độ cao tạo ra nhiệt độ cực hạn. Khi tàu vũ trụ tiếp xúc với không khí, khí gas ở mặt trước bị nén lại nhanh chóng và nóng lên, tạo ra một lớp plasma cực nóng bao quanh phương tiện. Ví dụ, Howstuffworks cho biết tàu con thoi phải đối mặt với nhiệt độ lên đến khoảng 1.649 độ C khi trở về Trái Đất. Thiết kế bề mặt cùn (không có điểm sắc nhọn nhằm phân tán lực va chạm) giúp giải quyết vấn đề nhiệt này. Khi một vật thể có bề mặt cùn hướng xuống quay trở lại Trái Đất, hình dạng của nó tạo ra sóng xung kích phía trước phương tiện, giữ nhiệt ở xa vật thể, đồng thời làm chậm tốc độ rơi của nó.
Tàu vũ trụ thường sử dụng tấm chắn nhiệt bảo vệ. Tấm chắn nhiệt mòn dần trong khi tiếp xúc nhiệt độ cao, hấp thụ năng lượng lớn và duy trì nhiệt độ bên trong tàu ở mức ổn định. Các khoang tàu (capsule) thường mang theo lá chắn nhiệt cắt lớp, làm từ vật liệu được thiết kế để cháy thành than và bong dần. Khi lớp vật liệu bên ngoài rơi ra, nó mang theo hơi nóng và ngăn nhiệt độ cực cao truyền vào cabin.
Tàu Crew Dragon Freedom của SpaceX hạ cánh xuống biển với 4 phi hành gia bên trong vào ngày 14/10/2022. Ảnh: NASA
Góc hồi quyển đóng vai trò chủ chốt trong quá trình. Một tàu vũ trụ tiến vào khí quyển với góc quá dốc có thể bị nóng quá mức và giảm tốc độ đột ngột. Ngược lại, nếu tiếp cận ở góc quá nông, nó có thể bay vượt ra ngoài vùng hạ cánh dự kiến hoặc bị bật ngược trở lại vào không gian.
Phương tiện cũng phải duy trì độ ổn định. Các khoang cần điều chỉnh hướng để tạo ra lực nâng và kiểm soát đường bay. Trong khi đó, tầng đẩy của tên lửa tái sử dụng dựa vào vây lưới tương tác với luồng khí xung quanh hạ xuống vị trí mục tiêu.
Hoàn thành hạ cánh
Sau khi lực cản khí quyển triệt tiêu phần lớn tốc độ của tàu vũ trụ, hệ thống hạ cánh sẽ phát huy vai trò. Phương pháp được sử dụng phụ thuộc vào thiết kế và nhiệm vụ của phương tiện. Các khoang tàu chở người và hàng hóa thường triển khai dù trong giai đoạn cuối của quá trình hạ cánh. Hệ thống dù mở theo trình tự giúp giảm dần tốc độ của khoang tàu. Một số khoang hạ cánh xuống biển và được đội thu hồi vớt lên trong khi những khoang khác quay trở lại khu vực hạ cánh trên đất liền.
Tầng đẩy của tên lửa tái hạ cánh bằng động cơ. Các cánh vây dạng lưới điều hướng tên lửa trong quá trình hạ thấp dần trước khi một hoặc nhiều động cơ tái khởi động để đốt lần cuối. Lần đốt này khiến tốc độ của tầng đẩy giảm nhanh chóng, đồng thời càng đáp được triển khai. Máy tính trên phương tiện liên tục tính toán độ cao, hướng và vận tốc của tầng đẩy để kịp thời điều chỉnh lực đẩy của động cơ, cho phép tên lửa hạ cánh thẳng đứng ở bệ trên mặt đất hoặc sàn trên biển.
Đối với trường hợp máy bay vũ trụ, sau khi hồi quyển, chúng lướt qua không trung bằng cánh và bề mặt điều khiển khí động học rồi hạ cánh theo phương ngang trên đường băng.
An Khang tổng hợp