Công nghệ cho động lực đẩy tại SpaceX

 

Chúng ta sẽ xem cách công ty xông xáo nhất trong lĩnh vực khám phá không gian hiện nay giải quyết vấn đề động lực đẩy như thế nào. SpaceX hiện sử dụng hai dòng động cơ chính cho các hệ thống đẩy của mình:

- Động cơ Merlin: Dùng trong tên lửa Falcon 9 và Falcon Heavy, dựa trên công nghệ đẩy hóa học sử dụng nhiên liệu RP-1 (kerosene tinh chế) và oxy lỏng (LOX). Đây là động cơ có chu trình đốt khí đơn giản (gas generator cycle).

- Động cơ Raptor: Dùng cho hệ thống Starship (bao gồm Super Heavy Booster và tàu Starship), dựa trên công nghệ đẩy hóa học tiên tiến hơn với chu trình đốt toàn dòng giai đoạn (full-flow staged combustion cycle) và sử dụng methane lỏng (CH₄) kết hợp với oxy lỏng (LOX), gọi là "methalox".

Hiện tại, Raptor là công nghệ trọng tâm cho sứ mệnh lên sao Hỏa vì hiệu suất cao, khả năng tái sử dụng, và tính tương thích với việc sản xuất nhiên liệu trên sao Hỏa. Chúng ta sẽ đi chi tiết một chút về kỹ thuật của Raptor.

1. Động cơ Raptor và chu trình full-flow staged combustion

Nguyên lý hoạt động

  - Raptor sử dụng chu trình đốt toàn dòng giai đoạn, trong đó cả nhiên liệu (methane) và chất oxy hóa (oxy lỏng) đều được đốt sơ bộ trong hai buồng đốt riêng biệt (preburners):

    - Một buồng đốt giàu oxy (oxygen-rich preburner): Tạo khí nóng để chạy turbine bơm oxy.

    - Một buồng đốt giàu nhiên liệu (fuel-rich preburner): Tạo khí nóng để chạy turbine bơm methane.

  - Sau đó, toàn bộ khí từ hai buồng đốt này được đưa vào buồng đốt chính để đốt cháy hoàn toàn, tạo lực đẩy. Điều này khác với chu trình gas generator (như Merlin), vốn lãng phí một phần khí để chạy turbine.

Tại sao chọn methane?

  - Methane dễ lưu trữ hơn hydro (nhiệt độ hóa lỏng cao hơn, -161°C so với -253°C của hydro).

  - Có thể sản xuất trên sao Hỏa từ nước ngầm và CO₂ trong khí quyển qua phản ứng Sabatier (CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O), hỗ trợ tự cung cấp nhiên liệu.

  - Ít tạo cặn (coking) hơn RP-1, tăng khả năng tái sử dụng.

Thông số kỹ thuật

  - Áp suất buồng đốt: ~300 bar (4,350 psi), cao nhất trong các động cơ tên lửa hiện nay.

  - Lực đẩy: ~2.3 MN (230 tấn) mỗi động cơ ở mực nước biển (tùy phiên bản).

  - Xung cụ thể (Isp): ~330 giây ở mực nước biển, ~380 giây trong chân không.

Cách triển khai

- Sản xuất: SpaceX sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo các bộ phận phức tạp như bơm turbo (turbopumps) và vòi phun (injectors), giảm chi phí và thời gian sản xuất.

- Thiết kế tái sử dụng: Raptor được thiết kế để chịu được hàng trăm lần phóng, với hệ thống làm mát tái sinh (regenerative cooling) dùng methane lỏng để làm mát buồng đốt.

- Tích hợp trên Starship: Super Heavy Booster dùng 33 động cơ Raptor, trong khi tàu Starship dùng 6 động cơ (3 tối ưu cho mực nước biển, 3 cho chân không).

2. Raptor 3

Raptor 3 là phiên bản mới nhất trong dòng động cơ Raptor mà SpaceX đang phát triển để tối ưu hóa cho hệ thống Starship và sứ mệnh sao Hỏa. Dù một số thông tin cụ thể về Raptor 3 vẫn đang trong giai đoạn phát triển và chưa được công bố đầy đủ (tính đến ngày 01/3/2025), nên tôi sẽ dựa trên dữ liệu từ các phiên bản trước (Raptor 1 và 2), các tuyên bố của Elon Musk, và xu hướng kỹ thuật để cung cấp bức tranh chi tiết nhất có thể.

a. Tổng quan về Raptor 3

- Mục tiêu thiết kế: Raptor 3 là phiên bản cải tiến của Raptor 2, tập trung vào tăng lực đẩy, nâng cao hiệu suất (xung cụ thể - Isp), giảm trọng lượng, và tăng độ bền để tái sử dụng nhiều lần. Đây là động cơ chủ lực cho Super Heavy Booster và tàu Starship trong các sứ mệnh lên sao Hỏa.

- Nhiên liệu: Vẫn sử dụng methane lỏng (CH₄) và oxy lỏng (LOX) - gọi là "methalox" - để tận dụng khả năng sản xuất nhiên liệu tại chỗ trên sao Hỏa.

- Chu trình hoạt động: Full-flow staged combustion cycle (chu trình đốt toàn dòng giai đoạn), một trong những chu trình phức tạp và hiệu quả nhất trong ngành hàng không vũ trụ.

b. Thông số kỹ thuật

Dựa trên các thông tin từ SpaceX và Elon Musk (qua X và các cuộc phỏng vấn), dưới đây là các đặc điểm dự kiến của Raptor 3:

Lực đẩy (Thrust)

- Mực nước biển: ~2.5-3 MN (250-300 tấn, hoặc ~550,000-660,000 lbf).

- Chân không: ~2.7-3.2 MN (do tối ưu hóa vòi phun cho áp suất thấp).

- So sánh:

  - Raptor 1: ~1.85 MN.

  - Raptor 2: ~2.3 MN.

  - Raptor 3 tăng ~30-60% lực đẩy so với Raptor 1, nhờ áp suất buồng đốt cao hơn và thiết kế tối ưu.

Xung cụ thể (Specific Impulse - Isp)

- Mực nước biển: ~350 giây.

- Chân không: ~380-400 giây.

- Cải tiến: 

  - Raptor 1: ~330 giây (mực nước biển), ~370 giây (chân không).

  - Raptor 2: ~333 giây (mực nước biển), ~378 giây (chân không).

  - Raptor 3 nhắm đến hiệu suất gần mức lý thuyết tối đa của methalox (~380-400 giây trong chân không), nhờ tối ưu hóa tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu và vòi phun mở rộng.

Áp suất buồng đốt (Chamber Pressure)

- Dự kiến: 330-350 bar (4,785-5,075 psi).

- So sánh:

  - Raptor 1: ~250 bar.

  - Raptor 2: ~300 bar.

  - Raptor 3 đẩy áp suất lên cao hơn, vượt qua kỷ lục của động cơ RD-180 (Russia, ~257 bar), giúp tăng hiệu suất đốt cháy và lực đẩy.

Tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng (Thrust-to-Weight Ratio)

- Dự kiến: >200:1.

- Chi tiết: 

  - Trọng lượng động cơ giảm xuống còn ~1,500-1,600 kg (so với ~1,800 kg của Raptor 2), nhờ loại bỏ các bộ phận thừa và sử dụng vật liệu nhẹ hơn.

  - Với lực đẩy ~3 MN, tỷ lệ này vượt xa các động cơ khác như Merlin (~150:1) hay RS-25 (~70:1).

Kích thước và thiết kế vòi phun

- Đường kính vòi phun: 

  - Phiên bản mực nước biển: ~1.3-1.5 m.

  - Phiên bản chân không: ~2.4-2.6 m (với phần mở rộng làm mát tái sinh).

- Tỷ lệ mở rộng (Expansion Ratio): ~80-100:1 trong chân không, tối ưu cho hiệu suất ngoài khí quyển.

Tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu (O/F Ratio)

- Dự kiến: ~3.6-3.8:1 (oxy/methane theo khối lượng).

- Cải tiến: Tinh chỉnh để đạt hiệu suất tối đa, giảm lượng nhiên liệu dư thừa, và tăng nhiệt độ đốt cháy.

c. Công nghệ chi tiết của Raptor 3

* Chu trình full-flow staged combustion

Cơ chế:

  - Hai bơm turbo (turbopumps) riêng biệt:

    - Oxygen-rich preburner: Đốt một phần methane với lượng oxy lớn, tạo khí nóng chạy turbine bơm oxy.

    - Fuel-rich preburner: Đốt methane với ít oxy, tạo khí nóng chạy turbine bơm methane.

  - Toàn bộ khí từ hai preburners được đưa vào buồng đốt chính, đốt cháy hoàn toàn để tạo lực đẩy.

Ưu điểm:

  - Hiệu suất cao hơn chu trình gas generator (Merlin) hoặc staged combustion một dòng (RD-180).

  - Giảm hao phí nhiên liệu, tăng áp suất buồng đốt.

* Hệ thống làm mát

- Làm mát tái sinh (Regenerative Cooling): Methane lỏng chảy qua các kênh nhỏ trong thành buồng đốt và vòi phun, hấp thụ nhiệt trước khi được bơm vào đốt.

- Cải tiến: Raptor 3 dùng thiết kế kênh làm mát tối ưu hơn, giảm nguy cơ quá nhiệt ở áp suất cao (350 bar).

* Vật liệu và sản xuất

Vật liệu: 

  - Hợp kim siêu bền (superalloys) như Inconel cho buồng đốt và turbine, chịu được nhiệt độ >1,500°C.

  - Vật liệu nhẹ (như hợp kim titan) cho các bộ phận không chịu nhiệt cao.

In 3D: SpaceX tiếp tục dùng công nghệ in 3D để chế tạo bơm turbo, vòi phun, và các bộ phận phức tạp, giảm trọng lượng và chi phí (~$250,000/động cơ so với hàng triệu đô cho động cơ truyền thống).

* Tái sử dụng

- Độ bền: Raptor 3 được thiết kế để hoạt động hàng trăm lần (mục tiêu 1,000 lần) mà không cần đại tu lớn.

- Cải tiến: 

  - Loại bỏ lớp chắn nhiệt (heat shield) trên động cơ, thay bằng vật liệu chịu nhiệt tốt hơn.

  - Tăng khả năng chống mài mòn của turbine và vòi phun.

d. So sánh với Raptor 1 và 2

Thông số	Raptor 1	Raptor 2	Raptor 3 (Dự kiến)
Lực đẩy (mực nước biển)	1.85 MN	2.3 MN	2.5-3 MN
Isp (chân không)	370 giây	378 giây	380-400 giây
Áp suất buồng đốt	250 bar	300 bar	330-350 bar
Trọng lượng	~2,000 kg	~1,800 kg	~1,500-1,600 kg
Tỷ lệ lực đẩy/trọng lượng	~150:1	~180:1	200:1

Raptor 3 đơn giản hóa thiết kế (ít ống dẫn, van hơn), tăng hiệu suất và độ tin cậy, phù hợp cho hạm đội Starship lớn.

e. Vai trò của Raptor 3 trong sứ mệnh sao Hỏa

- Tăng tải trọng: Với lực đẩy cao hơn, Super Heavy (33 động cơ Raptor 3) có thể đạt ~90-100 MN, đưa >200 tấn lên quỹ đạo thấp, đủ cho các sứ mệnh chở người và hàng hóa đến sao Hỏa.

- Hiệu suất: Isp cao hơn giúp tiết kiệm nhiên liệu, tăng Δv~6-8 km/s khi tiếp nhiên liệu trên quỹ đạo.

- Tái sử dụng: Độ bền cao đảm bảo tàu có thể bay đi bay lại giữa Trái Đất và sao Hỏa mà không cần thay động cơ thường xuyên.

f. Tình trạng phát triển (tính đến năm 2025)

- Elon Musk đã công bố Raptor 3 vào giữa năm 2024 trên X, với hình ảnh động cơ hoàn thiện hơn Raptor 2 (ít dây nối, gọn gàng hơn).

- Thử nghiệm tĩnh (static fire) dự kiến bắt đầu cuối 2025 hoặc đầu 2026, tích hợp vào Starship cho các chuyến bay thử tiếp theo (IFT-6 trở đi).

- Mục tiêu: Sẵn sàng cho sứ mệnh sao Hỏa không người (giai đoạn 2028-2030) và có người (giai đoạn 2033-2035).

Raptor 3 là bước tiến lớn của SpaceX, với lực đẩy ~3 MN, Isp ~400 giây, và áp suất buồng đốt ~350 bar, kết hợp công nghệ full-flow staged combustion và thiết kế tái sử dụng. Nó không chỉ mạnh hơn mà còn nhẹ hơn, bền hơn, và tối ưu cho việc chinh phục sao Hỏa. Đây là minh chứng cho tham vọng của SpaceX trong việc biến con người thành loài đa hành tinh.

3. Những thành công bước đầu của SpaceX

SpaceX đã đạt được nhiều cột mốc ấn tượng với công nghệ động lực đẩy:

Với Merlin (Falcon 9/Heavy):

  - Tái sử dụng: Từ 2015, SpaceX đã hạ cánh và tái sử dụng thành công tầng đầu Falcon 9 hơn 200 lần (tính đến 2025), giảm chi phí phóng xuống còn ~$60 triệu/lần so với hàng trăm triệu của các đối thủ.

  - Sứ mệnh nổi bật: Đưa phi hành gia NASA lên ISS (Crew Dragon, 2020), phóng Falcon Heavy (2018) với lực đẩy 5 triệu pound (~22 MN).

Với Raptor (Starship):

  - Thử nghiệm: Động cơ Raptor đã qua hàng trăm lần thử nghiệm tĩnh (static fire) tại cơ sở McGregor, Texas, và bay thử thành công trên các nguyên mẫu Starship (như SN15, 2021).

  - Chuyến bay quỹ đạo: Chuyến bay thử thứ 3 (IFT-3, tháng 3/2024) đưa Starship đạt vận tốc quỹ đạo (~7.8 km/s), dù chưa hạ cánh thành công.

  - Hiệu suất cao: Raptor đạt tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng (thrust-to-weight ratio) ~200:1, vượt xa các động cơ khác như RS-25 (~70:1).

  - Số lượng lớn: SpaceX lắp ráp 33 động cơ Raptor trên Super Heavy Booster, tạo lực đẩy tổng cộng ~75 MN, mạnh hơn Saturn V (~35 MN).

4. SpaceX sẽ cải tiến công nghệ động cơ đẩy theo hướng nào để phục vụ sứ mệnh lên Sao Hỏa?

SpaceX đang hướng đến cải tiến Raptor và hệ thống Starship để đáp ứng yêu cầu của sứ mệnh sao Hỏa (dự kiến khoảng những năm 2030):

- Tăng lực đẩy và hiệu suất:

  - Elon Musk đã nói về phiên bản Raptor 3 với lực đẩy lên ~2.5-3 MN mỗi động cơ và Isp ~350 giây (mực nước biển), ~400 giây (chân không). Điều này giúp tăng tải trọng lên quỹ đạo từ 150 tấn hiện tại lên 200-250 tấn.

  - Tối ưu hóa vòi phun (nozzle) và áp suất buồng đốt (có thể lên 330-350 bar) để đạt hiệu suất cao hơn.

- Tăng độ bền và tái sử dụng:

  - Mục tiêu là mỗi Raptor có thể bay 1,000 lần mà không cần đại tu lớn, thông qua cải tiến vật liệu (hợp kim siêu bền) và hệ thống làm mát.

  - Phát triển quy trình kiểm tra và tái chế nhanh sau mỗi chuyến bay, giảm thời gian quay vòng (turnaround time) xuống vài giờ.

- Tự cung cấp nhiên liệu trên sao Hỏa:

  - Xây dựng hệ thống sản xuất methane tại chỗ (In-Situ Resource Utilization - ISRU) trên sao Hỏa, kết hợp với các lò phản ứng nhỏ để cung cấp năng lượng cho phản ứng Sabatier.

  - Tàu Starship sẽ mang theo thiết bị khai thác nước và CO₂ để sản xuất hàng trăm tấn methalox cho chuyến về.

- Giảm thời gian hành trình:

  - Với vận tốc thoát cao hơn (~50-100 km/s so với 12-15 km/s hiện nay), Raptor cải tiến có thể rút ngắn thời gian đến sao Hỏa xuống 2-3 tháng, giảm tiếp xúc bức xạ cho phi hành đoàn.

- Kế hoạch cụ thể:

  - 2025-2027: Hoàn thiện hạ cánh Super Heavy và Starship, thử nghiệm tiếp nhiên liệu trên quỹ đạo (orbital refueling) để tăng \(\Delta v\) lên ~6-8 km/s, cần cho sứ mệnh sao Hỏa.

  - 2030s: Triển khai hạm đội Starship (10-20 tàu) với Raptor cải tiến, mỗi tàu chở 100-200 người và hàng hóa đến sao Hỏa, xây dựng căn cứ ban đầu.

Như vậy, SpaceX đã chuyển từ công nghệ Merlin đơn giản nhưng hiệu quả sang Raptor tiên tiến, với chu trình full-flow staged combustion và nhiên liệu methalox, phù hợp cho sứ mệnh sao Hỏa. Thành công của họ bao gồm tái sử dụng tên lửa và bay thử quỹ đạo, đặt nền móng cho tương lai. Các cải tiến sắp tới sẽ tập trung vào tăng lực đẩy, độ bền, và tự cung cấp nhiên liệu, giúp biến giấc mơ định cư sao Hỏa của Elon Musk thành hiện thực.