Bạn đã bao giờ tự hỏi điều gì sẽ xảy ra khi một lỗ thủng xuất hiện trên tàu vũ trụ? Bài viết này sẽ giải đáp thắc mắc về tốc độ không khí bị hút vào không gian, những yếu tố nào ảnh hưởng đến tốc độ này và các biện pháp bảo vệ an toàn cho phi hành gia. Hãy cùng khám phá những kiến thức thú vị và bổ ích này nhé!
Các phân tử không khí di chuyển với tốc độ rất cao. Ở 20°C, một phân tử không khí trung bình có thể di chuyển với vận tốc khoảng 500 mét/giây. Khi chúng va chạm vào một vật, chúng truyền động lượng, tạo ra áp suất không khí. Trong môi trường bình thường, áp suất này cân bằng từ mọi phía. Tuy nhiên, trong không gian, mọi thứ thay đổi.
Áp suất không khí trong tàu vũ trụ thường là khoảng 1 atmosphere (1 atm), tương đương 15 pound trên mỗi inch vuông (psi). Hãy tưởng tượng một lỗ thủng có diện tích 1 inch vuông xuất hiện. Một vật nhỏ như viên bi đặt tại lỗ thủng này sẽ chịu một lực đẩy 15 pound hướng ra ngoài, do không có áp suất đối kháng từ bên ngoài. Các phân tử không khí gần lỗ thủng, nếu đang di chuyển về phía nó, sẽ bay thẳng ra ngoài với vận tốc khoảng 500 m/s.
Các vật thể lớn hơn không đạt được tốc độ này ngay lập tức. Chúng cần thời gian để gia tốc dưới tác dụng của lực đẩy. Tốc độ của vật thể phụ thuộc vào kích thước và khối lượng của nó. Ví dụ, một lỗ thủng 1 mét vuông với chênh lệch áp suất 15 psi tạo ra một lực đẩy khoảng 23,000 pound-force, đủ để gia tốc một người có diện tích tương đương với tốc độ 1 km/s2 trong một khoảng thời gian ngắn. Một người rộng khoảng 1 foot có thể đạt tốc độ khoảng 25 m/s khi bị hút qua lỗ thủng này.
Việc tính toán chính xác thời gian không khí thoát ra khỏi tàu vũ trụ là một bài toán phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đặc biệt là thể tích khoang tàu và kích thước lỗ thủng. Một nghiên cứu đã chỉ ra rằng, với một cabin có thể tích 30 m3, một lỗ thủng 1 cm2 sẽ làm giảm áp suất cabin xuống 50% trong khoảng 500 giây (8.3 phút). Thời gian này tỉ lệ nghịch với diện tích lỗ thủng; một lỗ thủng 10 cm2 sẽ chỉ mất 50 giây để giảm áp suất xuống một nửa.
Khi tàu vũ trụ tái nhập khí quyển Trái Đất, nó di chuyển nhanh hơn nhiều so với tốc độ âm thanh, được gọi là vận tốc siêu thanh (hypersonic). Tốc độ tái nhập quỹ đạo thấp điển hình vào khoảng 17,500 dặm/giờ, tương ứng với Mach 25. Đặc điểm chính của quá trình này là nhiệt độ dòng khí rất cao, khiến các phân tử diatomic của không khí bị phá vỡ, tạo ra plasma tích điện xung quanh tàu. Mặc dù mật độ không khí rất thấp ở độ cao này, sóng xung kích mạnh mẽ vẫn được tạo ra trên bề mặt dưới của tàu.
Tàu con thoi là phương tiện có người lái duy nhất từng bay trong chế độ này. Nó sử dụng hệ thống đẩy bằng tên lửa để vào quỹ đạo, nhưng trong quá trình tái nhập, nó hoạt động như một tàu lượn. Các tên lửa nhỏ được sử dụng để điều khiển vì mật độ không khí thấp ở độ cao trên 50 dặm khiến các bề mặt khí động học không hiệu quả. Nhiệt độ cực cao đòi hỏi hệ thống bảo vệ nhiệt đặc biệt để giữ cho tàu nguyên vẹn. Tàu con thoi sử dụng các tấm silicon đặc biệt trên lớp vỏ nhôm để cách nhiệt, và vật liệu composite carbon-carbon ở mép cánh để chịu nhiệt.
Các phi hành gia phụ thuộc vào nguồn cung cấp oxy liên tục để duy trì sự sống trong không gian, sử dụng các hệ thống được thiết kế tốt bên trong tàu vũ trụ và bộ đồ vũ trụ trong các chuyến đi bộ ngoài không gian. Trong trường hợp khẩn cấp, họ có các bình oxy di động và hệ thống hỗ trợ sự sống. Nếu các hệ thống này gặp sự cố, việc tiếp cận ngay lập tức với oxy dự phòng và nhanh chóng trở lại tàu vũ trụ là rất quan trọng để sống sót.
Trong môi trường chân không của không gian, nơi không có khí quyển, phi hành gia không thể thở tự nhiên. Bên trong tàu vũ trụ, oxy được cung cấp thông qua các hệ thống được thiết kế cẩn thận để duy trì môi trường có thể thở được. Khi thực hiện các chuyến đi bộ ngoài không gian, bộ đồ vũ trụ được trang bị bình oxy và hệ thống lọc, cung cấp nguồn cung cấp không khí liên tục. Trong trường hợp khẩn cấp, phi hành gia có bình oxy khẩn cấp và xi lanh oxy di động có thể kích hoạt để có thời gian cứu hộ hoặc sửa chữa. Nếu tất cả các hệ thống đều hỏng, cơ hội sống sót tốt nhất là tiếp cận ngay lập tức với oxy dự phòng và nhanh chóng trở lại môi trường an toàn.
Trong nhiều thế kỷ, các nhà vật lý tin rằng không có giới hạn về tốc độ di chuyển của một vật thể. Nhưng Einstein đã chứng minh rằng vũ trụ có một giới hạn tốc độ: tốc độ ánh sáng trong chân không (300,000 km/giây). Chỉ các hạt không khối lượng, bao gồm photon, mới có thể di chuyển với tốc độ này. Không thể tăng tốc bất kỳ vật thể vật chất nào đến tốc độ ánh sáng vì nó sẽ cần một năng lượng vô hạn.
Vật thể càng di chuyển nhanh, khối lượng của nó càng lớn. Khi một vật thể tăng tốc và trở nên nặng hơn, cần càng nhiều năng lượng hơn để tăng tốc độ của nó. Phải cần một năng lượng vô hạn để một vật thể đạt đến tốc độ ánh sáng. Điều này cho thấy, việc du hành nhanh hơn ánh sáng vẫn là một thách thức lớn đối với khoa học hiện đại.
Bài viết liên quan