Mục lục
Trở ngại lớn nhất: Trái Đất đã đang chạy sẵn 30 km/s
Trái Đất không đứng yên.
Nó đang quay quanh Mặt Trời với vận tốc khoảng:
29,8 km/s (~108.000 km/h)
Mọi tên lửa phóng từ Trái Đất đều tự động thừa hưởng vận tốc này.
Nếu muốn rời Hệ Mặt Trời theo hướng vuông góc với mặt phẳng Hoàng Đạo, tàu phải:
- Hãm gần như toàn bộ vận tốc ngang 29,8 km/s.
- Sau đó tăng tốc theo phương vuông góc.
Đây là một cú đổi hướng vận tốc cực lớn.
Để dễ hình dung:
- Bay theo hướng Trái Đất đang chuyển động giống như chạy tiếp trên một băng chuyền đang lao rất nhanh.
- Bay vuông góc giống như phải dừng hẳn trên băng chuyền đó rồi mới nhảy sang bên cạnh.
Trong cơ học quỹ đạo, thay đổi mặt phẳng quỹ đạo là một trong những thao tác tốn nhiên liệu nhất.
Bay ngang dễ hơn rất nhiều
Tại khoảng cách quỹ đạo của Trái Đất, tốc độ thoát khỏi hấp dẫn Mặt Trời là:
42,1 km/s
Nếu phóng theo chiều chuyển động quanh Mặt Trời của Trái Đất, tàu đã có sẵn:
29,8 km/s
Do đó chỉ cần bổ sung thêm:
42,1 − 29,8 = 12,3 km/s
là đủ để thoát khỏi Hệ Mặt Trời.
Đây chính là lý do gần như mọi tàu thăm dò liên hành tinh đều xuất phát gần mặt phẳng Hoàng Đạo.
Vì sao bay dọc cần tới 51,6 km/s?
Để bay vuông góc hoàn toàn, con tàu phải đồng thời:
- Triệt tiêu vận tốc ngang 29,8 km/s.
- Đạt vận tốc thoát ly 42,1 km/s theo phương vuông góc.
Hai vận tốc này vuông góc nhau nên cộng theo định lý Pitago:
Δv = √(29,8² + 42,1²)
Δv = √(888,04 + 1772,41)
Δv = √2660,45
Δv ≈ 51,6 km/s
So sánh mức năng lượng cần thiết
| Hướng bay | Delta-v cần thiết |
|---|---|
| Theo Hoàng Đạo | ~12,3 km/s |
| Vuông góc Hoàng Đạo | ~51,6 km/s |
Con số này lớn hơn hơn 4 lần.
Tuy nhiên, vấn đề còn nghiêm trọng hơn thế.
Theo phương trình tên lửa Tsiolkovsky, lượng nhiên liệu cần thiết tăng theo hàm mũ, không tăng tuyến tính theo Delta-v. Vì vậy, một nhiệm vụ yêu cầu Delta-v 51,6 km/s có thể cần lượng nhiên liệu lớn hơn hàng chục hoặc hàng trăm lần so với nhiệm vụ chỉ cần 12,3 km/s.
Đó là mức vượt quá khả năng của phần lớn tên lửa hóa học hiện nay.
Không có hành tinh để "đi ké"
Dọc mặt phẳng Hoàng Đạo có:
- Sao Kim
- Trái Đất
- Sao Hỏa
- Sao Mộc
- Sao Thổ
- Sao Thiên Vương
- Sao Hải Vương
Đây chính là những "máy gia tốc miễn phí" cho kỹ thuật:
Trợ giúp hấp dẫn (Gravity Assist / Slingshot)
Khi tàu bay sát một hành tinh, nó có thể:
- Tăng tốc.
- Giảm tốc.
- Đổi hướng.
- Thay đổi mặt phẳng quỹ đạo.
mà gần như không tốn nhiên liệu.
Nếu bay vuông góc:
Gần như không có hành tinh nào để ghé qua.
Điều đó đồng nghĩa với việc mọi thay đổi vận tốc đều phải do động cơ của tàu tự thực hiện.
Không có nhiều mục tiêu khoa học
Phần lớn vật chất trong Hệ Mặt Trời tập trung gần mặt phẳng Hoàng Đạo:
- Tất cả các hành tinh lớn.
- Vành đai tiểu hành tinh.
- Đai Kuiper.
- Phần lớn sao chổi chu kỳ ngắn.
Nếu bay vuông góc, tàu sẽ nhanh chóng rời khỏi khu vực đông đúc nhất của Hệ Mặt Trời và tiến vào vùng không gian gần như trống rỗng.
Do đó hiệu quả khoa học thường thấp hơn nhiều so với những hành trình dọc theo Hoàng Đạo.
Ngoại lệ nổi tiếng: Ulysses
NASA từng thực hiện một sứ mệnh gần như "bay vuông góc" để nghiên cứu các cực của Mặt Trời.
Đó là tàu:
Ulysses (1990)
Nhưng họ không phóng thẳng tàu ra khỏi mặt phẳng Hoàng Đạo.
Thay vào đó:
- Phóng tàu dọc Hoàng Đạo tới Sao Mộc.
- Cho tàu bay cực sát hành tinh này.
- Dùng lực hấp dẫn khổng lồ của Sao Mộc để bẻ quỹ đạo lên gần vuông góc với Hoàng Đạo.
Nói cách khác:
Muốn thoát khỏi "xa lộ Hoàng Đạo", các nhà khoa học vẫn phải dùng chính một hành tinh nằm trên xa lộ đó làm bàn đạp.
Kết luận
🚀 Về lý thuyết, tàu vũ trụ hoàn toàn có thể bay vuông góc với mặt phẳng Hoàng Đạo.
Nhưng để làm được điều đó, nó phải:
- Triệt tiêu gần 30 km/s vận tốc quỹ đạo của Trái Đất.
- Tự cung cấp Delta-v khoảng 51,6 km/s.
- Không thể tận dụng trợ giúp hấp dẫn từ các hành tinh.
- Có rất ít mục tiêu khoa học để ghé thăm.
Vì thế, gần như mọi sứ mệnh liên hành tinh đều lựa chọn ở lại trên "xa lộ Hoàng Đạo", nơi các hành tinh vừa là điểm đến, vừa là những trạm tăng tốc hấp dẫn miễn phí giúp con người khám phá Hệ Mặt Trời với chi phí thấp nhất có thể.
