Công cuộc tính toán phía sau cú hạ cánh 'hoàn hảo' của Artemis II

Tàu Orion chở phi hành đoàn Artemis II tái nhập khí quyển, bung dù giảm tốc và đáp thành công xuống vùng biển ngoài khơi San Diego lúc 20h07 ngày 10/4 (7h07 ngày 11/4 giờ Hà Nội), chính xác thời gian dự kiến. "Đó là một chuyến tái nhập cảnh chuẩn chỉ và một cú hạ cánh chuẩn chỉ", người dẫn chương trình trong buổi phát sóng trực tiếp của NASA nói.

Nicky Fox, phó quản lý Ban chỉ đạo Nhiệm vụ Khoa học của NASA, cũng cho rằng quá trình tàu Orion tái nhập khí quyển diễn ra "hoàn hảo". "Cảnh tượng những chiếc dù bung ra, bầu trời xanh tuyệt đẹp và đại dương bao la bên dưới thực sự trông như thể bạn vừa nhẹ nhàng đặt một tách trà lên bàn vậy", Fox nói với CNN.

"Tàu Integrity (tên do phi hành đoàn Artemis II đặt cho tàu Orion) và bốn phi hành gia đã hạ cánh thành công mỹ mãn. Về mọi mặt, đây là nhiệm vụ hoàn hảo như sách giáo khoa", Rob Navias, phát ngôn viên của NASA, nhận xét.

Để chuyến trở về của phi hành đoàn Artemis II diễn ra thuận lợi như vậy, NASA đã phải tính toán kỹ lưỡng mọi vấn đề dù nhỏ nhất. Không có chỗ cho sai sót vì ngay khi tái nhập khí quyển, nếu sai sót xảy ra, phi hành đoàn Artemis II có thể bị đẩy ngược ra ngoài không gian hoặc bị thiêu cháy.

Nền tảng tính toán quỹ đạo không gian hơn 60 năm

Khi NASA mới thành lập, mọi dự đoán toán học dùng cho các vụ phóng, quỹ đạo và quá trình tái nhập khí quyển đều được thực hiện thủ công. Katherine Johnson, nữ chuyên gia về hình học giải tích, đã góp phần định hình công việc tính toán của NASA ngày nay.

Một đóng góp đáng chú ý của bà là hoàn thiện phân tích quỹ đạo cho nhiệm vụ Freedom 7 của Alan Shepard, người Mỹ đầu tiên và người thứ hai trên thế giới bay vào vũ trụ tháng 5/1961. Bà cũng là đồng tác giả báo cáo "Xác định góc phương vị khi dừng đốt động cơ để đưa vệ tinh vào vị trí chỉ định trên Trái Đất" năm 1960, nêu rõ các phương trình của chuyến bay quỹ đạo.

Đầu thập niên 1960, khi NASA bắt đầu dùng máy tính để thực hiện những tính toán này, phi hành gia John Glenn yêu cầu Johnson "kiểm tra lại số liệu" được tính bằng phương trình quỹ đạo kỹ thuật số. Johnson cũng tham gia lập trình đường bay cho Apollo 11, nhiệm vụ đưa con người đặt chân lên Mặt Trăng lần đầu tiên. Trong suốt nhiệm vụ, bà nỗ lực đảm bảo tàu vũ trụ phóng lên và tái nhập khí quyển Trái Đất theo đúng góc.

Ngày nay, các nhà khoa học NASA gần như không tính toán thủ công mà sử dụng máy tính để đạt hiệu suất nhanh chóng và ổn định. "Chúng tôi có thể đánh giá nhiều lựa chọn hơn với tốc độ nhanh hơn nhiều", Jenny Gruber, kỹ sư hàng không vũ trụ NASA, nói với Wired.

Ví dụ, nhóm Artemis có thể thiết kế những quỹ đạo phức tạp hơn trong không gian, hướng đến địa điểm thú vị hơn trên Mặt Trăng. Nhóm dự định đưa phi hành gia đến cực nam Mặt Trăng trong tương lai, nơi các tàu quỹ đạo đã phát hiện băng nước. Trước kia, các tàu Apollo bay đến địa điểm có vĩ độ thấp hơn, gần xích đạo Mặt Trăng hơn và hành trình từ Trái Đất đến đó đơn giản hơn nhiều so với cực nam.

Dù vậy, cách tính toán kế hoạch quỹ đạo thời Apollo, trong đó Johnson góp phần xây dựng, vẫn cung cấp nền tảng cho những kế hoạch du hành vũ trụ hiện tại và tương lai của NASA. "Đó là nền tảng cho những phần mềm và mô hình quỹ đạo của chúng tôi ngày nay", Gruber nói.

Tái nhập khí quyển theo góc độ chính xác

Việc tính toán đường bay cho Orion cũng phụ thuộc vào vật liệu và thiết kế của tàu. Time cho biết, cũng giống như tàu Apollo, tấm chắn nhiệt của Orion chủ yếu làm từ vật liệu Avcoat, một hỗn hợp gồm nhựa epoxy và sợi silica, được thiết kế để hấp thụ sức nóng khủng khiếp khi tái nhập khí quyển và từ từ cháy hết, mang nhiệt lượng đi khỏi con tàu. Nó cần chịu được mức nhiệt lên tới 2.760 độ C, bằng một nửa nhiệt độ bề mặt Mặt Trời và cao hơn đáng kể so với mức 1.650 độ C mà tàu vũ trụ trở về từ quỹ đạo Trái Đất phải chịu.

Tuy nhiên, tấm chắn nhiệt của Orion gặp vấn đề lớn trong nhiệm vụ không người lái Artemis I diễn ra tháng 11/2022. Khi trục vớt khoang tàu từ đại dương, các kỹ thuật viên phát hiện tấm chắn nhiệt có hơn 100 vết nứt và vết lõm lớn nơi Avcoat bong tróc. Điều này dẫn đến nguy cơ sức nóng từ quá trình tái nhập khí quyển đi xuyên qua thành hợp kim nhôm của tàu, lấy mạng phi hành gia bên trong.

Để giải quyết, NASA đứng trước hai lựa chọn: thiết kế lại hoàn toàn tấm chắn nhiệt khiến Artemis II bị lùi lại ít nhất hai năm, hoặc sửa đổi tấm chắn và thay đổi lộ trình tái nhập khí quyển để giảm tải nhiệt. Họ đã chọn phương án thứ hai. Trong nhiệm vụ Artemis II, NASA sử dụng phiên bản Avcoat mới có độ xốp cao hơn, cho phép khí thoát ra ngoài. Thêm vào đó, họ điều chỉnh hành trình quay về Trái Đất của Artemis II theo hướng "nhẹ nhàng" hơn.

Artemis I đi theo lộ trình tái nhập do chương trình Apollo tiên phong, gọi là "nhảy vào khí quyển" (skip-entry). Thay vì lao thẳng xuống khí quyển như những tàu quay về từ quỹ đạo Trái Đất với tốc độ thấp hơn, các tàu Apollo "lượn" vào rồi bật ra, sau đó quay vào lần nữa, qua đó giảm dần nhiệt và lực hấp dẫn tác động.

Tuy nhiên, cách này có vẻ quá khắc nghiệt cho Artemis I. Với Artemis II, NASA chọn phương án dung hòa, không lao thẳng xuống như các tàu quỹ đạo Trái Đất, nhưng cũng lao theo quỹ đạo nông hơn Artemis I.

Theo The Times, tàu Orion trong nhiệm vụ Artemis II phải tiếp cận theo quỹ đạo tạo góc khoảng 6 độ so với phương ngang, tính từ rìa trên của khí quyển Trái Đất, khi bắt đầu tái nhập ở độ cao khoảng 120.000 m. Nếu sai lệch quá một độ theo bất cứ hướng nào, rủi ro có thể xảy ra. Tàu phải đi vào khí quyển qua một "hành lang" chỉ rộng khoảng 2,5 độ. Nếu ví Trái Đất như quả bóng đá, phi hành đoàn sẽ phải nhắm trúng mục tiêu rộng khoảng 1 mm.

Nếu quỹ đạo tái nhập quá nông và góc đi vào nhỏ hơn 5,3 độ, tức song song hơn với rìa trên khí quyển, tàu sẽ không thể trở về Trái Đất. Tương tự khi ném viên đá lướt trên mặt hồ, phi hành đoàn Artemis II sẽ lướt trên đỉnh khí quyển Trái Đất và có nguy cơ bật ngược trở lại không gian.

Nhưng nếu quỹ đạo tái nhập quá dốc, lớn hơn 7,7 độ, tàu sẽ đâm vào khí quyển quá mạnh, lao xuống các tầng khí quyển dày hơn quá nhanh và quá sớm. Nhiệt độ do ma sát với phân tử khí có thể lớn đến mức phá hỏng tấm chắn nhiệt và lực G tác động lên phi hành đoàn sẽ quá cao, gây nguy hiểm đến tính mạng.

Phương pháp hạ cánh xuống mặt nước

Sau khi tái nhập khí quyển với tốc độ gấp 35 lần tốc độ âm thanh, tàu Orion cần giảm tốc để hạ cánh đủ nhẹ nhàng, đảm bảo an toàn cho phi hành gia. Theo Conversation, dù là lựa chọn đầu tiên. NASA sử dụng dù kích thước lớn, thường có màu sắc tươi sáng như màu cam, giúp dễ quan sát. Mỗi tàu thường sử dụng nhiều dù để đạt độ ổn định tốt nhất.

Ở độ cao khoảng 7.130 m, dù hãm tốc của Orion bung ra nhằm làm chậm và ổn định khoang tàu. Vận tốc của Orion giảm xuống còn 146 mét mỗi giây. Ở độ cao khoảng 1.650 m, dù hãm tốc của Orion được cắt bỏ và ba dù chính bung ra, làm giảm vận tốc khoang tàu xuống dưới 60 mét mỗi giây.

Ngay cả như vậy, tàu cũng không thể lao xuống bề mặt cứng mà cần hạ cánh ở nơi có thể làm giảm lực va chạm. Các nhà nghiên cứu đã sớm phát hiện nước là chất hấp thụ xung lực rất tốt. Do đó, phương pháp hạ cánh xuống nước (splashdown) ra đời.

Nước có độ nhớt tương đối thấp, tức biến dạng nhanh dưới tác động của lực, và mật độ cũng thấp hơn nhiều so với đá cứng. Hai đặc tính này khiến nước trở thành môi trường lý tưởng cho tàu vũ trụ hạ cánh. Một yếu tố quan trọng khác giúp tăng tính hiệu quả là nước bao phủ 70% bề mặt Trái Đất, nên khả năng đáp xuống nước rất cao.

Hiện nay, mọi phương tiện vũ trụ như Orion đều cần chứng minh chúng có thể đảm bảo khả năng sống sót trên mặt nước khi trở về từ không gian. Các nhà nghiên cứu xây dựng những mô hình phức tạp, sau đó tiến hành nhiều thử nghiệm để chứng minh cấu trúc đủ chắc chắn để đáp ứng yêu cầu này.

Tàu Orion đưa phi hành đoàn Artemis II rời bệ phóng tối 1/4 (5h35 ngày 2/4 giờ Hà Nội) thực hiện nhiệm vụ có người lái đầu tiên của NASA vượt ra ngoài quỹ đạo Trái Đất tầm thấp sau 54 năm. Phi hành đoàn được ví "đại diện cho thế giới", khi lần đầu có phụ nữ, người da màu và thành viên không phải người Mỹ bay tới Mặt Trăng.

Nhiệm vụ Artemis II được thiết kế như một bước đệm cho chương trình Artemis của NASA, hướng tới thiết lập sự hiện diện lâu dài của con người trên Mặt Trăng. Nhiệm vụ không người lái Artemis I diễn ra hồi tháng 11/2022, sau nhiều đợt hoãn và hủy phóng. Tiếp theo, NASA sẽ thử nghiệm tàu Orion và các trạm đổ bộ Mặt Trăng trên quỹ đạo Trái Đất trong nhiệm vụ Artemis III năm 2027. Cơ quan này đặt mục tiêu thực hiện chuyến đổ bộ Mặt Trăng đầu tiên vào năm 2028 với nhiệm vụ Artemis IV. Đến thập niên 2030, NASA kỳ vọng bắt đầu phát triển các khu định cư, robot tự hành và trạm đổ bộ chở hàng, hướng đến thiết lập sự hiện diện bền vững trên bề mặt Mặt Trăng.

Thu Thảo tổng hợp