Tàu vũ trụ Orion và giấc mơ chinh phục không gian

Rạng sáng 16/11/2022 (giờ miền Đông nước Mỹ), Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) đã phóng tàu vũ trụ Orion từ bang Florida để thực hiện sứ mệnh thám hiểm Mặt Trăng Artemis I. Gần một tháng sau, tàu Orion - mang theo 3 ma-nơ-canh có gắn các cảm biến mô phỏng phi hành đoàn - trở về Trái Đất thành công, kết thúc sứ mệnh thám hiểm và mở đường cho việc đưa các phi hành gia đáp xuống Mặt Trăng vào năm 2025.

Sứ mệnh Artemis

Toàn bộ chương trình Artemis là nỗ lực của NASA nhằm đưa con người trở lại Mặt Trăng, nhưng không giống như Apollo, sứ mệnh này được thiết kế để cho phép con người lưu trú tại đó. Mỹ và các đối tác quốc tế đang xây dựng kế hoạch xây dựng một trạm vũ trụ trên Mặt Trăng, được gọi là Gateway, để hỗ trợ các hoạt động cả trên và xung quanh vệ tinh Trái Đất.

Dự án Orion (Orion Multi-Purpose Crew Vehicle hoặc Orion MPCV) là dự án tàu vũ trụ có người lái đầu tiên có thể tái sử dụng một phần được NASA triển khai cho các sứ mệnh không gian sâu, mở ra một kỷ nguyên mới về khám phá không gian. Tàu vũ trụ có người lái trong chương trình Artemis.

Rút kinh nghiệm từ hơn 50 năm nghiên cứu và phát triển các chuyến bay vũ trụ, tàu vũ trụ Orion được thiết kế để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của chương trình thám hiểm không gian, có sự tham gia của các nhà khoa học, kỹ thuật viên, và nguồn lực huy động từ tất cả 50 bang của Mỹ và 10 quốc gia châu Âu khác. Các sứ mệnh thám hiểm không gian của Orion, cùng với mức đầu tư tư nhân kỷ lục giúp NASA và Mỹ thúc đẩy giấc mơ không gian và đảm bảo vị thế dẫn đầu của quốc gia này trong việc khám phá vũ trụ.

Kể từ khi cất cánh ngày 16/11/2022 tại Trung tâm vũ trụ Kennedy ở Cape Canaveral, bang Florida, tính đến lúc trở lại Trái Đất, tàu vũ trụ Orion đã đi được hơn 2,5 triệu km. Tham gia sứ mệnh Artemis I có "hành khách" là những hình nộm. Tại ghế chỉ huy của khoang tàu Orion là hình nộm mang tên Moonikin Campos, được trang bị cảm biến bức xạ ở bên trong với nhiệm vụ ghi lại trọng lực và lực rung trong suốt chuyến bay.

"Phi hành đoàn" còn có 2 hình nộm khác là Helga và Zohar, chỉ có nửa thân trên, không có tay, và được gắn hơn 30 máy đo liều bức xạ chủ động và 6.000 máy đo liều bức xạ bị động, nhằm giúp nghiên cứu về hiệu quả của bộ đồ phi hành gia chuyên dụng ngăn bức xạ AstroRad.

Để ghi lại hành trình của chuyến bay, tàu Orion đã được trang bị 24 camera rải dọc bên ngoài và ở bên trong con tàu, phía trên các tấm pin năng lượng Mặt Trời. Cũng trong sứ mệnh này, NASA lần đầu tiên sử dụng hệ thống phóng không gian (SLS) - hệ thống tên lửa mạnh nhất từng được cơ quan này chế tạo với 30 tầng - để phóng tàu Orion vào vũ trụ.

Lockheed Martin, nhà thầu cung cấp tàu vũ trụ Orion cho các sứ mệnh Artemis trong tương lai, cho biết trong những năm gần đây, đơn đặt hàng cho chương trình từ Artemis III đến V có giá trị 2,7 tỷ USD, trong khi đơn đặt hàng từ Artemis VI đến IX trị giá 1,9 tỷ USD. Ban lãnh đạo Lockheed từng cho biết việc chế tạo tàu vũ trụ theo nhóm cho phép công ty tiết kiệm chi phí thông qua hiệu quả sản xuất.

NASA và 26 quốc gia khác đã ký Hiệp định Artemis, nhằm mục đích thiết lập các tiêu chuẩn cho việc khám phá Mặt Trăng một cách hòa bình. Canada và Cơ quan Vũ trụ châu Âu đều cam kết cung cấp phần cứng cho Artemis và trạm vũ trụ Gateway mà NASA lên triển khai trên Mặt Trăng trong thập kỷ này.

Sứ mệnh Artemis tìm cách để con người tới Mặt Trăng một cách bền vững và lâu dài, nhưng tầm nhìn thực tế còn lớn hơn nhiều. Những công nghệ và kinh nghiệm thu được trong các sứ mệnh Artemis sẽ chuẩn bị cho NASA và các đối tác sẵn sàng cho những chuyến đi của phi hành đoàn tới Sao Hỏa, kế hoạch được kỳ vọng có thể diễn ra vào cuối những năm 2030 hoặc đầu những năm 2040.

Bên trong Orion

Về thiết kế, tàu Orion khá giống với Apollo, với dạng hình nón cụt, cao 3,3 mét, đường kính 5 mét. Tuy nhiên, tàu có thể tích 8,95 m3, lớn hơn gấp 1,5 lần so với tàu Apollo từng đưa Neil Armstrong, Buzz Aldrin và Michael Collins lên Mặt Trăng vào năm 1969. Thiết kế này giúp giữ cho tàu ổn định khi nó di chuyển với tốc độ siêu thanh trong bầu khí quyển.

Tàu có thể chở theo 4 phi hành gia, thay vì chỉ 3 người. Bên trong tàu trang bị những chiếc ghế có thể gập lại khi không sử dụng nhằm tạo thêm không gian. Về cơ bản, tàu đảm bảo không gian sống trong các sứ mệnh không gian cho 4 phi hành gia trong tối đa 21 ngày mà không cần gắn vào bất kỳ một hệ thống nào khác. Orion có các tấm che cửa sổ, có thể được sử dụng để chặn ánh sáng Mặt Trời. Ngoài ra, tàu cũng tích hợp hệ thống các túi ngủ, cho phép phi hành gia linh hoạt chọn các vị trí trong tàu vũ trụ để ngủ trong trạng thái không trọng lượng.

Orion trang bị 3 màn hình hiển thị với tổng số 67 công tắc, thu gọn so với tiêu chuẩn của tàu con thoi thông thường với 10 màn hình và 1.200 công tắc. Cải tiến này có được là nhờ sự tiến bộ của công nghệ, với nhiều thao tác và giai đoạn được thực thi tự động nhờ các phần mềm tiên tiến, không cần phụ thuộc sự điều khiển của các phi hành gia.

Khoang vệ sinh của tàu Orion được trang bị Hệ thống Quản lý Chất thải Toàn cầu (UWMS) tân tiến, với thiết kế hiện đại, hỗ trợ cả nam và nữ. NASA đã trang bị cho Trạm Vũ trụ Quốc tế ISS năm 2020 khoang mẫu vệ sinh tiêu chuẩn này.

Trong sứ mệnh Artemis I, Orion kết thúc hành trình trong ngày kỷ niệm 50 năm con người lần cuối đặt chân lên Mặt Trăng. Ngày 11-12-1972, tàu vũ trụ đưa 2 phi hành gia Gene Cernan và Harrison Schmitt đáp xuống bề mặt Mặt Trăng trong 3 ngày. Đây cũng là sứ mệnh cuối cùng trong chương trình Apollo của NASA.

Những công nghệ cốt lõi

Công nghệ cốt lõi của chương trình Artemis là Hệ thống phóng không gian (SLS) trị giá 23,8 tỷ USD được phát triển theo 3 giai đoạn, với 3 phiên bản có tính năng tăng dần gồm Block 1, Block 1B, và Block 2. Tất cả các SLS đều có chung một thiết kế tầng đẩy trung tâm, và khác nhau ở các tầng đẩy trên và bộ tăng tốc.Tầng đẩy trung tâm cung cấp khoảng 25% lực đẩy cho tên lửa lúc cất cánh. Các cấu hình tên lửa SLS Block 1 và 1B sử dụng tầng đẩy tăng cường nhiên liệu rắn gồm 5 đoạn và không được thu hồi sau khi sử dụng.

Tàu Orion được đặt trên đỉnh SLS cao 98 mét. Tầng đẩy hoạt động tầng cao (ICPS) sử dụng trong các sứ mệnh Artemis I, II, và III là tầng đẩy bên trên của SLS Block 1, được thiết kế dựa trên tầng đẩy sử dụng nhiên liệu siêu lạnh của tên lửa Delta IV, dài 16 ft (5 m), động cơ RL10. SLS Block 1 có khả năng mang được tải trọng 95 tấn lên Quỹ đạo Trái Đất tầm thấp.

Sau khoảng 3 phút từ khi được phóng, tầng trung tâm bắt đầu được tách bỏ song ICPS vẫn tiếp tục cung cấp năng lượng và khởi động động cơ đẩy để đưa tàu vũ trụ Orion theo quỹ đạo chuyển tiếp Mặt Trăng. Orion sẽ tách khỏi ICPS khoảng hai giờ sau khi phóng, sau thời gian đó ICPS sẽ triển khai 10 khối vệ tinh cũng hướng tới Mặt Trăng. Tàu Orion sau khi hoạt động độc lập, sẽ lấy năng lượng từ một module dịch vụ. Khi đến đích, module dịch vụ sẽ thực hiện thao tác hỗ trợ trọng lực cho phép tàu đi vào quỹ đạo xa của Mặt Trăng.

Hiện các module dành cho phi hành đoàn thực hiện các sứ mệnh Artemis II, III và IV của NASA đã hoàn thành và được đưa tới Trung tâm Vũ trụ Kennedy của NASA ở Florida, nơi 3 tàu vũ trụ đang trải qua các giai đoạn sản xuất khác nhau cho sứ mệnh phóng sắp tới.

Trong số này, tàu vũ trụ phục vụ sứ mệnh Artemis II được thiết kế để chở các phi hành gia trong hành trình lên Mặt trăng và quay trở lại vào cuối năm 2024. Các kỹ thuật viên của NASA đã lắp đặt tấm chắn nhiệt trên tàu Artemis II Orion hình giọt nước, được thiết kế để bảo vệ phi hành đoàn và tàu vũ trụ trong quá trình quay trở lại Trái Đất. Theo NASA, tấm chắn nhiệt của Orion sẽ trải qua nhiệt độ thiêu đốt lên tới 5.000 độ F (2.760 độ C), hoặc sức nóng tương đương một nửa mức nhiệt của Mặt Trời trong quá trình quay trở lại khí quyển.

Trong sứ mệnh Artemis II, sau khi phóng, tầng trên của tên lửa SLS sẽ đẩy Orion vào quỹ đạo elip, cách Trái Đất khoảng 2.800 km để phi hành gia kiểm tra hệ thống. Động cơ sẽ tăng tốc để đưa tàu vũ trụ về phía Mặt Trăng. Trong chuyến bay này, tàu vũ trụ không quay quanh quỹ đạo Mặt Trăng mà chỉ dùng lực hấp dẫn để trở lại Trái Đất và hạ cánh xuống Thái Bình Dương. Toàn bộ hành trình mất khoảng 10 ngày.

Giữa tháng 8 vừa qua, tàu vũ trụ Orion cho sứ mệnh Artemis II cũng đã trải qua thử nghiệm âm thanh thành công tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy. Các cuộc thực nghiệm được tiến hành bên trong Trung tâm Vận hành và Kiểm tra Neil Armstrong cho thấy tàu vũ trụ Orion có thể chịu được tốc độ và độ rung trong quá trình phóng và sứ mệnh Mặt Trăng. Để thử nghiệm, các kỹ sư lắp đặt quanh module phi hành đoàn những chồng loa lớn, gắn vào đó micro, máy đo gia tốc và nhiều thiết bị khác để đo tác động của các mức âm thanh khác nhau. Dữ liệu thu thập được từ các thử nghiệm này sau đó được các kỹ sư và kỹ thuật viên phân tích. Phi hành đoàn Orion sẽ bắt đầu các cuộc thử nghiệm chung với module dịch vụ này trong những tháng tới.

Tàu Orion được thiết kế để đưa con người đến và đi từ Mặt Trăng, nhưng việc trở lại khí quyển và hạ cánh tàu lại phụ thuộc Hệ thống Đổ bộ con người (HLS) do SpaceX chế tạo, đã tích hợp trên tàu Starship của hãng này. Khi module phi hành đoàn quay trở lại Trái Đất, 11 chiếc dù khác nhau được phóng ra để giảm tốc phương tiện xuống chỉ còn khoảng 27km/h, tốc độ cần thiết để đáp xuống Thái Bình Dương một cách an toàn.

Artemis III dự kiến ra mắt vào năm 2025 hoặc 2026. NASA cho biết module phi hành đoàn Artemis III đang trong quá trình kiểm tra áp suất và rò rỉ. Trong khi đó module cho phi hành đoàn trong sứ mệnh Artemis IV vẫn đang trong giai đoạn đầu của quá trình lắp ráp, chỉ mới được chuyển đến Trung tâm Vũ trụ Kennedy từ tháng 2 năm nay. Artemis IV vẫn còn một chặng đường dài phía trước vì sứ mệnh hiện đang được lên kế hoạch phóng vào năm 2028.