Friday, June 3, 2016

Vì sao SpaceX đe dọa và thúc đẩy ngành hàng không vũ trụ?

Giữa năm 2015, Tổng thống Nga Vladimir Putin ký sắc lệnh giải tán và tái cấu trúc toàn diện Cơ quan Hàng không Vũ trụ RosCosmos – một tổ chức tương tự như NASA của Mỹ. Ông thừa nhận rằng công ty tư nhân SpaceX chính là một trong những lý do khiến người Nga phải ra tay đến nơi đến chốn. Vậy SpaceX là ai, từ đâu ra, và bằng cách nào có thể phủ bóng đen lên một trong những cơ quan hàng không vũ trụ hùng mạnh và lâu đời nhất thế giới như thế?



Loài người vẫn hằng mơ ước chinh phục vũ trụ. Xưa thì có Từ trái đất đến mặt trăng (Jules Verne – 1865), cho tới siêu phẩm mới đây của Hollywood – bộ phim Interstellar (2014), người ta luôn muốn đặt chân đến những vùng đất xa xôi, mở mang bờ cõi cho Trái đất, biến ngôi sao xa lạ thành thuộc địa của con người.

Song, những mơ ước này bị dập tắt bởi một câu hỏi tầm thường nhất: mất bao nhiêu tiền để đi tới đó?

Ngoại trừ các chương trình hàng không vũ trụ tầm cỡ quốc gia và đa quốc gia, chuyên xài tiền thuế của dân nên không phải nghĩ, thì câu hỏi trên đủ sức làm nản lòng tất cả những người tỉnh táo và có lý trí trên Trái đất. Tất cả, trừ một người – Elon Musk.

Trở thành tỷ phú từ năm 30 tuổi, Elon lập ra công ty SpaceX để thực hiện tham vọng đưa con người đặt chân đến sao Hỏa, xây dựng một căn cứ hậu cần để cung cấp thực phẩm và từ đó phủ xanh miền đất này bằng các giống cây mang từ Trái đất. Sau khi tiến hành những tính toán và nghiên cứu cụ thể, Elon nhận thấy điểm mấu chốt là chi phí vận chuyển hàng hóa và người lên sao Hỏa hiện nay quá đắt đỏ, khiến mọi tham vọng không thể trở thành hiện thực.

Vậy thì phải cắt giảm chi phí, song cắt bằng cách nào? Quay trở lại năm 1969 khi tàu Apollo 11 đưa ba phi hành gia lên Mặt trăng. Trong số đó chỉ 2 người thực sự đáp xuống mặt trăng là Neil Armstrong và Buzz Aldrin, Michael Collins ở lại module điều khiển – lúc đó bay trên quỹ đạo Mặt trăng. Cả 3 người đã trở về Trái đất an toàn.

Để phóng tàu Apollo 11, người ta dùng tên lửa đấy 3 tầng Saturn V, tên lửa lớn nhất từng được chế tạo cho đến nay (2016). Tầng thứ nhất hoạt động trong ba phút đầu tiên, tách khỏi tên lửa và đâm xuống biển. Tầng thứ hai hoạt động trong sáu phút sau đó, bị vứt bỏ và bốc cháy khi quay lại khí quyển Trái Đất. Tầng thứ ba đốt tiếp trong chín phút, sau khi đẩy Apollo sang quỹ đạo chuyển tiếp Mặt trăng, nó rơi vào quỹ đạo mặt trời và trở thành một hành tinh nhân tạo, lang thang đâu đó giữa sao Kim và Trái đất. Tên lửa Saturn, tốn kém 6 tỷ dollars theo thời giá năm 1969, tương đương hơn 35 tỷ hiện nay, là món chi phí chỉ sử dụng một lần.

Trên thực tế, nhiên liệu là thứ duy nhất buộc phải tiêu hao toàn toàn, song vì những nguyên nhân nêu trên, người ta cũng đã vứt bỏ toàn bộ 140 tấn các cấu kiện kim loại khác trên tên lửa đẩy. Quả tình, không phải cả 140 tấn đều bốc cháy, lang thang trong vũ trụ hoặc rơi xuống biển, vì module đổ bộ Trái đất còn nặng 5 tấn, nhưng tiếc thay, không thể dùng nó cho chu trình phóng kế tiếp.

Ý tưởng ở đây là tái sử dụng ở mức nhiều nhất 140 tấn thiết bị này. Và SpaceX hoàn toàn không phải người tiên phong. Các tàu con thoi đã có thể, sau khi hoàn thành công việc trong quỹ đạo, quay trở về Trái đất bằng cách hạ cánh trên đường băng. Hai tên lửa đẩy dùng nhiên liệu rắn cũng được vớt lại từ biển, nơi người ta cho chúng hạ xuống bằng dù. Song việc tái chế chúng – gồm cả tàu con thoi và tên lửa đấy – vẫn còn đắt đỏ và tốn kém.

Nhận thấy chi phí nhiên liệu chỉ chiếm khoảng 0.5% tổng chi phí, các chuyên gia của SpaceX đã tìm cách thu hồi và sử dụng lại phần lớn các cấu kiện của tên lửa đấy, bằng cách đó cắt giảm phí tổn, cũng như rút ngắn thời gian chuẩn bị cho lần phóng tiếp.

Khoa học về tên lửa

Để tính được năng lượng cần thiết đưa vật thể lên quỹ đạo, người ta cần biết chính xác đó là quỹ đạo nào. Ví dụ, trạm vũ trụ ISS bay ở độ cao 400km, được gọi là quỹ đạo gần Trái đất. Các vệ tinh địa tĩnh cách xa hơn nhiều, lên tới 36 ngàn km.

Năng lượng tiêu thụ cũng phụ thuộc vào khối lượng của vật cần đưa lên, và để cho đơn giản, người ta tính trên mỗi kg bay vào một quỹ đạo cho trước. Cụ thể, một kg đưa lên đến trạm ISS sẽ tốn khoảng 34 mega-joules (MJ), bao gồm cả động năng chuyển động (7.7km/s) và thế năng của vật so với mặt đất.

Ngoài khối lượng của module quỹ đạo, người ta còn phải tính đến khối lượng của chính tên lửa và thùng nhiên liệu mà nó mang theo. Các chuyên gia cho biết, mỗi kg tải trọng sẽ cần ít nhất 4.5kg nhiên liệu lỏng hoặc hơn 20kg nhiên liệu rắn để đạt đến quỹ đạo này. Đến giờ các bạn đã hiểu tại sao người ta ưa dùng nhiên liệu lỏng – khối lượng tên lửa đẩy nhỏ hơn nhiều so với dùng động cơ nhiên liệu rắn.

Bí mật của SpaceX

Các tên lửa đẩy của SpaceX vận hành ra sao? Chiếc mới nhất đang được sử dụng là tên lửa loại hai tầng Falcon 9. Mỗi tầng đều lắp các động cơ nhiên liệu lỏng giống nhau – dầu kerosene và oxy lỏng giống như động cơ của Saturn V (một bằng chứng cho thấy hóa học không hề thay đổi trong suốt 50 năm qua!). Tầng thứ nhất mang 9 động cơ – vì thế có tên Falcon 9 – cũng là tầng nặng nhất và tốn kém nhất của toàn bộ hệ thống phóng. Bằng mọi cách, người ta phải thu hồi tầng này trên cạn. Nếu để rơi xuống biển, cú va đập và sự ăn mòn hóa học của nước biển sẽ làm nó trở thành vô dụng.

Song việc đưa tầng tên lửa quay về đất liền sẽ làm hạn chế các lựa chọn khi phóng. Như các bạn biết, biển và đại dương chiếm 71% diện tích bề mặt trái đất, và trong 29% đất liền còn lại, các khu vực núi cao, rừng rậm, đầm lầy, khu dân cư … thảy đều không phù hợp cho việc thu hồi. Vì thế, người ta quyết định chuẩn bị phương án cho tầng tên lửa đẩy hạ xuống một sà lan tự hành (không người lái) thả nổi trên mặt biển.

Sau khi động cơ ngừng hoạt động và tầng một tách ra, nó sẽ quay đầu và hướng về địa điểm hạ cánh bằng cách sử dụng cánh lái trên thân. Các máy tính và bộ điều khiển động cơ sẽ hạ dần tốc độ bằng cách phụt ngược. Vào phút cuối cùng, bốn càng đáp xòe ra, và tầng tên lửa tiếp đất ở tốc độ khoảng 6m/s – cỡ hơn một nửa tốc độ chạy 100m của kỷ lục gia Usain Bolt. Quá trình này hoàn toàn không có sự can thiệp của con người, được hoàn tất bởi máy tính và hệ thống đạo hàng quán tính.

Hạ cánh trên sà lan luôn kèm theo nhiều rủi ro. Càng đáp phải có thể khóa cứng vào sàn – vì mọi rung lắc do sóng biển có thể dễ dàng hạ gục một khối trụ cao bằng tòa nhà 20 tầng, và quả thật đó là điều đã từng xảy ra với một trong những lần hạ cánh trước đây. Nhưng nó cũng tuyệt đối an toàn đối với con người, vì cả sà lan và tầng đẩy đều không cần người điều khiển. Điều này cực kỳ quan trọng với cú đáp trên sao Hỏa, khi mà mọi tín hiệu vô tuyến có thể mất đến 40 phút để nhận được hồi đáp từ Trái đất.

Tài chính

Với tên lửa đẩy Falcon 9, SpaceX đạt tiến bộ nhảy vọt về chi phí thấp. Họ tốn 4.500 USD đưa một  kg hàng hóa lên quỹ đạo tầm thấp. Chiếc Falcon Heavy, theo dự kiến, sẽ hạ chi phí xuống còn dưới 1.800 USD/kg. Mức giá này đủ để đánh bại toàn bộ các đối thủ cạnh tranh trên thị trường, thậm chí tên lửa Trường Chinh của Trung quốc cũng không thể rẻ đến thế.

Họ làm được điều đó bằng cách đơn giản hóa tên lửa đẩy. Ví dụ, chiếc Falcon 9 có 2 tầng đẩy, sử dụng cùng một loại động cơ, một loại nhiên liêu, cùng một đường kính thân, cùng chế tạo bằng vật liệu hợp kim nhôm-liti. Tên lửa đẩy Atlas V, trái lại, sử dụng 3 loại động cơ tên lửa khác nhau cho từng giai đoạn phóng. Hoặc động cơ RD-180 của Nga nổ phóng ban đầu bằng nhiên liệu rắn, sau đó chuyển sang dầu và Oxy lỏng, cuối cùng là Hydro và Oxy lỏng. Dùng tới ba loại động cơ cho một quả tên lửa có thể mang lại hiệu năng cao, song không hề tiết kiệm. Thoạt tiên là chi phí xây dựng nhà máy chế tạo sẽ đội lên gấp 3, sau đó là toàn bộ chi phí vận hành.

Mặt khác, việc tái sử dụng tầng tên lửa vẫn còn nhiều điểm thiếu thuyết phục. Một bằng chứng là SpaceX chưa hề tái sử dụng tầng đẩy từ vụ phóng trước. Người ta cũng chưa từng thấy báo cáo đánh giá mức độ hư hại của tấm cản nhiệt sau khi xuyên qua tầng khí quyển. Phụ thuộc vào đích tới của module quỹ đạo, tốc độ quay lại của tầng đẩy có thể lên tới hơn 8,000km/h – với các vụ phóng lên quỹ đạo địa tĩnh. Việc tấm cản nhiệt bị hư hại có thể là thảm họa cho lần phóng kế tiếp – nhớ rằng tàu con thoi Columbia và toàn bộ phi hành đoàn đã nổ tung trên đường quay lại Trái đất, vì vài viên gốm cách nhiệt đã bung khỏi cánh trong quá trình phóng lên.

Người Nga đang nhìn nhận SpaceX như một đối thủ thực sự trong thị trường hàng không vũ trụ dân dụng. Họ từng ra giá 8 triệu USD cho một quả tên lửa đạn đạo Dnepr-1 (đã tái chế và loại bỏ đầu đạn) khi Elon Musk hỏi mua vào năm 2002, song thương vụ bất thành vì bên mua chỉ trả một nửa mức giá đó. Hơn 10 năm sau, SpaceX đe dọa những hợp đồng phóng vệ tinh béo bở mà Nga đang có trong tay, bằng một hợp đồng tương tự ký với NASA – tuy rằng mới chỉ dừng ở mức vận tải hàng hóa. Trong bối cảnh Nga đang suy yếu về kinh tế, không loại trừ khả năng SpaceX bỏ ra những khoản tiền lớn để săn nhân sự trong lĩnh vực này. Nhớ rằng Nga đang giữ kỷ lục về tên lửa đẩy lớn nhất hiện nay đang hoạt động là Angara A5, đưa được 24.5 tấn lên quỹ đạo tầng thấp. Vị trí thứ hai thuộc về SpaceX Heavy, 22.8 tấn, và có thể trật tự này không tồn lại lâu.

Kết luận

SpaceX đã thiết lập một chuẩn mực mới cho công nghệ hàng không vũ trụ. Sức đẩy lớn, chi phí thấp, công nghệ thu hồi và tái sử dụng, khả năng cất hạ cánh thẳng đứng, thảy đều là những bước tiến vượt bậc. Tuy còn nhiều việc phải làm, Elon Musk đã chứng tỏ một công ty tư nhân hoàn toàn có thể cạnh tranh ngang ngửa với các tập đoàn hàng không - quân sự hùng mạnh, được hậu thuẫn bởi chính phủ.

Năm 1961, Kennedy công bố kế hoạch đưa con người lên Mặt trăng. Tám năm sau đó, lời nói của ông đã trở thành hiện thực. Năm 2016, Musk có kế hoạch đưa con người lên sao Hỏa vào năm 2025. Đằng sau Kennedy là nền kinh tế hùng mạnh nhất thế giới của Mỹ. Còn Musk chỉ là một anh nhà giàu mới nổi, thậm chí còn không phải là người giàu nhất thế giới. Ông ta có thực hiện được kế hoạch của mình hay không? Hay đơn thuần là một cuộc chơi tốn kém sức lực và tiền bạc? Chỉ thời gian mới có câu trả lời xác đáng.

Tham khảo từ techcentral và các trang tin công nghệ.

No comments:

Post a Comment