Tuesday, May 22, 2018

Chương trình Apollo đưa con người lên Mặt trăng


Hẳn bạn đã nghe nói nhiều về Chương trình Apollo – trong đó Mỹ đặt ra mục tiêu đưa con người lên Mặt trăng trong thập kỷ 60. Tận đến ngày nay (2018), nhiều chi tiết kỹ thuật của nó vẫn còn là bí mật công nghệ. Cơ quan Hàng không Vũ trụ Hoa kỳ (NASA) rất khéo léo mô tả đủ mọi chi tiết về từng chuyến bay, thậm chí chính xác đến từng ki lô gam nhiên liệu đã bị tiêu thụ cho một lần điều chỉnh quỹ đạo, song chưa bao giờ nói rõ bình chứa nhiên liệu này làm bằng vật liệu gì, dung tích bao nhiêu và cân nặng bao nhiêu ký lô (ahihi).

Tuy vậy, dựa theo những thông tin khối lượng của tàu vũ trụ mà NASA đưa ra, tác giả cố gắng hình dung và phác họa lại một chuyến bay tiêu biểu đưa người lên Mặt trăng – nhằm giúp bạn đọc có được góc nhìn tổng quan về thành tựu vĩ đại nhất của loài người, diễn ra từ nửa thế kỷ trước.



(Ảnh: Khoang đổ bộ tàu Apollo-13 hạ trên mặt biển. Nguồn: NASA)



Nhận lời anh bạn để khảo sát sơ bộ chuyến bay lên Mặt trăng trong khuôn khổ chương trình Apollo. Anh ấy thắc mắc không biết bằng cách nào mà các nhà khoa học Mỹ có thể đưa được phi thuyền và nhiên liệu lên đến Mặt trăng, đổ bộ xuống đó rồi quay lại Trái đất.

Bằng cách tổng hợp các thông tin về khối lượng của tàu vũ trụ, chúng ta có thể hình dung ra một số bước chính mà tàu trải qua trong mỗi chặng bay. Loại bỏ các thuật ngữ quá kỹ thuật, tác giả hy vọng có thể đưa đến với bạn đọc một bức tranh về cách thức người ta lựa chọn để đổ bộ xuống Mặt trăng như thế nào.

Bước 0: Chuẩn bị cho chuyến bay.
Trong giai đoạn chuẩn bị, người ta chế tạo tên lửa đẩy, rồi chế tạo tàu vũ trụ và lắp hai thứ đó vào với nhau. Tàu vũ trụ phải được tiệt trùng, nhằm hạn chế lây nhiễm vi khuẩn Trái đất lên Mặt trăng. Nhiên liệu cho từng giai đoạn phải được tính toán và nạp sẵn trong nhiều bình chứa – việc nạp nhầm một bình có thể dẫn đến thảm họa cho cả tàu lẫn phi hành gia.

Bước 1: Tên lửa đẩy và tàu vũ trụ khi ở mặt đất: 2,950 tấn
Lúc này, tàu vũ trụ Mặt trăng được đưa vào tên lửa đẩy. Tên lửa sử dụng là chiếc Saturn V, lắp ráp và sử dụng đơn lẻ – mỗi lần phóng lại vứt đi một cái (nghe đơn giản như ta dùng bao hihi). Cú nổ lớn báo hiệu các động cơ được kích hoạt, cuộn khói khổng lồ bốc lên từ bệ phóng, và gần 3 ngàn tấn đĩnh đạc nhấc lên khỏi mặt đất, đưa các nhà du hành vào chuyến đi lịch sử.

Bước 2: Tàu vũ trụ khi vào quỹ đạo quanh Trái đất, 45.5 tấn
Khoảng 10-12 phút sau khi phóng, tàu vũ trụ tách khỏi 2 tầng đầu tiên của tên lửa đẩy để vào quỹ đạo Trái đất. Tại đây, tàu làm một số thao tác kiểm tra, hiệu chỉnh quỹ đạo, đồng thời vứt bỏ thiết bị ghép nối trong quá trình phóng. Sau khi hoàn tất, tàu khởi động tầng đẩy thứ ba của tên lửa, chính thức rời khỏi Trái đất hướng đến Mặt trăng. Không cần phải là nhà toán học vĩ đại để đoán ra rằng, chừng 2900 tấn đã trở thành hư không.

Bước 3: Tàu vũ trụ vào quỹ đạo Mặt trăng, 32.5 tấn.
Lúc này là khoảng 5 giờ sau bước 2. Tàu vứt bỏ tầng đẩy thứ ba của tên lửa Saturn V. Các phi hành gia cho tàu tiếp cận quỹ đạo Mặt trăng thấp và chuẩn bị đổ bộ. Ở giai đoạn này, hai trong số ba phi hành gia di chuyển sang tàu con – chính là khoang đổ bộ Mặt trăng. Phi hành gia thứ ba ở lại trong tàu mẹ, nơi có thiết bị liên lạc tầm xa kết nối về Trái đất. Tàu con nặng chừng 15 tấn, còn tàu mẹ nặng 17.5 tấn.

Bước 4: Tàu con khi cất cánh khỏi Mặt trăng, 4.9 tấn
Từ 15 tấn lúc bắt đầu hạ cánh, tàu con đã tiêu hao khoảng 8 tấn nhiên liệu để đáp xuống bề mặt Mặt trăng. Khi bắt đầu cất cánh, nó vứt bỏ nốt càng đáp và động cơ hạ (tổng cộng độ hơn 2 tấn) tại chỗ, chỉ giữ lại nhiên liệu và động cơ nâng khoang đưa phi hành gia quay về tàu mẹ.

Bước 5: Tàu mẹ sau khi nhận người và hàng hóa từ tàu con, 16.5 tấn
Ở giai đoạn này, phi hành gia và các mẫu vật được chuyển từ tàu con sang tàu mẹ. Bản thân tàu mẹ đã tiêu hao một số nhiên liệu để duy trì nó trên quỹ đạo tầng thấp, nơi tàu con có thể lên tới. Các nhà khoa học đã tính toán để tìm ra quỹ đạo tối ưu này. Nếu quỹ đạo cao quá, tàu con sẽ mất nhiều nhiên liệu để cất hạ cánh. Nếu quỹ đạo thấp quá, tàu mẹ phải liên tục sử dụng động cơ để thắng lực hút của Mặt trăng.
Bản thân tàu con, sau khi chuyển người và hàng hóa sang tàu mẹ, sẽ ở lại quỹ đạo. Quay quanh Mặt trăng một thời gian, nó bị sức hút kéo xuống và kết thúc sứ mạng bằng cú đâm trời giáng xuống bề mặt chị Hằng. Người ta cũng đo đạc quỹ đạo của tàu con trong lúc rơi và chụp ảnh vụ va đập cuối cùng, nhằm xây dựng bản đồ hấp dẫn chi tiết cho chuyến bay tiếp theo.

Bước 6: Tàu mẹ khi quay về đến quỹ đạo Trái đất, 11.5 tấn
Ổn định xong các phi hành gia và mẫu vật, tàu mẹ thực hiện vụ phóng kế tiếp để thoát khỏi sức hút Mặt trăng. Nó sẽ đốt nhiên liệu thêm một số lần nữa trên đường về để hiệu chỉnh quỹ đạo, và hãm tàu trước khi đi vào khí quyển Trái đất.

Bước 7: Tàu mẹ sau khi vứt bỏ động cơ, 5.5 tấn
Lúc này chỉ còn vài phút trước khi kết thúc chuyến du hành. Tàu mẹ vứt bỏ động cơ hãm, thiết bị liên lạc tầm xa, thiết bị duy trì sự sống dài hạn và một số thiết bị khác không còn dùng đến. Tất cả được thiết kế nằm trong một khối riêng, gọi là module dịch vụ. Động cơ hoạt động lần cuối cùng, đẩy module này tách xa khỏi tàu mẹ để không ảnh hưởng đến quá trình hạ cánh. Tàu mẹ lúc này chỉ còn là khoang đổ bộ - một khối hình nón cao vài mét, trong chứa các nhà du hành và mẫu vật thu thập. Module dịch vụ cháy nổ trong khí quyển, với chút ít nhiên liệu mà người ta cố ý để lại.

Bước 8: Tiếp đất, 5 tấn
Sau khi hãm bằng động cơ ở bước 7, khoang đổ bộ sử dụng tấm cản nhiệt để giảm tốc lần cuối, trước khi tiếp đất bằng dù. Tấm cản nhiệt nặng khoảng vài trăm kg, bị vứt bỏ khi bung dù. Khoang đổ bộ tự nổi trên mặt nước và có bè cứu sinh – gần giống như thuyền phao gắn trên cửa máy bay dân dụng.

Nhìn tổng thể, du hành Mặt trăng là một chuyến đi tốn kém. Chúng ta gửi đi chừng 3 ngàn tấn thiết bị và nhiên liệu khi cất cánh, rồi nhận lại 5 tấn lúc hạ cánh. Độ chênh khối lượng này bị tiêu hao hoặc vứt bỏ, hoặc bốc cháy trong khí quyển. Nếu trừ đi khối lượng khoang đổ bộ, thì tải trọng có ích chỉ cỡ 500kg – gồm 3 nhà du hành và mấy tạ đất đá. Mức độ hiệu quả thật khủng khiếp, 1 trên 6000 (hehehe).

Ngay tại bước 1, khi tên lửa đẩy đạt độ cao chừng 10-15km, nó vượt qua vùng lực cản khí động học lớn nhất – mà thuật ngữ hàng không vũ trụ gọi là vùng Max-Q. Mọi thiết kế cơ khí (kiểu như khung sườn của xe hơi) phải đủ vững chắc để thắng lực cản này. Nhưng ở độ cao lớn hơn, lực cản khí động học suy giảm rất nhanh do không khí hầu như không còn. Các biện pháp gia cố bảo vệ trở thành không cần thiết, và là gánh nặng cho chuyến du hành đến Mặt trăng. Người ta cho tàu tạm dừng ở quỹ đạo gần Trái đất để vứt bỏ chúng, đồng thời ghép nối thông khoang giữa tàu mẹ và tàu con – vốn tách riêng trong quá trình phóng.

Với tàu Apollo 13, người ta gặp sự cố ở module dịch vụ khiến cho tàu mẹ bị mất điện sau khi ghép nối với tàu con (may thay!). Các phi hành gia phải di chuyển sang tàu con và cố gắng sử dụng tiết kiệm thiết bị duy trì sự sống. May sao các ăng ten liên lạc tầm xa vẫn còn hoạt động nên họ có thể gọi hỗ trợ từ Trái đất. Đội hỗ trợ đã tính toán thành công quỹ đạo mới, với lượng nhiên liệu, pin ắc quy và dưỡng khí còn lại, đưa tàu bay vòng quanh Mặt trăng để lợi dụng sức hút quay về theo quỹ đạo hình số 8. Họ từng gặp nguy hiểm lớn ở bước 7, khi phải cố gắng duy trì động cơ module dịch vụ đến phút chót nhằm lái tàu thủ công vào quỹ đạo hạ cánh.

Hồi đó, người dân Mỹ, thông qua thuế góp ngân sách, đã chi trả cho ước mơ của nhân loại đến với Mặt trăng. Giờ đây, chúng ta có những tỷ phú sẵn lòng dốc hầu bao để phát triển loại tên lửa mạnh hơn, tiết kiệm hơn, bay được xa hơn. Chúng ta có những chuyên gia và công cụ tính toán nhanh hơn, giải được những bài toán phức tạp hơn. Chúng ta có những vật liệu bền chắc hơn, nhẹ hơn và an toàn hơn – điều mà Tổng thống Kennedy từng phải ước ao có được khi khai mạc chương trình Apollo.

Với tất cả những thuận lợi ấy, sao Hỏa không còn là đích đến quá xa vời. Tôi cho rằng, năm 2030 sẽ chứng kiến con người đặt chân lên Hành tinh Đỏ, đánh dấu bước tiếp theo trên chặng đường du hành giữa các vì sao. Chỉ còn hơn một thập kỷ nữa – các bạn hãy chờ xem.

(Các số liệu chủ yếu lấy từ website nasa.gov, có tham khảo wikipedia và PopularMechanics.com)


4 comments:

  1. Vẫn nhớ cảm giác hân hoan khi nghe tin tàu Apollo đổ bộ lên Mặt Trăng, và ngay sau đó, báo ảnh Thế Giới Tụ Do tràn ngập hình ảnh ngoạn mục về chuyến du hành.

    ReplyDelete
  2. Cám ơn Hoang viết bài hay, thật điêu luyện. Nhưng về bình chưa nhiên liệu thì phải cho phép anh bổ sung ;-) Sau khi Apollo I bị cháy trên giàn phóng vào tháng 1/1967), toàn bộ chương trình kỷ thuật bị kiểm tra, làm lại toàn bộ giây điện, v.v. Một ví dụ được giả thích trong giờ "Materialwissenschaft (Materials Science" bình chứa nhiên liệu khí lõng trên LM (Landing Module) kìn đến mức, nếu so sánh với bánh xe thường dùng, thì bánh xe sẻ không cần bơm lại cho đến khi làm phế liệu. Nói cách khác, những tài liệu này có thể tra khảo ở thư viện các Dại Học lớn ở Âu Mỹ.
    Những khó khăn về mặt kỹ thuật cũng như điều hành (Management), như việc hàng điện những bình khí thể tích, dung lượng lớn ủa chương trình Apollo được đề cập rỏ trong chương 7 của sách "Stages to Saturn -
    A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles" ( https://history.nasa.gov/SP-4206/sp4206.htm ).
    Sau mổi vụ nổ, điều có khảo sát (investigation): dò theo TechNote này ( https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19640020175.pdf ) sẻ biết thêm cấu trúc, vật liệu, độ chịu đựng của các thành phần các bình chưá (fuel tank) này.
    Nói tóm: Thành tựu kỷ thuật hàng không không gian những năm 60-70 khó có thể lập lại !

    ReplyDelete
    Replies
    1. Em vừa lục lại hết trang history.nasa.gov. Công nhận tụi NASA viết lại kỹ đến từng chi tiết thật.

      Delete
  3. Đọc thêm bài này:
    https://www.nytimes.com/1987/07/14/science/accident-damages-remaining-atlas-centaur.html
    "...The tank, made of thin stainless steel, is pressurized at 5 pounds per square inch above normal outside pressure to maintain structural strength.

    ''About half the side wall of the tank split and was bent outward by the pressure,'' said a NASA spokesman, Hugh Harris."

    ReplyDelete