Sức mạnh "ẩn thân" của siêu tên lửa khủng nhất NASA: Kỳ quan kỹ thuật!

Câu chuyện về tên lửa SLS mạnh nhất lịch sử NASA - nếu hiểu sâu - có thể khiến nhiều người yêu mến nó hơn!

Báo chí đã gọi lần hoãn phóng SLS của NASA là "bước thụt lùi vĩ đại". Ít người biết, hai sự cố làm hoãn phóng tên lửa mạnh nhất lịch sử NASA chỉ là khó khăn nhỏ trong chuỗi những thử thách mà SLS gặp phải trong quá trình xây dựng hàng thập kỷ của mình.

"Mẹ của tất cả các phương tiện phóng không gian" - là cách mà David Beaman, Giám đốc Văn phòng Kỹ thuật & Tích hợp SLS thuộc NASA, đã dùng để gọi tên lửa SLS phiên bản siêu nâng cấp trong tương lai (gọi là Block 2) - để thấy rằng, NASA và hàng nghìn bộ óc của cơ quan này đặt hy vọng lớn thế nào cho hệ thống phóng SLS.

Chút khó khăn và trì hoãn của NASA cho thấy sự cẩn thận đạt mức hoàn hảo của cơ quan này dành cho hệ thống tên lửa đời mới nhất của mình.

Để hiểu rõ hơn, National Geographic đã có bài viết dài để nói về những thách thức bủa vây của SLS từ những ngày đầu, để rồi cho đến hôm nay - nó vẫn sừng sững ở bệ phóng 39B tại Trung Tâm Vũ trụ Kennedy, bang Florida, Mỹ - để sẵn sàng bay, để chuẩn bị mở ra kỷ nguyên khám phá không gian mới mang tên Kỷ nguyên Artemis.

Nếu có một ngày SLS thẳng cánh bay trong không gian, đối với những người gắn bó với nó, cảm xúc sẽ buồn-vui lẫn lộn. Tại sao?

Hai lần hoãn phóng SLS của NASA: Chậm để chắc

Ngày 29/8/2022, NASA hoãn phóng tên lửa SLS (Mega Moon) lần thứ nhất. Lý do chính vì lỗi động cơ RS-25 số 3 thuộc tầng lõi của tên lửa SLS. Ngoài ra, việc rò rỉ hydro lỏng từ quá trình “nạp chậm” sang “nạp nhanh” cũng khiến NASA phải thận trọng hơn.

Ngày 3/9/2022, sau khi khắc phục sự cố lỗi động cơ và rò rỉ nhiên liệu cho SLS trước đó, NASA tiến hành nỗ lực phóng SLS lần thứ hai. Tuy nhiên, cơ quan này tiếp tục đối mặt với lỗi rò rỉ hydro. Nhóm phóng đã thực hiện ba lần thử khắc phục sự cố rò rỉ, nhưng sau mỗi lần nỗ lực khắc phục sự cố, họ lại phát hiện thấy một lỗ hổng mới. Ngay sau đó, Giám đốc phóng Charlie Blackwell-Thompson đã quyết định hủy bỏ nỗ lực phóng SLS lần thứ hai, The Verge thông tin.

Engadget trích lời Jim Free - Phó giám đốc phát triển hệ thống thăm dò của NASA - cho biết: Việc rò rỉ nhiên liệu sẽ khiến tên lửa SLS có khả năng không phóng trong những ngày đầu tháng 9/2022 mà có thể phải dời sang ngày 16/9 hoặc đầu tháng 10/2022.

"Để SLS cất cánh đưa tàu vũ trụ Orion lên Mặt trăng, chúng tôi cần đảm bảo mọi thứ thật hoàn hảo. Chỉ 1 sơ suất nhỏ cũng có thể phá hủy tất cả trong tích tắc. Chúng tôi không cho phép điều đó xảy ra" - Giám đốc phóng Charlie Blackwell-Thompson khẳng định.

Hình ảnh mô phỏng tên lửa SLS của NASA. (Nguồn: Mack Crawford / NASA Space Flight).

Nếu mọi chuyện diễn ra tốt đẹp theo kế hoạch (nghĩa là sứ mệnh Artemis I thành công) thì đến tháng 5 năm 2024, một phi hành đoàn gồm 4 phi hành gia có thể bay lên quỹ đạo Mặt trăng trên sứ mệnh Artemis II — đánh dấu lần đầu tiên con người thực hiện hành trình khoảng 386.242 km lên Mặt trăng kể từ năm 1972.

Và ngay trong năm 2025, NASA có kế hoạch thực hiện sứ mệnh Artemis III nhằm đưa người đặt chân trên Mặt trăng sau 53 năm vắng bóng.

Nhưng trước khi bất kỳ phi hành gia nào có thể đặt chân lên vệ tinh tự nhiên của Trái Đất, tổ hợp tên lửa SLS và tàu vũ trụ Orion cần phải vượt qua các bước của chúng.

SLS - Tham vọng lớn của loài người

Khi SLS cất cánh, một tiếng nổ lớn sẽ khuấy đảo Đảo Merritt của bang Florida làm 4 động cơ tên lửa của tầng lõi và hai tên lửa đẩy nhiên liệu rắn - lớn nhất từng được chế tạo - sinh ra lực đẩy lên tới gần 4 triệu kg. Trong 500 giây phi lên vũ trụ, SLS sẽ đạt tốc độ 28.002 km/giờ (tương đương 7.778 mét/giây).

Nhờ có hệ thống tên lửa đẩy nhiên liệu rắn ở 2 bên, SLS có thể sẽ bật ra khỏi bệ phóng như con thoi, phi thẳng lên trời trên một luồng lửa khí thải nóng sáng.

Orion là tàu vũ trụ dành cho phi hành đoàn đầu tiên được NASA thiết kế kể từ khi tàu con thoi của Mỹ bay lần đầu vào năm 1981. SLS cũng là tên lửa mạnh nhất mà NASA từng chế tạo.

Để thoát khỏi mặt đất, SLS đã phải đối mặt với nhiều thứ hơn là chỉ có lực hấp dẫn. Tên lửa Mega Moon của NASA đã phải đối mặt với những thách thức to lớn: Nhiều năm trì hoãn, kinh phí hàng chục tỷ USD, những lời chỉ trích không ngừng và khả năng các công ty tư nhân Mỹ sẽ sớm phóng tên lửa khủng tương tự với kinh phí hơn.

Tuy nhiên, tính đến thời điểm hiện tại, SLS là tên lửa duy nhất có khả năng đưa người lên Mặt trăng. Đối với John Blevins, Kỹ sư trưởng của tên lửa tại NASA thì “Kể từ năm 2019, siêu tên lửa SLS đã đại diện cho một khía cạnh cơ bản trong tham vọng độc nhất của loài người chúng ta”.

Tầng lõi của tên lửa SLS được chế tạo tại Cơ sở lắp ráp Michoud (phát âm là MEE-shoo) của NASA, cách trung tâm thành phố New Orleans, bang Louisiana 24 km về phía đông. Nhà máy rộng 174.015 mét vuông này chứa phần lớn quá trình sản xuất tên lửa SLS của cơ quan vũ trụ NASA.

Tháng 9 năm 1961, NASA tiếp quản cơ sở này, với mong muốn có được một địa điểm sản xuất với cảng nước sâu để chế tạo tên lửa Saturn V của Chương trình Apollo. Tầng lõi của Saturn V cũng được thực hiện tại đây, cũng như thùng nhiên liệu màu cam mang tính biểu tượng của tàu con thoi.

Lửa và khói cuồn cuộn bao trùm cơ sở thử nghiệm Northrop Grumman ở Promontory, bang Utah, trong cuộc thử nghiệm một trong những tên lửa đẩy rắn của SLS. (Nguồn: NATGEO).

Việc xây dựng các công đoạn của tầng lõi SLS, do Boeing giám sát. Cũng tại Cơ sở lắp ráp Michoud, Lockheed Martin sẽ đảm nhiệm trọng trách xây dựng khung cấu trúc cho tàu vũ trụ Orion, sau đó, Orion được hoàn thiện tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy ở bang Florida.

Hai tên lửa đẩy vững chắc ở hai bên SLS được Northrop Grumman chế tạo tại các khu vực ở bang Utah và sau đó được vận chuyển bằng tàu hỏa để lắp ráp ở Trung tâm Vũ trụ Kennedy. Còn 4 động cơ RS-25 thời tàu con thoi cung cấp năng lượng cho tầng lõi được thử nghiệm bởi Aerojet Rocketdyne ở bang Mississippi.

Việc chế tạo siêu tên lửa mạnh nhất lịch sử NASA, các nhà sản xuất phải cẩn thận từng chi tiết nhỏ. Chỉ xét riêng các mối hàn của tầng lõi SLS. Không giống như các mối hàn thông thường, những mối hàn trên SLS được tạo ra bằng ma sát - với máy hàn rộng 24 mét, là máy hàn lớn nhất từng được chế tạo. Quá trình này tạo ra các mối hàn chắc chắn hơn với ít tạp chất hơn và không cần kim loại phụ.

Điều này nhằm đảm bảo tầng lõi chịu được áp suất khủng khiếp khi bình nhiên liệu hydro/oxy siêu lạnh của SLS được nén đến khi SLS nổ gấp hơn 2,5 lần tải trọng mà nó sẽ trải qua trong quá trình bay.

Di sản từ tàu con thoi

Xét theo một số khía cạnh, SLS theo nghĩa đen là kỳ quan kỹ thuật ‘vay mượn’ từ tàu con thoi. Bốn lần phóng đầu tiên của SLS sẽ sử dụng động cơ RS-25 đã bay trong các nhiệm vụ của tàu con thoi - nhưng đã được tân trang lại và trang bị bộ điều khiển bay mới.

Các phân đoạn tên lửa đẩy nhiên liệu rắn của SLS cũng bay trong các nhiệm vụ tàu con thoi. Điều này có nghĩa là khi SLS cất cánh, các thành phần từ 83 chuyến bay con thoi khác nhau (đã được cải tiến) sẽ bay cùng nó.

Một mô hình SLS đời đầu nằm bên trong đường hầm gió rộng 36 cm tại Trung tâm Chuyến bay Không gian Marshall của NASA ở Huntsville, bang Alabama. Được xây dựng lần đầu tiên vào cuối những năm 1950 bởi Quân đội Mỹ, đường hầm gió này được sử dụng để thử nghiệm các mô hình tên lửa Saturn V của Chương trình Apollo và tàu con thoi. Nguồn: NATGEO

Nhưng việc tạo ra một phương tiện phóng mới từ phần cứng kiểu con thoi không phải là một quá trình dễ dàng. Hồi thế kỷ 20, thùng nhiên liệu của tàu con thoi nằm bên cạnh các động cơ chính của nó, nhưng trên SLS, những động cơ đó nằm ngay bên dưới thùng nhiên liệu.

Để nghiên cứu SLS sẽ hoạt động như thế nào trong chuyến bay, các kỹ sư sử dụng một tên lửa ảo tại Trung tâm Chuyến bay Không gian Marshall của NASA ở bang Alabama, đông nam Mỹ.

Được bao phủ bởi các hộp kim loại và dây cáp màu trắng đi kèm, trong Phòng thí nghiệm Tích hợp Hệ thống chứa một bản sao đủ tiêu chuẩn bay của máy tính SLS và hệ thống điện tử hàng không. Ở những nơi khác trong phòng thí nghiệm, một hệ thống được gọi là Môi trường thời gian thực nâng cao để tạo mô hình, tích hợp và mô phỏng (viết tắt tiếng Anh là ARTEMIS) mô phỏng các vụ phóng SLS với độ chính xác cực cao, tới chất đẩy trong thùng nhiên liệu của tên lửa.

ARTEMIS mô phỏng các lực tác động lên tên lửa SLS trong quá trình phóng, từ lực cản khí động học đến nhiệt độ và áp suất của thùng nhiên liệu, lên đến 10.000 lần mỗi giây. Đáp lại, hệ thống máy tính bay của SLS (SLS flight computer) thực hiện các điều chỉnh đối với tên lửa ảo cứ sau 20 mili giây một lần. SLS flight computer chạy 50.000 dòng mã kéo dài.

Tại Phòng thí nghiệm Tích hợp Hệ thống của Trung tâm Chuyến bay Không gian Marshall của NASA ở Huntsville, bang Alabama, một hệ thống máy tính phức tạp được sử dụng để mô phỏng hàng trăm nghìn vụ phóng SLS ảo. (Nguồn: NATGEO).

Cùng với nhau, hệ thống đã thực hiện hàng trăm nghìn chuyến bay SLS ảo, khắc phục tất cả các loại vấn đề do các kỹ sư đưa ra vào tên lửa kỹ thuật số.

Đối với Shaun Phillips - Trưởng nhóm phần mềm chuyến bay của SLS, khoảnh khắc ‘thật nhất’ đến vào tháng 3 năm 2021 tại Trung tâm Vũ trụ Stennis của NASA ở bang Mississippi. Trong quá trình thử nghiệm tầng lõi SLS, bốn động cơ RS-25 của SLS đã bốc cháy và tạo ra lực đẩy 725.747 kg trong 8 phút đầy đủ — khoảng thời gian chúng sẽ cần để khai hỏa SLS trong sứ mệnh Artemis I thực.

Phillips cho biết: “Khi động cơ bốc cháy, đó là cảm giác tim muốn rơi ra ngoài lồng ngực của bạn. Lần tới khi những động cơ đó hoạt động thật trong 8 phút, đó sẽ là khoảnh khắc SLS đưa Orion tiến thẳng lên Mặt trăng”.

Con đường đầy chông gai của SLS

Theo lẽ thường, trong hành trình khám phá không gian của con người, con đường để tạo ra SLS (hay bất cứ phương tiện phóng nào) hầu như không phải lúc nào bằng phẳng.

Nguồn gốc của tên lửa SLS được cho là có từ ngày 1 tháng 2 năm 2003, bắt đầu sau thảm họa khi tàu con thoi Columbia bị nổ trong quá trình tái nhập bầu khí quyển, giết chết 7 thành viên phi hành đoàn của nó.

Vào tháng 1 năm sau, một hội đồng đánh giá đã kêu gọi cho các tàu con thoi nghỉ hưu và Tổng thống George W. Bush khi đó đã vạch ra một kế hoạch mới để gửi các phi hành gia lên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS), Mặt trăng và sao Hỏa.

Sáng kiến này, được chính thức hóa thành Chương trình Constellation vào năm 2005, kêu gọi thiết kế một khoang phi hành đoàn tên là Orion, một tàu đổ bộ Mặt trăng và một dòng tên lửa mới. Nhưng Chương trình Constellation nhanh chóng trở nên đắt đỏ và chậm tiến độ, và vào tháng 2 năm 2010, chính quyền Tổng thống Obama khi đó đề nghị hủy bỏ nó.

Động thái này đã khiến Quốc hội Mỹ lo ngại, đặc biệt là vì Constellation đã duy trì các hợp đồng với NASA để hỗ trợ hàng nghìn công việc lương cao, có kỹ năng trên khắp đất nước.

Để đáp lại, Quốc hội đã tài trợ cho hai chương trình tên lửa khác nhau: Chương trình Phi hành đoàn thương mại - hiện đang ký hợp đồng với SpaceX và Boeing để đưa các phi hành gia lên trạm ISS; và chương trình chế tạo SLS.

Tổ hợp SLS và Orion tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy. (Nguồn: DAN WINTERS / NATIONAL GEOGRAPHIC).

Dù rằng, SLS cuối cùng cũng đã sẵn sàng để phóng lên Mặt trăng trong thời gian tới, nhưng nó đã phải ‘trả giá’ không hề nhỏ. Đối với nhóm chế tạo SLS những ngày đầu, khó khăn và thử thách bủa vây khắp nơi.

Một cơn lốc xoáy đã xé toạc Cơ sở lắp ráp Michoud vào năm 2017 và làm hư hại hai tòa nhà của Michoud; Chưa hết, cơn bão Ida đã xé toạc mái nhà vào tháng 9/2021 và đại dịch Covid-19 đã tạo ra những khoảng lùi lớn trong hành trình xây dựng SLS.

Không dừng ở đó, theo Văn phòng Tổng thanh tra của NASA, cơ quan này đã mất hàng năm trời để khắc phục các lỗi kỹ thuật trong quá trình hàn và chế tạo tên lửa đẩy nhiên liệu rắn.

Theo một mốc thời gian quan trọng của NASA từ năm 2014, SLS được dự kiến sẽ tiêu tốn khoảng 9,1 tỷ USD để thiết kế và chế tạo cho lần phóng vào tháng 11 năm 2018. Vào tháng 6/2022, Văn phòng Trách nhiệm Giải trình của Chính phủ Mỹ phát hiện ra rằng những chi phí đó đã tăng lên gần 11,8 tỷ đô la, sau 3 năm trì hoãn vì đại dịch.

“Đó là khoảng thời gian rất khó chịu. Đến cuối cùng, SLS đã vượt qua cơn ác mộng tồi tệ nhất. Để rồi, cuối cùng nó sừng sững ở bệ phóng 39B của Trung tâm Vũ trụ Kennedy, chờ ngày phóng” - Lori Garver, Cựu Phó giám đốc NASA từ năm 2009 đến năm 2013.

Vào tháng 3, Văn phòng Tổng thanh tra của NASA ước tính rằng tổng thể Chương trình Artemis của NASA sẽ tiêu tốn khoảng 93 tỷ đô la Mỹ tính từ tháng 10 năm 2011 đến tháng 9 năm 2025 , trong đó bao gồm 4,1 tỷ đô la Mỹ cho mỗi lần phóng SLS (trong ít nhất 4 lần phóng đầu của SLS) - theo Paul Martin, Tổng Thanh tra của Văn phòng Tổng thanh tra của NASA, thông tin.

Trải qua vô vàn khó khăn, SLS hôm nay đã sừng sững trên bệ phóng, chờ ngày cất cánh. Dẫu SLS thành công trong hành trình bay vũ trụ, đối với những người gắn bó với nó, cảm xúc ùa về sẽ vừa hãnh diện vừa buồn lo. Vì sao?

Di sản "vô hình" của tên lửa mạnh nhất NASA

Theo NASA, sẽ còn mất nhiều thời gian hơn nữa để hoàn thành các phiên bản nâng cấp của tên lửa SLS.

Hiện tại, tên lửa SLS (ở phiên bản đầu tiên có tên Block 1) có lực đẩy khi cất cánh lớn hơn tên lửa Saturn V của Chương trình Apollo.

Tầng trên của SLS là một mô hình tạm thời với loại động cơ sẽ chỉ bay để phục vụ cho ba sứ mệnh Artemis (Artemis I, II, III).

Bắt đầu với Artemis IV, tên lửa SLS sẽ sử dụng một động cơ mạnh mẽ hơn, bốn động cơ “Exploration Upper Stage” giúp SLS có thể phóng từ 27 tấn lên ít nhất 38 tấn hàng hóa. Sau đó, các phiên bản nâng cấp tên lửa SLS sẽ được trang bị tên lửa đẩy nhiên liệu rắn được cải tiếng, nâng tải trọng lên Mặt trăng lên hơn 43 tấn.

NASA sẽ cần tất cả khả năng bổ sung này của SLS để xây dựng một trạm vũ trụ trên quỹ đạo Mặt trăng, theo đúng như kế hoạch thực hiện sau khi Artemis III hoàn thành.

Cơ quan vũ trụ NASA cũng hy vọng sẽ phát triển một trạm nghiên cứu trên Mặt trăng, sử dụng cấu hình cuối cùng của SLS được gọi là "Block 2", mà David Beaman của NASA, Giám đốc Văn phòng Kỹ thuật & Tích hợp SLS, gọi là "Mẹ của tất cả các phương tiện phóng không gian".

Lịch sử sẽ có nhiều điều để nói về SLS và cuộc phiêu lưu không gian tiếp theo của loài người. (Nguồn: NASA).

SpaceX, công ty chế tạo tên lửa do Elon Musk thành lập, có thể không đồng ý với điều đó. Vào năm 2018, công ty đã ra mắt tên lửa nâng hạng nặng của riêng mình, Falcon Heavy có thể tái sử dụng một phần, có thể phóng khoảng 18 đến 22 tấn lên Mặt trăng với giá thấp nhất là 97 triệu đô la.

SpaceX cũng đang chế tạo một tên lửa thậm chí còn lớn hơn, tên là Starship — không giống như SLS, được thiết kế để có thể tái sử dụng hoàn toàn. Nếu Starship hoạt động, nó sẽ cho phép phóng các tàu có trọng tải lớn với giá rẻ chưa từng có. Về lâu dài, SpaceX muốn sử dụng tên lửa này để thiết lập một thành phố trên sao Hỏa.

Tuy nhiên, tàu Starship vẫn chỉ là một nguyên mẫu, và tiềm năng đầy đủ của nó sẽ chỉ đạt được nếu nó có thể tiếp nhiên liệu trên quỹ đạo, điều chưa từng được thực hiện trước đây.

Các quan chức NASA nhấn mạnh rằng không có cạnh tranh giữa NASA và SpaceX, vì cả hai tên lửa (SLS và Starship) đều rất quan trọng đối với sự thành công của Chương trình Artemis. Các phi hành gia của sứ mệnh Artemis III đáp xuống Mặt trăng sẽ rời Trái Đất trong tàu vũ trụ Orion do SLS phóng lên; và sau đó chuyển sang tầng trên của Starship (là tàu vũ trụ cùng tên của hệ thống Starship) để hạ cánh xuống bề mặt Mặt trăng.

Sự thành công của Starship cũng phụ thuộc vào khả năng hạ cánh và phóng lại tên lửa cực lớn của SpaceX.

Về chuyến bay đầu tiên của SLS, theo kế hoạch, chưa đầy 2 phút bay, hai tên lửa đẩy nhiên liệu rắn của SLS sẽ rơi xuống Đại Tây Dương, và không giống như tên lửa đẩy tàu con thoi, chúng sẽ không được lấy lại. Khoảng 8 phút rưỡi sau cuộc hành trình, tầng lõi của SLS sẽ bị tách rời rồi rơi xuống Thái Bình Dương. Và chỉ hơn 2 giờ sau khi phóng, tầng trên của SLS sẽ tách khỏi khoang phi hành đoàn Orion và đi vào quỹ đạo cô đơn quanh Mặt Trời.

Mỗi một lần các phần của SLS tách rời, là mỗi lần sứ mệnh phóng Orion của SLS thể hiện sự thành công của riêng nó. “Suy nghĩ về số phận của các phần tên lửa SLS là một cảm xúc buồn-vui lẫn lộn. Bạn sẽ không thể thấy và lấy lại các phần cứng đó, nhưng ai cũng hiểu, nhờ có chúng, Orion mới có thể bay lên Mặt trăng. Di sản vô hình đó là thứ chúng tôi sẽ nhớ mãi” - Kỹ sư của Boeing - Amanda Gertjejansen nói.

Lịch sử sẽ có nhiều điều để nói về SLS và cuộc phiêu lưu không gian tiếp theo của loài người.

• NASA sửa tổ hợp tên lửa SLS ngay trên bệ phóng
• Sứ mệnh Mặt trăng Artemis 1 tiếp tục bị hoãn vì rò rỉ nhiên liệu
• NASA hủy phóng sứ mệnh Mặt trăng Artemis 1 vào phút chót