Chuyến Bay Trên Hành Tinh Sao Hỏa? NASA Sắp Thực Hiện

Cuối tuần này, NASA dự kiến sẽ phóng tên lửa vũ trụ Mars thứ năm của mình, Perseverance, trong chuyến đi kéo dài sáu tháng đến Hành Tinh Đỏ. Perseverance sẽ khởi động một nhiệm vụ để thu thập mẫu đất sao Hỏa có thể chứa dấu vết của sự sống cổ đại, để chúng có thể được trả về Trái Đất trong một nhiệm vụ khác vào cuối thập kỷ này. Nó cũng sẽ mang theo một trang bị không giống bất cứ thứ gì đã từng được đưa lên vũ trụ: một chiếc trực thăng tự động nhỏ gọi là Ingenuity. Vào mùa xuân tới, có lẽ là tháng 4, Ingenuity sẽ quay cánh quạt và trở thành phương tiện vũ trụ đầu tiên bay trên Sao Hỏa.

“Tôi nhìn nhận đó như là một khoảnh khắc như những anh em Wright trên một hành tinh khác,” nói Bob Balaram, kỹ sư chủ trì dự án trực thăng sao Hỏa tại Trung tâm Nghiên cứu Vũ trụ Jet Propulsion Laboratory của NASA. “Đây là một nhiệm vụ có rủi ro cao, nhưng cũng có thể mang lại phần thưởng cao, có thể giúp chúng ta đến nhiều nơi chúng ta chưa thể đến trước đây.”

Các vệ tinh tốt để có cái nhìn toàn cầu về một hành tinh, và các robot đổ bộ tốt để khám phá một diện tích đất tương đối nhỏ chi tiết một cách tỉ mỉ. Đối với mọi thứ ở giữa, việc có một hệ thống bay trên không là hữu ích. Một robot đổ bộ chỉ có thể di chuyển được vài chục kilômét trong suốt vài năm, nhưng máy bay không người lái ngoài hành tinh trong tương lai có thể dễ dàng di chuyển qua đó trong một ngày. Chúng có thể chụp ảnh từ trên cao để giúp robot lập kế hoạch cho con đường tốt nhất hoặc thu thập mẫu và trả về chúng cho một trạm đất cố định để phân tích. Ingenuity sẽ không thể thực hiện bất kỳ nghiên cứu thực tế nào, nhưng đó là bước đầu tiên hướng tới một máy bay không người lái ngoài hành tinh có thể.

Cấu trúc của Ingenuity—các camera, trang thiết bị truyền thông, và avionics—được đặt trong một khối nhỏ sẽ được treo giữ trong không không bởi bốn chân mảnh giúp nó trông giống một loài côn trùng máy móc. Phía trên có hai cặp cánh quạt, mỗi cặp đường kính bốn feet, nằm giữa cơ thể của Ingenuity và một tấm pin năng lượng mặt trời hình chữ nhật. Toàn bộ thiết bị nặng nhẹ hơn một chai nước ngọt hai lít, nhưng đủ mạnh mẽ để chịu đựng môi trường cực đoan mà nó sẽ đối mặt trong quá trình phóng, hạ cánh, và tồn tại hàng ngày trên bề mặt Sao Hỏa.

Khi Perseverance đến Mars, nó sẽ dành vài tuần kiểm tra hệ thống của mình. Nếu mọi thứ đều ổn, nhiệm vụ đầu tiên của nó sẽ là tìm một vùng trống trong hố Jezero đá đầy đá để đặt hành khách của mình xuống. (Và nó sẽ đúng là sự thả—chiếc trực thăng được gắn dưới bụng của robot đổ bộ.) Sau khi robot đổ bộ và trực thăng chia tay, ngày sống của chiếc trực thăng sẽ đếm ngược. Balaram và đội của anh chỉ có một tháng để thực hiện đến năm chuyến bay thử nghiệm. “Ý đồ chung của chiến dịch này là có được dữ liệu kỹ thuật để chúng ta có thể nói rằng nó hoạt động theo cách chúng ta nghĩ và không có bất kỳ điều gì bất ngờ trên Sao Hỏa,” Balaram nói. “Quá 30 ngày, chúng tôi sẽ chỉ là một sự xao lạc.”

Giống như cuộc thử nghiệm bay nổi tiếng của anh em Wright tại Kitty Hawk, trong chuyến bay đầu tiên, Ingenuity chỉ sẽ bay trong vài giây. Cuộc nhảy này sẽ gần như là bản sao chính xác của các cuộc thử nghiệm bay mà Balaram và đồng đội của ông thực hiện trở lại Trái Đất để họ có thể so sánh hiệu suất của trực thăng với kỳ vọng. Nếu mọi thứ diễn ra suôn sẻ, Ingenuity sẽ cố gắng các hồ sơ bay ngày càng khó khăn hơn. Chiếc trực thăng được thiết kế để bay lên đến 15 feet và có thể di chuyển lên đến ba sân bóng từ điểm cất cánh của nó. Pin của nó giới hạn nó chỉ có 90 giây thời gian bay, nhưng điều này sẽ là đủ cho các cuộc biểu diễn bay mà nó sẽ thực hiện trên Sao Hỏa.

Đối với Balaram, chuyến bay đầu tiên trên Sao Hỏa đã đến rất lâu. Ông đã nảy ra một kế hoạch cho một chiếc trực thăng ngoài hành tinh vào cuối những năm 1990—mặc dù ý tưởng không hẳn mới mẻ—sau khi xem một bài thuyết trình tại hội nghị của Ilan Kroo, một kỹ sư hàng không tại Đại học Stanford đã dành những năm gần đây làm việc vào một drone nghiên cứu khí tượng nhỏ gọn gọi là mesicopter. Như Kroo và đội của ông biết rõ từ nghiên cứu của họ, động học không khí trở nên nhầy nhoà ở quy mô nhỏ, làm cho việc kiểm soát chuyến bay trở nên khó khăn. "Chúng tôi sớm nhận ra rằng việc lái thiết bị quy mô mesi trên trái đất rất giống, ít nhất là về mặt động học, việc lái các phương tiện lớn hơn trên Sao Hỏa," Kroo nói. "Chúng tôi bắt đầu làm việc với Bob Balaram và Jet Propulsion Lab để chuyển các thiết kế cánh quạt nhỏ của chúng tôi lên để bay trên Sao Hỏa."

Balaram và Kroo đã đệ trình một đề xuất về một chiếc trực thăng Mars cho NASA vào đầu những năm 2000, nhưng đề xuất đó chưa bao giờ được tài trợ mặc dù có phản hồi tích cực từ các nhà đánh giá. (Balaram đổ lỗi cho việc cắt giảm ngân sách tại cơ quan.) Ý tưởng đó đọng lại trên kệ thêm 15 năm nữa cho đến khi Charles Elachi, giám đốc Jet Propulsion Laboratory của NASA, yêu cầu Balaram chỉnh sửa đề xuất và nộp nó như một thí nghiệm cùng đi cho rover mới nhất của cơ quan. Năm 2018, các quan chức NASA thông báo rằng chiếc trực thăng sẽ là một phần khoa học phụ trên nhiệm vụ Mars 2020. Đến thời điểm đó, nghiên cứu và phát triển về chiếc trực thăng đã tiến triển rất nhanh.

NASA đã chọn AeroVironment, một nhà sản xuất drone ở California, để xây dựng phần cứng cho nhiệm vụ. Công ty này có nhiều kinh nghiệm trong việc vận hành máy bay tự động trong môi trường cực đoan—và một chút lịch sử với NASA. Năm 2001, công ty đã ký hợp đồng với cơ quan này để xây dựng một drone chạy bằng năng lượng mặt trời có thể bay ở độ cao 96,000 feet; 20 năm sau, kỷ lục vẫn còn đứng. Độ cao đó trên Trái Đất tương đương với việc bay gần bề mặt trên Sao Hỏa do khí quyển mỏng manh của hành tinh. Nhưng việc lái một chiếc trực thăng nhỏ trên Sao Hỏa khiến việc lái một cánh cứng năng lượng mặt trời khổng lồ trên Trái Đất trở nên dễ dàng.

“Chúng tôi phải giữ mọi thứ siêu nhẹ để làm cho toàn bộ chương trình hoạt động,” nói Ben Pipenberg, một kỹ sư cơ học hàng không tại AeroVironment. “Chúng tôi thực sự đã cố gắng rút mỗi miligam khỏi từng bộ phận, vì đó thực sự là điều cần thiết để giảm trọng lượng đủ thấp để bay trên Sao Hỏa.”

Đội ngũ Ingenuity phải cân nhắc giữa yêu cầu nặng nề về trọng lượng với những yêu cầu cạnh tranh về độ bền và hiệu suất. Mặc dù trọng lượng của chiếc trực thăng được giới hạn ở bốn pounds, nó vẫn phải đủ mạnh để chống lại các lực mạnh mẽ mà nó sẽ gặp phải trong quá trình phóng và hạ cánh. Thiết bị của nó cũng phải đáp ứng các yêu cầu của nhiệm vụ, như việc có một động cơ có thể quay cánh quạt nhanh hơn năm lần so với một chiếc trực thăng điển hình để tạo ra độ nâng. Ồ, và nó sẽ cần một máy tính đủ mạnh để chạy các thuật toán tầm nhìn máy mà trực thăng sẽ sử dụng để tự động điều hướng trên cảnh địa Sao Hỏa. Đó là nhiều yêu cầu đối với một máy nhẹ hơn cả một laptop.

“Điều này đặt áp lực lên từng lĩnh vực kỹ thuật,” nói MiMi Aung, quản lý dự án cho Ingenuity tại Jet Propulsion Laboratory của NASA. “Có rất nhiều khoảnh khắc gây căng thẳng.”

Để giảm trọng lượng, các kỹ sư tại AeroVironment đã làm cánh bằng bọt và bọc chúng bằng sợi carbon, và sử dụng các vật liệu kỹ thuật tiên tiến khác, như hợp kim kim loại beryllium, cho các thành phần khác của cơ thể. Đối với avionics và nguồn cung cấp điện, nhóm đã chuyển sang sử dụng các bộ phận thương mại có sẵn. Ingenuity lưu trữ năng lượng của mình với một viên pin lithium ion thông thường và máy tính của nó là bộ xử lý Qualcomm Snapdragon, được tìm thấy trong nhiều loại điện thoại thông minh. Chúng có thể không chắc chắn như phần cứng trên rover Perseverance, nhưng chúng rẻ hơn so với việc sử dụng phần cứng chất lượng không gian trong khi vẫn đáp ứng được yêu cầu hiệu suất của trực thăng. Vì Ingenuity không quan trọng đối với nhiệm vụ chính của rover, đội ngũ JPL có thể đánh cược một số thành phần của điện thoại thông minh.

Cũng có thách thức đơn giản là tìm ra cách kiểm thử nó. “Chưa ai làm điều này trước đây, vì vậy đội phải phát minh một cách để kiểm thử phương tiện một cách dần dần trong khi một đội khác đang phát minh trực thăng theo chiều song song,” nói Aung. “Chúng tôi thực sự là một người đầy nghi ngờ, và chúng tôi phải làm như vậy, vì chúng tôi đang phải đối mặt với áp lực thời gian lớn để tiến triển đủ nhanh để kịp thời điểm phóng rover. Vì vậy, chúng tôi thực sự đã phải nghĩ xa.”

Đội đã xây dựng hai mô hình thử nghiệm của Ingenuity: một cho thử nghiệm môi trường và một cho thử nghiệm bay. Thử nghiệm môi trường là nghệ thuật tạo ra một địa ngục cho một con tàu vũ trụ. Một mô hình thử nghiệm của Ingenuity đã được tiếp xúc với nhiệt độ cực lạnh để mô phỏng điều kiện trên Sao Hỏa, nó được đặt gần các vụ nổ nhỏ để đảm bảo nó có thể chịu được những cú sốc mạnh mẽ từ các tên lửa được sử dụng để triển khai dùi hạ cánh, và nó đã bị bắn với hệ thống âm thanh lớn và tệ nhất xung quanh để xem liệu tất cả các đinh ốc của nó có giữ chặt khi tiếp xúc với rung động cực đoan của một cuộc phóng tên lửa hay không.

Các thử nghiệm bay diễn ra trong một buồng hút chân không khổng lồ có đường kính 25 feet được bơm đầy khí carbon để mô phỏng thành phần và sự mỏng manh của không khí Sao Hỏa. Trọng lực trên Sao Hỏa chỉ khoảng một phần ba so với Trái Đất, và vì NASA vẫn chưa tìm ra cách để kiểm soát trọng lực chính nó, kỹ sư của cơ quan này phải bồi thường bằng các cách khác để tạo ra một kịch bản Sao Hỏa có thực tế. Đối với Ingenuity, điều này có nghĩa là gắn một dây đàn hồi trọng lực vào phương tiện. Dây đàn hồi này giống như dây câu cá và có thể được điều chỉnh động để kéo lên trực thăng đủ để mô phỏng hiệu ứng của trọng lực giảm khi nó đang bay.

Về mặt vật lý, việc lái một chiếc trực thăng trên Sao Hỏa về cơ bản giống như việc lái một chiếc trực thăng trên Trái Đất: Các cánh quay và kéo không khí xuống đủ nhanh để tạo nên sức nâng. Nhưng quỉ ở chỗ chi tiết, và các thử nghiệm bay thực tế đã giúp đội ngũ Ingenuity phát hiện ra một số điều lạ lẫm về việc lái một chiếc trực thăng trên một hành tinh khác. Trong một thử nghiệm sớm, một kỹ sư của AeroVironment phát hiện rằng anh ấy có thể lái một mô hình thử nghiệm của Ingenuity một cách hoàn hảo trong một buồng chân không mở. Nhưng khi buồng được niêm phong và không khí được bơm ra để mô phỏng điều kiện Sao Hỏa, chiếc trực thăng bắt đầu hoạt động không ổn định và trở nên khó lái. “Đó là lúc chúng tôi nhận ra có lẽ việc kiểm soát không đơn giản như chúng ta nghĩ,” nói Balaram.

Trên Trái Đất, cánh trực thăng có xu hướng phô ra khi quay do độ dài của cánh và môi trường không khí hỗn loạn xung quanh cánh quay. Phản hồi từ sự phô này sẽ làm cho một chiếc trực thăng gần như không thể kiểm soát nếu không có sự giúp đỡ từ việc không khí dày của Trái Đất giảm rung động xuống mức quản lý được. Nhưng như kỹ sư của AeroVironment phát hiện, không khí của Sao Hỏa quá mỏng để có hiệu ứng giảm phô này, và khi điều này lan ra máy móc, nó tạo ra hỗn loạn trong hệ thống kiểm soát của nó. “Điều này khiến tất cả các chuyên gia trực thăng của NASA hào hứng một cách lớn, vì đối với họ, đó giống như việc nhìn thấy mọi thứ với đôi mắt mới tinh,” nói Balaram. Để bù lại cho hiệu ứng này, đội ngũ Ingenuity đã xây dựng lại cánh để làm chúng cứng hơn.

Rất nhiều điều phụ thuộc vào độ chính xác của kết quả thử nghiệm bay. Khác với các mô hình thử nghiệm Ingenuity, đã đăng ký giờ bay, chiếc trực thăng điều chỉnh đến Sao Hỏa chỉ mới trải qua vài phút trong không khí Trái Đất. “Chúng tôi không muốn làm hỏng hệ thống trong quá trình kiểm thử nó,” nói Balaram. Đến khi NASA bỏ rơi Ingenuity trên bề mặt Sao Hỏa, chiếc trực thăng nhỏ bé và gan dạ sẽ chỉ có thời gian bay ít hơn 30 phút.

Balaram nói rằng NASA đã đang làm việc trên thế hệ tiếp theo của các chiếc trực thăng ngoài hành tinh, và dữ liệu kỹ thuật thu thập được bởi Ingenuity trong quá trình thử nghiệm bay sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của chúng. Các chiếc trực thăng trong tương lai có thể trông khác nhiều so với Ingenuity - một thiết kế mà NASA đang nghiên cứu có sáu cánh quạt, ví dụ - và chúng chắc chắn sẽ lớn hơn.

Nhưng chuyến bay khoa học đầu tiên trên một hành tinh khác có thể không xảy ra trên Sao Hỏa. Năm 2025, NASA dự định gửi một chiếc quadcopter nhỏ chạy bằng năng lượng hạt nhân có tên Dragonfly để tìm kiếm sự sống xung quanh Titan, một trong những mặt trăng lớn nhất của Sao Thổ. Dragonfly sẽ có tuổi thọ dài hơn nhiều so với Ingenuity - dự kiến sẽ dành hai năm nhảy lên xuống bề mặt của mặt trăng - và nó sẽ có phạm vi độ cao 2 dặm. Titan nói chung được coi là nơi dễ bay nhất trong hệ mặt trời do khí quyển cực kỳ dày và trọng lực thấp. “Nếu bạn không phiền với cái lạnh, bạn có thể buộc cánh và tự mình bay đến đó,” Balaram nói. Nhưng cho đến bây giờ, chúng ta sẽ phải sống chung với một chiếc trực thăng.

Cập nhật 7-28-2020, 10:15 sáng ET: Perseverance là chiếc xe thám hiểm thứ năm của NASA trên Sao Hỏa.

Những điều tuyệt vời khác từ Mytour

• Có thể Trump chiến thắng trận chiến với Huawei—và TikTok có phải là tiếp theo không?
• Hiện tượng nóng lên toàn cầu. Bất bình đẳng. Covid-19. Và Al Gore... lạc quan?
• 5G đã hứa hẹn sẽ đoàn kết thế giới—thay vào đó, nó đang làm chia rẽ chúng ta
• Cách đặt mật khẩu cho bất kỳ ứng dụng nào trên điện thoại của bạn
• Bảy chiếc đầu chuyển đĩa tốt nhất cho bộ sưu tập nhạc vinyl của bạn
• 👁 Chuẩn bị cho việc trí tuệ nhân tạo tạo ra ít phép mà thuật hơn. Ngoài ra: Nhận tin tức AI mới nhất
• 🎙️ Nghe Get Mytour, podcast mới của chúng tôi về cách tương lai được thực hiện. Theo dõi các tập mới nhất và đăng ký nhận bản tin để theo dõi tất cả các chương trình của chúng tôi
• 🏃🏽‍♀️ Muốn có những công cụ tốt nhất để duy trì sức khỏe? Kiểm tra những lựa chọn của đội ngũ Gear chúng tôi về các bộ theo dõi sức khỏe tốt nhất, đồ chạy bộ (bao gồm giày dép và tất), và tai nghe tốt nhất