Sức mạnh 'ẩn chứa' của siêu tên lửa khổng lồ nhất từng được NASA sản xuất: Một kỳ tích về công nghệ!

Câu chuyện về tên lửa SLS - biểu tượng của sức mạnh vũ trụ trong lịch sử của NASA - nếu được hiểu sâu hơn, có thể khiến nhiều người phải mê mệt nó hơn!

Báo chí đã đặt tên cho việc hoãn phóng SLS của NASA là 'một bước đi vĩ đại quay lưng'. Tuy nhiên, ít ai biết rằng hai sự cố này chỉ là những trở ngại nhỏ trong quá trình phát triển của tên lửa mạnh mẽ nhất trong lịch sử NASA, trong thập kỷ qua.

'Mẹ của tất cả các phương tiện phóng không gian' - cách mà David Beaman, Giám đốc Văn phòng Kỹ thuật & Tích hợp SLS của NASA, đã mô tả về tên lửa SLS phiên bản siêu nâng cấp trong tương lai (gọi là Block 2) - cho thấy hy vọng lớn lao của NASA và hàng nghìn tài năng trong cơ quan này đặt vào hệ thống phóng SLS.

Sự cẩn trọng và sự chậm trễ của NASA trong việc phát triển SLS cho thấy cam kết tuyệt đối của họ đối với sự hoàn hảo của hệ thống tên lửa mới nhất của họ.

Để hiểu rõ hơn, National Geographic đã có một bài báo dài về những thách thức mà SLS đã phải đối mặt từ khi bắt đầu cho đến ngày nay - khi nó vẫn đứng vững tại Bệ phóng 39B tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy, Florida, Mỹ - chuẩn bị cho sứ mệnh của mình, mở ra thời kỳ mới của khám phá không gian, được gọi là Thời kỳ Artemis.

Nếu một ngày nào đó, SLS cất cánh vào không gian, với những người đã dành nhiều công sức cho nó, cảm xúc sẽ phức tạp. Vì sao vậy?

HAI LẦN HOÃN PHÓNG SLS CỦA NASA: CHẬM ĐỂ CHẮC!

Vào ngày 29/8/2022, NASA đã hoãn lần đầu tiên việc phóng tên lửa SLS (Mega Moon) vì sự cố với động cơ RS-25 số 3 trong tầng lõi của tên lửa. Đồng thời, rò rỉ hydro lỏng từ quá trình 'nạp chậm' sang 'nạp nhanh' cũng là một trong những nguyên nhân khiến NASA phải cẩn trọng hơn.

Ngày 3/9/2022, sau khi đã khắc phục sự cố với động cơ và rò rỉ nhiên liệu của SLS, NASA tiến hành lần thử phóng thứ hai. Tuy nhiên, vấn đề với rò rỉ hydro vẫn còn tồn tại. Mặc dù nhóm phóng đã thử ba lần để sửa chữa, nhưng sau mỗi lần, họ lại phát hiện ra những lỗ hổng mới. Vì vậy, Giám đốc phóng Charlie Blackwell-Thompson đã quyết định hủy bỏ nỗ lực phóng thứ hai của SLS, The Verge đã thông tin.

Engadget trích lời Jim Free - Phó giám đốc phát triển hệ thống thăm dò của NASA - cho biết: Rò rỉ nhiên liệu có thể khiến việc phóng SLS vào đầu tháng 9/2022 trở nên không khả thi và có thể phải lùi lại ngày 16/9 hoặc đầu tháng 10/2022.

'Để tên lửa SLS đưa tàu vũ trụ Orion lên Mặt Trăng, chúng tôi cần đảm bảo mọi thứ hoàn hảo. Chỉ một lỗi nhỏ cũng có thể phá hủy mọi kế hoạch. Chúng tôi không chấp nhận điều đó xảy ra' - Giám đốc phóng Charlie Blackwell-Thompson nói.

Nếu mọi việc diễn ra theo kế hoạch (nghĩa là Artemis I thành công), vào tháng 5 năm 2024, một phi hành đoàn gồm 4 người có thể lên quỹ đạo Mặt Trăng trên sứ mệnh Artemis II - đánh dấu sự trở lại lần đầu tiên của con người trên Mặt Trăng kể từ năm 1972.

Và trong năm 2025, NASA dự định thực hiện sứ mệnh Artemis III để đưa con người đặt chân trên Mặt Trăng sau 53 năm vắng bóng.

Trước khi bất kỳ phi hành gia nào có thể đặt chân lên Mặt Trăng, tên lửa SLS và tàu vũ trụ Orion phải vượt qua những thử thách của họ.

SLS - THAM VỌNG LỚN CỦA LOÀI NGƯỜI

Khi SLS cất cánh, một âm thanh vang dội sẽ rung lên ở Đảo Merritt, bang Florida khi 4 động cơ của tầng lõi và 2 tên lửa đẩy nhiên liệu rắn — lớn nhất từng được chế tạo — tạo ra lực đẩy gần 4 triệu kg. Trong 500 giây tiến về vũ trụ, SLS sẽ đạt tốc độ 28.002 km/giờ (tương đương 7.778 mét/giây).

Với hệ thống tên lửa đẩy nhiên liệu rắn ở hai bên, SLS có thể sẽ nổi lên như con tàu vũ trụ, bay thẳng lên trời trên một tia lửa sáng chói.

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 rời khỏi mặt đất, SLS đã phải vượt qua nhiều thách thức hơn là chỉ đối mặt với trọng lực. Tên lửa Mega Moon của NASA đã phải đối mặt với những thách thức lớn: Nhiều năm trì hoãn, chi phí hàng chục tỷ USD, sự chỉ trích không ngừng và khả năng các công ty tư nhân Mỹ sẽ sớm phóng tên lửa khổng lồ tương tự với kinh phí lớn hơn.

Tuy nhiên, đến thời điểm hiện tại, SLS vẫn là chiếc tên lửa duy nhất có khả năng đưa con người lên Mặt Trăng. Đối với John Blevins, Kỹ sư trưởng của dự án tên lửa tại NASA, 'Kể từ năm 2019, siêu tên lửa SLS đã đóng vai trò quan trọng trong tham vọng độc nhất vô nhị của loài người chúng ta'.

Tầng lõi của tên lửa SLS được sản xuất tại Cơ sở Michoud của NASA, cách trung tâm New Orleans, 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 NASA.

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

Việc xây dựng các phần của tầng lõi SLS do Boeing giám sát. Cũng tại Michoud, Lockheed Martin sẽ xây dựng khung cấu trúc cho tàu vũ trụ Orion, sau đó, Orion được hoàn thiện tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy ở Florida.

Hai tên lửa đẩy ở hai bên của SLS được Northrop Grumman chế tạo tại các khu vực ở Utah và sau đó được vận chuyển bằng đường sắt để lắp ráp tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy. Còn 4 động cơ RS-25, được thử nghiệm cho tầng lõi, được Aerojet Rocketdyne sản xuất tại Mississippi.

Việc sản xuất siêu tên lửa mạnh nhất lịch sử NASA đòi hỏi sự cẩn thận đến từng chi tiết nhỏ. Chỉ cần xem các mối hàn trên tầng lõi SLS. Khác với các mối hàn thông thường, các 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 sử dụng 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 với áp suất gấp hơn 2,5 lần tải trọng mà nó sẽ trải qua trong quá trình bay.

DI SẢN TỪ TÀU CON THOI

Xét về mặt nào đó, SLS thực sự là một 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 nâng cấp và trang bị bộ điều khiển bay mới.

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

Tuy nhiên, việc chế tạo một phương tiện phóng mới từ phần cứng của tàu con thoi không hề dễ dàng. Trong 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 về cách SLS hoạt động 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, miền Đông Nam Hoa Kỳ.

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.

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 quan điểm thông thường, trong hành trình khám phá vũ trụ của con người, con đường tạo ra SLS (hoặc bất kỳ phương tiện phóng nào) hầu như không bao giờ mượt mà.

Nguồn gốc của tên lửa SLS được cho là bắt đầu từ ngày 1 tháng 2 năm 2003, sau thảm họa khi tàu con thoi Columbia bị nổ trong quá trình tái nhập khí quyển, khiến 7 phi hành gia trên bị thiệt mạng.

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

Sáng kiến này, chính thức trở thành Chương trình Constellation vào năm 2005, bao gồm thiết kế một khoang phi hành đoàn tên Orion, một tàu đổ bộ Mặt Trăng và một dòng tên lửa mới. Tuy nhiên, Constellation gặp nhiều vấn đề về chi phí và tiến độ, và vào tháng 2 năm 2010, chính phủ của Tổng thống Obama lúc đó đề xuất hủy bỏ dự án này.

Động thái này khiến Quốc hội Mỹ lo ngại, đặc biệt là về việc Constellation duy trì các hợp đồng với NASA để hỗ trợ hàng ngàn công việc có lương cao và kỹ năng trên toàn quốc.

Như một phản ứng, Quốc hội đã tài trợ cho hai chương trình tên lửa khác nhau: Chương trình Phi hành đoàn thương mại - hiện đang hợp tác với SpaceX và Boeing để đưa phi hành gia lên trạm ISS; và chương trình phát triển SLS.

Mặc dù SLS cuối cùng đã sẵn sàng để cất cánh lên Mặt Trăng trong thời gian sắp tới, nhưng nó đã phải trải qua nhiều khó khăn và thử thách. Đối với nhóm xây dựng SLS, những ngày đầu tiên đã đầy gian truân và khó khăn.

Một cơn lốc xoáy đã tàn phá Cơ sở lắp ráp Michoud vào năm 2017, gây hư hại cho hai tòa nhà; không chỉ vậy, cơn bão Ida cũng làm hỏng mái nhà vào tháng 9/2021, trong khi đại dịch Covid-19 tạo ra những vấn đề lớn trong quá trình xây dựng SLS.

Ngoài ra, theo Văn phòng Tổng thanh tra của NASA, cơ quan này đã phải mất nhiều năm để khắc phục các lỗi kỹ thuật trong quá trình hàn và chế tạo tên lửa đẩy nhiên liệu rắn.

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

“Đó là thời kỳ vô cùng khó khăn. Cuối cùng, SLS đã vượt qua những khó khăn tồi tệ nhất. Và giờ đây, nó sẵn sàng trên bệ phóng 39B tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy, chờ ngày ra quân” - 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 tổng chi phí cho Chương trình Artemis của NASA sẽ lên đến khoảng 93 tỷ USD từ tháng 10 năm 2011 đến tháng 9 năm 2025, trong đó có 4,1 tỷ USD 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.

Vượt qua hàng loạt khó khăn, SLS hiện đang sẵn sàng trên bệ phóng, chờ đến ngày ra quân. Dù thành công trong chuyến bay vũ trụ, nhưng đối với những người liên quan, cảm xúc lúc này là một sự kết hợp giữa tự hào và buồn bã. Tại sao vậy?

DI SẢN KHÔNG GIAN 'VÔ HÌNH' CỦA TÊN LỬA MẠNH NHẤT NASA

Theo thông tin từ NASA, việc hoàn thiện các phiên bản nâng cấp của tên lửa SLS sẽ tiêu tốn nhiều thời gian hơn dự kiến.

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

Phần trên của tên lửa SLS hiện tại sử dụng một mô hình tạm thời với động cơ được thiết kế để hoạt động trong ba sứ mệnh Artemis (Artemis I, II, III).

Bắt đầu từ Artemis IV, tên lửa SLS sẽ sử dụng một loại động cơ mạnh mẽ hơn, gồm bốn động cơ “Exploration Upper Stage”, giúp tăng khả năng tải trọng từ 27 tấn lên ít nhất 38 tấn hàng hóa. Các phiên bản nâng cấp sau này của tên lửa SLS sẽ được trang bị tên lửa đẩy nhiên liệu rắn cải tiến, nâng khả năng tải trọng lên Mặt Trăng lên hơn 43 tấn.

NASA sẽ cần sử dụng tất cả những cải tiến này của tên lửa SLS để xây dựng một trạm vũ trụ trên quỹ đạo Mặt Trăng, theo kế hoạch sau khi hoàn thành sứ mệnh Artemis III.

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

SpaceX, công ty do Elon Musk sáng lập, có thể không đồng ý với quan điểm này. Vào năm 2018, họ giới thiệu tên lửa nâng hạng nặng của riêng mình, Falcon Heavy, có thể tái sử dụng một phần và mang được từ 18 đến 22 tấn lên Mặt Trăng với giá thấp nhất là 97 triệu đô la.

SpaceX cũng đang phát triển một tên lửa còn lớn hơn, mang tên Starship — không giống như SLS, được thiết kế để hoàn toàn có thể tái sử dụng. Nếu Starship hoạt động, nó sẽ cho phép phóng các tàu với trọng lượng lớn với chi phí rẻ hơn bao giờ hết. Trong tương lai, SpaceX muốn sử dụng tên lửa này để thiết lập một thành phố trên sao Hỏa.

Tuy nhiên, Starship hiện chỉ là một mô hình thử nghiệm, và tiềm năng thực sự của nó sẽ chỉ được thực hiện nếu nó có thể tiếp nhiên liệu trên quỹ đạo, điều này chưa từng được thực hiện trước đây.

Các quan chức NASA nhấn mạnh rằng không có sự cạnh tranh giữa NASA và SpaceX, vì cả hai tên lửa (SLS và Starship) đều rất quan trọng đối với thành công của Chương trình Artemis. Phi hành gia của sứ mệnh Artemis III sẽ rời Trái Đất trong tàu vũ trụ Orion do SLS phóng lên; và sau đó chuyển sang tầng trên của Starship (cũng có tên là 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 khi một phần của SLS tách rời, đó là một bước tiến mới trong sứ mệnh phóng Orion của SLS, cho thấy sự thành công của nó. “Suy nghĩ về số phận của các phần tên lửa SLS gợi lên một cảm xúc lẫn lộn giữa buồn vui. Chúng ta không thể nhìn thấy hoặc thu hồi lại những phần cứng đó, nhưng tất cả đều biết rằng, nhờ có chúng, Orion mới có thể đạt được đến Mặt Trăng. Di sản vô hình đó sẽ mãi mãi được chúng ta nhớ đến” - Kỹ sư của Boeing - Amanda Gertjejansen chia sẻ.

Lịch sử sẽ ghi lại nhiều điều về SLS và cuộc hành trình không gian tiếp theo của loài người.

Chuyển ngữ: NATIONAL GEOGRAPHIC