Tuyệt kỹ điều hướng ở tốc độ 40.000 km/h khi tàu Orion hạ cánh

Lần đầu tiên sau hơn 53 năm kể từ kỷ nguyên Apollo vĩ đại, nhân loại mới lại chứng kiến cảnh 4 người anh hùng từ không gian sâu trở về Trái Đất.

Chuyến hành trình dài 10 ngày bay quanh Mặt Trăng của các phi hành gia Reid Wiseman, Victor Glover, Christina Koch và Jeremy Hansen sắp đi đến hồi kết. Thế nhưng, để chạm tới mặt nước bình yên kia, họ phải đối mặt với thử thách sinh tử khốc liệt nhất của toàn bộ sứ mệnh: đâm xuyên qua bầu khí quyển Trái Đất.

Trọng tâm của 13 phút định mệnh này nằm ở kỹ thuật hãm phanh chưa từng có nhằm bảo vệ tối đa sinh mạng con người và nhắm trúng một mục tiêu vô cùng hẹp giữa đại dương mênh mông.

Thử thách hãm phanh ở vận tốc 40.000 km/h và 13 phút định mệnh của tàu Orion

Để thấu hiểu mức độ tàn khốc của cú hạ cánh này, chúng ta cần nhìn vào những thông số vật lý hiện thực. Các chuyến bay trở về từ Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) thường diễn ra ở quỹ đạo thấp, với vận tốc khi chạm ngõ bầu khí quyển rơi vào khoảng 28.000 km/h.

Tuy nhiên, tàu Orion lao về phía Trái Đất từ quỹ đạo Mặt Trăng với một gia tốc khổng lồ, đạt tới vận tốc gần 40.000 km/h (chính xác là 38.600 km/h). Ở mức tốc độ cực đại này, sự ma sát giữa lớp vỏ tàu và các phân tử không khí đậm đặc tạo ra nhiệt lượng khổng lồ.

Bầu khí quyển Trái Đất lúc này không còn là một lớp mây mềm mại mà trở thành một bức tường rực lửa. Tấm khiên nhiệt bảo vệ dưới đáy tàu Orion sẽ phải chịu đựng nhiệt độ lên tới 2.760 độ C (tương đương 5.000 độ F).

Quản trị viên liên kết của NASA, ông Amit Kshatriya, đã nhấn mạnh mức độ rủi ro tột đỉnh này khi tuyên bố rằng mọi hệ thống từ hỗ trợ sự sống, điều hướng, lực đẩy đến liên lạc trong suốt 9 ngày bay vừa qua đều phụ thuộc hoàn toàn vào những phút cuối cùng. Ông khẳng định tấm khiên nhiệt được chế tạo để chịu đựng mức nhiệt độ tiệm cận bề mặt Mặt Trời, và nó sẽ phải gánh chịu toàn bộ lực tác động kinh hoàng của quá trình tái nhập.

Quỹ đạo rơi của tàu Orion có một cú nảy khi rơi vào khí quyển

Thử thách tồi tệ nhất ở vận tốc 40.000 km/h chính là gia tốc giảm dần. Nếu thực hiện một cú đâm xuyên thẳng đứng bằng lực cản không khí, gia tốc trọng trường sinh ra sẽ vượt quá giới hạn chịu đựng của cơ thể con người.

Cựu phi hành gia kiêm chuyên gia về hệ thống bảo vệ nhiệt Charlie Camarda từng bày tỏ sự lo ngại sâu sắc đối với rủi ro này. Vị chuyên gia lập luận rằng nguy cơ hư hỏng lớp khiên nhiệt do ma sát trực diện vẫn là một hiểm họa khôn lường đối với mạng sống của phi hành đoàn.

Lớp plasma siêu nóng bao quanh khoang thuyền rực sáng đến mức sẽ gây ra hiện tượng nhiễu loạn sóng vô tuyến nghiêm trọng. NASA dự kiến con tàu sẽ mất liên lạc hoàn toàn với trạm kiểm soát dưới mặt đất. Giám đốc bay Jeff Radigan chia sẻ rằng, nhóm của ông luôn giữ một danh sách dài những việc cần kiểm tra trong đầu, vì trong 13 phút sinh tử ấy, họ chỉ có thể chờ đợi tín hiệu kết nối lại sau khi tàu vượt qua vùng nhiễu động.

Kỹ thuật Skip Reentry - Cú nhảy thia lia trên tầng khí quyển

Nhằm giải bài toán giảm tốc tử thần và bảo vệ lớp khiên nhiệt đang bị nghi ngờ về độ bền sau chuyến bay Artemis I, các kỹ sư đã áp dụng một kỹ thuật tái nhập mang tên "Skip Reentry" (Tái nhập nhảy bổng), được mô tả sinh động như cú nảy của một viên đá lướt trên mặt hồ.

Thay vì lao thẳng xuống đại dương và hứng chịu toàn bộ áp lực khí động học cùng một lúc, khoang thuyền Orion sẽ tiếp cận Trái Đất theo một góc nông. Con tàu đâm vào các tầng khí quyển đặc ở độ cao khoảng 120.000 mét, tận dụng lực cản để giảm một phần tốc độ. Ngay sau đó, Orion sử dụng chính lớp không khí đặc ấy như một đệm bật, tạo ra lực nâng để nảy bổng trở lại rìa không gian trước khi thực hiện cú lao mình thứ hai xuống quỹ đạo thấp hơn.

Kỹ thuật nhảy này mang lại một ưu thế vô giá về mặt y sinh học. Việc chia nhỏ quá trình giảm tốc khốc liệt làm 2 giai đoạn giúp phân tán lực cản không khí. Theo tính toán của NASA, kỹ thuật này sẽ ghìm lực G tác động lên cơ thể 4 phi hành gia xuống mức tối đa là 3.9 G. Tại mức áp lực này, các thành viên phi hành đoàn hoàn toàn duy trì được sự tỉnh táo, tránh được nguy cơ chấn thương và giữ được sức khỏe ổn định.

Tuy nhiên, kỹ thuật này cũng mang đến áp lực nhiệt cực lớn. Đánh giá về sự hư hại của lớp khiên nhiệt trong sứ mệnh không người lái trước đó, ông Amit Kshatriya cho biết NASA vẫn thực hiện kỹ thuật nhảy thia lia nhưng đã rút ngắn thời gian nảy bổng do những giới hạn chịu đựng của tấm khiên nhiệt. Việc điều chỉnh đường bay này là một nỗ lực tối đa để hạn chế sự xói mòn vật liệu, đảm bảo lớp vỏ bên ngoài không bị phá vỡ trước khi tàu bung dù.

Chuỗi thao tác chuẩn bị và vũ điệu của động cơ RCS

Quá trình trở về không chỉ gói gọn trong 13 phút đâm xuyên bầu khí quyển mà là một chuỗi các thao tác đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối được bắt đầu từ nhiều giờ trước đó.

Vào lúc 13 giờ 50 phút (giờ miền đông nước Mỹ), 4 phi hành gia bắt đầu công việc cấu hình lại tàu Orion cho việc tái nhập. Họ phải cất gọn các thiết bị không còn sử dụng, thiết lập lại 4 ghế ngồi vốn đã được gập lại trong phần lớn chuyến bay và khoác lên mình bộ đồ sinh tồn màu cam xanh rực rỡ mang tên OCSS. Bộ đồ này được thiết kế đặc biệt để giúp họ có thể sống sót tối đa 6 ngày trên biển trong trường hợp đội cứu hộ gặp trục trặc.

Đến 19 giờ 33 phút, một trong những khoảnh khắc quan trọng nhất diễn ra: Module Phi hành đoàn hình giọt nước sẽ chính thức tách khỏi Module vận hành hình trụ do Cơ quan Vũ trụ Châu Âu chế tạo. Module vận hành, nơi chứa toàn bộ nhiên liệu, nước và các tấm pin năng lượng mặt trời, sẽ bị vứt bỏ và bốc cháy hoàn toàn phía trên Thái Bình Dương.

Ngay sau khi tách rời, vào lúc 19 giờ 37 phút, khoang hành khách Orion sẽ kích hoạt một đợt đốt động cơ đặc biệt nhằm tạo khoảng cách an toàn với phần mảnh vỡ của Module vận hành. Đúng 19 giờ 53 phút, tàu Orion chính thức va chạm với rìa bầu khí quyển ở độ cao 120.000 mét.

Khoang chở người sẽ tách khỏi module vận hành trước khi trở lại Trái Đất

Sự kỳ diệu của cú nảy thia lia trên không trung đòi hỏi sự can thiệp liên tục của hệ thống động cơ đẩy điều hướng được bố trí tinh vi bao quanh phần chóp của khoang thuyền. Dù Orion mang dáng dấp của một khối kim loại nặng nề và hoàn toàn không có cánh, nó lại có khả năng lướt đi nhờ thiết kế khí động học của tấm khiên nhiệt.

Các cụm động cơ điều hướng đóng vai trò như những người nhạc trưởng, liên tục khai hỏa từng nhịp ngắn để xoay lật thân tàu, điều chỉnh góc tấn sao cho bề mặt phẳng hướng đúng vào luồng khí lưu. Khi cần lấy độ cao, thân tàu xoay nghiêng nhằm tạo ra lực nâng khí động học tối đa. Khi cần chúi xuống để hoàn thành cú nảy, hệ thống đẩy lại thay đổi trọng tâm, định hướng lực cản kéo con tàu rơi vào quỹ đạo hãm phanh cuối cùng, trước khi hệ thống dù giảm tốc bung mở ở độ cao 1.800 mét để kéo tốc độ rơi xuống mức an toàn.

Khả năng thay đổi góc nghiêng và xoay lật linh hoạt này cho phép Orion chủ động điều hướng đường bay dài 3.200 km bắt đầu từ phía đông nam Hawaii cho đến điểm hạ cánh.

Hệ thống máy tính trung tâm của tàu sẽ liên tục tính toán, bù đắp mọi sự sai lệch, đưa con tàu đến đúng một tọa độ mục tiêu hẹp ngoài khơi California. Việc đáp trúng đích giúp lực lượng ứng trực có thể tiếp cận khoang thuyền ngay khi nó vừa chạm mặt nước.

Sự chuẩn xác từng mét trong nghệ thuật điều hướng này biến chặng đường 13 phút trở về của con tàu trở thành một bản giao hưởng hoàn hảo của công nghệ tự động hóa và lòng dũng cảm phi thường của con người.